CN102798855A - 一种基于数字电视信号的直升机目标识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用基于数字电视信号的外辐射源雷达检测识别直升机目标的方法，属于雷达目标探测处理领域。首先将目标回波信号与直达波信号进行自适应对消；然后对直达波信号及对消后所得的目标回波信号做互模糊函数，在互模糊函数结果中寻找直升机目标的峰值位置，然后沿其多普勒轴检测是否有周期出现的谐波，根据谐波的周期性间隔可得到直升机的螺旋桨转速；根据主峰的多普勒，计算直升机的径向飞行速度；根据主峰所在时延单元计算目标的时延，从而可实现对直升机的检测与参数测量。与传统外辐射源雷达只进行运动目标检测相比，本发明利用螺旋桨微多普勒调制引起的多次谐波副峰特征进行直升机目标识别，可以估计直升机螺旋桨转速等附加信息。

Description

一种基于数字电视信号的直升机目标识别方法

技术领域

本发明涉及一种基于数字电视信号的直升机目标识别方法，特别涉及一种外辐射源雷达中直升机检测、识别的方法，属于雷达目标探测技术领域。

背景技术

外辐射源雷达是一种双多基地雷达系统，利用非合作照射源进行目标探测，由于本身不发射信号，因而具有较低廉的成本。常用的照射源包括调频广播信号、GSM信号、模拟电视、数字电视信号等。其中数字电视信号是外辐射源雷达的理想照射源，数字电视采用数字调制技术，发射功率稳定；同时数字电视信号的带宽较宽（7.56MHz），使外辐射源雷达具有比较高的距离分辨率，有利于探测低空飞行的目标，因此本发明选取数字电视信号作为外辐射源。

如图1所示，本外辐射源雷达利用数字电视广播发射塔作为非合作发射源，通过参考信号接收天线接收直达波信号，通过回波信号接收天线接收目标回波信号，但同时接收到直达波和杂波干扰，因此外辐射源雷达信号处理机首先采用自适应对消算法抑制目标回波接收天线接收到的直达波和杂波干扰，然后利用互模糊函数实现相干积累，并进行恒虚警检测，根据互模糊函数中峰值位置测量目标回波信号与直达波信号的时延差和多普勒频移，从而实现对运动目标的检测和定位。

随着低空空域的逐步开放，航模直升机、小型民用直升机、武装直升机等各类直升机目标对城市的安全造成了巨大的潜在威胁，因此亟需开发一种适用于城市环境的检测识别直升机的雷达技术。

由于电视塔高，电视信号低空覆盖良好，同时外辐射源雷达工作时本身不发射电磁信号，在城市环境具有良好的电磁兼容性。另一方面，外辐射源雷达与脉冲体制雷达在检测直升机方面也具有一定的优势。直升机与普通固定翼飞机的一个主要区别在于其具有螺旋桨，对脉冲体制雷达，由于雷达发射脉冲的速度和直升机螺旋桨转速没有固定的关系，并且仅在雷达发射的电磁波垂直于螺旋桨时回波才强，所以螺旋桨的回波是随机的。而对数字电视信号外辐射源雷达，由于电视塔发射的是连续波信号，所以每次螺旋桨转向雷达时都会有回波，因此在各种检测识别直升机的雷达中，基于数字电视信号的外辐射源雷达有其独特的优势。

直升机螺旋桨的旋转在雷达回波中产生了额外的频率调制，表现在频谱上的特征就是在机身回波主峰周围产生谐波谱线，这就是直升机的微多普勒特征。假设电视塔发射波长为λ的连续波信号，则接收到的理想直升机目标回波信号可以表示为：

$s_r\left(t\right)\mathrm{\ρexp}\left[j(\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{v}_{h}t+R+h\sin \mathrm{\β})\right]\×\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Lh}}_k\left(t\right)\·\exp [j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·\frac{L}{2}\cos \mathrm{\β}\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{k}{K}2\mathrm{\π})]---\left(1\right)$

其中，ρ为目标的电磁反射率，λ为外辐射源发射信号波长，v_h为直升机相对于雷达的径向速度，R和h分别是直升机螺旋桨中心距雷达的初始距离和螺旋桨初始高度，β为直升机仰角，L为直升机旋翼长度，K为直升机螺旋桨叶片数，ω为旋翼转速，h_k(t)为第k个旋翼叶片的周期雷达散射截面（RCS）波动且

$h_k\left(t\right)=\sin c[\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·\frac{L}{2}\cos \mathrm{\β}\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{k}{K}2\mathrm{\π})]---\left(2\right)$

由Victor C.Chen的“Radar Signatures of Rotor Blades”一文，对式（1）做傅里叶变换，其频谱可表示为

$S_r\left(f\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k[\mathrm{\δ}(f-\mathrm{hK\ω}/2\mathrm{\π})+\mathrm{\δ}(f+\mathrm{kK\ω}/2\mathrm{\π})]---\left(\text{3}\right)$

其中系数C_k由ω、β、λ、K及L等参数共同确定，这是典型的第一类Bessel函数，由此可以看出，直升机旋翼的微多普勒效应使得在中心频率左右将会对称周期性地出现以ω/2π为周期的谐波谱线。

由于外辐射源雷达接收到的目标回波信号十分微弱，因此在航模直升机这类低慢小目标的预警场合，采用较长时间的相参积累以提高目标的信噪比，并提取目标的微多普勒特征是十分重要的。对此，可采用外辐射源雷达中常用的互模糊函数进行相参积累，实现直升机微多普勒特征的提取。

发明内容

本发明的目的是在实现传统外辐射源雷达的目标检测功能以外，充分利用直升机的微多普勒信息，在频域进行目标识别，并估计直升机螺旋桨转速信息，为此提出一种基于数字电视信号的直升机目标识别方法，通过对互模糊函数相参积累后的目标时延、多普勒二维相关处理结果进行特征提取分析，实现直升机目标识别。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明提出的一种基于数字电视信号的直升机目标识别方法，其所依托的外辐射源雷达硬件平台包括参考信号接收天线、目标回波接收天线、信号处理机，待测目标为直升机，所述外辐射源雷达通过参考信号接收天线接收直达波信号，通过目标回波接收天线接收目标反射的电视信号；直升机目标识别方法的具体步骤为：

1）外辐射源雷达将通过目标回波接收天线接收到的目标回波信号y(n)与通过参考信号接收天线接收到的直达波信号x(n)在信号处理机中进行自适应对消得到信号e(n)，且

e(n)＝y(n)-w^T(n)x(n)                                    （4）

其中w(n)为滤波器系数，n表示时域样本数；

2）信号处理机利用互模糊函数将直达波信号x(n)与步骤1）得到的对消输出信号e(n)进行二维相关处理，得到互模糊函数结果|x(d,k)|²，且

|x(d,k)|²＝|FFT{e(n)x^*(n-d)}|²                          （5）

其中，d表示时延单元数，k表示多普勒频移单元数；

3）信号处理机对互模糊函数结果|x(d,k)|²进行恒虚警检测；

4）信号处理机分析步骤3）得到的恒虚警检测结果，观察是否检测到目标，根据检测结果分为以下两种情况：

4.1如果目标存在，则进一步观察是否存在沿多普勒轴的与某一中心频率对称的呈周期出现的多次谐波副峰，此时有以下两种情况：

4.1.1若存在沿多普勒轴的与某一中心频率对称的呈周期出现的多次谐波副峰，则存在直升机目标，然后提取多次谐波副峰间重复周期，计算直升机螺旋桨转速，提取主峰的多普勒频率，计算直升机的径向飞行速度；

4.1.2若不存在沿多普勒轴的与某一中心频率对称的呈周期出现的多次谐波副峰，则按一般非直升机目标处理；

4.2若不存在目标，则返回步骤1）继续接收数据，直到本次任务完成。

有益效果

与传统外辐射源雷达只进行运动目标检测相比，本发明利用螺旋桨微多普勒调制引起的多次谐波副峰特征进行直升机目标识别，可以估计直升机螺旋桨转速等附加信息。

附图说明

图1为典型外辐射源雷达系统配置示意图；

图2为基于外辐射源雷达的直升机检测算法流程图；

图3为有直升机目标存在时，通过互模糊函数得到的相参积累结果；

图4为图3中相参积累结果的多普勒维截面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例

本实施例利用仿真的手段来验证本发明的有效性。

仿真参数：某数字电视广播塔发射信号带宽为7.56MHz，信号的中心频率为794MHz，雷达信号处理机基带采样率为9MHz。测试目标为一小型航模直升机，主螺旋桨叶片共两片，翼展0.6m，转速为每分钟2100～2200转。

一种基于数字电视信号的直升机目标识别方法，方法的步骤如图2所示，在本实施例中具体为：

1）外辐射源雷达将通过目标回波接收天线接收到的目标直升机信号y(n)与通过参考信号接收天线接收到的直达波信号x(n)在信号处理机中进行自适应对消，对消滤波器阶数为1200，得到信号e(n)；

2）信号处理机利用互模糊函数将直达波信号x(n)与步骤1）得到的对消输出信号e(n)进行二维相关处理，积累时间为0.4s，待积累数据长度为3.6M点，得到|x(d，k)|²，相参积累结果如图3所示；

3）信号处理机对互模糊函数结果|x(d，k)|²进行恒虚警检测；

4）信号处理机分析步骤3）得到的恒虚警检测结果，观测起始时延为1，最大时延为40，观测多普勒范围为200，观察到沿多普勒维存在与某一中心频率对称且呈周期出现的多次谐波副峰，因此判定存在直升机目标。

为了更清楚地观测具体测量结果，取图3的多普勒维横截面，如图4所示，其中第101号多普勒单元对应0多普勒速度。根据主峰的位置，得到目标的延时单元数为16，对应直升机的时延为16/(9×10⁶)=1.78(微秒)；直升机机身在第62-101=-39多普勒单元内，谐波副峰重复周期为174-146=28个多普勒单元，多普勒速度为28/0.4=70Hz。直升机机身的径向多普勒为-39/0.4=-97.5Hz，方向为远离雷达运动。由于直升机主螺旋桨叶片为2片，则得到直升机螺旋桨的转速为每秒35转，即每分钟2100转，而由直升机的说明书，其旋翼转速为每分钟2100~2200转，完全符合。

通过数据分析可以看出，基于数字电视信号的外辐射源雷达可以精确地检测到直升机目标，并且测出直升机的螺旋桨转速及径向飞行速度。

以上所述的具体描述，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于数字电视信号的直升机目标识别方法，其所依托的外辐射源雷达硬件平台包括参考信号接收天线、目标回波接收天线、信号处理机，待测目标为直升机，所述外辐射源雷达通过参考信号接收天线接收直达波信号，通过目标回波接收天线接收目标反射的电视信号，其特征在于，直升机目标识别方法的具体步骤为：

1）外辐射源雷达将通过目标回波接收天线接收到的目标回波信号y(n)与通过参考信号接收天线接收到的的直达波信号x(n)在信号处理机中进行自适应对消得到信号e(n)，且

e(n)＝y(n)-w^T(n)x(n)                                    （1）

其中w(n)为滤波器系数，n表示时域样本数；

2）信号处理机利用互模糊函数将直达波信号x(n)与步骤1）得到的对消输出信号e(n)进行二维相关处理，得到互模糊函数结果|x(d,k)|²，且

|x(d,k)|²＝|FFT{e(n)x^*(n-d)}|²                          （2）

其中，d表示时延单元数，k表示多普勒频移单元数；

3）信号处理机对互模糊函数结果|x(d,k)|²进行恒虚警检测；

4）信号处理机分析步骤3）得到的恒虚警检测结果，观察是否检测到目标，根据检测结果分为以下两种情况：

4.1如果目标存在，则进一步观察是否存在沿多普勒轴的与某一中心频率对称的呈周期出现的多次谐波副峰，此时有以下两种情况：

4.1.1若存在沿多普勒轴的与某一中心频率对称的呈周期出现的多次谐波副峰，则存在直升机目标，然后提取多次谐波副峰间重复周期，计算直升机螺旋桨转速，提取主峰的多普勒频率，计算直升机的径向飞行速度；

4.1.2若不存在沿多普勒轴的与某一中心频率对称的呈周期出现的多次谐波副峰，则按一般非直升机目标处理；

4.2若不存在目标，则返回步骤1）继续接收数据，直到本次任务完成。

Images