CN111859255B - 一种地形遮蔽影响下雷达探测范围计算方法 - Google Patents

Abstract

一种地形遮蔽影响下雷达探测范围计算方法，包括对雷达照射方向各个方向上的探测距离计算,所述探测距离计算包括如下步骤：获取雷达天线海拔高度，根据计算精度设置抽样距离间隔；从地形数据中获取各点海拔高度，进行探测距离计算；遍历全部方位角以及相应仰角,完成各个方向上的探测距离计算后,计算出雷达探测范围。采用本发明所述的地形遮蔽影响下雷达探测范围计算方法，对雷达检测区域内障碍物分布进行逐区积分计算,可以有效评估障碍物阻挡影响,得出更加精确的障碍物阻挡下雷达探测范围。

Description

一种地形遮蔽影响下雷达探测范围计算方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，涉及雷达使用技术，具体涉及一种地形遮蔽影响下雷达探测范围计算方法。

背景技术

雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。雷达一般设置在相对地形较高处，通过水平扫描和俯仰扫描在一定时间周期内对一定区域进行目标探测。对于无障碍理想状态下雷达照射的覆盖区域能够进行准确计算，但现实地形表面存在各种不同高度的障碍物，地形遮蔽对雷达探测范围的影响，目前暂无合理精确的评估方式。

发明内容

为克服现有技术存在的技术缺陷，本发明公开了一种地形遮蔽影响下雷达探测范围计算方法。

本发明所述地形遮蔽影响下雷达探测范围计算方法,包括坐标系建立和精度设定,以及对雷达各个方向上的探测距离计算,所述坐标系建立和精度设定为:以雷达天线所处位置为坐标原点O,雷达波束在水平方向上的扫描范围分为n个方位角区间α₀，α₁，α₂，…α_n；雷达波束在竖直方向的扫描范围分为m个方位角区间β₀，β₁，β₂，…β_m；

所述探测距离计算包括如下步骤：

步骤1：令i＝0，获取雷达天线海拔高度H₀，根据计算精度设置抽样距离间隔d，令N＝INT(R_max/d)，INT函数表示向上取整，R_max为雷达最大作用距离；进入步骤2；

步骤2：如果i≤n，则令j＝0，L＝1，从地形数据中获取相对于0点方位角为α_i，水平距离为d*k的点A_ik处的海拔高度H_ik，下标k表征方位角固定时该方向距离0点的距离；k＝1，2，…N；进入步骤3；

如果i大于n，则结束计算，保存结果；

步骤3：令R＝R_max×cosβ_j，

Δh＝d×tanβ_j，k＝L，如果k＜N_j进入步骤4；否则进入步骤7；

步骤4：令H＝H₀+k×Δh，如果H≥H_ik，令k＝k+1，进入步骤5；否则，进入步骤6；

步骤5：如果k＜N_j，进入步骤4；否则，进入步骤7；

步骤6：令

L＝k，j＝j+1，Δ为小于1的正数，进入步骤8；

步骤7：令R_ij＝R_max，L＝k，j＝j+1，进入步骤8；

步骤8：如果j≤m，进入步骤3；否则i＝i+1，进入步骤2；

遍历全部方位角，完成各个方位角的探测距离计算后，计算出雷达探测范围。

雷达探测范围的计算方法为：得到雷达在α_i、α_i+1方位上，仰角β_j、β_j+1上的探测距离R_ij、R_i，j+1、R_i+1，j、R_i+1，j+1后；

则雷达在[α_i，α_i+1]方位上，仰角[β_j，β_j+1]上的探测范围是多面体OABDC，其中

雷达波束覆盖的空间体积

雷达探测范围

具体的，所述Δ＝0.5。

采用本发明所述的地形遮蔽影响下雷达探测范围计算方法，对雷达检测区域内障碍物分布进行逐区积分计算，可以有效评估障碍物阻挡影响，得出更加精确的障碍物阻挡下雷达探测范围。

附图说明

图1为无地形遮蔽时雷达检测范围示意图；

图2为雷达检测的水平范围示意图；

图3为雷达检测的俯仰范围示意图；

图4为地形遮蔽时雷达检测距离的分析示意图；

图5为地形遮蔽时采用本发明所述计算方法对某方向上的雷达检测区间示意图，图4和图5的横坐标为平行于地面的水平方向，纵坐标为垂直于地面的竖直方向。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步骤的详细说明。

根据雷达方程，可知雷达最大作用距离R_max为

(单位：km)，其中：

P_t——雷达发射功率，单位：W；

G_t——雷达发射/接收天线增益，单位：倍；

λ——雷达波长，单位：m；

σ——目标的雷达反射截面积，单位：m²；

k——波尔兹曼常数；

T——以绝对温度表示的接收机噪声温度，

通常取kT＝4×10^-21W/Hz；

Δf_r——雷达接收机带宽，单位：Hz；

F—－噪声系数；

L－－损耗因子；

S_N.min——雷达接收机灵敏度，即雷达发现目标所需的最小功率信噪比。

假设雷达在水平方向上的扫描范围为[θ₁，θ₂]，其中0≤θ₁＜θ₂≤2π，正北方向为0；雷达在竖直方向上的扫描范围是[γ₁，γ₂]，

如图1所示，没有地形遮蔽时雷达覆盖的空间范围是扇形OAB绕垂直轴线OO₁从θ₁旋转到θ₂所得到的旋转体，其体积V₀为：

其中，

因此

或者，也可以直接计算旋转体的体积：

如图2所示，雷达波束在水平方向上的扫描范围[θ₁，θ₂]可以离散为α₀，α₁，α₂，…α_n1，其中

如图3所示，雷达波束在竖直方向的扫描范围[γ₁，γ₂]可以离散为β₀，β₁，β₂，…β_m，其中

n和m分别为水平面角度和竖直俯仰角度的分隔数。

如图4所示，假设雷达天线在O₀点，雷达天线海拔高度||OO₀||＝H0，

为正北方向，∠NOA＝α，在射线OA上以间隔距离d取一系列点A₁，A₂，…A_N，其中A_k(k＝1，2，…N)处的海拔高度记为h_k。

当雷达以俯仰角β进行扫描时，扫描射线在A_k-1点的高度

H_β，k-1＝H₀+(k-1)×d×tanβ

此时，H_β，k-1＞h_k-1，那么雷达在仰角β上的最大探测距离R_β＞(k-1)×d；而且，当雷达扫描仰角γ＞β时，因扫描射线在A_k-1点的高度

H_γ，k-1＝H₀+(k-1)×d×tanγ＞H_β，k-1＞h_k-1

所以，雷达在仰角γ上的最大探测距离R_γ＞(k-1)×d。后续计算雷达在仰角γ上的最大探测距离时就不用考虑A_k-1及A_k-1之前的点。

当雷达以俯仰角β进行扫描时，扫描射线在A_k点的高度

H_β.k＝H₀+k×d×tan β

此时，H_β，k＜h_k，因此雷达在仰角β上的最大探测距离R_β＜k×d。

综上所述，(k-1)×d＜R_β＜k×d。可见，该方法的计算精度取决于抽样点的间距。

设定一个小于k*d的值，使R_β＝(k-Δ)×d

那么R_β与雷达在仰角β上的最大探测距离的误差e≤Δ*d，只要抽样间距d足够小，就能够满足计算精度。Δ为小于1的正数。

例如，如果取

那么R_β与雷达在仰角β上的最大探测距离的误差e＜d/2，只要抽样间距d足够小，就能够满足计算精度。

本发明所述计算方法，包括如下步骤：

定义雷达天线所处点为原点O，雷达在水平方向上的扫描范围为[θ₁，θ₂]，正北方向为0；雷达在竖直方向上的俯仰扫描范围是[γ₁，γ₂]；

步骤1：令i＝0，获取雷达天线海拔高度H₀，根据计算精度设置抽样距离间隔d，令N＝INT(R_max/d)，INT函数表示取整，一般为向上取整，即除不尽时整数位加1；R_max为雷达最大作用距离；进入步骤2：

步骤2：如果i≤n，则令j＝0，L＝1，从地形数据中获取相对于OA点方位角为α_i，水平距离为d*k(k＝1，2，…N)的点A_ik处的海拔高度Hik，下标k表征方位角固定时该方向距离OA点的距离；

进入步骤3；

步骤2中，L表示在方位角确定时，本步骤中俯仰角所定义的方向上雷达可不被阻碍的检测到的最远距离，步骤2中设定L的初始值为1，通过后续步骤4和步骤7的累加循环，最终得到未被障碍物阻挡的最远距离，L值以k值进行计量。

如i大于n，则结束计算，保存结果；

步骤3：令R＝Rmax×cosβj，

Δh＝d×tanβj，k＝L，如果k＜N_j进入步骤4；否则进入步骤7；

步骤4：令H＝H₀+k×Δh，如果H≥H_ik，令k＝k+1，进入步骤5；否则，进入步骤6；

步骤4中，判断雷达波在该A_ik点处是否会被此处障碍物阻挡，如不会阻挡，则继续在方位角不变的情况下进入步骤5，前移步长d，继续判断，如果被阻挡，比如该点为山峰，则进入步骤6

步骤5：如果k＜Nj，进入步骤4；否则，进入步骤7；

步骤6：令

进入步骤8；

步骤6中，在雷达波被阻挡情况下，定义该方向的雷达作用距离Rij为

步骤7：令R_ij＝R_max，L＝k，j＝j+1，进入步骤8；

步骤7中，在该方位角方向的全部点上均不发生阻挡，则定义该方向的雷达作用距离R_ij为雷达最大作用距离，随后改变方位角继续判断，

步骤8：如果j≤m，进入步骤3；否则i＝i+1，进入步骤2；

步骤8中，如检测完该水平方向上的全部俯仰角度后，回到步骤2重新计算改变水平方位角后的相关参数，再按照前述步骤进行各点障碍物检测，如未检测完全部俯仰角度，则继续回到步骤3检测下一俯仰角区间。

通过步骤1至8，利用循环算法遍历雷达可检测的全部水平角和俯仰角，得到离散的多个方向的雷达作用距离R_ij，其中下标i表示水平方位角，下标j表示俯仰角。

通过上述步骤可以得到雷达在α_i、α_i+1方位上，仰角β_j、β_j+1上的探测距离R_ij、R_i，j+1、R_i+1，j、R_i+1，j+1。雷达在[α_i，α_i+1]方位上、仰角[β_j，β_j+1]上的探测范围是多面体OABDC，如图4所示，

其中

雷达波束覆盖的空间体积

据此，可以计算出雷达波束各个离散空间覆盖的体积V_{i，j，i+1，j+1}，i＝0，1…n-1；j＝0，1…m-1。进而可以计算出受地形遮蔽后雷达波束覆盖的空间覆盖范围即雷达探测范围

采用本发明所述的地形遮蔽影响下雷达探测范围计算方法，对雷达检测区域内障碍物分布进行逐区积分计算，可以有效评估障碍物阻挡影响，得出更加精确的障碍物阻挡下雷达探测范围。

前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种地形遮蔽影响下雷达探测范围计算方法，其特征在于，包括坐标系建立和精度设定，以及对雷达各个方向上的探测距离计算，所述坐标系建立和精度设定为：以雷达天线所处位置为坐标原点O，雷达波束在水平方向上的扫描范围分为n个方位角区间α₀，α₁，α₂，…α_n；雷达波束在竖直方向的扫描范围分为m个方位角区间β₀，β₁，β₂，…β_m；

所述探测距离计算包括如下步骤：

步骤1：令i＝0，获取雷达天线海拔高度H₀，根据计算精度设置抽样距离间隔d，令N＝INT(R_max/d)，INT函数表示向上取整，R_max为雷达最大作用距离；进入步骤2；

步骤2：如果i≤n，则令j＝0，L＝1，从地形数据中获取相对于0点方位角为α_i，水平距离为d*k的点A_ik处的海拔高度H_ik，下标k表征方位角固定时该方向距离O点的距离；k＝1，2，…N；进入步骤3；

如果i大于n，则结束计算，保存结果；

步骤3：令R＝R_max×cosβ_j，

Δh＝d×tanβ_j，k＝L，如果k＜N_j进入步骤4；否则进入步骤7；

步骤4：令H＝H₀+k×Δh，如果H≥H_ik，令k＝k+1，进入步骤5；否则，进入步骤6；

步骤5：如果k＜N_j，进入步骤4；否则，进入步骤7；

步骤6：令

L＝k，j＝j+1，Δ为小于1的正数，进入步骤8；

步骤7：令R_ij＝R_max，L＝k，j＝j+1，进入步骤8；

步骤8：如果j≤m，进入步骤3；否则i＝i+1，进入步骤2；

遍历全部方位角，完成各个方位角的探测距离计算后，计算出雷达探测范围；

雷达探测范围的计算方法为：得到雷达在α_i、α_i+1方位上，仰角β_j、β_j+1上的探测距离R_ij、R_i，j+1、R_i+1，j、R_i+1，j+1后；

则雷达在[α_i，α_i+1]方位上，仰角[β_j，β_j+1]上的探测范围是多面体OABDC，其中

雷达波束覆盖的空间体积

雷达探测范围

2.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述Δ＝0.5。

Images