CN110261835A - 基于探测效率最大化的机载雷达协同探测工作方法 - Google Patents

基于探测效率最大化的机载雷达协同探测工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于探测效率最大化的机载雷达协同探测工作方法，包括以下步骤：确定多部机载雷达，每部机载雷达检测覆盖区域内的杂波散射体波束时，通过雷达方程求得杂波散射体波束所对应的积累时间；计算杂波散射体波束所对应的半功率波束宽度；根据半功率波束宽度，计算杂波散射体波束对应的圆心角，通过圆心角计算弧长；通过弧长和积累时间，计算每部机载雷达检测杂波散射体波束的探测效率；将探测效率中的最大值对应的雷达的工作方式作为协同探测工作的雷达的工作方式。该工作方法能够在多部雷达在空域协同工作时，充分发挥每部雷达的潜力，使整个系统的探测性能更好，在保持探测距离不变的基础上提高了数据率。

Description

基于探测效率最大化的机载雷达协同探测工作方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，具体涉及基于探测效率最大化的机载雷达协同探测工作方法，适用于多部机载雷达协同探测时充分发挥每部雷达的潜力，提高整个系统的探测性能。
背景技术
机载预警雷达对敌方的探测距离能达到数百公里且能灵活部署，已成为现代战场不可或缺的一种重要装备，也是敌方首批打击对象。大型预警机造价昂贵，难以大批量生产，一旦被敌方摧毁，往往会使军队立刻丧失远程警戒能力，且其覆盖区域多为圆形，有时不能适应复杂的作战环境。因此，采用若干架中小型预警机协同工作代替大型预警机具有一系列好处，且协同探测的效果与协同工作的方式密切相关。
2000年，美国国防预先研究计划局(DARPA)借助蚂蚁信息素交互行为，开展过无人机集群的空战仿真研究。2004年，美国进行了名为“前瞻”的军事演习，试验了“影子”、“捕食者”和“扫描鹰”三种无人机的协同探测能力。同年，波音公司完成了“联合无人空中作战系统”计划的试飞实验，该实验实现了有人驾驶的T-33教练机与无人机的协同飞行并进行了相互通信。2012年，法国成功研制了“神经元”无人机，并在2014年与阵风战斗机和猎鹰公务机实现了有人/无人机协同编队飞行。2015年，美国海军公布了低成本无人机集群技术项目进行的一系列集群无人机技术验证工作。2016年，美国DARPA的进攻性集群使能战术项目，开发并演示验证100多个作战相关的集群战术，应用于无人机和地面无人车辆集群。
现有的多部雷达在空域协同工作时，不能充分发挥每部雷达的潜力，探测效率偏低，无法满足实际应用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于探测效率最大化的机载雷达协同探测工作方法，该工作方法能够在多部雷达在空域协同工作时，充分发挥每部雷达的潜力，使整个系统的探测性能更好，在保持探测距离不变的基础上提高了数据率。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种基于探测效率最大化的机载雷达协同探测工作方法，包括以下步骤：
步骤1，确定多部机载雷达，每部所述机载雷达检测覆盖区域内的杂波散射体波束p时，通过雷达方程求得杂波散射体波束p所对应的积累时间△tp；
步骤2，计算杂波散射体波束p所对应的半功率波束宽度θ0.7,3dB；
步骤3，根据所述半功率波束宽度θ0.7,3dB，计算杂波散射体波束p对应的圆心角θ0，通过所述圆心角θ0计算弧长△sp；
步骤4，通过所述弧长△sp和所述积累时间△tp，计算每部所述机载雷达检测杂波散射体波束p的探测效率η(p)；将探测效率η(p)中的最大值对应的雷达的工作方式作为协同探测工作的雷达k(p)的工作方式。
优选的，步骤1中，设置多部机载雷达中的两部雷达分别为雷达T/R1、雷达T/R2；其中，雷达T/R1接收雷达T/R1发射信号反射的回波表示为T1R1，雷达T/R2接收雷达T/R2发射信号反射的回波表示为T2R2；雷达T/R1发射信号、雷达T/R2接收信号表示为T1R2，雷达T/R2发射信号、雷达T/R1接收信号表示为T2R1。
优选的，步骤1中，所述雷达方程为：
其中，Bn为多普勒带宽，k为波尔兹曼常数，T0为等效噪声温度，R为雷达的作用距离，Fn为接收机噪声系数，Ls为系统损耗，D0为可检测因子，Pav为雷达发射平均功率，Gt和Gr分别为天线发射增益和天线接收增益，σt为目标的雷达散射截面积，λ为波长。
优选的，步骤2中，所述半功率波束宽度θ0.7,3dB的表达式为：
其中，N为天线阵元个数，d为天线阵元间距，θB为波束中心偏转阵面法向的角度。
优选的，步骤3具体包含以下子步骤：
子步骤3.1，根据半功率波束宽度θ0.7,3dB，求得杂波散射体波束p与覆盖区域交点，将交点与探测区域圆心连线，计算杂波散射体波束p对应的圆心角θ0；
子步骤3.2，弧长△sp的表达式为：
△sp＝θ0·R0
其中，R0为探测区域半径。
优选的，步骤4中，所述探测效率η(p)的表达式为：
η(p)＝max[ηT1R1(p),ηT2R2(p),ηT1R2(p)，ηT2R1(p)]
其中，ηT1R1(p)表示雷达T/R1自发自收时的探测效率，ηT2R2(p)表示雷达T/R2自发自收时的探测效率，ηT1R2(p)表示雷达T/R1发射、雷达T/R2接收的探测效率，ηT2R1(p)表示雷达T/R2发射、雷达T/R1接收的探测效率；
优选的，步骤4中，所述k(p)的表达式为：k(p)＝{T/R1，T/R2}。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的基于探测效率最大化的机载雷达协同探测工作方法，能够在多部雷达在空域协同工作时，充分发挥每部雷达的潜力，探测区域内各点处的探测效率都是最大的，使整个系统的探测性能更好，如在探测距离不变的情况下提高数据率或在数据率不变的情况下提高探测距离。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1为基于探测效率最大化的机载雷达协同探测工作方法的流程图；
图2为机载雷达协同探测示意图；
图3为雷达在多种工作方式下的探测效率图；其中，横坐标为时间，纵坐标为探测效率；图3(a)为雷达T/R1工作在自发自收方式下的探测效率图；图3(b)为雷达T/R2工作在自发自收方式下的探测效率图；图3(c)为雷达T/R1工作在自发他收方式下的探测效率图；图3(d)为雷达T/R2工作在自发他收方式下的探测效率图；
图4为雷达协同探测范围内各点的工作方式情况，其中横坐标、纵坐标分别为距离。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
一种基于探测效率最大化的机载雷达协同探测工作方法，包括以下步骤：
步骤1，确定多部机载雷达，机载雷达的检测范围内存在杂波散射体p，设置多部机载雷达中的两部雷达分别为雷达T/R1、雷达T/R2；其中，雷达T/R1接收雷达T/R1发射信号反射的回波表示为T1R1，雷达T/R2接收雷达T/R2发射信号反射的回波表示为T2R2；雷达T/R1发射信号、雷达T/R2接收信号表示为T1R2，雷达T/R2发射信号、雷达T/R1接收信号表示为T2R1。
图2为机载雷达协同探测示意图，将探测区域近似为一个圆形区域。两部雷达T/R1、T/R2分别位于探测区域内任意位置，天线阵面为三面阵。
雷达T/R1检测覆盖区域内任意一杂波散射体p时，通过雷达方程求得杂波散射体波束p所对应的积累时间△tp，其中雷达方程为：
其中，Bn为多普勒带宽，k为波尔兹曼常数；T0为等效噪声温度；R为雷达的作用距离；Fn为接收机噪声系数；Ls为系统损耗；D0为可检测因子；Pav为雷达发射平均功率；Gt和Gr分别为天线发射增益和天线接收增益；σt为目标的雷达散射截面积；λ为波长。
步骤2，计算杂波散射体波束p所对应的半功率波束宽度θ0.7,3dB，表达式为：
其中，N为天线阵元个数，d为天线阵元间距，θB为波束中心偏转阵面法向的角度。
步骤3，根据半功率波束宽度θ0.7,3dB，求得杂波散射体波束p与覆盖区域交点，将交点与探测区域圆心连线，计算杂波散射体波束p对应的圆心角θ0；
通过所述圆心角θ0计算弧长△sp，表达式为：
△sp＝θ0·R0
其中，R0为探测区域半径。
步骤4，通过所述弧长△sp和所述积累时间△tp，计算每部所述机载雷达检测杂波散射体波束p的探测效率η(p)；将探测效率η(p)中的最大值对应的雷达的工作方式作为协同探测工作的雷达k(p)的工作方式。
其中，探测效率η(p)的表达式为：
η(p)＝max[ηT1R1(p),ηT2R2(p),ηT1R2(p)，ηT2R1(p)]
其中，ηT1R1(p)表示雷达T/R1自发自收时的探测效率，ηT2R2(p)表示雷达T/R2自发自收时的探测效率，ηT1R2(p)表示雷达T/R1发射、雷达T/R2接收的探测效率，ηT2R1(p)表示雷达T/R2发射、雷达T/R1接收的探测效率。
k(p)的表达式为：k(p)＝{T/R1，T/R2}。
通过以下仿真实验对本发明效果作进一步验证说明。
1)仿真条件
为了验证本发明方法的准确性，通过仿真实验予以证明；仿真实验参数如表1所示：
表1仿真实验参数
2)仿真结果及分析
图3为雷达在多种工作方式下的探测效率图；其中，图3(a)为雷达T/R1工作在自发自收方式下的探测效率图；图3(b)为雷达T/R2工作在自发自收方式下的探测效率图；图3(c)为雷达T/R1工作在自发他收方式下的探测效率图；图3(d)为雷达T/R2工作在自发他收方式下的探测效率图。
由图3可知，对应于每一个方向，都可将不同雷达不同工作方式的探测效率进行对比，从而通过最高探测效率确定雷达和工作方式。
图4为雷达协同探测范围内各点的工作方式情况，其中横、纵坐标都为距离。
由图4可知，左侧部分的工作方式对应着雷达T/R1的自发自收方式，右侧部分的工作方式对应着雷达T/R2的自发自收方式；出现这种现象是因为在这部分探测区域，雷达工作在自发自收方式下的探测距离的四次方小于雷达工作在自发他收方式下的收发探测距离乘积的平方，波束对应的积累时间短，探测效率高。两部雷达位置对称，工作时间相同，实现了探测区域范围内探测效率最大的目标。
综上所述，仿真实验验证了本发明的正确性，有效性和可靠性。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于探测效率最大化的机载雷达协同探测工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，确定多部机载雷达，每部所述机载雷达检测覆盖区域内的杂波散射体波束p时，通过雷达方程求得杂波散射体波束p所对应的积累时间△tp；
步骤2，计算杂波散射体波束p所对应的半功率波束宽度θ0.7,3dB；
步骤3，根据所述半功率波束宽度θ0.7,3dB，计算杂波散射体波束p对应的圆心角θ0，通过所述圆心角θ0计算弧长△sp；
步骤4，通过所述弧长△sp和所述积累时间△tp，计算每部所述机载雷达检测杂波散射体波束p的探测效率η(p)；将探测效率η(p)中的最大值对应的雷达的工作方式作为协同探测工作的雷达k(p)的工作方式。
2.根据权利要求1所述的基于探测效率最大化的机载雷达协同探测工作方法，其特征在于，步骤1中，设置多部机载雷达中的两部雷达分别为雷达T/R1、雷达T/R2；其中，雷达T/R1接收雷达T/R1发射信号反射的回波表示为T1R1，雷达T/R2接收雷达T/R2发射信号反射的回波表示为T2R2；雷达T/R1发射信号、雷达T/R2接收信号表示为T1R2，雷达T/R2发射信号、雷达T/R1接收信号表示为T2R1。
3.根据权利要求2所述的基于探测效率最大化的机载雷达协同探测工作方法，其特征在于，步骤1中，所述雷达方程为：
其中，Bn为多普勒带宽，k为波尔兹曼常数，T0为等效噪声温度，R为雷达的作用距离，Fn为接收机噪声系数，Ls为系统损耗，D0为可检测因子，Pav为雷达发射平均功率，Gt和Gr分别为天线发射增益和天线接收增益，σt为目标的雷达散射截面积，λ为波长。
4.根据权利要求1所述的基于探测效率最大化的机载雷达协同探测工作方法，其特征在于，步骤2中，所述半功率波束宽度θ0.7,3dB的表达式为：
其中，λ为波长，N为天线阵元个数，d为天线阵元间距，θB为波束中心偏转阵面法向的角度。
5.根据权利要求1所述的基于探测效率最大化的机载雷达协同探测工作方法，其特征在于，步骤3具体包含以下子步骤：
子步骤3.1，根据半功率波束宽度θ0.7,3dB，求得杂波散射体波束p与覆盖区域交点，将交点与探测区域圆心连线，计算杂波散射体波束p对应的圆心角θ0；
子步骤3.2，弧长△sp的表达式为：
△sp＝θ0·R0
其中，R0为探测区域半径。
6.根据权利要求1所述的基于探测效率最大化的机载雷达协同探测工作方法，其特征在于，步骤4中，所述探测效率η(p)的表达式为：
η(p)＝max[ηT1R1(p),ηT2R2(p),ηT1R2(p)，ηT2R1(p)]
其中，ηT1R1(p)表示雷达T/R1自发自收时的探测效率，ηT2R2(p)表示雷达T/R2自发自收时的探测效率，ηT1R2(p)表示雷达T/R1发射、雷达T/R2接收的探测效率，ηT2R1(p)表示雷达T/R2发射、雷达T/R1接收的探测效率。
7.根据权利要求1所述的基于探测效率最大化的机载雷达协同探测工作方法，其特征在于，步骤4中，所述k(p)的表达式为：k(p)＝{T/R1，T/R2}。
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