CN115113155A - 一种机载分布式孔径相参合成雷达测试与评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机载分布式孔径相参合成雷达测试与评估方法，构建分布式孔径相参合成雷达聚合能力指标评价体系，建立分布式孔径聚合能力评估指标体系仿真模型，构建一体化暗室验证***，根据抗干扰能力指标仿真方法进行实验***的搭建，在一体化暗室验证***中，数据进行采集与管理，最终构建分布式孔径相参合成雷达聚合及应用能力评估***。本发明采用多层面指标综合评估，可有效表征分布式孔径雷达聚合能力，本发明提出的云协同架构性能测试与评估方法可广泛应用于分布式孔径相参合成雷达领域，可有效提升机载分布式孔径相参合成雷达聚合能力评估准确性。

Description

一种机载分布式孔径相参合成雷达测试与评估方法

技术领域

本发明涉及分布式孔径相参合成雷达领域，尤其是分布式孔径相参合成雷达能力评价使用的，一种相参合成雷达测试与评估方法。

背景技术

分布式孔径相参合成雷达通过有效利用多个孔径的空域和能量域等资源，显著提升雷达***的探测距离和测量精度，同时具有生存能力强、效费比高、角分辨率高、扩展性强和实现性好等诸多技术优势，已经成为现代雷达发展的重要方向和研究热点之一。

采用机载雷达进行相参合成时，由于探测距离，雷达波段平台编队距离等约束限制，难以实现多平台间短基线合成。但是可考虑在平台内不同位置安装单元孔径，将单元孔径信号及目标回波融合处理以实现孔径相参。

分布式射频相参合成对导航精度、时频同步精度等要求极高，且面临栅瓣抑制、空域解模糊等多种问题，且此前的研究均未涉及到机载分布式孔径相参合成雷达聚合能力评估问题。而这一问题对于分布式孔径相参合成雷达领域应用与作战效能评估有着重要影响。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种机载分布式孔径相参合成雷达测试与评估方法。

传统分布式孔径相参合成评价方法中往往仅涉及到信噪比增益、测距测向精度等单项指标，并未考虑其聚合能力与综合作战能力。因此本发明针对传统方法中评估能力不足，并针对分布式孔径相参合成特点，提出了一种机载分布式孔径相参合成雷达测试与评估方法。该方法采用多层面指标综合评估，有效表征分布式孔径雷达聚合能力。本发明提出的云协同架构性能测试与评估方法可广泛应用于分布式孔径相参合成雷达领域，可有效提升机载分布式孔径相参合成雷达聚合能力评估准确性，同时构建分布式孔径聚合及应用能力评估***软件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

步骤1：构建分布式孔径相参合成雷达聚合能力指标评价体系

从信号、***应用至***与外界作用，设计分布式孔径雷达聚合能力评估指标：

第一部分为信号层面，在该层面中信噪比增益是最重要的评价指标，信噪比增益定义为相参后波形的信噪比与相参前单发单收对应的单路波形的信噪比的比值，在动平台进行分布式雷达相参合成时，相参性能主要受到两方面的影响，包括目标运动带来的误差以及平台处理信息的误差，因此为了能合理的对信噪比进行测量，采用雷达方程的计算方法进行信噪比的仿真，通过获取目标信噪比与目标飞行时间的关系曲线，在信号层面对不同目标飞行时间下的信噪比进行衡量。

第二部分为应用层面，在孔径聚合形成分布式相参雷达***后，对***层面的应用效能进行评估，***作用效能指将分布式雷达作为一个大孔径的性能高低，子指标包含目标定位精度、目标测向精度和探测距离；

第三部分是与外界相互作用，该过程中对***的抗干扰能力、抗环境随机影响的能力进行评估；

步骤2：分布式孔径聚合能力评估指标体系仿真模型建立：总体***聚合能力的评估指标根据步骤1所述三部分进行建立，信号层面考虑信噪比的仿真，应用层面考虑跟踪精度的仿真，与外界互相作用考虑抗干扰能力的仿真；

步骤2.1：信号层面指标建立；

信噪比测量方法为：

单部雷达工作情况下的雷达方程为：

式中，σ为目标有效散射截面积，P_t为雷达发射机峰值功率，G_t为目标方向天线增益，λ为雷达波长，R为目标与雷达距离，L_r为雷达接收综合损耗，L_t为雷达发射综合损耗，L_Atm为电磁波在大气中传输的损耗，G_t为接收天线增益，T_e为接收***的等效噪声温度，B为接收机噪声带宽，(S/N)_min为检测需要的接收机最小信噪比，k为玻尔兹曼常数；

由(1)式可知雷达接收天线口面处的回波信噪比与雷达-目标之间的距离的四次方成反比关系，即信噪比与距离关系曲线大体上服从反比关系，但是由于目标起伏、大气衰减等原因，信噪比曲线局部存在起伏，通过多次蒙特卡洛仿真可以得到单部雷达信噪比随时间的平均变规律；

按照相同时间取最大的信噪比作为组网情况下的信噪比曲线；指标计算步骤为：

1)通过M次蒙特卡洛仿真，给出单部雷达的某个目标信噪比平均值与目标飞行时间的关系，即SNR(i，j，t)，1≤i≤N，其中i表示第i部雷达，j表示第j个目标，t表示该目标的飞行时间；

2)计算组网情况下的目标信噪比和目标飞行时间的关系曲线为：

(SNR_d(i,j,t))_NET＝maxSNR(i,j,t) (2)；

步骤2.2应用层面指标建立；

在***级应用效能评估方面，评估该探测***的目标定位精度、目标测向精度、探测距离，在应用层面体现目标航迹质量、跟踪稳定性；

跟踪精度是衡量航迹质量最直观的评估指标之一，组网融合的核心也在于提高跟踪精度，对于组网数据融合而言，跟踪精度的评估在融合中心统一的直角坐标系或地心坐标系下进行；

是第i(i＝1,2,…,M)次试验情况下第k时刻得到的目标融合航迹，X(k)＝[x(k),y(k),z(k)]^T是第k时刻目标的真实位置(校准后统一坐标系)，则平均融合航迹精度为：

若某一时刻的目标融合航迹

来源于N个孔径，显然最佳融合方案应满足：

P_i(k)＝[P_i1 ^-1(k)+P_i2 ^-1(k)+…+P_iN ^-1(k)]^-1 (5)

式中，

表示第i次试验，第k个时刻，第s部雷达的状态滤波值；P_is(k)为相应协方差，根据式(5)可知，融合后的精度应该比单部雷达的滤波精度高一些。

指标实现步骤为根据真实战情对各部雷达的探测航迹和融合航迹分别进行配对，计算每一时刻对应的跟踪精度，如果蒙特卡洛仿真次数不足，用时间平均代替统计平均；

步骤2.3与外界互相作用指标建立

与外界互相作用的指标参数主要考虑抗干扰能力，组网雷达具有较强抗干扰能力归功于网内单部雷达的抗干扰能力和组网雷达的战术技术特性，因此，组网雷达的抗干扰能力度量应该考虑两方面因素；

1)单部雷达抗干扰能力度量；

用固有能力和附加因子能力的乘积作为整个雷达***抗干扰的度量，可以完全合理地评价雷达***的抗干扰能力，一方面，固有因子表征了雷达本身的抗干扰性能；另一方面，附加因子则基本包括了雷达常用的抗干扰措施；

2)组网雷达抗干扰能力附加因子

组网雷达抗干扰能力附加因子包括雷达数目、空域重叠系数、频域重叠系数、极化类型系数、信号类型系数及信息融合能力系数；

组网雷达抗干扰能力度量公式综合考虑入网雷达本身的抗干扰能力对整个***的主要贡献，结合考虑组网特性给***抗干扰带来的优势，仿照单部雷达抗干扰能力度量公式，定量计算了组网雷达的抗干扰能力。组网雷达抗干扰能力度量公式可以作为衡量其抗干扰能力的静态指标，用来表征组网雷达抗干扰能力的强弱。

分布式孔径***的抗干扰能力计算公式考虑了***内孔径本身的抗干扰能力对整个***的主要贡献，同时也考虑到了分布式孔径***通过组网方式带来的抗干扰能力提升，按照仿真设定的孔径配置，即可完成分布式孔径***固有抗干扰能力的计算；

步骤3：构建一体化暗室验证***，根据抗干扰能力指标仿真方法进行实验***的搭建，在一体化暗室验证***中，数据进行采集与管理，即将数据并行高速数据采集；

步骤4：构建分布式孔径相参合成雷达聚合及应用能力评估***

对步骤2中***应用能力评价指标的输出航迹进行预处理，在完成航迹关联预处理后，对关联的航迹进行融合处理，采用协方差加权法进行航迹融合，得到融合后的航迹以及处理后的各个单孔径航迹，以此计算应用层的能力指标，即跟踪精度指标，分别输出各个单孔径的跟踪精度及融合后的跟踪精度，分别对应各个单孔径的应用评估指标值及融合后的综合评估指标值。

所述步骤2.3中，单部雷达抗干扰能力度量的计算步骤为：

用固有能力和附加因子能力的乘积作为整个雷达***抗干扰的度量，可以完全合理地评价雷达***的抗干扰能力，一方面，固有因子表征了雷达本身的抗干扰性能；另一方面，附加因子则基本包括了雷达常用的抗干扰措施；

单部孔径***抗干扰能力度量表达式为：

AJC＝(PT₀B_SG)·S_A·S_S·S_M·S_P·S_C·S_N·S_J (6)

式中，P为射频孔径的发射功率(W)；T₀为信号持续时间(s)；B_S为信号带宽(Hz)；G为孔径天线增益值；其他参数分别为处理策略带来的抗干扰改善因子；

①频率跳变因子S_A为：

式中B_a为允许的最大频率跳变范围(Hz)；

②天线副瓣因子S_S为

式中，G_M为天线功率方向图的主瓣电平；G_L为天线功率方向图的副瓣电平；

③质量因子S_M为：

S_M(dB)＝SCV-25 (9)

式中，SCV为杂波中可见度，是提取目标的脉冲雷达性能的基本度量；

④天线极化可变因子S_P为：

⑤虚警处理因子S_C为：

S_C(dB)＝10lgΔM-L_CF-25 (11)

式中，ΔM为引入恒虚警后接收机动态的扩大量；L_CF为恒虚警的***损耗，当采用相参恒虚警处理时，取值为1～2dB；

⑥“宽-限-窄”电路质量因子S_N为：

S_N(dB)＝(EIF)_D-8 (12)

式中，(EIF)_D为“宽-限-窄”电路抗干扰改善因子；

⑦重复频率抖动因子S_J为：

S_J(dB)＝J-8 (13)

式中，J为重复频率抖动因子；

所述步骤2.3中，组网雷达抗干扰能力附加因子的计算步骤为：

组网雷达抗干扰能力附加因子包括雷达数目、空域重叠系数、频域重叠系数、极化类型系数、信号类型系数及信息融合能力系数；

①雷达数目

在给定区域内的雷达数目越多，理论上，***的抗干扰能力越强，设雷达网由N部雷达构成，N>2，则参数N是决定***抗干扰能力的附加指标之一；

②空域重叠系数

空域重叠系数反映的是多部雷达同时照射某一空域的情况，N部雷达按照一定平面图形布阵，A为组网雷达的覆盖面积，并按照一定高度将雷达探测区域在垂直方向上分为M层，第i部雷达的第j个高度层上的探测区域为A_ij＝{(x,y,h)；f_ij(x,y,h)≤r_ij},i＝1，2，…，N，＝1,2,…M，其中r_ij为第i部雷达在第j个高度层上的作用距离，则第i部雷达在第j个高度层上覆盖的面积为

平均空域重叠系数K定义为：

式(14)中，分布式孔径***的覆盖面积A为：

③频域重叠系数

在频域上的对抗是分布式孔径***对抗有源干扰最重要和效果最显著的领域，是获得频谱优势的重要手段。当整个分布式***占据的带宽越宽时，整个***的抗干扰能力就会越强。当***内孔径的数量确定时，若***内各个孔径的频段相互重合严重，就会影响整个***的抗干扰性能。所以对于整个分布式孔径***而言，占据的频段应尽可能宽。

分布式孔径***内孔径的数量为N，每个孔径的带宽为Δf_i,i＝1,2,…,N，N个孔径中有M个孔径发生孔径频段重叠现象，重叠部分的带宽为Δf_j,j＝1,2,…,M，定义频域重叠系数为：

由式(16)可知，该系数的取值范围为0～1，当雷达网完全由相同频段的雷达组成时，η＝1，***的抗干扰能力最差，当网内雷达由完全不同频段的雷达组成时，η＝0，抗干扰能力最好，此时频段配置最为合理。从雷达频域抗干扰的角度来看，雷达占有的频段越宽、频域重叠系数越小，则雷达的抗干扰能力越强。

用(2-η)来表示雷达网抗干扰能力，(2-η)越大，表明抗干扰性越强。

④极化类型系数

孔径的极化方式包括有线极化(垂直极化，水平极化)，圆极化(左旋极化，右旋极化)，椭圆极化(左旋极化，右旋极化)方式，分布式孔径***中极化类型的数量越多，则整个***的抗干扰能力越好；因此，定义极化类型系数为：

式(17)中，m为分布式孔径***极化类型的总数；

雷达网拥有的极化类型越多，他的抗干扰能力也就越强。但是J总是小于或者等于1，因此用(1+J)表示雷达网极化类型拥有数对***抗干扰能力影响的因子；

⑤信号类型系数

对于分布式孔径***而言，信号类型越复杂，想要截获和复制***内波形并施加干扰的难度也就越大。因此，将信号类型得多少以及其复杂程度也作为抗干扰能力的体现指标，将信号类型系数定义为：

上式中，k为分布式孔径***的信号类型总数；

雷达网拥有的信号类型越多，他的抗侦查、抗干扰能力越强，但是S总是小于等于1，因此用(S+1)表示雷达网信号类型拥有数对***抗干扰能力影响的因子；

⑥信息融合能力系数

在分布式孔径***中，多数据传感器的融合技术的应用非常重要。用于评价信息融合综合能力的指标很多，比如数据传输速度，融合中心处理能力以及融合方式的选取等等。

以分布式孔径***受干扰时失效的孔径作为衡量信息融合能力的指标。定义信息融合能力系数为：

式(19)中N_i为受到干扰失效的孔径数量；

未受干扰时雷达网的效能为1，受到干扰时雷达网的效能为η_r(≤1)，定义一个描述雷达网抗干扰能力的参数为：

η_e＝η_r·η_i (20)

该因子描述了雷达网基于信息综合处理的抗干扰能力。

完成了对单孔径抗干扰能力和分布式孔径***抗干扰附加能力因子的定义之后，以对整个分布式孔径***的固有抗干扰度量因子进行定义，仿照单雷达抗干扰能力公式，分布式孔径***的抗干扰能力度量由上述两部分组成，一部分是网内雷达本身的抗干扰能力，另一部分是组网技术带来的附加因子，分布式孔径******内孔径自身的抗干扰能力按照各自作用距离进行远近加权，将分布式孔径***的固有抗干扰能力定义为：

式中，k_i(i＝1,…,5)是加权系数，因为极化类型系数J，信号类型系数S以及信息融合能力系数均η_i为0～1之间的数，为了方便计算，都对其值加1。

或者在单部雷达的抗干扰能力(AJC)_i(i＝1,2,…,n)以dBW表示时，将雷达网的综合抗干扰能力也写成dBW的形式，即：

式中：r_i为第i部雷达的探测距离(m)，r_av为雷达网平均探测距离，定义为网内所有雷达探测距离的代数平均值(m)，k_i为各参数对雷达网抗干扰能力贡献大小的因子i＝1，2，…，5)。

所述步骤4中的预处理步骤为：

①空间配准：将雷达站从三维直角坐标系转换为地心三维直角坐标系，再将地心三维直角坐标系转换为大地坐标系；

②时间配准：获取各个孔径的采样周期，确定公共时间间隔，将采样周期作为配准时间点；利用公共时间间隔点对航迹进行划分，在一个采样周期内，以公共时间间隔时长为间隔进行航迹的划分，对所划分的每个区间利用线性插值算法进行时间配准，采用插值函数进行，在对应的插值节点上***分段线性插值函数，在其他插值节点为0，以此对齐到邻近的公共时刻，由此可以得到经过时间配准后的位置信息。

本发明的有益效果在于由于采用本发明提出了一种机载分布式孔径相参合成雷达测试与评估方法。与此前的评估方法相比，采用多层面指标综合评估，可有效表征分布式孔径雷达聚合能力，本发明提出的云协同架构性能测试与评估方法可广泛应用于分布式孔径相参合成雷达领域，可有效提升机载分布式孔径相参合成雷达聚合能力评估准确性。

附图说明

图1是本发明分布式孔径聚合能力体系构建流程图。

图2是本发明分布式孔径聚合能力评估指标体系。

图3是本发明分布式孔径航迹处理框架。

图4是本发明聚合评估软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

步骤1：设计分布式孔径聚合能力评估流程；

步骤2：建立分布式孔径聚合能力指标评价体系；

步骤3：制定指标测量方法；

步骤4：构建分布式孔径聚合及应用能力航迹处理方案。

分布式孔径聚合能力体系流程如图1所示。为了能够对分布式孔径***的聚合及应用能力做出评估。首先需要分析分布式孔径***的工作流程，从而针对不同的需求构建对应的评估指标体系，之后才能进行评估。

整个测试及分析分为评估指标建立、试验***建立和对比分析。其中：

评估指标建立主要分为两部分，一是完成对各个单孔径指标相关参数的设计，对指标结构进行分析，构建指标的计算方法，构造仿真方法的具体实现，二是对聚合孔径的算法进行实现，构建整个***指标的仿真实现方法。

实验***建立部分主要根据所构建的指标进行暗室实验环境的搭建，根据各个指标对应的参数进行模拟实验，通过并行、高速的数据采集方式获取对应的目标数据，即具体指标值，为软件***的搭建提供实验对比，确认软件的可靠性及实践能力。

对比分析模块主要完成将测试获取的数据与软件预测分析获取的数据进行相关性对比分析，若软件测试输出指标结果与实验获取指标结果相近，则软件搭建满足要求，否则根据实验指标值进行调整，直到满足实验指标要求，软件搭建成立。

步骤1：构建分布式孔径相参合成雷达聚合能力指标评价体系

从信号、***应用至***与外界作用，设计分布式孔径雷达聚合能力评估指标，指标体系如图2所示。

第一部分为信号层面，在该层面中信噪比增益是最重要的评价指标，信噪比增益定义为相参后波形的信噪比与相参前单发单收对应的单路波形的信噪比的比值，在动平台进行分布式雷达相参合成时，相参性能主要受到两方面的影响，包括目标运动带来的误差以及平台处理信息的误差，因此为了能合理的对信噪比进行测量，采用雷达方程的计算方法进行信噪比的仿真，通过获取目标信噪比与目标飞行时间的关系曲线，在信号层面对不同目标飞行时间下的信噪比进行衡量。

第二部分为应用层面，在孔径聚合形成分布式相参雷达***后，对***层面的应用效能进行评估，***作用效能指将分布式雷达作为一个大孔径的性能高低，子指标包含目标定位精度、目标测向精度和探测距离；

第三部分是与外界相互作用，该过程中对***的抗干扰能力、抗环境随机影响的能力进行评估；

步骤2：分布式孔径聚合能力能力评估指标体系仿真模型建立：总体***聚合能力的评估指标根据步骤1所述三部分进行建立，信号层面考虑信噪比的仿真，应用层面考虑跟踪精度的仿真，与外界互相作用考虑抗干扰能力的仿真；

步骤2.1：信号层面指标建立；

信噪比测量方法为：

单部雷达工作情况下的雷达方程为：

式中，σ为目标有效散射截面积，P_t为雷达发射机峰值功率，G_t为目标方向天线增益，λ为雷达波长，R为目标与雷达距离，L_r为雷达接收综合损耗，L_t为雷达发射综合损耗，L_Atm为电磁波在大气中传输的损耗，G_t为接收天线增益，T_e为接收***的等效噪声温度，B为接收机噪声带宽，(S/N)_min为检测需要的接收机最小信噪比，k为玻尔兹曼常数；

由(1)式可知雷达接收天线口面处的回波信噪比与雷达-目标之间的距离的四次方成反比关系，即信噪比与距离关系曲线大体上服从反比关系，但是由于目标起伏、大气衰减等原因，信噪比曲线局部存在起伏，通过多次蒙特卡洛仿真可以得到单部雷达信噪比随时间的平均变规律；

按照相同时间取最大的信噪比作为组网情况下的信噪比曲线；指标计算步骤为：

1)通过M次蒙特卡洛仿真，给出单部雷达的某个目标信噪比平均值与目标飞行时间的关系，即SNR(i，j，t)，1≤i≤N，其中i表示第i部雷达，j表示第j个目标，t表示该目标的飞行时间；

2)计算组网情况下的目标信噪比和目标飞行时间的关系曲线为：

(SNR_d(i,j,t))_NET＝maxSNR(i,j,t) (2)；

步骤2.2应用层面指标建立；

在***级应用效能评估方面，评估该探测***的目标定位精度、目标测向精度、探测距离，在应用层面体现目标航迹质量、跟踪稳定性；

跟踪精度是衡量航迹质量最直观的评估指标之一，组网融合的核心也在于提高跟踪精度，对于组网数据融合而言，跟踪精度的评估在融合中心统一的直角坐标系或地心坐标系下进行；

是第i(i＝1,2,…,M)次试验情况下第k时刻得到的目标融合航迹，X(k)＝[x(k),y(k),z(k)]^T是第k时刻目标的真实位置(校准后统一坐标系)，则平均融合航迹精度为：

若某一时刻的目标融合航迹

来源于N个孔径，显然最佳融合方案应满足：

P_i(k)＝[P_i1 ^-1(k)+P_i2 ^-1(k)+…+P_iN ^-1(k)]^-1 (5)

式中，

表示第i次试验，第k个时刻，第s部雷达的状态滤波值；P_is(k)为相应协方差，根据式(5)可知，融合后的精度应该比单部雷达的滤波精度高一些。

指标实现步骤为根据真实战情对各部雷达的探测航迹和融合航迹分别进行配对，计算每一时刻对应的跟踪精度，如果蒙特卡洛仿真次数不足，用时间平均代替统计平均；

步骤2.3与外界互相作用指标建立

与外界互相作用的指标参数主要考虑抗干扰能力，组网雷达具有较强抗干扰能力归功于网内单部雷达的抗干扰能力和组网雷达的战术技术特性，因此，组网雷达的抗干扰能力度量应该考虑两方面因素；

1)单部雷达抗干扰能力度量；

用固有能力和附加因子能力的乘积作为整个雷达***抗干扰的度量，可以完全合理地评价雷达***的抗干扰能力，一方面，固有因子表征了雷达本身的抗干扰性能；另一方面，附加因子则基本包括了雷达常用的抗干扰措施；

单部孔径***抗干扰能力度量表达式为：

AJC＝(PT₀B_SG)·S_A·S_S·S_M·S_P·S_C·S_N·S_J (6)

式中，P为射频孔径的发射功率(W)；T₀为信号持续时间(s)；B_S为信号带宽(Hz)；G为孔径天线增益值；其他参数分别为处理策略带来的抗干扰改善因子；

①频率跳变因子S_A为：

式中B_a为允许的最大频率跳变范围(Hz)；

②天线副瓣因子S_S为

式中，G_M为天线功率方向图的主瓣电平；G_L为天线功率方向图的副瓣电平；

③质量因子S_M为：

S_M(dB)＝SCV-25 (9)

式中，SCV为杂波中可见度，是提取目标的脉冲雷达性能的基本度量；

④天线极化可变因子S_P为：

⑤虚警处理因子S_C为：

S_C(dB)＝10lgΔM-L_CF-25 (11)

式中，ΔM为引入恒虚警后接收机动态的扩大量；L_CF为恒虚警的***损耗，当采用相参恒虚警处理时，取值为1～2dB；

⑥“宽-限-窄”电路质量因子S_N为：

S_N(dB)＝(EIF)_D-8 (12)

式中，(EIF)_D为“宽-限-窄”电路抗干扰改善因子；

⑦重复频率抖动因子S_J为：

S_J(dB)＝J-8 (13)

式中，J为重复频率抖动因子；

2)组网雷达抗干扰能力附加因子

组网雷达抗干扰能力附加因子包括雷达数目、空域重叠系数、频域重叠系数、极化类型系数、信号类型系数及信息融合能力系数；

①雷达数目

在给定区域内的雷达数目越多，理论上，***的抗干扰能力越强，设雷达网由N部雷达构成，N>2，则参数N是决定***抗干扰能力的附加指标之一；

②空域重叠系数

空域重叠系数反映的是多部雷达同时照射某一空域的情况，N部雷达按照一定平面图形布阵，A为组网雷达的覆盖面积，并按照一定高度将雷达探测区域在垂直方向上分为M层，第i部雷达的第j个高度层上的探测区域为A_ij＝{(x,y,h)；f_ij(x,y,h)≤r_ij},i＝1，2，…，N，＝1,2,…M，其中r_ij为第i部雷达在第j个高度层上的作用距离，则第i部雷达在第j个高度层上覆盖的面积为

平均空域重叠系数K定义为：

式(14)中，分布式孔径***的覆盖面积A为：

③频域重叠系数

在频域上的对抗是分布式孔径***对抗有源干扰最重要和效果最显著的领域，是获得频谱优势的重要手段。当整个分布式***占据的带宽越宽时，整个***的抗干扰能力就会越强。当***内孔径的数量确定时，若***内各个孔径的频段相互重合严重，就会影响整个***的抗干扰性能。所以对于整个分布式孔径***而言，占据的频段应尽可能宽。

分布式孔径***内孔径的数量为N，每个孔径的带宽为Δf_i,i＝1,2,…,N，N个孔径中有M个孔径发生孔径频段重叠现象，重叠部分的带宽为Δf_j,j＝1,2,…,M，定义频域重叠系数为：

由式(16)可知，该系数的取值范围为0～1，当雷达网完全由相同频段的雷达组成时，η＝1，***的抗干扰能力最差，当网内雷达由完全不同频段的雷达组成时，η＝0，抗干扰能力最好，此时频段配置最为合理。从雷达频域抗干扰的角度来看，雷达占有的频段越宽、频域重叠系数越小，则雷达的抗干扰能力越强。

用(2-η)来表示雷达网抗干扰能力，(2-η)越大，表明抗干扰性越强。

④极化类型系数

孔径的极化方式包括有线极化(垂直极化，水平极化)，圆极化(左旋极化，右旋极化)，椭圆极化(左旋极化，右旋极化)方式，分布式孔径***中极化类型的数量越多，则整个***的抗干扰能力越好；因此，定义极化类型系数为：

式(17)中，m为分布式孔径***极化类型的总数；

雷达网拥有的极化类型越多，他的抗干扰能力也就越强。但是J总是小于或者等于1，因此用(1+J)表示雷达网极化类型拥有数对***抗干扰能力影响的因子；

⑤信号类型系数

对于分布式孔径***而言，信号类型越复杂，想要截获和复制***内波形并施加干扰的难度也就越大。因此，将信号类型得多少以及其复杂程度也作为抗干扰能力的体现指标，将信号类型系数定义为：

上式中，k为分布式孔径***的信号类型总数；

雷达网拥有的信号类型越多，他的抗侦查、抗干扰能力越强，但是S总是小于等于1，因此用(S+1)表示雷达网信号类型拥有数对***抗干扰能力影响的因子；

⑥信息融合能力系数

在分布式孔径***中，多数据传感器的融合技术的应用非常重要。用于评价信息融合综合能力的指标很多，比如数据传输速度，融合中心处理能力以及融合方式的选取等等。

以分布式孔径***受干扰时失效的孔径作为衡量信息融合能力的指标。定义信息融合能力系数为：

式(19)中N_i为受到干扰失效的孔径数量；

未受干扰时雷达网的效能为1，受到干扰时雷达网的效能为η_r(≤1)，定义一个描述雷达网抗干扰能力的参数为：

η_e＝η_r·η_i (20)

该因子描述了雷达网基于信息综合处理的抗干扰能力。

完成了对单孔径抗干扰能力和分布式孔径***抗干扰附加能力因子的定义之后，以对整个分布式孔径***的固有抗干扰度量因子进行定义，仿照单雷达抗干扰能力公式，分布式孔径***的抗干扰能力度量由上述两部分组成，一部分是网内雷达本身的抗干扰能力，另一部分是组网技术带来的附加因子，分布式孔径******内孔径自身的抗干扰能力按照各自作用距离进行远近加权，将分布式孔径***的固有抗干扰能力定义为：

式中，k_i(i＝1,…,5)是加权系数，因为极化类型系数J，信号类型系数S以及信息融合能力系数均η_i为0～1之间的数，为了方便计算，都对其值加1。

或者在单部雷达的抗干扰能力(AJC)_i(i＝1,2,…,n)以dBW表示时，将雷达网的综合抗干扰能力也写成dBW的形式，即：

式中：r_i——第i部雷达的探测距离(m)

r_av——雷达网平均探测距离，定义为网内所有雷达探测距离的代数平均值

(m)

k_i——各参数对雷达网抗干扰能力贡献大小的因子i＝1，2，…，5)

组网雷达抗干扰能力度量公式综合考虑入网雷达本身的抗干扰能力对整个***的主要贡献，结合考虑组网特性给***抗干扰带来的优势，仿照单部雷达抗干扰能力度量公式，定量计算了组网雷达的抗干扰能力。组网雷达抗干扰能力度量公式可以作为衡量其抗干扰能力的静态指标，用来表征组网雷达抗干扰能力的强弱。

分布式孔径***的抗干扰能力计算公式考虑了***内孔径本身的抗干扰能力对整个***的主要贡献，同时也考虑到了分布式孔径***通过组网方式带来的抗干扰能力提升。按照仿真设定的孔径配置，即可完成分布式孔径***固有抗干扰能力的计算；

步骤3：构建一体化暗室验证***，根据抗干扰能力指标仿真方法进行实验***的搭建，在一体化暗室验证***中，数据进行采集与管理，即将数据并行高速数据采集；

步骤4：构建分布式孔径相参合成雷达聚合及应用能力评估***

云聚合评估软件的目的旨在评估机载聚合孔径雷达的整体性能提升情况。在步骤三中分别分析了：雷达设备本身即信号层面，对目标状态的获取即应用层面，平台对孔径的干扰即与外界互相作用层面，通过三个方面确定整体***的聚合能力，其中应用层面的指标主要涉及航迹的处理，由于航迹获取存在坐标、获取时间等方面的差值，因此需要对航迹进行预处理，对处理后的航迹进行跟踪精度的评估。对于组网数据融合而言，跟踪精度的评估一般在融合中心统一的直角坐标系或地心坐标系下进行，因此对步骤2中***应用能力评价指标的输出航迹进行预处理：

①空间配准：将雷达站从三维直角坐标系转换为地心三维直角坐标系，再将地心三维直角坐标系转换为大地坐标系；

②时间配准：获取各个孔径的采样周期，确定公共时间间隔，将采样周期作为配准时间点；利用公共时间间隔点对航迹进行划分，在一个采样周期内，以公共时间间隔时长为间隔进行航迹的划分，对所划分的每个区间利用线性插值算法进行时间配准，采用插值函数进行，在对应的插值节点上***分段线性插值函数，在其他插值节点为0，以此对齐到邻近的公共时刻，由此可以得到经过时间配准后的位置信息；

在完成航迹关联预处理后，对关联的航迹进行融合处理，以提高同一目标的跟踪精度，分布式孔径聚合及应用能力评估***采用协方差加权法进行航迹融合，由仿真结果可知，融合后的航迹误差相较于每个孔径独立观测到的航迹的误差有所下降，说明聚合孔径雷达性能的指标的提升。具体流程图如图3所示。所述融合采用卡尔曼滤波融合或协方差融合；

本发明的仿真过程的总体流程如图1所示，首先需要构建***的评估指标，综合整体***的研究及考虑，分解为三个指标进行分析，分别为信号层面的指标，应用层面的指标及与外界互相作用层面的指标，其中各个指标的仿真具体实现由图2给出，分别依次对应信噪比、跟踪精度、抗干扰能力三个方面，具体的实现方法在步骤2中分别给出；从构造方法可知，信噪比及抗干扰能力的度量可通过具体的数学方法进行实现，因此其准确性的验证可通过调整参数的输入输出值进行实现，具体方法如下：在建立好评估体系的基础上，需要对评估体系的输入输出值进行调整和验证，以提高整体仿真软甲的可靠性，主要通过构建一体化暗室验证***进行反馈调整，按照步骤2给出的仿真方法进行暗室实验***的搭建，在输入相等的情况下，当实际实验***的输出值与仿真软件的输出值相差较大时，需要对仿真软件的输入进行调整，当仿真输出与实际输出相近时即可确定本次仿真的结果为可信。

针对跟踪精度的仿真，通过对航迹的处理得到其评估值，所以需要得到暗室返回的航迹文件，从而进行航迹的处理，每一次暗室实验返回一次实验的实际航迹文件，将信噪比和抗干扰可靠时返回的航迹文件作为最终的航迹文件，不同孔径返回不同孔径对应的航迹文件，对航迹的处理过程在图3中给出，首先需要对单个航迹进行预处理，分别进行空间配准和时间配准，具体的方法在步骤4中给出，对预处理的航迹进行融合，得到融合后的航迹以及处理后的各个单孔径航迹，以此计算应用层的能力指标，即跟踪精度指标，具体计算方法在步骤2中给出，分别输出各个单孔径的跟踪精度及融合后的跟踪精度，分别对应各个单孔径的应用评估指标值及融合后的综合评估指标值。

结合战场态势认知原型***框架及模型体系需求，围绕框架技术需求和战场态势认知应用需求两个方面，通过分析与提炼归纳，开展清晰易实现的逻辑架构、先进可演进的技术架构、分布虚拟化的物理架构、弹性可扩展的功能组成、多样易集成的集成应用、全面易使用的辅助工具、简单易上手的二次开发等方面的架构设计。根据以上分析，本发明的分布式孔径聚合及应用能力评估***软件的数据流程及框架如图4所示。本软件采用Python与PyQt5技术实现。

本发明提出了一种机载分布式孔径相参合成雷达测试与评估方法。与此前的评估方法相比，采用多层面指标综合评估，可有效表征分布式孔径雷达聚合能力，本发明提出的云协同架构性能测试与评估方法可广泛应用于分布式孔径相参合成雷达领域，可有效提升机载分布式孔径相参合成雷达聚合能力评估准确性。

Claims (4)

1.一种机载分布式孔径相参合成雷达测试与评估方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：构建分布式孔径相参合成雷达聚合能力指标评价体系

从信号、***应用至***与外界作用，设计分布式孔径雷达聚合能力评估指标：

第一部分为信号层面，在该层面中信噪比增益是最重要的评价指标，信噪比增益定义为相参后波形的信噪比与相参前单发单收对应的单路波形的信噪比的比值，在动平台进行分布式雷达相参合成时，相参性能主要受到两方面的影响，包括目标运动带来的误差以及平台处理信息的误差，采用雷达方程的计算方法进行信噪比的仿真，通过获取目标信噪比与目标飞行时间的关系曲线，在信号层面对不同目标飞行时间下的信噪比进行衡量；

第二部分为应用层面，在孔径聚合形成分布式相参雷达***后，对***层面的应用效能进行评估，***作用效能指将分布式雷达作为一个大孔径的性能高低，子指标包含目标定位精度、目标测向精度和探测距离；

第三部分是与外界相互作用，该过程中对***的抗干扰能力、抗环境随机影响的能力进行评估；

步骤2：分布式孔径聚合能力能力评估指标体系仿真模型建立：总体***聚合能力的评估指标根据步骤1所述三部分进行建立，信号层面考虑信噪比的仿真，应用层面考虑跟踪精度的仿真，与外界互相作用考虑抗干扰能力的仿真；

步骤2.1：信号层面指标建立；

信噪比测量方法为：

单部雷达工作情况下的雷达方程为：

式中，σ为目标有效散射截面积，P_t为雷达发射机峰值功率，G_t为目标方向天线增益，λ为雷达波长，R为目标与雷达距离，L_r为雷达接收综合损耗，L_t为雷达发射综合损耗，L_Atm为电磁波在大气中传输的损耗，G_t为接收天线增益，T_e为接收***的等效噪声温度，B为接收机噪声带宽，(S/N)_min为检测需要的接收机最小信噪比，k为玻尔兹曼常数；

由(1)式可知雷达接收天线口面处的回波信噪比与雷达-目标之间的距离的四次方成反比关系，即信噪比与距离关系曲线大体上服从反比关系，通过多次蒙特卡洛仿真可以得到单部雷达信噪比随时间的平均变规律；

按照相同时间取最大的信噪比作为组网情况下的信噪比曲线；指标计算步骤为：

1)通过M次蒙特卡洛仿真，给出单部雷达的某个目标信噪比平均值与目标飞行时间的关系，即SNR(i，j，t)，1≤i≤N，其中i表示第i部雷达，j表示第j个目标，t表示该目标的飞行时间；

2)计算组网情况下的目标信噪比和目标飞行时间的关系曲线为：

(SNR_d(i,j,t))_NET＝maxSNR(i,j,t) (2)；

步骤2.2应用层面指标建立；

在***级应用效能评估方面，评估该探测***的目标定位精度、目标测向精度、探测距离，在应用层面体现目标航迹质量、跟踪稳定性；

跟踪精度是衡量航迹质量最直观的评估指标之一，组网融合的核心也在于提高跟踪精度，对于组网数据融合而言，跟踪精度的评估在融合中心统一的直角坐标系或地心坐标系下进行；

是第i(i＝1,2,…,M)次试验情况下第k时刻得到的目标融合航迹，X(k)＝[x(k),y(k),z(k)]^T是第k时刻目标的真实位置(校准后统一坐标系)，则平均融合航迹精度为：

若某一时刻的目标融合航迹

来源于N个孔径，显然最佳融合方案应满足：

P_i(k)＝[P_i1 ^-1(k)+P_i2 ^-1(k)+…+P_iN ^-1(k)]^-1 (5)

式中，

表示第i次试验，第k个时刻，第s部雷达的状态滤波值；P_is(k)为相应协方差；

指标实现步骤为根据真实战情对各部雷达的探测航迹和融合航迹分别进行配对，计算每一时刻对应的跟踪精度，如果蒙特卡洛仿真次数不足，用时间平均代替统计平均；

步骤2.3与外界互相作用指标建立

与外界互相作用的指标参数主要考虑抗干扰能力，组网雷达具有较强抗干扰能力归功于网内单部雷达的抗干扰能力和组网雷达的战术技术特性，因此，组网雷达的抗干扰能力度量应该考虑两方面因素；

1)单部雷达抗干扰能力度量；

用固有能力和附加因子能力的乘积作为整个雷达***抗干扰的度量，可以完全合理地评价雷达***的抗干扰能力；

2)组网雷达抗干扰能力附加因子

组网雷达抗干扰能力附加因子包括雷达数目、空域重叠系数、频域重叠系数、极化类型系数、信号类型系数及信息融合能力系数；

分布式孔径***的抗干扰能力计算公式考虑了***内孔径本身的抗干扰能力对整个***的主要贡献，同时也考虑到了分布式孔径***通过组网方式带来的抗干扰能力提升，按照仿真设定的孔径配置，即可完成分布式孔径***固有抗干扰能力的计算；

步骤3：构建一体化暗室验证***，根据抗干扰能力指标仿真方法进行实验***的搭建，在一体化暗室验证***中，数据进行采集与管理，即将数据并行高速数据采集；

步骤4：构建分布式孔径相参合成雷达聚合及应用能力评估***

对步骤2中***应用能力评价指标的输出航迹进行预处理，在完成航迹关联预处理后，对关联的航迹进行融合处理，采用协方差加权法进行航迹融合，得到融合后的航迹以及处理后的各个单孔径航迹，以此计算应用层的能力指标，即跟踪精度指标，分别输出各个单孔径的跟踪精度及融合后的跟踪精度，分别对应各个单孔径的应用评估指标值及融合后的综合评估指标值。

2.根据权利要求1所述的一种机载分布式孔径相参合成雷达测试与评估方法，其特征在于：

所述步骤2.3中，单部雷达抗干扰能力度量的计算步骤为：

单部孔径***抗干扰能力度量表达式为：

AJC＝(PT₀B_SG)·S_A·S_S·S_M·S_P·S_C·S_N·S_J (6)

式中，P为射频孔径的发射功率(W)；T₀为信号持续时间(s)；B_S为信号带宽(Hz)；G为孔径天线增益值；其他参数分别为处理策略带来的抗干扰改善因子；

①频率跳变因子S_A为：

式中B_a为允许的最大频率跳变范围(Hz)；

②天线副瓣因子S_S为

式中，G_M为天线功率方向图的主瓣电平；G_L为天线功率方向图的副瓣电平；

③质量因子S_M为：

S_M(dB)＝SCV-25 (9)

式中，SCV为杂波中可见度，是提取目标的脉冲雷达性能的基本度量；

④天线极化可变因子S_P为：

⑤虚警处理因子S_C为：

S_C(dB)＝10lg△M-L_CF-25 (11)

式中，△M为引入恒虚警后接收机动态的扩大量；L_CF为恒虚警的***损耗，当采用相参恒虚警处理时，取值为1～2dB；

⑥“宽-限-窄”电路质量因子S_N为：

S_N(dB)＝(EIF)_D-8 (12)

式中，(EIF)_D为“宽-限-窄”电路抗干扰改善因子；

⑦重复频率抖动因子S_J为：

S_J(dB)＝J-8 (13)

式中，J为重复频率抖动因子。

3.根据权利要求1所述的一种机载分布式孔径相参合成雷达测试与评估方法，其特征在于：

所述步骤2.3中，组网雷达抗干扰能力附加因子的计算步骤为：

组网雷达抗干扰能力附加因子包括雷达数目、空域重叠系数、频域重叠系数、极化类型系数、信号类型系数及信息融合能力系数；

①雷达数目

在给定区域内的雷达数目越多，雷达网由N部雷达构成，N>2；

②空域重叠系数

空域重叠系数反映的是多部雷达同时照射某一空域的情况，N部雷达按照一定平面图形布阵，A为组网雷达的覆盖面积，并按照一定高度将雷达探测区域在垂直方向上分为M层，第i部雷达的第j个高度层上的探测区域为A_ij＝{(x,y,h)；f_ij(x,y,h)≤r_ij},i＝1，2，…，N，＝1,2,…M，其中r_ij为第i部雷达在第j个高度层上的作用距离，则第i部雷达在第j个高度层上覆盖的面积为

平均空域重叠系数K定义为：

式(14)中，分布式孔径***的覆盖面积A为：

③频域重叠系数

分布式孔径***内孔径的数量为N，每个孔径的带宽为△f_i,i＝1,2,…,N，N个孔径中有M个孔径发生孔径频段重叠现象，重叠部分的带宽为△f_j,j＝1,2,…,M，定义频域重叠系数为：

由式(16)可知，该系数的取值范围为0～1；

用(2-η)表示雷达网抗干扰能力；

④极化类型系数

孔径的极化方式包括有线极化，圆极化，椭圆极化方式，定义极化类型系数为：

式(17)中，m为分布式孔径***极化类型的总数；

用(1+J)表示雷达网极化类型拥有数对***抗干扰能力影响的因子；

⑤信号类型系数

将信号类型得多少以及其复杂程度也作为抗干扰能力的体现指标，将信号类型系数定义为：

上式中，k为分布式孔径***的信号类型总数；

用(S+1)表示雷达网信号类型拥有数对***抗干扰能力影响的因子；

⑥信息融合能力系数

以分布式孔径***受干扰时失效的孔径作为衡量信息融合能力的指标，定义信息融合能力系数为：

式(19)中N_i为受到干扰失效的孔径数量；

未受干扰时雷达网的效能为1，受到干扰时雷达网的效能为η_r(≤1)，定义一个描述雷达网抗干扰能力的参数为：

η_e＝η_r·η_i (20)

该因子描述了雷达网基于信息综合处理的抗干扰能力；

完成了对单孔径抗干扰能力和分布式孔径***抗干扰附加能力因子的定义之后，以对整个分布式孔径***的固有抗干扰度量因子进行定义，仿照单雷达抗干扰能力公式，分布式孔径***的抗干扰能力度量由上述两部分组成，一部分是网内雷达本身的抗干扰能力，另一部分是组网技术带来的附加因子，分布式孔径******内孔径自身的抗干扰能力按照各自作用距离进行远近加权，将分布式孔径***的固有抗干扰能力定义为：

式中，k_i(i＝1,…,5)是加权系数，因为极化类型系数J，信号类型系数S以及信息融合能力系数均η_i为0～1之间的数，为了方便计算，都对其值加1；

或者在单部雷达的抗干扰能力(AJC)_i(i＝1,2,…,n)以dBW表示时，将雷达网的综合抗干扰能力也写成dBW的形式，即：

式中：r_i为第i部雷达的探测距离(m)，r_av为雷达网平均探测距离，定义为网内所有雷达探测距离的代数平均值(m)，k_i为各参数对雷达网抗干扰能力贡献大小的因子i＝1，2，…，5)。

4.根据权利要求1所述的一种机载分布式孔径相参合成雷达测试与评估方法，其特征在于：

所述步骤4中的预处理步骤为：

①空间配准：将雷达站从三维直角坐标系转换为地心三维直角坐标系，再将地心三维直角坐标系转换为大地坐标系；

②时间配准：获取各个孔径的采样周期，确定公共时间间隔，将采样周期作为配准时间点；利用公共时间间隔点对航迹进行划分，在一个采样周期内，以公共时间间隔时长为间隔进行航迹的划分，对所划分的每个区间利用线性插值算法进行时间配准，采用插值函数进行，在对应的插值节点上***分段线性插值函数，在其他插值节点为0，以此对齐到邻近的公共时刻，由此可以得到经过时间配准后的位置信息。

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