直升機旋翼槳葉外形對雷達特征信號的影響

　　摘要：旋翼是直升機重要的強散射源之一，在某些方位的最大散射水平等效于或大于機身的散射，且槳葉的高速旋轉以及相對雷達入射波方向存在徑向運動等特征，使得旋翼的雷達散射截面特性不僅呈動態的非線性變化，并且伴隨強烈的微多普勒調制雷達回波，易被檢測跟蹤。因此，在考慮旋翼回波微多普勒效應下，發現和分析槳葉強散射影響參數，控制并減縮旋翼雷達信號特征，對增強武裝直升機的隱身性能有著重要的理論價值和實際意義。

　　關鍵詞：直升機旋翼槳葉外形;雷達特征信號;

　　直升機區別于固定翼飛機的主要特征在直升機具有旋翼，旋翼對雷達信號調制形成區別于固定翼飛機的直升機微多普勒特征。由于直升機旋翼的后向散射截面較小，其產生的回波功率較小，易于淹沒在機身回波和雜波中，并且不同直升機的機身和旋翼的散射截面、旋翼長度、轉速和葉片數等都不相同，因此時域檢測的方法并不實用。

　　一、直升機回波信號微特征分析

　　直升機微多普勒由兩部分組成：離散譜線和由旋翼及其轉軸調制產生的連續多普勒譜。譜線由引擎的轉動部件后向散射調制產生，轉動部件包括：壓縮機，渦輪和風扇葉片，且與直升機構造有關。JEM譜線只在一定的雷達波照射角比較明顯。當雷達波對直升機正前方照射時，由引擎壓縮機和油料冷卻器產生的JEM譜線最明顯，并且出現在負多普勒頻譜區。連續多普勒頻譜由主旋翼和尾旋翼調制形成。由于主旋翼雷達散射截面相對尾旋翼較大，而尾旋翼在一些照射角被機身遮擋，且只有當雷達從正后方及其附近的方位角照射時，尾旋翼才不被機身擋住，且對雷達波的反射比較強，故通常連續多譜勒頻譜主要由主旋翼調制譜決定。

　　而主旋翼前沿的RCS比后沿高，其調制譜中，正多普勒頻率更明顯。設直升機目標在雷達坐標系中的方位角和俯仰角分別假定葉片是雷達遠場區的剛性線目標，忽略葉片和機身間的遮擋影響。升機的微多普勒頻譜是時變的。設主旋翼正負多譜勒瞬時譜寬分別以正多譜勒譜寬為例，當雷達照射瞬間，若正好有一葉片垂直雷達波，并向靠近雷達的方向旋轉，則此時正多譜勒譜最寬。負多普勒頻譜的瞬時譜寬艮與躁的分析類似。輪轂對雷達波調制很小，當懸停直升機被窄帶雷達照射時，多譜勒頻譜中心存在一缺口，若為運動直升機，則多譜勒頻譜中心存在一尖峰。

　　直升機旋翼槳葉外形對雷達特征信號的影響

　　1.準靜態法。準靜態法的思想是：當雷達波頻率遠遠大于旋翼旋轉頻率時，在每一個離散的很短時間間隔內，旋轉的槳葉可以看作平動，但由于槳葉每個剖面的速度大小和方向又各不相同，所以引起的微多普勒頻移是一個有一定寬度的頻帶。時頻域分析可以更加全面地觀察旋翼這類范圍廣、非平穩的動態雷達特征信號。通過對一個短時的時域信號作傅里葉變換獲得某一時間點接近瞬態的頻域分布。將時間窗函數引入到信號分析處理中，利用時間窗滑動開展傅里葉變換，得到信號的時頻譜。

　　電磁計算網格要求用一系列拓撲結構的面元和棱邊來描述復雜目標，網格質量好壞對計算結果的精度有著直接影響。旋翼電磁計算網格由頂點、面元和邊緣3個數組構成，面元信息選取槳葉上下表面和槳尖端面三角形和四邊形網格，邊緣選取槳葉的前緣和后緣棱邊。為了克服細節誤差，提高建模精度，更加貼近真實槳葉的槳尖外形，槳葉端部通過依次間隔15。翻轉12次生成弧形端面過渡網格，每片槳葉的4個頂角都分別由12個三角形網格構成。定旋翼外形幾何參數槳葉平面參數、翼型、后掠和下反角等和初始條件雷達波極化方式、姿態角和入射頻率。

　　2.翼槳外形對雷達特征信號的影響。直升機目標的雷達回波主要由機身回波、主旋翼回波、尾翼回波及葉轂回波組成，其中機身回波與一般固定翼飛機目標的回波類似，主旋翼回波使得直升機目標回波表現出有別于一般固定翼飛機的特性，尾翼回波由于受機身的遮擋而反射不穩定，葉轂回波幅度相對較小。早期直升機的旋翼由2—3個葉片組成，麗現役直升機的旋翼葉片數一般為4—6，旋翼的葉片數越小，則其轉速越大盼。由于空氣動力學的原因，旋翼葉片的最大線速度大致相同，因此旋翼轉速越大則其直徑越小。

　　當雷達波束垂直照射葉片的—個側邊時，回波達到最強，出現一個閃爍，稱之為峰包。隨著葉片的轉動，峰包周期性出現。若旋翼葉片個數為偶數，葉片對稱分布，則出現峰包時雷達波束同時垂直照射到一個向前運動的葉片和一個向后運動的葉片，因而峰包信號具有正、負雙邊多普勒譜，若旋翼葉片個數為奇數，則雷達波束一次只能垂直照射到—個葉片的側邊，因而峰包信號具有單邊多普勒譜，且正、負多普勒譜交替出現，此時峰包出現的頻率尖峰處頻率對應直升機機體相對于雷達的徑向運動產生的多普勒頻率，在尖峰的兩側分布著一定寬度的多普勒譜區，它們分別對應旋轉中的葉片產生的正多普勒頻率和負多普勒頻率。

　　無法得知每個峰包信號的頻譜以及正負多普勒譜是否同時出現等特性，因此考慮采用時頻分析方法對直升機目標回波信號作進一步的處理。直升機目標回波信號中峰包是周期出現的，但是頻譜反映的是回波信號在頻域的全局特性。為了分析回波中每個峰包的局部頻域特性，最希望得到的是回波信號頻譜隨時問變化的情況，為此需要對回波信號做時頻分析。

　　為更好地觀測旋翼調制產生的正負多普勒頻率，已對直升機的徑向速度進行補償，補償后機體回波的多普勒速度為零。時頻分布清楚地描述了旋翼回波的特征。在零頻率處水平方向的時頻分布對應的是直升機機體的回波，在幾個時刻點依次出現垂直方向的時頻分布對應的是直升機的旋翼葉片調制回波。旋翼調制的正負多普勒譜是交替出現的，由此可判斷該直升機旋翼的葉片數為奇數。若旋翼葉片數為偶數，則正負多普勒譜應該是同時出現的。

　　在已知測量實驗中采樣間隔的情況下，直升機目標回波時頻分布可以方便地測定旋翼調制多普勒譜交替出現的時間間隔，再根據前面所述的聊關系，即可計算得出直升機旋翼的旋轉速度。本文所測直升機的旋翼葉片數為奇數，與從回波信號時頻分布中得出的結論相符，若能在時域測定峰包的寬度，還可估計出旋翼葉片的長度。所測直升機旋翼調制譜的正負兩個邊帶是不對稱的，其正多普勒頻率幅度大于負多普勒頻率幅度，這是由于旋翼葉片扭角以及旋翼葉片與水平面夾角的影響。

　　即一片槳葉的前緣、一片槳葉的后緣和另兩片槳葉下反的槳尖部位垂直雷達接收散射回波的方向，產生強烈的鏡面和邊緣散射。隨著槳葉下反角不斷增加，槳尖部位的鏡面散射也逐漸加強，所以，旋翼峰值和均值都呈不斷增大的趨勢。若槳葉選取2片或4片，旋翼旋轉過程中總存在一片槳葉前緣、一片槳葉后緣和另兩片槳葉的端面垂直雷達接收方向，產生較強的鏡面和邊緣散射;若槳葉選取3片或5片，槳葉之間的夾角不垂直，避免了強散射的疊加影響，且旋轉過程中各片槳葉問存在相互遮擋現象，降低了旋翼部分散射強。

　　電力論文投稿刊物：《電波科學學報》(雙月刊)創刊于1986年，是中國科協主管、中國電子學會主辦、中國電波傳播研究所承辦的國內外公開發行的學術性刊物。

　　旋翼翼型的厚度越大，其前緣散射越強，但低散射特性旋翼的翼型配置是一個綜合權衡的過程，可以結合槳葉氣動性能對翼型配置的要求，并通過線性加權和法分析旋翼的隱身和氣動性能，優化旋翼翼型的配置。可以發現和提取旋翼動態微多普勒頻寬、槳葉奇偶片數、尺寸、轉速和槳尖端面、后掠等強散射源信息，直接用于提高雷達探測、跟蹤、定位武裝直升機的反隱身性能。

　　參考文獻：

　　[1]王成。胡衛東.郁文賢多帶雷達信號融合中的幅相補償參數估計.北京：中國微波成像及其應用技術研討會，2018.

　　[2]張賢達.現代信號處理[M].清華大學出版社，2018.

　　[3]戈盧布范洛慰矩陣計算LM].北京：科學出版社，2018.[J].電波科學學報，2017，17(1)：93-96.

　　作者：王巖 丁明鋒

轉載請注明來自發表學術論文網：http://www.zpfmc.com/dzlw/25224.html