CN109471085B - 一种低雷达散射截面积飞行器的探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达探测技术领域，公开了一种探测低雷达散射截面积飞行器的探测方法，包括第一步、波位编排与照射；第二步、地杂波分析与处理；第三步、杂波对消处理；第四步、隐身目标轮廓检测；在第三步骤执行完以后，对联合检测的输出结果需要进行初始判断，判断是否检测到低雷达散射截面积飞行器的轮廓；本发明利用了低雷达散射截面积飞行器对电磁波的衰减效应，改变了传统的将雷达目标反射波能量作为探测依据；利用了低雷达散射截面积飞行器的优异隐身性能，将光学图像处理中的阴影检测技术引入低雷达散射截面积飞行器的雷达探测处理方法，工程适用性强，具有广阔的应用价值。

Description

一种低雷达散射截面积飞行器的探测方法

技术领域

本发明属于雷达探测技术领域，涉及一种探测低雷达散射截面积飞行器的探测方法。

背景技术

低雷达散射截面积飞行器通过采用非常独特的外形设计，涂覆了高性能的雷达吸波材料，使得雷达照射到飞机上的电磁波只有很少一部分能量反射回雷达，雷达接收到的回波能量非常微弱，很难被探测到。低雷达散射截面积飞行器对国土防空安全构成了威胁。雷达是探测空中目标最有效和最可靠的手段，可以全天候工作，当前对低雷达散射截面积飞行器的探测方式主要是米波雷达探测。

米波雷达探测技术利用的是电磁波本身的波长与目标尺寸相当，使得低雷达散射截面积飞行器的散射强度增强，但是即便如此飞机本身的吸波材料能够很大程度上降低了电磁波的散射能量，低雷达散射截面积飞行器还采用了有源对消技术，通过干涉效应使低雷达散射截面积飞行器的散射场和人为引入的辐射场在雷达方向上相干对消,从而有效抑制从低雷达散射截面积飞行器反射回雷达的信号能量。

总而言之，现有的探测技术都是将雷达布置在地面，使雷达天线在一定的空域进行扫描并辐射电磁信号。当天线照射到感兴趣的目标时，由雷达在噪声背景中检测目标反射回雷达的较强的信号能量。但是，低雷达散射截面积飞行器的最大优势就在于能够大幅度的衰减电磁波的能量，这使得电磁波照射到低雷达散射截面积飞行器的时候几乎没有信号反射回雷达接收机中，因此现有的技术思路都很难凑效。

根据低雷达散射截面积飞行器对电磁波的吸收、对消效应，将雷达探测***布置在高空，包括：临近空间，雷达采用相控阵天线，能够同时形成多个照射波束，并且向己方需要监测的区域、地表进行照射探测。当低雷达散射截面积飞行器进入、穿越雷达波束照射区域时，会形成电波衰减现象或遮挡效应，它会吸收一部分的照射能量，还有可能会吸收一部分的地面反射能量，导致到达雷达的杂波功率降低。通过设计新的信号处理方法，对比低雷达散射截面积飞行器出现前后的杂波图，借鉴光学图像的处理技术就能够对低雷达散射截面积飞行器进行有效的探测。这样不仅使雷达探测低雷达散射截面积飞行器的***可行性大大增强，降低了信号处理的复杂程度和计算效率，还能实现探测无盲区，延长预警时间，这将具有重要的应用价值和应用前景。

发明内容

本发明针对现有雷达反隐身技术的不足，充分利用低雷达散射截面积飞行器对雷达照射电磁波的吸收所形成的能量衰减效应，通过对比低雷达散射截面积飞行器出现前后所形成的杂波图的显著差异，借鉴光学图像处理方法，将阴影检测技术从可见光波段应用至射频波段，来生成隐身目标的轮廓、阴影图像。提供一种探测低雷达散射截面积飞行器的探测方法，是一种新颖、适应性强的低雷达散射截面积飞行器探测定位方法。

为实现这样的目的，本发明采用的技术方案是：

一种探测低雷达散射截面积飞行器的探测方法，首先，临近空间相控阵雷达探测***形成同时多波束照射，按照预设的波位编排方式，采用针状波束对指定监测空域实施扫描；雷达采用脉冲多普勒工作体制，在特定的波束驻留周期——工作周期内，完成信号的发射、接收与预处理，由于地面对电磁波的反射作用，通过脉冲多普勒处理和杂波图处理后，将生成照射地域的杂波图；通过杂波对消处理后，当低雷达散射截面积飞行器在当前周期内穿过照射波束时，因其涂覆吸波材料对电磁波的吸收/衰减作用，部分入射波能量将被吸收，同时部分地面散射波能量也将被低雷达散射截面积飞行器吸收，对比之前波束内不存在隐身目标的情形，接收能量将会一定程度地衰减，而杂波图也相应地改变，通过阴影检测技术来检测低雷达散射截面积飞行器的轮廓；最后，通过比对两种情形下的杂波图，便可实现对隐身目标的探测。

本发明的技术方案包括以下具体步骤：

第一步、波位编排与照射；

相控阵雷达天线形成数字多波束照射，根据事先设定好的波位编排表，选用相应的信号样式，采用笔状波束对指定监测的空域，自上而下向地表实施边扫描边照射。

第二步、地杂波分析与处理；

首先，就是在波束驻留周期(工作周期)内，雷达对同时多波束天线覆盖区域所接收到的信号进行预处理——采样和量化。

然后，对采样和量化后的信号进行脉冲多普勒处理，脉冲多普勒处理是直接对每一个距离单元内慢时间数据序列执行一个谱分析，得到一个新的数据矩阵，此数据矩阵的坐标域变为快时间和多普勒频率，同时该数据矩阵中的杂波分量已被衰减。

脉冲多普勒处理后的数据送给杂波图处理，将零多普勒单元的输出用来生成最新的雷达搜索区域内所有距离－方位单元的杂波回波功率的存储图，此杂波的存储图需要连续更新，来跟踪由于低雷达散射截面积飞行器的出现所导致的杂波变化。

最后，将杂波图生成后的数据送入杂波图存储，用于后续的比较和处理。

第三步、杂波对消处理；

将第二步骤输出的信号作为输入，进行AMTI(自适应动目标显示)处理，来衰减静止物体的杂波。AMTI是在固定MTI的基础上增加自适应滤波，可以较好的跟踪由于平台运动及天线扫描所产生的主杂波频移与扩展；

然后，AMTI处理之后的信号送入联合检测处理，即对AMTI处理后的杂波图和上一个工作周期AMTI处理之后的杂波图进行差分，通过差分结果来检测低雷达散射截面积飞行器的轮廓。

第四步、隐身目标轮廓检测；

第三步骤执行完以后，对联合检测的输出结果需要进行初始判断，判断是否检测到低雷达散射截面积飞行器的轮廓。如果检测到目标轮廓，需要进一步确认是否真的检测到低雷达散射截面积飞行器的轮廓，将目标轮廓送入到杂波图综合比对分析，结合前面步骤中形成的前期杂波图样式，对低雷达散射截面积飞行器的检测结果进行确认，进而完成对隐身目标的探测；如果没有检测到目标轮廓，则返回第一步骤，继续执行预订扫描，或者结束本次空域检测。

由于采用上述技术方案，本发明具有如下优越性：

本发明巧妙利用了低雷达散射截面积飞行器对电磁波的衰减效应，改变了传统的将雷达目标反射波能量作为探测依据，而是将低雷达散射截面积飞行器材料对电磁波的吸收、对雷达辐射信号的衰减效应产生的物理现象作为依据，可以使雷达探测低雷达散射截面积飞行器的***可行性大大增强，降低了信号处理的复杂程度和计算效率；同时，采用临近空间平台自上往下照射很大的区域，探测范围广，免受地球曲率因素、地形遮蔽因素的影响，直视距离以及对低雷达散射截面积飞行器的发现距离都大大增加，适当布置雷达可以实现探测无盲区，对隐身目标的预警时间就延长很多，提高目标的检测概率。本发明的方法充分利用了低雷达散射截面积飞行器的优异隐身性能，将光学图像处理中的阴影检测技术引入低雷达散射截面积飞行器的雷达探测处理方法，工程适用性强，具有广阔的应用价值。

附图说明

图1是基于电波衰减效应的新型反隐身探测的空间布局示意图；

图2是基于电波衰减效应的新型反隐身探测技术的信号处理流程图；

图3是基于电波衰减效应的新型反隐身探测雷达的天线波束波位编排方式示意图；

图4是低雷达散射截面积飞行器穿越雷达照射波束的前后几个典型时刻所形成阴影轮廓的示意图；

图5是不存在低雷达散射截面积飞行器的情况下，利用本方案对低雷达散射截面积飞行器进行轮廓检测的处理结果；

图6是存在低雷达散射截面积飞行器的情况下，利用本方案对低雷达散射截面积飞行器进行轮廓检测的处理结果；

图7是利用两部新型反隐身探测雷达对低雷达散射截面积飞行器进行测距定位的空间布局示意图；

图8是基于电波衰减模式的新型反隐身探测雷达对低雷达散射截面积飞行器进行测距定位的数学解算示意图。

具体实施方式

下面以基于电波衰减效应的新型反隐身探测技术为例，结合附图对本发明进一步说明。

如图1、2、3、4、5、6、7、8所示，一种探测低雷达散射截面积飞行器的探测方法，首先，临近空间相控阵雷达探测***形成同时多波束照射，按照预设的波位编排方式，采用针状波束对指定监测空域实施扫描；雷达采用脉冲多普勒工作体制，在特定的波束驻留周期——工作周期内，完成信号的发射、接收与预处理，由于地面对电磁波的反射作用，通过脉冲多普勒处理和杂波图处理后，将生成照射地域的杂波图；通过杂波对消处理后，当低雷达散射截面积飞行器在当前周期内穿过照射波束时，因其涂覆吸波材料对电磁波的吸收/衰减作用，部分入射波能量将被吸收，同时部分地面散射波能量也将被低雷达散射截面积飞行器吸收，对比之前波束内不存在隐身目标的情形，接收能量将会一定程度地衰减，而杂波图也相应地改变，通过阴影检测技术来检测低雷达散射截面积飞行器的轮廓；最后，通过比对两种情形下的杂波图，便可实现对隐身目标的探测；其具体步骤如下：

第一步、波位编排与照射；

相控阵雷达天线形成数字多波束照射，根据事先设定好的波位编排表，选用相应的信号样式，采用笔状波束对指定监测的空域，自上而下向地表实施边扫描边照射；

第二步、地杂波分析与处理；

首先，就是在波束驻留周期——工作周期内，雷达对同时多波束天线覆盖区域所接收到的信号进行预处理——采样和量化；

然后，对采样和量化后的信号进行脉冲多普勒处理，脉冲多普勒处理是直接对每一个距离单元内慢时间数据序列执行一个谱分析，得到一个新的数据矩阵，此数据矩阵的坐标域变为快时间和多普勒频率，同时该数据矩阵中的杂波分量已被衰减；

脉冲多普勒处理后的数据送给杂波图处理，将零多普勒单元的输出用来生成最新的雷达搜索区域内所有距离－方位单元的杂波回波功率的存储图，此杂波的存储图需要连续更新，来跟踪由于低雷达散射截面积飞行器的出现所导致的杂波变化；

最后，将杂波图生成后的数据送入杂波图存储，用于后续的比较和处理；

第三步、杂波对消处理；

将第二步骤输出的信号作为输入，进行AMTI自适应动目标显示处理，来衰减静止物体的杂波；AMTI是在固定MTI的基础上增加自适应滤波，能够较好的跟踪由于平台运动及天线扫描所产生的主杂波频移与扩展；

然后，AMTI处理之后的信号送入联合检测处理，即对AMTI处理后的杂波图和上一个工作周期AMTI处理之后的杂波图进行差分，通过差分结果来检测低雷达散射截面积飞行器的轮廓；

第四步、隐身目标轮廓检测；

在第三步骤执行完以后，对联合检测的输出结果需要进行初始判断，判断是否检测到低雷达散射截面积飞行器的轮廓；如果检测到目标轮廓，需要进一步确认是否真的检测到低雷达散射截面积飞行器的轮廓，将目标轮廓送入到杂波图综合比对分析，结合前面步骤中形成的前期杂波图样式，对低雷达散射截面积飞行器的检测结果进行确认，进而完成对隐身目标的探测；如果没有检测到目标轮廓，则返回第一步骤，继续执行预订扫描，或者结束本次空域检测。

在图1所示基于电波衰减效应的新型反隐身探测的空间布局示意图中，临近空间相控阵雷达探测***通过数字合成形成多个同时照射波束，对指定监测的空域，自上而下向地面实施照射；并且按照预设的波位编排方式，对所监测的空域进行扫描和探测。临近空间相控阵雷达采用脉冲多普勒工作体制，在波束驻留周期--工作周期内，完成信号的发射、接收与处理。由于地面对电磁波的散射作用，经过当前工作周期的处理，将生成照射地域的杂波图。

低雷达散射截面积飞行器的飞行高度要比临近空间相控阵雷达要低很多，当隐身目标在当前天线扫描周期内穿过照射波束时，因其涂覆吸波材料对电磁波的吸收/衰减作用，照射到低雷达散射截面积飞行器的电磁波能量将被吸收，同时部分地面散射波能量也将被吸收，相对于当前波束内不存在隐身目标的情形，雷达所接收到的地面散射能量将会一定程度地衰减，形成的杂波图会发生变化，相当于飞机的隐身性能遮挡了电磁波照射地面，进而形成了“阴影效应”，通过本方案给出的信号与信息处理方法和工作流程，比对两种情形下的杂波图，便可实现对隐身目标的探测。

在图2所示的信号处理流程图中，按照“1.波位编排与照射——2.地杂波分析与处理——3.运动平台地杂波对消——4.隐身目标轮廓检测”四个步骤。首先依据预设波位编排，选用相应的信号样式，执行对监测空域的照射；

第一步骤是波位编排与照射，相控阵雷达天线按照事先编排好的波位表，执行预定扫描。波位编排技术是一种带约束条件的最优化技术。相控阵雷达为了发现新目标，获得最优的目标搜索方案，需要对约束条件(雷达资源)、目标函数(覆盖整个区域的时间最短)等进行综合考虑。本方案可以采用两种波位编排的排列方式：列状波束、交错波束。

第二步骤是地杂波分析与处理，包含三个环节：信号接收与预处理、脉冲多普勒处理和杂波图生成、杂波图存储。

首先，信号接收与预处理就是在波束驻留周期(工作周期)内，雷达对天线波束覆盖区域所接收到的信号进行时域采样和量化。时域采样的速率要大于发射信号的带宽，量化的位数要大于12位，从而获得较大的动态范围。

然后，进行脉冲多普勒处理和杂波图生成。脉冲多普勒处理是直接对每一个距离单元内慢时间数据序列执行一个谱分析，得到一个新的数据矩阵，此数据矩阵的坐标域变为快时间和多普勒频率，同时该数据矩阵中的杂波分量已被衰减。不同的多普勒采样会包含不同的干扰分量，杂波谱的中心在零多普勒频率处，那些靠近或位于零频率处的多普勒谱采样主要包含强杂波信号，也包含噪声分量，远离杂波能量的清洁区中的谱采样仅仅包含热噪声。

杂波图技术是一种时域上的自适应处理技术，主要用来实时记录雷达探测区域内环境的杂波分布及其强度变化，可用于检测极低或零多普勒频率的运动目标。由于隐身目标是横着穿越雷达视线(即目标速度垂直于雷达视线，切向)的运动目标，这使得隐身目标在前面的脉冲多普勒处理中可能被丢弃。杂波图处理是先将零多普勒单元的输出作为输入，来生成最新的雷达搜索区域内所有距离－方位单元的杂波回波功率的存储图。此杂波的存储图需要连续更新，来跟踪由于低雷达散射截面积飞行器的出现所导致的杂波变化。本方案中的用杂波图***来生成杂波图，可以使慢时间数据通过一个单独的“零速滤波器”，该滤波器是一个低通滤波器，其输出只包含地面杂波和切向运动目标回波。

然后，将脉冲多普勒处理和杂波图生成后的数据送入杂波图存储，用于后续的比较和处理。

第三步骤是杂波对消处理。将第二步骤输出的数据作为输入，进行AMTI(自适应动目标显示)处理和联合检测处理。AMTI处理就是采用两脉冲对消、三脉冲对消等技术，形成凹口滤波器，从而消除接收信号中心谱线附近的杂波。方案中相控阵雷达是装在临近空间平台的，因为平台自身的运动，造成了平台与地面间的相对运动，从而使杂波中心谱线发生频移与扩展，这个频率移动量与运动平台的速度大小、速度方向、波束方位等密切相关，为了消除平台与地面间的相对运动造成的影响，必须精确地跟踪主瓣杂波位置，并在这个位置附近设置凹口滤波器。在方案的实际实现过程中，可采用自适应滤波器环节或PLL(锁相环)来实现。AMTI处理后的信号送入联合检测处理。

联合检测处理就是对AMTI处理后的杂波图使用二维直方图最大熵门限化联合检测方法，来提取边缘图像。通过前面的处理，低雷达散射截面积飞行器的出现并不改变原有地表纹理、照射强度方向性等特征，从而在杂波图中形成阴影区域，低雷达散射截面积飞行器的阴影区域的灰度方差小于其它地表区域。对边缘图像进行细化跟踪处理，删除对比度较弱边缘，从而得到飞机的阴影轮廓。依据该轮廓构建阴影区域，统计其灰度直方图，求取灰度区间，最终提取隐身目标在杂波图中的阴影区域。这种联合检测方法对比度高，边侧规则，实时性比较好，可以提高对隐身目标轮廓检测的正确率。

第四步骤是隐身目标轮廓检测，主要包括目标轮廓检测的判断和杂波图综合对比分析两个环节。第三步骤执行完以后，对联合检测的输出结果需要进行判断，判断是否检测到低雷达散射截面积飞行器的轮廓，如果检测到目标轮廓，输出“Yes”,将目标轮廓送入到杂波图综合比对分析，结合前面步骤中形成的前期杂波图样式，对隐身目标检测结果进行确认，进而完成对隐身目标的探测；如果没有检测到目标轮廓，输出“No”，完成本次周期探测输出判决结果，再进行一次判断，来判断是否执行下周期扫描，如果“Yes”，则返回第一步骤，继续执行预订扫描；如果“No”，则结束本次空域检测。

图3表示本方案可以采用的两种波位编排的排列方式：列状波束、交错波束，如图所示，两种波束间隔为分别为一个波束宽度，和0.866倍的波束宽度，其中B₀为波束宽度。

图4表示低雷达散射截面积飞行器穿越雷达照射波束的前后几个典型时刻，杂波对消处理形成阴影轮廓的示意图。按照隐身目标穿越当前照射波束的时间顺序，将整个过程划分为四个阶段：开始进入、头部进入、完全进入、部分脱离波束。当处于“开始进入波束”阶段，由于电磁波在传输的过程中不会被隐身目标吸收，所以对消后将不存在信号；当处于“头部进入波束”时，部分电磁波将会被吸收，造成能量损失，再进行对消时，将出现头部的阴影轮廓；当完全进入后，由于相邻PRI内电磁波信号均被吸收，所以对消之后仍不存在信号；当“部分脱离波束”时，尾部将吸收入射的电磁，从而在对消时会保留头部的信号，从而实现了尾部轮廓的检测。实际应用中，可执行头、尾部轮廓联合检测，通过多个PRI的综合处理以提高对隐身目标轮廓检测的正确率。

图5表示本方案在执行一个波束驻留周期时，当低雷达散射截面积飞行器没有穿越雷达天线照射波束时(即不存在低雷达散射截面积飞行器时)，通过前三个步骤，执行杂波对消处理后的输出结果，可以看出是一片灰色区域。

图6表示本方案在执行一个波束驻留周期时，当隐身目标穿越雷达天线波束时，执行联合检测的输出结果，此时检测到的隐身目标，是阴影区域之中的一块明亮轮廓区域，表示了隐身目标的轮廓。

图7表示低雷达散射截面积飞行器测距定位示意图，此时需要两个临近空间相控阵雷达对地面进行照射。利用图1中单个相控阵雷达检测隐身目标轮廓的原理，可判定隐身目标所在的方位，结合两部已知位置的雷达，通过三角函数运算，能够实现对低雷达散射截面积飞行器的测距与定位。

图8表示利用两部临近空间相控阵雷达，采用本方案给出的处理方法，对低雷达散射截面积飞行器进行测距定位的空间几何布局图。低雷达散射截面积飞行器位置坐标为(x,y,z)，雷达A根据波束扫描角度判定的低雷达散射截面积飞行器所在的方位角是β₁，俯仰角是ε₁，雷达B根据波束扫描角度判定的低雷达散射截面积飞行器所在的方位角是β₂，俯仰角是ε₂。低雷达散射截面积飞行器到雷达***A的距离为r₁，低雷达散射截面积飞行器到雷达***B的距离为r₂。雷达A和雷达B的坐标位置分别为(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)。

根据方位角β₁的三角公式：

俯仰角ε₁的三角公式：

方位角β₂的三角公式：

俯仰角ε₂的三角公式：

可以建立方程组

由方程组中任选3个方程，就可以解算出目标位置参数(x,y,z)

同时，可求解出目标的距离参数

Claims (1)

1.一种探测低雷达散射截面积飞行器的探测方法，其特征是：首先，临近空间相控阵雷达探测***形成同时多波束照射，按照预设的波位编排方式，采用针状波束对指定监测空域实施扫描；雷达采用脉冲多普勒工作体制，在特定的波束驻留周期——工作周期内，完成信号的发射、接收与预处理，由于地面对电磁波的反射作用，通过脉冲多普勒处理和杂波图处理后，将生成照射地域的杂波图；通过杂波对消处理后，当低雷达散射截面积飞行器在当前周期内穿过照射波束时，因其涂覆吸波材料对电磁波的吸收/衰减作用，部分入射波能量将被吸收，同时部分地面散射波能量也将被低雷达散射截面积飞行器吸收，对比之前波束内不存在隐身目标的情形，接收能量将会衰减，而杂波图也相应地改变，通过阴影检测技术来检测低雷达散射截面积飞行器的轮廓；最后，通过比对两种情形下的杂波图，便可实现对隐身目标的探测；其具体步骤如下：

第一步、波位编排与照射；

相控阵雷达天线形成数字多波束照射，根据事先设定好的波位编排表，选用相应的信号样式，采用笔状波束对指定监测的空域，自上而下向地表实施边扫描边照射；

第二步、地杂波分析与处理；

首先，就是在波束驻留周期——工作周期内，雷达对同时多波束天线覆盖区域所接收到的信号进行预处理——采样和量化；

然后，对采样和量化后的信号进行脉冲多普勒处理，脉冲多普勒处理是直接对每一个距离单元内慢时间数据序列执行一个谱分析，得到一个新的数据矩阵，此数据矩阵的坐标域变为快时间和多普勒频率，同时该数据矩阵中的杂波分量已被衰减；

脉冲多普勒处理后的数据送给杂波图处理，将零多普勒单元的输出用来生成最新的雷达搜索区域内所有距离－方位单元的杂波回波功率的存储图，此杂波的存储图需要连续更新，来跟踪由于低雷达散射截面积飞行器的出现所导致的杂波变化；

最后，将杂波图生成后的数据送入杂波图存储，用于后续的比较和处理；

第三步、杂波对消处理；

将第二步骤输出的信号作为输入，进行AMTI自适应动目标显示处理，来衰减静止物体的杂波；AMTI是在固定MTI的基础上增加自适应滤波，能够跟踪由于平台运动及天线扫描所产生的主杂波频移与扩展；

然后，AMTI处理之后的信号送入联合检测处理，即对AMTI处理后的杂波图和上一个工作周期AMTI处理之后的杂波图进行差分，通过差分结果来检测低雷达散射截面积飞行器的轮廓；

第四步、隐身目标轮廓检测；

在第三步骤执行完以后，对联合检测的输出结果需要进行初始判断，判断是否检测到低雷达散射截面积飞行器的轮廓；如果检测到目标轮廓，需要进一步确认是否真的检测到低雷达散射截面积飞行器的轮廓，将目标轮廓送入到杂波图综合比对分析，结合前面步骤中形成的前期杂波图样式，对低雷达散射截面积飞行器的检测结果进行确认，进而完成对隐身目标的探测；如果没有检测到目标轮廓，则返回第一步骤，继续执行预订扫描，或者结束本次空域检测；

其中相控阵雷达是装在临近空间平台的，低雷达散射截面积飞行器的飞行高度要比临近空间相控阵雷达要低。

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