CN115032605A - 一种基于目标能力画像的雷达目标体系分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于目标能力画像的雷达目标体系分析方法，采用目标能力画像的方法，以视图可视化的形式将雷达的探测范围表现出来，建立虚拟仿真环境下雷达电磁态势的描述机制，根据雷达参数以及地球曲率、地形地物、大气状况、气象等要素，计算雷达探测的最大作用距离，并根据地理信息数据进行地形遮挡判断，得出各个方位角及仰角上的雷达作用范围，进而得到雷达探测覆盖区域，从而以可视化的方式在仿真空间形成雷达探测覆盖范围图。本发明利用目标能力画像方法，以可视化方式分析雷达探测能力，实现对雷达探测能力和地形遮蔽效果的直观、准确、动态、实时描述与判断。

Description

一种基于目标能力画像的雷达目标体系分析方法

技术领域

本发明属于电子信息处理技术，具体涉及一种基于目标能力画像的雷达目标体系分析方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，电子对抗模式日趋多样化，逐渐发展为诸如雷达对抗、通信对抗等新的对抗形式。其中，雷达作为决定对抗胜负的关键要素之一，日益受到研究人员的高度重视，其重要地位越来越加以凸显。随着雷达技术和装备的不断发展，雷达电磁信息作为现代对抗的一个不可或缺的组成部分，就必然要将雷达的各项性能及其探测情况进行分析并加以体现。目前针对雷达威力的分析主要是依据雷达工作参数，依托雷达方程进行探测距离的计算，分析中通常将雷达作用区域看作平面区域，忽略了地球曲率与地形的的影响。而实际情况下，在地势起伏区域，当雷达发射的电磁波在空间传播过程中被起伏的地形表面或地面障碍物遮挡时，会对电磁信号产生屏蔽作用，形成地面雷达遮蔽区域。同时，对于组网多部雷达，威力覆盖则会存在联合作用区域。

另外，为了满足对雷达威力进行分析的需求，通常需要大量的数据以支撑，而参数运算均由CPU完成。但是CPU在负责运算的同时还需兼顾通讯、进程控制等方面工作，并且采用的是串行编程模式，因此还需在许多高性能计算方面进一步加强。

发明内容

本发明提出了一种基于目标能力画像的雷达目标体系分析方法，采用目标能力画像的方法，以视图可视化的形式将雷达的探测范围表现出来，在考虑地球曲率、地形地物、大气状况、气象要素等影响后，建立直观、准确、动态、实时的虚拟仿真环境下雷达电磁态势的描述机制。雷达威力画像根据雷达参数计算作用距离，并根据地理信息数据进行地形遮挡判断，得出各个方位角及仰角上的雷达作用范围，进而得到雷达威力覆盖区域，从而以可视化的方式在仿真空间形成雷达威力覆盖范围图。

实现本发明的技术解决方案为：一种基于目标能力画像的雷达目标体系分析方法，步骤如下：

步骤1、输入雷达工作参数、地理环境数据、杂波描述参数、干扰参数，依次完成雷达工作参数设置、天线参数设置、环境描述，计算相应的天线方向图和大气传播总衰减量；

其中，大气传播总衰减量loss表示为：

式中，γ _an 、γ _cn 、γ _rn 、γ _tn 分别对应为大气气体吸收衰减系数、云雾衰减系数、雨雪衰减系数、树林衰减系数，n _a 、n _c 、n _r 、n _t 分别对应为大气气体吸收影响区域个数、云雾影响区域个数、雨雪影响区域个数、树林影响区域个数，(x _ian ，y _ian ，z _ian )为信号进入大气影响区域的坐标点，(x _oan ，y _oan ，z _oan )为信号射出大气影响区域的坐标点，(x _icn ，y _icn ，z _icn )为信号进入云雾影响区域的坐标点，(x _ocn ，y _ocn ，z _ocn )为信号射出云雾影响区域的坐标点，(x _irn ，y _irn ，z _irn )为信号进入雨雪影响区域的坐标点，(x _orn ，y _orn ，z _orn )为信号射出雨雪影响区域的坐标点，(x _itn ，y _itn ，z _itn )为信号进入和射出树木影响区域的坐标点，(x _otn ，y _otn ，z _otn )为信号射出树木影响区域的坐标点。

步骤2、判断雷达探测是否受到人为干扰而影响探测范围产生变化：

根据输入参数的设置进行判断，如果不存在人为干扰，转入步骤3；若存在人为干扰，则转入步骤4。

步骤3、根据雷达工作参数计算雷达最大作用距离，转入步骤5。

步骤4、根据干扰参数计算干扰，得到干扰环境下的最大作用距离，转入步骤5。

步骤5、根据地理环境数据，计算雷达探测地形遮蔽区，计算地形遮蔽区能够将地形对雷达波束的遮蔽作用简化为波束与地形的相切，从而将地形遮蔽区计算转化为求解与地形障碍物相切的雷达波束的仰角的运算，得到地物遮蔽条件下雷达威力，转入步骤6。

步骤6、根据实时计算的干扰环境下雷达最大作用距离、地物遮蔽条件下雷达最大作用距离，利用可视化方式生成雷达威力图。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：针对电磁对抗中雷达能力表征问题，采用基于目标能力画像的雷达目标体系分析方法。将雷达的威力覆盖区域用可视化的方式进行表征描述，并对雷达的探测能力及地形遮蔽影响进行分析。在现有情况下，能够有效的实现雷达威力直观、准确、动态、实时的描述和地形遮蔽效果的判断。

附图说明

图1为本发明的天线方向图计算流程图。

图2为本发明的雷达威力分析并行处理流程图。

图3为本发明的雷达能力画像流程图。

图4为本发明的基于目标能力画像的雷达目标体系分析方法流程图。

图5为本发明的单部雷达威力覆盖图。

图6为本发明的多部雷达威力覆盖图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。

结合图4，一种基于目标能力画像的雷达目标体系分析方法，步骤如下：

步骤1、输入雷达工作参数、地理环境数据、杂波描述参数、干扰参数，依次完成雷达工作参数设置、天线参数设置、环境描述（包括经纬度、雨雪天气、空气湿度、云雾浓度、植被覆盖），计算相应的天线方向图和大气传播衰减。

根据天线的参数，如天线转速、天线定向、转动方向，结合天线方向图计算，获得探测范围内的接收信号增益G _Ra 。天线方向图可以采用理论公式计算或是手动方式录入，效果如图1所示。

雷达探测时，电磁波信号主要受到大气层条件的影响，包括大气气体吸收、云雾、沙尘、雨雪的衰减影响，其与频率、天气条件以及系统可用度相关。大气传播总衰减量loss可以表示为：

式中，γ _an 、γ _cn 、γ _rn 、γ _tn 分别是大气气体吸收衰减系数、云雾衰减系数、雨雪衰减系数和树林衰减系数，n _a 、n _c 、n _r 、n _t 分别是大气气体吸收影响区域、云雾影响区域、雨雪影响区域和树林影响区域个数，(x _ian ，y _ian ，z _ian )和(x _oan ，y _oan ，z _oan )是信号进入和射出大气影响区域的坐标点，(x _icn ，y _icn ，z _icn )和(x _ocn ，y _ocn ，z _ocn )是信号进入和射出云雾影响区域的坐标点，(x _irn ，y _irn ，z _irn )和(x _orn ，y _orn ，z _orn )是信号进入和射出雨雪影响区域的坐标点，(x _itn ，y _itn ，z _itn )和(x _otn ，y _otn ，z _otn )是信号进入和射出树木影响区域的坐标点。

步骤2、判断雷达探测是否受到人为干扰而影响探测范围产生变化。在信息对抗中，为了破坏或毁伤了雷达的正常工作，往往会采用一些先进的对抗措施，如压制干扰、欺骗干扰等，所以使得雷达的探测性能降低。因此，可以根据输入参数的设置进行判断，如果不存在人为干扰，转入步骤3；否则，若存在人为干扰，则转入步骤4。

步骤3、根据雷达工作参数进行雷达作用距离计算。雷达的最基本任务是探测目标，所以，作用距离是雷达的重要性能指标之一，作用距离的大小取决于雷达本身的性能，包含有发射、接收、天线等系统参数，也与目标性质及所处环境等因素有关。

设雷达的发射功率为P _Ra ，雷达天线增益为G _Ra ，目标与雷达天线的距离为R，目标散射面积为

，雷达工作波长为

，信号大气传播损耗为L _r ，则接收回波功率P _r 如下：

雷达若要能够可靠的发现目标，需要保证其接收到的目标回波信号功率超过最小可检测功率S _min，所以当P _r 恰好等于最小可检测功率S _min时，可得到雷达的最大作用距离R _max：

由于雷达天线实际上是具有一定的波束宽度以及旁瓣，而干扰信号又是主要从旁瓣进入的，因此，在考虑雷达天线方向图的情况下，雷达最大作用距离

表示为：

式中

为雷达天线方向图函数，θ为方位角。

步骤4、根据干扰参数进行干扰计算。雷达干扰主要是利用雷达是在噪声背景下基于一定检测概率准则对目标进行检测这一基本原理，通过干扰机发射比较强的干扰信号进入雷达接收机，从而提高干扰信号的功率，从而尽可能的减弱有用目标回波信号的信噪比，使雷达对目标的检测能力减弱。在存在干扰的情况下，雷达接收机接收的干扰功率

可表示为：

式中，P _j 为干扰机发射功率，G _j 为干扰机天线增益；G ₁为雷达天线增益；λ为雷达工作波长；R _j 为雷达与干扰机间的距离；L _j 为干扰发射机综合损耗；L _pol 为干扰信号的极化损耗；L _r 为雷达接收机的综合损耗；L _Atm 为干扰信号传播过程中的大气损耗。

如果忽略干扰信号的大气传播衰减，则雷达接收的干扰信号功率

和目标回波信号的功率P _r 比值，即干信比表示为：

因为，干扰机干扰最终目的就是通过发射干扰信号到达雷达接收机，使被干扰雷达接收信号的信干比变小，雷达无法完成对目标的正常检测，从而达到干扰效果。在实际情况下，由于雷达内部热噪声与干扰信号功率相比很小以致于可以忽略，所以，雷达在有干扰机干扰情况下的最大探测距离

表示为：

步骤5、根据地理环境数据，计算雷达探测地形遮蔽区。地形遮蔽区计算以地理信息数据为支撑，目的是得出雷达探测各个方位角上地形对雷达波束的遮蔽作用。地形遮蔽区计算可以将地形对雷达波束的遮蔽作用简化为波束与地形的相切，从而将地形遮蔽区计算转化为求解与地形障碍物相切的雷达波束的仰角

的运算，仰角

的表达式为：

式中，h为雷达距地的高度，H为地形障碍物高度，r _e 为地球等效半径，R为雷达到地形障碍物的探测距离，可以表示为：

式中，(L _r ，B _r )为雷达架设经、纬度，(L _e ，B _e )为地形障碍物所处经、纬度。

地形遮蔽区的获取是根据全方位各距离单元对应的地形高度数据进行地形遮蔽区计算，其计算步骤为：

5-1）按照地理信息数据大地坐标精度在雷达作用距离上划分距离单元；

5-2）计算各距离单元对应地形的地心高度；

5-3）根据各距离单元内地形地心高度，利用球心直角坐标变换公式计算各距离单元对应地形对雷达波束遮蔽的最大仰角；

5-4）以仰角分辨力为间隔在雷达俯仰探测范围内划分角度单元；

5-5）计算某一方位角度单元的雷达波束遮蔽角；

5-6）计算雷达威力覆盖范围内的地形遮蔽区。

步骤6、雷达能力画像根据实时计算的干扰环境下雷达威力、地物遮蔽条件下雷达威力，利用目标能力画像生成雷达威力图。

在雷达目标体系分析中，雷达威力范围是针对雷达探测区域的所有方位进行雷达作用距离计算和地形遮蔽区计算。在计算过程中，由于雷达不同探测指向上的环境因素和地形因素各不相同，所以雷达作用距离在每一个方位向上均有可能不同，需要单独计算，因此即使是按照1°的角度分辨力来划分方位角，在雷达威力范围分析中也需要进行360次雷达威力分析计算。而且由于组网雷达的存在，需要同时对多部雷达的威力进行计算，因此运算量更加繁重。所以，本算法根据各部雷达间以及同一部雷达各方位间的雷达威力分析计算彼此间相互独立的特点，利用GPU的并行计算能力来提高运算效率。

在雷达威力分析的GPU并行计算中，由于GPU纹理存储结构为二维数组，所以将各部雷达方位角对应数据设置在纹理数据的M×N（为雷达个数，N为单部雷达方位计算个数）行中，然后将雷达作用距离划分为多个距离单元，然后针对每个距离单元进行并行计算，最终将不同方位角上各个距离单元对应的数据汇总输出。由此构成的纹理结构如图2所示，图中，Data _RmAn 表示第m部雷达第n个方位角对应数据。

雷达能力画像根据其实现过程，各个环节间组成关系如图3所示。

实验采用本发明提出的基于目标能力画像的雷达目标体系分析方法，并以单部雷达和多部雷达的威力分析来进行实验验证和检验，通过本文的算法，对于单部雷达和多部雷达的威力区域均可实现较直观的可视化描述，如图5、图6所示，图中不同标号的封闭曲线表示不同高度层对应的雷达威力范围，1表示500米垂直地面高度，2表示1000米垂直地面高度，3表示2000米垂直地面高度，4表示3000米垂直地面高度。

Claims (6)

1.一种基于目标能力画像的雷达目标体系分析方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1、输入雷达工作参数、地理环境数据、杂波描述参数、干扰参数，依次完成雷达工作参数设置、天线参数设置、环境描述，计算相应的天线方向图和大气传播总衰减量；

其中，大气传播总衰减量loss表示为：

式中，γ _an 、γ _cn 、γ _rn 、γ _tn 分别对应为大气气体吸收衰减系数、云雾衰减系数、雨雪衰减系数、树林衰减系数，n _a 、n _c 、n _r 、n _t 分别对应为大气气体吸收影响区域个数、云雾影响区域个数、雨雪影响区域个数、树林影响区域个数，(x _ian ，y _ian ，z _ian )为信号进入大气影响区域的坐标点，(x _oan ，y _oan ，z _oan )为信号射出大气影响区域的坐标点，(x _icn ，y _icn ，z _icn )为信号进入云雾影响区域的坐标点，(x _ocn ，y _ocn ，z _ocn )为信号射出云雾影响区域的坐标点，(x _irn ，y _irn ，z _irn )为信号进入雨雪影响区域的坐标点，(x _orn ，y _orn ，z _orn )为信号射出雨雪影响区域的坐标点，(x _itn ，y _itn ，z _itn )为信号进入和射出树木影响区域的坐标点，(x _otn ，y _otn ，z _otn )为信号射出树木影响区域的坐标点；

步骤2、判断雷达探测是否受到人为干扰而影响探测范围产生变化：

根据输入参数的设置进行判断，如果不存在人为干扰，转入步骤3；若存在人为干扰，则转入步骤4；

步骤3、根据雷达工作参数计算雷达最大作用距离，转入步骤5；

步骤4、根据干扰参数计算干扰，得到干扰环境下的最大作用距离，转入步骤5；

步骤5、根据地理环境数据，计算雷达探测地形遮蔽区，计算地形遮蔽区能够将地形对雷达波束的遮蔽作用简化为波束与地形的相切，从而将地形遮蔽区计算转化为求解与地形障碍物相切的雷达波束的仰角的运算，得到地物遮蔽条件下雷达威力，转入步骤6；

步骤6、根据实时计算的干扰环境下雷达最大作用距离、地物遮蔽条件下雷达最大作用距离，利用可视化方式生成雷达威力图。

2.根据权利要求1所述的基于目标能力画像的雷达目标体系分析方法，其特征在于：环境描述包括经纬度、雨雪天气、空气湿度、云雾浓度、植被覆盖。

3.根据权利要求2所述的基于目标能力画像的雷达目标体系分析方法，其特征在于，步骤3中，根据雷达工作参数计算雷达最大作用距离，具体如下：

设雷达的发射功率为P _Ra ，雷达天线增益为G _Ra ，目标与雷达天线的距离为R，目标散射面积为

，雷达工作波长为

，信号大气传播损耗为L _r ，则接收回波功率P _r 如下：

雷达若要能够可靠的发现目标，需要保证其接收到的目标回波信号功率超过最小可检测功率S _min，所以当P _r 恰好等于最小可检测功率S _min时，在考虑雷达天线方向图的情况下，雷达最大作用距离

表示为：

式中，

为雷达天线方向图函数，θ为方位角。

4.根据权利要求2所述的基于目标能力画像的雷达目标体系分析方法，其特征在于，步骤4中，根据干扰参数计算干扰，得到干扰环境下的最大作用距离

，具体如下：

在存在干扰的情况下，雷达接收机接收的干扰信号功率

表示为：

式中，P _j 为干扰机发射功率，G _j 为干扰机天线增益；G ₁为雷达在干扰方向的天线增益；

为雷达工作波长；R _j 为雷达与干扰机间的距离；L _j 为干扰发射机综合损耗；L _pol 为干扰信号的极化损耗；L _r 为雷达接收机的综合损耗；L _Atm 为干扰信号传播过程中的大气损耗；

如果忽略干扰信号的大气传播衰减，则雷达接收的干扰信号功率

和目标回波信号的功率P _r 比值，即干信比表示为：

其中，P _Ra 为雷达的发射功率，G _Ra 为雷达天线增益，R为目标与雷达天线的距离；

雷达在有干扰机干扰情况下的最大探测距离

表示为：

其中， S _JRmin为有干扰机干扰情况下的最小可检测功率。

5.根据权利要求4所述的基于目标能力画像的雷达目标体系分析方法，其特征在于，步骤5中，根据地理环境数据，计算雷达探测地形遮蔽区，具体如下：

地形遮蔽区的获取是根据全方位各距离单元对应的地形高度数据进行地形遮蔽区计算，其计算步骤为：

5-1）按照地理信息数据大地坐标精度在雷达作用距离上划分距离单元；

5-2）计算各距离单元对应地形的地心高度；

5-3）根据各距离单元内地形地心高度，利用球心直角坐标变换公式计算各距离单元对应地形对雷达波束遮蔽的最大仰角；

5-4）以仰角分辨力为间隔在雷达俯仰探测范围内划分角度单元；

5-5）计算某一方位角度单元的雷达波束遮蔽角；

5-6）计算雷达威力覆盖范围内的地形遮蔽区。

6.根据权利要求5所述的基于目标能力画像的雷达目标体系分析方法，其特征在于，步骤5中，计算地形遮蔽区能够将地形对雷达波束的遮蔽作用简化为波束与地形的相切，从而将地形遮蔽区计算转化为求解与地形障碍物相切的雷达波束的仰角

的运算，仰角

的表达式为：

式中，h为雷达距地的高度，H为地形障碍物高度，r _e 为地球等效半径，雷达到地形障碍物的探测距离R表示为：

式中，(L _r ，B _r )为雷达架设的经纬度，(L _e ，B _e )为地形障碍物所处的经纬度。

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