直升机旋翼桨叶外形对雷达特征信号的影响

直升机旋翼桨叶外形对雷达特征信号的影响

王岩 丁明锋

驻哈尔滨地区第一军事代表室 黑龙江省哈尔滨市 150066

摘要：旋翼是直升机重要的强散射源之一，在某些方位的最大散射水平等效于或大于机身的散射，且桨叶的高速旋转以及相对雷达入射波方向存在径向运动等特征，使得旋翼的雷达散射截面特性不仅呈动态的非线性变化，并且伴随强烈的微多普勒调制雷达回波，易被检测跟踪。因此，在考虑旋翼回波微多普勒效应下，发现和分析桨叶强散射影响参数，控制并减缩旋翼雷达信号特征，对增强武装直升机的隐身性能有着重要的理论价值和实际意义。

关键词：直升机旋翼桨叶外形；雷达特征信号；

直升机区别于固定翼飞机的主要特征在直升机具有旋翼，旋翼对雷达信号调制形成区别于固定翼飞机的直升机微多普勒特征。由于直升机旋翼的后向散射截面较小，其产生的回波功率较小，易于淹没在机身回波和杂波中，并且不同直升机的机身和旋翼的散射截面、旋翼长度、转速和叶片数等都不相同，因此时域检测的方法并不实用。

一、直升机回波信号微特征分析

直升机微多普勒由两部分组成：离散谱线和由旋翼及其转轴调制产生的连续多普勒谱。谱线由引擎的转动部件后向散射调制产生，转动部件包括：压缩机，涡轮和风扇叶片，且与直升机构造有关。JEM谱线只在一定的雷达波照射角比较明显。当雷达波对直升机正前方照射时，由引擎压缩机和油料冷却器产生的JEM谱线最明显，并且出现在负多普勒频谱区。连续多普勒频谱由主旋翼和尾旋翼调制形成。由于主旋翼雷达散射截面相对尾旋翼较大，而尾旋翼在一些照射角被机身遮挡，且只有当雷达从正后方及其附近的方位角照射时，尾旋翼才不被机身挡住，且对雷达波的反射比较强，故通常连续多谱勒频谱主要由主旋翼调制谱决定。而主旋翼前沿的RCS比后沿高，其调制谱中，正多普勒频率更明显。设直升机目标在雷达坐标系中的方位角和俯仰角分别假定叶片是雷达远场区的刚性线目标，忽略叶片和机身间的遮挡影响。升机的微多普勒频谱是时变的。设主旋翼正负多谱勒瞬时谱宽分别以正多谱勒谱宽为例，当雷达照射瞬间，若正好有一叶片垂直雷达波，并向靠近雷达的方向旋转，则此时正多谱勒谱最宽。负多普勒频谱的瞬时谱宽艮与躁的分析类似。轮毂对雷达波调制很小，当悬停直升机被窄带雷达照射时，多谱勒频谱中心存在一缺口，若为运动直升机，则多谱勒频谱中心存在一尖峰。

2. 直升机旋翼桨叶外形对雷达特征信号的影响

1.准静态法。准静态法的思想是：当雷达波频率远远大于旋翼旋转频率时，在每一个离散的很短时间间隔内，旋转的桨叶可以看作平动，但由于桨叶每个剖面的速度大小和方向又各不相同，所以引起的微多普勒频移是一个有一定宽度的频带。时频域分析可以更加全面地观察旋翼这类范围广、非平稳的动态雷达特征信号。通过对一个短时的时域信号作傅里叶变换获得某一时间点接近瞬态的频域分布。将时间窗函数引入到信号分析处理中，利用时间窗滑动开展傅里叶变换，得到信号的时频谱。电磁计算网格要求用一系列拓扑结构的面元和棱边来描述复杂目标，网格质量好坏对计算结果的精度有着直接影响。旋翼电磁计算网格由顶点、面元和边缘3个数组构成，面元信息选取桨叶上下表面和桨尖端面三角形和四边形网格，边缘选取桨叶的前缘和后缘棱边。为了克服细节误差，提高建模精度，更加贴近真实桨叶的桨尖外形，桨叶端部通过依次间隔15。翻转12次生成弧形端面过渡网格，每片桨叶的4个顶角都分别由12个三角形网格构成。定旋翼外形几何参数桨叶平面参数、翼型、后掠和下反角等和初始条件雷达波极化方式、姿态角和入射频率。

2.翼桨外形对雷达特征信号的影响。直升机目标的雷达回波主要由机身回波、主旋翼回波、尾翼回波及叶毂回波组成，其中机身回波与一般固定翼飞机目标的回波类似，主旋翼回波使得直升机目标回波表现出有别于一般固定翼飞机的特性，尾翼回波由于受机身的遮挡而反射不稳定，叶毂回波幅度相对较小。早期直升机的旋翼由2—3个叶片组成，丽现役直升机的旋翼叶片数一般为4—6，旋翼的叶片数越小，则其转速越大盼。由于空气动力学的原因，旋翼叶片的最大线速度大致相同，因此旋翼转速越大则其直径越小。当雷达波束垂直照射叶片的—个侧边时，回波达到最强，出现一个闪烁，称之为峰包。随着叶片的转动，峰包周期性出现。若旋翼叶片个数为偶数，叶片对称分布，则出现峰包时雷达波束同时垂直照射到一个向前运动的叶片和一个向后运动的叶片，因而峰包信号具有正、负双边多普勒谱，若旋翼叶片个数为奇数，则雷达波束一次只能垂直照射到—个叶片的侧边，因而峰包信号具有单边多普勒谱，且正、负多普勒谱交替出现，此时峰包出现的频率尖峰处频率对应直升机机体相对于雷达的径向运动产生的多普勒频率，在尖峰的两侧分布着一定宽度的多普勒谱区，它们分别对应旋转中的叶片产生的正多普勒频率和负多普勒频率。无法得知每个峰包信号的频谱以及正负多普勒谱是否同时出现等特性，因此考虑采用时频分析方法对直升机目标回波信号作进一步的处理。直升机目标回波信号中峰包是周期出现的，但是频谱反映的是回波信号在频域的全局特性。为了分析回波中每个峰包的局部频域特性，最希望得到的是回波信号频谱随时问变化的情况，为此需要对回波信号做时频分析。为更好地观测旋翼调制产生的正负多普勒频率，已对直升机的径向速度进行补偿，补偿后机体回波的多普勒速度为零。时频分布清楚地描述了旋翼回波的特征。在零频率处水平方向的时频分布对应的是直升机机体的回波，在几个时刻点依次出现垂直方向的时频分布对应的是直升机的旋翼叶片调制回波。旋翼调制的正负多普勒谱是交替出现的，由此可判断该直升机旋翼的叶片数为奇数。若旋翼叶片数为偶数，则正负多普勒谱应该是同时出现的。在已知测量实验中采样间隔的情况下，直升机目标回波时频分布可以方便地测定旋翼调制多普勒谱交替出现的时间间隔，再根据前面所述的聊关系，即可计算得出直升机旋翼的旋转速度。本文所测直升机的旋翼叶片数为奇数，与从回波信号时频分布中得出的结论相符，若能在时域测定峰包的宽度，还可估计出旋翼叶片的长度。所测直升机旋翼调制谱的正负两个边带是不对称的，其正多普勒频率幅度大于负多普勒频率幅度，这是由于旋翼叶片扭角以及旋翼叶片与水平面夹角的影响。即一片桨叶的前缘、一片桨叶的后缘和另两片桨叶下反的桨尖部位垂直雷达接收散射回波的方向，产生强烈的镜面和边缘散射。随着桨叶下反角不断增加，桨尖部位的镜面散射也逐渐加强，所以，旋翼峰值和均值都呈不断增大的趋势。若桨叶选取2片或4片，旋翼旋转过程中总存在一片桨叶前缘、一片桨叶后缘和另两片桨叶的端面垂直雷达接收方向，产生较强的镜面和边缘散射；若桨叶选取3片或5片，桨叶之间的夹角不垂直，避免了强散射的叠加影响，且旋转过程中各片桨叶问存在相互遮挡现象，降低了旋翼部分散射强。

旋翼翼型的厚度越大，其前缘散射越强，但低散射特性旋翼的翼型配置是一个综合权衡的过程，可以结合桨叶气动性能对翼型配置的要求，并通过线性加权和法分析旋翼的隐身和气动性能，优化旋翼翼型的配置。可以发现和提取旋翼动态微多普勒频宽、桨叶奇偶片数、尺寸、转速和桨尖端面、后掠等强散射源信息，直接用于提高雷达探测、跟踪、定位武装直升机的反隐身性能。

参考文献：

[1]王成。胡卫东．郁文贤多带雷达信号融合中的幅相补偿参数估计．北京：中国微波成像及其应用技术研讨会，2018．

[2]张贤达．现代信号处理[M]．清华大学出版社，2018．

[3]戈卢布范洛慰矩阵计算LM]．北京：科学出版社，2018．[J]．电波科学学报，2017，17(1)：93-96．