目标特征与雷达识别需求关系原理 (1)
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Abstract: This paper derivates the theoretical model of the jet engine modulation ( JEM ) according to the feature of the actual JEM. It analysed the frequency cycle modulation of the JEM. It advanced an assumezation of the recognition based on the feature of the frequency. It presented the theory of requirements for the identification based on the microDoppler signatures, analysed the needed condition for the recognition of the airplane target with an example. Key words: jet engine modulation; spectrum features; target recognition; radar parameter
。 现有许多文献对空目标的旋转部件
[2 - 4 ]
都进行了比较多的建模仿真
, 这些仿真都得出
的照射图, 喷气式引擎通常有若干个旋转压气级 , 如 , 果只有一个旋转轴 则每个压气级的叶片转速一致, 在某些复杂情况下, 每个压气级叶片有各自的转轴, 转速也不一样, 本文暂时只考虑一般情形。 当电磁波进入引擎后, 所发生的散射效应是极 端复杂的。雷达信号最初遭遇第一级转子叶片, 其 叶片及其他结构部件将反射回一部分能量 , 剩余能
表1 四类涡喷类飞机的旋转部件参数( 第一压气级) 及识别需求 桨数 桨速 周期特 PRF( 1) PRF( 2) PRF( 3) 所需脉冲驻 r / min 征 Hz 3344 3120 2540 2567 kHz 17 19 20 28 kHz 17 19 20 28 kHz 20. 1 18. 8 37 C D 2. 39 38 4012 1. 895 22 7000 表2 发动机 桨长 类型 A B m 1. 8 1. 5 表3 发动机 桨长 类型 m A 9. 45 B C 7. 8 15. 3 15. 4 留时间 ms 发动机 桨长 类型 A B m
中, 一些已知的、 可被识别的喷气引擎 JEM 频谱特 可据此为雷达设置合适的脉冲重复频率。 脉冲 性, 重复频率的选择标准亦以基础基本斩波频率的三次 谐波能够被清晰地检测为准。 引擎最大转速达到 f r1 时, 对于拥有 N1 块叶片的第一级转子来说, 其斩 f , 波频率即为 T1 赫兹 与此斩波频率相关的三次谐波 频率则为 + 3 f T1 和 - 3 f T1 赫兹。 因此, 为了清楚地测 脉冲重复频率必须大于所需的 JEM 频 量这些频率, 谱频率覆盖范围, 即大于 6 f T1 赫兹。 2. 2 脉冲驻留时间的需求分析 为了可靠地分类和识别, 频谱分辨率要足够的 [7 ] 谱分辨率满足以下的要求 : 大, j k k K , j≠k ( 9) Δf≤min | f T1 - f T1 | , j, 对于常规雷达而言, 回波的多普勒分辨率 Δf 为: ( 10 ) Δf = F r / n = 1 / T tot = 2 π / ( R s ·S) n 为驻留脉冲数, T tot 为目标的驻留时间, S 为方 R s 为天线旋转周期。 比如, 两类飞机 位波束宽度, 的 JEM 周期间隔差为 ΔF = 27Hz, 在若想区分出这两 频谱分辨率必须要小于 27Hz。若 Δf = 种动力装置, 27Hz, n 至少为 93 。 取 S = 2° , 则 T tot 至少为 37 毫秒, 2. 3 识别需求及方法比较 2 类螺旋桨 表 1 - 3 分别列举 4 类涡喷类飞机, 指出要对这三类 和 3 类直升机类飞机的具体参数, 飞机进行类内识别所需要脉冲积累时间和脉冲重复 周 期, 以 及 对 三 种 所 需 脉 冲 重 复 周 期 的 比 较。 PRF ( 1 ) , PRF ( 2 ) , PRF ( 3 ) 分别使用第一、 二、 三种 , 计算方法算得的脉冲重复频率 仰角 β 取值为 0 , PRF ( 1 ) , PRF ( 2 ) 的值和 cosβ 成正比。
0
引言
目标在相对雷达径向运动的同时, 目标本身或
征所需的参数原理, 并举例分析了所需要的具体雷 达参数。
其上的结构还存在着机械振动或旋转, 则会对雷达 回波产生调制, 在目标多普勒频率上产生边带, 这种 调制就称为微多普勒现象, 这些边带频率称为微多 普勒频率
[1 ]
1
1. 1
回波特征参数模型推导
涡喷 JEM 的特点 图 1 为一般的喷气引擎的剖面以及雷达信号波
文章编号:1009 - 2552 ( 2012 ) 08 - 0108 - 04
中图分类号:TN911. 73
文献标识码:A
目标特征与雷达识别需求关系原理
王
1 2 维 ,周希辰 ,沈
凡
2
( 1. 南京信息工程大学电子与信息工程学院 ,南京 210044 ; 2. 南京船舶雷达研究所,南京 210003 )
L 为有效桨 α、 β 分别为飞机的方位角和仰角, 为 t 时刻桨叶与飞机飞行平面的夹角, 为初始时 长, 刻桨叶与飞机飞行平面的夹角, 为引擎转轴的转速, N 为桨数, v 为飞机相对于雷达的径向速度。 可以 得到第一压气级 N 个桨叶的合成调制回波, 补偿掉 : 多普勒频率的回波信号为
N -1
图2
涡喷 JEM 各压气级联合调制频谱
1. 3
JEM 频谱周期特征分析 ①图 2 的中央是雷达信号谱线, 它未经过任何 引擎叶片的调制, 该谱线也包括那些由引擎非旋转 部分及机体反射回的信号。 这一谱线与其他 JEM
谱线相比, 通常总是具有更强的振幅。 ②在频谱图中, 较突出的谱线也总是由第一级转 子级叶片反射回的上( 下) 斩波率频率。如果雷达波 长足够小, 小到和第二压气级桨长大小差不多, 则可 — 109 —
2
雷达参数需求分析
2. 1 脉冲重复频率的需求分析 2. 1. 1 第一种计算方法 雷达在以重复周期 PRF 对目标观测时, 所选的 脉冲重复周期决定了对多普勒谱的采样频率 。根据 采样速率必须大于 2 倍的最高频 奈奎斯特采样定理, [ 5 ] 率, 否则将出现混叠现象 , 对目标的多普勒谱以某 一 PRF 采样时, 当目标的速度超过第一盲速时, 目标 , : 多普勒谱将出现模糊 即存在不模糊的条件为 PRF v d ≤v blind = λ · ( 5) 2 提取其周期特征所需要的采样频率由桨叶上线 速度最大的点的多普勒速度决定 。其计算公式为: PFR = f s ≥2 f dmax = 2 ·( 2 ·2 πf r Lcosβ / λ ) = 8 πf r cosβ / λ ( 6) L 为桨叶长度, fr 为桨叶转速。 式中, β 为仰角, λ 为波长, 2. 1. 2 第二种计算方法 [6 ] 调制谱是由一系列的线谱组成 , 线谱的周期 如公式( 4 ) 所示, 单边谱线的个数 N1 = 8 πLcosβ / ( Nλ ) ( 7)
收稿日期: 2012 - 02 - 20 作者简介: 王维( 1986 - ) , 女, 硕士研究生, 研究方向为基于微多普 勒特征的目标识别技术、 雷达信号处理。
了飞机旋转部件对雷达的调制回波复包络谱线呈周 期分布的特征。对于涡喷类飞机, 微动主要指的是 引擎桨叶相对于机身的转动, 桨叶的特点是垂直于 机身向前, 对雷达回波的调制特征是涡喷类飞机的 主要微多普勒特征。本文首先针对喷气式引擎多压 气级的特点, 对其雷达回波复包络谱线的周期特征 并用方针验证了模型的正确性。 针对 进行了推导, 涡喷飞机独特的旋转部件特征, 给出了提取目标特 — 108 —
N1
Sb ( fT ) =
m = -N1
∑ C m δ( f - mf T )
( 3)
C m 为谱线幅度, f T 为频谱谱线的周期, N1 为 其中, 单边调制谱线个数。 f T = PNf r ( 4) P = 1 或者 2 , 分别指偶数桨叶和奇数桨叶这两 对于 JEM 首级压 种情况。由上面的推导可以看出, 雷达接收到的以一定时间间隔重复出现的信 气级, 号, 其时间间隔亦对应于引擎旋转压气级的转动周 即 1 / ( Nf r ) , 其频域上的表 期除以所有的叶片数 N, Nf , JEM 的首级压气级调制谱 现即为 r 这就是涡喷 线的周期特征。 对于其他各级的分析方法类似, 可以得到各压 气级的频谱如图 2 所示。
s N ( t) =
N -1
a bk ( t) exp( jψ bk ( t) ) ∑ k =0
=
图1
雷达信号照射喷气引擎
量则进入第二级旋转压气级。雷达信号在进入引擎 内部后, 各级叶片尤其是前两压气级的叶片都会对回 因此各叶片所有部分 波贡献各自的振幅和相位信息, 以及单个叶片将反射并生成非常复杂的波阵面。 1. 2 雷达回波复包络谱线的周期特征的推导 对于入射电磁波, 可将各叶片考虑为一个单独 飞机的尺寸与常规雷达工作波长相比 , 飞 的反射体, 机散射都在光学区。由于光学区各散射中心的相互 作用比较小, 其散射视为线性局部过程, 即飞机总的 散射回波是各个独立散射中心散射回波的线性叠 可以先对涡喷飞机引擎的第一压气级 加。在这里, 进行分析。 涡喷 JEM 的第一压气级与飞机的位置关系类 可以参照对 似与螺旋桨飞机的桨叶和机身的关系, 螺旋桨回波理论参数模型的推导 。 假设发射信号为: s( t) = exp( j2 πf0 ) ( 1)
摘
要: 根据实际涡喷 JEM 特殊的多压气级的特点,推导出多压气级 JEM 的理论参数模型, 并 由实际分析得出 JEM 的周期调制特征,提出利用 JEM 的周期调制特征对空目标进行分类的设想 。
提出了基于微多普勒特征进行目标识别所需要的雷达参数原理 , 并举例分析了利用微多普勒周 期特征进行目标分类所需的参数 。 关键词: 喷气发动调制; 频谱特征; 目标识别; 雷达参数
以电磁波能够到达第二级, 那么第二级生产的斩波频 率通常也易于探测。现有的 3GHz 警戒雷达回波信 号只能测得到第一压气级的斩波频率及其谐波。 ③ 图 2 中出现的每个频率都与引擎轴转速成倍 未指明与特定某级转 数关系。而剩余更多低振幅的、 子叶片相联系的谱线, 则可认为是轴转速谱线频率的 。 谐波 由频谱分析可以看出, 谱线呈周期性分布, 图中 的一些振幅较大的谱线可能是第一级压气叶片斩波 频率的高倍谐波, 或者是二、 三、 四级斩波频率及其 谐波; 如果雷达信号波长足够小, 采样频带足够宽, 雷达重频足够高, 能够测出各级压气级的斩波频率 , 可以估计出频率和轴转速频率的比率, 此比率就即 为各压气级桨叶的数目, 依据此数目, 可以辨别不同 的涡喷 JEM 类型。 利用此特征可以实现对涡喷飞 机类型的分类。
2π ) Lcosβsin( 2 πf, t + … θ0 + λ 2 πk 2π 2 πk ) ·exp( L sin Lcosβsin( 2 πf r t + θ0 + )) N N λ k = 0, 1, 2, ..., N -1 ( 2) [5 ] 这就是旋转部件调制回波基带信号部分 。 对上式做傅里叶变换, 可得第一压气级的桨叶 调制回波频域表示: { Lsinc( ∑ k =0
The theory of the requirements for the identification based on the microDoppler signatures
WANG Wei1 ,ZHOU Xichen2 ,SHEN Fan2
( 1 . College of Electrics and Information Engineering,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044 , China; 2 . Nanjing Marine Radar Institute ,Nanjing 210003 , China)
Abstract: This paper derivates the theoretical model of the jet engine modulation ( JEM ) according to the feature of the actual JEM. It analysed the frequency cycle modulation of the JEM. It advanced an assumezation of the recognition based on the feature of the frequency. It presented the theory of requirements for the identification based on the microDoppler signatures, analysed the needed condition for the recognition of the airplane target with an example. Key words: jet engine modulation; spectrum features; target recognition; radar parameter
。 现有许多文献对空目标的旋转部件
[2 - 4 ]
都进行了比较多的建模仿真
, 这些仿真都得出
的照射图, 喷气式引擎通常有若干个旋转压气级 , 如 , 果只有一个旋转轴 则每个压气级的叶片转速一致, 在某些复杂情况下, 每个压气级叶片有各自的转轴, 转速也不一样, 本文暂时只考虑一般情形。 当电磁波进入引擎后, 所发生的散射效应是极 端复杂的。雷达信号最初遭遇第一级转子叶片, 其 叶片及其他结构部件将反射回一部分能量 , 剩余能
表1 四类涡喷类飞机的旋转部件参数( 第一压气级) 及识别需求 桨数 桨速 周期特 PRF( 1) PRF( 2) PRF( 3) 所需脉冲驻 r / min 征 Hz 3344 3120 2540 2567 kHz 17 19 20 28 kHz 17 19 20 28 kHz 20. 1 18. 8 37 C D 2. 39 38 4012 1. 895 22 7000 表2 发动机 桨长 类型 A B m 1. 8 1. 5 表3 发动机 桨长 类型 m A 9. 45 B C 7. 8 15. 3 15. 4 留时间 ms 发动机 桨长 类型 A B m
中, 一些已知的、 可被识别的喷气引擎 JEM 频谱特 可据此为雷达设置合适的脉冲重复频率。 脉冲 性, 重复频率的选择标准亦以基础基本斩波频率的三次 谐波能够被清晰地检测为准。 引擎最大转速达到 f r1 时, 对于拥有 N1 块叶片的第一级转子来说, 其斩 f , 波频率即为 T1 赫兹 与此斩波频率相关的三次谐波 频率则为 + 3 f T1 和 - 3 f T1 赫兹。 因此, 为了清楚地测 脉冲重复频率必须大于所需的 JEM 频 量这些频率, 谱频率覆盖范围, 即大于 6 f T1 赫兹。 2. 2 脉冲驻留时间的需求分析 为了可靠地分类和识别, 频谱分辨率要足够的 [7 ] 谱分辨率满足以下的要求 : 大, j k k K , j≠k ( 9) Δf≤min | f T1 - f T1 | , j, 对于常规雷达而言, 回波的多普勒分辨率 Δf 为: ( 10 ) Δf = F r / n = 1 / T tot = 2 π / ( R s ·S) n 为驻留脉冲数, T tot 为目标的驻留时间, S 为方 R s 为天线旋转周期。 比如, 两类飞机 位波束宽度, 的 JEM 周期间隔差为 ΔF = 27Hz, 在若想区分出这两 频谱分辨率必须要小于 27Hz。若 Δf = 种动力装置, 27Hz, n 至少为 93 。 取 S = 2° , 则 T tot 至少为 37 毫秒, 2. 3 识别需求及方法比较 2 类螺旋桨 表 1 - 3 分别列举 4 类涡喷类飞机, 指出要对这三类 和 3 类直升机类飞机的具体参数, 飞机进行类内识别所需要脉冲积累时间和脉冲重复 周 期, 以 及 对 三 种 所 需 脉 冲 重 复 周 期 的 比 较。 PRF ( 1 ) , PRF ( 2 ) , PRF ( 3 ) 分别使用第一、 二、 三种 , 计算方法算得的脉冲重复频率 仰角 β 取值为 0 , PRF ( 1 ) , PRF ( 2 ) 的值和 cosβ 成正比。
0
引言
目标在相对雷达径向运动的同时, 目标本身或
征所需的参数原理, 并举例分析了所需要的具体雷 达参数。
其上的结构还存在着机械振动或旋转, 则会对雷达 回波产生调制, 在目标多普勒频率上产生边带, 这种 调制就称为微多普勒现象, 这些边带频率称为微多 普勒频率
[1 ]
1
1. 1
回波特征参数模型推导
涡喷 JEM 的特点 图 1 为一般的喷气引擎的剖面以及雷达信号波
文章编号:1009 - 2552 ( 2012 ) 08 - 0108 - 04
中图分类号:TN911. 73
文献标识码:A
目标特征与雷达识别需求关系原理
王
1 2 维 ,周希辰 ,沈
凡
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( 1. 南京信息工程大学电子与信息工程学院 ,南京 210044 ; 2. 南京船舶雷达研究所,南京 210003 )
L 为有效桨 α、 β 分别为飞机的方位角和仰角, 为 t 时刻桨叶与飞机飞行平面的夹角, 为初始时 长, 刻桨叶与飞机飞行平面的夹角, 为引擎转轴的转速, N 为桨数, v 为飞机相对于雷达的径向速度。 可以 得到第一压气级 N 个桨叶的合成调制回波, 补偿掉 : 多普勒频率的回波信号为
N -1
图2
涡喷 JEM 各压气级联合调制频谱
1. 3
JEM 频谱周期特征分析 ①图 2 的中央是雷达信号谱线, 它未经过任何 引擎叶片的调制, 该谱线也包括那些由引擎非旋转 部分及机体反射回的信号。 这一谱线与其他 JEM
谱线相比, 通常总是具有更强的振幅。 ②在频谱图中, 较突出的谱线也总是由第一级转 子级叶片反射回的上( 下) 斩波率频率。如果雷达波 长足够小, 小到和第二压气级桨长大小差不多, 则可 — 109 —
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雷达参数需求分析
2. 1 脉冲重复频率的需求分析 2. 1. 1 第一种计算方法 雷达在以重复周期 PRF 对目标观测时, 所选的 脉冲重复周期决定了对多普勒谱的采样频率 。根据 采样速率必须大于 2 倍的最高频 奈奎斯特采样定理, [ 5 ] 率, 否则将出现混叠现象 , 对目标的多普勒谱以某 一 PRF 采样时, 当目标的速度超过第一盲速时, 目标 , : 多普勒谱将出现模糊 即存在不模糊的条件为 PRF v d ≤v blind = λ · ( 5) 2 提取其周期特征所需要的采样频率由桨叶上线 速度最大的点的多普勒速度决定 。其计算公式为: PFR = f s ≥2 f dmax = 2 ·( 2 ·2 πf r Lcosβ / λ ) = 8 πf r cosβ / λ ( 6) L 为桨叶长度, fr 为桨叶转速。 式中, β 为仰角, λ 为波长, 2. 1. 2 第二种计算方法 [6 ] 调制谱是由一系列的线谱组成 , 线谱的周期 如公式( 4 ) 所示, 单边谱线的个数 N1 = 8 πLcosβ / ( Nλ ) ( 7)
收稿日期: 2012 - 02 - 20 作者简介: 王维( 1986 - ) , 女, 硕士研究生, 研究方向为基于微多普 勒特征的目标识别技术、 雷达信号处理。
了飞机旋转部件对雷达的调制回波复包络谱线呈周 期分布的特征。对于涡喷类飞机, 微动主要指的是 引擎桨叶相对于机身的转动, 桨叶的特点是垂直于 机身向前, 对雷达回波的调制特征是涡喷类飞机的 主要微多普勒特征。本文首先针对喷气式引擎多压 气级的特点, 对其雷达回波复包络谱线的周期特征 并用方针验证了模型的正确性。 针对 进行了推导, 涡喷飞机独特的旋转部件特征, 给出了提取目标特 — 108 —
N1
Sb ( fT ) =
m = -N1
∑ C m δ( f - mf T )
( 3)
C m 为谱线幅度, f T 为频谱谱线的周期, N1 为 其中, 单边调制谱线个数。 f T = PNf r ( 4) P = 1 或者 2 , 分别指偶数桨叶和奇数桨叶这两 对于 JEM 首级压 种情况。由上面的推导可以看出, 雷达接收到的以一定时间间隔重复出现的信 气级, 号, 其时间间隔亦对应于引擎旋转压气级的转动周 即 1 / ( Nf r ) , 其频域上的表 期除以所有的叶片数 N, Nf , JEM 的首级压气级调制谱 现即为 r 这就是涡喷 线的周期特征。 对于其他各级的分析方法类似, 可以得到各压 气级的频谱如图 2 所示。
s N ( t) =
N -1
a bk ( t) exp( jψ bk ( t) ) ∑ k =0
=
图1
雷达信号照射喷气引擎
量则进入第二级旋转压气级。雷达信号在进入引擎 内部后, 各级叶片尤其是前两压气级的叶片都会对回 因此各叶片所有部分 波贡献各自的振幅和相位信息, 以及单个叶片将反射并生成非常复杂的波阵面。 1. 2 雷达回波复包络谱线的周期特征的推导 对于入射电磁波, 可将各叶片考虑为一个单独 飞机的尺寸与常规雷达工作波长相比 , 飞 的反射体, 机散射都在光学区。由于光学区各散射中心的相互 作用比较小, 其散射视为线性局部过程, 即飞机总的 散射回波是各个独立散射中心散射回波的线性叠 可以先对涡喷飞机引擎的第一压气级 加。在这里, 进行分析。 涡喷 JEM 的第一压气级与飞机的位置关系类 可以参照对 似与螺旋桨飞机的桨叶和机身的关系, 螺旋桨回波理论参数模型的推导 。 假设发射信号为: s( t) = exp( j2 πf0 ) ( 1)
摘
要: 根据实际涡喷 JEM 特殊的多压气级的特点,推导出多压气级 JEM 的理论参数模型, 并 由实际分析得出 JEM 的周期调制特征,提出利用 JEM 的周期调制特征对空目标进行分类的设想 。
提出了基于微多普勒特征进行目标识别所需要的雷达参数原理 , 并举例分析了利用微多普勒周 期特征进行目标分类所需的参数 。 关键词: 喷气发动调制; 频谱特征; 目标识别; 雷达参数
以电磁波能够到达第二级, 那么第二级生产的斩波频 率通常也易于探测。现有的 3GHz 警戒雷达回波信 号只能测得到第一压气级的斩波频率及其谐波。 ③ 图 2 中出现的每个频率都与引擎轴转速成倍 未指明与特定某级转 数关系。而剩余更多低振幅的、 子叶片相联系的谱线, 则可认为是轴转速谱线频率的 。 谐波 由频谱分析可以看出, 谱线呈周期性分布, 图中 的一些振幅较大的谱线可能是第一级压气叶片斩波 频率的高倍谐波, 或者是二、 三、 四级斩波频率及其 谐波; 如果雷达信号波长足够小, 采样频带足够宽, 雷达重频足够高, 能够测出各级压气级的斩波频率 , 可以估计出频率和轴转速频率的比率, 此比率就即 为各压气级桨叶的数目, 依据此数目, 可以辨别不同 的涡喷 JEM 类型。 利用此特征可以实现对涡喷飞 机类型的分类。
2π ) Lcosβsin( 2 πf, t + … θ0 + λ 2 πk 2π 2 πk ) ·exp( L sin Lcosβsin( 2 πf r t + θ0 + )) N N λ k = 0, 1, 2, ..., N -1 ( 2) [5 ] 这就是旋转部件调制回波基带信号部分 。 对上式做傅里叶变换, 可得第一压气级的桨叶 调制回波频域表示: { Lsinc( ∑ k =0
The theory of the requirements for the identification based on the microDoppler signatures
WANG Wei1 ,ZHOU Xichen2 ,SHEN Fan2
( 1 . College of Electrics and Information Engineering,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044 , China; 2 . Nanjing Marine Radar Institute ,Nanjing 210003 , China)