CN108828544B - 基于等效噪声系数的地波超视距雷达威力范围评估方法 - Google Patents
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Abstract
基于等效噪声系数的地波超视距雷达威力范围评估方法，本发明涉及地波超视距雷达威力范围评估方法。本发明为了解决现有技术计算较复杂，不能直接通过噪声和杂波背景强度来评估威力范围的问题。本发明通过推导和拟合表明，在超视距探测区域内，探测距离变化量ΔR与噪声系数变化量δF近似成线性关系，得到两者的斜率kRF，进而根据等效噪声系数相对于预期值的变化，求出雷达系统探测距离的变化量，解决了传统方法计算较复杂的问题。本发明只需通过简单的线性运算即可评估威力范围，避免了重复计算，有效提高了实用性，减少了计算量，在实际应用中简捷方便。本发明用于地波超视距雷达探测领域。
Description
技术领域
本发明涉及地波超视距雷达探测领域，具体涉及地波超视距雷达威力范围评估方法。
背景技术
地波超视距雷达利用高频垂直极化电磁波沿海洋表面绕射传播的特性，探测到视线以下的目标。雷达工作频率不同，外部电磁环境不同，会导致雷达探测威力不同。地波超视距雷达外部电磁环境复杂，与雷达的架设地点、工作频率、工作时间紧密相关，其检测背景包括环境噪声与杂波干扰。杂波干扰有海杂波、电离层杂波等；环境噪声是雷达接收机外部各种背景无线电噪声的集合，在高频段远高于接收机内部噪声，成为目标检测的主要背景。
环境噪声电平随频率、时间和空间位置而不同，主要由自然界无线电噪声和人为无线电噪声组成。其中自然界无线电噪声主要由大气中闪电放电等自然现象及宇宙深空各种射电源引起，分为大气无线电噪声和宇宙无线电噪声；人为无线电噪声主要来源于各种工业、电气设备及输电线路产生的干扰，更主要取决于雷达接收设备所在的地理位置。
国际无线电咨询委员会(International Radio Consultative Committee，CCIR)与国际电信联盟(International Telecommunication Union，ITU)组织专门机构建立全球观测网，观测研究结果以CCIR 322和ITU-R P.372报告给出环境噪声全球分布图，根据ITU-R P.372由美国NTIA编制的计算程序NOISE(93.6Modified Version)由ITU推荐使用，可以获得不同频率下，不同地点、不同季节、不同时段的环境噪声预期值，以及各项大气无线电噪声、宇宙无线电噪声、人为无线电噪声预期值，可以在雷达设计评估时参考使用。随着工业、交通与居民生活水平的发展，环境噪声也在发生变化，与环境噪声预期值存在一定差异。用实际测量的雷达接收场地环境噪声数据来评估雷达的检测背景能量，对雷达系统论证、设计和评估更具有实际意义。
受环境的影响海面是起伏不定的，地波场强和传播衰减与海态有关。根据Rotheram推导出的三套计算公式：推广的平地面公式、留数级数公式和几何光学公式，由CCIR推荐使用的地波传播计算程序GRWAVE，可以计算均匀光滑海面的地波场强和传播衰减。
传统的威力范围评估方法通过计算环境噪声功率与杂波功率之和，根据雷达系统信杂噪比检测门限，推算出雷达的最大探测距离，即地波超视距雷达的威力范围。这种方法必须依赖于地波场强计算及相关各项参数，计算较复杂，不能直接通过噪声和杂波背景强度来评估威力范围，不够直观并且在实际应用中不够便捷。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术计算较复杂，不能直接通过噪声和杂波背景强度来评估威力范围的缺点，而提出基于等效噪声系数的地波超视距雷达威力范围评估方法。
基于等效噪声系数的地波超视距雷达威力范围评估方法包括以下步骤：
步骤一：地波超视距雷达的检测背景基底包括噪声与杂波两部分，表示为环境噪声功率Pn(p,f,t)与杂波功率Pc(p,f,t)之和，即检测背景基底功率Pnc(p,f,t)；当噪声与杂波同时存在时，以信杂噪比SCNR形式表示雷达方程；
所述p为雷达的架设地点，f为雷达工作频率，t为雷达工作时间；
步骤二：根据步骤一得到的以信杂噪比SCNR形式表示的雷达方程，设定雷达系统信杂噪比检测门限SCNR0，得到地波场强E(R)；
步骤三：使用环境噪声计算程序NOISE，输入时间、季节、位置、环境状态等参数，得到雷达系统当前工作频率下的环境噪声系数预期值Fa；
步骤四：使用步骤三中得到的环境噪声系数预期值Fa，将步骤一中的检测背景基底功率Pnc(p,f,t)表示为噪声功率
步骤五：由步骤二得到的地波场强E(R)和步骤四得到的噪声功率
求出地波场强的理论预期值E(R0)；
步骤六：使用地波场强计算程序GRWAVE，求出步骤五中地波场强理论预期值E(R0)对应的最大探测距离预期值R0；
步骤七：在设定雷达频率和海态下，设置等效噪声系数取值间隔ΔFc，仿真计算雷达系统的第i个等效噪声系数Fci，根据Fci将步骤一中的Pnc(p,f,t)表示为噪声杂波功率Pnci；i＝1,2,…,n，n为数据个数；
步骤八：由步骤二得到的地波场强E(R)，根据步骤七中得到的噪声杂波功率Pnci，求出地波场强计算值E(Ri′)；
步骤九：使用地波场强计算程序GRWAVE，求出步骤八中地波场强计算值E(Ri′)对应的最大探测距离计算值Ri′；
步骤十：计算步骤九中第i个最大探测距离计算值Ri′与步骤六中的最大探测距离预期值R0的差值，得到探测距离变化量ΔRi；
ΔRi＝Ri′-R0
步骤十一：通过步骤七得到的第i个等效噪声系数Fci和步骤三得到的环境噪声系数预期值Fa，计算第i个噪声系数变化量δFi；
步骤十二：将步骤十得到的n个探测距离变化量ΔRi与步骤十一得到的n个噪声系数变化量δFi进行拟合，得到探测距离减少量ΔR与噪声系数增量δF成线性关系，求出拟合直线的斜率kRF；
步骤十三：利用地波超视距雷达系统实际输出并经过定标的频谱数据，获取雷达系统在实际工作环境下的检测背景强度数值；对实测频谱数据中的检测背景基底数据进行统计平均，得到实际检测背景下噪声杂波的平均功率
计算雷达系统在实际环境下的等效噪声系数
由实际环境下的等效噪声系数
根据步骤十二，得到实际噪声系数增量
计算雷达系统实际探测距离减少量ΔR*；结合步骤六中得到的最大探测距离预期值R0，获得实际噪声杂波背景下的最大探测距离，即为地波超视距雷达威力范围。
本发明的有益效果为：
传统算法在计算地波场强时需要在特定系统环境下运行GRWAVE程序，确定最大探测距离时需要遍历搜索所有距离。本发明则提出并阐述了探测距离变化量随噪声系数变化量的变化规律，只需通过简单的线性运算即可评估威力范围，不必每次运行GRWAVE程序，避免了重复计算，有效提高了实用性，计算量减少99％以上，在实际应用中简捷方便。
本发明通过推导和拟合表明，在超视距探测区域内，探测距离减少量ΔR与噪声系数增量δF近似成线性关系，得到两者的斜率kRF，进而根据等效噪声系数相对于预期值的变化，求出雷达系统探测距离的变化量，解决了传统方法计算较复杂的问题。
附图说明
图1为某沿海地区春季不同时段的噪声系数预期值与频率关系曲线图；
图2为平静海态时不同频率地波场强与距离关系曲线图；
图3为平静海态时不同频率下探测距离减少量与噪声系数增量关系曲线图；
图4为二级海态时不同频率下探测距离减少量与噪声系数增量关系曲线图；
图5为四级海态时不同频率下探测距离减少量与噪声系数增量关系曲线图；
图6为六级海态时不同频率下探测距离减少量与噪声系数增量关系曲线图；
图7为本发明流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：基于等效噪声系数的地波超视距雷达威力范围评估方法包括以下步骤：
步骤一：地波超视距雷达的检测背景基底包括噪声与杂波两部分，表示为环境噪声功率Pn(p,f,t)与杂波功率Pc(p,f,t)之和，即检测背景基底功率Pnc(p,f,t)；当噪声与杂波同时存在时，以信杂噪比SCNR形式表示雷达方程；
所述p为雷达的架设地点，f为雷达工作频率，t为雷达工作时间；
步骤二：根据步骤一得到的以信杂噪比SCNR形式表示的雷达方程，考虑雷达系统参数、时间、地点等因素，设定雷达系统信杂噪比检测门限SCNR0，得到地波场强E(R)；
步骤三：使用环境噪声计算程序NOISE，输入时间、季节、位置、环境状态等参数，得到雷达系统当前工作频率下的环境噪声系数预期值Fa；
步骤四：理想情况下，杂波功率远小于环境噪声功率，检测背景体现为环境噪声，使用步骤三中得到的环境噪声系数预期值Fa，将步骤一中的检测背景基底功率Pnc(p,f,t)表示为环境噪声功率
步骤五：由步骤二得到的地波场强E(R)表达式和步骤四得到的噪声功率
求出地波场强的理论预期值E(R0)；
步骤六：使用地波场强计算程序GRWAVE，求出步骤五中地波场强理论预期值E(R0)对应的最大探测距离预期值R0；
步骤七：在设定雷达频率和海态下，设置等效噪声系数取值间隔ΔFc，仿真计算雷达系统的n个等效噪声系数Fci(i＝1,2,…,n，n为数据个数)；
根据Fci将步骤一中的Pnc(p,f,t)表示为噪声杂波功率Pnci；i＝1,2,…,n，n为数据个数；
步骤八：由步骤二得到的地波场强E(R)表达式，根据步骤七中得到的噪声杂波功率Pnci，求出地波场强计算值E(Ri′)；
步骤九：使用地波场强计算程序GRWAVE，求出步骤八中地波场强计算值E(Ri′)对应的最大探测距离计算值Ri′；
步骤十：计算步骤九中第i个最大探测距离计算值Ri′与步骤六中的最大探测距离预期值R0的差值，得到探测距离变化量ΔRi；
ΔRi＝Ri′-R0
步骤十一：通过步骤七得到的第i个等效噪声系数Fci和步骤三得到的环境噪声系数预期值Fa，计算第i个噪声系数变化量δFi；
步骤十二：将步骤十得到的n个探测距离变化量ΔRi,i＝1,2,…,n与步骤十一得到的n个噪声系数变化量δFi,i＝1,2,…,n进行拟合，得到探测距离减少量ΔR与噪声系数增量δF近似成线性关系，求出拟合直线的斜率kRF；
步骤十三：利用地波超视距雷达系统实际输出并经过定标的频谱数据，获取雷达系统在实际工作环境下的检测背景强度数值；对实测频谱数据中的检测背景基底数据进行统计平均，得到实际检测背景下噪声杂波的平均功率
计算雷达系统在实际环境下的等效噪声系数
由实际环境下的等效噪声系数
根据步骤十二，得到实际噪声系数增量
计算雷达系统实际探测距离减少量ΔR*；结合步骤六中得到的最大探测距离预期值R0，获得实际噪声杂波背景下的最大探测距离，即为地波超视距雷达威力范围。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中地波超视距雷达的检测背景基底包括噪声与杂波两部分，表示为环境噪声功率Pn(p,f,t)与杂波功率Pc(p,f,t)之和，即检测背景基底功率Pnc(p,f,t)；当噪声与杂波同时存在时，以信杂噪比SCNR形式表示雷达方程的具体过程为：
检测背景基底功率Pnc(p,f,t)表示为：
Pnc(p,f,t)＝Pn(p,f,t)+Pc(p,f,t)
当噪声与杂波同时存在时，以信杂噪比SCNR形式表示雷达方程：
其中SCNR为距离R处的目标回波信杂噪比，Pt为峰值发射功率，γ为发射信号占空比，Gt为发射天线增益，Dr为接收天线方向性系数，λ为雷达波长，σ为雷达目标散射面积，R为目标距雷达站(单站)距离，E(R)为距离R处的场强(在下列标准条件下：D0＝3，P0＝1kW，Ω＝120π)，D0为标准条件下的标准天线增益，取值为3；P0为标准条件下的电磁波发射功率，取值为1kW；Ω为自由空间特性阻抗，取值为120π；LS为雷达系统损失，Pr(p,f,t)为目标回波功率，Pnc(p,f,t)为环境噪声与杂波总功率，Pn(p,f,t)为雷达架设地的环境噪声功率，Pc(p,f,t)为杂波功率。
上述地波超视距雷达方程反映了环境特性对地波超视距雷达的影响，以此分析实际工作环境下影响超视距雷达性能的各种因素，对雷达性能做出正确评估。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中根据步骤一得到的以信杂噪比SCNR形式表示的雷达方程，设定雷达系统信杂噪比检测门限SCNR0，得到地波场强E(R)的表达式为：
式中SCNR0为对应最大探测距离的信杂噪比检测门限(最小信杂噪比)。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤四中用步骤三中得到的环境噪声系数预期值Fa，将步骤一中的检测背景基底功率Pnc(p,f,t)表示为噪声功率
的表达式为：
其中k为波尔兹曼常数，k＝1.38×10-23J/K；T0为参考绝对温度，T0＝290K；B为接收机带宽(Hz)。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤五中由步骤二得到的地波场强E(R)表达式和步骤四得到的噪声功率
求出地波场强的理论预期值E(R0)的表达式具体为：
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤七中在设定雷达频率和海态下，设置等效噪声系数取值间隔ΔFc，仿真计算雷达系统的第i个等效噪声系数Fci的表达式具体为：
Fci＝Fa+(i-1)×ΔFc
根据第i个等效噪声系数Fci，将步骤一中的Pnc(p,f,t)表示为噪声杂波功率Pnci：
Pnci＝Fci·kT0B
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述步骤八中由步骤二得到的地波场强E(R)，根据步骤七中得到的噪声杂波功率Pnci，求出地波场强计算值E(Ri′)的表达式具体为：
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述步骤十一中通过步骤七得到的第i个等效噪声系数Fci和步骤三得到的环境噪声系数预期值Fa，计算第i个噪声系数变化量δFi具体为：
δFi＝Fci-Fa
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述步骤十二中将步骤十得到的n个探测距离变化量ΔRi与步骤十一得到的n个噪声系数变化量δFi进行拟合，得到探测距离减少量ΔR与噪声系数增量δF成线性关系，具体为：
ΔR＝kRF×δF。
kRF与雷达工作频率、海态以及海面参数(GRWAVE程序所涉及的参量)等有关。
其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：由实际环境下的等效噪声系数
根据步骤十二，得到实际噪声系数增量
计算雷达系统实际探测距离减少量ΔR*具体为：
其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
实施例一：
使用环境噪声计算程序NOISE，位置为胶东半岛东部某沿海地区，环境区域为乡村区。各季节不同时段的噪声系数预期值与频率关系如图1所示。
在平均盐分海水参数(电导率σ＝5s/m，介电常数ε＝70)，对流层高度7.5km，对流层折射率320，天线与目标贴近地面时，不同频率下，地波场强随距离的变化情况如图2所示。
在实际中，风浪会使海面粗糙，引起附加传输衰减，把海态对地波传播衰减的影响等效为表面阻抗变化(增加)的方法进行计算，随机粗糙海面的等效表面阻抗表示为以下形式：
式中：
Δ为均匀光滑海面的等效表面阻抗；＜A00＞为粗糙海面所引起的等效表面阻抗的修正附加项。
以随机粗糙海面的等效表面阻抗Δ代替Rotheram公式中的均匀光滑海面的等效表面阻抗Δ，对地波场强的计算公式进行修正，实现不同海态下粗糙海面地波场强的计算。
在平均盐分海水参数(电导率σ＝5s/m，介电常数ε＝70)，对流层高度7.5km，对流层折射率320，天线与目标贴近地面时，不同海态、不同频率下探测距离减少量ΔR与噪声系数增量δF之间的关系曲线如图3至图6所示。
对探测距离减少量ΔR和噪声系数增量δF进行线性拟合，求出不同海态、不同频率下ΔR与δF的拟合斜率kRF，如表1所示。
表1探测距离减少量ΔR与噪声系数增量δF的拟合斜率kRF值
以平静海面为例，计算上述各频率的拟合误差，得到均方误差的平均值为0.0121。
利用MATLAB 2014a，计算雷达威力范围评估方法的运算时间，如表2所示。可以看出，基于等效噪声系数的评估方法比传统评估方法的运算时间减少99％以上。
表2雷达威力范围评估方法运算时间
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.基于等效噪声系数的地波超视距雷达威力范围评估方法，其特征在于：所述基于等效噪声系数的地波超视距雷达威力范围评估方法包括以下步骤：
步骤一：地波超视距雷达的检测背景基底包括噪声与杂波两部分，表示为环境噪声功率Pn(p,f,t)与杂波功率Pc(p,f,t)之和，即检测背景基底功率Pnc(p,f,t)；当噪声与杂波同时存在时，以信杂噪比SCNR形式表示雷达方程；
所述p为雷达的架设地点，f为雷达工作频率，t为雷达工作时间；
步骤二：根据步骤一得到的以信杂噪比SCNR形式表示的雷达方程，设定雷达系统信杂噪比检测门限SCNR0，得到地波场强E(R)；
步骤三：使用环境噪声计算程序NOISE，输入时间、季节、位置、环境状态参数，得到雷达系统当前工作频率下的环境噪声系数预期值Fa；
步骤四：使用步骤三中得到的环境噪声系数预期值Fa，将步骤一中的检测背景基底功率Pnc(p,f,t)表示为噪声功率
步骤五：由步骤二得到的地波场强E(R)和步骤四得到的噪声功率
求出地波场强的理论预期值E(R0)；
步骤六：使用地波场强计算程序GRWAVE，求出步骤五中地波场强理论预期值E(R0)对应的最大探测距离预期值R0；
步骤七：在设定雷达频率和海态下，设置等效噪声系数取值间隔ΔFc，仿真计算雷达系统的第i个等效噪声系数Fci，根据Fci将步骤一中的Pnc(p,f,t)表示为噪声杂波功率Pnci；i＝1,2,…,n，n为数据个数；
所述在设定雷达频率和海态下，设置等效噪声系数取值间隔ΔFc，仿真计算雷达系统的第i个等效噪声系数Fci的表达式具体为：
Fci＝Fa+(i-1)×ΔFc
根据第i个等效噪声系数Fci，将步骤一中的Pnc(p,f,t)表示为噪声杂波功率Pnci：
Pnci＝Fci·kT0B；
其中，k为波尔兹曼常数，T0为参考绝对温度，B为接收机带宽；
步骤八：由步骤二得到的地波场强E(R)，根据步骤七中得到的噪声杂波功率Pnci，求出地波场强计算值E(Ri′)；
步骤九：使用地波场强计算程序GRWAVE，求出步骤八中地波场强计算值E(Ri′)对应的最大探测距离计算值Ri′；
步骤十：计算步骤九中第i个最大探测距离计算值Ri′与步骤六中的最大探测距离预期值R0的差值，得到探测距离变化量ΔRi；
ΔRi＝Ri′-R0
步骤十一：通过步骤七得到的第i个等效噪声系数Fci和步骤三得到的环境噪声系数预期值Fa，计算第i个噪声系数变化量δFi具体为：
δFi＝Fci-Fa
步骤十二：将步骤十得到的n个探测距离变化量ΔRi与步骤十一得到的n个噪声系数变化量δFi进行拟合，得到探测距离减少量ΔR与噪声系数增量δF成线性关系，求出拟合直线的斜率kRF，具体为：
ΔR＝kRF×δF
步骤十三：利用地波超视距雷达系统实际输出并经过定标的频谱数据，获取雷达系统在实际工作环境下的检测背景强度数值；对实测频谱数据中的检测背景基底数据进行统计平均，得到实际检测背景下噪声杂波的平均功率
计算雷达系统在实际环境下的等效噪声系数
由实际环境下的等效噪声系数
根据步骤十二，得到实际噪声系数增量
计算雷达系统实际探测距离减少量ΔR*；结合步骤六中得到的最大探测距离预期值R0，获得实际噪声杂波背景下的最大探测距离，即为地波超视距雷达威力范围。
2.根据权利要求1所述基于等效噪声系数的地波超视距雷达威力范围评估方法，其特征在于：所述步骤一中地波超视距雷达的检测背景基底包括噪声与杂波两部分，表示为环境噪声功率Pn(p,f,t)与杂波功率Pc(p,f,t)之和，即检测背景基底功率Pnc(p,f,t)；当噪声与杂波同时存在时，以信杂噪比SCNR形式表示雷达方程的具体过程为：
检测背景基底功率Pnc(p,f,t)表示为：
Pnc(p,f,t)＝Pn(p,f,t)+Pc(p,f,t)
当噪声与杂波同时存在时，以信杂噪比SCNR形式表示雷达方程：
其中SCNR为距离R处的目标回波信杂噪比，Pt为峰值发射功率，γ为发射信号占空比，Gt为发射天线增益，Dr为接收天线方向性系数，λ为雷达波长，σ为雷达目标散射面积，R为目标距雷达站距离，E(R)为距离R处的场强，D0为标准条件下的标准天线增益，P0为标准条件下的电磁波发射功率，Ω为自由空间特性阻抗，LS为雷达系统损失，Pr(p,f,t)为目标回波功率。
3.根据权利要求2所述基于等效噪声系数的地波超视距雷达威力范围评估方法，其特征在于：所述步骤二中根据步骤一得到的以信杂噪比SCNR形式表示的雷达方程，设定雷达系统信杂噪比检测门限SCNR0，得到地波场强E(R)的表达式为：
4.根据权利要求3所述基于等效噪声系数的地波超视距雷达威力范围评估方法，其特征在于：所述步骤四中用步骤三中得到的环境噪声系数预期值Fa，将步骤一中的检测背景基底功率Pnc(p,f,t)表示为噪声功率
的表达式为：
其中k为波尔兹曼常数，T0为参考绝对温度，B为接收机带宽。
5.根据权利要求4所述基于等效噪声系数的地波超视距雷达威力范围评估方法，其特征在于：所述步骤五中由步骤二得到的地波场强E(R)和步骤四得到的噪声功率
求出地波场强的理论预期值E(R0)的表达式具体为：
6.根据权利要求5所述基于等效噪声系数的地波超视距雷达威力范围评估方法，其特征在于：所述步骤八中由步骤二得到的地波场强E(R)，根据步骤七中得到的噪声杂波功率Pnci，求出地波场强计算值E(Ri′)的表达式具体为：
7.根据权利要求6所述基于等效噪声系数的地波超视距雷达威力范围评估方法，其特征在于：所述步骤十三中由实际环境下的等效噪声系数
根据步骤十二，得到实际噪声系数增量
计算雷达系统实际探测距离减少量ΔR*具体为：
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