雷达目标（精选9篇）
雷达目标 篇1
0 引言
雷达目标电磁散射特性测量是雷达系统共性基础技术,主要研究雷达观测目标在入射电磁波照射激励下,目标在频率域、角度域、极化域的电磁散射机理与特性,包括窄带特性、宽带特性、极化特性等。要多维度精细认识目标,需要获取丰富的信息资源暨特征数据作为支撑,但是目前对目标的认识是通过既有的雷达提供的数据,传统雷达使命任务往往非常单一,同一雷达平台很难提供多种信息,要充分认识目标,需要多部雷达平台协作,成本高昂,而且数据协同上存在较大技术难度。
1 目标特性的种类与作用
雷达目标特征隐含于雷达回波中,通过特定的波形设计和对回波幅度、相位、频谱等处理、分析及变换,得到表征雷达目标固有特征的参量。雷达目标电磁散射特性研究对雷达系统设计、成像与目标识别、目标隐身与反隐身探测等都具有极其重要的意义。
雷达目标特性的认识从宏观上包括两个方面:雷达目标尺度信息、雷达目标特征信息,研究内容有理论研究、仿真试验、静态测试和靶场动态测量等。当前对目标的认识主要通过静、动态测量来实现,大部分设备研制厂商更关注动态测量的效果[1]。
静态测量:室外场测量系统主要包括发射与接收设备、目标支架与转台、定标体、数据采集与记录、控制系统等。
动态测量:与静态测量相比,利用目标处于动态(飞行)等实际工作状态时,测量获取目标的电磁散射特性数据是最真实、最可信、最有效的,动态测量平台雷达可分布于靶场等测量试验区域,包括地面固定平台和为车载、舰载、机载等移动平台。
2 目标特性测量平台设计
在目标特性测量方面,国内相关单位已研制并装备频率覆盖多个波段、多种型号的目标特性测量雷达,满足动态目标特性测量的需求。但外场测量设备功能及数量有限,难以满足多平台、全频段、双站散射、多极化的测量需求。当前目标各种特征信息分析已经取得了很大的成绩,同时如何获取更为全面、精细的目标多维特征愈显重要,需要一种综合平台,实时完成目标特性信息的采集、处理、结果输出、存储及比对。
2.1 信息采集系统(雷达)
一般来说,由于发射波形、接收线性动态范围、变极化、幅度与相位标定等要求不同,特征测量与精密跟踪互相矛盾,对于一部雷达其功能只能进行设计侧重。采用模块化、集成化雷达设计思想,建立通用系统平台,其频段、波形、极化通道等模块化设计选择配装,后端数字接收、信号处理、数据处理平台公用,这样可以用一个平台完成多部雷达功能。
2.2 信息采集系统(标校)
测量平台作为标尺,其本身的精度与稳定性要求非常高,因此需要完备的标校系统来校正设备,主要完成测量平台雷达距离、角度零位标定;进行雷达发射、接收、跟踪通道的检查及配合校准等;完成雷达测量通道的一致性检查校准;数据录取、存储、导入导出功能无线指挥控制系统。
2.3 综合数据处理系统(数据库)
构建海量数据存储中心、高性能计算网络、千兆以太网络。主要完成数据的存储、传输、合分析与处理,完成处理结果的保存、显示等。重点关注以下方面:数据处理中心硬件平台、雷达目标特性数据处理软件包、对外网络接口,可进行实时处理,亦可开展事后分析。
3 结束语
对目标电磁特性认识的需求引领了测量平台的发展需求,不断提高目标电磁散射特性测量系统的性能与指标是主要发展方向。主要表现为三个方面:目标特性分析研究的发展动态和未来趋势的判断、关注目标多维特征的采集及数据处理平台建设、发展多功能目标特征分析系统。
具体的技术手段上来讲,目标特性测量雷达平台建设关注点集中在以下方面:
誗提高测量精度
誗拓展目标特性测量频段(毫米波和太赫兹测量技术)
誗提升测试效率,研究快速高效测量技术与手段
誗开展全极化测量研究
誗增强目标特性测量雷达的功能与性能(远距离、多功能、反隐身测量要求)
誗发展强大的数据处理能力(通信、存储、计算、共享)
本文针对多维度目标性提取要求及靶场等特殊场合的应用需求,设计一种多功能的目标特性测量系统平台,通过平台录取、测量、综合处理目标的特性数据,完成对目标的精细认识。已经应用于某靶场,完成对多型号飞机的动态测量,在隐身等特性设计方面提供了宝贵的数据支撑。
摘要：随着对目标精细认识的需求和技术发展,对作为其参数测量的雷达平台提出了更高要求。当前目标各种特征信息分析已经取得了很大的成绩,同时如何获取更为全面、精细的目标多维特征愈显重要,需要一种综合平台,实时完成目标特性信息的采集及处理。本文将雷达技术与目标特性分析需求结合,从目标特性多维特征信息采集、综合数据分析及共享数据库的角度阐述一种集约型多功能雷达目标特性分析系统平台建设构想。
关键词：雷达,目标特性,系统设计
参考文献
[1]李相迎,涂志明.雷达RCS目标特性测量与精度分析[J].装备指挥技术学院学报2002(2).
雷达目标 篇2
光电雷达对目标参数被动测量的方法研究
根据光电雷达测量到的目标方位信息,运用自适应修正增益扩展卡尔曼滤波理论,可以估计出空中目标相对载机的位置和速度参数.文章首先推导了坐标系的转换矩阵,建立数学模型后推导对应的自适应修正增益扩展卡尔曼滤波方程,通过对所得的算法进行仿真验证,表明该算法具有较好的.实用性,能够满足载机对目标参数被动探测的要求.
作 者：任波 于雷 REN Bo YU Lei 作者单位：空军工程大学工程学院,陕西,西安,710038刊 名：电光与控制 ISTIC PKU英文刊名：ELECTRONICS OPTICS & CONTROL年，卷(期)：13(1)分类号：V246 TJ015关键词：被动测量 光电雷达 卡尔曼滤波
超近程雷达高速目标运动补偿方法 篇3
文献[2]采用对称三角线性调频连续波(LFMCW)信号形式进行近距离探测,通过利用上下扫频段多普勒频移的对称性实现运动目标距离速度去耦合。文献[3]提出了一种基于二次混频估计LFMCW信号参数的方法,该方法消除了多普勒效应对运动目标检测的影响。文献[4]提出了利用单载波频率连续波(CW)与LFMCW信号相结合的方法对近距离目标进行检测。但文献[2,3,4]均没有考虑高速目标在驻留时间内跨越距离单元现象对运动目标检测带来的影响。文献[5]针对高速目标检测问题提出了一种二次混频与MTD处理相结合的方法,该方法根据上下调频差拍信号对称的特点,采用二次混频处理解决多周期信号中心频率偏移问题,同时实现了距离多普勒解耦合。但其采用的对称三角LFMCW信号形式在超近程高速目标探测中有自身缺陷。文献[6]根据超近程高速目标的特殊应用环境,说明了对称三角LFMCW信号形式的缺陷,提出了CW与LFMCW信号组合形式,并分析了其在超近程高速目标探测中的优点,但其未考虑在驻留时间内目标跨越距离单元的问题。
文中采用一种CW与LFMCW信号的组合形式,通过CW差拍信号获得目标无模糊的多普勒频率估计,再构造运动补偿信号对LFMCW差拍信号进行运动补偿,进而可以得到目标的距离信息。这种针对高速目标的运动补偿方法既可以解决距离速度耦合的问题,也可以解决高速目标跨越距离单元的问题。
1 信号多周期模型分析
由于探测高速目标需要在更远处发现目标,而远处回波信号强度较弱,单周期信号处理已经不能达到可靠检测所需的输出信噪比。通过增加信号驻留时间进行多周期积累以提高信号能量,因此高速目标回波需要分析信号的多周期模型。
CW与LFMCW信号组合形式如图1所示,信号周期为Tr,每个周期内CW与LFMCW信号的时长分别为T,则Tr=2T。设CW与LFMCW信号在第m个周期内的发射信号分别为
其中,A为发射信号幅度;f0为工作频率;u=B/T为LFMCW调频斜率;B为调频带宽。
忽略目标反射引起的相移,可以得到CW与LFMCW回波信号分别为
其中,L为目标反射系数;m为在第m个周期内;τ(m,t)=2R(t)/c=τ0-k(t+mTr)为目标回波延时,τ0=2R0/c,k=fd/f0;fd为目标多普勒频率;R0为目标初始距离;v为目标速度。
回波信号与发射信号混频,经过低通滤波后得到的差拍信号分别为
由式(3)可以看出CW差拍信号为一单频信号,其频率为fd。对CW差拍信号进行功率谱估计可以直接得到目标无模糊的多普勒信息。LFMCW差拍信号的中心频率为目标初始距离与速度的耦合项。且有随周期变化的项(-ukmTrt),该项就是运动目标在积累周期内所产生的频移。
运动目标在积累M个周期内不发生跨越距离单元现象的限制条件为vMTr<δR,其中,δR为距离分辨率。那么当运动目标的速度>vmax=c/2BMTr时,需要对积累的回波信号进行运动补偿。
2 运动补偿方法
当运动目标速度>vmax时,LFMCW差拍信号在积累时间内会发生跨越距离单元现象,这将导致差拍信号的能量不能在同一个距离单元内积累,使得在积累周期内的处理无法满足可靠检测的输出信噪比要求。这时就需要对LFMCW差拍信号进行运动补偿。注意到式(3),通过CW差拍信号估计出目标的多普勒频率
将式(4)与式(3)中LFMCW差拍信号相乘得
g(m,t)=LA2exp[j2π(uτ0t+fdmTr-f0τ0-0.5uτ
对比式(3)可以看出,式(5)消除了目标距离速度耦合项和多周期积累的频率偏移项。其信号的频率只与目标初始距离有关,是一单频信号。实现了距离速度解耦合和运动补偿。这样对式(5)做FFT运算就可以实现信号的多周期积累,得到目标的初始距离。再通过计算可以解得目标当前距离。
在计算目标的多普勒频率时可采用文献[7]中介绍的CZT方法来提高精度。针对本文提出的CW与LFMCW信号组合形式,可以总结出高速目标补偿处理的步骤:(1)对CW差拍信号做FFT/CZT得到目标的多普勒估计。(2)构造出随周期变化的补偿信号。(3)将补偿信号与LFMCW差拍信号相乘得到新的单频信号。(4)将此单频信号做FFT即可得到目标的初始距离估计。(5)通过目标初始距离和速度解出目标当前距离。
3 仿真结果
为验证上述方法的可行性,以某毫米波超近程探测雷达为例进行仿真。雷达系统参数为:载频f0=35 GHz,CW与LFMCW信号时长均为T=0.5 ms,组合周期Tr=2T,调频带宽B=500 MHz,系统采样频率fs=4 MHz。假定输入噪声为高斯白噪声,信噪比SNR=-25 dB。
首先假设一个距离R=200 m的低速目标,以验证在低输入信噪比条件下通过积累能够可靠检测出目标。针对低速目标只分析LFMCW差拍信号的功率谱。图2(a)为单周期信号功率谱,可知,由于远处回波强度较弱,单周期信号的差拍信号信噪比过低,不能检测出目标;图2(b)为积累8周期的差拍信号功率谱。可以看到积累8周期的差拍信号功率谱有明显谱峰,可检测出目标。
按照上述参数,再对一个初始距离为R=200 m,速度为v=900 m/s向雷达飞行的目标进行探测。对CW和LFMCW信号均做8周期积累。目标跨越距离单元情况如图3所示,图中距离谱峰值位置代表目标当前周期内所处的距离单元,可见目标在8周期积累内跨越了多个距离单元。跨越距离单元将使得LFMCW差拍信号能量无法积累,导致目标不能被可靠检测,故需要对目标进行运动补偿。
图4(a)为CW差拍信号积累8周期后的功率谱。可以看到,CW差拍信号做8周期积累后有明显的谱峰,可以精确估计出目标的多普勒频率。图4(b)为LFMCW差拍信号积累8周期后不做运动补偿的功率谱,可见未经补偿的LFMCW差拍信号功率谱没有明显谱峰,不能检测出目标。应用式(4)由CW差拍信号估计的多普勒频率构造出相应的补偿信号来补偿LFMCW差拍信号。经过运动补偿后的差拍信号功率谱如图4(c)所示。可以看出,补偿后的LFMCW差拍信号有明显谱峰,可以检测出目标,进而可以得到目标的初始距离。
4 结束语
在超近程雷达高速目标探测中,存在距离速度耦合问题和驻留时间内目标跨越距离单元的问题。文中采用一种CW+LFMCW信号组合形式作为探测信号,由CW差拍信号获得目标无模糊的多普勒信息,再构造补偿信号与LFMCW差拍信号相乘,得到经运动补偿的差拍信号,进而可以估计出目标的距离信息。仿真结果表明了这种方法有效地解决了距离速度耦合的问题和高速目标跨越距离单元的问题。
摘要：针对超近程雷达的高速目标探测问题,提出了一种距离速度解耦合与运动补偿的新方法。通过采用单载频与线性调频连续波(CW+LFMCW)信号组合形式,由CW差拍信号测量目标的无模糊速度,再根据速度估计值对LFMCW差拍信号进行运动补偿得到目标的距离信息,实现了高速目标距离速度解耦合与运动补偿。仿真结果验证了该方法的有效性。
关键词：超近程雷达,高速目标,运动补偿,距离速度解耦合
参考文献
[1]MERRILL I S.雷达手册[M].2版.王军,译.北京:电子工业出版社,2003.
[2]杨建宇,凌太兵,贺峻.LFMCW雷达运动目标检测与距离速度去耦合[J].电子与信息学报,2004,26(2):169-173.
[3]刘贵喜,凌文杰.LFMCW雷达密集运动目标检测[J].红外与毫米波学报,2005,24(1):76-80.
[4]丁顺宝,刘明.一种LFMCW雷达多目标距离-速度配对新方法[J].现代雷达,2011,33(5):9-11.
[5]肖慧,胡卫东,郁文贤.LFMCW雷达高速运动目标检测与估计[J].信号处理,2007,23(6):829-832.
[6]马可,李慧敏,李斌.近程高速目标探测的连续波雷达信号分析[C].青岛:第十二届全国雷达学术年会论文集,2012:1004-1007.
雷达目标 篇4
在对地面目标检测技术研究的.基础上,提出了以STAGE为开发平台,建立机载雷达地面目标检测的软件仿真系统辅助机载雷达调试的方法,实现了机载雷达对地面慢动目标检测的软件仿真;详细描述了系统仿真模型的建立和在STAGE中具体实现;分析了系统的性能,并给出了仿真结果.
作 者：符伟 夏传浩 吴关 FU Wei XIA Chuan-hao WU Guan 作者单位：符伟,FU Wei(合肥工业大学,计算机与信息学院,安徽,合肥,230009)
夏传浩,XIA Chuan-hao(合肥工业大学,计算机与信息学院,安徽,合肥,230009;中国电子科技集团公司第38研究所,安徽,合肥,230031)
吴关,WU Guan(中国电子科技集团公司第38研究所,安徽,合肥,230031)
一种雷达模拟目标实现的方法 篇5
关键词：模拟目标,距离,速度,角度
0引言
雷达是采用多种高技术的产物, 随着计算机技术、固态技术、信号处理技术、光电子技术以及器件、材料、结构、工艺的发展, 各种类型的雷达应运而生。雷达的功能越来越复杂, 同时要求雷达必须有良好的自检功能作保障, 模拟目标功能作为检测整个雷达各项功能和指标的一种手段必不可少。模拟目标可检测各个分系统工作状态是否正常, 还可以测试雷达的性能指标。如测量目标参数 (距离、速度、角度等) 的精度、目标参数的分辨率, 测试整个雷达数据率、验证各个系统软件功能输出、目标航迹建立和目标的跟踪功能等。
1模拟目标产生原理
1.1 距离模拟
这里以发射信号为窄脉冲为例说明, 目标距离回波示意图如图1所示。由于回波信号往返于雷达与目标之间, 它将滞后于发射脉冲一个时间tr, 电磁波的能量是以光速传播的。设目标的距离为R, 即2R=ctr。在图1中, Tr代表一个脉冲重复周期, tr为第一个目标的回波时延。不同的时延则代表不同距离的目标 (距离不模糊的情况下) 。
1.2 速度模拟
模拟目标的速度是用电压值控制移相器来实现的, 如图2所示, 模拟出一定速度的多普勒频移。图中, f0为信号载频, fd为多普勒频率, 锯齿波最大电压值代表360°相位差, 从而根据该锯齿包络不同的周期 (或斜率) 来表示径向速度的大小, 正斜率表示目标由远至近, 速度为正;负斜率表示目标由近至远, 速度为负。
1.3 角度模拟
角度测量的过程如图3所示, 目标经天馈系统到和差两路接收机, 由信号处理解算出和差幅度比, 数据处理机根据和差比解算目标角度。在这里以频率扫描和差单脉冲测角为例说明模拟角度的方法, 频率扫描的波束示意图如图4所示, 频率扫描时在每一个波束都可测量出一根“S曲线”, 数据处理根据测量的差和比, 对照标准“S曲线”, 就可查出对应该波束的角度值, 这就是最基本的测角原理。“S曲线”如图5所示。
模拟目标刚好与测角流程相反, 由于模拟目标的参数是预设的, 可预先得到角度, 再反推出和差两路信号的增益比, 用控制增益的方法控制和差信号的大小来模拟出目标的角度, 从而实现模拟目标角度的模拟。
2模拟目标的实现
目标模拟实现方法有许多种, 按系统结构来区分有两种:独立结构和分立结构。独立结构脱离雷达系统单独实现, 应用较广, 在一定范围内具有通用性, 但成本较高;分立结构又称为自主式结构, 将目标模拟各主要部件耦合到整个雷达系统中, 综合成本低。按照电路实现形式来区分, 目标模拟可分为三类:全模拟实现、全数字实现和数模结合实现。全模拟实现信号易受干扰, 调试困难;全数字实现存储量巨大, 存在量化误差。所以, 数模结合成为模拟目标的主流电路实现形式。注入式目标模拟又可分为目标基带信号模拟、中频视频信号模拟、高频信号模拟等。
下面以频率扫描和差单脉冲雷达为例介绍怎样实现雷达的模拟目标, 包括其距离、速度和角度。该方案由DSP根据点迹信息计算控制量, FPGA产生目标基带控制信号, 利用雷达原有结构调制发射信号。整个方案可以总结为“分立结构+数模结合+基带信号模拟”。
某雷达的结构示意图如图6所示。
图6中, a表示距离同步脉冲信号, b表示CPI (脉冲积累周期) 信号, c表示发射调制脉冲信号, d表示a延时后的距离同步脉冲信号, e表示锯齿波信号, f表示图中c用于不调制发射的波形信号, m表示和通道衰减控制量, n表示差通道衰减控制量。
正常工作时, 信号a, b, c直通输出到相应的控制端。多普勒调制开关短路, 120 MHz信号未经距离延时和多普勒调制, 上变频后脉冲调制, 进入发射机。接收回波时, 高频信号经接收机放大, 下变频, 由信号处理机检测出目标信息, 送数据处理机, 进行滤波、预测、跟踪。
模拟工作时, 工作模式转换开关打到接收机端, 信号不经过发射机直接注入和差网络的一端, 信号通过和差网络形成幅度几乎相等的和差两路信号送接收机。DSP计算目标信息, 并根据目标信息得出各模拟部件的控制量, 由FPGA输出到各个控制部件。距离同步脉冲经FPGA输出延时后送到距离延时控制器, 延时多少根据目标距离信息决定。多普勒调制开关断开, 120 MHz信号包含可编程的多普勒信息, 上变频到发射频率后直接输出到和差网络形成内回路。
在模拟目标工作方式下, 输入到接收机的和差两路信号幅度相等。此时, 控制差路信号增益, 产生不同的和差通道幅度比来模拟波束内的相对角度。控制差路相位, 来模拟目标相对于波束中心的左右偏极性。对于频扫雷达而言, 每个频点都对应了一个中心角和一条S曲线, 要模拟某个角度, 首先找到覆盖该角度的频点, 然后查S曲线, 得出差和增益比, 又由于目标偏向波束的一边, 这样就需要控制相位。对于负比值 (左偏) 的目标还要控制移相器进行180°的移相来实现。两路增益具体值的选择有两个原则:一是保证和差两路信号不饱和;二是和增益固定, 改变差支路的增益和相位。前者能保证进入信号处理机的信号不失真, 后者保证进入信号处理机用于检测目标信号的幅度。
3结论
用模拟目标代替真实环境的目标回波信号, 为整个雷达先期实验室调试提供了一个良好的平台, 对各个单元功能和性能进行测试, 可动态地对雷达系统进行自检, 同时为后续雷达在真实的野外环境下的实验测试打下一个良好、稳定和可靠的基础。随着现代雷达功能复杂化, 雷达的模拟目标越来越显示出它的重要性。
参考文献
[1]丁鹭飞, 耿富录.雷达原理[M].3版.西安:西安电子科技大学出版社, 2002.
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雷达目标 篇6
关键词：反射假目标,Anti-Reflection Processing,TVBC Laws Modification,Antenna Inclination Adjustment,Tracking zone
二次雷达产生假目标的原因主要有三个:异步窜扰, 反射, 环绕。
异步窜扰主要是指在多雷达环境下, 一个雷达发射出询问信号, 应答机产生的应答信号在被询问雷达接收的同时, 也被另外一个雷达接收, 这个应答信号对后面这个雷达而言是异步窜扰反射是指由于固定建筑物或者自然物体而导致的询问信号和应答信号反射现象, 通常假目标的位置比真实目标要远环绕是指由于旁瓣功率过大导致应答机应答的现象, 特点主要表现在假目标的距离和真实目标的距离相近。
1 反射假目标的处理方法
在THALES雷达出现假目标的情况下, 有三种理论上的解决方法, 它们分别是:Anti-Reflection Processing, TVBC Laws Modification, Antenna Inclination Adjustment。
1.1 Anti-Refection Processing抗反射处理
抗反射处理的参数可以在系统的CBP软件中进行设置, 就功能上来说, 这个设置是专门用来处理雷达信号处理过程中假目标的情况的。
在CBP参数中, 反射参数分为动态反射参数Dynamic Reflector Processing和固定反射参数Permanent Reflector Processing。
1.1.1 Dynamic Reflector Processing动态反射参数
这个参数的数值由系统根据动态反射规则的设定自动赋予, 主要有三个数值:反射距离, 起始角度, 结束角度, 这三个参数规定了反射区域的范围。
1.1.2 Permanent Reflector Processing固定反射物处理
该参数的数值需要人工设定, 用于设定那些固定的一直出现假目标的区域, 主要包括下面几个参数:
Power Attenuation信号衰减:正常目标和假目标之间的和通道衰减的差值
Altitude Begin起始高度:反射区域的最小高度
Altitude End结束高度:反射区域的最大高度
Begin Range起始距离:反射区域的起始距离
End Range结束距离:反射区域的最大距离
Begin Azimuth起始角度:反射区域的起始角度
End Azimuth结束角度:反射区域的结束角度
以上参数可以详细的定义一个固定反射区域的大小方位固定反射物的工作原理如下:对于反射区域中的目标, 系统会以这个目标为中心, 生成一个以这个目标为中心, 范围为4倍起始距离的圆环, 生成圆环的目的是便于系统在该圆环的范围内搜索是否有对应的真实目标, 若存在这样的真实目标则会将反射目标抑制掉, 同样的, 这种假目标的抑制需要两个天线旋转周期。
1.2 TVBC Laws Modification修改TVBC曲线
修改TVBC曲线具体适用于下列情况:
1.2.1 区域内的真实目标和假目标的衰减数值 (Log Sigma) 差距较大。
1.2.2 区域内假目标的衰减的数值接近雷达在该距离上所能接收的最低衰减大小。
1.2.3 该区域内存在至少两重的雷达覆盖
在满足上述条件的前提下, 提高区域内的TVBC曲线可以将区域内的假目标滤除掉。同时这个方法的风险在于可能会造成雷达站本地真实目标的掉点现象, 但是该区域由于存在多重覆盖, 单个雷达个别掉点现象不会造成区管航迹的丢失, 相反单个雷达的假目标的出现却会在区管系统中生成一个航迹。该项修改之所以可以成立的原因正是基于这样的原理。
TVBC曲线的参数:TVBC曲线共有如下几个参数可以设置:
(1) constant power value恒定门限:雷达最小作用距离起始, 常数的门限值
(2) constant duration恒定门限的适用距离:从雷达最小作用距离开始, 到该参数确定的距离使用上面参数确定的常数门限值。
(3) number of adjusted segments需要修改的分段数目
(4) segments description各个分段参数的描述:每个分段有下面的几个参数:
a.segment start分段起始距离
b.segment duration分段的长度
c.constant power分段的起始时的门限值, 后面门限值的变化按照系统默认变化率
d.constant law duration分段的长度, 但是在该分段内的门限值都为constant power参数确定的数值, 即为常数
Antenna Inclination Adjustment天线仰角调整
对于因为近地面反射物造成的假目标, 可以通过适当调整天线仰角的方法消除反射。但该方法适用的情况有限, 并可能影响雷达顶空忙去和作用范围。
2 THALES雷达站假目标的处理
2.1 假目标形成原因的推断
通过对不同时间段录像文件中假目标和真实目标的对照分析, 可以发现真假目标均为同时出现, 有一定的方位角度差, 距离差较小, 呈平行同向飞行状态, 真假目标均具有完备且相同的A码和C码, 区别在于两个目标的衰减不同。且大多数假目标均具有上述的特征, 初步判断产生假目标的原因可能是因为近距离的建筑物造成的反射, 并根据统计出的假目标出现的区域 (见表1) , 我们判断造成反射的原因极有可能是因为在雷达站西偏北方向新建的机库。
机库占地6750m2, 高43.9米, 距离雷达0.27海里, 相对方位为315.609°, 且机库的表面为金属表面。相对的雷达的高度为37米。机库的高度高于雷达, 且为极易反射的金属表面, 与雷达的相对位置也与真假目标出现的相对位置相符合。
2.2 假目标的处理
根据分析出的假目标分布范围, 依据上文提到的反射假目标的几种处理方法常识处理假目标:
首先尝试使用anti-reflection Processing
根据假目标出现位置总结出的规律, 以及在动态假目标中出现的相关的反射区域的值做出了如下的参数设置:
将参数更改以后重启通道后观察IRIS上面的雷达信号, 发现仍然出现有假目标没有办法抑制掉的情况, 而且IRIS上读出的真假目标的信号强度差值在9dBm以上, 即我们所设置的power attenuation的数值并不大。该方法似乎不起作用。
另外对于Tracking zone起始区域的调整, 因为该方向有虹桥机场, 肯定会有新航迹生成, 不能在该区域内设置成保留旧航迹, 不生成新航迹。所以最后可用的方法只有TVBC laws modification。并且该区域的各种条件都满足修改TVBC曲线的条件。
我们挑选一个空闲不使用的TVBC laws 14在45海里到120海里范围内将数值在原来的基础上提高6dBm, 并将该TVBC曲线在TVBC map中应用于310°和330°之间。
修改成功后观察IRIS上假目标的情况, 发现假目标数量大大减少, 基本上达到了修改目的, 并且真实目标并没有什么丢点现象, 保持该修改, 和区管共同留意观察该区域的情况并检验修改效果。
3 THALES雷达假目标处理总结
通过对假目标产生原因的查找, 对假目标出现规律的分析, 经过对四种处理方法的挑选, 基本上完成了改善假目标出现概率的目标。
其中我们认为最好的Anti-Reflection Processing却在使用后没有起到应有的作用, 原因是因为设置范围过大还是因为其他原因, 还需要向外方询问后方可知道。天线仰角的调整往往应该使用在雷达安装调试或者天线性能出现比较大下降的情况下。如果区域情况特殊则可以使用禁止生成新航机的功能。在本文中我们最终综合各方面的因素, 选择了TVBC laws modification的方法, 达到了我们的目的, 但是该方法使用有限制, 并且还可能对真实目标产生影响。具有一定的局限性。
参考文献
二次雷达假目标的产生和抑制 篇7
1.1 综述
空管二次雷达, 作为管制员的“眼睛”, 在空中交通管制工作中正起着越来越重要的作用, 这也要求二次雷达拥有更高的可靠性。对于二次雷达可靠性的衡量, 假目标的抑制手段及抑制效果是一个重要的指标。
假目标, 是雷达由于各种原因所产生的现实中并不存在的目标, 假目标容易给管制工作带来了误导, 甚至影响空中交通的安全。
假目标产生的原因有多种, 主要包括多径传播 (反射) 、异步干扰、绕环效应、二次环绕及虚影目标等。
1.2 多径传播 (反射)
“多径传播”, 即在雷达发射天线、目标和接收天线之间存在一条以上路径的现象。通常雷达发射和接收采用同一天线, 天线与目标之间的直线路径称为直接路径, 而在雷达天线和目标之间经过地面或建筑物等障碍物反射到达的路径称为间接路径。不同类型的多路径对于雷达检测性能也产生不同的影响。
通常, 多径传播是造成二次雷达假目标产生的最主要原因。根据多径传播形成假目标的过程, 有以下两种情况:
1) 询问的反射
当询问波束的主瓣方向上存在着障碍物, 询问信号经反射后, 被应答机接收, 这个询问信号可能引起应答机的应答, 而应答信号以直线的方向到达雷达的接收机, 即由天线接收, 这时就会产生一个假目标。
2) 应答的反射
当飞机应答时, 由于其应答机的天线是全向天线, 故一旦其应答脉冲的反射信号被雷达接收也会产生反射假目标。
1.3 异步干扰
异步干扰是指二次雷达收到在它威力范围之内由另外一部二次雷达询问引起应答机的回答, 这种回答与该雷达发射不同步, 所以称为异步干扰。当飞机处于雷达A与雷达B作用距离重叠区域时, 雷达A和雷达B都会向飞机进行询问, 飞机也会向雷达A和雷达B进行应答。但有时雷达B可能会收到飞机对雷达A的应答, 如果雷达B对这一应答进行处理, 就会产生假的目标。
1.4 绕环效应
二次雷达的发射机经过天线向外发射时, 有两个基本的波束, 即询问波束和控制波束。询问波束具有高增益, 窄的水平波瓣和低旁瓣。控制波束具有低的增益, 它的增益大于询问波束除主瓣以外所有方向上的增益。控制波束的作用就是用来防止飞机回答询问波束的旁瓣询问, 达到旁瓣抑制的作用。
但是, 某些极端情况下, 出现“旁瓣击穿”, 控制波束覆盖询问波束的旁瓣不能实现, 这样在接近地面雷达站的飞机的应答机将被询问波束的旁瓣所触发, 在天线扫描过程中, 应答机大部分时间处于询问波束的旁瓣的威力范围之内, 应答机可能持续或者断续应答, 产生很多假目标, 出现“绕环效应”。
1.5 二次环绕
当二次雷达的脉冲重复频率过高时, 可能导致如下情况, 即一次成功的询问所产生的飞机应答在下一个询问周期内被雷达所接收到, 而且与下一个周期的询问脉冲稳定地同步, 这就是所谓的“二次环绕”, “二次环绕”会造成计算机在计算目标与雷达距离时得到一个错误的时间差, 造成目标距离偏差, 从而人为地产生一个近距离假目标。
1.6 虚影目标
虚影目标是指其框架脉冲F1, F2并非是框架脉冲, 因为这两个脉冲之间的间距正好为20.3秒, 在处理中, 系统将这组脉冲组视为一个应答信号, 即为一个与真目标距离和方位角很接近的假目标。
1.7 其他原因
除了上述原因之外, 还有其他原因可能造成假目标的产生。
当方位编码器精度或者旋转铰链出现问题时, 目标的方位会出现偏差, 其在系统中显示的位置与实际方位不符, 这样的假目标的特点是成批大范围出现。
航海雷达系统与航空雷达有着类似的原理, 所以航空雷达有可能捕获船载应答机发射的应答信号, 但系统无法对其进行解码, 从而出现只有方位和距离的假目标。
2 假目标的抑制
2.1 综述
对于不同原因产生的假目标, 我们利用不同的手段和方法有针对性的进行抑制。针对反射所引起的假目标, 主要的抑制手段包括抬高天线仰角、添加固定反射物、调整STC和TVBC曲线、改进型询问旁瓣抑制IISLS等;针对异步干扰引起的假目标, 通常通过接收机旁瓣抑制RSLS、适当降低雷达的脉冲重复频率PRF以及脉冲重复周期交错等来达到抑制的目的;针对绕环效应产生的假目标, 主要的抑制手段包括询问旁瓣抑制ISLS、改进型询问旁瓣抑制IISLS、接收旁瓣抑制RSLS等;针对二次环绕现象, 我们通过采用交错的形式发射询问脉冲重复频率, 从而抑制假目标。
2.2 反射的抑制
1) 抬高天线仰角
对于距离比较远的反射物, 我们可以通过抬高天线仰角来改善反射的出现的情况, 但抬高的角度必须严格掌握, 抬高太多易引起近距离低空目标的丢失, 所以针对近距离反射物, 不宜采用此方法。
2) 添加反射物
通过雷达软件进行反射物添加, 达到抑制反射的作用。
3) 灵敏度时间控制STC
接收机灵敏度是指整个雷达能够正常工作时的最小输入信号功率, ICAO建议接收机的灵敏度要优于-85d Bm。灵敏度时间控制STC技术, 是指采用对不同距离上不同强度的信号进行控制的方法来扩大接收机的动态范围, STC技术主要用于信号处理的前端。正因为STC技术对接收机输入信号有接收或抑制的控制功能, 所以是抑制反射的重要技术之一。STC曲线分为线性STC和可编程STC两种, 一般我们采用线性STC曲线。
针对短时间内出现大量由于反射引起的假目标时, 我们可以使用可编程STC进行抑制。假设某一方位某一距离范围内出现大批量假目标, 可以对该方位上, 该距离内的STC衰减值进行增大, 即抬高STC门限值。由于相同距离的反射信号要弱于直射信号, 反射信号经过高于正常值的衰减后, 将被抑制, 但这也会导致该区域内一定量真目标的丢失。所以除非出现大量假目标, 否则不建议使用可编程STC。
4) TVBC (Time Varied Base Clipping)
相对于雷神雷达的STC曲线, Thales所采用的是TVBC曲线, 区别在于STC用于接收机, 即信号处理的前端, 而TVBC用于应答处理机MRP, 即信号处理的后端。
TVBC曲线的原理与STC类似, 通过设立门限对处理过的信号进行选择, 从而有效地滤除杂波干扰和假目标。
2.3 旁瓣抑制SLS
1) 询问旁瓣抑制ISLS
关于询问旁瓣抑制, 见绕环效应。
2) 接收机旁瓣抑制RSLS
异步干扰多数是通过旁瓣被接收机所接收的, 而RSLS技术恰恰能有效地减少异步干扰。和ISLS的原理一样, 在接收机上接收到来自天线的控制波束, 通过对控制信号和目标的应答信号 (和波束) 强度的比对, 可以有效地判断出这个接收信号是来自于主瓣还是旁瓣。从而有效地达到了减少异步干扰的目的。
3) 改进型询问旁瓣抑制IISLS
IISLS是基于ISLS的改进, 能有效抑制经过反射的询问信号对机载应答机的触发。与ISLS不同, IISLS的和通道发射P1和P3脉冲, 而控制通道发射P1cont和P2脉冲。在主瓣方向上P1、P2和P3的电平相同, 而P1cont在P2的基础上进行一定程度衰减。
当应答机处于主瓣内, P1cont和P1脉冲同时到达应答机, 两者电平叠加大于P2脉冲, 于是应答机对询问产生应答;当应答机处于旁瓣内, 应答机接收到的脉冲信号, 不符合二次雷达标准, 应答机将不予询问产生应答, 并将自我抑制35us, 在此期间将对所有询问, 尤其是反射产生的询问, 不产生应答, 从而达到抑制反射的作用, 但在多重雷达覆盖的区域, 会显著影响二次雷达的应答概率, ICAO附件10中已经不推荐使用该技术。
2.4 脉冲重复频率交错PRF Staggered
为了解决二次环绕问题, 我们采用询问脉冲重复频率交错的方法。
由于PRF采用交错形式发射, 所以相邻的询问周期都不相同。由同一询问周期内应答信号与询问信号之间的时间差计算出目标距离Rf, 相邻周期内的Rf均不相等;但由本询问周期内询问信号与下一个询问周期应答信号之间的时间差计算目标距离, 得出的结果均为Rt。这样, 系统不会将Rf误以为是目标的距离, 这样就有效地避免了二次环绕产生的假目标问题。
同时, 脉冲重复频率交错也能有效地抑制异步干扰所产生的假目标。我们假设雷达A和B均采用脉冲重复频率交错, 雷达A对目标进行询问, 目标的应答被雷达B接收, 并且目标对A的应答与相对应的询问在同一询问周期内, 不存在二次环绕。
正常情况下, 雷达A成功接收到其对目标的询问所产生的应答, 经计算目标的距离恒为Rt;当雷达B接收到A对目标的询问所产生的应答时, 所得出的目标相对雷达B的距离不恒定, 这样在雷达B的后续处理中, 该目标被剔除, 从而避免了由于异步串扰所产生的假目标。
3 结论
本文从二次雷达工作原理出发, 对二次雷达假目标的多种形成原因进行了分析, 并阐述了几种常用的二次雷达假目标抑制手段, 希望能给大家在处理雷达出现异常假目标情况时给予一定的参考。
摘要：假目标的出现给空中交通的正常运行带来了一定的安全隐患, 有必要通过适当的技术手段将雷达假目标的出现概率降到最低。本文结合空管二次雷达工作原理, 从雷达信号多路径传播、应答信号脉冲特点以及外部因素等多方面分析二次雷达假目标的成因及相应的抑制方法。
雷达目标 篇8
激光雷达成像系统目前被广泛地用于军事、商业、空间科学等领域,如障碍物探测、目标识别、地形绘制等。在空间探测领域,与其他天基探测器相比,天基激光雷达能够不受日照和天气条件的限制,全天候、全天时的对空间进行探测,具有可见光和红外遥感系统不可比拟的优点;与地基激光雷达对空探测相比,天基激光雷达基本不会受大气影响,对空间探测具有更高的空间分辨率,成像背景也更简单[1~3],具有广阔的发展空间。
成像激光雷达可以对目标成强度像(又称轮廓像)和距离像,强度像是目标表面几何特征和反射特性对回波共同作用的结果,而距离像能更直观地反映出目标的几何特征。
空间飞行器构型相对复杂,对复杂目标采用雷达距离像仿真时,关键问题是获得起伏目标表面到雷达接收机的距离。波音公司开发的卫星可视化和信号工具SVST(satellite visualization and signature tool)和美国空军研究实验室开发的高级跟踪时域分析仿真系统TASAT(time-domain analysis simulation for advanced tracking),是地基空间探测雷达成像仿真系统,相关文献着重对系统功能进行了描述,但没有对仿真依据、数学模型和实现算法等进行详细说明。国内对于雷达系统的仿真研究集中在系统参数和探测条件对性能指标影响的分析计算,如文献[4]讨论了激光雷达成像仿真的原理,并对简单物体(如平面、规则形状)进行了成像模拟;文献[5]给出了对复杂物体进行成像仿真的初步思路,但没有对距离矩阵的获取方法进行详细说明。因此,为了对雷达成像形成一套完整可用的仿真方法,有必要对激光雷达成像仿真中最基本的距离矩阵的求解问题给出详细系统的方法。
本文从OSG(Open Scene Graph,3D图形开发软件)空间场景构建出发,借助空间场景交互运算技术,提出了一种全新的距离矩阵获取方法,解决了复杂构型目标距离矩阵求解方面的难题,结合单光子计数探测系统原理,分析了雷达成像系统探测概率的影响因素,实现对了天基雷达系统成像效果的快速仿真。
1 空间激光雷达成像原理
激光雷达作为有效载荷安装在卫星平台上,激光器发射高重频的激光脉冲对被测目标进行主动照射,通过微扫描单元以一定的扫描方式对目标区域进行扫描。接收单元核心器件为单光子探测器,激光照射到目标表面后,反射的激光回波光子信号由相应的探测器接收,引发“盖革”脉冲,产生回波触发光子事件[6]。激光发射时的主波触发信号与回波触发信号分别送入高速时间间隔测量电路进行计时,由此获得光脉冲飞行时间。
对每个扫描点位置及相应的光脉冲飞行时间进行完整的记录,从而获得目标的三维距离信息,对三维距离信息进行重构即可得到目标的几何结构。
2 基于OSG场景的目标距离矩阵
激光雷达目标距离矩阵表征各扫描光束到目标表面的实际距离,根据测距模型可以计算每个扫描位置实际的回波光子数。
2.1 扫描模型
激光雷达成像通常采用光栅矩形扫描方式,如图1所示为6×6方阵扫描光栅,光栅矩形扫描方式具有易于设计和实现的特点。
扫描光斑直径r=distance.theta,其中distance为目标距离,theta为光束发散角。对于小发散角近距离探测过程,可以忽略倾斜照射造成的光斑畸变。
则以扫描区域中心为圆点的平面中,扫描阵列中第行第列的光斑圆心坐标为:
2.2 基于OSG的场景交运算
在O S G图形软件中,场景图形的交运算源于osg Util::Intersector类,其派生类osg Util::Line Segment Intersector用于检测指定射线与场景图形之间的相交情况。OSG碰撞检测分为以下4个步骤:
1)创建OSG场景和目标节点;
2)设置目标节点位置和姿态;
3)在场景中根据两点定义一条射线;
4)计算并存储射线与目标节点的所有交点。
2.3 OSG场景中的坐标变换
对于天基激光雷达,轨道坐标系S0定义为:原点在卫星质心,x轴在轨道平面内,垂直于矢径,指向前,y轴垂直于轨道面,与轨道动量矩方向相反,z轴指向地心,与矢径相反。
本体坐标系Sl:原点在卫星质心,轴x沿飞行器纵轴,指向前,轴y垂直于纵轴对称平面,指向右,轴z在纵对称平面内,垂直于纵轴,指向下。
OSG场景中目标的位置定义在轨道坐标系,而目标距离矩阵定义在本体坐标系,碰撞检测射线是一组平行于本体坐标系x轴的射线。
自旋卫星通过3-1-2顺序转动由轨道坐标系变换为本体坐标系。设卫星姿态角为(ϕ,θ,ψ),则卫星本体坐标系到轨道坐标系的坐标变换矩阵为:
2.4 距离矩阵
目标距离矩阵表征目标雷达截面上扫描阵列中某一点与雷达的相对位置关系,扫描阵列的像素与距离矩阵中的元素一一对应。距离矩阵主要由平台位置与姿态、目标位置、目标几何特征、激光束发散角和探测距离决定。基于OSG场景的目标距离矩阵获取过程如图2所示。
3 雷达系统成像建模与实现
3.1 雷达方程
单脉冲回波光子数为:
其中Et表示发射能量,hν表示单光子能量,r表示目标距离,ρ表示目标反射率,T表示激光在大气中的损耗率,激光照射面积ASpot=πr2θ2/4,θ为激光发散角,探测器光学镜直径d,面积AR=πd2/4,它只能接收目标AIFOV=πηr2φ2/4面积内的回波,φ为接收视场角,η表示探测器之前的光学系统效率,γ表示光电二极管的量子效率。
天基激光雷达对空间目标探测属于空间内的探测,可以忽略大气对发射激光脉冲的吸收、散射和极化等效应,因此激光传输损耗不计,则上式简化为:
高分辨率激光雷达系统接收信号强度与1/r2成正比,有效目标面积和激光照射面积随着距离增大而增大。目标距离r表示为距离间隔k有r=r1+kr0。
3.2 噪声模型
3.2.1 噪声影响
盖格模式的光敏二极管探测器不仅可以被目标回波光子触发,也可以被目标反射的太阳辐射光子或探测器系统内部的暗计数触发。
设太阳光背景噪声率为qb,暗计数率为qd,则总噪声率为:
雷达系统的探测概率由噪声率和回波光子数决定,为提高系统探测概率,降低虚警概率,根据目标几何特征设定距离门限,将距离波门控制在目标大小附近,使探测器仅响应距离波门内的光子事件。
3.2.2 太阳反射光噪声
激光雷达平台、目标以及太阳三者的相对位置变化,引起背景噪声的变化。太阳在目标表面的辐射反射后到达探测器的光子数目与太阳对目标表面的入射角以及探测方向有关。
假定接收视场角为θ(立体角为),反射率为ρ,太阳光谱照度为E,太阳入射方向与目标表面法向夹角为θi,接收机与光学效率为ηr,滤光片带宽为∆λ,接收光学面积为Ar。则系统单像素接收到的背景光噪声功率可以表示为:
则由于目标对太阳光反射而到达探测器的光子率表示为:
3.2.3 暗计数噪声
暗计数噪声属于系统内部噪声,即在无任何输入的条件下产生的触发。
当某一个单元被暗计数触发后,相邻单元有可能被该单元的雪崩过程所释放出的光子触发,从而引起交叉干扰。对于扫描式激光探测器,通过控制开门时间来消除本噪声。
3.3 探测概率与探测距离
盖革模式探测器对于每个激光脉冲只能被触发一次,之后就进入死区,直到下一个激光脉冲使其复位。设距离门从r1到r2,若距离分辨率为r0,则时间间隔为t=2r0/c,距离门被分为b=(r2-r1)/r0个距离间隔。
光子计数探测器的探测概率符合泊松分布[7],t1到t2时间内以速率f(t)产生m个光电子概率:
盖革模式探测器在一个距离门内只能被触发一次,可以看作触发时刻之前无光电子产生,触发时刻产生一个光电子。因此探测器在(t1,t2)时段内被触发的概率为:
目标探测存在以下两种情况:
1)无目标
探测概率由总噪声率q和时间间隔t决定。
在第k个距离间隔,探测器未被触发的概率为:
由暗电流和太阳背景噪声引起的虚假触发概率为:
2)有目标
探测概率由回波光子数为S、总噪声率q和时间间隔t决定。
假设目标距离矩阵处于距离门的第k个距离间隔,回波光子数为S,则探测器在该间隔被触发的概率为:
探测器既未被触发的概率,即漏检概率为:
探测器在非目标距离间隔处被噪声触发的概率为:
上式第一部分表示目标回波到达前的触发概率,第二部分表示目标回波到达后的触发概率。
如果探测器在第个距离间隔被触发,则雷达测得的实际距离为:
其中t0为光束发射时间,t1为开门时间,t为时间间隔。
4 仿真流程
激光雷达成像仿真包括以下四个过程:
1)目标初始位置引导:输入雷达平台和成像目标的初始位置及姿态,通常由STK(Satellite Tool Kit,卫星工具箱)轨道分析模块计算输出;
2)距离矩阵获取:根据目标3D模型、目标位置、探测距离、光束发散角等条件进行扫描过程分析与OSG场景建模,场景中包含目标和雷达平台两个节点,以雷达平台作为场景中的视点,由碰撞检测的结果得到视点到目标的距离;
3)探测过程仿真:定义探测距离门及距离间隔,之后依次进行一个循环,即对于每个距离间隔,根据回波强度、探测器暗计数及背景噪声计算探测概率,之后定义[0,1]均匀分布并随机采样,当采样值小于探测概率时,表示探测器在该距离间隔内被触发,循环结束,否则对下一距离间隔进行触发检测,如图3所示;
4)成像结果表示:在OSG场景中可以生成点云图,或者对结果进行归一化处理之后得到各像素的灰度值。
激光雷达成像总体仿真流程如图4所示。
5 仿真结果
成像激光雷达性能指标如表1所示,对于某卫星进行3D激光雷达图像数值仿真。激光雷达平台距离目标质心50km,对128×128矩形区域进行扫描成像,则扫描成像区域1.5×1.5mrad,根据常见空间目标的几何特征,选择距离门控100m,目标平均反射率0.2。场景中目标如图5(a)所示,距离灰度图像如图5(b)所示,象素越亮表示距离越近。
6 结论
针对复杂目标的激光雷达三维成像,提出了一种基于OSG的距离矩阵获取方法,该方法将空间场景与雷达系统性能仿真有机结合,实现了复杂目标的快速仿真,为复杂结构目标的雷达图像仿真提供了一种切实可行的有效方法。
本仿真系统不但适用于对静止目标雷达图像的仿真,还可以根据扫描频率实时调整轨道、姿态输入数据,从而实现对动目标的雷达图像仿真。
摘要：成像仿真可以为天基成像激光雷达系统的方案设计提供参考,方便直观的评价激光雷达的设计好坏,预测激光雷达的性能。为了解决天基激光雷达仿真中复杂目标距离矩阵获取困难的问题,本文提出了借助空间场景交互运算技术求取目标距离矩阵的新方法,详细介绍了基于图形开发软件OSG的目标距离矩阵的求取方法,详细给出了建模方法和仿真流程。通过对某卫星目标进行天基雷达系统成像的仿真实例证明,文中给出的仿真方法能快速有效的实现对复杂目标的仿真,对雷达成像仿真提供了一种新的有效的方法。
关键词：雷达成像,成像仿真,碰撞检测,复杂目标
参考文献
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三坐标雷达目标高度突跳问题研究 篇9
测高精度是预警监视雷达的重要战术性能指标之一。目标高度信息的精确与否直接影响到防空作战指挥系统对目标威胁度的判断,以及针对威胁目标进行的指挥决策和所采取对抗的火力引导[1]。文献[2]从人为因素、实际使用中的器件损坏因素出发,给出了雷达测高精度出现偏差时的原因分析和相应的修正方法。文献[3]研究了星载雷达高度计的测量中,利用雷达高度计回波波形估计误指向角的理论分析方法,并利用分析结果,提出了一种高度补偿方法,以提高星载雷达的测高精度。文献[4]系统研究了影响机载预警雷达测高精度的主要因素,分析了机载预警雷达的误差产生原因,并给出了提高机载预警雷达测高精度的方法。
与上述相关工作[2,3,4]不同,本文从地面三坐标雷达的阵地地理条件、雷达自身系统的整体组成,即信号处理、数据处理、雷达监控系统等多角度出发,分析三坐标雷达的高度突跳问题,并给出了相应的软件解决措施,以提高雷达的测高数据精度。
1 高度突跳因素分类
文献[5]指出目标的高度信息是根据雷达测量的目标距离和目标仰角间接获得的指标,其计算方程如式(1),其精度与众多因素有关。
式中:hd为目标高度;hr为雷达天线高度;rd为雷达探测的目标距离(斜距);θ为雷达探测的目标仰角;k=4 3;a是实际的地球半径(6 370 km)。
对于不同的三坐标雷达,其测高精度指标不同。对于同一部雷达,在不同的距离段,其对目标高度精度的定义也不同。例如:假定雷达的目标精度为100 km内,高度精度为200 m,100~200 km高度精度为500 m。那么,在100 km内的目标,如果雷达测量的目标高度与该目标的真实高度之间相差大于200 m,则称该目标高度突跳。同理,在100~200 km内的目标,如果雷达测量的目标高度与该目标的真实高度相差大于500 m,那么该目标高度突跳。
目标高度突跳因素分类如下:
1.1 地形遮蔽影响
比幅测高技术[6,7,8,9],尤其是三波束比幅测高[10]在当前三坐标雷达系统中被广泛采用。如果雷达阵地某些方位存在较大的遮蔽角,则可能导致这些方位的目标观测高度数据突跳。例如,在三波束比幅测高中,目标在前一帧可能处于高、中、低(波束3,波束2,波束1)三波束中波束2的中心位置,而在下一帧,可能由于波束1被高山等地形因素遮挡,从而使得目标处于波束2的上半沿。即雷达测得的目标仰角也就发生变化,从而导致目标高度发生变化,很有可能发生突跳现象。
1.2 近区杂波影响
近区杂波对数据处理中的目标关联过程影响很大,使得目标航迹在每一帧的相关波门内,需要相关的点迹数量较多,这些点迹的距离、方位极为接近,只是高度不同,极易造成目标相关错误。由于近区杂波的大量存在,高度合适的真实点迹可能没有被相关到目标航迹中,而杂波点迹则被错误相关到目标航迹中,从而造成了目标高度的突跳现象。在图1中,在40 km内杂波点多,特别是20 km内的距离段,由于目标关联时容易关联到杂波点上,造成了目标高度突跳。而40 km后,则发现目标观测高度与目标真实高度(二次高度)基本一致。
1.3 高度平滑算法影响
目标的观测高度在突变若干帧之后,即使此后有正确高度的合适点迹出现在目标的相关波门内,目标航迹仍也可能继续选择高度异常的点迹进行相关,而没有选择合适的点。这是因为数据处理软件的点航相关模块通常采用方位、距离、平滑高度等的综合多因子算法,由于之前几个历史帧的观测高度信息已经异常,导致历史帧平滑高度也异常,即使此时有正常高度的点迹,目标航迹仍可能继续选高度异常的点进行最后的相关。这种现象在目标上升、下降的过程中尤其明显。在图2中,为了特别说明高度平滑算法对高度数据的影响,只打印了051批次目标在7 040(10 s)时刻获得的相关波门内的四个一次点迹的观测高度值(图中用“+”表示)。可以发现由于历史帧目标观测高度的突变,而平滑算法收敛较慢,导致在7 040(10 s)时刻,综合多因子关联算法选择的是与历史平滑高度相近的一次点迹进行相关,而实际上图2中的这四个点迹,最下面一个点迹(高度值最小)的观测高度与目标真实高度(二次高度)最为接近。
1.4 信噪比起伏扰动影响
由于信噪比起伏扰动,在三波束比幅测高雷达中,部分目标在平稳飞行过程中高度也可能出现突然跳动。当出现此现象时,目标三个波束AD(幅度)值较前一帧下降较多,有的甚至大于10 dB;与此同时,三个波束AD值当中,有一个甚至两个为零,即因AD值过小无法通过该波束检测门限。通常情况下,信噪比起伏的扰动导致的目标高度跳变既有可能偏高也有可能偏低,即当目标处于中心波束下沿时,高波束AD值最小,易出现被置零的现象,此时高度偏低;当目标处于中心波束上沿时,低波束AD值最小,易出现被置零的现象,此时高度偏高。
1.5 接收通道增益不一致影响
接收通道的增益若不一致则对采用比幅测高体制的三坐标雷达的测高性能影响很大。因为接收通道增益一致是比幅测高的前提。接收通道的增益不一致时,需要进行校正。雷达初始校正时易受外界电磁环境的影响,通道校正状态发生偏移,一般情况下需要由雷达操纵员判断状态的好坏;雷达工作过程中也可能由于通道故障或环境变化产生性能偏移。
2 高度突跳的软件解决措施
针对上述高度突跳的影响因素,从信号处理、数据处理、监控系统等三个方面给出解决措施,以提高雷达测高精度。
由于地形遮挡或者目标信噪比起伏等原因,可能造成信号处理软件中参与比幅测高的低波束AD值不能通过检测门限,其AD值被切割为0值。如果仍采用三波束比幅测高算法,其计算的仰角信息是不准确的。由于低波束被遮挡,这时信号处理软件应智能地进行二波束比幅测高算法计算目标俯仰角,有利于提高测高精度。
数据处理软件在点航迹关联中常采用综合多因子算法,综合考虑目标点迹的多维度信息进行数据关联。因此数据处理软件应根据雷达阵地条件构建“阵地遮蔽角辅助图”、“阵地杂波图”,并将这两个图的信息作为目标点迹综合加权的因子之一,与目标对应的波束AD值、历史平滑高度以及距离变化、方位变化等信息一起综合考虑,从而选择最佳的点迹进行关联,进而保证目标高度的精度得以满足。且数据处理的高度平滑算法,应较快地实现收敛,并适应目标上升、下降等非平稳状态。
由于接收通道增益是否一致受操纵员的经验因素影响较大,仅人工设置的方式容易造成偏差。监控系统应实现通道一致性的自动评估系统,利用系统自检的方式,与人工设定的增益阈值进行比较,系统自动计算,并自动判断收发通道增益是否一致,若提示收发通道工作不正常,则智能地给出应设置的增益阈值和采取的解决措施。
3 结语
本文系统总结了三坐标雷达中造成目标测高数据突跳的主要因素,并结合雷达系统软件终端的工程实际,从信号处理软件、数据处理软件、监控系统软件的角度出发,给出了应对目标高度突跳现象的解决措施。本文的分析结果和解决方法对提高三坐标雷达(尤其是利用比幅测高技术的三坐标雷达)的测高精度有一定的借鉴意义。
参考文献
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