毫米波辐射计探测直升机研究

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第23卷第4期 2 0 0】年1 2月 探测与控制学报 Journal of Detection＆ Control V ol 23 No 4 Dec 2001 0 引言 毫米波辐射计探测直升机研究 严金海，李国，汪敏 (南京理工大学毫米波、光波近感技术研究所，江苏南京210094) 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。 美键词：毫米波；圆锥扫描；幅射计；探涮}直升机 中圄分类号：'IN 928 文献标识码：A 文章编号：1o0B一1194(~001)04—0037—04 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。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，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)。 收稿日期t2001—07—11 作者简介：严盒海(1968～ )，男．江苏南京人，高工t博士生，获部级成果四项，主要研究毫米渡探测识别目标技术 维普资讯 http://www.cqvip.com 38 探蒯与控制学报 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, 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 维普资讯 http://www.cqvip.com 严垒海等：毫米波辐射计探蒯直升机研究 39 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，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 维普资讯 http://www.cqvip.com 40 探删与控制学报 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。 参考文献 李兴国．毫米渡近感探测技术及其应用北京：国防工业出版社，1991． 汪敏．毫米波主被动复台探测系统目标识别技术研究(博士论文)．南京：南京理工大学，1999． Farina A High Resolution Sea Clutter Data：Statistical Analysis of Recorded¨w Data[】] 1EEE Proc—Radar Sonar Navig．1997，144(3)：121—130． 文树梁．基于双距离像的雷达目标识别技术D]．现代雷选，1996，18(1)：l5—21． Chandran V．Pattern Recongn~tinn Using Invariants Defined from Higher Order Spectra—One Dimensional Inputs _J]．IEEE Trans On SP，1993，41(1){205—211． The Study on Detecting Helicopter by M M W Radiometer YAN Jin—hal，LI Xing—guo，W ANG M ing (Resereh Institute of Millimeter W ave and Optical Near-Sensing Technology， Nanjing University of Science and Technology-Nanjing 210094，China) Abstract： A method using hy M MW radiometer worked on conical scan system to detect and identify hellcopter i s presened-On the basis of analyzing the principle of detecting helicopter by MM W radiometer，the mathmatica]m0de i s set up·The project of identifying target according to waveform is given．The MMW sens0r can detect and iden“fv helicopter accurately．This method is realized more easily than the method using image technology and fit for intellige nt landmine Key words：MMW ；conical scan；radiometer}detect；helicopter (I-接第36页) DoA Estimation for Target Signals in the Projectile System GU0 Dong—min ，WANG Yi一1in ，SHI Ju—shen【gl (1_Beijing Institute of Technology ，Beiiing 100081，China： 2．Xi’an Institute of Electromach nieal Information Technology ，Xi’an 710065，China) Abstract： In this paper，we analyze the methods of estimating DOA (direction ot arriva1)0f target signals ， then propose that it is available for using the digital beam forming technique in the projectile system．Aimed at the∞ohiem 0{ low signalnoise ratio’a modified method is given hy substituting cycle cross~orrelatinn matrlx f0r cr0ss_c0relati0n 0ne ． M onteea]o trials demonstrate that this method has superior per{ormance 0f Key words ：DOA estimating DOA of targe t signals digital beam forming；cyclic cross—c0rrelati0n

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