面向雷达数字化设计与仿真的雷达性能评估研究

卢 冀 陈皓辉 李万玉

(1.西安电子工程研究所 西安 710100; 2.中国人民解放军32382部队 北京 100071)

雷达性能评估的一般过程包括评估所需数据的获取，评估性能指标或体系的构建，评估结果的计算等三大类，分别对应着不同平台雷达参数的获取[5],不同场合下雷达评估指标体系的建立[6-7]和基于统计学模型和智能化方法的评估方法[8-9]等当前热点技术问题。因此，为了能借助雷达数字化设计与仿真技术研究雷达性能评估方法，首先要解决基于该平台的雷达性能参数获取及评估方法的问题。

本文面向雷达数字化设计与仿真技术领域，给出雷达性能评估参数及其获取和计算方法，并系统性的探索雷达性能评估方法，依此实现并验证一种具体地评估方法，为雷达数字化设计与仿真领域雷达性能评估的研究和持续发展起到抛砖引玉的作用。

雷达数字化设计与仿真通过构建雷达、目标、杂波、电子战、传播环境数学建模并仿真这些模型间的相互信息传递，完成对雷达等系统的性能评估。因此，面向雷达数字化设计与仿真的雷达性能评估可以直接从各个数学模型中获取参数，通过数学计算方法构造性能模型，在仿真时段获取实时的性能评估结果。值得一提的是，雷达数字化仿真中雷达、目标、杂波电子战等实物的数字化构建参照真实雷达、目标[2]、体杂波[3]、电子战[4]的功能组成设计实现，而传播环境则需要根据雷达与目标、杂波、电子战间波形交互分别构建，即在数字化雷达设计与仿真中，与雷达实物测试获得的回波不同，雷达回波参数是雷达与目标、杂波等其它模型间回波参数的线性组合，易得不同环境下雷达的回波参数表示，更便于对各个环境及不同环境的雷达性能进行评估。数字化雷达性能评估的总体系统框架见图1所示。

图1 数字化雷达性能评估系统框架

图1给出了基于雷达、目标、杂波、电子战及传输模型间的信息交互关系，以及一种基于此的雷达评估和环境评估的构造示意图，其中雷达评估主要是通过雷达模型及雷达回波参数计算雷达功率相关参数以及通过雷达探测结果和目标属性评估探测目标结果，环境评估则是评估雷达杂波、电子干扰环境对雷达目标探测干扰程度。

2.1 雷达评估

雷达数字化设计与仿真对雷达性能评估是以在目标、杂波及电子战模型下雷达接收有用信号优劣和探测误差为基础开展，接收有用信号主要考虑噪声、目标、杂波和干扰功率，探测误差以测距、测速、测角误差为基础。

噪声评估即计算设备的噪声N，可得

N=N0×Bn=KTSBn

(1)

其中No表示大气白噪声高绿；
K是玻尔兹曼常数，K=1.38×10-23W/Hz·K；
Bn为接收机带宽；
Ts为系统噪声温度，描述为

3.综上所述，在时代的变更以及社会经济发展的推动作用下，我们已经步入了全新的媒体传播时代，新闻报道质量的高低直接影响着乡镇电视台的生存和发展。

Ts=Ta+Tr+Lr·Te

(2)

其中Ta表示天线温度；
Tr表示接收机温度；
Lr表示射频传输损耗；
Te表示接收机噪声温度，则有

(3)

其中T′a和La分别表示天线表面温度白噪声和天线损耗，可根据理论值和天线指标获取。

Tr=Ttr(Lr-1)

(4)

其中Ttr表示物理温度。

Te=T0(Fn-1)

(5)

其中T0和Fn分别表示接收机工作温度和噪声系数，Fn一般可测试得到，为已知条件。从而，在数字化仿真中白噪声功率Pn可以描述为

Pn=(randn(1)·N)2

(6)

其中randn(1)表示一个标准正态分布随机数。

目标功率PT由三部分组成，目标回波功率Pt，噪声功率N和欺骗干扰下假目标的功率PG；
杂波功率PC一般包括白噪声功率Pn和地海回波功率Ps，有时候也把非感兴趣目标回波功率Pnit统计到杂波功率中，非感兴趣目标包括箔条、欺骗干扰及覆盖干扰。电子干扰功率PI包括欺骗干扰功率PG和覆盖干扰的功率Pc。限于篇幅，目标功率、杂波功率及电子干扰功率的计算可参考文献[2-4]。

一般情况下，在统计时，可以根据需求计算SNR、SCR和SIR，或上述两种以上的组合。一般来说，满足公式(7)至公式(9)。

(7)

(8)

(9)

为了统计方便，一般用当前波门内的功率Pg表示雷达探测到的目标功率为

(10)

(11)

速度Va一般可以描述[2]为

(12)

其中fres表示多普勒分辨率，则

(13)

PRF表示雷达重复频率；
NCPI表示CPI内脉冲个数；
NDOP表示多普勒门的序号。

雷达测距、测速、测角的误差可以分别用距离测量误差ΔR，多普勒测量误差ΔF，方位角测量误差ΔΘ和俯仰角测量误差ΔΦ表示，在数字化雷达仿真评估，ΔR可以用一个CPI内各个脉冲的平均时延和目标跟踪距离Rt之差表示为

(14)

其中τi表示第i个脉冲的时延；
c为光速；
△F可以用一个CPI内各个脉冲对应的多普勒频率的平均值和目标跟踪多普勒频率Ft之差表示为

(15)

其中Δfi表示第i个脉冲的多普勒频率。测角误差可以用每个脉冲对应的平均目标角度和目标跟踪角度之差表示，则有

(16)

(17)

其中τi、Δfi、Δθ和Δφ是根据目标运动计算得到的相关参数[5-8]，Rt、Ft、θt、φt一般为雷达对目标参数的跟踪预测。

2.2 环境评估

在雷达数字化仿真评估中，雷达工作环境是根据环境分类各个构建的，每个环境的参数独立变化，便于评估不同环境对雷达目标探测的影响。

雷达数字化构建的典型环境主要有：目标、杂波、电子干扰、传播环境等，环境评估主要是评估非目标环境对目标环境的影响，在数字化仿真与评估中，不同环境描述的参数是相同的，构成不同环境的函数描述也是一致的，假设目标、杂波、电子干扰和传播环境的函数描述分别是YT，YC，YI和YM，可以定义环境评估Ei(i=C,I,M)表示非目标环境Yi对目标环境YT的影响，则Ei描述为

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

(18)

雷达数字化评估中，环境描述参数就是描述雷达发射波形在该环境下的雷达回波的参数，通过式(18)计算不同环境下雷达回波相对目标回波的相关性，就可以对雷达探测目标受环境的影响进行简单的计算与评估，环境参数的描述见表1所列。

表1 环境参数

表1描述了雷达环境波形的参数，其中p、f、φ和△t用于描述雷达调制波形的参数；
δAZ和δEL用于描述雷达环境回波的角度，配合天线方向图获取雷达天线收到的雷达信号波形。由这些参数，易知时刻t雷达环境的函数Yi(t)为

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))分别表示天线方向图在δAZ和δEL角度下对应的幅度和角度，p(t)、f(t)、φ(t)、△t(t)、δAZ(t)和δEL(t)描述了环境参数随时间变化的函数，目标、杂波、电子干扰、传播环境等环境下对环境参数的主要影响见表2所列。

表2 不同环境下对环境参数的主要影响

利用Matlab软件对本文提出的雷达性能评估方法进行了仿真，验证了本文方法的可行性和有效性。图2显示了一段时间T秒内计算得到的白噪声值；
图3显示了一段时间T秒内计算的目标回波，其中1到6s为目标叠加噪声的计算结果，相应地，也根据本文方法计算了目标回波的信噪比；
图4显示了杂波、电子干扰对雷达探测目标的影响程度，图4中电子干扰为假目标干扰，因同雷达回波结果类似而影响最大，而杂波环境对目标回波影响较小。

图2 噪声计算

图3 目标回波功率及信噪比计算

图4 环境评估结果

针对雷达数字化设计与仿真系统的雷达性能评估问题，从雷达功能及雷达使用环境涉及的雷达、目标、杂波、电子战等数字模型入手，给出了基于数字模型的雷达性能评估系统的构建方法，重点从雷达和环境两部分阐述了数字化雷达性能评估中雷达功能及其使用环境的参数获取和使用问题，基于雷达数字化设计与仿真，提出了一种简便易行的面向雷达数字化设计与仿真的雷达性能评估方法，以期为雷达数字化设计与仿真中雷达性能评估研究工作起到抛砖引玉的效果。最后通过具体实验验证了雷达性能评估方法的有效性和可用性，进一步的研究可继续在本文方法的基础上结合具体场景和场景模型实施。