面向雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真的雷達(dá)性能評(píng)估研究

盧 冀 陳皓輝 李萬玉

(1.西安電子工程研究所 西安 710100; 2.中國人民解放軍32382部隊(duì) 北京 100071)

0 引言

雷達(dá)性能評(píng)估的一般過程包括評(píng)估所需數(shù)據(jù)的獲取，評(píng)估性能指標(biāo)或體系的構(gòu)建，評(píng)估結(jié)果的計(jì)算等三大類，分別對(duì)應(yīng)著不同平臺(tái)雷達(dá)參數(shù)的獲取[5],不同場合下雷達(dá)評(píng)估指標(biāo)體系的建立[6-7]和基于統(tǒng)計(jì)學(xué)模型和智能化方法的評(píng)估方法[8-9]等當(dāng)前熱點(diǎn)技術(shù)問題。因此，為了能借助雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)研究雷達(dá)性能評(píng)估方法，首先要解決基于該平臺(tái)的雷達(dá)性能參數(shù)獲取及評(píng)估方法的問題。

本文面向雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)領(lǐng)域，給出雷達(dá)性能評(píng)估參數(shù)及其獲取和計(jì)算方法，并系統(tǒng)性的探索雷達(dá)性能評(píng)估方法，依此實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證一種具體地評(píng)估方法，為雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真領(lǐng)域雷達(dá)性能評(píng)估的研究和持續(xù)發(fā)展起到拋磚引玉的作用。

1 總體設(shè)計(jì)

雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真通過構(gòu)建雷達(dá)、目標(biāo)、雜波、電子戰(zhàn)、傳播環(huán)境數(shù)學(xué)建模并仿真這些模型間的相互信息傳遞，完成對(duì)雷達(dá)等系統(tǒng)的性能評(píng)估。因此，面向雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真的雷達(dá)性能評(píng)估可以直接從各個(gè)數(shù)學(xué)模型中獲取參數(shù)，通過數(shù)學(xué)計(jì)算方法構(gòu)造性能模型，在仿真時(shí)段獲取實(shí)時(shí)的性能評(píng)估結(jié)果。值得一提的是，雷達(dá)數(shù)字化仿真中雷達(dá)、目標(biāo)、雜波電子戰(zhàn)等實(shí)物的數(shù)字化構(gòu)建參照真實(shí)雷達(dá)、目標(biāo)[2]、體雜波[3]、電子戰(zhàn)[4]的功能組成設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，而傳播環(huán)境則需要根據(jù)雷達(dá)與目標(biāo)、雜波、電子戰(zhàn)間波形交互分別構(gòu)建，即在數(shù)字化雷達(dá)設(shè)計(jì)與仿真中，與雷達(dá)實(shí)物測試獲得的回波不同，雷達(dá)回波參數(shù)是雷達(dá)與目標(biāo)、雜波等其它模型間回波參數(shù)的線性組合，易得不同環(huán)境下雷達(dá)的回波參數(shù)表示，更便于對(duì)各個(gè)環(huán)境及不同環(huán)境的雷達(dá)性能進(jìn)行評(píng)估。數(shù)字化雷達(dá)性能評(píng)估的總體系統(tǒng)框架見圖1所示。

圖1 數(shù)字化雷達(dá)性能評(píng)估系統(tǒng)框架

圖1給出了基于雷達(dá)、目標(biāo)、雜波、電子戰(zhàn)及傳輸模型間的信息交互關(guān)系，以及一種基于此的雷達(dá)評(píng)估和環(huán)境評(píng)估的構(gòu)造示意圖，其中雷達(dá)評(píng)估主要是通過雷達(dá)模型及雷達(dá)回波參數(shù)計(jì)算雷達(dá)功率相關(guān)參數(shù)以及通過雷達(dá)探測結(jié)果和目標(biāo)屬性評(píng)估探測目標(biāo)結(jié)果，環(huán)境評(píng)估則是評(píng)估雷達(dá)雜波、電子干擾環(huán)境對(duì)雷達(dá)目標(biāo)探測干擾程度。

2 評(píng)估方法

2.1 雷達(dá)評(píng)估

雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真對(duì)雷達(dá)性能評(píng)估是以在目標(biāo)、雜波及電子戰(zhàn)模型下雷達(dá)接收有用信號(hào)優(yōu)劣和探測誤差為基礎(chǔ)開展，接收有用信號(hào)主要考慮噪聲、目標(biāo)、雜波和干擾功率，探測誤差以測距、測速、測角誤差為基礎(chǔ)。

噪聲評(píng)估即計(jì)算設(shè)備的噪聲N，可得

N=N0×Bn=KTSBn

(1)

其中No表示大氣白噪聲高綠；K是玻爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23W/Hz·K；Bn為接收機(jī)帶寬；Ts為系統(tǒng)噪聲溫度，描述為

3.綜上所述，在時(shí)代的變更以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動(dòng)作用下，我們已經(jīng)步入了全新的媒體傳播時(shí)代，新聞報(bào)道質(zhì)量的高低直接影響著鄉(xiāng)鎮(zhèn)電視臺(tái)的生存和發(fā)展。

Ts=Ta+Tr+Lr·Te

(2)

其中Ta表示天線溫度；Tr表示接收機(jī)溫度；Lr表示射頻傳輸損耗；Te表示接收機(jī)噪聲溫度，則有

(3)

其中T′a和La分別表示天線表面溫度白噪聲和天線損耗，可根據(jù)理論值和天線指標(biāo)獲取。

Tr=Ttr(Lr-1)

(4)

其中Ttr表示物理溫度。

Te=T0(Fn-1)

(5)

其中T0和Fn分別表示接收機(jī)工作溫度和噪聲系數(shù)，F(xiàn)n一般可測試得到，為已知條件。從而，在數(shù)字化仿真中白噪聲功率Pn可以描述為

Pn=(randn(1)·N)2

(6)

其中randn(1)表示一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)。

目標(biāo)功率PT由三部分組成，目標(biāo)回波功率Pt，噪聲功率N和欺騙干擾下假目標(biāo)的功率PG；雜波功率PC一般包括白噪聲功率Pn和地海回波功率Ps，有時(shí)候也把非感興趣目標(biāo)回波功率Pnit統(tǒng)計(jì)到雜波功率中，非感興趣目標(biāo)包括箔條、欺騙干擾及覆蓋干擾。電子干擾功率PI包括欺騙干擾功率PG和覆蓋干擾的功率Pc。限于篇幅，目標(biāo)功率、雜波功率及電子干擾功率的計(jì)算可參考文獻(xiàn)[2-4]。

一般情況下，在統(tǒng)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)需求計(jì)算SNR、SCR和SIR，或上述兩種以上的組合。一般來說，滿足公式(7)至公式(9)。

(7)

(8)

(9)

為了統(tǒng)計(jì)方便，一般用當(dāng)前波門內(nèi)的功率Pg表示雷達(dá)探測到的目標(biāo)功率為

(10)

(11)

速度Va一般可以描述[2]為

(12)

其中fres表示多普勒分辨率，則

(13)

PRF表示雷達(dá)重復(fù)頻率；NCPI表示CPI內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)；NDOP表示多普勒門的序號(hào)。

雷達(dá)測距、測速、測角的誤差可以分別用距離測量誤差ΔR，多普勒測量誤差ΔF，方位角測量誤差ΔΘ和俯仰角測量誤差ΔΦ表示，在數(shù)字化雷達(dá)仿真評(píng)估，ΔR可以用一個(gè)CPI內(nèi)各個(gè)脈沖的平均時(shí)延和目標(biāo)跟蹤距離Rt之差表示為

(14)

其中τi表示第i個(gè)脈沖的時(shí)延；c為光速；△F可以用一個(gè)CPI內(nèi)各個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的多普勒頻率的平均值和目標(biāo)跟蹤多普勒頻率Ft之差表示為

(15)

其中Δfi表示第i個(gè)脈沖的多普勒頻率。測角誤差可以用每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的平均目標(biāo)角度和目標(biāo)跟蹤角度之差表示，則有

(16)

(17)

其中τi、Δfi、Δθ和Δφ是根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)計(jì)算得到的相關(guān)參數(shù)[5-8]，Rt、Ft、θt、φt一般為雷達(dá)對(duì)目標(biāo)參數(shù)的跟蹤預(yù)測。

2.2 環(huán)境評(píng)估

在雷達(dá)數(shù)字化仿真評(píng)估中，雷達(dá)工作環(huán)境是根據(jù)環(huán)境分類各個(gè)構(gòu)建的，每個(gè)環(huán)境的參數(shù)獨(dú)立變化，便于評(píng)估不同環(huán)境對(duì)雷達(dá)目標(biāo)探測的影響。

雷達(dá)數(shù)字化構(gòu)建的典型環(huán)境主要有：目標(biāo)、雜波、電子干擾、傳播環(huán)境等，環(huán)境評(píng)估主要是評(píng)估非目標(biāo)環(huán)境對(duì)目標(biāo)環(huán)境的影響，在數(shù)字化仿真與評(píng)估中，不同環(huán)境描述的參數(shù)是相同的，構(gòu)成不同環(huán)境的函數(shù)描述也是一致的，假設(shè)目標(biāo)、雜波、電子干擾和傳播環(huán)境的函數(shù)描述分別是YT，YC，YI和YM，可以定義環(huán)境評(píng)估Ei(i=C,I,M)表示非目標(biāo)環(huán)境Yi對(duì)目標(biāo)環(huán)境YT的影響，則Ei描述為

Ei=conv(Yi,YT),i=T,C,I,M

(18)

雷達(dá)數(shù)字化評(píng)估中，環(huán)境描述參數(shù)就是描述雷達(dá)發(fā)射波形在該環(huán)境下的雷達(dá)回波的參數(shù)，通過式(18)計(jì)算不同環(huán)境下雷達(dá)回波相對(duì)目標(biāo)回波的相關(guān)性，就可以對(duì)雷達(dá)探測目標(biāo)受環(huán)境的影響進(jìn)行簡單的計(jì)算與評(píng)估，環(huán)境參數(shù)的描述見表1所列。

表1 環(huán)境參數(shù)

表1描述了雷達(dá)環(huán)境波形的參數(shù)，其中p、f、φ和△t用于描述雷達(dá)調(diào)制波形的參數(shù)；δAZ和δEL用于描述雷達(dá)環(huán)境回波的角度，配合天線方向圖獲取雷達(dá)天線收到的雷達(dá)信號(hào)波形。由這些參數(shù)，易知時(shí)刻t雷達(dá)環(huán)境的函數(shù)Yi(t)為

Yi(t)=p(t)|ω(δAZ(t),δEL(t))|
ej2πf(t)(t-Δt(t))ejφ(t)ejangle(ω(δAZ(t),δEL(t)))·Fr(t)

(19)

其中ω(δAZ,δEL)和angle(ω(δAZ,δEL))分別表示天線方向圖在δAZ和δEL角度下對(duì)應(yīng)的幅度和角度，p(t)、f(t)、φ(t)、△t(t)、δAZ(t)和δEL(t)描述了環(huán)境參數(shù)隨時(shí)間變化的函數(shù)，目標(biāo)、雜波、電子干擾、傳播環(huán)境等環(huán)境下對(duì)環(huán)境參數(shù)的主要影響見表2所列。

表2 不同環(huán)境下對(duì)環(huán)境參數(shù)的主要影響

3 仿真與驗(yàn)證

利用Matlab軟件對(duì)本文提出的雷達(dá)性能評(píng)估方法進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了本文方法的可行性和有效性。圖2顯示了一段時(shí)間T秒內(nèi)計(jì)算得到的白噪聲值；圖3顯示了一段時(shí)間T秒內(nèi)計(jì)算的目標(biāo)回波，其中1到6s為目標(biāo)疊加噪聲的計(jì)算結(jié)果，相應(yīng)地，也根據(jù)本文方法計(jì)算了目標(biāo)回波的信噪比；圖4顯示了雜波、電子干擾對(duì)雷達(dá)探測目標(biāo)的影響程度，圖4中電子干擾為假目標(biāo)干擾，因同雷達(dá)回波結(jié)果類似而影響最大，而雜波環(huán)境對(duì)目標(biāo)回波影響較小。

圖2 噪聲計(jì)算

圖3 目標(biāo)回波功率及信噪比計(jì)算

圖4 環(huán)境評(píng)估結(jié)果

4 結(jié)束語

針對(duì)雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)的雷達(dá)性能評(píng)估問題，從雷達(dá)功能及雷達(dá)使用環(huán)境涉及的雷達(dá)、目標(biāo)、雜波、電子戰(zhàn)等數(shù)字模型入手，給出了基于數(shù)字模型的雷達(dá)性能評(píng)估系統(tǒng)的構(gòu)建方法，重點(diǎn)從雷達(dá)和環(huán)境兩部分闡述了數(shù)字化雷達(dá)性能評(píng)估中雷達(dá)功能及其使用環(huán)境的參數(shù)獲取和使用問題，基于雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真，提出了一種簡便易行的面向雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真的雷達(dá)性能評(píng)估方法，以期為雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真中雷達(dá)性能評(píng)估研究工作起到拋磚引玉的效果。最后通過具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雷達(dá)性能評(píng)估方法的有效性和可用性，進(jìn)一步的研究可繼續(xù)在本文方法的基礎(chǔ)上結(jié)合具體場景和場景模型實(shí)施。