CN113267753B - 一种基于三维网格的雷达探测仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于三维网格的雷达探测仿真方法，包括空间离散、雷达探测预处理和探测目标三个步骤。本方法针对位置固定不发生变化的雷达，提前将雷达探测范围转化为三维网格集合，并赋予体现探测能力的RCS值，仿真过程中目标判断所在的网格是否被雷达覆盖，然后通过RCS值比较，判断是否被雷达发现。由于雷达方程的计算通过提前计算将结果放入网格数据中，仿真过程中目标去网格查数据并判断，将原来的雷达与目标的两两交互计算变为目标对网格数据的查询与判断，而且网格数据已经提前计算得到，仿真过程中的计算量由原来的m×n次雷达方程计算并概率判断，转变为目标的n次查询与判断，能够降低仿真过程中的计算量，有利于提高仿真效率。

Description

一种基于三维网格的雷达探测仿真方法
技术领域
本发明属于雷达探测仿真技术领域，具体涉及一种基于三维网格的雷达探测仿真方法。
背景技术
雷达探测仿真是对雷达探测过程的抽象描述与虚拟实验，在虚拟战场、兵棋系统、自动驾驶、大气检测等领域具有广泛应用。现有的雷达探测仿真普遍是基于雷达方程的雷达实体与目标实体之间的计算，雷达方程如下所示：
Figure BDA0003064393110000011
其中，Pt是雷达功率，Gt是雷达发射天线增益，λ是雷达波长，Δf是带宽，Fn是噪声系数，k是波尔兹曼常数，T0是以绝对温度表示的接收机噪声温度，(SNR)min是最小可检测信噪比，L是总损耗系数，σ是目标RCS(雷达散射截面)，Rmax表示目标与雷达的最大探测距离。一般雷达部署后，其本身固有的参数是确定的。
实际雷达对目标的探测发现都具有一定概率，Swerling目标起伏模型建立了探测概率Pd与虚警概率Pf和信噪比SNR的关系，如下所示：
Figure BDA0003064393110000012
虚警概率Pf在雷达设计时就已确定，通常为定值。然后，当Pd为雷达最大探测距离处的可靠探测概率(Pd＝Pd0)时，SNR就是最小可检测信噪比(SNR)min。所以，雷达探测仿真的一般过程是将雷达实体与目标实体之间的距离Rmax离和目标的RCS值σ代入雷达方程，计算得到当下对目标探测的信噪比，然后再根据Swerling模型计算得到此时的探测概率。一般确定雷达可靠发现目标的探测概率为0.9，然后判断雷达是否发现目标采用如下规则:
若该探测点的雷达探测概率Pd>0.9，则为可靠探测，即称雷达发现目标；若0.5<Pd<0.9，则产生一个(0,1)的随机数η，如果η<Pd，则认为发现目标，否则就没有发现目标。若Pd<0.5，探测不稳定，此时认为雷达没有发现目标。
综上，现有的雷达探测仿真是雷达实体与目标实体之间的两两交互计算，假设仿真场景中有m部雷达，n个目标，则需要计算m×n次雷达方程并概率判断，随着实体规模的上升计算量是o(m×n)，在有加速仿真和快速样本训练的条件下，此种雷达探测仿真方法将成为影响仿真计算的效率的瓶颈。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提出一种基于三维网格的雷达探测仿真方法，以解决现有雷达仿真方法面对实体规模上升条件下，仿真计算量增长影响仿真计算效率的技术问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于三维网格的雷达探测仿真方法，该雷达探测仿真方法包括如下步骤：
S1、空间离散
根据目标几何尺寸、飞行速度和仿真时间步长确定网格尺度，以飞行速度和仿真时间步长的乘积，与目标几何尺寸的较小值作为网格尺度；根据确定的网格尺度，将仿真世界的xyz坐标系进行空间离散，以网格尺度为单位长度确定任意坐标所在的网格编码；
S2、雷达探测预处理
通过雷达方程、雷达固有参数和能够探测的最大目标RCS值确定雷达的最大探测距离，再根据雷达的俯仰角范围和方位角范围确定雷达的三维探测范围；根据雷达的实际位置及其三维探测范围，计算探测范围覆盖的所有网格，得到网格编码集合；
在探测范围内的网格根据最低信噪比和网格相对雷达所在网格的距离计算出该网格能够探测的最小目标RCS值，对应最大探测概率；将最小目标RCS值与对应的网格编码存入数据结构，形成雷达网格模板，为目标查询做准备；
S3、探测目标
在每个时间步长内，将飞行目标的坐标转换为编码在雷达网格模板进行查询，如果目标的网格编码没有在雷达网格模板中，表明雷达探测不到目标；反之，则表明目标进入雷达的探测范围，通过编码查询出模板中的最小目标RCS值，将目标RCS值与其比较，目标RCS大于模板中的最小目标RCS值，表明被探测到，如果小于则通过比值计算探测概率判定是否被探测到。
进一步地，步骤S5中，通过比值计算探测概率，0.5-0.9时采用随机数判定是否被探测到，如果小于0.5，则表明没有探测到。
(三)有益效果
本发明提出一种基于三维网格的雷达探测仿真方法，包括空间离散、雷达探测预处理和探测目标三个步骤。本方法针对位置固定不发生变化的雷达，提前将雷达探测范围转化为三维网格集合，并赋予体现探测能力的RCS值，仿真过程中目标判断所在的网格是否被雷达覆盖，然后通过RCS值比较，判断是否被雷达发现。由于雷达方程的计算通过提前计算将结果放入网格数据中，仿真过程中目标去网格查数据并判断，将原来的雷达与目标的两两交互计算变为目标对网格数据的查询与判断，而且网格数据已经提前计算得到，仿真过程中的计算量由原来的m×n次雷达方程计算并概率判断，转变为目标的n次查询与判断，能够降低仿真过程中的计算量，有利于提高仿真效率。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本实施例提出一种基于三维网格的雷达探测仿真方法，该雷达探测仿真方法包括如下步骤：
S1、空间离散
根据目标几何尺寸、飞行速度和仿真时间步长确定网格尺度。以飞行速度和仿真时间步长的乘积，与目标几何尺寸的较小值作为网格尺度。为方便空间离散与编码，一般网格长度取十米、百米或千米的整数倍。如果有多种目标，取最小尺度。
根据确定的网格尺度，将仿真世界的xyz坐标系进行空间离散，以网格尺度为单位长度确定任意坐标所在的网格编码。
仿真空间范围为[(-X,X),(-Y,Y),(-Z,Z)]，网格尺度为L，网格尺度衡量空间范围
[(-int(X/L)-1,int(X/L)+1),(-int(Y/L)-1,int(Y/L)+1),(-int(Z/L)-1,int(Z/L)+1)]，
对于任意坐标(x,y,z)，其所在网格为
(int(x/L)+sign(x),int(y/L)+sign(y),int(z/L)+sign(z))，
将三个有符号数值转变为字符串再相加，中间以*为分隔符得到坐标所在的网格编码。
S2、雷达探测预处理
通过雷达方程、雷达固有参数和能够探测的最大目标RCS值确定雷达的最大探测距离，再根据雷达的俯仰角范围和方位角范围确定雷达的三维探测范围。
根据雷达的实际位置及其三维探测范围，计算探测范围覆盖的所有网格，得到网格编码集合。
在探测范围内的网格根据最低信噪比和网格相对雷达所在网格的距离计算出该网格能够探测的最小目标RCS值，对应最大探测概率。将最小目标RCS值与对应的网格编码存入数据结构，形成雷达网格模板，为目标查询做准备。
以两级HashMap键值数据结构为例，对雷达网格模板进行组织，如下表所示：
Figure BDA0003064393110000051
其中，一级HashMap的键为网格编码，值为二级HashMap，二级HashMap的键为雷达ID，值为最小目标RCS值。
S3、探测目标
在每个时间步长内，将飞行目标的坐标转换为编码在雷达网格模板进行查询，如果目标的网格编码没有在雷达网格模板中，表明雷达探测不到目标；反之，则表明目标进入雷达的探测范围，通过编码查询出模板中的最小目标RCS值，将目标RCS值与其比较，目标RCS大于模板中的最小目标RCS值，表明被探测到，如果小于则通过比值计算探测概率，0.5-0.9时采用随机数判定是否被探测到，如果小于0.5，则表明没有探测到。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于三维网格的雷达探测仿真方法，其特征在于，所述雷达探测仿真方法包括如下步骤：
S1、空间离散
根据目标几何尺寸、飞行速度和仿真时间步长确定网格尺度，以飞行速度和仿真时间步长的乘积，与目标几何尺寸的较小值作为网格尺度；根据确定的网格尺度，将仿真世界的xyz坐标系进行空间离散，以网格尺度为单位长度确定任意坐标所在的网格编码；
S2、雷达探测预处理
通过雷达方程、雷达固有参数和能够探测的最大目标RCS值确定雷达的最大探测距离，再根据雷达的俯仰角范围和方位角范围确定雷达的三维探测范围；根据雷达的实际位置及其三维探测范围，计算探测范围覆盖的所有网格，得到网格编码集合；
在探测范围内的网格根据最低信噪比和网格相对雷达所在网格的距离计算出该网格能够探测的最小目标RCS值，对应最大探测概率；将最小目标RCS值与对应的网格编码存入数据结构，形成雷达网格模板，为目标查询做准备；
S3、探测目标
在每个时间步长内，将飞行目标的坐标转换为编码在雷达网格模板进行查询，如果目标的网格编码没有在雷达网格模板中，表明雷达探测不到目标；反之，则表明目标进入雷达的探测范围，通过编码查询出模板中的最小目标RCS值，将目标RCS值与其比较，目标RCS大于模板中的最小目标RCS值，表明被探测到，如果小于则通过比值计算探测概率判定是否被探测到。
2.如权利要求1所述的雷达探测仿真方法，其特征在于，步骤S3 中，通过比值计算探测概率，0.5-0.9时采用随机数判定是否被探测到，如果小于0.5，则表明没有探测到。
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