CN114114170A - 一种雷达信号处理机目标测量的数学建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种雷达信号处理机目标测量的数学建模方法，属于雷达数字化建模与仿真技术领域。该方法充分考虑了目标、杂波和电子干扰信号三类信号的多普勒参数，采用数学计算方式实现雷达信号处理机目标测量功能，根据目标、杂波和电子干扰信号的和、方位差和俯仰差多普勒参数获得目标的距离、多普勒频移、方位角和俯仰角信息。该方法适用于雷达数字化设计与仿真中，对雷达信号处理机目标测量的数字化建模。

Description

一种雷达信号处理机目标测量的数学建模方法

技术领域

本发明属于雷达数字化建模与仿真技术领域，具体地说是一种实现雷达信号处理机目标测量功能的数学建模方法。

背景技术

随着信息技术的发展，信息技术在人类工业化发展中扮演着越来越重要的角色，就雷达制造业而言，雷达智能化生产应运而生，特别是雷达数字化设计与仿真技术， 它通过构建物理实体与其使用虚拟场景的信息物理系统，基于数字化手段仿真实体与 场景模型间的相互作用，引导现代雷达系统的设计、研制和发展模式向更加科学合理 的方向发展，以充分挖掘系统功能和性能潜力，已成为当前雷达制造业发展与竞争的 焦点。

雷达数字化设计与仿真采用建模与仿真技术，通过数字化手段，对雷达、目标、 杂波、电子干扰以及电磁环境进行建模，构建以雷达数字化模型为核心，包括目标、 杂波、电子战和电磁环境的数字化模型的仿真系统，模拟雷达使用虚拟场景与雷达物 理实体，再采用数学方法仿真在设定的雷达工作流程和使用环境下雷达模型与目标、 杂波、电子干扰和电磁环境模型的相互作用，获得雷达功能与性能的评估结果，反馈 于雷达的设计，有效提高雷达设计、功能适用性和研制方法的智能化水平。

雷达模型是雷达数字化建模与仿真的核心，基于雷达物理实体功能进行数学建模， 直接决定雷达功能和性能仿真评估水平。雷达主要由天线、发射机、接收机、信号处 理机组成，随着微电子技术、数字信号处理技术的飞速发展,未来雷达装备的有效性 将越来越依赖于雷达信号处理机的性能，信号处理机采用的技术体制、方法和具体算 法已成为雷达领域研究的重点，雷达对目标的距离、多普勒频移和角度的测量是雷达 的核心功能，也是雷达信号处理机对雷达接收信号进行处理的目的，雷达信号处理机 对目标的检测以及目标距离、多普勒频移与角度的测量是雷达设计中重点关注的内容， 因此，研究雷达信号处理机目标测量的数学建模方法，给出雷达目标检测和目标距离、 多普勒频移与角度测量的计算方法，为雷达目标检测与测量的数学模型实现和深入研 究提供参考。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决雷达数字化建模与仿真技术中雷达信号处理机目标测量功能的数学建模 问题，本发明提出一种基于分类信号多普勒参数的雷达信号处理机目标测量的数学建模方法。

技术方案

一种雷达信号处理机目标测量的数学建模方法，其特征在于包括参数综合模块、目标检测模块和参数测量模块；步骤如下：

步骤1：参数综合模块根据收到的雷达回波时延、雷达回波频率、目标和信号多 普勒参数、方位差信号多普勒参数和俯仰差信号多普勒参数，杂波的和信号多普勒参 数、方位差信号多普勒参数和俯仰差信号多普勒参数以及电子干扰的和信号多普勒参 数、方位差信号多普勒参数和俯仰差信号多普勒参数，计算目标和信号参数、杂波和 信号参数，电子干扰和信号参数，综合和信号参数，综合方位差信号参数和综合俯仰 差信号参数，并将计算得到的目标和信号参数、杂波和信号参数，电子干扰和信号参 数发送至目标检测模块，将综合和信号参数，综合方位差信号参数和综合俯仰差信号 参数发送至参数测量模块；

步骤2：目标检测模块根据收到的目标和信号参数、杂波和信号参数，电子干扰 和信号参数，对是否检测到目标进行判决，生成检测指示参数，并将该参数发送到参 数测量模块；

步骤3：参数测量模块根据目标检测模块输入的检测指示参数和参数综合模块输入的综合和信号参数，综合方位差信号参数，综合俯仰差信号参数，以及雷达回波时 延和雷达回波频率，计算得到目标距离、目标多普勒频移、目标方位角和目标俯仰角。

本发明进一步的技术方案：所述的步骤1具体为：

设输入参数综合模块的雷达回波时延和回波频率为T和F，和信号多普勒参数， 方位差信号多普勒参数和俯仰差信号多普勒参数分别为D_Εx，D_ΔAzx和D_ΔElx，其中x＝t,c, i分别表示目标，杂波，电子干扰信号的多普勒参数，参数综合模块输出的目标和信号 参数、杂波和信号参数，电子干扰和信号参数，综合和信号参数，综合方位差信号参 数和综合俯仰差信号参数分别为ε_t，ε_c，ε_i，Ε，Δ_Az和Δ_El；当雷达未跟踪目标时，考 虑一定距离范围内的目标、杂波或电子干扰信号，此时，ε_x，x＝t,c,i，为

ε_x＝α·D_Ex (1)

其中α为

其中R_d表示雷达设定的探测距离，R_g表示距离门距离范围，n表示探测距离系数，为正整数，R′表示雷达探测对象距离雷达的距离，R′由雷达回波时延T计算得到，T 为CPI时间内，N个脉冲发送与接收时间差的平均值，令t_n为第n个脉冲发送与接收 的时间差，接收脉冲为雷达探测对象的回波脉冲，当电子干扰假目标成功欺骗雷达时， 探测对象为电子干扰的假目标，否则为目标，总之

R㈣为

C为光速，R_u为雷达探测的不模糊距离，则

PRI为脉冲间隔时间，当雷达跟踪目标时，考虑一定距离和多普勒范围内的目标、杂波或电子干扰信号，则，

ε_x＝β·D_Ex (6)

其中β为

R_t和F_t为目标的距离和多普勒频移，f_g表示多普勒门频率范围，l、k表示跟踪距 离系数和跟踪多普勒频移系数，均为正整数，f′_d表示雷达探测对象回波的多普勒频移， f′_d可由雷达回波频率F计算得到，F为CPI时间内，N个脉冲发送与接收信号频率差 的均值，令f_n为第n个脉冲发送与接收信号的频率差，接收脉冲为雷达探测对象的回 波脉冲，当电子干扰假目标成功欺骗雷达时，探测对象为电子干扰的假目标，否则为 目标，总之

f′_d为

其中PRF为脉冲重复频率，Ε为

E＝D_Et+D_Ec+D_Ei (10)

Δ_Az为

Δ_Az＝D_ΔAzt+D_ΔAz+D_ΔAz (11)

Δ_El为

Δ_El＝D_ΔELt+D_ΔELc+D_ΔELi (12)。

本发明进一步的技术方案：所述的步骤2具体为：

设检测指示参数为D_e，D_e为1表示检测到目标，D_e为0表示未检测到目标，则

其中rand([0,1])表示0和1之间均匀分布的随机数，P_d(SNR)表示SNR值对应的 检测概率，根据SNR值计算获得，SNR为探测对象的功率除以噪声功率，考虑目标、 杂波和电子干扰的情况，此时SNR为

其中S_t表示目标回波功率，则

S_t＝|ε_t|² (15)

S_i ^d表示假目标类型的电子干扰，则

n_c表示杂波干扰，则

n_c＝|ε_c|² (17)

n_i表示噪声类型的电子干扰，则

n_o表示接收机白噪声，则

n_o＝KT_sB (19)

其中K为玻尔兹曼常数，T_s为雷达系统有效噪声温度，B为接收机带宽。

本发明进一步的技术方案：所述的步骤3具体为：

设参数测量模块计算得到的目标距离，目标多普勒频移，目标方位角和目标俯仰角分别为R，f_d，θ和

所述的R为

其中R_p表示雷达上一次检测到目标时计算得到的距离；所述的f_d为

其中fdp表示达上一次检测到目标时计算得到的多普勒频移；θ和

由天线方向图和差通道差值进行计算，所述的θ为

其中θ_p表示雷达上一次检测到目标时计算得到的方位角，F表示相对天线法线的偏角对应波束的和差幅度比，则F^-1为和差幅度比对应的偏角，所述的

为

一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质， 用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执 行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。

一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。

一种计算机程序，其特征在于包括计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。

有益效果

本发明提出的一种雷达信号处理机目标测量的数学建模方法，该方法充分考虑了目标、杂波和电子干扰信号三类信号的多普勒参数，采用数学计算方式实现雷达信号 处理机目标测量功能，根据目标、杂波和电子干扰信号的和、方位差和俯仰差多普勒 参数获得目标的距离、多普勒频移、方位角和俯仰角信息。该方法适用于雷达数字化 设计与仿真中，对雷达信号处理机目标测量的数字化建模。

与现有技术相比，具有以下优点：

1)雷达信号处理机目标测量数字化建模基于参数化的多普勒及雷达回波信号进行 目标检测与测量的处理，方法简便实用，计算量小，易于编程实现；

2)雷达信号处理机目标测量的数字化模型充分考虑了目标、杂波和电子干扰信号参数的处理方法，功能全面，实用性和扩展性强。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是本发明雷达信号处理机目标测量数字化建模实现框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发 明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术 特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

雷达信号处理机目标测量根据雷达回波时延、回波频率和脉冲多普勒处理所得的信号多普勒参数，进行目标检测，并计算求解目标距离、目标多普勒频移、目标方位 角和目标俯仰角，完成雷达对目标的测量。本发明雷达信号处理机目标测量的数学建 模方法全面考虑多普勒处理得到的目标、杂波和电子干扰回波和、方位差和俯仰差信 号的多普勒参数，根据这些多普勒参数和目标回波时延与频率进行目标检测，解算目 标距离、目标多普勒频移、目标方位角和目标俯仰角，完成雷达信号处理机目标检测 的数学建模。雷达信号处理机目标测量的数学模型首先对输入的雷达回波时延与回波 频率，目标和信号多普勒参数、方位差信号多普勒参数和俯仰差信号多普勒参数，杂 波的和信号多普勒参数、方位差信号多普勒参数和俯仰差信号多普勒参数以及电子干 扰的和信号多普勒参数、方位差信号多普勒参数和俯仰差信号多普勒参数在参数综合 模块进行参数分类融合处理，得到目标和信号参数、杂波和信号参数，电子干扰和信 号参数，综合和信号参数，综合方位差信号参数和综合俯仰差信号参数，再将目标和 信号参数、杂波和信号参数，电子干扰和信号参数输入目标检测模块计算检测指示参 数，最后将综合和信号参数，综合方位差信号参数，综合俯仰差信号参数，检测指示 参数，雷达回波时延与雷达回波频率输入参数测量模块，计算得到目标距离，目标多 普勒频移，目标方位角和目标俯仰角，完成雷达信号处理机目标测量的建模。

参照图1，它是本发明雷达信号处理机目标测量的数字化建模实现框图，实现过程如下：

第一步，雷达信号处理机目标测量数学模型的参数综合模块收到的雷达回波时延T、雷达回波频率F、目标和信号多普勒参数D_Εt、方位差信号多普勒参数D_ΔAzt和俯仰 差信号多普勒参数D_ΔElt，杂波的和信号多普勒参数D_Εc、方位差信号多普勒参数D_ΔAzc和俯仰差信号多普勒参数D_ΔElc以及电子干扰的和信号多普勒参数D_Εi、方位差信号多 普勒参数D_ΔAzi和俯仰差信号多普勒参数D_ΔEli，计算目标和信号参数ε_t、杂波和信号参 数ε_c，电子干扰和信号参数ε_i，综合和信号参数Ε，综合方位差信号参数Δ_Az和综合俯 仰差信号参数Δ_El，并将ε_t，ε_c和ε_i发送至目标检测模块，将Ε，Δ_Az和Δ_El发送至参数 测量模块；第二步，目标检测模块根据收到的目标和信号参数ε_t、杂波和信号参数ε_c， 电子干扰和信号参数ε_i，对是否检测到目标进行判决，计算得到检测指示参数D_e，并 将D_e发送到参数测量模块；第三步，参数测量模块根据目标检测模块输入的检测指示 参数D_e和参数综合模块输入的综合和信号参数Ε，综合方位差信号参数Δ_Az，综合俯 仰差信号参数Δ_El，以及雷达回波时延T和雷达回波频率F，计算得到目标距离R、目 标多普勒频移f_d、目标方位角θ和目标俯仰角

其中第一步中计算目标和信号参数ε_t、杂波和信号参数ε_c，电子干扰和信号参数ε_i， 综合和信号参数Ε，综合方位差信号参数Δ_Az和综合俯仰差信号参数Δ_El，具体做法如下：

设ε_x，x＝t,c,i分别表示目标、杂波或电子干扰信号的参数，当雷达未跟踪目标时， 一般考虑一定搜索距离范围内的目标、杂波或电子干扰信号，此时，

ε_x＝α·D_Ex

其中α为

其中R_d表示雷达设定的探测距离，R_g表示距离门距离范围，n表示探测距离系数，为正整数，R’表示雷达探测对象距离雷达的距离，R’可由雷达回波时延T计算得到， 一般情况下，T可以描述为CPI时间内，N个脉冲发送与接收时间差的平均值，令t_n为第n个脉冲发送与接收的时间差，接收脉冲为雷达探测对象的回波脉冲，当电子干 扰假目标成功欺骗雷达时，探测对象为电子干扰的假目标，否则为目标，总之

R′为

C为光速，R_u为雷达探测的不模糊距离，则

PRI为脉冲间隔时间，当雷达跟踪目标时，一般考虑一定距离和多普勒跟踪范围内的目标、杂波或电子干扰信号，此时，

ε_x＝β·D_Ex

其中β为

R_t和F_t为目标的距离和多普勒频移，f_g表示多普勒门频率范围，l、k表示跟踪距 离系数和跟踪多普勒频移系数，均为正整数，f_d’表示雷达探测对象回波的多普勒频移， f_d’可由雷达回波频率F计算得到，一般情况下，F可以描述为CPI时间内，N个脉冲 发送与接收信号频率差的均值，令f_n为第n个脉冲发送与接收信号的频率差，接收脉 冲为雷达探测对象的回波脉冲，当电子干扰假目标成功欺骗雷达时，探测对象为电子 干扰的假目标，否则为目标，总之

f′_d为

其中PRF为脉冲重复频率。Ε为

E＝D_Et+D_Ec+D_Ei

Δ_Az为

Δ_Az＝D_ΔAzt+D_ΔAz+D_ΔAz

Δ_El为

Δ_El＝D_ΔEL+D_ΔEL+D_ΔEL

第二步中计算检测指示参数D_e，具体做法如下：

D_e为1表示检测到目标，D_e为0表示未检测到目标，则

其中rand([0,1])表示0和1之间均匀分布的随机数，P_d(SNR)表示SNR值对应的 检测概率，由SNR值查表可获得，SNR为探测对象的功率除以噪声功率，考虑目标、 杂波和电子干扰的情况，此时SNR为

其中S_t表示目标回波功率，则

S_t＝|ε_t|²

表示假目标类型的电子干扰，则

n_c表示杂波干扰，则

n_c＝|ε_c|²

n_i表示噪声类型的电子干扰，则

n_o表示雷达接收通道的白噪声，则

n_o＝KT_sB

其中K为玻尔兹曼常数，T_s为雷达系统有效噪声温度，B为接收机带宽。

第三步中计算目标距离R、目标多普勒频移f_d、目标方位角θ和目标俯仰角

具 体做法如下：

R为

其中R_p表示雷达上一次检测到目标时计算得到的距离。f_d为

其中f_dp表示达上一次检测到目标时计算得到的多普勒频移。θ和

一般由天线方向图和差通道差值进行计算，θ为

其中θ_p表示雷达上一次检测到目标时计算得到的方位角，F表示相对天线法线的偏角对应波束的和差幅度比，则F^-1为和差幅度比对应的偏角，类似地，

为

其中

表示雷达上一次检测到目标时计算得到的俯仰角。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修 改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种雷达信号处理机目标测量的数学建模方法，其特征在于包括参数综合模块、目标检测模块和参数测量模块；步骤如下：

步骤1：参数综合模块根据收到的雷达回波时延、雷达回波频率、目标和信号多普勒参数、方位差信号多普勒参数和俯仰差信号多普勒参数，杂波的和信号多普勒参数、方位差信号多普勒参数和俯仰差信号多普勒参数以及电子干扰的和信号多普勒参数、方位差信号多普勒参数和俯仰差信号多普勒参数，计算目标和信号参数、杂波和信号参数，电子干扰和信号参数，综合和信号参数，综合方位差信号参数和综合俯仰差信号参数，并将计算得到的目标和信号参数、杂波和信号参数，电子干扰和信号参数发送至目标检测模块，将综合和信号参数，综合方位差信号参数和综合俯仰差信号参数发送至参数测量模块；

步骤2：目标检测模块根据收到的目标和信号参数、杂波和信号参数，电子干扰和信号参数，对是否检测到目标进行判决，生成检测指示参数，并将该参数发送到参数测量模块；

步骤3：参数测量模块根据目标检测模块输入的检测指示参数和参数综合模块输入的综合和信号参数，综合方位差信号参数，综合俯仰差信号参数，以及雷达回波时延和雷达回波频率，计算得到目标距离、目标多普勒频移、目标方位角和目标俯仰角。

2.根据权利要求1所述一种雷达信号处理机目标测量的数学建模方法，其特征在于所述的步骤1具体为：

设输入参数综合模块的雷达回波时延和回波频率为T和F，和信号多普勒参数，方位差信号多普勒参数和俯仰差信号多普勒参数分别为D_Εx，D_ΔAzx和D_ΔElx，其中x＝t,c,i分别表示目标，杂波，电子干扰信号的多普勒参数，参数综合模块输出的目标和信号参数、杂波和信号参数，电子干扰和信号参数，综合和信号参数，综合方位差信号参数和综合俯仰差信号参数分别为ε_t，ε_c，ε_i，Ε，Δ_Az和Δ_El；当雷达未跟踪目标时，考虑一定距离范围内的目标、杂波或电子干扰信号，此时，ε_x，x＝t，c，i，为

ε_x＝α·D_Ex (1)

其中α为

其中R_d表示雷达设定的探测距离，R_g表示距离门距离范围，n表示探测距离系数，为正整数，R′表示雷达探测对象距离雷达的距离，R′由雷达回波时延T计算得到，T为CPI时间内，N个脉冲发送与接收时间差的平均值，令t_n为第n个脉冲发送与接收的时间差，接收脉冲为雷达探测对象的回波脉冲，当电子干扰假目标成功欺骗雷达时，探测对象为电子干扰的假目标，否则为目标，总之

R′为

C为光速，R_u为雷达探测的不模糊距离，则

PRI为脉冲间隔时间，当雷达跟踪目标时，考虑一定距离和多普勒范围内的目标、杂波或电子干扰信号，则，

ε_x＝β·D_Ex (6)

其中β为

R_t和F_t为目标的距离和多普勒频移，f_g表示多普勒门频率范围，l、k表示跟踪距离系数和跟踪多普勒频移系数，均为正整数，f′_d表示雷达探测对象回波的多普勒频移，f′_d可由雷达回波频率F计算得到，F为CPI时间内，N个脉冲发送与接收信号频率差的均值，令f_n为第n个脉冲发送与接收信号的频率差，接收脉冲为雷达探测对象的回波脉冲，当电子干扰假目标成功欺骗雷达时，探测对象为电子干扰的假目标，否则为目标，总之

f′_d为

其中PRF为脉冲重复频率，E为

E＝D_Et+D_Ec+D_Ei (10)

Δ_Az为

ΔA_z＝D_ΔAzt+D_ΔAzc+D_ΔAzi (11)

Δ_El为

Δ_El＝D_ΔELt+D_ΔELc+D_ΔELi (12)。

3.根据权利要求2所述一种雷达信号处理机目标测量的数学建模方法，其特征在于所述的步骤2具体为：

设检测指示参数为D_e，D_e为1表示检测到目标，D_e为0表示未检测到目标，则

其中rand([0，1])表示0和1之间均匀分布的随机数，P_d(SNR)表示SNR值对应的检测概率，根据SNR值计算获得，SNR为探测对象的功率除以噪声功率，考虑目标、杂波和电子干扰的情况，此时SNR为

其中S_t表示目标回波功率，则

S_t＝|ε_t|² (15)

S_i ^d表示假目标类型的电子干扰，则

n_c表示杂波干扰，则

n_c＝|ε_c|² (17)

n_i表示噪声类型的电子干扰，则

n_o表示接收机白噪声，则

n_o＝KT_sB (19)

其中K为玻尔兹曼常数，T_s为雷达系统有效噪声温度，B为接收机带宽。

4.根据权利要求3所述一种雷达信号处理机目标测量的数学建模方法，其特征在于所述的步骤3具体为：

设参数测量模块计算得到的目标距离，目标多普勒频移，目标方位角和目标俯仰角分别为R，f_d，θ和

所述的R为

其中R_p表示雷达上一次检测到目标时计算得到的距离；所述的fd为

其中f_dp表示达上一次检测到目标时计算得到的多普勒频移；θ和

由天线方向图和差通道差值进行计算，所述的θ为

其中θ_p表示雷达上一次检测到目标时计算得到的方位角，F表示相对天线法线的偏角对应波束的和差幅度比，则F^-1为和差幅度比对应的偏角，所述的

为

5.一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1所述的方法。

6.一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求1所述的方法。

7.一种计算机程序，其特征在于包括计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求1所述的方法。

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