CN102680970A - 一种采用前向散射雷达的要地防护雷达网络探测方法 - Google Patents

Abstract

为了保护要地的空域安全，实现对低空飞行小目标的有效探测，形成连续、稳定、精确的目标航迹估计，提出了一种采用前向散射雷达的要地防护雷达网络探测方法，属于雷达组网探测技术领域。该方法通过确定前向散射雷达的覆盖模型，基于遗传算法，选择拓扑单元最优的拓扑结构，确定防护区域，按照全面覆盖原则全面覆盖防护区域，以及目标探测与航迹融合等步骤，形成了连续、稳定、精确的目标航迹估计，达到了防护要地空域安全的目的。

Description

一种采用前向散射雷达的要地防护雷达网络探测方法

技术领域

本发明涉及一种针对低空飞行小目标的要地防护雷达网络探测方法，属于雷达组网探测技术领域。

背景技术

随着低空空域的开放，要地的空域安全受到滑翔机、航模、风筝、遥控飞机、不明飞行物等的威胁，要地安全已经引起了高度重视。北京奥运会期间，为了抵御来自空中的各种威胁，安保部门制定了防空计划：在重要场馆附近一定范围的空域设立禁飞区；地面雷达甚至太空在轨卫星对整个空域进行全天候监控。

要地防护是国土防护的主体部分。在国土防护中，保卫重要地区或目标安全的防护称为要地防护。它包括政治经济中心、首脑机关、军事要地、重要工程、工业基地和交通枢纽的防护等。要地防护的一个重要方面，是抵御来自空中的各种威胁。

低空目标探测一直是雷达研究领域的难题。低空突袭的有效性在于，常规雷达在对低空目标探测与跟踪时，技战术指标大为下降甚至完全不能发现或跟踪目标，主要原因有：地球曲面阴影限制了雷达的可视距离；地形、地物遮蔽角的影响，如山岭、较大的建筑物所产生的阴影区；地物(或海面)反射杂波干扰；多径效应使目标回波特性发生很大变化，导致目标检测和虚警概率计算困难，同时在参数(目标角度、距离、速度等)测量中引入多径误差，尤其是俯仰角测量会产生大的尖峰误差。

将雷达组成探测网络，可以克服可视距离受限和地形遮蔽的影响，增强对各类威胁的探测能力，进而从根本上扭转要地防护的被动局面。传统的单基地雷达网络中，虽然单个节点功能强大，需要的节点数目少，但是节点复杂，成本高，同时易受地形遮挡的影响，对小目标的探测能力较弱，信号处理复杂度高。前向散射雷达由于前向散射雷达截面积（Radar Cross Section,RCS）特性，对小目标有很强的探测能力，如果采用前向散射雷达组网，网络中单个节点功能有限，需要的节点数目多，但是节点非常简单，成本低，便于大规模部署克服地形遮挡的影响，信号处理复杂度低。但是由于节点探测范围窄、对目标进行跟踪时初值估计精度低，为了形成连续、稳定、精确的目标航迹估计，需要通过不同传感器节点之间接力和航迹融合，提高航迹估计精度和稳定性。

发明内容

本发明的目的是为了保护要地的空域安全，实现对低空飞行小目标的有效探测，提出了一种采用前向散射雷达的要地防护雷达网络探测方法，该方法能够实现防护区域的雷达网络全面覆盖，从而形成连续、稳定、精确的目标航迹估计。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种采用前向散射雷达的要地防护雷达网络探测方法，其步骤如下：

步骤一：确定覆盖模型的基本拓扑单元的结构

根据双基地雷达方程和前向散射RCS特性，通过雷达仿真确定前向散射雷达的覆盖模型是椭圆，其中该椭圆的长轴两端点与短轴的同一端点连线所形成的夹角大于135°；

将4个所确定的前向散射雷达的覆盖模型的长轴相连，形成基本拓扑单元的结构为平行四边形，该平行四边形的四个节点分别为两个发射节点和两个接收节点，其中两个发射节点的连线以及两个接收节点的连线构成该平行四边形的两条对角线，并且两个接收节点保证能够接收到该平行四边形内部的两个发射节点发射的信号；此外，该平行四边形的两长边所对应的覆盖模型的长轴的长度在信号能够收发的距离内进行选择，两短边所对应的覆盖模型根据两长边所对应的覆盖模型进行调整，使得散射雷达的覆盖模型能够完全覆盖平行四边形内部所有区域；

步骤二：按照全面覆盖原则全面覆盖防护区域

防护区域为闭合区域，将确定的平行四边形基本拓扑单元逐个逐行依次摆放，直到将防护区域覆盖满为止；其中，相邻的平行四边形节点上共用发射节点或者接收节点，平行四边形的公共发射节点发射的信号，其所在的多个平行四边形的相应接收节点均能收到；

步骤三：目标探测

每个平行四边形拓扑单元内部，发射节点发射电磁波信号，若任意覆盖模型内有目标，则信号由目标反射至接收节点，接收节点经过信号处理，得到目标的位置、速度参数，将每一时刻的目标位置连接起来，得到目标的运动轨迹，实现检测和跟踪。

有益效果

与现有技术相比，其优势在于：采用前向散射雷达对低空飞行小目标进行有效探测，克服了传统单基地雷达对小目标的探测困难；通过对前向散射雷达组成防护网络，该网络能够全面覆盖防护区域，进而形成了连续、稳定、精确的目标航迹估计，达到了防护要地空域安全的目的。

附图说明

图1为本发明技术方案的实施效果图；

图2为本发明实施例的目标模型；

图3为本发明中实施例的目标模型对应的前向散射雷达覆盖模型；

图4为本发明实施例的三种备选拓扑单元构型；

图5为本发明实施例的最优拓扑构型；

图6为本发明中分布式航迹融合结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

目标模型机身长1.304米，高0.265米，翼展2米，在100米高的低空飞行；前向散射雷达基线长度为20km，发射功率为40w，载波波长为0.3m，最小可检测信噪比为10dB；在半径为80km的圆形区域上部署前向散射雷达网络，为保证对目标航迹的连续估计，采用全覆盖，当虚警概率为10^-8~10^-9时，满足90%的检测概率。

一种采用前向散射雷达的要地防护雷达网络探测方法，采用该方法实现的雷达网络部署示意图如图1所示，步骤如下：

步骤一：确定覆盖模型的基本拓扑单元的结构

根据双基地雷达方程和前向散射RCS特性，通过雷达仿真确定前向散射雷达的覆盖模型是椭圆，其中该椭圆的长轴两端点与短轴的同一端点连线所形成的夹角大于135°。

将4个所确定的前向散射雷达的覆盖模型的长轴相连，形成基本拓扑单元的结构为平行四边形，该平行四边形的四个节点分别为两个发射节点和两个接收节点，其中两个发射节点的连线以及两个接收节点的连线构成该平行四边形的两条对角线，并且两个接收节点保证能够接收到该平行四边形内部的两个发射节点发射的信号；此外，该平行四边形的两长边所对应的覆盖模型的长轴的长度在信号能够收发的距离内进行选择，两短边所对应的覆盖模型根据两长边所对应的覆盖模型进行调整，使得散射雷达的覆盖模型能够完全覆盖平行四边形内部所有区域。

在本实施例中，目标类型如图2所示，为金属材质，三维尺寸为：机身长1.3m，高0.27m，翼展2m；由此根据双基地雷达方程和前向散射RCS特性，通过雷达仿真所确定的前向散射雷达的覆盖模型如图3所示，具体地，根据目标类型可以确定目标参数，在本实施例中目标参数即为目标的三维尺寸，然后将所确定的目标参数应用到前向散射RCS特性中，可以影响前向散射雷达的覆盖模型的颜色深浅（体现探测能力的强弱）。由图3可以看出前向散射雷达的覆盖模型为椭圆，该椭圆的长轴两端点与短轴的同一端点连线所形成的夹角大于135°，椭圆内部各个点的亮度不同，是由于特定参数下对应的每个点的信噪比不同导致的，可以看到中间部分亮度高即信噪比高，边缘部分亮度低即信噪比低。

虽然本发明中所采用的是平行四边形基本拓扑单元的设计，但是在具体设计的过程中，考虑了三种情况。具体为：将所确定的前向散射雷达的覆盖模型进行三种基本拓扑单元的设计，通过基本拓扑单元的设计后，在连接散射雷达的覆盖模型的长轴时，使得这三种基本拓扑单元设计的长轴连线呈直线型、V字形以及平行四边形，如图4所示；在这三种基本拓扑单元设计情况下，分别计算其信噪比、跟踪精度以及覆盖面积，比较其信噪比、跟踪精度以及覆盖面积，选择信噪比高、跟踪精度好以及覆盖面积大的平行四边形为基本拓扑单元作为整个网络的基本部署单元。其中，该平行四边形的四个节点分别为两个发射节点和两个接收节点，其中两个发射节点的连线以及两个接收节点的连线构成该平行四边形的两条对角线，并且两个接收节点保证能够接收到该平行四边形内部的两个发射节点发射的信号；此外，该平行四边形的两长边所对应的覆盖模型的长轴的长度在信号能够收发的距离内进行选择，覆盖模型的长轴的长短选择能够影响覆盖模型的探测能力；两短边所对应的覆盖模型根据两长边所对应的覆盖模型进行调整，使得散射雷达的覆盖模型能够完全覆盖平行四边形内部所有区域。

具体到本实施例中，三种拓扑单元的覆盖率指标分别为：直线型拓扑单元的一重覆盖率为78.5%，二重覆盖率为0%，三角形拓扑单元的一重覆盖率为81.9%，二重覆盖率为9.8%，平行四边形拓扑单元的一重覆盖率为84.0%，二重覆盖率为14.3%，分析结果表明平行四边形拓扑单元的覆盖率指标最好；根据覆盖率指标，仿真发现只要合理选择几何构型，平行四边形拓扑单元的重叠范围可以比其他两种拓扑单元都大，最有利于提高组网检测信噪比（SNR）和组网跟踪精度即克拉美罗下界（Cramer-Rao Lower Bound,CRLB），因此选择平行四边形基本拓扑单元作为整个网络的基本部署单元。

进一步地，所述步骤一中，在平行四边形的长边确定的情况下，采用的优化算法以平行四边形相邻两条边的夹角以及短边长度为求解参数，以信噪比、跟踪精度和覆盖面积为优化指标构造适应度函数，对平行四边形的部署单元四个节点的部署位置进行迭代寻优，确定最优的平行四边形拓扑单元。

其中，所述的采用的优化算法可以是遗传算法、蚁群算法、粒子群算法、模糊逻辑算法、模拟退火算法其中之一。

在本实施例中，采用遗传算法以平行四边形相邻两条边的夹角以及短边长度为求解参数，以信噪比、跟踪精度和覆盖面积为优化指标构造适应度函数，对平行四边形的部署单元四个节点的部署位置进行迭代寻优，确定最优的平行四边形拓扑单元；较优的，所确定的平行四边形相邻两条边的长度分别为20km和12.53km，该平行四边形相邻两条边所形成的夹角为20.03°，最优拓扑构型示意图参见图5。

步骤二：按照全面覆盖原则全面覆盖防护区域

防护区域为闭合区域，将确定的平行四边形基本拓扑单元逐个逐行依次摆放，直到将防护区域覆盖满为止；其中，相邻的平行四边形节点上共用发射节点或者接收节点，平行四边形的公共发射节点发射的信号，其所在的多个平行四边形的相应接收节点均能收到。

在本实施例中，防护区域只需要是闭合区域，形状不需要作限定，即可以是圆形区域、矩形区域、甚至带有不规则边界的闭合区域。部署方式为：将确定的平行四边形最优拓扑单元逐个逐行依次摆放，直到将防护区域覆盖满为止，具体方案如图1所示。这种部署方式可以最大程度的节省部署的节点数量，因为很多节点都是四个平行四边形的公共节点，根据步骤二对平行四边形的限定说明可知，公共发射节点发射的信号，其所在的多个平行四边形的相应接收节点都可以收到；因此，若对半径为80km的圆形区域进行防护，雷达基线长度为20km时，需要的发射/接收节点总数为106个。

步骤四：目标探测

每个平行四边形拓扑单元内部，发射节点发射电磁波信号，若任意覆盖模型内有目标，则信号由目标反射至接收节点，接收节点经过信号处理，得到目标的位置、速度参数，将每一时刻的目标位置连接起来，得到目标的运动轨迹，实现检测和跟踪。

进一步地，在不同椭圆覆盖模型的重叠范围内，还能进行目标航迹融合，得到精确的航迹估计，具体的流程如图6所示。

Claims (5)

1.一种采用前向散射雷达的要地防护雷达网络探测方法，其特征在于：该方法实现的具体步骤如下：

步骤一：确定覆盖模型的基本拓扑单元的结构

根据双基地雷达方程和前向散射RCS特性，通过雷达仿真确定前向散射雷达的覆盖模型是椭圆，其中该椭圆的长轴两端点与短轴的同一端点连线所形成的夹角大于135°；

将4个所确定的前向散射雷达的覆盖模型的长轴相连，形成基本拓扑单元的结构为平行四边形，该平行四边形的四个节点分别为两个发射节点和两个接收节点，其中两个发射节点的连线以及两个接收节点的连线构成该平行四边形的两条对角线，并且两个接收节点保证能够接收到该平行四边形内部的两个发射节点发射的信号；此外，该平行四边形的两长边所对应的覆盖模型的长轴的长度在信号能够收发的距离内进行选择，两短边所对应的覆盖模型根据两长边所对应的覆盖模型进行调整，使得散射雷达的覆盖模型能够完全覆盖平行四边形内部所有区域；

步骤二：按照全面覆盖原则全面覆盖防护区域

防护区域为闭合区域，将确定的平行四边形基本拓扑单元逐个逐行依次摆放，直到将防护区域覆盖满为止；其中，相邻的平行四边形节点上共用发射节点或者接收节点，平行四边形的公共发射节点发射的信号，其所在的多个平行四边形的相应接收节点均能收到；

步骤三：目标探测

每个平行四边形拓扑单元内部，发射节点发射电磁波信号，若任意覆盖模型内有目标，则信号由目标反射至接收节点，接收节点经过信号处理，得到目标的位置、速度参数，将每一时刻的目标位置连接起来，得到目标的运动轨迹，实现检测和跟踪。

2.如权利要求1所述的一种采用前向散射雷达的要地防护雷达网络探测方法，其特征在于：所述步骤三中，进一步地，在不同椭圆覆盖模型的重叠范围内，还能进行目标航迹融合，得到精确的航迹估计。

3.如权利要求1所述的一种采用前向散射雷达的要地防护雷达网络探测方法，其特征在于：所述步骤一中，在平行四边形的长边确定的情况下，采用的优化算法以平行四边形相邻两条边的夹角以及短边长度为求解参数，以信噪比、跟踪精度和覆盖面积为优化指标构造适应度函数，对平行四边形的部署单元四个节点的部署位置进行迭代寻优，确定最优的平行四边形拓扑单元。

4.如权利要求3所述的一种采用前向散射雷达的要地防护雷达网络探测方法，其特征在于：所述的采用的优化算法为遗传算法、蚁群算法、粒子群算法、模糊逻辑算法、模拟退火算法。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种采用前向散射雷达的要地防护雷达网络探测方法，其特征在于：所述的平行四边形相邻两条边的长度分别为20km和12.53km，该相邻的两条边形成的夹角为20.03°。

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