湖南总队直升机大队 湖南长沙 410000
摘要：机身、主旋翼、尾翼、桨毂等结构产生的回波共同构成了直升机雷达回波，其中只有主旋翼回波与一般固定翼飞机表现出较明显的差异，特别是在直升机旋翼的桨页数从2至3个提升到4至6个后，这种旋翼回波的差异表现得更加明显，所以在作战中，利用可以准确识别直升机旋翼信号的方法，可以较好的判断直升机的存在，在军事战略部署上提供可靠的依据；在常规环境中，通过直升机旋翼信号识别，可以为判断直升机的运行状态提供支持。在此背景下，本文针对直升机旋翼信号识别方法展开研究，为提升直升机识别的准确性和整体效率提供参考。
关键词：直升机；旋翼；信号识别；方法
前言：直升机旋翼气弹稳定性是保证直升机安全运行的重要指标，但在进行实验中旋翼信号的监测会受到较严重的噪声干扰，所以需要精确的信号识别技术为提升直升机旋翼气弹稳定性提供可能；另外，基于直升机旋翼信号识别一直是反武装直升机工作的重点，已经取得了一定的成果，但由于军事作战较复杂，武装直升机的飞行环境通常会存在一定的信号干扰因素，常规的旋翼信号识别方法识别的准确性受到严重的冲击，在两种情况下，人们均需要进一步针对信号缺失、变形等更加复杂情况下直升机旋翼信号的识别方法进行研究。
直升机旋翼信号识别的原理
直升机主旋翼的任何姿态都可以被雷达测获，特别是雷达波束与桨页某侧边垂直的情况下，雷达接收的回波将达到峰值，换言之雷达获得的直升机主旋翼信号通常会以上下波动的周期形式存在[1]。但在旋翼的桨页数量和分布位置存在差异的情况下，其产生的回波曲线特征也会存在差异，通常情况下，在直升机旋翼的桨页数量为奇数的情况下，由于雷达波束在与旋翼桨页侧面垂直时，只能照射一个桨页，所以其回波峰值具有正负单边多普勒普特征，而在桨页数量为偶数且对称分布的情况下，由于雷达波束在与旋翼桨页侧面垂直时，会同时照射向对称的前运行和向后运行的两个桨页，所以其回波峰值具有正负双边多普勒普特征，此规律为直升机旋翼信号识别奠定了基础。
直升机旋翼信号识别的常规方法
直升机旋翼信号的雷达回波主要包括主旋翼回波、尾翼回波等组成，早期直升机旋翼由2-3个桨页组成，而现在的直升机旋翼桨页数量则大多为4-6个，随着旋翼桨页数量增加，其转速逐渐降低。从空气动力学的角度进行考虑，旋翼桨页的最大线速度基本一致，因此，转速越大，则桨页的直径越小[2]。现役直升机旋翼的转速一般在200-300r/min之间，最大线速度则在260m/s左右。对于直升机旋翼信号识别来说，其常规方法是利用时域分析识别方法和时频分析识别方法，通过对正负多普勒谱的分析和判断来实现识别，具体来说如下：
时域分析
从直升机实测回波时域幅度信号图中能够清楚的看出直升机旋翼产生的峰包，一般来说，直升机旋翼桨页产生峰包用有着交替起伏的特性，但需要注意的是，仅仅从直升机实测回波时域幅度信号图中难以判断直升机旋翼桨页数量的奇偶以及峰包信号多普勒正负[3]。在尖峰处频率对应着直升机机体相对雷达径向运动而产生的多普勒位移，两侧分布称为多普勒区，对应直升机旋翼旋转桨页产生的正负多普勒频率，但却无法得知峰包信号的频谱及多普勒正负等相关特性，因此时域分析方法有着一定的局限性，需要进一步进行旋翼信号的时频分析。
时频分析
直升机旋翼信号中的峰包出现有着周期性的特点，但在时域分析识别中，在频域上有着全局特性，因此难以识别和分析选一信号每个峰包的局部频域特性，需要得出信号频谱随着时间的变化情况，这就需要对直升机旋翼信号进行时频分析和识别。
时频分析可采用PWD作为分析工具，这种分析工具能够更好地体现局域性处理的特点，适合直升机旋翼调制峰包信号的局部频谱特性分析和识别。在进行变化的过程中，采用汉明窗作为窗函数，补偿直升机径向速度，使机体回波多普勒速度为零，以此来更好的对旋翼信号产生的正负多普勒频率进行分析和识别，从而清楚的描述直升机旋翼回波特征[4]。
通过对直升机旋翼调制的正负多普勒谱是否交替出现来判断直升机旋翼桨页数量是奇数还是偶数，如果旋翼桨页是奇数，则正负多普勒谱为交替出现，如果直升机旋翼桨页数量是偶数，则正负多普勒谱同时出现。在已知实验采样间隔的基础上，通过直升机旋翼信号时频分布即可以方便的测定旋翼调制多普勒交替出现的时间间隔，之后即可以计算出直升机旋翼的旋转速度。
峰包幅度特性与直升机旋翼桨页长度有关，在时域测定峰包宽度的同时，还能够对旋翼桨页长度进行有效的估计，但需要注意的是，峰包幅度可能存在一定的差异，正多普勒频率幅度可能要大于或小于负多普勒频率幅度，这与直升机旋翼桨页扭角及桨页与水平面夹角等因素有关。
直升机旋翼信号识别的特殊方法
（一）识别的基本流程
在虚假目标信息非常多的情况下，准确的识别旋翼桨叶是识别直升机的有效途径，目前主要通过基于脉冲激光和六象限激光信号的组合应用，对直升机旋翼桨叶空间相对位置进行判断，并通过相应的数字处理器对监测的数据进行接收和判断，进而达到识别直升机旋翼信号的效果。在主要的识别流程中六象限接收光学系统、滤波器、目标信号接收电路、信号处理系统、基准信号发生器、脉冲激光器、六象限发射光学系统、门控电路等均是非常重要的构成[5]。这主要是因为在虚假目标较多的环境中要识别直升机旋翼，需要应用多路激光光束，而基准信号发生器本身在运行的过程中生成的脉冲信号频率特征较显著，如果将其与电流驱动器结合应用，可以发挥大电流脉冲的作用，而脉冲激光器在大电流脉冲的作用下，就会产生功率非常强的激光束，利用六象限发射光学系统，可以将产生的激光束按照设定的角度进行定向的发射，而此时六象限光学接收系统的接收器会实时接收直升机旋翼产生的信号，在接收到信号或相似信号后，其会在六象限光学接收系统的每个象限所配有的探测器上进行显示，进而生成六路脉冲信号，每路脉冲信号均会被相应的前置放大器有效的放大，然后向信息处理系统传送，信息处理系统可以通过六路放大的脉冲信号提供的信息，对目标的方位进行识别。为保证识别的精准性，通常情况下脉冲激光器在电流脉冲的作用下，生成的激光波束为0.9，发射的过程中，用高速脉冲序列进行调控。
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识别过程中要解决的关键问题
1.信号接收的问题
按照虚假目标信息非常多环境下，直升机旋翼信号识别基本流程可以发现，信息处理系统接收的信息是光学接收系统发出的光学信号，要完成信息处理的工作，必须现将其转化为电信号，所以此时要设置信号接收电路完成此项工作，通常情况下信号接收电路除此项任务外，还要将转化后获得的电信号放大和阈值检测，将转化后电信号中存在的干扰信号删除或分离，为下一级信号处理创造条件。要完成以上工作，信号接收电路必须先对接收信号所具有的特征进行判断，通常情况下，发射光束参数、目标反射和散射能力、大气传输过程中激光的衰减程度、弹目空间关系等是进行接收信号特征判断的主要依据[6]。在判断的过程中，先要计算接收信号的功率，在理论上可以通过激光器辐射功率、接收光学系统总透过率、目标表面反射率、光学系统有效通光面积、发射光学系统总透过率、视野方向被发射视场照射目标长度的乘积与单象限发射视场视野张角、引信和目标平均距离的立方、圆周率的乘积的比值计算获取。需要注意的是，在实际计算的过程中，发射光束参数和直升机发射参数、激光束在空气中的衰减等都是可以准确获得的，如果激光束发射和接收的距离较短甚至可以直接忽略；另外，虽然直升机旋翼反射的信号仍属于脉冲信号，但其返回后连续性会受到明显的破坏，所以接收的脉冲信号一定为非连续的，这恰好起到验证检测准确性的依据。
在信号接收的任务和原理确定的基础上，要对接收电路的结构进行设计，考虑到接收电路以不连续的脉冲信号作为接收的主要内容，而且要完成信号的转换和放大两项基本任务，通常情况下，其在接收到光学信号后，要逐步进行光电转换、信号放大、最小幅度判断和信号预处理等，这也是其结构设计的主要依据[7]。
判断直升机旋翼信号特征问题
判断直升机旋翼信号特征是直升机旋翼信号识别的重要工作，在判断的过程中，首先，考虑到接收的直升机旋翼信号是非连续的脉冲信号，所以如果在时间坐标轴上对接收信号进行反应并不是诸多离散的点，则说明目标并不是直升机旋翼[8]。其次，在直升机旋翼的桨页数量为奇数的情况下，由于雷达波束在与旋翼桨页侧面垂直时，只能照射一个桨页，所以其回波峰值具有正负单边多普勒普特征，而在桨页数量为偶数且对称分布的情况下，由于雷达波束在与旋翼桨页侧面垂直时，会同时照射向对称的前运行和向后运行的两个桨页，所以其回波峰值具有正负双边多普勒普特征，也可以进行信号特征判断。再次，在应用激光识别技术的过程中，由于选用的激光脉宽可以保证反射过程中频率变化非常小，所以针对可以反应接收信号强度的信号幅值对目标的相对位置、相对距离以及外形信息等进行判断，则可以进一步较准确的判断目标物是否是直升机旋翼，这是目前应用最广泛的信号特征判断方法。
现阶段的武装直升机旋翼通常具有以下特征，所以在结合信号幅度对目标物特征进行判断的过程中，发现判断的信息和以下信息较为匹配，则可以在一定程度上说明目标物是直升机旋翼。首先，桨叶的数量在4片至7片之间，单片桨叶的直径在8至12米之间，平均在10米左右；其次，桨尖的移动速度平均值在每秒钟210米左右，而且所有桨尖的移动速度较为一致；再次，桨叶面积、材料、翼型等方面均存在一定的差异[9]。需要注意的是，由于直升机的型号、性能等存在一定的差异，所以其具体表现的特征也并不完全一致，上文只是对目前通用直升机旋翼特征的部分总结，为提升识别的准确性和效率，应通过建设数据库，将各类直升机旋翼的特征进行准确、全面的存储，为直升机旋翼信号幅度识别提供依据。信号接收的过程，为信号处理创造条件，所以在信号接收的过程中，不仅要保证接收的全面性，而且接收的信息要有效的存储，存储的格式必须得到规范。
识别准则问题
在军事上，在对武装直升机准确识别的基础上，要做出相应的反应，所以考虑到均是部署后果的严重性和影响性，在进行直升机旋翼信号识别的过程中，必须结合健全且合理的准则进行。另外，在识别目标物的过程中，通常情况下目标物是处于移动状态的，而且只有目标物的移动范围在目前军事作战可以做出反应的区域内，才能保证目标识别和处理的有效性。现阶段导弹的发射速度一般均高于直升机的速度，而直升机旋翼翼尖的移动线速度相对更低，所以在进行激光识别的过程中，可以将直升机旋翼的速度变化视为“不存在”，然后基于直升机浆叶本身的形态特征进行识别。直升机旋翼的形态特征主要表现在，其信号反射的时间较特殊，一般情况下，如果发射的激光束可以横向照射直升机的旋翼，则可以出现多个连续的接收信号，而且其强度较为相似，利用此特征以及接收过程中取得的相关信号，可以对桨叶反射的信号时间宽度进行计算，计算过程主要通过桨叶宽度和导弹与直升机相对运动的比值计算，例如在判断某直升机的旋翼桨叶的宽度在0.4米左右，而且导弹和目标之间的相对速度是每秒钟550米，则可以直接计算发现，桨叶的发射信号宽度为0.4/550。利用其计算结果和脉冲强度则可以对具体的应接收的脉冲反射信号个数进行计算。需要注意的是通常情况下，接收的信号幅度之间并不会出现明显的变化，而且具体的信号幅度和脉冲个数等可以进一步判断获取的非连续脉冲是否是直升机旋翼发出，这对提升识别的准确性具有积极的作用。
目标物反射信号的处理问题
在六象限激光接收器接收目标物的反射信号，并将其放大向数据处理器传送后，要通过数据处理器结合接收并转化形成的电信号，对目标物是否是直升机旋翼进行判断。通常情况下，信息处理器选用的处理芯片为TMS320C31，因为此芯片在一定程度上可以对多条支路预处理的信号做出反应，极大的提升了信号处理的效率和速度，为军事部署赢得时间。在处理的过程中，信号要先被预处理，然后向电信号转换，考虑到接收的信号是不连续的脉冲信号，其本身具有较稳定的点评和数字信号特征，但脉冲宽度不满足实际需要，如果直接向芯片输送，难以进行有效的处理，所以在进行信号处理前，要在不丢失、损耗信号的基础上，对其进行拓宽脉冲的预处理，使其脉宽满足芯片处理的实际需要。在对信号进行处理的过程中，以中断程序作为主要结构，此时为保证信号处理的准确性，必须保证信号处理器接收的信息的有效性、准确性和全面性，所以六路脉冲在向处理器传送信号的过程中，必须保证一直处于信号接收的状态，为识别提供实时的动态信号支持。在信号处理器接收到转化成的电信号后，会将其存储与RAM中，直至整个接收信号结束，然后结合RAM中存储的信息，对六条支路内反应目标物信息的信号进行分析，判断桨叶是够存在，然后结合数据库中存储的信息判断目标物是否是直升机旋翼。
通过以上关键问题的解决和整个流程的部署，可以在复杂的环境下，较准确的判断目标物是否是直升机旋翼，而且在判断的过程中，对目标物一直处于动态跟踪的状态，保证识别工作结束后，可以在军事上及时的做出反应。可见直升机旋翼信号识别，既要考虑理想状态下的识别，又要结合特殊情况下的识别需要进行，如果单纯的考虑某一方面的识别方法，既可能会造成识别成本的增加，又可能会难以满足实际识别工作的需要。
结论：在野战放空作战中，反武装直升机是非常重要的任务之一，能否准确、及时的对武装直升机进行识别，直接关系到反武装直升机任务的完成质量，在常规直升机性能优化试验中，也需要对直升机信号进行准确的识别，而传统的回波强度识别方法已经难以满足实际需要，所以结合直升机旋翼信号识别原理，对直升机旋翼信号识别方法展开探究至关重要。虽然现阶段我国在此方面已经取得了一定的成果，但随着武装直升机的不断优化升级，相关技术仍需要不断的优化。
参考文献：
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论文作者:曹国飞
论文发表刊物:《科技中国》2016年11期
论文发表时间:2017/1/6
标签：直升机论文; 信号论文; 旋翼论文; 多普勒论文; 回波论文; 脉冲论文; 目标论文; 《科技中国》2016年11期论文;