一种靶机旋翼的构建方法及系统与流程

1.本发明涉及旋翼设计技术领域，特别是涉及一种靶机旋翼的构建方法及系统。


背景技术：

2.图1为旋翼雷达微多普勒效应示意图，如图1所示直升机在飞行过程中受到雷达波照射，其旋翼的高速旋转运动将产生多普勒效应。相对于雷达波照射方向，不同运动方向的桨叶将产生正负性不同的微多普勒频带，直升机在飞行过程中其旋翼时刻做高速旋转运动，相对于入射雷达波，做周期旋转运动的桨叶会在时频域产生一定频谱范围的微多普勒频移，迎着雷达入射方向运动的桨叶(逆向桨叶)会产生正的微多普勒频带，背对雷达入射方向运动的桨叶(顺向桨叶)将产生负的微多普勒频带，通过提取直升机旋翼的微多普勒特征，可以估算出旋翼的类型、片数、转速等信息，这在雷达对旋翼目标探测和识别的过程中是有价值的。
3.现代战场上，武装直升机凭借其出色的低空打击性能发挥着重要作用，实战演练中常使用直升机靶机来模拟假想敌武装直升机目标，考虑到经济和工艺等限制原因，将直升机靶机设计成与目标直升机相比尺寸较小、外形相似的靶机是一种较好的方案。
4.但是，当靶机的尺寸与实际目标直升机的外形相似且比实际目标直升机小时，其旋翼微多普勒频移特征与目标直升机相差甚远，最大微多普勒频移宽度较小且相邻两次最大微多普勒频移时间间隔不一致，如图2所示，该图展示了现有技术中旋翼的桨叶片数、转速和半径等物理参数对最大微多普勒频移的影响(例如：若对于某型4片桨叶旋翼a，将其半径减半、转速增加至2倍得到另一副物理参数不同的旋翼b，两副旋翼将具有相同的最大微多普勒频移宽度，但由于旋翼b的旋转周期缩短，所以相同时间内出现的最大微多普勒频移次数是旋翼a的2倍)，上述缺点将影响实战演练中雷达的探测与识别，因此研究出一种用小靶机模拟出大直升机的雷达最大微多普勒频移特征的方法是一项具有实际意义的工作。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种靶机旋翼的构建方法及系统，本发明通过构建与大旋翼的最大微多普勒频移特征相同的小旋翼，提高了在实战演练中雷达的探测与识别精度。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种靶机旋翼的构建方法，包括：
8.获取目标旋翼值，所述目标旋翼值包括目标旋翼的桨叶数量、目标旋翼的转速、目标旋翼的半径和目标旋翼坐标值；所述目标旋翼坐标值包括在目标旋翼坐标系下所述目标旋翼上多个点的位置坐标值；
9.根据所述目标旋翼的桨叶数量确定靶机旋翼的桨叶数量；
10.确定所述靶机旋翼的桨叶数量和所述目标旋翼的桨叶数量的比值为桨叶数量相似比；
11.根据所述目标旋翼值和所述桨叶数量相似比确定靶机旋翼值；所述靶机旋翼值包
括靶机旋翼的转速、靶机旋翼的半径和靶机旋翼坐标值；所述靶机旋翼坐标值包括在靶机旋翼坐标系下所述靶机旋翼上多个点的位置坐标值；
12.根据所述靶机旋翼的桨叶数量和所述靶机旋翼值构建靶机旋翼，所述靶机旋翼用于实战演练。
13.可选的，所述根据所述目标旋翼的桨叶数量确定靶机旋翼的桨叶数量，具体为：
14.根据设定叶片数量差与所述目标旋翼的桨叶数量计算得到所述靶机旋翼的桨叶数量。
15.可选的，所述根据所述目标旋翼值和所述桨叶数量相似比确定靶机旋翼值，具体为：
16.将所述目标旋翼的转速与所述桨叶数量相似比的比值确定为所述靶机旋翼的转速；
17.将所述目标旋翼的转速与所述桨叶数量相似比的乘积确定为所述靶机旋翼的半径；
18.将所述目标旋翼坐标值与所述桨叶数量相似比的乘积确定为所述靶机旋翼坐标值。
19.可选的，所述设定叶片数量差为2。
20.可选的，所述获取目标旋翼值之前还包括：
21.以所述目标旋翼的桨毂中心作为三维直角坐标系的原点，建立所述目标旋翼坐标系；
22.以所述靶机旋翼的桨毂中心作为三维直角坐标系的原点，建立所述靶机旋翼坐标系。
23.一种靶机旋翼的构建系统，包括：
24.目标旋翼值获取模块，用于获取目标旋翼值，所述目标旋翼值包括目标旋翼的桨叶数量、目标旋翼的转速、目标旋翼的半径和目标旋翼坐标值；所述目标旋翼坐标值包括在目标旋翼坐标系下所述目标旋翼上多个点的位置坐标值；
25.桨叶数量确定模块，用于根据所述目标旋翼的桨叶数量确定靶机旋翼的桨叶数量；
26.桨叶数量相似比确定模块，用于确定所述靶机旋翼的桨叶数量和所述目标旋翼的桨叶数量的比值为桨叶数量相似比；
27.靶机旋翼值确定模块，用于根据所述目标旋翼值和所述桨叶数量相似比确定靶机旋翼值；所述靶机旋翼值包括靶机旋翼的转速、靶机旋翼的半径和靶机旋翼坐标值；所述靶机旋翼坐标值包括在靶机旋翼坐标系下所述靶机旋翼上多个点的位置坐标值；
28.靶机旋翼构建模块，用于根据所述靶机旋翼的桨叶数量和所述靶机旋翼值构建靶机旋翼，所述靶机旋翼用于实战演练。
29.可选的，所述桨叶数量确定模块，具体包括：
30.桨叶数量确定单元，用于根据设定叶片数量差与所述目标旋翼的桨叶数量计算得到所述靶机旋翼的桨叶数量。
31.可选的，所述靶机旋翼值确定模块，具体包括：
32.转速确定单元，用于将所述目标旋翼的转速与所述桨叶数量相似比的比值确定为
所述靶机旋翼的转速；
33.半径确定单元，用于将所述目标旋翼的转速与所述桨叶数量相似比的乘积确定为所述靶机旋翼的半径；
34.坐标值确定单元，用于将所述目标旋翼坐标值与所述桨叶数量相似比的乘积确定为所述靶机旋翼坐标值。
35.可选的，所述设定叶片数量差为2。
36.可选的，所述靶机旋翼的构建系统，还包括：
37.目标旋翼坐标系确定模块，用于以所述目标旋翼的桨毂中心作为三维直角坐标系的原点，建立所述目标旋翼坐标系；
38.靶机旋翼坐标系确定模块，用于以所述靶机旋翼的桨毂中心作为三维直角坐标系的原点，建立所述靶机旋翼坐标系。
39.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明通过根据目标旋翼的桨叶数量和靶机旋翼的桨叶数量确定桨叶数量相似比，通过桨叶数量相似比构建靶机旋翼(小旋翼)，实现在作战演练时的仿真的靶机旋翼的最大微多普勒频移特征与目标旋翼(大旋翼)的最大微多普勒频移特征相同，提高了在实战演练中雷达的探测与识别精度，能够根据雷达探测的最大微多普勒频移特征实现对目标旋翼的准确判断。
附图说明
40.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
41.图1为现有技术旋翼雷达的微多普勒效应示意图；
42.图2(a)为桨叶数量为4片、转速为150转/分钟、半径为r的最大微多普勒频移图，图2(b)为桨叶数量为4片、转速为300转/分钟、半径为r的最大微多普勒频移图，图2(c)为桨叶数量为4片、转速为150转/分钟、半径为0.5r的最大微多普勒频移图，图2(d)为桨叶数量为2片、转速为150转/分钟、半径为r的最大微多普勒频移图；
43.图3为本发明实施例提供的靶机旋翼的构建流程图；
44.图4为本发明实施例提供的靶机旋翼的构建系统结构图；
45.图5为本发明实施例提供的桨叶数量为2片半径为0.5r的旋翼俯视图；
46.图6为本发明实施例提供的桨叶数量为3片半径为0.6r的旋翼俯视图；
47.图7为本发明实施例提供的桨叶数量为4片半径为0.7r的旋翼俯视图；
48.图8为本发明实施例提供的桨叶数量为5片半径为r的旋翼俯视图；
49.图9为本发明实施例提供的桨叶数量为2片的雷达散射截面时频域谱图；
50.图10为本发明实施例提供的桨叶数量为4片的雷达散射截面时频域谱图；
51.图11为本发明实施例提供的桨叶数量为3片的雷达散射截面时频域谱图；
52.图12为本发明实施例提供的桨叶数量为5片的雷达散射截面时频域谱图。
具体实施方式
53.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
54.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
55.对于已知的待模拟大旋翼目标，其翼型剖面特征、桨叶片数、旋翼半径和转速等参数均已确定。此时接受来自桨盘平面内方向入射的雷达波，大旋翼已经具有了确定的最大微多普勒频移特征。最大微多普勒频移特征主要包括：最大微多普勒频移关于零频的对称性、最大微多普勒频移带宽(频率)和最大微多普勒频移出现的时间周期。
56.具有偶数片桨叶的旋翼，其正、负最大微多普勒频移同时出现，且关于零频对称；奇数片桨叶旋翼的正、负最大微多普勒频移交替出现，不关于零频对称。因此，桨叶片数的奇偶性是决定旋翼最大微多普勒频移特征的关键因素之一，设计旋翼和待模拟旋翼的桨叶片数的奇偶性要求保持一致。
57.根据最大微多普勒频移公式可知，旋翼旋转引起的最大微多普勒频率与旋翼半径和转速的乘积成线性正相关。若要求两副不同尺寸(半径)的旋翼具有相同带宽的最大微多普勒频移，则小旋翼的旋翼转速需要大于大旋翼。
58.在进行旋翼设计时，由于改变了旋翼转速，与待模拟旋翼相比，二者的旋转周期明显不同，造成了二者最大微多普勒频移出现的时间和时间间隔均不同。因此，需要通过改变桨叶片数来调整最大微多普勒频移出现的时间间隔，使二者在时间特征上保持一致。即转速高的旋翼桨叶片数少，转速低的旋翼桨叶片数多。图2(a)是4片桨叶旋翼，转速150转/分钟和半径r的时频域谱，以此旋翼的转速、半径和桨叶片数分别作为单独的变量，控制另外两个参量不变得到图2(b)、图2(c)和图2(d)。因此，可以得到如下结论：
59.(1)当只有旋翼转速增大时，最大微多普勒频移带宽(横坐标对应的最大频移量)增大，且相同时间内出现最大微多普勒频移的次数增加，即相邻两次最大微多普勒频移出现的时间间隔缩短；同理可以推出旋翼转速降低时其最大微多普勒频移的特征。
60.(2)当只有旋翼半径变小时，最大微多普勒频移带宽(横坐标对应的最大频移量)减小；同理可以推出旋翼半径变大时其最大微多普勒频移的特征。
61.(3)当只有旋翼桨叶片数降低时，相同时间内出现最大微多普勒频移的次数减少，即相邻两次最大微多普勒频移出现的时间间隔延长；同理可以推出旋翼片数增加时其最大微多普勒频移的特征。
62.基于此，本实施例提供了一种靶机旋翼(小旋翼)的构建方法和系统，本实施例提供的靶机旋翼的构建方法如图3所示，所述靶机旋翼的构建方法包括：
63.101：获取目标旋翼值。所述目标旋翼值包括目标旋翼的桨叶数量、目标旋翼的转速、目标旋翼的半径和目标旋翼坐标值。所述目标旋翼坐标值包括在目标旋翼坐标系下所述目标旋翼上多个点的位置坐标值。
64.102：根据所述目标旋翼的桨叶数量确定靶机旋翼的桨叶数量。
65.103：确定所述靶机旋翼的桨叶数量和所述目标旋翼的桨叶数量的比值为桨叶数
量相似比。
66.104：根据所述目标旋翼值和所述桨叶数量相似比确定靶机旋翼值。所述靶机旋翼值包括靶机旋翼的转速、靶机旋翼的半径和靶机旋翼坐标值；所述靶机旋翼坐标值包括在靶机旋翼坐标系下所述靶机旋翼上多个点的位置坐标值。
67.105：根据所述靶机旋翼的桨叶数量和所述靶机旋翼值构建靶机旋翼。所述靶机旋翼用于实战演练。
68.其中，在101之前还包括：以所述目标旋翼的桨毂中心作为三维直角坐标系的原点，建立所述目标旋翼坐标系。以所述靶机旋翼的桨毂中心作为三维直角坐标系的原点，建立所述靶机旋翼坐标系。
69.其中，102具体为：根据设定叶片数量差与所述目标旋翼的桨叶数量计算得到所述靶机旋翼的桨叶数量，所述设定叶片数量差可以为2。
70.其中，104具体为：将所述目标旋翼的转速与所述桨叶数量相似比的比值确定为所述靶机旋翼的转速。将所述目标旋翼的转速与所述桨叶数量相似比的乘积确定为所述靶机旋翼的半径。将所述目标旋翼坐标值与所述桨叶数量相似比的乘积确定为所述靶机旋翼坐标值。
71.本实施例还提供了与上述方法对应的一种靶机旋翼的构建系统，如图4所示，所述系统包括：
72.目标旋翼值获取模块a1，用于获取目标旋翼值，所述目标旋翼值包括目标旋翼的桨叶数量、目标旋翼的转速、目标旋翼的半径和目标旋翼坐标值；所述目标旋翼坐标值包括在目标旋翼坐标系下所述目标旋翼上多个点的位置坐标值。
73.桨叶数量确定模块a2，用于根据所述目标旋翼的桨叶数量确定靶机旋翼的桨叶数量。
74.桨叶数量相似比确定模块a3，用于确定所述靶机旋翼的桨叶数量和所述目标旋翼的桨叶数量的比值为桨叶数量相似比。
75.靶机旋翼值确定模块a4，用于根据所述目标旋翼值和所述桨叶数量相似比确定靶机旋翼值；所述靶机旋翼值包括靶机旋翼的转速、靶机旋翼的半径和靶机旋翼坐标值；所述靶机旋翼坐标值包括在靶机旋翼坐标系下所述靶机旋翼上多个点的位置坐标值。
76.靶机旋翼构建模块a5，用于根据所述靶机旋翼的桨叶数量和所述靶机旋翼值构建靶机旋翼，所述靶机旋翼用于实战演练。
77.在具体实施过程中，所述桨叶数量确定模块a2，具体包括：
78.桨叶数量确定单元，用于根据设定叶片数量差与所述目标旋翼的桨叶数量计算得到所述靶机旋翼的桨叶数量，所述设定叶片数量差可以为2。
79.在具体实施过程中，所述靶机旋翼值确定模块a4，具体包括：
80.转速确定单元，用于将所述目标旋翼的转速与所述桨叶数量相似比的比值确定为所述靶机旋翼的转速；半径确定单元，用于将所述目标旋翼的转速与所述桨叶数量相似比的乘积确定为所述靶机旋翼的半径；坐标值确定单元，用于将所述目标旋翼坐标值与所述桨叶数量相似比的乘积确定为所述靶机旋翼坐标值。
81.在具体实施过程中，所述系统还包括：目标旋翼坐标系确定模块，用于以所述目标旋翼的桨毂中心作为三维直角坐标系的原点，建立所述目标旋翼坐标系；靶机旋翼坐标系
确定模块，用于以所述靶机旋翼的桨毂中心作为三维直角坐标系的原点，建立所述靶机旋翼坐标系。
82.下面提供一种更加具体的实施方式：
83.常规单旋翼直升机的主旋翼一般具有2～8片桨叶，本实施例方法针对的待模拟旋翼桨叶片数为4，5，6，7和8片。4片桨叶的待模拟旋翼为旋翼
①
，5片桨叶旋翼为旋翼
②
，6、7、8片桨叶旋翼分别为旋翼
③
，旋翼
④
，旋翼
⑤
。针对上述5种待模拟旋翼，为了分别设计出和其具有相同最大微多普勒频移特征的小旋翼，详细技术方案如下：
84.(1)以旋翼桨毂中心为坐标原点建立三维直角坐标系，提取待模拟大旋翼的翼型信息，翼型表面采样点以c1、c2、.....、c
n
表示，每个采样点具有唯一的三维坐标(x，y，z)，采样条件满足两个相邻采样点间弦向距离(弦向距离是指沿着桨叶翼型的弦长方向，也即顺着桨叶的宽度方向)小于等于翼型弦长的1/100；若桨叶是分段翼型，则需对分段翼型分别采样，以(c
11
、c
12
、.....、c
1n
)，
……
，(c
m1
、c
m2
、.....、c
mn
)表示。记录待模拟大旋翼的桨叶片数为n1，转速为ω1转/分钟，半径为r1米。
85.(2)针对不同片数桨叶的待模拟旋翼，分别设计：
86.旋翼
①
：待模拟旋翼有4片桨叶，设计旋翼(小旋翼)采用2片桨叶，如图5所示，小、大旋翼桨叶片数比以小旋翼的桨毂中心作为三维直角坐标系原点。根据相似性原理，小旋翼的翼型选用和大旋翼保持一致，弦长需变化，对应的翼型弦长满足比例关系μ1，即小旋翼翼型点c1、c2、.....、c
n
满足关系：c
i
＝μ1×
c
i
；若存在分段翼型，在分段翼型所在空间位置坐标和大旋翼分段翼型位置坐标同样满足比例关系μ1。设小旋翼半径为r1米，则r1＝μ1×
r1；设小旋翼转速为ω1转/分钟，则
87.旋翼
②
：待模拟旋翼有5片桨叶，设计旋翼(小旋翼)采用3片桨叶，如图6所示，小、大旋翼桨叶片数比以小旋翼的桨毂中心作为三维直角坐标系原点。根据相似性原理，小旋翼的翼型选用和大旋翼保持一致，弦长需变化，对应的翼型弦长满足比例关系μ2，即小旋翼翼型点c1、c2、.....、c
n
满足关系：c
i
＝μ2×
c
i
；若存在分段翼型，在分段翼型所在空间位置坐标和大旋翼分段翼型位置坐标同样满足比例关系μ2。设小旋翼半径为r2米，则r2＝μ2×
r1；设小旋翼转速为ω2转/分钟，则
88.旋翼
③
：待模拟旋翼有6片桨叶，设计旋翼(小旋翼)采用4片桨叶，如图7所示，小、大旋翼桨叶片数比以小旋翼的桨毂中心作为三维直角坐标系原点。根据相似性原理，小旋翼的翼型选用和大旋翼保持一致，弦长需变化，对应的翼型弦长满足比例关系μ3，即小旋翼翼型点c1、c2、.....、c
n
满足关系：c
i
＝μ3×
c
i
；若存在分段翼型，在分段翼型所在空间位置坐标和大旋翼分段翼型位置坐标同样满足比例关系μ3。设小旋翼半径为r3米，则r3＝μ3×
r1；设小旋翼转速为ω3转/分钟，则
89.旋翼
④
：待模拟旋翼有7片桨叶，设计旋翼(小旋翼)采用5片桨叶，如图8所示，小、大旋翼桨叶片数比以小旋翼的桨毂中心作为三维直角坐标系原点。根据相似性原理，小旋翼的翼型选用和大旋翼保持一致，弦长需变化，对应的翼型弦长满足比例关系μ4，即小旋翼翼型点c1、c2、.....、c
n
满足关系：c
i
＝μ4×
c
i
；若存在分段翼型，在分段翼型所在空间位置坐标和大旋翼分段翼型位置坐标同样满足比例关系μ4。设小旋翼半径为r4米，则r4＝μ4×
r1；设小旋翼转速为ω4转/分钟，则
90.旋翼
⑤
：待模拟旋翼有8片桨叶，设计旋翼(小旋翼)采用6片桨叶，小、大旋翼桨叶片数比以小旋翼的桨毂中心作为三维直角坐标系原点。根据相似性原理，小旋翼的翼型选用和大旋翼保持一致，弦长需变化，对应的翼型弦长满足比例关系μ5，即小旋翼翼型点c1、c2、.....、c
n
满足关系：c
i
＝μ5×
c
i
；若存在分段翼型，在分段翼型所在空间位置坐标和大旋翼分段翼型位置坐标同样满足比例关系μ5。设小旋翼半径为r5米，则r5＝μ5×
r1；设小旋翼转速为ω5转/分钟，则
91.综上，待模拟的大半径旋翼应至少具有4片桨叶。假设待模拟的大半径旋翼具有n1片桨叶，转速为ω1转/分钟，半径为r1米；则在设计小半径旋翼时，其桨叶片数n2，转速ω2和半径r2需满足以下条件：
92.桨叶的(分段)翼型基于相似性原理进行设计。两副旋翼桨叶片数的奇偶性保持一致。此时两副旋翼即可具有一致的最大微多普勒频移特征。若希望用大半径旋翼来模拟小半径旋翼的最大微多普勒频移特征，用上述方法逆推即可实现。
93.基于技术方案提及的方法，建立如下两种具体的靶机旋翼：
94.(1)待模拟的大半径旋翼4片桨叶(naca0012翼型矩形桨叶)，转速150转/分钟，半径r；靶机上使用的小半径旋翼2片桨叶(naca0012翼型矩形桨叶)，转速300转/分钟，半径0.5r。
95.(2)待模拟的大半径旋翼5片桨叶(naca0012翼型矩形桨叶)，转速150转/分钟，半径r；靶机上使用的小半径旋翼3片桨叶(naca0012翼型矩形桨叶)，转速250转/分钟，半径0.6r。
96.不同旋翼模型的翼型弦长和旋翼半径正相关，弯度相同。上述两种计算模型均满足技术方案中的要求。
97.使用10ghz、垂直极化雷达波照射上述旋翼，结合物理光学法和等效电磁流方法计算散射回波强度并对其进行短时傅里叶变换(stft)得到旋翼雷达散射截面时频域谱，在时频域谱上可以观察到旋翼的微多普勒特征。
98.图9～图12分别是4幅不同片数桨叶旋翼的雷达散射截面时频域谱，图中标示了最大微多普勒频移出现的位置，并且负的最大微多普勒频移用框圈出。(1)根据图9和图10可以看出：4片桨叶大半径旋翼和2片桨叶小半径旋翼均每隔0.1秒出现一次最大微多普勒频
移，正负频移同时出现，且横坐标对应的最大频移量相同；(2)根据图11和图12可以看出：5片桨叶大半径旋翼和3片桨叶小半径旋翼均每隔0.08秒出现一次最大微多普勒频移，正负频移交替出现，且横坐标对应的最大频移量相同。
99.即通过使用技术方案中所提方法，可以实现用小半径旋翼模拟出和大半径旋翼一致的最大微多普勒频移特征。
100.本发明实现了以下技术效果：
101.若给定某一旋翼的半径，并已知其桨叶片数和转速特征，则可以使用半径较小的旋翼，通过设定其片数和转速特征，来模拟出大半径旋翼的雷达最大微多普勒频移特征，让半径较小的直升机靶机旋翼，具备和半径较大的目标直升机旋翼一致的最大微多普勒频移特征，特别是最大微多普勒频移宽度和相邻两次最大微多普勒频带时间间隔保持一致，提高了在实战演练中雷达的探测与识别精度，能够根据雷达探测的最大微多普勒频移特征实现对目标旋翼的准确判断。
102.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
103.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。