CN115343681A - 一种针对空中目标的雷达可探测性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对空中目标的雷达可探测性评价方法，通过计算不同的擦地角和航向角下的输出信噪比和径向速度，并与可见度因子和最小可检测速度相比，来判断目标是否可见。与现有方法相比，本发明的模型更为精确，考虑了不同擦地角和航向角下雷达截面积数据和径向速度的变化，具有更好的适用性，较好地克服了现有技术存在的缺陷。

Description

一种针对空中目标的雷达可探测性评价方法

技术领域

本发明属于雷达探测技术领域，尤其涉及一种针对空中目标的雷达可探测性评价方法。

背景技术

雷达检测能力，按Neyman-Pearson准则可由识别系数来描述，又称为可见度因子。其定义为：在噪声背景下，当目标检测器的输出端提供预定的发现概率和虚警概率时，幅度检波器输入端所需的最小回波脉冲功率S和噪声功率N(或干扰背景下的干扰功率)之比，因此，超过可见度因子的目标回波可被视为雷达可见。

从定义可以看出，可见度因子与雷达探测威力密切相关。目前，常用的目标雷达可见度评估方法大多局限于使用雷达方程，即只考察探测距离的目标可见度，对于探测斜距，计算输出信噪比并判断是否大于可见度因子。此方法操作简单，在无杂波或干扰的情况下能够反映目标是否可被探测。但是雷达回波受强烈的地面杂波的影响，即使斜距满足了探测威力需求，如果目标速度较小，也会由于杂波干扰能量的影响而造成可见度损失，使目标不可见。此外，其他方法在利用雷达方程时，目标雷达截面积和径向速度也往往被设定为一个固定值，而真实情况下目标的雷达截面积和径向速度与擦地角和航向角有关。

为此，现有方法已经不适用于天基雷达的目标可见度评估，需要寻求一种新的目标可见度评估方法。在判断目标是否雷达可见时，不仅要合理设置目标雷达截面积并判断目标斜距是否满足雷达方程探测威力的需求，还需要检测目标径向速度是否大于最小可检测速度。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种最小可检测速度与探测威力联合的空中目标雷达可见度评估方法，通过计算不同的擦地角和航向角下的输出信噪比和径向速度，并与可见度因子和最小可检测速度相比，来判断目标是否可见。本发明的具体技术方案如下：

一种针对空中目标的雷达可探测性评价方法，包括以下步骤：

S1：建立目标外形几何模型，通过电磁仿真计算分析软件和缩比模型测试相结合方法，生成感兴趣频段下，目标在不同的擦地角和航向角下的雷达截面积数据；

S2：利用擦地角计算目标斜距，结合步骤S1获得的雷达截面积数据，计算不同的擦地角和航向角下的信号输出信噪比；

S3：通过仿真或计算，获得当前擦地角下系统的最小可检测速度值；

S4：根据目标的擦地角和航向角，计算目标的径向速度绝对值；

S5：比较步骤S2中得到的目标的输出信噪比与可见度因子，同时比较步骤S4 得到的径向速度绝对值与步骤S3得到的此擦地角下系统的最小可检测速度；

如果目标的输出信噪比大于可见度因子，且径向速度绝对值大于此擦地角下系统的最小可检测速度，则此擦地角和航向角下的目标是雷达可见的。

进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：

S2-1：设卫星圆形轨道高度H，在不考虑大气折射情况下，获得卫星星下点到观察目标的地面距离

其中，R_E为地球半径，γ为目标擦地角；

S2-2：根据

计算目标斜距R_S；

S2-3：获得斜距和雷达截面积数据后，根据基本雷达方程

计算目标的输出信噪比，其中，P_t为平均发射功率，A为天线面积，λ为信号波长，σ为步骤S1中获得的目标雷达截面积，k为波尔兹曼常数，T₀为系统噪声温度，T_a为脉冲累积时间，F_n为接收机噪声系数，L_s表示雷达各部分的损耗，S为信号功率，N为噪声功率。

进一步地，所述步骤S3中：

S3-1：如果雷达采用脉冲多普勒体制，定义最小可检测速度v_min为主瓣零点的两倍处，即

其中，V为雷达平台的速度，D_a为雷达方位向孔径长度；定义v_min为输出信杂噪比达到13dB即90％检测概率所对应的速度即为最小可检测速度；

S3-2：如果雷达采用空时自适应体制，最小可检测速度值受较多因素影响，通过仿真建立杂波和目标回波模型，得到不同速度的输出信杂噪比来确定。

进一步地，所述步骤S4中，设目标航向角为θ，目标擦地角为γ，飞行速度为v_t，则目标的径向速度v_r＝v_tcosθcosγ。

进一步地，所述步骤S5中，

S5-1：比较目标的输出信噪比

与可见度因子，目标的输出信噪比超过可见度因子是雷达可见的必要条件之一；其中，雷达检测能力又称为可见度因子，定义为：在噪声背景下，当提供预定的发现概率和虚警概率时，探测所需的最小回波脉冲功率和噪声功率之比；

S5-2：比较v_r与v_min，目标径向速度绝对值超过最小可检测速度是雷达可见的第二个必要条件；

S5-3：如果目标的输出信噪比＞可见度因子，且v_r＞v_min，则评估此擦地角和航向角下的目标是雷达可见的，否则认为不可见。

进一步地，所述步骤S3-2中，

S3-2-1：将杂波回波看作是波束照射范围内所有距离单元所有散射点的回波叠加，通常对于网格映像法建模，根据距离分辨率和多普勒分辨率，将雷达波束照射区域划分为相互独立的杂波单元，将每个杂波单元当作一个散射点；

S3-2-2：对于每个杂波单元，其雷达散射面积建模为σ_c＝s·σ₀(γ)，其中，s为杂波单元面积，σ₀(γ)为杂波的后向散射系数；

S3-2-3：建立杂波模型后，使用空时自适应的处理方法抑制杂波和噪声。

本发明的有益效果在于：

1.本发明的模型更为精确，适用范围更广。不同观测角度下，目标雷达截面积差异较大，现有采用固定雷达截面积的评估可见度方法将导致评估结果的错误。本发明采用电磁仿真计算分析和缩比模型测试相结合方法，先获得目标联合散射特性，并在计算输出信噪比时考虑了不同擦地角和航向角下雷达截面积数据的变化，能够获得更为精确的结果，较好地克服了现有方法存在的缺陷。

2.现有方法一般只对最小可检测速度或探测威力指标下的雷达可见度分析，其评估分析结果不够全面。本发明基于最小可检测速度与探测威力联合的目标可见度评估方法，其评估内容和结果更具有现实和指导意义，为天基雷达体制和参数设计提供技术支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是不同航向角和擦地角条件下的输出信噪比，单位dB；

图2是输出信噪比超过可见度因子区域(白色部分)；

图3是杂波单元划分示意图；

图4是Morchin模型下后向散射系数随擦地角的变化关系；

图5是输出SCNR随目标径向速度变化曲线；

图6是目标径向速度超过最小可检测速度区域(白色部分)；

图7是雷达目标可见区域(白色部分)；

图8是一种针对空中目标的雷达可探测性评价方法的流程示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明提出一种针对空中目标的雷达可探测性评价方法，与现有方法相比，其模型更为精确，考虑了不同擦地角和航向角下雷达截面积数据和径向速度的变化，具有更好的适用性，较好地克服了现有技术存在的缺陷。

一种针对空中目标的雷达可探测性评价方法，如图8所示，包括以下步骤：

S1：建立目标外形几何模型，通过电磁仿真计算分析软件和缩比模型测试相结合方法，生成感兴趣频段下，目标在不同的擦地角和航向角下的雷达截面积数据；具体地：

S1-1：建立目标外形几何模型；

S1-2：在建立目标外形几何模型的基础上，采用电磁仿真计算分析(例如FekoSuite5.5软件)和缩比模型测试相结合方法，提供目标在不同频率、极化、擦地角和航向角等条件下的联合散射截面积数据。

S2：利用擦地角计算目标斜距，结合步骤S1获得的雷达截面积数据，计算不同的擦地角和航向角下的信号输出信噪比；

S2-1：设卫星圆形轨道高度H，在不考虑大气折射情况下，获得卫星星下点到观察目标的地面距离

其中，R_E为地球半径，γ为目标擦地角；

S2-2：根据

计算目标斜距R_S；

S2-3：获得斜距和雷达截面积数据后，根据基本雷达方程

计算目标的输出信噪比，其中，P_t为平均发射功率，A为天线面积，λ为信号波长，σ为步骤S1中获得的目标雷达截面积，k为波尔兹曼常数，T₀为系统噪声温度，T_a为脉冲累积时间，F_n为接收机噪声系数，L_s表示雷达各部分的损耗，S为信号功率，N为噪声功率。

S3：通过仿真或计算，获得当前擦地角下系统的最小可检测速度值；

S3-1：如果雷达采用脉冲多普勒体制，定义最小可检测速度v_min为主瓣零点的两倍处，即

其中，V为雷达平台的速度，D_a为雷达方位向孔径长度；定义v_min为输出信杂噪比达到13dB即90％检测概率所对应的速度即为最小可检测速度；

S3-2：如果雷达采用空时自适应体制，最小可检测速度值受较多因素影响，通过仿真建立杂波和目标回波模型，得到不同速度的输出信杂噪比来确定。

S4：根据目标的擦地角和航向角，计算目标的径向速度绝对值；设目标航向角为θ，目标擦地角为γ，飞行速度为v_t，则目标的径向速度v_r＝v_tcosθcosγ。

S5：比较步骤S2中得到的目标的输出信噪比与可见度因子，同时比较步骤S4 得到的径向速度绝对值与步骤S3得到的此擦地角下系统的最小可检测速度；

如果目标的输出信噪比大于可见度因子，且径向速度绝对值大于此擦地角下系统的最小可检测速度，则此擦地角和航向角下的目标是雷达可见的。具体地：

S5-1：比较目标的输出信噪比

与可见度因子，目标的输出信噪比超过可见度因子是雷达可见的必要条件之一；其中，雷达检测能力又称为可见度因子，定义为：在噪声背景下，当提供预定的发现概率和虚警概率时，探测所需的最小回波脉冲功率和噪声功率之比；

S5-2：比较v_r与v_min，目标径向速度绝对值超过最小可检测速度是雷达可见的第二个必要条件；

S5-3：如果目标的输出信噪比＞可见度因子，且v_r＞v_min，则评估此擦地角和航向角下的目标是雷达可见的，否则认为不可见。

较佳地，如图3所示，在步骤S3-2中，

S3-2-1：将杂波回波看作是波束照射范围内所有距离单元所有散射点的回波叠加，通常对于网格映像法建模，根据距离分辨率和多普勒分辨率，将雷达波束照射区域划分为相互独立的杂波单元，将每个杂波单元当作一个散射点；

S3-2-2：对于每个杂波单元，其雷达散射面积建模为σ_c＝s·σ₀(γ)，其中，s为杂波单元面积，σ₀(γ)为杂波的后向散射系数。

S3-2-3：建立杂波模型后，使用空时自适应的处理方法抑制杂波和噪声。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明。

实施例1

根据资料建立某型战斗机目标外形几何模型，在此基础上，采用Feko Suite软件仿真和缩比模型测试相结合方法，输入当前雷达系统信号频率、极化等参数，得到目标在不同擦地角和航向角条件下的联合散射截面积数据。

获得目标截面积参数后，利用步骤S2计算得到的输出信噪比，如图1所示，为目标在不同航向角和擦地角条件下的输出信噪比，单位为dB。

设发现概率为0.9，虚警概率为10^-5时，即可见度因子为13dB，图1中输出信噪比超过13dB的区域(满足雷达可见的必要条件之一)如图2中白色部分所示。

利用网格映像法对杂波进行建模，如图3所示，针对每个擦地角，根据距离分辨率和多普勒分辨率，将雷达波束照射区域划分为一个个相互独立的杂波单元，将每个杂波单元当作一个散射点来处理。

对于每个杂波单元，其雷达散射面积为σ_c＝s·σ₀(γ)，其中，s为杂波单元面积，可根据距离分辨率和多普勒分辨率来计算；σ₀(γ)为杂波的后向散射系数，是擦地角的函数，一般可使用Morchin模型计算获得。图4即为利用Morchin模型获得杂波在四级海况和丘陵地形下杂波后向散射系数随擦地角的变化关系。获得杂波后向散射系数和杂波单元面积后，即可获得每个杂波单元的雷达散射面积。

获得每个杂波单元的雷达散射面积后，即可获得每个杂波单元的雷达回波。整个杂波回波信号则可以看作是每个杂波单元的回波叠加。

建立杂波回波模型后，仿真可获得当前雷达系统下，空时自适应的处理方法抑制杂波和噪声的性能。如图5所示，为在四级海况杂波建模、擦地角为10°的条件下，其空时自适应输出信杂噪比(SCNR)随目标径向速度变化曲线，由图可知，在四级海况、擦地角为10°的条件下，检测概率为0.9时的最小可检测速度约为144km/h。

设目标飞行速度为500km/h，利用步骤S4计算目标在不同擦地角和航向角条件下的目标径向速度，超过最小可检测速度144km/h的区域(满足雷达可见的必要条件之二)如图6中白色部分所示。

图7的白色区域为图2和图6白色区域的公共部分，即既满足雷达可见的必要条件之一，也满足雷达可见的必要条件之二，视为当前雷达系统对某型战斗机目标可见区域，目标处于这个擦地角和方位角区域内都可被雷达系统成功检测。由此可见，本发明方法有效适用于天基预警雷达的目标可见度评估。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种针对空中目标的雷达可探测性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立目标外形几何模型，通过电磁仿真计算分析软件和缩比模型测试相结合方法，生成感兴趣频段下，目标在不同的擦地角和航向角下的雷达截面积数据；

S2：利用擦地角计算目标斜距，结合步骤S1获得的雷达截面积数据，计算不同的擦地角和航向角下的信号输出信噪比；

S3：通过仿真或计算，获得当前擦地角下系统的最小可检测速度值；

S4：根据目标的擦地角和航向角，计算目标的径向速度绝对值；

S5：比较步骤S2中得到的目标的输出信噪比与可见度因子，同时比较步骤S4得到的径向速度绝对值与步骤S3得到的此擦地角下系统的最小可检测速度；

如果目标的输出信噪比大于可见度因子，且径向速度绝对值大于此擦地角下系统的最小可检测速度，则此擦地角和航向角下的目标是雷达可见的。

2.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

S2-1：设卫星圆形轨道高度H，在不考虑大气折射情况下，获得卫星星下点到观察目标的地面距离

其中，R_E为地球半径，γ为目标擦地角；

S2-2：根据

计算目标斜距R_s；

S2-3：获得斜距和雷达截面积数据后，根据基本雷达方程

计算目标的输出信噪比，其中，P_t为平均发射功率，A为天线面积，λ为信号波长，σ为步骤S1中获得的目标雷达截面积，k为波尔兹曼常数，T₀为系统噪声温度，T_a为脉冲累积时间，F_n为接收机噪声系数，L_s表示雷达各部分的损耗，S为信号功率，N为噪声功率。

3.根据权利要求1或2所述的评价方法，其特征在于，所述步骤S3中：

S3-1：如果雷达采用脉冲多普勒体制，定义最小可检测速度v_min为主瓣零点的两倍处，即

其中，V为雷达平台的速度，D_a为雷达方位向孔径长度；定义v_min为输出信杂噪比达到13dB即90％检测概率所对应的速度即为最小可检测速度；

S3-2：如果雷达采用空时自适应体制，最小可检测速度值受较多因素影响，通过仿真建立杂波和目标回波模型，得到不同速度的输出信杂噪比来确定。

4.根据权利要求1或2所述的评价方法，其特征在于，所述步骤S4中，设目标航向角为θ，目标擦地角为γ，飞行速度为v_t，则目标的径向速度v_r＝v_tcosθcosγ。

5.根据权利要求1-4之一所述的评价方法，其特征在于，所述步骤S5中，

S5-1：比较目标的输出信噪比

与可见度因子，目标的输出信噪比超过可见度因子是雷达可见的必要条件之一；其中，雷达检测能力又称为可见度因子，定义为：在噪声背景下，当提供预定的发现概率和虚警概率时，探测所需的最小回波脉冲功率和噪声功率之比；

S5-2：比较v_r与v_min，目标径向速度绝对值超过最小可检测速度是雷达可见的第二个必要条件；

S5-3：如果目标的输出信噪比＞可见度因子，且v_r＞v_min，则评估此擦地角和航向角下的目标是雷达可见的，否则认为不可见。

6.根据权利要求3所述的评价方法，其特征在于，所述步骤S3-2中，

S3-2-1：将杂波回波看作是波束照射范围内所有距离单元所有散射点的回波叠加，通常对于网格映像法建模，根据距离分辨率和多普勒分辨率，将雷达波束照射区域划分为相互独立的杂波单元，将每个杂波单元当作一个散射点；

S3-2-2：对于每个杂波单元，其雷达散射面积建模为σ_c＝s·σ₀(γ)，其中，s为杂波单元面积，σ₀(γ)为杂波的后向散射系数；

S3-2-3：建立杂波模型后，使用空时自适应的处理方法抑制杂波和噪声。

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