張 衡， 唐 瑾， 林 強(qiáng)， 焦 艷

(1. 空軍預(yù)警學(xué)院， 湖北武漢 430019； 2. 四創(chuàng)電子股份有限公司， 安徽合肥 230088)

0 引言

近年來(lái)，隨著資源供給的日趨緊張，以及環(huán)境問(wèn)題的日益突出，可再生環(huán)保資源逐漸引起了人們的重視。風(fēng)能作為一種清潔無(wú)污染的可再生資源得到了廣泛的認(rèn)可，風(fēng)力發(fā)電是運(yùn)用風(fēng)能的一種重要方式，其對(duì)于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，節(jié)約資源利用，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的高效可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

由于風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)風(fēng)輪機(jī))龐大的尺寸、強(qiáng)散射特性以及風(fēng)輪機(jī)葉片的微動(dòng)(Micro-motion)特征，風(fēng)電場(chǎng)會(huì)對(duì)雷達(dá)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。主要包括三個(gè)方面：1)風(fēng)電場(chǎng)回波可能在信號(hào)中占主導(dǎo)地位而遮擋來(lái)自飛機(jī)的回波信號(hào)，導(dǎo)致“雷達(dá)盲區(qū)”；2)飛機(jī)航跡可能由于與來(lái)自風(fēng)電場(chǎng)的回波的錯(cuò)誤關(guān)聯(lián)而偏離其正確的路徑；3)風(fēng)電場(chǎng)的回波可能導(dǎo)致在風(fēng)電場(chǎng)附近產(chǎn)生高的虛警。

空管雷達(dá)是兩坐標(biāo)雷達(dá)，由于沒(méi)有多個(gè)波束，風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生的回波和目標(biāo)產(chǎn)生的回波具有同樣的特性，而且在幅度上更強(qiáng)一些，因此受風(fēng)電場(chǎng)干擾更加嚴(yán)重。目前，大部分空管雷達(dá)抑制風(fēng)電場(chǎng)干擾的方法是在風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域中進(jìn)行距離方位門(mén)限調(diào)整或者航跡起始準(zhǔn)則的調(diào)整。這些方法在抑制干擾的同時(shí)會(huì)顯著降低雷達(dá)性能，并有可能使得空管系統(tǒng)失效。因此，本文根據(jù)傳統(tǒng)空管雷達(dá)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出采用高低波束并行處理方法，構(gòu)建空管雷達(dá)抗風(fēng)電場(chǎng)干擾系統(tǒng)總體框架，并設(shè)計(jì)了關(guān)鍵模塊的流程和處理方法。仿真結(jié)果表明，該方案有效可行。

1 空管雷達(dá)及風(fēng)輪機(jī)回波模型

1.1 空管雷達(dá)

在實(shí)際空管雷達(dá)站的建設(shè)中，一般將一次雷達(dá)和二次雷達(dá)合裝架設(shè)，充分發(fā)揮兩種雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的不同機(jī)理，這樣能夠進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。合裝的空管雷達(dá)除了天線(xiàn)座及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)外，兩種雷達(dá)都是按照雙機(jī)熱備份設(shè)計(jì)，確保能夠全天候不間斷進(jìn)行值班，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，空管一次雷達(dá)的高低波束回波信號(hào)在接收機(jī)中進(jìn)行合成，沒(méi)有進(jìn)行獨(dú)立處理。

圖 1 空管雷達(dá)系統(tǒng)組成框圖

1.2 風(fēng)輪機(jī)回波模型

一個(gè)完整的風(fēng)輪機(jī)主要包括葉片、桅桿和引擎艙三個(gè)部分，而且每個(gè)部分的電磁波散射特征不同。桅桿和引擎艙相對(duì)雷達(dá)來(lái)說(shuō)是靜止的，對(duì)電磁波有較強(qiáng)散射，表現(xiàn)為具有一定雷達(dá)截面積的靜止目標(biāo)，與地物雜波一樣，可當(dāng)作地物雜波使用動(dòng)目標(biāo)顯示濾波器進(jìn)行處理；葉片則處于轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的特征，且葉片不同部分的轉(zhuǎn)動(dòng)線(xiàn)速度不同，故其雷達(dá)回波信號(hào)具有很寬的多普勒譜。

雷達(dá)與風(fēng)輪機(jī)葉片位置關(guān)系如圖2所示。點(diǎn)為風(fēng)輪機(jī)葉片的旋轉(zhuǎn)中心，點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)葉片上的任一散射點(diǎn)，點(diǎn)為雷達(dá)所在位置，直線(xiàn)方向?yàn)槔走_(dá)波束方向(Line of Sight，LOS)，雷達(dá)與葉片旋轉(zhuǎn)中心的距離為。

圖2 雷達(dá)與風(fēng)輪機(jī)葉片位置關(guān)系

以散射點(diǎn)為例進(jìn)行分析。雷達(dá)波束相對(duì)于風(fēng)輪機(jī)的方位角為∠，記為；雷達(dá)波束相對(duì)于風(fēng)輪機(jī)的俯仰角為∠，記為；雷達(dá)波束與葉片散射點(diǎn)的夾角為∠，記為()；葉片散射點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角為∠，記為()。根據(jù)空間直線(xiàn)夾角公式可得四者之間的關(guān)系為

cos()=sinsincos()+cossin()

(1)

點(diǎn)到葉片旋轉(zhuǎn)中心的距離記為，在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下()→0，因此可得點(diǎn)到雷達(dá)的距離為

-cos()

(2)

若發(fā)射信號(hào)為單載頻信號(hào)，其頻率和波長(zhǎng)分別為和，光速為，則散射點(diǎn)在雷達(dá)處的回波信號(hào)為

(3)

對(duì)上式進(jìn)行去載頻和去恒定相位項(xiàng)處理，可得散射點(diǎn)回波的基帶信號(hào)為

(4)

設(shè)葉片長(zhǎng)度為，對(duì)上式進(jìn)行積分可得整個(gè)葉片回波的基帶信號(hào)為

(5)

若一個(gè)風(fēng)輪機(jī)包含個(gè)葉片，且第個(gè)葉片與雷達(dá)波束的夾角為()，可得所有葉片總回波的基帶信號(hào)為

(6)

由風(fēng)輪機(jī)回波模型可以看出，影響風(fēng)輪機(jī)雜波特征的參數(shù)主要有相對(duì)距離、葉片長(zhǎng)度、葉片轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)初相、俯仰角和方位角等，其中葉片轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)初相的時(shí)變性較大，是影響風(fēng)輪機(jī)雜波模型的主要參數(shù)。

通常風(fēng)輪機(jī)成片存在，風(fēng)電場(chǎng)的回波模型可以在上述模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，需要在考慮多徑和遮蔽影響的前提下進(jìn)行研究。

2 空管雷達(dá)風(fēng)電場(chǎng)干擾抑制方法

風(fēng)輪機(jī)的高度一般只有100 m左右，并且其回波特征相對(duì)固定，而空中目標(biāo)的高度更高并且其回波特征與風(fēng)電場(chǎng)的回波特征存在較大的差異。因此，本文在現(xiàn)有空管雷達(dá)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出了一種風(fēng)電場(chǎng)干擾抑制方法。該方法在一次雷達(dá)中使用兩個(gè)獨(dú)立的并行處理的低波束和高波束接收通道，并加入了高度估計(jì)和分類(lèi)識(shí)別模塊，如圖3所示。

圖 3 空管雷達(dá)抗風(fēng)電場(chǎng)干擾設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 風(fēng)電場(chǎng)干擾抑制流程

一次雷達(dá)收發(fā)模塊向空間發(fā)射雷達(dá)波束，并接收目標(biāo)反射的高波束回波信號(hào)和低波束回波信號(hào)；二次雷達(dá)收發(fā)模塊向空中目標(biāo)發(fā)送詢(xún)問(wèn)信號(hào)，并接收目標(biāo)發(fā)出的應(yīng)答信號(hào)；低波束回波信號(hào)處理模塊對(duì)低波束回波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，確定目標(biāo)的低波束檢測(cè)幅度和相位；高波束回波信號(hào)處理模塊對(duì)高波束回波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，確定目標(biāo)高波束的振幅和相位；一次雷達(dá)數(shù)據(jù)處理模塊利用高低波束檢測(cè)到的振幅和相位計(jì)算目標(biāo)的仰角，并利用目標(biāo)的仰角計(jì)算目標(biāo)的估計(jì)高度。

當(dāng)確定被檢測(cè)到的目標(biāo)是由于風(fēng)電場(chǎng)引起的雜波時(shí)，一次雷達(dá)數(shù)據(jù)處理模塊向低波束和高波束信號(hào)處理提供雜波檢測(cè)反饋信號(hào)，表示檢測(cè)錯(cuò)誤。低波束和高波束信號(hào)處理將進(jìn)行第二次處理，把風(fēng)電場(chǎng)雜波從回波信號(hào)中去除，并確定當(dāng)前雷達(dá)回波信號(hào)中是否存在其他目標(biāo)。

一次雷達(dá)數(shù)據(jù)處理模塊可以通過(guò)三種條件來(lái)判斷檢測(cè)是否是風(fēng)電場(chǎng)雜波：①高低波束檢測(cè)到的目標(biāo)的幅度是否高于到風(fēng)電場(chǎng)雜波的幅度檢測(cè)門(mén)限；②估計(jì)的高度是否低于風(fēng)電場(chǎng)雜波高度門(mén)限；③檢測(cè)目標(biāo)的方位和距離與距離方位門(mén)限圖(存儲(chǔ)雷達(dá)周邊風(fēng)電場(chǎng)位置)所示的風(fēng)電場(chǎng)位置是否對(duì)應(yīng)。

一次雷達(dá)數(shù)據(jù)處理模塊生成一次雷達(dá)探測(cè)信息(距離、方位、振幅、多普勒值和估計(jì)高度)，與二次雷達(dá)的探測(cè)信息(距離、方位、振幅、多普勒值、高度和身份)進(jìn)行融合，并進(jìn)行點(diǎn)航跡處理?？紤]到雜波剩余會(huì)引起錯(cuò)誤的檢測(cè)，分類(lèi)識(shí)別模塊根據(jù)多個(gè)掃描的檢測(cè)信息，通過(guò)綜合分析各階段處理數(shù)據(jù)和改進(jìn)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)處理，還可以進(jìn)一步提高飛機(jī)和風(fēng)電場(chǎng)雜波的識(shí)別能力。

2.2 高度估計(jì)

對(duì)于不同目標(biāo)，由于雷達(dá)反射截面積(RCS)、距離、仰角等差異，回波信號(hào)幅度不同，不能直接根據(jù)信號(hào)幅度大小確定目標(biāo)仰角或高度。但高低波束通道接收到的同一目標(biāo)回波信號(hào)的幅度差則只與圖4中的高低波束增益差有關(guān)。

圖4 高低波束俯仰面增益仿真圖

對(duì)圖4中的兩個(gè)增益曲線(xiàn)作差，可以得到回波幅度差，也就是比幅值和目標(biāo)仰角的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖5所示。圖5通常稱(chēng)之為比幅角敏函數(shù)曲線(xiàn)。對(duì)于空管一次雷達(dá)，得到高低波束回波比幅曲線(xiàn)后，再根據(jù)比幅角敏函數(shù)，就可以得到目標(biāo)的仰角。

圖5 比幅角敏函數(shù)曲線(xiàn)仿真圖

類(lèi)似比幅角敏函數(shù)，利用高低波束回波之間的相位差，也就是比相值和目標(biāo)仰角之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，還可以得到比相角敏函數(shù)曲線(xiàn)，如圖6所示。

圖6 比相角敏函數(shù)曲線(xiàn)仿真圖

比幅法和比相法測(cè)仰角均存在多值，即測(cè)仰角模糊問(wèn)題?？梢跃C合利用比幅、比相角敏函數(shù)信息解模糊的方法得到目標(biāo)的仰角。

測(cè)得目標(biāo)仰角后，結(jié)合雷達(dá)獲得的目標(biāo)距離信息，根據(jù)下式可以得到目標(biāo)的高度。

(7)

式中,為雷達(dá)天線(xiàn)架高，為等效地球半徑，取8 493 km，為目標(biāo)距離，為目標(biāo)仰角。

由于天線(xiàn)平臺(tái)水平誤差和天線(xiàn)波束指向誤差、非標(biāo)準(zhǔn)大氣折射誤差、陣地周邊環(huán)境等外界因素引起的誤差，以及機(jī)內(nèi)噪聲接收通道幅相等雷達(dá)自身因素引起的誤差等因素會(huì)對(duì)測(cè)高精度產(chǎn)生影響，因此高度估計(jì)需要進(jìn)行校準(zhǔn)。高度估計(jì)校準(zhǔn)以二次雷達(dá)的高度信息為基準(zhǔn)，對(duì)一次雷達(dá)高度估計(jì)進(jìn)行周期性地修正。

2.3 雜波的估計(jì)與抑制

2.3.1 雜波的估計(jì)

利用風(fēng)電場(chǎng)回波的時(shí)頻特征，根據(jù)風(fēng)輪機(jī)“時(shí)頻閃爍”與風(fēng)輪機(jī)微動(dòng)參數(shù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，借鑒圖像處理的相關(guān)知識(shí)，對(duì)風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)速和初相進(jìn)行估計(jì)。

1) 轉(zhuǎn)速估計(jì)

目前主流的風(fēng)輪機(jī)葉片數(shù)量均為3，每?jī)善~片之間的夾角為120°。在風(fēng)輪機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，當(dāng)雷達(dá)視線(xiàn)垂直照射葉片時(shí)的風(fēng)輪機(jī)回波達(dá)到最強(qiáng)，出現(xiàn)一個(gè)峰值，如圖7所示。隨著葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，峰值周期性地出現(xiàn)，且任意兩個(gè)相鄰的峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔相同，在該時(shí)間間隔內(nèi)風(fēng)輪機(jī)旋轉(zhuǎn)了60°，也即轉(zhuǎn)過(guò)了1/6轉(zhuǎn)。因此可根據(jù)峰值出現(xiàn)的時(shí)間間隔Δ，求得風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)速估計(jì)值(單位：r/s)為

(8)

圖7 葉片轉(zhuǎn)動(dòng)與峰值時(shí)刻對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖

通過(guò)尋峰函數(shù)找到峰值出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，便可以對(duì)風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行估計(jì)。

2) 風(fēng)輪機(jī)初始相位估計(jì)

基于時(shí)域波形圖的風(fēng)輪機(jī)微動(dòng)參數(shù)提取方法不僅可以提取葉片的旋轉(zhuǎn)頻率，同時(shí)還可以根據(jù)峰值出現(xiàn)的位置估計(jì)風(fēng)輪機(jī)葉片的初始相位。假設(shè)初始時(shí)刻的葉片初始相位為，當(dāng)回波出現(xiàn)第一個(gè)波峰時(shí)刻時(shí)，葉片轉(zhuǎn)過(guò)的角度為，如圖8所示。要判斷葉片的初始相位估計(jì)值，還需借助時(shí)頻域波形圖的閃爍時(shí)刻，若第一個(gè)波峰出現(xiàn)時(shí)的時(shí)頻閃爍值為正，此時(shí)的初始相位估計(jì)值為

(9)

若第一個(gè)波峰出現(xiàn)時(shí)的時(shí)頻閃爍值為負(fù)，此時(shí)的初始相位估計(jì)值為

(10)

圖8 峰值時(shí)刻與相位對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖

(11)

2.3.2 雜波抑制

高低波束處理方法一致，下面以低波束處理過(guò)程為例進(jìn)行說(shuō)明，處理流程如圖9所示。

圖9 風(fēng)電場(chǎng)雜波濾波流程圖

假設(shè)接收到的低波束信號(hào)為()，脈沖壓縮波的自相關(guān)函數(shù)為()，接收機(jī)噪聲為()，有個(gè)風(fēng)輪機(jī)回波信號(hào)和個(gè)飛機(jī)目標(biāo)。則接收到的信號(hào)可以表示為

(12)

式中：,，L分別為第個(gè)風(fēng)輪機(jī)的回波信號(hào)的幅度、相位和時(shí)延；，，L分別為第個(gè)目標(biāo)的回波信號(hào)的幅度、相位和時(shí)延。

根據(jù)雷達(dá)回波信號(hào)的時(shí)頻分析估計(jì)出風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)速和初相，得到風(fēng)輪機(jī)雜波的幅值、相位和時(shí)延。則從接收數(shù)據(jù)中濾除雜波后的信號(hào)為

()=()-ej(-)

(13)

通過(guò)脈壓后旁瓣的變化判斷是否達(dá)到抑制目的。

(14)

如果式(14)成立，則令()=()，()=()+ej(-)。其中，是沒(méi)有進(jìn)行脈沖壓縮的寬度，_是脈沖壓縮后寬度，是用來(lái)控制期望的副瓣壓縮量。如果式(14)不成立，則令()=()，()=()，再進(jìn)行下一次迭代，找出下一個(gè)峰值。

如果所有風(fēng)輪機(jī)雜波信號(hào)得到合理估計(jì)，系統(tǒng)從原始低波束回波數(shù)據(jù)中去除所有風(fēng)輪機(jī)回波估計(jì)信號(hào)，再進(jìn)行多普勒處理。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置： 1)雷達(dá)參數(shù) 載頻為2.8 GHz，脈沖寬度為100 μs，脈沖重復(fù)頻率為1 000 Hz，多普勒濾波器組個(gè)數(shù)為8；2)風(fēng)輪機(jī)參數(shù) 距離雷達(dá)50 km，包含3個(gè)葉片，長(zhǎng)度均為40 m，葉片旋轉(zhuǎn)速度為15 r/min。葉片旋轉(zhuǎn)面與雷達(dá)視線(xiàn)的夾角為23°。目標(biāo)距離雷達(dá)50 km，信噪比=15 dB。風(fēng)輪機(jī)反射回波幅度服從瑞利分布，且與目標(biāo)回波位于同一距離單元，雜噪比=35 dB。

圖10和圖11給出了采用本文所提風(fēng)電場(chǎng)雜波濾除方法后的目標(biāo)檢測(cè)性能曲線(xiàn)。為了便于比較，圖中也同時(shí)給出了采用傳統(tǒng)的多普勒濾波器組進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)的性能曲線(xiàn)。需要說(shuō)明的是，圖中的結(jié)果是500次蒙特卡洛仿真結(jié)果的平均值，傳統(tǒng)處理方法是指?jìng)鹘y(tǒng)空管雷達(dá)不進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的風(fēng)電場(chǎng)雜波濾除，由所有多普勒通道的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后得到的結(jié)果。從圖10可以看出，采用本文提出的風(fēng)電場(chǎng)雜波估計(jì)與濾波方法后，雷達(dá)在風(fēng)電場(chǎng)雜波背景中的目標(biāo)檢測(cè)性能得到了顯著提升，尤其是在低虛警概率情況下，檢測(cè)性能提升可達(dá)50%以上。從圖11可以看出，當(dāng)被檢測(cè)單元的SCR (信雜比) 逐漸降低時(shí)，僅采用傳統(tǒng)的多普勒濾波器進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，雷達(dá)的檢測(cè)性能下降嚴(yán)重，甚至導(dǎo)致無(wú)法檢測(cè)到目標(biāo)。而本文所提方法幾乎不受信雜比的影響，始終保持了80%以上的檢測(cè)概率，表明了該方法的有效性和穩(wěn)健性。

圖10 檢測(cè)性能曲線(xiàn)

圖11 檢測(cè)概率隨平均SCR的變化曲線(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了空管雷達(dá)受風(fēng)電場(chǎng)干擾的原因，在建立風(fēng)輪機(jī)回波模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有空管雷達(dá)結(jié)構(gòu)，充分利用風(fēng)電場(chǎng)雜波與目標(biāo)回波特征差異，建立了一種空管雷達(dá)抗風(fēng)電場(chǎng)干擾方法，并從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和流程、高度估計(jì)和雜波估計(jì)以及抑制的流程和方法等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高了雷達(dá)抗風(fēng)電場(chǎng)干擾的能力。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果驗(yàn)證了方法的有效性，該研究對(duì)常規(guī)情報(bào)雷達(dá)設(shè)計(jì)也具有十分重要的參考價(jià)值。