淺談飛機(jī)尾流檢測的方法

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1飛機(jī)尾流的頻域、空域特性

在云霧和降雨中，尾流的后向散射主要來自于水汽微粒，本文用具有不同徑向速度的微粒來建模尾流的多普勒譜．以Burnham-Hallock速度模型描述尾流的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在均勻網(wǎng)格上描述尾流徑向速度分布圖像，利用統(tǒng)計(jì)直方圖方法統(tǒng)計(jì)出每個(gè)速度值的概率．潮濕大氣中波音747尾流多普勒的建模結(jié)果分析脈沖多普勒雷達(dá)體制下尾流檢測點(diǎn)跡的特點(diǎn)．雷達(dá)探測尾流示意所示，其中開始掃掠尾流時(shí)刻為T0，相參積累脈沖數(shù)為Nc，脈沖重復(fù)周期(PRI)為TP秒，則相關(guān)處理間隔(CPI)為NcTP．檢測點(diǎn)跡是雷達(dá)以相等角速度對尾流的非均勻采樣．和極角，β為極軸與從極點(diǎn)引到直線的垂線之間的夾角，p為垂線的長度，φ0為時(shí)刻T0時(shí)方位角度，ω為天線轉(zhuǎn)速(單位為r/min)，采樣角度間隔φs=360ωNcTP/60(單位為°)，Ns為尾流檢測點(diǎn)跡的個(gè)數(shù)．晴空湍流和晴空尾流在散射機(jī)理方面相似，超靈敏晴空大氣雷達(dá)可檢測到100km的晴空湍流．晴空條件下尾流的體反射率為-130～-110dBm-1．通常，霧、云、雨反射率因子分別為-30～-15dBZ、-20～10dBZ、大于20dBZ，-30～20dBZ對應(yīng)于體反射率范圍為-125～-76dBm-1。

2基于幅度和位置量測的TBD方法

通過綜合利用多個(gè)時(shí)刻上目標(biāo)幅度和航跡點(diǎn)的相關(guān)性，可得到比傳統(tǒng)方法更精確的似然函數(shù)．在第k次迭代中，假設(shè)關(guān)于幅度和位置量測的隨機(jī)向量是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，用幅度和位置量測似然函數(shù)的乘積表示聯(lián)合似然函數(shù)3尾流的檢測前跟蹤性能仿真通過增加輔助的TBD信號(hào)處理通道、引入TBD算法來增大作用距離，TBD方法的性能仿TBD方法性能評(píng)價(jià)涉及到2個(gè)方面，即檢測性能和跟蹤性能．由于低門限處理后存在較多虛警，本文側(cè)重于從容許的虛警性能這一角度進(jìn)行檢測性能的仿真分析．對于跟蹤性能，由狀態(tài)參數(shù)估計(jì)的均方根誤差(RMSE)評(píng)價(jià)．仿真參數(shù)為：距離分辨率150m，天線轉(zhuǎn)速6r/min，PRF為3kHz，脈沖積累個(gè)數(shù)64個(gè)，尾流距雷達(dá)約10km，尾流回波在第5個(gè)CPI時(shí)出現(xiàn)，第22個(gè)CPI時(shí)消失，假設(shè)脈沖積累后尾流譜峰值SNR=5dB，低門限預(yù)處理的虛警概率為5%，分布目標(biāo)檢測器的檢測概率可以達(dá)到90%．(a)給出了頻域低門限預(yù)處理后飛機(jī)尾流的檢測點(diǎn)跡和虛假檢測點(diǎn)跡，其中，第17時(shí)刻出現(xiàn)漏警．使用SIR粒子濾波TBD檢測器進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，粒子個(gè)數(shù)L=1000，噪聲協(xié)方差矩陣為Q=diag{4,0.0001,0.01,0.01},幅度量測方差σ21=0.01,σ20=100,位置量測協(xié)方差R′=diag{4,0.0001}.尾流航跡估計(jì)(b)所示，存在-消失模式的估計(jì)(c)所示．檢測前跟蹤(TBD)是微弱目標(biāo)檢測和跟蹤處理的重要手段，其基本思想是基于未經(jīng)門限處理或低門限處理的觀測數(shù)據(jù)，先對潛在的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤處理，在目標(biāo)的航跡被估計(jì)出來后，檢測結(jié)果與目標(biāo)航跡同時(shí)宣布．常規(guī)粒子濾波TBD方法需要估計(jì)目標(biāo)幅度大小，在低信噪比或目標(biāo)起伏情況下，檢測性能和跟蹤精度不高．脈沖多普勒雷達(dá)系統(tǒng)可以獲得目標(biāo)的頻譜特性，尾流回波相參積累處理后，獲得方位-距離-多普勒三維空間的幅度數(shù)據(jù)．由于多普勒譜的峰值信雜比仍然很低，而且尾流多普勒譜是擴(kuò)展的，因此，首先利用頻域分布目標(biāo)檢測器進(jìn)行低門限檢測．低門限預(yù)處理可以避免后續(xù)TBD處理利用額外的狀態(tài)參數(shù)估計(jì)尾流的擴(kuò)展多普勒，而且利用尾流多普勒譜的擴(kuò)展特性，提高尾流回波的檢測概率．由于低門限預(yù)處理會(huì)造成大量虛警，針對檢測后的二元數(shù)據(jù)圖像的特點(diǎn)，提出基于幅度和位置量測的粒子濾波TBD算法的處理流程?？芍Ｒ?guī)方法僅利用幅度量測進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，受虛警影響較大，本文方法綜合利用幅度和位置量測，能夠高精度估計(jì)尾流航跡，并能準(zhǔn)確估計(jì)尾流存在-消失模式．在尾流存在時(shí)刻5~22，在目標(biāo)狀態(tài)值附近，粒子分布密集，RMSE較小，具有較高的跟蹤精度，對第17時(shí)刻出現(xiàn)的漏警也做出了準(zhǔn)確的估計(jì)。

3結(jié)論

利用尾流回波占據(jù)多個(gè)頻域分辨單元和多個(gè)角度分辨單元的性質(zhì)，研究了尾流回波的檢測前跟蹤方法．該方法可容許預(yù)處理階段較高的虛警，在低門限處理的虛警概率為5%時(shí)，能高精度跟蹤和檢測低信噪比下的尾流回波．其研究結(jié)果有助于設(shè)計(jì)尾流檢測系統(tǒng)，提高尾流回波的探測距離．檢測前跟蹤處理器容許較高的虛警從而對微弱目標(biāo)檢測和跟蹤具有借鑒意義。

作者：劉俊凱王雪松孫文峰蔡益朝單位：空軍預(yù)警學(xué)院