基于天基对海探测雷达系统的波位设计方法及系统

技术领域

本发明涉及天基雷达系统下的地面波位设计的技术领域，具体地，涉及基于天基对海探测雷达系统的波位设计方法及系统。

背景技术

天基雷达系统根据雷达发射波束的3dB主瓣波束宽度，可对地面波位进行划分处理，对于天基雷达系统天线通常以一定倾角安装于雷达之上。由于非零安装倾角的引入，将使得雷达发射波束主瓣在地面的投影足印发生畸变，传统波位设计方法通常不对天线阵面的波束和其在地面投影足印加以区分，若直接基于阵面主瓣波束几何形状特性设计海表波位，则在覆盖海域内会造成严重的舰船目标漏扫问题。此外，传统波位设计方案通常为单一的波束发射策略，当雷达发射窄波束进行波位排布时，虽然可以有效地提高天线发射增益，但是由于系统时间资源限制，将使得波位驻留时间随波位的增多而减少，进而不利于目标检测性能的提高。针对该问题，可采用天线展宽发射技术实现天线主瓣宽度的扩展，采用扩展的宽波束实现波位排布，可极大地减少地表波位覆盖个数，从而有效延长波位驻留时间。通常天线波束的展宽以降低天线增益为代价，这将导致杂波和目标的能量同时降低，在强杂波环境下，宽波束条件下的舰船目标输出SCNR会得到有效提升。然而，当杂波功率较小时，由于目标SNR的减少目标SCNR反而降低。

因此，需要提出一种新的技术方案以改善上述技术问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于天基对海探测雷达系统的波位设计方法及系统。

根据本发明提供的一种基于天基对海探测雷达系统的波位设计方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1：获取天基雷达系统的系统参数和所要求的方位覆盖范围；

步骤S2：根据所述输入的雷达系统参数，对系统总扫描时间进行求解计算；

步骤S3：根据所述方位覆盖范围，对最大波束中心偏扫边界进行求解计算；

步骤S4：采用小偏扫角度区域展宽波束发射、大偏扫角度区域不展宽波束发射的组合策略，构建基于波位驻留时间分配和组合波束变换偏扫角度边界为优化变量的二维代价函数；

步骤S5：通过最大化二维代价函数，得到组合波束偏扫角度边界和不同发射波束策略所分配波位驻留时间，从而输出最终的组合波位设计方案。

优选地，所述步骤S2中系统扫描时间的计算表达式为：

式中，min(·)为取最小函数，T

优选地，所述步骤S3中雷达波束中心最大方位偏扫边界计算表达式为：

式中，θ

优选地，所述步骤S4中采用展宽发射-不展宽发射组合波束发射策略，构建基于组合波束偏扫边界和驻留时间分配的二维代价函数，通过求解最大化代价函数的优化问题模型，得到最终舰船目标检测性能最优的波位设计方案。

优选地，所述最大化代价函数的优化问题模型为：

式中，

所述二维代价函数计算表达式为：

式中，θ

所述用于描述目标输出SCNR取值的函数计算表达式为：

式中，s

所述不展宽波位驻留时间与展宽波位的驻留时间比值计算表达式为：

式中，T

本发明还提供一种基于天基对海探测雷达系统的波位设计系统，所述系统包括如下模块：

模块M1：获取天基雷达系统的系统参数和所要求的方位覆盖范围；

模块M2：根据所述输入的雷达系统参数，对系统总扫描时间进行求解计算；

模块M3：根据所述方位覆盖范围，对最大波束中心偏扫边界进行求解计算；

模块M4：采用小偏扫角度区域展宽波束发射、大偏扫角度区域不展宽波束发射的组合策略，构建基于波位驻留时间分配和组合波束变换偏扫角度边界为优化变量的二维代价函数；

模块M5：通过最大化二维代价函数，得到组合波束偏扫角度边界和不同发射波束策略所分配波位驻留时间，从而输出最终的组合波位设计方案。

优选地，所述模块M2中系统扫描时间的计算表达式为：

式中，min(·)为取最小函数，T

优选地，所述模块M3中雷达波束中心最大方位偏扫边界计算表达式为：

式中，θ

优选地，所述模块M4中采用展宽发射-不展宽发射组合波束发射策略，构建基于组合波束偏扫边界和驻留时间分配的二维代价函数，通过求解最大化代价函数的优化问题模型，得到最终舰船目标检测性能最优的波位设计方案。

优选地，所述最大化代价函数的优化问题模型为：

式中，

所述二维代价函数计算表达式为：

式中，θ

所述用于描述目标输出SCNR取值的函数计算表达式为：

式中，s

所述不展宽波位驻留时间与展宽波位的驻留时间比值计算表达式为：

式中，T

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提出了一种基于天基对海探测雷达系统的波位设计新方法，克服了现有波位设计方法忽视非零天线安装倾角引入的地面波位畸变特点，并针对雷达系统中杂波能量随方位偏扫角度变化特点，采用组合波束发射策略，进而求解最大化基于组合波束偏扫边界和波位驻留时间分配的二维代价函数的优化问题模型，最终得到使得舰船目标检测整体性能最优的波位设计方法。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例中提供的基于天基对海探测雷达系统的波位设计方法的处理流程图；

图2为本发明实施后的地面波位足印排布结果图；

图3为本发明实施后的舰船输出SCNR和目标检测概率曲线对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：

根据本发明提供的一种基于天基对海探测雷达系统的波位设计方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1：获取天基雷达系统的系统参数和所要求的方位覆盖范围；

步骤S2：根据所述输入的雷达系统参数，对系统总扫描时间进行求解计算；系统扫描时间的计算表达式为：

式中，min(·)为取最小函数，T

步骤S3：根据所述方位覆盖范围，对最大波束中心偏扫边界进行求解计算；雷达波束中心最大方位偏扫边界计算表达式为：

式中，θ

步骤S4：采用小偏扫角度区域展宽波束发射、大偏扫角度区域不展宽波束发射的组合策略，构建基于波位驻留时间分配和组合波束变换偏扫角度边界为优化变量的二维代价函数；采用展宽发射-不展宽发射组合波束发射策略，构建基于组合波束偏扫边界和驻留时间分配的二维代价函数，通过求解最大化代价函数的优化问题模型，得到最终舰船目标检测性能最优的波位设计方案。

最大化代价函数的优化问题模型为：

式中，

二维代价函数计算表达式为：

式中，θ

用于描述目标输出SCNR取值的函数计算表达式为：

式中，s

不展宽波位驻留时间与展宽波位的驻留时间比值计算表达式为：

式中，T

步骤S5：通过最大化二维代价函数，得到组合波束偏扫角度边界和不同发射波束策略所分配波位驻留时间，从而输出最终的组合波位设计方案。

本发明还提供一种基于天基对海探测雷达系统的波位设计系统，所述基于天基对海探测雷达系统的波位设计系统可以通过执行所述基于天基对海探测雷达系统的波位设计方法的流程步骤予以实现，即本领域技术人员可以将所述基于天基对海探测雷达系统的波位设计方法理解为所述基于天基对海探测雷达系统的波位设计系统的优选实施方式。

实施例2：

本发明还提供一种基于天基对海探测雷达系统的波位设计系统，所述系统包括如下模块：

模块M1：获取天基雷达系统的系统参数和所要求的方位覆盖范围；

模块M2：根据所述输入的雷达系统参数，对系统总扫描时间进行求解计算；系统扫描时间的计算表达式为：

式中，min(·)为取最小函数，T

模块M3：根据所述方位覆盖范围，对最大波束中心偏扫边界进行求解计算；雷达波束中心最大方位偏扫边界计算表达式为：

式中，θ

模块M4：采用小偏扫角度区域展宽波束发射、大偏扫角度区域不展宽波束发射的组合策略，构建基于波位驻留时间分配和组合波束变换偏扫角度边界为优化变量的二维代价函数；采用展宽发射-不展宽发射组合波束发射策略，构建基于组合波束偏扫边界和驻留时间分配的二维代价函数，通过求解最大化代价函数的优化问题模型，得到最终舰船目标检测性能最优的波位设计方案。

最大化代价函数的优化问题模型为：

式中，

二维代价函数计算表达式为：

式中，θ

用于描述目标输出SCNR取值的函数计算表达式为：

式中，s

不展宽波位驻留时间与展宽波位的驻留时间比值计算表达式为：

式中，T

模块M5：通过最大化二维代价函数，得到组合波束偏扫角度边界和不同发射波束策略所分配波位驻留时间，从而输出最终的组合波位设计方案。

实施例3：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在没有考虑非零安装倾角引入的地表波束足印畸变特点，波束发射策略单一的问题使得舰船目标检测性能下降的缺陷提供一种基于天基对海探测雷达系统的波位设计方法。

本实施例提供一种基于天基对海探测雷达系统的波位设计方法，包括以下步骤：

1)获取天基雷达系统的系统参数和所要求的方位覆盖范围；

2)根据所述输入的雷达系统参数，对系统总扫描时间进行求解计算；

3)根据所述方位覆盖范围，对最大波束中心偏扫边界进行求解计算；

4)采用小偏扫角度区域展宽波束发射、大偏扫角度区域不展宽波束发射的组合策略，构建基于波位驻留时间分配和组合波束变换偏扫角度边界为优化变量的二维代价函数；

5)通过最大化二维代价函数，得到组合波束偏扫角度边界和不同发射波束策略所分配波位驻留时间，从而输出最终的组合波位设计方案。

步骤2)中所述系统扫描时间的计算表达式为：

式中，min(·)为取最小函数，T

步骤3)中所述雷达波束中心最大方位偏扫边界计算表达式为：

式中，θ

步骤4)中采用展宽发射-不展宽发射组合波束发射策略，构建基于组合波束偏扫边界和驻留时间分配的二维代价函数，通过求解最大化代价函数的优化问题模型，得到最终舰船目标检测性能最优的波位设计方案。

所述基于二维代价函数的优化问题模型为：

式中，

所述二维代价函数计算表达式为：

式中，θ

所述用于描述目标输出SCNR取值的函数计算表达式为：

式中，s

所述不展宽波位驻留时间与展宽波位的驻留时间比值计算表达式为：

式中，T

下面对本实施例基于天基对海探测雷达系统的组合波位设计方法的具体实施步骤进行描述。

本实施例的各实施步骤均在MATLAB2018仿真平台上进行。

如图1所示，本实施例的各实施步骤包括：

S1：输入波位设计所需参数，具体包括天基雷达系统参数、方位覆盖范围和波位重叠率。其中方位覆盖范围取值设为1720km，波位重叠率取值为10％，系统方位扫描角度取值为45°，天线安装倾角取值45°。

S2：根据上一步骤所述雷达系统参数，利用公式(1)计算系统总的扫描时间T

S3：根据步骤S1所述方位覆盖范围和系统扫描角度，利用公式(2)计算波位设计的最大雷达方位波束中心偏扫边界取值θ

S4：根据步骤S1-S3得到的扫描时间T

S5：通过二维搜索的方式求解上一步骤所述优化问题，输出使得目标检测性能最优的组合波束偏扫边界

S6：根据上一步骤计算得到的组合波束偏扫边界

实施本发明后获得的组合波位设计结果如图2所示，对应的目标输出SCNR对比曲线和目标检测概率对比曲线如图3所示。由结果可知，利用本发明提供的方法能够对有效的均衡利用天基雷达系统的时间资源和波束资源，从而可以获得舰船目标检测性能整体最优的波位设计方案。

本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1、实施例2的更为具体的说明。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。