CN111639427A - 提高空间目标发现概率的雷达双层交错搜索屏设置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了提高空间目标发现概率的雷达双层交错搜索屏设置方法，能够在双层交错波位搜索屏的基础上进一步优化了波位重叠和搜索屏张角等参数，有效提高对空间目标的搜索发现概率。雷达双层交错搜索屏包括上下两层波位，设置两层波位之间的张角大小为η，设置相邻波位之间重叠比例为q，同时，令上下两层波位在横向错开(1‑q)θ角度，θ为雷达半波束宽度。波位排列顺序为第一层从波位1至波位N依次照射，然后从第二层波位N+1至波位2N依次照射，N为搜索屏的单层波位数。采用目标穿屏捕获概率作为优化的目标函数P(q,η)，针对重叠率q与搜索屏张角η参数的联合优化，获得重叠率q与搜索屏张角η参数的优化结果，以优化结果对雷达双层交错搜索屏进行优化设置。

Description

提高空间目标发现概率的雷达双层交错搜索屏设置方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，具体涉及提高空间目标发现概率的雷达双层交错搜索屏设置方法。

背景技术

在距离地球几百到几千公里的太空中分布着各种空间目标，包括人造卫星、陨石、火箭残骸和航天器碎片等等，空间目标数量庞大，据统计5cm以上的空间碎片数量已超过20000个，且每年仍以约5％的速度在增长，对人类航天活动和在轨航天器安全构成了严重的威胁。因此，对近地空间的太空目标进行编目管理显得越发迫切。

相控阵雷达因为具备很强的电扫搜索能力，是各国进行空间目标编目管理的重要探测设备。在执行任务时，雷达通常会采用设置搜索屏的方式对未知目标进行搜索发现，此模式下，雷达波束沿着特定轨迹快速往复扫描，形成覆盖较宽范围的波束屏障，当空间目标穿过搜索屏时，就会被雷达波束照射并形成回波，从而实现对目标的发现捕获。

搜索屏波位编排是雷达搜索工作方式设计的主要内容，常用的波位编排方式有单层搜索屏和多层搜索屏，其中多层搜索屏又分为纵列式和交错式等几种，目前，雷达工程师在设计时，主要是针对覆盖率和波位数量进行优化，这种优化对于提高目标发现概率起到一定作用，但并不能直接达到提高目标搜索发现概率的目的。

因此目前亟需一种能够提高对空间目标搜索发现概率的雷达搜索屏设置及优化方案。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种针对空间目标的双层交错搜索屏设置方法，能够设置雷达双层交错搜索屏，并在此基础上进一步优化了波位重叠和搜索屏张角等参数，能够有效提高对空间目标的搜索发现概率。

为达到上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

设置双层交错搜索屏，包括上下两层波位，设置两层波位之间的张角大小为η，设置相邻波位之间重叠比例为q，同时，令上下两层波位在横向错开(1-q)θ角度，θ为雷达半波束宽度。波位排列顺序为第一层从波位1至波位N依次照射，然后从第二层波位N+1至波位2N依次照射，N为搜索屏的单层波位数。q为重叠比例。

构建雷达的阵面直角坐标系xyz，其中x-y轴平面为阵面，x轴与地面平行，y轴沿阵面向上，z轴为阵面的法线方向；定义波位指向在y-z平面上的投影与z轴的夹角为横向偏角α，在z-x平面上的投影与z轴的夹角为纵向偏角β。

在阵面直角坐标系中，确定搜索屏对横向偏角α的覆盖范围α_min≤α≤a_max，并计算搜索屏的单层波位数

根据搜索屏所需仰角El和阵面倾角γ，确定搜索屏平面相对阵面法线的纵向偏角β_c＝El-γ。

第i个波位的中心位置为(α_i,β_i),i＝1,2,3,…,2N，照射时刻为t_i，其中α_i和β_i分别为第i个波位的指向在阵面直角坐标系中的横向偏角和纵向偏角：

其中搜索屏覆盖的区域关于α的边界为α_min≤α≤α_max和关于β的边界为β_min≤β≤β_max，其中β_min＝β_c-η/2-θ，β_max＝β_c+η/2+θ。

采用目标穿屏捕获概率作为优化的目标函数P(q,η)，针对重叠率q与搜索屏张角η参数的联合优化，获得重叠率q与搜索屏张角η参数的优化结果q₀和η₀，以q₀和η₀对雷达双层交错搜索屏进行优化设置。

其中

其中，p为单个波束照射情况下对目标的发现概率；T_p为搜索屏一个扫描周期的时间，τ为搜索屏扫描时刻，τ∈[0,T_p]。

以t为目标穿越搜索屏区域的时刻值；则t＝0时刻，目标从α处穿屏，此时搜索屏处于一个扫描周期中的τ/T_p的状态，k(τ,α,q,η)表示目标穿越搜索屏区域整个过程中被雷达波束照射的次数。

M表示目标穿屏过程中搜索屏共扫描的周期数，取值为

其中ω为目标最大的穿屏角速度，可根据空间目标轨道高度计算获得；

表示第i个波束的中心指向偏离目标的角度；

进一步地，采用目标穿屏捕获概率作为优化的目标函数P(q,η)，针对重叠率q与搜索屏张角η参数的联合优化，获得重叠率q与搜索屏张角η参数的优化结果q'和η'，具体为：

Step1.设定迭代次数n，n初值为0；对q和η分别选取初值q₀和η₀，设定收敛门限ε。

Step2.令n自增1，固定重叠率为q_n-1，通过对搜索屏张角η按照设定的张角步长进行增加，计算对应的目标函数值P(q_n-1,η)，当P(q_n-1,η)达到局部最大值时，取此时的搜索屏张角为η_n。

Step3.固定屏张角为η_n，通过对重叠率q按照设定的重叠率步长进行增加，计算对应的目标函数值P(q,η_n)，当P(q,η)_n达到局部最大值P_n时，取此时的重叠率为q_n。

Step4.重复Step2～Step3，当|P_n-P_n-1|≤ε时，迭代结束，此时的搜索屏张角η_n和重叠率为q_n作为优化结果q'和η'。

初值q₀和η₀，收敛门限ε、张角步长以及重叠率步长均依经验设定。

有益效果：

本发明所提供的搜索屏设置方法，相比传统的搜索屏，充分利用了波位之间的重叠、交错以及张角，设置雷达双层交错搜索屏，并在此基础上，以目标穿屏捕获概率作为优化目标函数进一步对波位重叠和搜索屏张角两个参数进行优化，有效提高雷达搜索屏对空间目标的搜索发现概率，实现了对空间目标搜索发现概率的定量优化。该方法具备较强的可操作性，可以应用于空间目标监视任务，提高雷达对目标的搜索能力。

附图说明

图1为本发明实施例提供的提高空间目标发现概率的雷达双层交错搜索屏设置方法流程图；

图2为本发明实施例中搜索屏波位编排示意图；

图3为本发明的搜索屏设置方法优化前与优化后的效果比较图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明实施例提供了提高空间目标发现概率的雷达双层交错搜索屏设置方法，其流程如图1所示，包括如下步骤：

第一步、设置雷达双层交错搜索屏。

本发明实施例中设置的雷达双层交错搜索屏包括上下两层波位，设置两层波位之间的张角大小为η，设置相邻波位之间重叠比例为q，同时，令上下两层波位在横向错开(1-q)θ角度，θ为雷达半波束宽度。波位排列顺序为第一层从波位1至波位N依次照射，然后从第二层波位N+1至波位2N依次照射，N为搜索屏的单层波位数。q为重叠比例。本发明实施例中搜索屏波位编排如图2所示。

首先，确定雷达和搜索屏的基本参数：

构建雷达的阵面直角坐标系xyz，其中x-y轴平面为阵面，x轴与地面平行，y轴沿阵面向上，z轴为阵面的法线方向；定义波位指向在y-z平面上的投影与z轴的夹角为横向偏角α，在z-x平面上的投影与z轴的夹角为纵向偏角β。

在阵面直角坐标系中，确定搜索屏相对阵面法线的横向偏角α的扫描范围α_min≤α≤a_max，并计算搜索屏的单层波位数

根据搜索屏所需仰角El和阵面倾角γ，确定搜索屏中心相对阵面法线的纵向偏角β_c＝El-γ。

第i个波位的中心位置为(α_i,β_i),i＝1,2,3,…,2N，照射时刻为t_i，其中α_i和β_i分别为第i个波位的指向在阵面直角坐标系中的横向偏角和纵向偏角：

其中搜索屏覆盖的区域在α处的边界为α_min≤α≤α_max和在β处的边界为β_min≤β≤β_max，其中β_min＝β_c-η/2-θ，β_max＝β_c+η/2+θ。

然后，确定目标的参数：

①、确定目标最大的穿屏角速度ω，对于空间目标，通过目标轨道高度h，可以求得目标最大的穿屏角速度为

其中r_e为地球半径，r_e≈6.371×10⁶m；v₁为第一宇宙速度，v₁＝7.9×10³m/s，h为目标轨道高度的下限。

②、根据针对目标的大小和雷达威力，分析在单个波束照射的情况下，对目标的发现概率p。

第二步、采用目标穿屏捕获概率作为优化的目标函数P(q,η)，针对重叠率q与搜索屏张角η参数的联合优化，获得重叠率q与搜索屏张角η参数的优化结果q'和η'。

其中

T_p为搜索屏一个扫描周期的时间，τ为搜索屏扫描时刻，τ∈[0,T_p]。

以t为目标穿越搜索屏区域的时刻值；则t＝0时刻，目标以从α处穿屏，此时搜索屏处于一个扫描周期中的τ/T_p的状态，k(τ,α,q,η)表示目标穿越搜索屏区域整个过程中被雷达波束照射的次数。

M表示目标穿屏过程中搜索屏共扫描的周期数，取值为

表示第i个波束的中心指向偏离目标的角度；

Step1.设定迭代次数n，n初值为0；对q和η分别选取初值q₀和η₀，设定收敛门限ε；

Step2.令n自增1，固定重叠率为q_n-1，通过对搜索屏张角η按照设定的张角步长进行增加，计算对应的目标函数值P(q_n-1,η)，当P(q_n-1,η)达到局部最大值时，取此时的搜索屏张角为η_n；

Step3.固定屏张角为η_n，通过对重叠率q按照设定的重叠率步长进行增加，计算对应的目标函数值P(q,η_n)，当P(q,η_n)达到局部最大值P_n时，取此时的重叠率为q_n；

Step4.重复Step2～Step3，当|P_n-P_n-1|≤ε时，迭代结束，若考虑计算量，也可以设定当迭代次数超过设定阈值时迭代结束；以迭代结束时的搜索屏张角η_n和重叠率为q_n作为优化结果q'和η'。

其中初值q₀和η₀，收敛门限ε、张角步长以及重叠率步长均可根据经验值进行设定，在不考虑计算量大小，仅考虑结果精度的情况下，初值q₀和η₀，收敛门限ε、张角步长以及重叠率步长均为越小越好。具体实施时，可综合考虑计算量与结果精度进行设定。

第三步、以重叠率q与搜索屏张角η参数的优化结果q'和η'对雷达双层交错搜索屏进行优化设置。

图3为本发明的搜索屏设置方法优化前与优化后的效果比较。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.提高空间目标发现概率的雷达双层交错搜索屏设置方法，其特征在于，

设置雷达双层交错搜索屏，包括上下两层波位，设置两层波位之间的张角大小为η，设置相邻波位之间重叠比例为q，同时，设置上下两层波位在横向错开(1-q)θ角度，θ为雷达半波束宽度；波位排列顺序为第一层从波位1至波位N依次照射，然后从第二层波位N+1至波位2N依次照射，N为搜索屏的单层波位数；q为重叠比例；一个扫描周期为T_p；

构建雷达的阵面直角坐标系xyz，其中x-y轴平面为阵面，x轴与地面平行，y轴沿阵面向上，z轴为阵面的法线方向；定义波位指向在y-z平面上的投影与z轴的夹角为横向偏角α，在z-x平面上的投影与z轴的夹角为纵向偏角β；

在阵面直角坐标系中，确定搜索屏对横向偏角α的覆盖范围α_min≤α≤a_max，并计算搜索屏的单层波位数

根据搜索屏所需仰角El和阵面倾角γ，确定搜索屏平面相对阵面法线的纵向偏角β_c＝El-γ；

第i个波位的中心位置为(α_i,β_i),i＝1,2,3,…,2N，照射时刻为t_i，其中α_i和β_i分别为第i个波位的指向在阵面直角坐标系中的横向偏角和纵向偏角：

其中搜索屏覆盖的区域关于α的边界为α_min≤α≤α_max和关于β的边界为β_min≤β≤β_max，其中β_min＝β_c-η/2-θ，β_max＝β_c+η/2+θ；

采用目标穿屏捕获概率作为优化的目标函数P(q,η)，针对重叠率q与搜索屏张角η参数的联合优化，获得重叠率q与搜索屏张角η参数的优化结果，以优化结果对所述雷达双层交错搜索屏进行优化设置；

其中

其中，p为单个波束照射情况下对目标的发现概率；T_p为搜索屏一个扫描周期的时间，τ为搜索屏扫描时刻，τ∈[0,T_p]；

以t为目标穿越搜索屏区域的时刻值；则t＝0时刻，目标从α处穿屏，此时搜索屏处于一个扫描周期中的τ/T_p的状态，k(τ,α,q,η)表示目标穿越搜索屏区域整个过程中被雷达波束照射的次数；

M表示目标穿屏过程中搜索屏共扫描的周期数，取值为

其中ω为目标最大的穿屏角速度，根据空间目标轨道高度计算获得；

表示第i个波束的中心指向偏离目标的角度；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用目标穿屏捕获概率作为优化的目标函数P(q,η)，针对重叠率q与搜索屏张角η参数的联合优化，获得重叠率q与搜索屏张角η参数的优化结果，具体为：

Step1.设定迭代次数n，n初值为0；对q和η分别选取初值q₀和η₀，设定收敛门限ε；

Step2.令n自增1，固定重叠率为q_n-1，通过对搜索屏张角η按照设定的张角步长进行增加，计算对应的目标函数值P(q_n-1,η)，当P(q_n-1,η)达到局部最大值时，取此时的搜索屏张角为ηⁿ；

Step3.固定屏张角为ηⁿ，通过对重叠率q按照设定的重叠率步长进行增加，计算对应的目标函数值P(q,η⁰)，当P(q,η⁰)达到局部最大值P_n时，取此时的重叠率为qⁿ；

Step4.重复Step2～Step3，当|P_n-P_n-1|≤ε时，迭代结束，此时的搜索屏张角ηⁿ和重叠率为qⁿ作为优化结果q'和η'；

初值q₀和η₀，收敛门限ε、张角步长以及重叠率步长均依经验设定。

Images