CN109581315A - 一种高超声速飞行器雷达隐身性能评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及雷达隐身性能评估技术领域，具体涉及一种高超声速飞行器雷达隐身性能评估方法。本发明方法对于飞行器雷达散射截面面积为σ_RCS，通过雷达方程求解静止状态地面站雷达接收到飞行器回波信号的信噪比SNR_RCS，计算静止状态的雷达探测概率P_d。假定运动状态地面雷达接收到飞行器回波信号的信噪比为SNR_SCS，计算运动状态的雷达探测概率P′_d及击落概率P′_h，求解P′_d·P′_h＝P_d对应的信噪比为SNR_SCS，进一步计算信噪比SNR_SCS对应的隐身散射截面面积σ_SCS，通过隐身散射截面面积σ_SCS的大小来评估飞行器雷达隐身性能的优劣。该评估方法弥补了现有飞行器隐身性能未考虑速度对隐身性能的影响，将有助于总体专业进行飞行器性能评估与设计。

Description

一种高超声速飞行器雷达隐身性能评估方法

技术领域

本发明涉及雷达隐身性能评估技术领域，具体涉及一种高超声速飞行器雷达隐身性能评估方法。

背景技术

雷达隐身技术的根本目的是保护飞行器不被探测雷达发现从而被迫终止任务。传统的雷达隐身性能评估方法大多采用雷达散射截面周向平均值或某些特定方向的雷达散射截面值，然而随着高超声速飞行器的出现，高超声速飞行的物体被雷达探测到，却没有可采取的措施去终止其执行任务。因此，速度已成为一项新的不可忽略的隐身技术，而现有隐身性能评估仅以雷达散射截面为依据，已不能适应高速飞行器的雷达隐身性能的评估。因此，亟待开展针对高速飞行器的雷达隐身性能评估方法研究。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种雷达隐身性能评估方法，解决了现有飞行器雷达隐身评估未考虑速度对隐身性能的影响，且现有技术不适用于高超声速飞行器的问题，具体技术方案如下：

一种高超声速飞行器雷达隐身性能评估方法，设飞行器的雷达散射截面积为σ_RCS，飞行器在静止状态下，地面站雷达探测到飞行器回波信号的信噪比为SNR_RCS，具体包括以下步骤，

步骤S100：给定误警率P_f，则飞行器在静止状态下被探测概率P_d：

其中I₀()为第一类修正贝塞尔函数，u为积分变量；exp()表示指数函数，ln()表示自然对数；

步骤S200：计算飞行器运动状态下，地面站雷达接收到飞行器回波信号的信噪比SNR_SCS，具体为：

设飞行器在运动状态下被探测概率为P′_d：

设在给定的导弹毁伤范围下飞行器被击落的概率为P′_h；

令P′_d·P′_h＝P_d，求解得到信噪比SNR_SCS；

步骤300：计算信噪比为SNR_SCS对应的飞行器雷达隐身散射截面面积σ_SCS：

σ_SCS＝σ_RCS·SNR_SCS/SNR_RCS。

通过隐身散射截面面积σ_SCS的大小来评估飞行器雷达隐身性能的优劣。

优选地，所述步骤200中，给定的导弹毁伤范围为底面半径为r_d、长度为L的圆柱型，则飞行器被击落的概率P′_h为：

其中，x_r，x_v和α为积分变量，R为探测距离，σ_v为雷达频率测量误差导致沿飞行器速度方向的位置偏差，σ_r为雷达时间延迟测量误差导致沿飞行速度方向的位置偏差，σ_θ为飞行器与地面站雷达连线与地平面所成夹角的测量误差，π表示圆周率。

与现有技术相比，采用本发明获得的有益效果：本发明提供的一种高超声速飞行器隐身散射截面面积的计算方法，用于评估高超声速飞行器雷达隐身性能，隐身散射截面面积的相对大小可直接表征隐身性能好坏。该评估方法弥补了现有飞行器隐身性能未考虑速度对隐身性能的影响，无法有效评估高超声速飞行器雷达隐身性能的技术问题，将有助于总体专业进行飞行器性能评估与设计。

附图说明

图1是本发明方法流程图。

图2是基于雷达探测误差的高超声速飞行器击落概率计算方法示意图，其中①表示探测雷达和导弹，笛卡尔坐标系下导弹的速度与位置矢量分别为②表示高超声速飞行器，其笛卡尔坐标系下速度与位置矢量分别为③表示导弹击落高超声速飞行器的位置，导弹和高超声速飞行器分别经过t_hit到达该位置；导弹的毁伤范围为长L、底部半径为r_d的圆柱体区域。雷达探测到距离为R的高超声速飞行器时，其角度误差为σ_θ，由雷达频率测量误差导致沿飞行器速度方向的位置偏差为σ_v，由雷达的时间延迟误差导致沿飞行器速度方向的位置偏差σ_r。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1，本发明提供的一种高超声速飞行器雷达隐身性能评估方法，对于飞行器雷达散射截面面积为σ_RCS，通过雷达方程求解静止状态地面站雷达接收到飞行器回波信号的信噪比SNR_RCS，计算静止状态的雷达探测概率P_d。假定运动状态地面雷达接收到飞行器回波信号的信噪比为SNR_SCS，计算运动状态的雷达探测概率P′_d及击落概率P′_h，求解P′_d·P′_h＝P_d对应的信噪比为SNR_SCS。计算信噪比SNR_SCS对应的隐身散射截面面积σ_SCS，具体包括以下步骤：

如图2所示，假定笛卡尔坐标下下导弹的速度与位置矢量分别为 而飞行器的速度与位置矢量分别为地面雷达发射功率为P_t，地面雷达天线增益为G，地面雷达天线波束宽度为θ，地面雷达脉冲重复频率为f_r，地面雷达距离飞行器距离为R，即探测距离；玻尔兹曼常数为k，环境温度为T，地面雷达接收器带宽为B，噪声衰减因子为F，集总衰减因子为L_s，天线扫描速度为w，光速为c，地面雷达载波频率为f_t，导弹圆柱型毁伤半径为r_d、毁伤长度为L。

步骤S100：对于雷达散射截面面积为σ_RCS的飞行器，依据雷达方程求解静止状态地面雷达接收到飞行器回波信号的信噪比为SNR_RCS。

SNR_RCS＝P_t·G²·c²·σ_RCS·θ·f_r/[(4π)³·R⁴·f_t ²·k·T·B·F·L_s·w] (1)

给定地面雷达误警率P_f，计算飞行器静止状态雷达探测概率P_d。

其中I₀(x)为第一类修正贝塞尔函数，其表达式为：

其中x为函数变量，m取值为0到∞的整数。

S200，假定运动状态地面雷达接收到飞行器回波信号的信噪比为SNR_SCS，计算雷达误警率为P_f，飞行器运动状态的雷达探测概率P′_d。

设笛卡尔坐标下下导弹的速度与位置矢量分别为而飞行器的速度与位置矢量分别为首先判断导弹能否击落飞行器，具体过程如下：

计算判断参数A′、B′、C′，

进一步，计算判断参数D′、E′、F′，

D′＝B^′2-4A′C′ (7)

若判断参数满足以下任一条件，则理论上导弹能够击落高超声速飞行器。否则，弹道不能击落高超声速飞行器。

1)D′≥0，A′>0且F′>0；

2)D′≥0，A′<0且E′>0。

若导弹能够击落飞行器，进一步计算导弹击落飞行器所需时间t_hit。

其中|·|表示矢量的模。对于信噪比为SNR_SCS，地面雷达频率测量误差导致沿飞行器速度方向位置偏差σ_v。

计算地面雷达时间延迟测量误差导致的沿飞行速度方向位置偏差σ_r：

计算飞行器与地面雷达连线与地平面所成夹角的测量误差σ_θ：

对于圆柱型毁伤半径为r_d、毁伤长度为L的导弹，地面雷达距离飞行器距离为R,计算飞行器的击落概率p′_h：

求解P′_d·p′_h＝P_d对应的信噪比SNR_SCS。

步骤S300：计算信噪比为SNR_SCS对应的隐身散射截面面积σ_SCS。

σ_SCS＝σ_RCS·SNR_SCS/SNR_RCS (16)

以下结合具体实施例对本发明提供方法进行详细说明。

实施例1：假定笛卡尔坐标下下导弹的速度与位置矢量分别为而飞行器的速度与位置矢量分别为地面站雷达发射功率P_t＝10⁶w，雷达天线增益G＝3162，雷达天线波束宽度θ＝2°，雷达脉冲重复频率f_r＝250Hz，地面雷达距离飞行器距离R＝5×10⁵m，玻尔兹曼常数k＝1.38·10^-23w·s/K，环境温度T＝290K，地面雷达接收器带宽B＝500kHz，噪声衰减因子F＝2.5119，集总衰减因子L_s＝3.9811，天线扫描速度w＝36deg/s，光速c＝3×10⁸m/s，雷达载波频率f_t＝1.25GHz，导弹圆柱型毁伤半径r_d＝300m,毁伤长度L＝150m。

步骤S100：对于雷达散射截面面积为σ_RCS＝1的飞行器，依据雷达方程求解静止状态地面雷达接收到飞行器回波信号的信噪比为SNR_RCS＝3.2229。

给定地面雷达误警率为P_f＝10^-6，计算飞行器静止状态雷达探测概率P_d＝0.0049。

步骤S200：计算笛卡尔坐标下下导弹的速度与位置矢量分别为而飞行器的速度与位置矢量分别为导弹能够击落飞行器，并计算导弹击落飞行器所需时间t_hit＝417.0142。

对于圆柱型毁伤半径为r_d＝300、毁伤长度为L＝150的导弹，地面雷达距离飞行器距离为R＝5×10⁵，建立含有未知量信噪比SNR_SCS的飞行器击落概率p′_h的表达式。

令P′_d·P′_h＝P_d，求得运动状态地面雷达接收到飞行器回波信号的信噪比SNR_SCS＝8.9241。

步骤S300：计算信噪比为SNR_SCS＝8.9241对应的隐身散射截面面积σ_SCS＝2.7683。

实施例2：假定笛卡尔坐标下下导弹的速度与位置矢量分别为而飞行器的速度与位置矢量分别为雷达发射功率P_t＝10⁶w，雷达天线增益G＝3162，雷达天线波束宽度θ＝2°，雷达脉冲重复频率f_r＝250Hz，地面雷达距离飞行器距离R＝5×10⁵m，玻尔兹曼常数k＝1.38·10^-23w·s/K，环境温度T＝290K，雷达接收器带宽B＝500kHz，噪声衰减因子F＝2.5119，集总衰减因子L_s＝3.9811，天线扫描速度w＝36deg/s，光速c＝3×10⁸m/s，雷达载波频率f_t＝1.25GHz，导弹圆柱型毁伤半径为r_d＝300m,毁伤长度为L＝150m。

步骤S100：对于雷达散射截面面积为σ_RCS＝1的飞行器，依据雷达方程求解静止状态地面雷达接收到飞行器回波信号的信噪比为SNR_RCS＝3.2229。

给定地面雷达误警率为P_f＝10^-6，计算飞行器静止状态雷达探测概率P_d＝0.0049。

步骤S200：计算笛卡尔坐标下下导弹的速度与位置矢量分别为而飞行器的速度与位置矢量分别为导弹能够击落飞行器，并计算导弹击落飞行器所需时间t_hit＝544.0543。

对于圆柱型毁伤半径为r_d＝300、毁伤长度为L＝150的导弹，地面雷达距离飞行器距离为R＝5×10⁵，建立含有未知量信噪比SNR_SCS的飞行器击落概率p′_h的表达式。

令P′_d·P′_h＝P_d，求得运动状态地面雷达接收到飞行器回波信号的信噪比SNR_SCS＝9.3468。

步骤S300：计算信噪比为SNR_SCS＝9.3468对应的隐身散射截面面积σ_SCS＝2.8994。

实施例3：假定笛卡尔坐标下下导弹的速度与位置矢量分别为而飞行器的速度与位置矢量分别为雷达发射功率P_t＝10⁶w，雷达天线增益G＝3162，雷达天线波束宽度θ＝2°，雷达脉冲重复频率f_r＝250Hz，地面雷达距离飞行器距离R＝5×10⁵m，玻尔兹曼常数k＝1.38·10^-23w·s/K，环境温度T＝290K，雷达接收器带宽B＝500kHz，噪声衰减因子F＝2.5119，集总衰减因子L_s＝3.9811，天线扫描速度w＝36deg/s，光速c＝3×10⁸m/s，雷达载波频率f_t＝1.25GHz，导弹圆柱型毁伤半径为r_d＝300m,毁伤长度为L＝150m。

步骤S100：对于雷达散射截面面积为σ_RCS＝1的飞行器，依据雷达方程求解静止状态地面雷达接收到飞行器回波信号的信噪比为SNR_RCS＝3.2229。

给定地面雷达误警率为P_f＝10^-6，计算飞行器静止状态雷达探测概率P_d＝0.0049。

步骤S200：计算笛卡尔坐标下下导弹的速度与位置矢量分别为而飞行器的速度与位置矢量分别为导弹能够击落飞行器，并计算导弹击落飞行器所需时间t_hit＝2340.4。

对于圆柱型毁伤半径为r_d＝300、毁伤长度为L＝150的导弹，地面雷达距离飞行器距离为R＝5×10⁵，建立含有未知量信噪比SNR_SCS的飞行器击落概率p′_h的表达式。

令P′_d·P′_h＝P_d，求得运动状态地面雷达接收到飞行器回波信号的信噪比SNR_SCS＝11.7807。

步骤S300：计算信噪比为SNR_SCS＝11.7807对应的隐身散射截面面积σ_SCS＝3.6544。

隐身散射截面面积的相对大小可直接表征隐身性能好坏，本发明方法弥补了现有飞行器隐身性能未考虑速度对隐身性能的影响，有助于总体专业进行飞行器性能评估与设计。

本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的，本发明并不限于所公开的实施例。

Claims (2)

1.一种高超声速飞行器雷达隐身性能评估方法，设飞行器的雷达散射截面面积为σ_RCS，飞行器在静止状态下，地面站雷达探测到飞行器回波信号的信噪比为SNR_RCS，其特征在于，所述飞行器雷达隐身性能评估方法包括以下步骤，

步骤S100：给定误警率P_f，计算飞行器在静止状态下被探测概率P_d：

其中I₀()为第一类修正贝塞尔函数，u为积分变量；

步骤S200：计算在飞行器运动状态下，地面站雷达接收到飞行器回波信号的信噪比SNR_SCS，具体为：

设飞行器在运动状态下被探测概率为P′_d，则有

设在给定的导弹毁伤范围下，飞行器被击落的概率为P′_h；

令P′_d·′_h＝_d，求解得到信噪比SNR_SCS；

步骤300：计算信噪比为SNR_SCS对应的飞行器雷达隐身散射截面面积σ_SCS：

σ_SCS＝σ_RCS·SNR_SCS/SNR_RCS。

2.如权利要求1所述的一种高超声速飞行器雷达隐身性能评估方法，其特征在于：所述步骤200中，给定的导弹毁伤范围为底面半径为r_d、长度为L的圆柱型，则飞行器被击落的概率P′_h的表达式为：

其中，x_r，x_v和α均表示积分变量，R为探测距离，σ_v为雷达频率测量误差导致沿飞行器速度方向的位置偏差，σ_r为雷达时间延迟测量误差导致沿飞行速度方向的位置偏差，σ_θ为飞行器与地面站雷达连线与地平面所成夹角的测量误差。