CN110726977A - 一种干扰环境下船舶雷达性能评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种干扰环境下船舶雷达性能评估方法，该方法包括以下步骤：步骤一、雷达和干扰源天线发射建模；步骤二、电磁信号传输建模；步骤三、目标和背景回波散射建模；步骤四、电磁信号传输建模以及天线接收信号建模；步骤五、雷达接收机建模；步骤六、获得模型输出的视频信号；步骤七、处理数据和评估雷达性能：建立评估算法，处理雷达视频输出数据，评估雷达性能。本发明给出了完整的船舶雷达性能评估模型，可以对船舶雷达在干扰环境下的性能进行分析和评估；由于是信号级、零中频建模，仿真模型不依赖于频率、雷达接收通道的器件参数，使模型具有通用性和高效性；船舶平台和其它平台具有相通性，能对陆地、机载、星载雷达性能进行评估。

Description

一种干扰环境下船舶雷达性能评估方法

技术领域

本发明涉及雷达性能分析技术领域，尤其涉及一种干扰环境下船舶雷达性能评估方法。

背景技术

船舶雷达的技术性能指标(检测阈值、检测概率等)一般指在较理想环境下的参数,通常以雷达内部的热噪声和背景杂波为基本影响因素。这种较理想的外界环境下的雷达性能指标，可以借助解析方法利用简单的公式直接得出。

实际的雷达所处的环境，通常包括各种有意的电磁干扰。这种干扰具有随机性，幅度、相位、脉冲宽度等均为随机值。这时雷达技术性能指标会大大下降，下降的幅度也无法通过简单公式评估。这时需要建立雷达性能评估模型，通过数值仿真获得性能指标。

以往的评估方法没有针对舰船雷达特点建立完整模型，且缺乏计算样本数量的准确公式。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种干扰环境下船舶雷达性能评估方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种干扰环境下船舶雷达性能评估方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、雷达和干扰源天线发射建模：采用三维电磁场仿真软件，建立雷达天线发射模型和干扰源天线发射模型，并通过蒙特卡洛方法生成外界干扰信号；

步骤二、电磁信号传输建模：建立电磁信号在大气中传输的损耗模型；

步骤三、目标和背景回波散射建模：采用电磁计算方法建立目标和背景的散射模型，给出回波信号的特征和幅度；

步骤四、电磁信号传输建模以及天线接收信号建模：建立回波信号在大气中的损耗模型，并利用电磁计算方法建立天线接收模型；

步骤五、雷达接收机建模：建立回波和干扰信号在接收机中的传输模型；

步骤六、根据回波和干扰信号在接收机中的传输模型，获得输出的视频信号；

步骤七、处理数据和评估雷达性能：建立评估算法，处理雷达视频输出数据，评估雷达性能。

进一步地，本发明的该方法中的信号建模过程中，对雷达信号发射、干扰信号发射、传输、接收的每一个环节，建立模型的数学公式表达，对信号传输通道给出数学公式表示的传递函数，信号传输通道包括混频器、中频放大器。

进一步地，本发明的步骤一中雷达和干扰源天线发射建模的方法具体为：根据发射信号的参数，包括功率、脉冲重复周期，建立发射信号模型；为了生成干扰信号，采用蒙特卡洛法，随机生成干扰信号的相位、功率、脉冲重复周期的参数；采用三维电磁场仿真软件，根据天线结构，计算天线辐射方向图，从而建立船舶天线的空间发射模型。

进一步地，本发明的步骤二中电磁信号传输建模的具体方法为：

用传输损耗L为传输建模：

其中，r1为电磁信号起点位置，r2为电磁信号终点位置，单位为米，ξ(h)为单位距离的损耗系数，单位为dB/m，h为海拔高度，dr为微分距离。

进一步地，本发明的步骤五中雷达接收机建模的具体方法为：

采用零中频输入信号代入模型计算，零中频即去掉载波的信号，载波不携带相位、幅度信息，零中频不参加计算不会带来任何信息损失。

进一步地，本发明的步骤五中雷达接收机建模的具体方法为：

对船舶雷达接收机核心部分建模，雷达接收机核心建模包括建立匹配滤波器、恒虚警计算阈值、采样输出结果、判断目标算法存在的模型；

“匹配滤波器”建模时，建立的滤波器的脉冲响应与发射信号在频域上满足复共轭关系；对“恒虚警计算阈值”环节建模时，根据视频输出的概率分布密度和虚警率，采用解析或数值法计算出虚警率对应的阈值；“采样输出结果”的建模，指在指定时间进行视频输出端信号的采样，作为输入信号的视频输出；“判断目标算法存在的建模”，指将采样输出结果与恒虚警计算阈值进行比较，根据比较结果判断目标的存在与否；

当输入为雷达回波信号或干扰信号时，获得其在视频端的输出。

进一步地，本发明的该方法中通过蒙特卡洛方法生成外界干扰信号的方法具体为：

采用蒙特卡洛方法生成外界的随机干扰信号，通过MATLAB中各种分布的随机函数，直接调用生成干扰的幅度、相位、频率、带宽、脉冲宽度，并计算样本的数量，用于蒙特卡洛法分析雷达性能时使用。

进一步地，本发明的该方法中计算样本数量的方法为：

根据统计理论确定蒙特卡洛分析雷达在一定虚警率和检测概率时的计算样本数量；

一定虚警率P下的雷达检测阈值是雷达基本性能，需要一定的样本数量K来保证，计算样本数K为：

其中，c为标准高斯分布N(0,1)的分位数，α是P的百分比偏差，min为最小值函数；

c和置信概率p_c的关系为：norminv()为MATLAB中的分位数函数。

本发明产生的有益效果是：本发明的干扰环境下船舶雷达性能评估方法，(1)给出了完整的船舶雷达性能评估模型，可以对船舶雷达在干扰环境下的性能进行分析和评估。(2)由于是信号级、零中频建模，仿真模型不依赖于频率、雷达接收通道的器件参数，使模型具有通用性和高效性。(3)船舶平台和其它平台具有相通性，仿真模型可推广至其它平台，对陆地、机载、星载雷达性能进行评估。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的干扰环境下船舶雷达的性能评估模型；

图2(a)是本发明实施例的雷达单脉冲检测模型；

图2(b)是本发明实施例的雷达多脉冲检测模型；

图3是本发明实施例的蒙特卡洛分析雷达性能步骤；

图4是本发明实施例的相控阵喇叭阵元天线曲线；

图5是本发明实施例的相控阵阵面辐射方向图；

图6(a)是本发明实施例的6个干扰存在时的雷达视频输出密度曲线；

图6(b)是本发明实施例的10个干扰存在时的雷达视频输出密度曲线；

图7是本发明实施例的干扰存在时的虚警率对应的雷达检测阈值；

图8(a)是本发明实施例的6个干扰和回波同时存在时的雷达视频输出密度曲线；

图8(b)是本发明实施例的10个干扰和回波同时存在时的雷达视频输出密度曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的干扰环境下船舶雷达性能评估方法，包括以下方法：

a.雷达和干扰源天线发射建模：根据发射信号的功率、脉冲重复周期等，建立发射信号模型；采用电磁计算工具(如CST等)，根据天线结构，计算天线辐射方向图，从而建立船舶天线的空间发射模型；

b.电磁信号传输建模：根据相关文献，建立电磁信号在大气中传输的损耗模型；

c.目标和背景回波散射建模：采用电磁计算方法建立目标和背景的散射模型，给出回波的特征和幅度；

d.电磁信号传输建模+天线接收信号建模：建立回波信号在大气中的损耗模型，并利用电磁计算方法建立天线接收模型，和前面的a和b方法类似。

e.雷达接收机建模：建立回波信号在接收机中的传输模型。

f.输出视频信号：经过前面所有步骤，最终获得输出信号。

g.处理数据和评估雷达性能：建立算法，处理雷达视频输出数据，评估雷达性能。

(1)采用基于信号的建模方法，建立雷达发射、接收信号及外界干扰信号的模型，构建船舶雷达性能评估模型。

信号建模指对雷达信号发射和接收的每一个环节，如电磁信号的传输过程，给出用数学公式表达的模型，对信号传输通道(如混频器、中频放大器等)给出数学公式表示的传递函数。

(2)建立干扰环境下船舶雷达的完整性能评估模型。船舶雷达的性能评估模型，如图1所示。

(3)电磁信号传输建模的具体方法为：

用传输损耗L为传输建模：

其中，r1为电磁信号起点位置，r2为电磁信号终点位置，单位为米，ξ(h)为单位距离(米)的损耗系数，单位为dB/m，h为海拔高度，dr为微分距离。ξ(h)主要由氧气和水蒸气的吸收确定，电磁场传播的文献中给出了ξ(h)的公式，直接查阅即可使用。电磁信号在大气中的损耗，主要考虑氧气和水蒸气的影响。

(4)对雷达接收机模型采用零中频输入信号(图2中的输入信号)代入模型计算。零中频即去掉载波的信号，载波不携带信息(相位、幅度等)，不参加计算不会带来任何信息损失，可大大降低计算负荷，提升计算效率。

(5)对船舶雷达接收机核心部分建模。

雷达接收机核心建模包括信号匹配、恒虚警计算阈值、采样输出结果、判断目标算法存在等环节。

图2给出了雷达接收机的核心部分。根据图中关系建立雷达接收机的接收模型，获得视频输出。最左端的u(t)、u₁(t)、u_n(t),u_I1(t)、u_Q1(t)、…、u_In(t)、u_Qn(t)为输入信号。图2(a)为雷达单脉冲检测模型，图2(b)为雷达多脉冲检测模型。当输入为雷达回波信号或干扰时，可以获得其在视频端的输出。

(6)采用蒙特卡洛方法生成外界干扰信号。

采用蒙特卡洛方法生成外界的随机干扰信号。MATLAB中有各种分布的随机函数，可以直接调用生成干扰的幅度、相位、频率、带宽、脉冲宽度等。蒙特卡洛法分析雷达性能步骤如图3所示。

蒙特卡洛法分析雷达性能时，需给出计算样本的数量，按(6)给出的公式计算得出。

根据统计理论确定蒙特卡洛分析雷达在一定虚警率和检测概率时的计算样本数量。

a.一定虚警率P下的雷达检测阈值是雷达基本性能，需要一定的样本数量K来保证。计算样本数K为：

c为标准高斯分布N(0,1)的分位数，α是P的百分比偏差，min为最小值函数。

c和置信概率p_c的关系为：

norminv(P,mu,sigma)为MATLAB中的分位数函数，mu和sigma分别为高斯分布的均值和均方差，P为概率，函数返回值为高斯分布对应P的分位数。

b.一定信噪比下的检测概率P_d，同样需要样本数量K来保证，将P＝P_d代入计算公式(1)，其它参数意义相同。

在本发明的另一个具体实施例中：

1.以船舶相控阵雷达为例，进行雷达性能评估和分析。阵元天线为喇叭，如图4所示。工作频率为2GHz，阵元排列为28×28，阵元间距为半波长。

利用计算电磁学软件，可以计算出阵面的发射方向图如图5所示。

3.根据本发明建立的模型,计算出干扰存在时的雷达视频输出密度，如图6(a)和图6(b)所示。根据这些结果，可以求解雷达检测阈值。阈值是雷达的主要性能参数之一。

4.根据本发明建立的模型,计算出存在5个干扰信号时的虚警率对应的雷达检测阈值,如图7所示。

5.根据本发明建立的模型,计算出干扰和回波同时存在时的雷达视频输出密度，如图8(a)和图8(b)所示。根据这些结果，可以获得雷达的检测概率。检测概率是雷达的主要性能参数之一。

6.根据本发明建立的模型,计算出虚警率对应的计算样本数量,如表1所示。

表1虚警概率对应计算样本数量(α＝0.1,P_c＝0.8)

P<sub>F</sub>

10<sup>-2</sup>

10<sup>-3</sup>

10<sup>-4</sup>

10<sup>-5</sup>

10<sup>-6</sup>

10<sup>-7</sup>

K<sub>F</sub>

1.48×10<sup>3</sup>

1.63×10<sup>4</sup>

1.64×10<sup>5</sup>

1.64×10<sup>6</sup>

1.64×10<sup>7</sup>

1.64×10<sup>8</sup>

7.根据本发明建立的模型,计算出检测概率对应的计算样本数量,如表2所示。

表2检测概率对应计算样本数量(α＝0.1,P_c＝0.8)

P<sub>M</sub>	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9
							K<sub>M</sub>	247	164	247	383	657	1479

雷达的技术性能指标(灵敏度、作用距离等)一般指在较理想环境下的参数,通常以雷达内部的热噪声和背景杂波为基本影响因素。这种较理想的外界环境下的雷达性能指标，可以借助解析方法利用简单的公式直接得出。

实际的雷达所处的环境，通常包括各种有意的电磁干扰。这种干扰具有随机性，幅度、相位、脉冲宽度、重复频率、干扰数量等均为随机值。这时雷达技术性能指标会大大下降，下降的幅度也无法通过简单公式评估。这时需要建立雷达性能评估模型，通过数值仿真准确获得其性能指标。

本发明给出船舶雷达的评估方法，评估在外界干扰存在时的性能，获得实际的性能参数，指导雷达的工作使用。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种干扰环境下船舶雷达性能评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、雷达和干扰源天线发射建模：采用三维电磁场仿真软件，建立雷达天线发射模型和干扰源天线发射模型，并通过蒙特卡洛方法生成外界干扰信号；

步骤二、电磁信号传输建模：建立电磁信号在大气中传输的损耗模型；

步骤三、目标和背景回波散射建模：采用电磁计算方法建立目标和背景的散射模型，给出回波信号的特征和幅度；

步骤四、电磁信号传输建模以及天线接收信号建模：建立回波信号在大气中的损耗模型，并利用电磁计算方法建立天线接收模型；

步骤五、雷达接收机建模：建立回波和干扰信号在接收机中的传输模型；

步骤六、根据回波和干扰信号在接收机中的传输模型，获得输出的视频信号；

步骤七、处理数据和评估雷达性能：建立评估算法，处理雷达视频输出数据，评估雷达性能。

2.根据权利要求1所述的干扰环境下船舶雷达性能评估方法，其特征在于，该方法中的信号建模过程中，对雷达信号发射、干扰信号发射、传输、接收的每一个环节，建立模型的数学公式表达，对信号传输通道给出数学公式表示的传递函数，信号传输通道包括混频器、中频放大器。

3.根据权利要求1所述的干扰环境下船舶雷达性能评估方法，其特征在于，步骤一中雷达和干扰源天线发射建模的方法具体为：根据发射信号的参数，包括功率、脉冲重复周期，建立发射信号模型；为了生成干扰信号，采用蒙特卡洛法，随机生成干扰信号的相位、功率、脉冲重复周期的参数；采用三维电磁场仿真软件，根据天线结构，计算天线辐射方向图，从而建立船舶天线的空间发射模型。

4.根据权利要求1所述的干扰环境下船舶雷达性能评估方法，其特征在于，步骤二中电磁信号传输建模的具体方法为：

用传输损耗L为传输建模：

其中，r1为电磁信号起点位置，r2为电磁信号终点位置，单位为米，ξ(h)为单位距离的损耗系数，单位为dB/m，h为海拔高度，dr为微分距离。

5.根据权利要求1所述的干扰环境下船舶雷达性能评估方法，其特征在于，步骤五中雷达接收机建模的具体方法为：

采用零中频输入信号代入模型计算，零中频即去掉载波的信号，载波不携带相位、幅度信息，零中频不参加计算不会带来任何信息损失。

6.根据权利要求5所述的干扰环境下船舶雷达性能评估方法，其特征在于，步骤五中雷达接收机建模的具体方法为：

对船舶雷达接收机核心部分建模，雷达接收机核心建模包括建立匹配滤波器、恒虚警计算阈值、采样输出结果、判断目标算法存在的模型；

“匹配滤波器”建模时，建立的滤波器的脉冲响应与发射信号在频域上满足复共轭关系；对“恒虚警计算阈值”环节建模时，根据视频输出的概率分布密度和虚警率，采用解析或数值法计算出虚警率对应的阈值；“采样输出结果”的建模，指在指定时间进行视频输出端信号的采样，作为输入信号的视频输出；“判断目标算法存在的建模”，指将采样输出结果与恒虚警计算阈值进行比较，根据比较结果判断目标的存在与否；

当输入为雷达回波信号或干扰信号时，获得其在视频端的输出。

7.根据权利要求1所述的干扰环境下船舶雷达性能评估方法，其特征在于，该方法中通过蒙特卡洛方法生成外界干扰信号的方法具体为：

采用蒙特卡洛方法生成外界的随机干扰信号，通过MATLAB中各种分布的随机函数，直接调用生成干扰的幅度、相位、频率、带宽、脉冲宽度，并计算样本的数量，用于蒙特卡洛法分析雷达性能时使用。

8.根据权利要求7所述的干扰环境下船舶雷达性能评估方法，其特征在于，该方法中计算样本数量的方法为：

根据统计理论确定蒙特卡洛分析雷达在一定虚警率和检测概率时的计算样本数量；

一定虚警率P下的雷达检测阈值是雷达基本性能，需要一定的样本数量K来保证，计算样本数K为：

其中，c为标准高斯分布N(0,1)的分位数，α是P的百分比偏差，min为最小值函数；

c和置信概率p_c的关系为：

norminv()为MATLAB中的分位数函数。

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