毫米波辐射计探测直升机研究

毫米波辐射计探测直升机研究
0 引言 摘 要：介绍了一种圆锥扫描体制的毫米披辐射计探测识别直升机的方法。在分析被动毫 米披探测直升机工作原理的基础上，建立了辐射计探测直升机目标的数学模型t根据波形特 点给出了目标识另 方案，这种毫米渡被动敏感器可以较准确地撵测识别直升机。这种方法较 戚像等技术容易实现，适于智能地雷应用。
近1O余年来，武装直升机成了继坦克之后地面作战的主要突击力量，反直升机地雷是一种对付超 低空飞行直升机的有效武器。它由声预警器、毫米波探测器、战斗部等组成。其工作过程如下：当直升机 从设有反直升机地雷的空域掠过时，声预警器能根据直升机旋翼特有的飞行噪声对1 000 m之内的直 升机进行预警并启动毫米渡探铡器；当直升机从探涌器上方飞过，毫米波探测器探测识别出目标启动战 斗部；起爆数百片预制破片毁伤直升机 扩大探测视场角是反直升机地雷武器系统的要求，由于单一波 束视场角太小，可采用圆锥扫描或多波束成像方法扩大视场角。但对于探测直升机来说，因为有声预警 器先识别出直升机旋翼的飞行噪声的缘故，只要探到天空有一块2 m×5 m 大小的金属板即可判为直 升机，不必获得完整的直升机图象。浊度计| 色度计| 粘度计| 折射计| 滴定仪| 密度计| 热流计| 浓度计| 折射仪| 采样仪| 故无需采用成像方法，用成熟的圆锥扫描技术即可。用单一波束毫 米波做成反直升机地雷探涮器，采用高速机械圆锥扫描能保证不让探测区内的直升机漏过，且功耗不 大；可以在近距离(十几米至上百米)方便地探测识别直升机。

1 探测直升机基本原理 毫米波辐射计亦称毫米波被动敏感器，它是一种高灵敏度无线电接收系统，利用物体在毫米渡段辐 射特性差异来探测目标。毫米波被动敏感器设置在地面，天线朝着天空。探测直升机是靠金属机身反射 地面温度与背景(天空)辐射温度的差异来识别目标的。假定目标正好充满整个波束，大气衰减忽略不 计，假设天空无云 由文献[1]，当辐射计天线扫描到天空时，可计算得天线附近温度： = (1) 当天线波束扫描到金属机身时，天线附近温度为： T = T + P ￡ T (2) 式中丁 、丁 为天空、地面真实温度， 为金属反射系数， 为地面辐射系数。机身与天空的对比度为： AT = (3) 设T，一50 K，Tg=300 K，P，一1_0，￡，=0．935，Er一0 于是：△T一280．5 K 由此可见金属机身与天空之阃有较高的温度对比度，检测AT即能识别直升机(金属机身)。

2 毫米波被动探测器系统框图 毫米波被动敏感器识别系统主 要由三大部分组成：天馈部分、高中 频组件和信号处理部分。馈源采用波 纹波导和卡塞格伦天线，波束宽度 3d一=4．8。、以 =4．8。。为得到一定 的搜索目标区域，天线波束的电轴与 战斗部对称轴之间有lO。的夹角。电 机扫描转速为10 r／s，以保证直升机 飞过天线探测锥时，能出现一定特征 的直升机机体目标回波信号。信号处 理器选主流的定点l6位DSP 【．．．．．．．．．．．．_ J 图1 毫米波被动探测器系统框图 TMS32OC54X，其功耗在i00 MIPS时仅有60 mW ，其性价比符台智能地雷的要求。

3 探测器输出信号的数学模型 大地坐标系OXYZ：坐标原点0选为探涣I器安放点，OX逆着直升机飞行方向，OY垂直向上，OZ 正向由右手定则确定。 坐标系定义如下：图2中直升机飞行高度为 ，。F为探测器波束对称轴OB与OY轴的夹角。0为探 测器波束对称轴OB与金属目标微分单元dxdy的 夹角。直升机机体等效反射面在x轴方向的尺寸为 zz—z，，在z轴方向的尺寸为2 一2，。 设接收机天线功率方向图为G(O， ，物体的辐 射温度为T(O， ，则天线温度可表示为 1 r 一 一 IT(g， G(O， dfl (4) G(O， 可近似为 G(O， = G。e一 (5) 式中：G0为天线波束中心的功率增益，b为波形系 数， 为微分单元与波束中心的夹角。辐射计波束圆 锥扫描与目标交会情况如图l所示。图l中目标距 地面的高度为 ，目标面积为( 一 ．)×(2 一 ，)依 据电磁辐射机理，利用式(4)和(5)，可推出(推导过 程从略)计算辐射计天线温度的数学模型为： 一GoH AT, [I 圈2 波束圆锥扫描与目标交会情况 唧㈨[arcos 耸等 — — — — — — — ～ 式(6)中Go、△ 、△ 解释同参考文献[1]中一致。 (6)4 近距离探测直升机 由于有声预警器，预警信号发出后，在毫米波探测器上方出现直升机机体大小金属体而非直升机的 概率几乎是零。当探潮器扫过直升机机体时会出现图3所示钟形脉冲，脉冲的峰值幅度、宽度、上升斜率 符合一定目标特征。这样就比较容易识别直升机目标了 从接收机进来的毫水渡探测信号，经过预处理 之后，所含噪声主要包括杂波及系统噪声。研究表明，诸如天气之类由大量散射点引起的杂波及系统热 噪声均趋向Gauss分布 。我们可以从频域内定义目标特征。多谱概念由维纳于1 958年提出 定义为高 阶蒙积量的多维傅里叶变换，其中双谱阶数最低，是多谱中研究的热点。若设为零均值、三阶实平稳随机 序列，其双谱可定义为： B( ，山 )= Σ ΣC(m，n)expE～J(山 m+ )]=x(山 )x( z)x。(脚 4- ) 一⋯ 一∞ 式中：c( ，n)一R‘m，n)一E[x x + x + ]，为(z }的三阶累积量，x(叫)为(z }的付氏变换。 一般情况下，假定干扰为加性高斯随机分布 设零均值回波序列为： x(n)= s(n)+ w (n) (7) (8) 式中：s )是目标信号， )为与 ( )不相关的随机干扰及噪声，即： E[ 。"H H ]= 0 (9) 则 )其三阶累积量为： C (m ， )一R (册， )= 兄(m ，H)+ R (m ， ) (10) 回波信号的双谱为： B ( 。，叫2)一B (叫。， )+ ，卢为零或常数 在进行双谱估计时，我们为了利用信号的相关性，同时抵制不相关的噪声，通常取一段时间内的Ⅳ 组同类信号，分别作双谱估计，然后平均作为此类目标回波的双谱。Ⅳ 取得越大，估计性能越好，但增加 了计算时间，需要权衡考虑。双谱含有功率谱没有的相位信息，且能反映出回波信号因二次相位藕合产 生的交叉项，因而可以提取双谱的局部相位作为特征，更准确地反映雷达目标的散射结构。在图4所示 的不冗余区间对{z(n)}作双谱估计： ( ， )= X ) ( ) ’( + ) (11) 并选取直线{ 一 m：l，2’¨．M为(o，Ⅱ／2)内的常数。沿直线f (m=o，l，2，⋯)对B(“ ，∞ )积 【zm： 分： (m)一JB(m ， )d￡皿； (m)+ (m) 定义 一a眦[ ] 1．。 ‘ ● 。 t I 图3 圆锥扫描探测波形示意图 图4 双谱估计的不冗余医问 (1Z) (13) 则厂(m)从统计上给出了各直线‘ 上B( ， )的平均相位，反映了{4)的付氏谱的相位信息；， ( )具有时移不变性，直流不变性和放大不变性，在回波信号中混有噪声时，将 (m)取均值后再求相 位，作为特征矢量，在强噪声下厂(m)亦不会发生很大变化。这为识别直升机带来了方便，至于大量的计 算可由高速DSP完成。

4 结论 选择毫米波作为反直升机地雷探测器，克服了激光或红外对烟尘雨雾难以适应的问题。可以保证当 直升机飞过探测区时机体被探到，这就保证了较小的虚警率。在北京某陆航机场初步试验表明，毫米波 探测直升机方案具有体积小、重量轻、经济性较好的优点，适合于反直升机地雷应用。