CN116482690A - 一种船载相控阵雷达对船只rcs测量精度评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种船载相控阵雷达对船只RCS测量精度评估方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤1、获取船载相控阵雷达对运动船只的RCS测量结果；步骤2、进行距离探测精度评估；步骤3、进行测角精度评估；步骤4、进行RCS实测精度评估；步骤5、给出评估结果，输出RCS实测精度结果，根据测量环境与实际误差需求，确定目标RCS测量精度是否满足评估要求，如不满足需求，需要的对测试场地、测试设备及测试方法进行修正。该方法弥补了船载运动平台对运动船只RCS测量精度评估方法的空白，从距离探测、角度探测和RCS实测多角度对RCS测量精度进行了评估，评估方法更完善。
Description
技术领域
本发明涉及海事雷达精度评估技术领域，尤其涉及一种船载相控阵雷达对船只RCS测量精度评估方法。
背景技术
目标雷达截面积(Radar Cross Section，RCS)是雷达测量对象的雷达散射截面积，它描述了目标对入射电磁波的散射能力，能够反映目标尺寸、形状、材质等物理特性，是目标识别的一类重要信息。
船载运动平台指雷达以水面工具为载体的安装形式，对水面运动的船只进行RCS的测量。如果雷达工作状态或水面测量条件不稳定，对船只RCS的测量精度会受到影响，因此需要对RCS测量精度进行评估。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量精度评估方法，对测量设备测量结果的精度进行评价，判断其是否满足指标要求。
本发明的技术方案是提供了一种船载相控阵雷达对船只RCS测量精度评估方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1、获取船载相控阵雷达对运动船只的RCS测量结果；
步骤2、进行距离探测精度评估；
距离探测精度取决于噪声以及系统残留延迟，对距离探测精度进行评估时，分别评估噪声误差、多普勒频率漂移对线性调频信号引入的脉冲压缩时延误差、距离量化误差、接收通道校准后的残留随机时延误差和其它误差，距离探测精度计算公式为：
其中，σR为总距离探测不确定度，σRi为各测距误差影响因子；
步骤3、进行测角精度评估；
测角精度取决于信噪比引起的误差、零深误差、幅度不平衡引起的误差、相位不平衡引起的误差和波束指向误差，对测角精度进行评估时，应分别评估信噪比引起的误差、零深误差、幅度不平衡引起的误差、相位不平衡引起的误差和波束指向误差，计算测角精度计算公式为：
其中，σθ为总测角不确定度，σθi为各测角误差影响因子；
步骤4、进行RCS实测精度评估；
对RCS实测精度进行评估时，应至少分别评估天线指向性误差、背景－目标相互作用引起的误差、交叉极化引起的误差、飘移引起的误差、频率引起的误差、积累引起的误差、I-Q不平衡引起的误差、近场引起的误差、噪声－背景引起的误差、非线性引起的误差、距离引起的误差、目标方向引起的误差；
计算RCS实测精度：
其中，σtotal为总RCS实测不确定度，σtotali为各误差影响因子；
步骤5、给出评估结果，输出RCS实测精度结果，根据测量环境与实际误差需求，确定目标RCS测量精度是否满足评估要求，如不满足需求，需要的对测试场地、测试设备及测试方法进行修正。
进一步地，步骤2中：
步骤2.1、评估噪声误差：
其中，c为光速，B为带宽，SNR为信噪比。
步骤2.2、评估多普勒频率漂移对线性调频信号引入的脉冲压缩时延误差：
其中，Vm为目标速度，f0为工作频率，τ为线性调频脉冲宽度，B为带宽。
步骤2.3、评估距离量化误差：
其中，c为光速，fs为采样频率。
步骤2.4、评估接收通道校准后的残留随机时延误差：
σR4＝2m
m为单位米。
步骤2.5、评估其它误差，其他误差包括传播、闪烁、调频波形等所引起的误差：
σR5＝1m
m为单位米。
步骤2.6、计算距离探测精度：
其中，σR为总距离探测不确定度，σRi为各测距误差影响因子，由上述步骤2.1-2.5决定。
进一步地，步骤3通过以下方式实现：
步骤3.1、评估信噪比引起的误差：
其中，θ3dB为波束宽度，SNR为信噪比。
步骤3.2、评估零深误差：
其中，ZD为零深，k为归一化鉴角斜率。
步骤3.3、评估幅度不平衡引起的误差：
其中，θ3dB为波束宽度，Aub为幅度不均衡因子。
步骤3.4、评估相位不平衡引起的误差：
其中，θ3dB为波束宽度，Pub为相位不均衡因子，ZD为零深，k为归一化鉴角斜率。
步骤3.5、评估波束指向误差：
σθ5＝0.02θ3dB
其中，θ3dB为波束宽度。
步骤3.6、计算测角精度：
其中，σθ为总测角不确定度，σθi为各测角误差影响因子，由上述步骤3.1-3.5决定。
进一步地，步骤4中：
步骤4.1、评估天线指向性误差：
天线指向性误差指目标是否被天线最大增益照射，即雷达位置指向被测目标的向量与天线波束指向的夹角所对应的天线方向图增益与天线波束指向位置方向图增益之差；假设天线方向图特性符合余弦函数cos2,其最大增益为G0；由天线增益衰减导致的指向误差所造成的RCS测量不确定度，天线增益衰减因子G/G0可表示为：
其中θ0为3dB波束宽度的一半，θ为最差指向性误差，根据上式，得到天线指向性误差引起的不确定度为：
步骤4.2、评估背景－目标相互作用引起的误差：
背景－目标相互作用引起的不确定度通过测量进行估算；；
步骤4.3、评估交叉极化引起的误差：
如果雷达系统极化隔离做得不充分，交叉极化会产生很大的测量误差：
其中，εp为天线极化隔离度，εp＝20lg(Rv/Rh)；RV为主极化下的增益，RH为交叉极化下的增益，这里下标v，h指的是分子分母不同极化；
步骤4.4、评估飘移引起的误差：
对于测量系统中由飘移引起的不确定度，可通过长时间对固定目标的测量来判定；飘移数据的采集时间要求在3h以上；周期是基于典型测试的时长；飘移引起的不确定度通过测量确定；
步骤4.5、评估频率引起的误差：
对于被测目标，其不确定度分析与定标体相同，不同频率引起的误差不同；
对于C波段雷达f＝5.6GHz时，
对于X波段雷达f＝9.6GHz时，
对于Ku波段雷达f＝16.5GHz时，
对于Ka波段雷达，误差较小可以忽略，即
步骤4.6、评估积累引起的误差：
步骤4.7、评估I-Q不平衡引起的误差：
步骤4.8、评估近场引起的误差：
步骤4.9、评估噪声－背景引起的误差：
系统噪声将对测量误差造成影响；如果以dB数表示的信噪比(或信杂比)为其中，S为信号功率，N为噪声功率，SNR为信噪比；则对于信号S，其不确定度计算公式为
步骤4.10、评估非线性引起的误差：
如果把定标体信号作为功率参考电平，不确定度取0；
步骤4.11、评估距离引起的误差：
距离引起的RCS测量不确定度表示为
式中：σR为总距离探测不确定度，R为目标距离；
步骤4.12、评估目标方向引起的误差：
步骤4.13、计算RCS实测精度：
其中，σtotal为总RCS实测不确定度，σtotali为实测精度各误差影响因子。
本发明相比于现有技术的优点在于：
该方法弥补了船载运动平台对运动船只RCS测量精度评估方法的空白，从距离探测、角度探测和RCS实测多角度对RCS测量精度进行了评估，评估方法更完善。
附图说明
附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所讨论的实施例。
图1为本申请实施例的船载相控阵雷达对船只RCS测量精度评估方法流程示意图。
图2为本申请实施例的评估距离探测精度流程示意图。
图3为本申请实施例的评估测角精度流程示意图。
图4为本申请实施例的评估RCS实测精度流程示意图。
具体实施方式
为了能够更加详尽地了解本申请实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本申请实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本申请实施例。
如图1所示，该实施例提供了一种船载相控阵雷达对船只RCS测量精度评估方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、获取船载相控阵雷达对运动船只的RCS测量结果；
雷达距离方程为：
其中，Pr为待测运动船只接收功率，Pt为发射功率，G为天线增益，λ为信号波长，R为待测运动船只目标距离，σ为待测运动船只RCS。
由此可知，其他参数一定时，待测运动船只接收功率Pr与待测运动船只RCSσ成正比，可根据待测运动船只接收功率确定。
因此，可保持其他参数固定不变，对待测运动船只进行定标，即：
其中，σ0为已知目标RCS，σ为待测运动船只RCS，P0为已知目标接收功率，Pr为待测运动船只接收功率。
根据上式可获取船载相控阵雷达对运动船只的RCS测量结果。
步骤2、评估距离探测精度；
距离探测精度主要取决于噪声以及系统残留延迟等因素，对距离探测精度进行评估时，应分别评估噪声误差、多普勒频率漂移对线性调频信号引入的脉冲压缩时延误差、距离量化误差、接收通道校准后的残留随机时延误差和其它误差，如图2所示，评估距离探测精度包括以下步骤：
步骤2.1、评估噪声误差：
其中，c为光速，B为带宽，SNR为信噪比。
步骤2.2、评估多普勒频率漂移对线性调频信号引入的脉冲压缩时延误差：
其中，Vm为目标速度，f0为工作频率，τ为线性调频脉冲宽度，B为带宽。
步骤2.3、评估距离量化误差：
其中，c为光速，fs为采样频率。
步骤2.4、评估接收通道校准后的残留随机时延误差：
σR4＝2m
m为单位米。
步骤2.5、评估其它误差，其他误差包括传播、闪烁、调频波形等所引起的误差：
σR5＝1m
m为单位米。
步骤2.6、计算距离探测精度：
其中，σR为总距离探测不确定度，σRi为各测距误差影响因子，由上述步骤2.1-2.5决定。
步骤3、评估测角精度；
测角精度主要由信噪比引起的误差、零深误差、幅度不平衡引起的误差、相位不平衡引起的误差、波束指向误差等几方面影响，对测角精度进行评估时，应分别评估信噪比引起的误差、零深误差、幅度不平衡引起的误差、相位不平衡引起的误差和波束指向误差，如图3所示，评估测角精度包括以下步骤：
步骤3.1、评估信噪比引起的误差：
其中，θ3dB为波束宽度，SNR为信噪比。
步骤3.2、评估零深误差：
其中，ZD为零深，k为归一化鉴角斜率。
步骤3.3、评估幅度不平衡引起的误差：
其中，θ3dB为波束宽度，Aub为幅度不均衡因子。
步骤3.4、评估相位不平衡引起的误差：
其中，θ3dB为波束宽度，Pub为相位不均衡因子，ZD为零深，k为归一化鉴角斜率。
步骤3.5、评估波束指向误差：
σθ5＝0.02θ3dB
其中，θ3dB为波束宽度。
步骤3.6、计算测角精度：
其中，σθ为总测角不确定度，σθi为各测角误差影响因子，由上述步骤3.1-3.5决定。
步骤4、评估RCS实测精度；
对RCS实测精度进行评估时，应分别评估天线指向性误差、背景－目标相互作用引起的误差、交叉极化引起的误差、飘移引起的误差、频率引起的误差、积累引起的误差、I-Q不平衡引起的误差、近场引起的误差、噪声－背景引起的误差、非线性引起的误差、距离引起的误差、目标方向引起的误差，如图4所示，评估RCS实测精度包括以下步骤：
步骤4.1、评估天线指向性误差：
天线指向性误差主要指目标是否被天线最大增益照射，即雷达位置指向被测目标的向量与天线波束指向的夹角所对应的天线方向图增益与天线波束指向位置方向图增益之差。
假设天线方向图特性符合余弦函数cos2,其最大增益为G0。由天线增益衰减导致的指向误差所造成的RCS测量不确定度，天线增益衰减因子G/G0可表示为：
其中θ0为3dB波束宽度的一半，θ为最差指向性误差，根据上式，得到天线指向性误差引起的不确定度为：
步骤4.2、评估背景－目标相互作用引起的误差：
背景－目标耦合的影响很难完全采用解析的方法来分析和解决，一般可以通过实验测量来研究不同目标－海杂波的耦合散射。目前，多数RCS测试场在分析海杂波耦合散射的影响时，通常认为这部分不确定度不可忽视。背景－目标相互作用引起的不确定度通过测量进行估算。
步骤4.3、评估交叉极化引起的误差：
如果雷达系统极化隔离做得不充分，交叉极化会产生很大的测量误差：
其中，εp为天线极化隔离度，εp＝20lg(Rv/Rh)。RV为主极化下的增益，RH为交叉极化下的增益，这里下标v，h并不特指水平与垂直极化，指的是分子分母不同极化。
步骤4.4、评估飘移引起的误差：
对于测量系统中由飘移引起的不确定度，可通过长时间对固定目标的测量来判定。飘移数据的采集时间要求在3h以上。这个周期是基于典型测试的时长。飘移引起的不确定度通过测量确定。
步骤4.5、评估频率引起的误差：
对于被测目标，其不确定度分析与定标体相同，不同频率引起的误差不同。
对于C波段雷达f＝5.6GHz时，
对于X波段雷达f＝9.6GHz时，
对于Ku波段雷达f＝16.5GHz时，
对于Ka波段雷达，误差较小可以忽略，即
步骤4.6、评估积累引起的误差：
积分不确定度来源于单脉冲时长内目标运动。RCS测量中可以通过对目标回波的相参积累来提高测量信噪比，进而减小噪声对测量不确定度的影响。对于准静态测试(目标移动速度较慢，而脉冲重复周期又较小)，积分误差一般不是影响RCS不确定度的关键因素。
步骤4.7、评估I-Q不平衡引起的误差：
由于现代先进RCS测量雷达多采用数字I-Q接收机，其通道不平衡可以校准到一个较理想的水平，因此该项因素一般不是影响RCS测量不确定度的关键因素。
步骤4.8、评估近场引起的误差：
对照射影响的完整分析非常困难，而且也未必有实际意义。因此，使用上往往采用比较简单的粗略估计方法来评估照射的影响，一般通过在目标图像域(目标的径向距离和横向距离空间)估计出散射源的峰－峰幅度变化。这样，0.5dB的锥削将产生0.5dB的RCS不确定度分量。如果可以保证目标上某主要散射中心被相对均匀地照射，则就可以相应地减小RCS不确定度。
步骤4.9、评估噪声－背景引起的误差：
系统噪声将对测量误差造成影响。如果以dB数表示的信噪比(或信杂比)为其中，S为信号功率，N为噪声功率，SNR为信噪比；则对于信号S，其不确定度计算公式为
步骤4.10、评估非线性引起的误差：
如果把定标体信号作为功率参考电平，不确定度可以取0。
步骤4.11、评估距离引起的误差：
根据“评估距离探测精度”的结果，可计算距离引起的RCS测量不确定度可表示为
式中：σR为总距离探测不确定度，R为目标距离。
步骤4.12、评估目标方向引起的误差：
由于RCS测量所关心的只是峰值与旁瓣的包络电平(大多数RCS测量确实如此)，则目标指向导致的不确定度大体上可忽略不计。
步骤4.13、计算RCS实测精度：
其中，σtotal为总RCS实测不确定度，σtotali为各误差影响因子，由上述步骤4.1-4.12决定。
步骤5、给出评估结果。
输出RCS实测精度结果，根据测量环境与实际误差需求，确定目标RCS测量精度是否满足评估要求，如不满足需求，需要的对测试场地、测试设备及测试方法进行修正，降低不确定度分量，提高测量精度。
本实施例中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员而言，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本实施例内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种船载相控阵雷达对船只RCS测量精度评估方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1、获取船载相控阵雷达对运动船只的RCS测量结果；
步骤2、进行距离探测精度评估；
距离探测精度取决于噪声以及系统残留延迟，对距离探测精度进行评估时，分别评估噪声误差、多普勒频率漂移对线性调频信号引入的脉冲压缩时延误差、距离量化误差、接收通道校准后的残留随机时延误差和其它误差，距离探测精度计算公式为：
其中，σR为总距离探测不确定度，σRi为各测距误差影响因子；
步骤3、进行测角精度评估；
测角精度取决于信噪比引起的误差、零深误差、幅度不平衡引起的误差、相位不平衡引起的误差和波束指向误差，对测角精度进行评估时，应分别评估信噪比引起的误差、零深误差、幅度不平衡引起的误差、相位不平衡引起的误差和波束指向误差，计算测角精度计算公式为：
其中，σθ为总测角不确定度，σθi为各测角误差影响因子；
步骤4、进行RCS实测精度评估；
对RCS实测精度进行评估时，应至少分别评估天线指向性误差、背景－目标相互作用引起的误差、交叉极化引起的误差、飘移引起的误差、频率引起的误差、积累引起的误差、I-Q不平衡引起的误差、近场引起的误差、噪声－背景引起的误差、非线性引起的误差、距离引起的误差、目标方向引起的误差；
计算RCS实测精度：
其中，σtotal为总RCS实测不确定度，σtotali为各误差影响因子；
步骤5、给出评估结果，输出RCS实测精度结果，根据测量环境与实际误差需求，确定目标RCS测量精度是否满足评估要求，如不满足需求，需要的对测试场地、测试设备及测试方法进行修正。
2.根据权利要求1所述的船载相控阵雷达对船只RCS测量精度评估方法，其特征在于：步骤2中：
步骤2.1、评估噪声误差：
其中，c为光速，B为带宽，SNR为信噪比；
步骤2.2、评估多普勒频率漂移对线性调频信号引入的脉冲压缩时延误差：
其中，Vm为目标速度，f0为工作频率，τ为线性调频脉冲宽度，B为带宽；
步骤2.3、评估距离量化误差：
其中，c为光速，fs为采样频率；
步骤2.4、评估接收通道校准后的残留随机时延误差：
σR4＝2m
m为单位米；
步骤2.5、评估其它误差，其他误差包括传播、闪烁、调频波形等所引起的误差：
σR5＝1m
m为单位米；
步骤2.6、计算距离探测精度：
其中，σR为总距离探测不确定度，σRi为各测距误差影响因子，由上述步骤2.1-2.5决定。
3.根据权利要求1所述的船载相控阵雷达对船只RCS测量精度评估方法，其特征在于：步骤3通过以下方式实现：
步骤3.1、评估信噪比引起的误差：
其中，θ3dB为波束宽度，SNR为信噪比；
步骤3.2、评估零深误差：
其中，ZD为零深，k为归一化鉴角斜率；
步骤3.3、评估幅度不平衡引起的误差：
其中，θ3dB为波束宽度，Aub为幅度不均衡因子；
步骤3.4、评估相位不平衡引起的误差：
其中，θ3dB为波束宽度，Pub为相位不均衡因子，ZD为零深，k为归一化鉴角斜率；
步骤3.5、评估波束指向误差：
σθ5＝0.02θ3dB
其中，θ3dB为波束宽度；
步骤3.6、计算测角精度：
其中，σθ为总测角不确定度，σθi为各测角误差影响因子，由上述步骤3.1-3.5决定。
4.根据权利要求1所述的船载相控阵雷达对船只RCS测量精度评估方法，其特征在于：步骤4中：
步骤4.1、评估天线指向性误差：
天线指向性误差指目标是否被天线最大增益照射，即雷达位置指向被测目标的向量与天线波束指向的夹角所对应的天线方向图增益与天线波束指向位置方向图增益之差；假设天线方向图特性符合余弦函数cos2,其最大增益为G0；由天线增益衰减导致的指向误差所造成的RCS测量不确定度，天线增益衰减因子G/G0可表示为：
其中θ0为3dB波束宽度的一半，θ为最差指向性误差，根据上式，得到天线指向性误差引起的不确定度为：
步骤4.2、评估背景－目标相互作用引起的误差：
背景－目标相互作用引起的不确定度通过测量进行估算；；
步骤4.3、评估交叉极化引起的误差：
如果雷达系统极化隔离做得不充分，交叉极化会产生很大的测量误差：
其中，εp为天线极化隔离度，εp＝20lg(Rv/Rh)；RV为主极化下的增益，RH为交叉极化下的增益，这里下标v，h指的是分子分母不同极化；
步骤4.4、评估飘移引起的误差：
对于测量系统中由飘移引起的不确定度，可通过长时间对固定目标的测量来判定；飘移数据的采集时间要求在3h以上；周期是基于典型测试的时长；飘移引起的不确定度通过测量确定；
步骤4.5、评估频率引起的误差：
对于被测目标，其不确定度分析与定标体相同，不同频率引起的误差不同；
对于C波段雷达f＝5.6GHz时，
对于X波段雷达f＝9.6GHz时，
对于Ku波段雷达f＝16.5GHz时，
对于Ka波段雷达，误差较小可以忽略，即
步骤4.6、评估积累引起的误差：
步骤4.7、评估I-Q不平衡引起的误差：
步骤4.8、评估近场引起的误差：
步骤4.9、评估噪声－背景引起的误差：
系统噪声将对测量误差造成影响；如果以dB数表示的信噪比(或信杂比)为其中，S为信号功率，N为噪声功率，SNR为信噪比；则对于信号S，其不确定度计算公式为
步骤4.10、评估非线性引起的误差：
如果把定标体信号作为功率参考电平，不确定度取0；
步骤4.11、评估距离引起的误差：
距离引起的RCS测量不确定度表示为
式中：σR为总距离探测不确定度，R为目标距离；
步骤4.12、评估目标方向引起的误差：
步骤4.13、计算RCS实测精度：
其中，σtotal为总RCS实测不确定度，σtotali为实测精度各误差影响因子。
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| CN118760818A (zh) * | 2024-09-06 | 2024-10-11 | 中航西安飞机工业集团股份有限公司 | 一种大型装配工装测量场精度评估方法 |
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