一种网络雷达目标相参特性的快速分析方法发明专利

专利名称：一种网络雷达目标相参特性的快速分析方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111545113.6

专利申请（专利权）人：中国航天科工集团八五一一研究所
权利人地址：江苏省南京市江宁区建衡路99号

专利发明（设计）人：黄航,吕可,樊振宏,许华健,高许岗,吴名

专利摘要：本发明公开了一种网络雷达目标相参特性的快速分析方法，主要用于多基雷达是否可以做相参同步处理。本发明将所需探测目标划分成若干个阵元，每个阵元含有N个参数集合。该目标在雷达发射的平面电磁波的照射的下激发出感应电流，并产生散射场，获取待分析的接收雷达节点对应散射场的感应电流、激励以及阻抗矩阵，构建散射矩阵方程，利用特征模作为全域基函数，对散射矩阵方程快速降维以达到快速电磁计算的目标。在求解完散射相参矩阵后获得回波数据，并利用所构建的多基接收雷达的相参增益计算公式计算出所关心的任意雷达之间的相参特性。

主权利要求：
1.一种网络雷达目标相参特性的快速分析方法，其特征在于，方法步骤如下：步骤1、网络雷达采用一发多收的形式对目标进行探测，用于接收电磁波的多个雷达节点采用相参接收处理的方式，根据需求选择待分析的接收雷达节点；
步骤2：将目标分为若干个阵元，阵元个数采用P的阵列表示，假设各阵元结构、材料及尺寸完全相同，单个阵元的未知量数目为N0，整个阵列的未知量为N0P，该目标在雷达发射的平面电磁波的照射的下激发出感应电流，并产生散射场，获取待分析的接收雷达节点对应散射场的感应电流、激励以及阻抗矩阵，构建散射矩阵方程：其中，[Zii]代表第i个阵元的自作用阻抗矩阵，[Zij]代表第i个和第j个阵元之间的互作用矩阵，Ii代表第i个阵元的表面感应电流，Vi代表第i个阵元的激励；
步骤3：使用特征模作为全域基函数，对散射矩阵方程进行处理，得到散射相参矩阵：步骤3‑1、选取任一阵元的自作用阻抗矩阵提取其特征模：XiiJn＝λnRiiJn
其中，Rii为Zii的实部矩阵，Xii为Zii的虚部矩阵，λn为第n个特征模模式的特征值，Jn为第n个特征模模式的特征向量，寻找前M个特征值最小的特征模模式构成一组正交全域基Jcm，M＜＜N0，Jcm＝[J1J2…JM]，维度是N0×M；
步骤3‑2、利用正交全域基Jcm对散射矩阵方程进行降阶：步骤3‑3、得到散射相参矩阵
其中，M0表示阵元矩阵的阶数；
步骤4、求解散射相参矩阵获得回波数据S；
步骤5、对回波数据S进行相参增益计算，获得相参增益，具体如下：在多部雷达收发分置场景下，任意两部接收雷达的相参增益G计算公式为：其中，V表示极化方式，常采用VV、HH、VH、HV，p为发射雷达的编号、q、k、k代表接收雷达的编号，即第p、q、k部雷达，θ, f分别对应接收雷达的俯仰角、方位角和电磁波频率，m表示接收雷达起始编号，d表示接收雷达终止编号；
在多部雷达收发同置场景下，任意两部雷达的相参增益计算公式为：其中，V表示极化方式，常采用VV、HH、VH、HV，l,o均代表雷达的编号，m表示雷达起始编号，d表示雷达终止编号；即第l,o部雷达，θ, f分别是雷达的俯仰角、方位角和电磁波频率；
步骤6、通过相参增益的大小，分析接收雷达的相参特性。 说明书 : 一种网络雷达目标相参特性的快速分析方法技术领域[0001] 本发明属于电子探测领域，具体涉及一种网络雷达目标相参特性的快速分析方法。背景技术[0002] 分布孔径雷达由多部单元孔径组成，单元孔径在中心处理系统下实现发射、接收全相参工作，对其相参合成性能可以通过幅度合成增益、信噪比合成增益和相参合成效率三个指标衡量。现有的相参合成性能评估方法一般是信噪比改善评估方法，该评估方法通过比较相参合成前后信噪比改善情况来确定相参合成性能的优劣。信噪比改善评估方法主要应用于传统雷达脉冲积累性能评估，评估指标单一。分布式孔径雷达分为两个工作阶段，即接收相参阶段和收发相参阶段，需要分别对这两个阶段相参合成性能进行评估。但信噪比改善评估方法不能全面对分布孔径雷达相参合成性能进行评估。[0003] 在接收相参阶段，单元孔径发射多种正交波形，并接收所有孔径照射目标产生的回波信号，同时对这些回波作匹配滤波处理。若要对接收相参合成性能进行评估，首先需获取单元孔径的目标回波信号幅度和噪声方差，计算出各类正交波形回波信号的信噪比，然后对信号进行相参合成，通过比较单元孔径与联合幅度合成增益、信噪比合成增益，并计算出相参合成效率来对接收相参合成性能进行评估。具体评估方法如下：[0004] 设单元孔径个数为N，单元孔径回波信号幅度分别为{A1,A2,…,AN},噪声功率分别为{N01,N02,…,N0N}。取平均后单元孔径回波信号幅度 为[0005][0006] 取平均后单元孔径噪声功率 为[0007][0008] 则单元孔径平均信噪比SNR为[0009][0010] 接收相参阶段单元孔径之间发射正交波形，每个单元孔径在接收本孔径照射目标产生的回波信号的同时，还接收其他孔径照射产生的回波，且对所有接收到的回波信号进行匹配滤波。所有单元孔径得到回波信号的幅度为{A11,A12,…,A1N；A21,A22,…,A2N；…；AN1,AN2,ANN},每路回波信号对应噪声功率分别为{N011,N012,…,N01N；N021,N022,…,N02N；…；N0N1,N0N2,…,N0NN}，则完成接收相参合成后，信号幅度Ar为[0011] Ar＝A11+A12+…+A1N+A21+A22+…A2N+…+AN1+AN2+…+ANN[0012] 噪声功率N0r为[0013] N0r＝N011+N012+…N01N+N021+N022+…+N02N+…+N0N1+N0N2+…N0NN[0014] 接收相参合成后信噪比SNRr为[0015][0016] 接收相参合成效果评价准则一：以合成前后信号幅度改善为评价标准，具体表达式为[0017][0018] 式中：ρrA为幅度改善dB值，理想条件下，其中N为单元孔径个数。[0019] 合成效率为实际合成增益改善与理论增益改善的比值，以百分比形式表示，适用于幅度和信噪比改善评价。幅度改善合成效率ηrA为[0020][0021] 接收相参合成效果评价准则二：以合成前后信噪比改善为评价标准，具体表达式为[0022][0023] 其中：ρrS为信噪比改善值，理想条件下ρrS＝10lgN2。[0024] 合成效率为[0025][0026] 上述两种评价准则能够对接收相参阶段相参合成性能进行全面具体的评估。[0027] 目前，大多数研究内容假设位于不同位置的子单元雷达接收到的目标电磁散射场是一样的。实际上，根据电磁散射理论，目标散射的电磁场随着观测角度变化而变化，这意味着从目标散射的电磁场在不同散射角处具有不同的幅值和相位。对于空间上分隔较远的子单元雷达，由于接收到的散射场相位差太大，相参处理性能将会被重削弱。此时由于不同的子单元雷达接收到的信号是非相关的，采用非相参处理将更加合适。当各个子单元雷达之间的距离很近时，不同子单元雷达接收到的散射电磁场可以认为是一致的，此时采用相参处理将会很容易获得很高的增益和分辨率。一般来说，当各个子单元雷达放置在一起时，分布式雷达是可以进行相参处理的。随着子单元雷达之间的间隔增大，相参处理的性能也会随之衰减。[0028] 目前关于分布式相参雷达的技术一般假定目标为点目标，但实际场景中，目标具有复杂的形状，不同的方向接收散射场具有不同的散射特性，现有的雷达相参特性分析方法难以准确分析目标的相参特性。本发明从目标的电磁散射特性出发，在分析电磁散射特性时，用特征模作为全域基函数，计算时用少量的模式截断表征单元的表面电流，减少整个问题的未知量，提高求解效率，减少了计算量，使用相参增益计算公式，可以准确快速分析网络雷达目标的相参特性，从而对组网雷达的布站提供理论依据。发明内容[0029] 本发明的目的在于提供一种网络雷达目标相参特性的快速分析方法，使整个过程计算量尽可能的降低，以达到快速分析的目的。[0030] 实现本发明的技术解决方案为：一种网络雷达目标相参特性的快速分析方法，方法步骤如下：[0031] 步骤1、网络雷达采用一发多收的形式对目标进行探测，用于接收电磁波的多个雷达节点采用相参接收处理的方式，根据需求选择待分析的接收雷达节点；[0032] 步骤2：将目标分为若干个阵元，阵元个数采用P的阵列表示，假设各阵元结构、材料及尺寸完全相同，单个阵元的未知量数目为N0，整个阵列的未知量为N0P，该目标在雷达发射的平面电磁波的照射的下激发出感应电流，并产生散射场，获取待分析的接收雷达节点对应散射场的感应电流、激励以及阻抗矩阵，构建散射矩阵方程：[0033][0034] 其中，[Zii]代表第i个阵元的自作用阻抗矩阵，[Zij]代表第i个和第j个阵元之间的互作用矩阵，Ii代表第i个阵元的表面感应电流，Vi代表第i个阵元的激励；[0035] 步骤3：使用特征模作为全域基函数，对散射矩阵方程进行处理，得到散射相参矩阵：[0036] 步骤3‑1、选取任一阵元的自作用阻抗矩阵提取其特征模：[0037] XiiJn＝λnRiiJn[0038] 其中，Rii为Zii的实部矩阵，Xii为Zii的虚部矩阵，λn为第n个特征模模式的特征值，Jn为第n个特征模模式的特征向量，寻找前M个特征值最小的特征模模式构成一组正交全域基Jcm，M＜＜N0，Jcm＝[J1J2…JM]，维度是N0×M；步骤3‑2、利用正交全域基Jcm对散射矩阵方程进行降阶：[0039][0040] 步骤3‑3、得到散射相参矩阵[0041][0042] 其中，M0表示阵元矩阵的阶数；[0043] 步骤4、求解散射相参矩阵获得回波数据S；[0044] 步骤5、对回波数据S进行相参增益计算，获得相参增益；[0045] 步骤6、通过相参增益的大小，分析接收雷达的相参特性。[0046] 本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)本发明从目标的电磁散射特性出发，在分析电磁散射特性时，用特征模作为全域基函数，计算时用少量的模式截断表征单元的表面电流，减少整个问题的未知量，提高求解效率，减少了计算量。[0047] (2)使用相参增益计算公式，可以准确快速分析网络雷达目标的相参特性，从而对组网雷达的布站提供理论依据。附图说明[0048] 图1为本发明的流程图。[0049] 图2为雷达相参收发场景图。[0050] 图3为阵列电磁散射体计算场景图。[0051] 图4为窄带相参增益G关于接收雷达二方位角 的变化图。具体实施方式[0052] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0053] 需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果改特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。[0054] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应作广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；“连接”可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。[0055] 另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围指内。[0056] 下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。[0057] 结合图1，一种网络雷达目标相参特性的快速分析方法，方法步骤如下：[0058] 步骤1、网络雷达采用一发多收的形式对目标进行探测，如图2所示，用于接收电磁波的多个雷达节点采用相参接收处理的方式，根据需求选择待分析的接收雷达节点。[0059] 步骤2、结合图3，将目标分为若干个阵元，阵元个数采用P的阵列表示，为了表述过程的简洁，假设各阵元结构、材料及尺寸完全相同，单个阵元的未知量数目为N0，整个阵列的未知量为N0P，该目标在雷达发射的平面电磁波的照射的下激发出感应电流，并产生散射场，针对该散射问题，运用矩量法进行求解，获取待分析的接收雷达节点对应散射场的感应电流、激励以及阻抗矩阵，构建散射矩阵方程：[0060][0061] 其中，[Zii]代表第i个阵元的自作用阻抗矩阵，[Zij]代表第i个和第j个阵元之间的互作用矩阵，Ii代表第i个阵元的表面感应电流，Vi代表第i个阵元的激励。[0062] 步骤3：使用特征模作为全域基函数，对散射矩阵方程进行处理，得到散射相参矩阵。[0063] 基于积分方程特征模的优势除了积分方程本身适合分析开域问题、不需要构建边界条件等，还在于构造模式的过程是对阻抗矩阵的处理，而不涉及到激励源。模式只与目标结构、材料有关，对该无源系统的模式分析可以不依赖任何外在激励直接获取目标的固有特性。因此，特征模是全域基函数的理想选择之一，计算时用少量的模式截断表征单元的表面电流，减少整个问题的未知量，提高求解效率，减少了计算量。同时，其对应的模式电流分布和模式场也可为激励特定模式的结构设计和优化提供明确指导。[0064] 步骤3‑1、由于阵元的重复性，选取任一阵元的自作用阻抗矩阵提取其特征模：[0065] XiiJn＝λnRiiJn其中，Rii为Zii的实部矩阵，Xii为Zii的虚部矩阵，λn为第n个特征模模式的特征值，Jn为第n个特征模模式的特征向量，寻找前M个特征值最小的特征模模式构成一组正交全域基Jcm，M＜＜N0，Jcm＝[J1J2…JM]，维度是N0×M。[0066] 步骤3‑2、利用正交全域基Jcm对散射矩阵方程进行降阶：[0067][0068] 步骤3‑3、得到散射相参矩阵[0069][0070] 其中，M0表示阵元矩阵的阶数。[0071] 显然，得到的散射相参矩阵与原散射矩阵相比，整个阵列的阻抗矩阵维度由原来的N0P×N0P降到MP×MP，未知量大大缩减，其中，M＜＜N0。此外，在执行计算时，传统矩量法需要开辟N0P×N0P的空间用于存放阻抗矩阵，而特征模方法除了开辟降阶矩阵所必需的内存空间MP×MP外，计算降阶子矩阵的过程是实时的，每计算一次即可存储于降维空间中，同时释放数据并进行下一次计算。由于M＜＜N0，阻抗矩阵的阶数大大降低，未知量比起原矩阵大大减少。所以该方法的内存资源消耗非常低。可以减少计算量，有效的提高计算效率。步骤4、求解散射相参矩阵获得回波数据S。[0072] 步骤5、对回波数据S进行相参增益计算，获得相参增益。[0073] 1)在多部雷达收发分置场景下，任意两部接收雷达的相参增益G计算公式为：[0074][0075] 其中，V表示极化方式，常采用VV、HH、VH、HV，p为发射雷达的编号、q、k、k代表接收雷达的编号，即第p、q、k部雷达，θ, f分别对应接收雷达的俯仰角、方位角和电磁波频率，m表示接收雷达起始编号，d表示接收雷达终止编号。[0076] 2)在多部雷达收发同置场景下，任意两部雷达的相参增益计算公式为：[0077][0078] 其中，V表示极化方式，常采用VV、HH、VH、HV，l,o均代表雷达的编号，m表示雷达起始编号，d表示雷达终止编号；即第l,o部雷达，θ, f分别是雷达的俯仰角、方位角和电磁波频率。[0079] 步骤6、通过相参增益的大小，分析接收雷达的相参特性。[0080] 实施例：[0081] 无人机长4m，宽7.3m.。入射波方向为θinc＝30°， 双站，VV极化，f＝2GHz，θsc＝30°接收。 方向放置接收雷达一，窄带相参增益G关于接收雷达二方位角 的变化如图4所示。[0082] 由图4可知，部分角度的相参增益大于1.8，具有较高的相参增益。此方法可以快速分析目标的相参特性。

专利地区：江苏

专利申请日期：2021-12-16

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN114280569B