CN109001704B - 一种用于海面低角雷达的目标回波信号计算方法 - Google Patents

一种用于海面低角雷达的目标回波信号计算方法 Download PDF

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Abstract

一种用于海面低角雷达的目标回波信号计算方法，通过特定的计算方法，计算出一次反射线和二次反射线的相位差，从而得到总相位差，能够将相位差和射线方向性纳入到目标回波信号的计算公式中；通过虚设主波束场强方向图函数，进一步解得法化于直射场的总场强，从而优解了雷达接收的目标信号。

Description

一种用于海面低角雷达的目标回波信号计算方法
技术领域
本发明涉及一种目标回波信号计算方法，特别是一种用于海面低角雷达的目标回波信号计算方法。
背景技术
在自由空间中，雷达波到达目标只有一条射线，即直射线；但在海平面上，雷达与目标之间除了直射线外，还有海面反射线，如附图1所示。在低角掠式投射时，天线在直射线方向和反射线方向的方向性几乎是相同的，目标的反射RCS也几乎是不变的，所以反射线与直射线的场强度可以比拟，在这两条射线的强干涉之下，接收场呈现随距离变化的强烈起伏。
雷达接收的直射波和反射波都可以按公式
Figure BDA0001707756760000011
计算，但该式是功率值，而直射波与反射波的叠加应该为场的矢量和，即直射波，一次反射波，二次反射波三者的矢量和，要计入三者的相位差(以直射波为参考)，其中要包括天线在各个射线方向的方向性。而现有技术没有一种能够将相位差和射线方向性统一进来纳入公式的算法，难以满足目标信号回波信号计算精准的要求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种用于海面低角雷达的目标回波信号计算方法，能够将相位差和射线方向性统一进来纳入公式进行计算，从而满足目标信号回波信号计算精准的要求。
本发明的技术方案是：
一种用于海面低角雷达的目标回波信号计算方法，包括以下步骤：
第一步，分别计算反射波中一次反射线和二次反射线的相位差；
第二步，计算总相位差，总相位差为垂直反射线系数相位差与水平反射线系数相位差分别加上路程相位差；
第三步，先假设雷达天线的主波束场强方向图函数，再将天线方向图半功率宽度的计算公式代入，从而计算出法化于直射场的总场强公式；
第四步，由公式计算得出直射线方向的入射角及反射线方向的反射角，并将其代入法化于直射场的总场强公式中，得到法化于直射场的总场强；
第五步，将法化于直射场的总场强代入到雷达接收信号功率计算公式中，得到雷达接收的目标信号计算公式。
进一步地，所述天线方向图半功率宽度的计算公式代入到假设的雷达天线的主波束场强方向图函数中，将雷达天线的主波束场强方向图函数定义成sincθ函数。
进一步地，所述天线方向图半功率宽度公式中天线方向图半功率宽度值为已知。
进一步地，所述直射线方向的入射角及反射线方向的反射角为天线轴指向θ＝0的方向时，计算得出。
进一步地，所述目标信号计算公式中包括常数量和递增量，其中，雷达与目标之间的距离为递增量，其他都是常数量；雷达与目标之间的距离增量为0.1km。
进一步地，所述雷达天线的主波束场强方向函数假设为
Figure BDA0001707756760000021
进一步地，所述法化于直射场的总场强公式为：
Figure BDA0001707756760000022
进一步地，所述雷达接收信号功率计算公式为：
Figure BDA0001707756760000023
本发明的有益效果：本发明通过特定的计算方法，计算出一次反射线和二次反射线的相位差，从而得到总相位差，能够将相位差和射线方向性纳入到目标回波信号的计算公式中；通过虚设主波束场强方向图函数，进一步解得法化于直射场的总场强，从而优解了雷达接收的目标信号。
附图说明
图1是海平面反射线示意图；
图2是海平面反射场计算示意图。
图1中，PQP代表直射线，PCQP,PQCP代表一次反射线，PCQCP代表二次反射线。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例
一、海面雷达波射线的基本原理：
在自由空间中，雷达波到达目标只有一条射线，即直射线，雷达接收信号功率是：
Figure BDA0001707756760000024
其中：Pt——发射功率(w)
Gt(θ),Gr(θ)——发射、接受天线增益，θ为到达目标指向角
λ——发射信号的波长(m)
σt——目标RCS(m2)
d——目标距离(m)
L(d)——与距离有关的大气衰减，并与目标的高低角有关
但在海平面上，雷达与目标之间除了直射线外，还有海面反射线，附图1所示。
在低角掠式投射时，天线在直射线方向和反射线方向的方向性几乎是相同的，目标的反射RCS也几乎是不变的，所以一次反射线和二次反射线与直射线的场强度可以比拟，在这两条射线的强干涉之下，接收场呈现随距离变化的强烈起伏。
二、反射场的计算公式：
雷达与目标之间距离几十公里以上，尽管这个距离对地心夹角在1度以下，但是地球曲率的影响已经很显著了。此时要引入视线距离的概念，和水平线以上的天线和目标高度的概念。由于大气折射率不均匀，有折射率梯度dN/dh，射线略有弯曲。为简化计算，定义了地球的等效半径，射线仍然按直线计算。
地球的等效半径为：
Re＝kR (2)
R为地球的真实半径，
R＝6371km (3)
Figure BDA0001707756760000031
dN/dh是负值，标准情况下：dN/dh＝-39(N单位/km)。此时k＝4/3，Re＝8490km。
如附图2所示，雷达天线高度为h1，目标高度为h2，球面反射点为C，雷达离反射点距离d1，目标与反射点距离d2，雷达与目标之间的距离d＝d1+d2，可以算出在切平面以上的雷达高度为：
Figure BDA0001707756760000032
切平面以上目标高度为：
Figure BDA0001707756760000033
直射线PQ长度为
Figure BDA0001707756760000041
反射线PCQ的长度为
Figure BDA0001707756760000042
直射线俯角(设h1>h2)为
θd＝arctan[(ah1-ah2)/d] (9)
反射线俯角为
θd＝arctan[(ah1+ah2)/d] (10)
在图2中有：θ1＝θ2＝θr。
三、本发明的具体步骤：
第一步，分别计算反射波中一次反射线和二次反射线的相位差；
由路程差引起的相位差由式(7)(8)计算得到。对一次反射线，滞后相位为
Figure BDA0001707756760000043
二次反射相位差为
Figure BDA0001707756760000044
第二步，计算总相位差，总相位差为垂直反射线系数相位差与水平反射线系数相位差分别加上路程相位差；
总相位差为反射系数相位差angleV，angleH加上路程相位差，对一次反射线：
Figure BDA0001707756760000045
Figure BDA0001707756760000046
对二次反射线则是
Figure BDA0001707756760000047
和
Figure BDA0001707756760000048
第三步，先假设雷达天线的主波束场强方向图函数，再将天线方向图半功率宽度的计算公式代入，从而计算出法化于直射场的总场强公式；
计算各射线的幅度要计及天线的方向性，虽然在低掠射角的情况下，天线在入射线和反射线的方向性差别是很小的。我们假设天线的主波束场强方向图函数是
Figure BDA0001707756760000049
Figure BDA0001707756760000051
这里D是个虚设值，用方向图半功率宽度取代，如果天线方向图半功率宽度BeamWidth值已知，令：
Figure BDA0001707756760000052
则：
Figure BDA0001707756760000053
在程序中式(12)定义成sincθ函数。
这样就可以计算出法化于直射场的总场强。
第四步，由公式计算得出直射线方向的入射角及反射线方向的反射角，并将其代入法化于直射场的总场强公式中，得到法化于直射场的总场强；
设天线轴向指向θ＝0的方向，由式(9)(10)算出直射线方向θd，反射线方向θr，法化于直射场的总场强：
Figure BDA0001707756760000054
其中第二项是一次反射场，第三项是二次反射场。
第五步，所述直射线方向的入射角及反射线方向的反射角为天线轴指向θ＝0的方向时，计算得出；
法化于直射场的功率值是式(16)绝对值的平方。注意到式(1)中有关方向性的是发射和接收两个增益因子的乘积，相当于式(16)绝对值的四次方。因此雷达接收的目标信号为
Figure BDA0001707756760000055
在程序中，Pt,Gt,Gr,λ,σt,d都是输入量，还有h1,h2,BeamWidth也是输入量，其中除d外，其他都是常数量。d是递增量，增量为0.1km，所计算的是飞机等高度由近及远飞行的信号变化值。注意递增的间隔数M设定要与d的最大距离(distance以km计)相配合。程序中未计算大气衰减L(d)。雷达与目标距离在200km以内，L(d)大致在-2dB以内。

Claims (8)

1.一种用于海面低角雷达的目标回波信号计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，分别计算反射波中一次反射线和二次反射线的相位差；
第二步，计算总相位差，总相位差为垂直反射线系数相位差与水平反射线系数相位差分别加上路程相位差；
第三步，先假设雷达天线的主波束场强方向图函数，再将天线方向图半功率宽度的计算公式代入，从而计算出法化于直射场的总场强公式；
第四步，由公式计算得出直射线方向的入射角及反射线方向的反射角，并将其代入法化于直射场的总场强公式中，得到法化于直射场的总场强；
第五步，将法化于直射场的总场强代入到雷达接收信号功率计算公式中，得到雷达接收的目标信号计算公式。
2.如权利要求1所述的用于海面低角雷达的目标回波信号计算方法，其特征在于：所述天线方向图半功率宽度的计算公式代入到假设的雷达天线的主波束场强方向图函数中，将雷达天线的主波束场强方向图函数定义成sincθ函数，θ为到达目标指向角。
3.如权利要求1或2所述的用于海面低角雷达的目标回波信号计算方法，其特征在于：所述天线方向图半功率宽度公式中天线方向图半功率宽度值为已知。
4.如权利要求1或2所述的用于海面低角雷达的目标回波信号计算方法，其特征在于：所述直射线方向的入射角及反射线方向的反射角为天线轴指向θ＝0的方向时，计算得出。
5.如权利要求1或2所述的用于海面低角雷达的目标回波信号计算方法，其特征在于：所述目标信号计算公式中包括常数量和递增量，其中，雷达与目标之间的距离为递增量，其他都是常数量；雷达与目标之间的距离增量为0.1km。
6.如权利要求1所述的用于海面低角雷达的目标回波信号计算方法，其特征在于：所述雷达天线的主波束场强方向图函数假设为：
Figure 284476DEST_PATH_IMAGE001
；
其中θ为到达目标指向角；λ是发射信号的波长；D是个虚设值，用方向图半功率宽度取代。
7.如权利要求1所述的用于海面低角雷达的目标回波信号计算方法，其特征在于：所述法化于直射场的总场强公式为：
Figure 792687DEST_PATH_IMAGE002
；
其中θd为直射线俯角；θr为反射线俯角。
8.如权利要求1或2所述的用于海面低角雷达的目标回波信号计算方法，其特征在于：所述雷达接收信号功率计算公式为：
Figure 64792DEST_PATH_IMAGE003
；
其中P t为发射功率；G t (θ)与G r (θ)分别是发射、接受天线增益；θ为到达目标指向角；λ为发射信号的波长；σ t为目标RCS；d是目标距离；L(d)为与距离有关的大气衰减，并与目标的高低角有关。
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