直升機(jī)旋翼槳葉外形對(duì)雷達(dá)特征信號(hào)的影響

　　摘要：旋翼是直升機(jī)重要的強(qiáng)散射源之一，在某些方位的最大散射水平等效于或大于機(jī)身的散射，且槳葉的高速旋轉(zhuǎn)以及相對(duì)雷達(dá)入射波方向存在徑向運(yùn)動(dòng)等特征，使得旋翼的雷達(dá)散射截面特性不僅呈動(dòng)態(tài)的非線性變化，并且伴隨強(qiáng)烈的微多普勒調(diào)制雷達(dá)回波，易被檢測(cè)跟蹤。因此，在考慮旋翼回波微多普勒效應(yīng)下，發(fā)現(xiàn)和分析槳葉強(qiáng)散射影響參數(shù)，控制并減縮旋翼雷達(dá)信號(hào)特征，對(duì)增強(qiáng)武裝直升機(jī)的隱身性能有著重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。

　　關(guān)鍵詞：直升機(jī)旋翼槳葉外形;雷達(dá)特征信號(hào);

　　直升機(jī)區(qū)別于固定翼飛機(jī)的主要特征在直升機(jī)具有旋翼，旋翼對(duì)雷達(dá)信號(hào)調(diào)制形成區(qū)別于固定翼飛機(jī)的直升機(jī)微多普勒特征。由于直升機(jī)旋翼的后向散射截面較小，其產(chǎn)生的回波功率較小，易于淹沒(méi)在機(jī)身回波和雜波中，并且不同直升機(jī)的機(jī)身和旋翼的散射截面、旋翼長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)速和葉片數(shù)等都不相同，因此時(shí)域檢測(cè)的方法并不實(shí)用。

　　一、直升機(jī)回波信號(hào)微特征分析

　　直升機(jī)微多普勒由兩部分組成：離散譜線和由旋翼及其轉(zhuǎn)軸調(diào)制產(chǎn)生的連續(xù)多普勒譜。譜線由引擎的轉(zhuǎn)動(dòng)部件后向散射調(diào)制產(chǎn)生，轉(zhuǎn)動(dòng)部件包括：壓縮機(jī)，渦輪和風(fēng)扇葉片，且與直升機(jī)構(gòu)造有關(guān)。JEM譜線只在一定的雷達(dá)波照射角比較明顯。當(dāng)雷達(dá)波對(duì)直升機(jī)正前方照射時(shí)，由引擎壓縮機(jī)和油料冷卻器產(chǎn)生的JEM譜線最明顯，并且出現(xiàn)在負(fù)多普勒頻譜區(qū)。連續(xù)多普勒頻譜由主旋翼和尾旋翼調(diào)制形成。由于主旋翼雷達(dá)散射截面相對(duì)尾旋翼較大，而尾旋翼在一些照射角被機(jī)身遮擋，且只有當(dāng)雷達(dá)從正后方及其附近的方位角照射時(shí)，尾旋翼才不被機(jī)身?yè)踝�，且�?duì)雷達(dá)波的反射比較強(qiáng)，故通常連續(xù)多譜勒頻譜主要由主旋翼調(diào)制譜決定。

　　而主旋翼前沿的RCS比后沿高，其調(diào)制譜中，正多普勒頻率更明顯。設(shè)直升機(jī)目標(biāo)在雷達(dá)坐標(biāo)系中的方位角和俯仰角分別假定葉片是雷達(dá)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的剛性線目標(biāo)，忽略葉片和機(jī)身間的遮擋影響。升機(jī)的微多普勒頻譜是時(shí)變的。設(shè)主旋翼正負(fù)多譜勒瞬時(shí)譜寬分別以正多譜勒譜寬為例，當(dāng)雷達(dá)照射瞬間，若正好有一葉片垂直雷達(dá)波，并向靠近雷達(dá)的方向旋轉(zhuǎn)，則此時(shí)正多譜勒譜最寬。負(fù)多普勒頻譜的瞬時(shí)譜寬艮與躁的分析類似。輪轂對(duì)雷達(dá)波調(diào)制很小，當(dāng)懸停直升機(jī)被窄帶雷達(dá)照射時(shí)，多譜勒頻譜中心存在一缺口，若為運(yùn)動(dòng)直升機(jī)，則多譜勒頻譜中心存在一尖峰。

　　直升機(jī)旋翼槳葉外形對(duì)雷達(dá)特征信號(hào)的影響

　　1.準(zhǔn)靜態(tài)法。準(zhǔn)靜態(tài)法的思想是：當(dāng)雷達(dá)波頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于旋翼旋轉(zhuǎn)頻率時(shí)，在每一個(gè)離散的很短時(shí)間間隔內(nèi)，旋轉(zhuǎn)的槳葉可以看作平動(dòng)，但由于槳葉每個(gè)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(gè)有一定寬度的頻帶。時(shí)頻域分析可以更加全面地觀察旋翼這類范圍廣、非平穩(wěn)的動(dòng)態(tài)雷達(dá)特征信號(hào)。通過(guò)對(duì)一個(gè)短時(shí)的時(shí)域信號(hào)作傅里葉變換獲得某一時(shí)間點(diǎn)接近瞬態(tài)的頻域分布。將時(shí)間窗函數(shù)引入到信號(hào)分析處理中，利用時(shí)間窗滑動(dòng)開(kāi)展傅里葉變換，得到信號(hào)的時(shí)頻譜。

　　電磁計(jì)算網(wǎng)格要求用一系列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的面元和棱邊來(lái)描述復(fù)雜目標(biāo)，網(wǎng)格質(zhì)量好壞對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度有著直接影響。旋翼電磁計(jì)算網(wǎng)格由頂點(diǎn)、面元和邊緣3個(gè)數(shù)組構(gòu)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(wǎng)格，邊緣選取槳葉的前緣和后緣棱邊。為了克服細(xì)節(jié)誤差，提高建模精度，更加貼近真實(shí)槳葉的槳尖外形，槳葉端部通過(guò)依次間隔15。翻轉(zhuǎn)12次生成弧形端面過(guò)渡網(wǎng)格，每片槳葉的4個(gè)頂角都分別由12個(gè)三角形網(wǎng)格構(gòu)成。定旋翼外形幾何參數(shù)槳葉平面參數(shù)、翼型、后掠和下反角等和初始條件雷達(dá)波極化方式、姿態(tài)角和入射頻率。

　　2.翼槳外形對(duì)雷達(dá)特征信號(hào)的影響。直升機(jī)目標(biāo)的雷達(dá)回波主要由機(jī)身回波、主旋翼回波、尾翼回波及葉轂回波組成，其中機(jī)身回波與一般固定翼飛機(jī)目標(biāo)的回波類似，主旋翼回波使得直升機(jī)目標(biāo)回波表現(xiàn)出有別于一般固定翼飛機(jī)的特性，尾翼回波由于受機(jī)身的遮擋而反射不穩(wěn)定，葉轂回波幅度相對(duì)較小。早期直升機(jī)的旋翼由2—3個(gè)葉片組成，麗現(xiàn)役直升機(jī)的旋翼葉片數(shù)一般為4—6，旋翼的葉片數(shù)越小，則其轉(zhuǎn)速越大盼。由于空氣動(dòng)力學(xué)的原因，旋翼葉片的最大線速度大致相同，因此旋翼轉(zhuǎn)速越大則其直徑越小。

　　當(dāng)雷達(dá)波束垂直照射葉片的—個(gè)側(cè)邊時(shí)，回波達(dá)到最強(qiáng)，出現(xiàn)一個(gè)閃爍，稱之為峰包。隨著葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，峰包周期性出現(xiàn)。若旋翼葉片個(gè)數(shù)為偶數(shù)，葉片對(duì)稱分布，則出現(xiàn)峰包時(shí)雷達(dá)波束同時(shí)垂直照射到一個(gè)向前運(yùn)動(dòng)的葉片和一個(gè)向后運(yùn)動(dòng)的葉片，因而峰包信號(hào)具有正、負(fù)雙邊多普勒譜，若旋翼葉片個(gè)數(shù)為奇數(shù)，則雷達(dá)波束一次只能垂直照射到—個(gè)葉片的側(cè)邊，因而峰包信號(hào)具有單邊多普勒譜，且正、負(fù)多普勒譜交替出現(xiàn)，此時(shí)峰包出現(xiàn)的頻率尖峰處頻率對(duì)應(yīng)直升機(jī)機(jī)體相對(duì)于雷達(dá)的徑向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻率，在尖峰的兩側(cè)分布著一定寬度的多普勒譜區(qū)，它們分別對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)中的葉片產(chǎn)生的正多普勒頻率和負(fù)多普勒頻率。

　　無(wú)法得知每個(gè)峰包信號(hào)的頻譜以及正負(fù)多普勒譜是否同時(shí)出現(xiàn)等特性，因此考慮采用時(shí)頻分析方法對(duì)直升機(jī)目標(biāo)回波信號(hào)作進(jìn)一步的處理。直升機(jī)目標(biāo)回波信號(hào)中峰包是周期出現(xiàn)的，但是頻譜反映的是回波信號(hào)在頻域的全局特性。為了分析回波中每個(gè)峰包的局部頻域特性，最希望得到的是回波信號(hào)頻譜隨時(shí)問(wèn)變化的情況，為此需要對(duì)回波信號(hào)做時(shí)頻分析。

　　為更好地觀測(cè)旋翼調(diào)制產(chǎn)生的正負(fù)多普勒頻率，已對(duì)直升機(jī)的徑向速度進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后機(jī)體回波的多普勒速度為零。時(shí)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(shí)頻分布對(duì)應(yīng)的是直升機(jī)機(jī)體的回波，在幾個(gè)時(shí)刻點(diǎn)依次出現(xiàn)垂直方向的時(shí)頻分布對(duì)應(yīng)的是直升機(jī)的旋翼葉片調(diào)制回波。旋翼調(diào)制的正負(fù)多普勒譜是交替出現(xiàn)的，由此可判斷該直升機(jī)旋翼的葉片數(shù)為奇數(shù)。若旋翼葉片數(shù)為偶數(shù)，則正負(fù)多普勒譜應(yīng)該是同時(shí)出現(xiàn)的。

　　在已知測(cè)量實(shí)驗(yàn)中采樣間隔的情況下，直升機(jī)目標(biāo)回波時(shí)頻分布可以方便地測(cè)定旋翼調(diào)制多普勒譜交替出現(xiàn)的時(shí)間間隔，再根據(jù)前面所述的聊關(guān)系，即可計(jì)算得出直升機(jī)旋翼的旋轉(zhuǎn)速度。本文所測(cè)直升機(jī)的旋翼葉片數(shù)為奇數(shù)，與從回波信號(hào)時(shí)頻分布中得出的結(jié)論相符，若能在時(shí)域測(cè)定峰包的寬度，還可估計(jì)出旋翼葉片的長(zhǎng)度。所測(cè)直升機(jī)旋翼調(diào)制譜的正負(fù)兩個(gè)邊帶是不對(duì)稱的，其正多普勒頻率幅度大于負(fù)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(dá)接收散射回波的方向，產(chǎn)生強(qiáng)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(qiáng)，所以，旋翼峰值和均值都呈不斷增大的趨勢(shì)。若槳葉選取2片或4片，旋翼旋轉(zhuǎn)過(guò)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(dá)接收方向，產(chǎn)生較強(qiáng)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(qiáng)散射的疊加影響，且旋轉(zhuǎn)過(guò)程中各片槳葉問(wèn)存在相互遮擋現(xiàn)象，降低了旋翼部分散射強(qiáng)。

　　電力論文投稿刊物：《電波科學(xué)學(xué)報(bào)》(雙月刊)創(chuàng)刊于1986年，是中國(guó)科協(xié)主管、中國(guó)電子學(xué)會(huì)主辦、中國(guó)電波傳播研究所承辦的國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行的學(xué)術(shù)性刊物。

　　旋翼翼型的厚度越大，其前緣散射越強(qiáng)，但低散射特性旋翼的翼型配置是一個(gè)綜合權(quán)衡的過(guò)程，可以結(jié)合槳葉氣動(dòng)性能對(duì)翼型配置的要求，并通過(guò)線性加權(quán)和法分析旋翼的隱身和氣動(dòng)性能，優(yōu)化旋翼翼型的配置�？梢园l(fā)現(xiàn)和提取旋翼動(dòng)態(tài)微多普勒頻寬、槳葉奇偶片數(shù)、尺寸、轉(zhuǎn)速和槳尖端面、后掠等強(qiáng)散射源信息，直接用于提高雷達(dá)探測(cè)、跟蹤、定位武裝直升機(jī)的反隱身性能。

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　　作者：王巖 丁明鋒

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