CN114280547A - 一种基于静态测试的雷达最大作用距离估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于静态测试的雷达最大作用距离估计方法，基于雷达系统有效辐射功率测试和接收灵敏度测试，构建雷达有效辐射功率表达式和最小可检测信噪比表达式；将雷达有效辐射功率表达式和最小可检测信噪比表达式代入雷达方程，构建雷达对特定RCS目标的最大作用距离估算公式，使雷达方程中的各参数转化为静态测试系统可计量测试的参数；对目标起伏类型和波束扫描或形状损失进行修正，构建雷达对特定RCS目标的最大作用距离修正公式；对静态测试系统参数进行计量校准，完成雷达对特定RCS目标的最大作用距离估计。本发明能够较好反映雷达系统内在损耗和处理增益下的探测性能，具有组织试验难度较小和节省试验成本的优势。

Description

一种基于静态测试的雷达最大作用距离估计方法

技术领域

本发明涉及雷达系统试验与测试技术，具体为一种基于静态测试的雷达最大作用距离估计方法。

背景技术

雷达最大作用距离指标一般通过外场动态检飞试验考核验证，若能在动态检飞试验前通过静态测试估计雷达最大作用距离，对降低考核试验通过的风险具有重要意义。常规体制雷达可通过静态测试天线增益、发射功率、噪声系数、系统损耗、信号处理增益等雷达相关参数来估计雷达最大作用距离。相控阵体制雷达由于阵面集成设计，阵面装配完成后，发射功率、噪声系数、系统损耗等参数没有相应的测试接口，往往无法独立测试这些参数，而且相控阵收发通道较多，不便于逐一进行测试每个通道参数。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于法静态测试的雷达最大作用距离估计方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于静态测试的雷达最大作用距离估计方法，包括如下步骤：

步骤1，基于雷达系统有效辐射功率测试和接收灵敏度测试，构建雷达有效辐射功率表达式和最小可检测信噪比表达式；

步骤2，将雷达有效辐射功率表达式和最小可检测信噪比表达式代入雷达方程，构建雷达对特定RCS目标的最大作用距离估算公式，使雷达方程中的各参数转化为静态测试系统可计量测试的参数；

步骤3，对目标起伏类型和波束扫描或形状损失进行修正，构建雷达对特定RCS目标的最大作用距离修正公式；

步骤4，对静态测试系统参数进行计量校准，完成雷达对特定RCS目标的最大作用距离估计。

进一步的，步骤1中，基于雷达系统有效辐射功率测试，构建雷达有效辐射功率EPR表达式为：

其中，G₁为有效辐射功率测试时所用标准喇叭增益；L₁为有效辐射功率测试时所用测试电缆和衰减器的总损耗；λ为雷达工作波长；R_L为雷达阵面天线到A端配试标准接收喇叭的距离；P₁为有效辐射功率测试时峰值功率计或频谱仪的峰值功率读数。

进一步的，步骤2中，基于雷达系统接收灵敏度测试，构建最小检测信噪比SN_min表达式为：

其中，P_rmin为雷达接收机输入端的灵敏度信号功率；P_n为雷达接收机输入端热噪声功率，P_n＝K_bT_sB_n，K_b为玻尔兹曼常数，K_b＝1.38×10^-23；T_s为被试雷达系统噪声温度；B_n为被试雷达接收机噪声带宽；P₂为接收灵敏度测试时功率计或频谱仪的峰值功率读数；L_r为接收灵敏度测试时可调衰减器的衰减值分贝读数转化为系数；G₂为接收灵敏度测试时所用标准喇叭增益；L₂为接收灵敏度测试时所用连接电缆损耗；G_r为雷达天线接收增益；η为接收灵敏度测试时功分器两个输出端口间功率比值；M为雷达系统脉压和脉冲积累处理增益；L_s为雷达系统接收处理损耗；λ为雷达工作波长，R_L为雷达阵面天线到A端配试标准接收喇叭的距离。

进一步的，步骤3中，将雷达有效辐射功率表达式和最小可检测信噪比表达式代入雷达方程，构建雷达对特定RCS目标的最大作用距离R_max估算公式为：

其中，L_c为雷达到目标的双程大气衰减，

α为大气衰减率；G₁为有效辐射功率测试时所用标准喇叭增益；G₂为接收灵敏度测试时所用标准喇叭增益；P₂为接收灵敏度测试时功率计或频谱仪的峰值功率读数；η为接收灵敏度测试时功分器两个输出端口间功率比值；λ为雷达工作波长；σ为目标对雷达的反射截面；L_r为接收灵敏度测试时可调衰减器的衰减值分贝读数转化为系数；L₂为接收灵敏度测试时所用连接电缆损耗；L₁为有效辐射功率测试时所用测试电缆和衰减器的总损耗；P₁为有效辐射功率测试时峰值功率计或频谱仪的峰值功率读数；R_L为雷达阵面天线到A端配试标准接收喇叭的距离。

进一步的，步骤4中，对目标起伏类型和波束扫描或形状损失进行修正，构建雷达最大作用距离R_max修正公式为：

式中，

为目标起伏类型修正因子，SNR_f为起伏类型为斯威林I～IV型的起伏目标满足雷达虚警概率和检测概率指标所需的检测信噪比，SNR_c为平稳目标满足虚警概率和检测概率指标所需的检测信噪比；γ₂为扫描损失修正因子，对于机扫搜索雷达，采用辛克波束形状时γ₂＝10^0.086，采用高斯波束形状时γ₂＝10^0.092；对于电扫相控阵雷达，

G₀为电扫相控阵雷达波束在天线阵面法线方向的收发增益积，G_θ为方位电扫相控阵雷达实际工作中波束偏离法线θ角方向的收发增益积。

一种基于静态测试的雷达最大作用距离估计系统，基于所述的基于静态测试的雷达最大作用距离估计方法，实现基于静态测试的雷达最大作用距离估计。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：将雷达方程中反映雷达内在性能的参数，转化为测试系统可计量的参数，从而估计雷达在自由空间中对特定RCS目标的最大作用距离，能够较真实反映雷达系统内在损耗和处理增益下的探测性能，组织试验难度小，试验成本低，既适用于相控阵雷达体制雷达，也适用于常规体制雷达的威力测试验证。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1是试验测试场地示意图。

图2是雷达有效辐射功率测试连接框图。

图3是雷达接收机灵敏度测试连接框图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本发明所述一种基于静态测试的雷达最大作用距离估计方法，其试验测试场地示意图见图1。

对试验测试场地和条件要求：

(1)测试场地开阔通视，无遮挡，附近无强反射物。

(2)雷达波束指向高塔配试设备(喇叭)，波束仰角足够大，使得雷达主波束脱离地面，减小地面影响。

(3)雷达天线到高塔喇叭的距离R_L满足远场条件。

(4)由于静态测试距离较近，且测试一般在良好的气象条件下进行，雷达天线到测试塔的大气衰减可忽略。

试验测试所需配试仪表和设备：

(1)峰值功率计：用于测试射频脉冲功率，频率范围覆盖雷达频段；或者频谱仪：用于测试射频脉冲功率，频率范围覆盖雷达频段。

(2)激光测距仪：用于精确测试距离R_L。

(3)标准喇叭：经过计量校准。

(4)标准可调衰减器：经过计量校准。

(5)测试电缆：经过计量校准。

本发明一种基于静态测试的雷达最大作用距离估计方法，通过外场静态测试方法将雷达方程中反映雷达内在性能的参数，转化为测试系统可计量的参数，从而估计雷达在自由空间中对特定RCS目标的最大作用距离，具体步骤为：

步骤1：通过雷达有效辐射功率测试得到ERP表达式

测试框图：测试连接框图见图2，其中A端配试设备由标准喇叭，衰减器和峰值功率计(或频谱仪)组成，标准喇叭用于接收雷达辐射的信号，衰减器用于保护峰值功率计(或频谱仪)不被大功率烧毁，峰值功率计(或频谱仪)用于测试信号峰值功率。B端配试设备为控制计算机，用于控制峰值功率计(或频谱仪)状态并接收记录测试结果。

测试过程：雷达处于探测发射工作状态，波束对准测试喇叭发射工作，控制计算机远程控制峰值功率计(或频谱仪)测得标准喇叭接收信号经连接电缆和衰减器后的功率P₁。

EPR公式推导：

于是雷达有效辐射功率EPR表达式为

其中，P_t、G_t分别为被试雷达发射功率和发射天线增益

G₁为有效辐射功率测试时所用标准喇叭增益，其值可预先通过计量测试得到L₁为有效辐射功率测试时所用测试电缆和衰减器的总损耗，其值可预先通过计量测试得到；

λ为雷达工作波长，由雷达实际工作频率f_c得到，

c为光速，雷达工作频率可由频率计或频谱仪测得；

R_L为雷达阵面天线到A端配试标准接收喇叭的距离，其值可通过激光测距仪测量得到。

步骤2：通过雷达接收灵敏度测试得到最小检测信噪比SN_min表达式

测试框图：测试连接框图见图3，其中A端配试设备由接收喇叭、衰减器、转发器、功分器、隔离器、可调衰减器、标准喇叭、峰值功率计(或频谱仪)组成。接收喇叭用于接收被试雷达辐射的信号，衰减器用于保护转发器不被大功率信号烧毁，转发器用于对接收的射频脉冲信号进行延迟和调制后转发出去，转发器具有航路仿真功能，可设定仿真目标航路和与径向速度对应的多普勒频率，功分器用于对转发输出信号进行功率分配，隔离器用于减小驻波影响和雷达辐射信号对转发器影响，可调衰减器用于衰减辐射信号功率，可调衰减器可远程受控调节衰减量，辐射标准喇叭用于辐射转发信号，峰值功率计(或频谱仪)用于测量转发脉冲信号峰值功率。B端配试设备为控制计算机，用于控制可调衰减器衰减量，同时用于控制峰值功率计(或频谱仪)状态并接收存储测试结果。

测试过程：被测雷达处于正常探测发射、接收工作状态，被试雷达天线对准A端接收喇叭和辐射喇叭，通过控制计算机将可调衰减器预置衰减量为0dB，雷达发射工作，启动转发器内置的航路仿真器，A端接收喇叭接收雷达辐射的脉冲信号，经转发器按照设定的航路参数进行延时和多普勒调制后转发输出给功分器，功分器输出信号经可调衰减器、标准喇叭向被试雷达阵面天线辐射。雷达阵面天线接收到航路仿真信号后，经接收机、信号处理、点迹检测录取和航迹处理送雷达显控台显示目标点迹数和航迹参数。观察每个帧周期雷达是否检测到仿真目标航路点迹，通过控制计算机逐渐增加可调衰减器调节衰减量，直到雷达检测概率刚好满足发现概率，此时通过控制计算机控制峰值功率计(或频谱仪)测量并记录功分器监测端口输出功率P₂，同时记录可调衰减器的衰减值L_r(可调衰减器的衰减量可预先通过计量测试校准)。

雷达接收灵敏度公式推导：雷达接收机输入端的灵敏度信号功率表达式为

其中，P₂为功率计(或频谱仪)峰值功率读数

L_r为可调衰减器的衰减值分贝读数转化为系数

G₂为灵敏度测试时所用标准喇叭增益，其值可通过计量测试得到

L₂为灵敏度测试时所用连接电缆损耗，其值可通过计量测试得到

G_r为雷达天线接收增益，为未知参数

η为功分器两个输出端口间功率比值(修正系数)，其值可预先通过计量测试得到

M为雷达系统脉压和脉冲积累处理增益，为未知参数

L_s为雷达系统接收处理损耗，为未知参数

注：公式(2)不做P_rmin数值计算。

最小检测信噪比公式推导：折算到雷达接收机输入端的最小检测信噪比SN_min表达式为

其中，P_n为雷达接收机输入端热噪声功率，P_n＝K_bT_sB_n

K_b为玻尔兹曼常数，K_b＝1.38×10^-23

T_s为被试雷达系统噪声温度，为未知参数

B_n为被试雷达接收机噪声带宽，为未知参数

注：公式(3)不做SN_min数值计算。

步骤3：由静态测试参数表达的被试雷达作用距离估算公式推导

根据雷达方程，对雷达反射截面为σ的目标，雷达最大作用距离估算公式为：

其中，L_c为实际探测时，雷达到目标的双程大气衰减，

α为大气衰减率(单位为dB/km)，可通过雷达设计手册查图表得到。其余各参数与步骤2、步骤3中同名参数含义相同。

将公式(1)ERP的表达式和公式(3)SN_min的表达式带入公式(4)并化简得到雷达作用距离估算公式：

可见，最大作用距离估算公式(5)中的参数，除L_c外，全部为前述测试系统静态测量值，且测量时雷达工作状态与探测目标时的工作状态相同，L_c可通过查阅相关雷达设计手册、图表获得。

注意：L_c也与R_max有关，因此估算R_max时应反复迭代计算，使L_c中的R_max与公式左边的R_max趋于相等。

步骤4：对被试雷达最大作用距离估算公式的修正

被试雷达最大作用距离估算公式(5)中没有考虑雷达实际探测过程中目标起伏类型和波束扫描因素，因此需对着两项因素进行修正。

1)目标起伏类型修正因子γ₁

灵敏度测试中的信号源是恒定幅度信号，相当于检测的是非起伏的平稳目标回波，实际目标雷达回波可能是闪烁起伏的，因此雷达距离估算公式中应考虑目标起伏修正因子。

根据需估算的目标起伏类型(斯威林I～IV型)，计算或查图表，得到满足虚警概率和检测概率指标所需的检测信噪比SNR_f，再计算或查图表得到平稳目标(斯威林0型)满足虚警概率和检测概率指标所需的检测信噪比SNR_c。

于是，目标起伏引起的检测信噪比修正因子

2)雷达波束扫描修正因子γ₂

搜索雷达实际工作时，波束是扫描的，会引入扫描损失或波束形状损失，雷达估算公式需要修正。

对于常规机扫搜索雷达，回波幅度受波束形状调制，相对于静态测试状态回波存在损失。设雷达积累脉冲数与扫描时的-3dB波束宽度脉冲数相同，波束为辛克形状，则对点目标探测时的扫描积累损失为0.86dB；若波束形状为高斯形状，则扫描积累损失为0.92dB。即扫描损失修正因子为γ₂＝10^0.086(辛克波束形状)或γ₂＝10^0.092(高斯波束形状)。

对于电扫相控阵雷达，不同扫描角的波束，其天线增益也不同，某些雷达在大扫描角时用积累增益进行补偿，但补偿在各个指向上并一般是不均匀的，因此不同指向的雷达探测威力也不同。可以将雷达阵面放置与转台上，通过按步骤1、步骤2所述方法测试不同扫描角的雷达有效辐射功率和接收灵敏度，带入雷达方程并进行必要的修正，可以估计不同指向的雷达最大作用距离。

对于电扫相控阵雷达，也可以以阵面法线为基准，通过测试法线方向的雷达有效辐射功率和接收灵敏度来估计法线方向的雷达最大作用距离，再根据阵面天线测试得到的，偏离法线方向的不同扫描角增益，来修正不同指向的雷达最大作痛距离。设法线方向收发增益积为G₀、偏离法线θ角方向的收发增益积为G_θ，则扫描增益损失修正因子

3)修正后的雷达最大作用距离估算公式

对公式(5)加入修正因子γ₁和γ₂，得到最终的雷达最大作用距离估算公式：

步骤5：估算自由空间被试雷达最大作用距离

按修正的被试雷达最大作用距离估算公式(6)，根据静态测试测得的参数(R_L、P₁、P₂、L_r、λ)、测试系统计量测试得到的参数(G₁、G₂、L₁、L₂、η)、查阅参数(L_c)和修正系数(γ₁、γ₂)，估算RCS为σ、特定起伏类型目标的自由空间雷达最大作用距离R_max。

综上所述，本发明所述方法解决了相控阵体制雷达整架后难以通过对发射功率、噪声系数等技术参数测试来估计雷达威力的问题，能够较真实反映雷达系统内在损耗和处理增益下的探测性能。该方法相对于雷达威力动态检飞验证试验，具有组织试验难度较小和节省试验成本的优势，可作为雷达设备出厂性能摸底验证的测试手段之一。该方法既适用于相控阵雷达体制雷达，也适用于常规体制雷达的威力测试验证。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于静态测试的雷达最大作用距离估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，基于雷达系统有效辐射功率测试和接收灵敏度测试，构建雷达有效辐射功率表达式和最小可检测信噪比表达式；

步骤2，将雷达有效辐射功率表达式和最小可检测信噪比表达式代入雷达方程，构建雷达对特定RCS目标的最大作用距离估算公式，使雷达方程中的各参数转化为静态测试系统可计量测试的参数；

步骤3，对目标起伏类型和波束扫描或形状损失进行修正，构建雷达对特定RCS目标的最大作用距离修正公式；

步骤4，对静态测试系统参数进行计量校准，完成雷达对特定RCS目标的最大作用距离估计。

2.根据权利要求1所述的基于静态测试的雷达最大作用距离估计方法，其特征在于，步骤1中，基于雷达系统有效辐射功率测试，构建雷达有效辐射功率EPR表达式为：

其中，G₁为有效辐射功率测试时所用标准喇叭增益；L₁为有效辐射功率测试时所用测试电缆和衰减器的总损耗；λ为雷达工作波长；R_L为雷达阵面天线到A端配试标准接收喇叭的距离；P₁为有效辐射功率测试时峰值功率计或频谱仪的峰值功率读数。

3.根据权利要求1所述的基于静态测试的雷达最大作用距离估计方法，其特征在于，步骤2中，基于雷达系统接收灵敏度测试，构建最小检测信噪比SN_min表达式为：

其中，P_rmin为雷达接收机输入端的灵敏度信号功率；P_n为雷达接收机输入端热噪声功率，P_n＝K_bT_sB_n，K_b为玻尔兹曼常数，K_b＝1.38×10^-23；T_s为被试雷达系统噪声温度；B_n为被试雷达接收机噪声带宽；P₂为接收灵敏度测试时功率计或频谱仪的峰值功率读数；L_r为接收灵敏度测试时可调衰减器的衰减值分贝读数转化为系数；G₂为接收灵敏度测试时所用标准喇叭增益；L₂为接收灵敏度测试时所用连接电缆损耗；G_r为雷达天线接收增益；η为接收灵敏度测试时功分器两个输出端口间功率比值；M为雷达系统脉压和脉冲积累处理增益；L_s为雷达系统接收处理损耗；λ为雷达工作波长；R_L为雷达阵面天线到A端配试标准接收喇叭的距离。

4.根据权利要求1所述的基于静态测试的雷达最大作用距离估计方法，其特征在于，步骤3中，将雷达有效辐射功率表达式和最小可检测信噪比表达式代入雷达方程，构建雷达对特定RCS目标的最大作用距离R_max估算公式为：

其中，L_c为雷达到目标的双程大气衰减，

α为大气衰减率；G₁为有效辐射功率测试时所用标准喇叭增益；G₂为接收灵敏度测试时所用标准喇叭增益；P₂为接收灵敏度测试时功率计或频谱仪的峰值功率读数；η为接收灵敏度测试时功分器两个输出端口间功率比值；γ为雷达工作波长；σ为目标对雷达的反射截面；L_r为接收灵敏度测试时可调衰减器的衰减值分贝读数转化为系数；L₂为接收灵敏度测试时所用连接电缆损耗；L₁为有效辐射功率测试时所用测试电缆和衰减器的总损耗；P₁为有效辐射功率测试时峰值功率计或频谱仪的峰值功率读数；R_L为雷达阵面天线到A端配试标准接收喇叭的距离。

5.根据权利要求4所述的基于静态测试的雷达最大作用距离估计方法，其特征在于，步骤4中，对目标起伏类型和波束扫描或形状损失进行修正，构建雷达最大作用距离R_max修正公式为：

式中，

为目标起伏类型修正因子，SNR_f为起伏类型为斯威林I～IV型的起伏目标满足雷达虚警概率和检测概率指标所需的检测信噪比，SNR_c为平稳目标满足虚警概率和检测概率指标所需的检测信噪比；γ₂为扫描损失修正因子，对于机扫搜索雷达，采用辛克波束形状时γ₂＝10^0.086，采用高斯波束形状时γ₂＝10^0.092；对于电扫相控阵雷达，

G₀为电扫相控阵雷达波束在天线阵面法线方向的收发增益积，G_θ为方位电扫相控阵雷达实际工作中波束偏离法线θ角方向的收发增益积。

6.一种基于静态测试的雷达最大作用距离估计系统，其特征在于，基于权利要求1-5任一项所述的基于静态测试的雷达最大作用距离估计方法，实现基于静态测试的雷达最大作用距离估计。

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