一種基于目標(biāo)視角的無源雷達最大探測距離解算方法
【專利說明】一種基于目標(biāo)視角的無源雷達最大探測距離解算方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于衛(wèi)星導(dǎo)航及應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種基于目標(biāo)視角的無源雷達最大探 測距離解算方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 無源雷達是指雷達本身不發(fā)射電磁波信號，只利用目標(biāo)輻射的電磁信號(外輻射） 進行目標(biāo)探測和跟蹤的雷達。目標(biāo)輻射的電磁信號可能是目標(biāo)自身發(fā)射的信號，也可能是 經(jīng)目標(biāo)反射后的第三方電磁信號。無源雷達利用外輻射源探測目標(biāo)，無需發(fā)射機，只需接收 機就可構(gòu)成目標(biāo)探測系統(tǒng)。從雷達體系上講，該系統(tǒng)發(fā)射機和接收機是異地配置，屬于雙 (多)基地雷達。與傳統(tǒng)雷達技術(shù)相比，無源雷達具有反隱身、反低空襲擊、抗偵察、抗干擾等 優(yōu)勢，成為雷達研究的一個重要領(lǐng)域。
[0003] 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)發(fā)射的信號屬 于第三方電磁信號，具有高精度、全天時、全天候的優(yōu)勢，對軍事部門、民用部門以及科研部 門有著重要應(yīng)用。然而，利用GNSS反射信號對空中飛行目標(biāo)進行探測，在國際上仍然處于探 索階段。
[0004] 利用GNSS反射信號對空中飛行目標(biāo)進行探測，需要接收機對GNSS直射信號和反射 信號進行接收和處理。接收機靈敏度指的是接收機可以接收到的并仍能正常工作的最低信 號強度。當(dāng)?shù)竭_接收機的反射信號強度剛好滿足其靈敏度時，其對飛行目標(biāo)的探測距離為 該接收機所能達到的最大探測距離。最大探測距離是衡量無源雷達系統(tǒng)對空中飛行目標(biāo)探 測能力的重要指標(biāo)之一，其解算方法的獲得具有非常重要的現(xiàn)實意義。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0005] 本發(fā)明的目的在于:本發(fā)明提出一種基于目標(biāo)視角的無源雷達最大探測距離解算 方法，通過設(shè)置接收機靈敏度，解算出該接收機所能達到的最大探測距離，從而為無源雷達 系統(tǒng)對空中飛行目標(biāo)的探測能力的評估提供一個重要依據(jù)。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0007] 本發(fā)明是一種基于目標(biāo)視角的無源雷達最大探測距離解算方法，其具體步驟如 下：
[0008] 步驟一，建立由GNSS衛(wèi)星S、空中飛行目標(biāo)T和地面接收機R組成的雙基地雷達系統(tǒng) 模型。由GNSS衛(wèi)星S發(fā)射的衛(wèi)星信號有兩種形式到達地面接收機:一種是直接到達地面接收 機R，稱為直射信號;一種是經(jīng)由空中飛行目標(biāo)T反射后再到達地面接收機R，稱為反射信號。 其中，S的發(fā)射功率為P t，S的發(fā)射天線增益Gt，S到R的傳播距離為L，S到T的傳播距離為Rt，T 的雷達截面積為σ(β)，Τ到R的傳播距離為Rr，R接收天線等效面積為Ar，R接收天線增益為G r;
[0009] 步驟二，建立GNSS反射信號鏈路計算模型。通過進行反射信號鏈路計算，得到雙基 地雷達距離積平方(RrR t)2的修正式；
[0010] 步驟三，建立基于目標(biāo)視角雙基地雷達空間幾何位置關(guān)系模型。目標(biāo)視角 接收基地的目標(biāo)視角。此時可將GNSS信號收發(fā)兩基地與空中飛行目標(biāo)構(gòu)成一個雙基地探測 系統(tǒng)平面，利用平面分析方法得到由Rr表示的Rt表達式；
[0011] 步驟四，將步驟三中的由Rr表示的Rt表達式代入到步驟二中得到的雙基地雷達距 離積平方(RrRt)2的修正式，從而得到由R r表示的雙基地雷達方程；
[0012] 步驟五，將衛(wèi)星發(fā)射功率，發(fā)射天線增益，接收天線增益，GNSS信號波長，目標(biāo)雷達 截面積，接收機靈敏度，發(fā)射損耗，接收損耗，發(fā)射天線方向圖傳播因子及接收天線傳播因 子代入到步驟四得到的由R r表示的雙基地雷達方程中，從而解算出接收機最大探測距離 (Rr ) max 〇
[0013] 其中，步驟二中所述的"建立GNSS反射信號鏈路計算模型"包括以下步驟：
[0014]步驟2.1，衛(wèi)星信號從GNSS衛(wèi)星發(fā)出，直接被接收機接收的信號稱為直射信號，經(jīng) 目標(biāo)反射后再被接收機接收的信號稱為反射信號。設(shè)GNSS反射信號發(fā)出后經(jīng)過Rt的傳播距 離到達空中飛行目標(biāo)，得到空中飛行目標(biāo)處功率流密度S t的表達式；
[0015]
⑴
[0016] 步驟2.2,由空中飛行目標(biāo)的雷達截面積σ(β)，可得到目標(biāo)處反射信號功率P的表 達式；
[0017] (2)
[0018] 步驟2.3，GNSS反射信號到達目標(biāo)后，再經(jīng)Rr的傳播距離到達地面接收機R，得到目 標(biāo)回波信號到達接收基地天線處的功率流密度Sr表達式；
[0019]
(.3)
[0020] 步驟2.4,由接收基地雷達天線等效面積Ar，得到接收基地接收到的目標(biāo)回波功率 Pr的表達式，即得到了自由空間雙基地雷達方程表達式；
[0021] Pr=SrAr (4)
[0022] 又由于
[0023]
(5)
[0024] 其中，λ為GNSS信號波長，Gr為接收天線增益，則公式(4)可化為：
[0025]
(6)
[0026] 聯(lián)合公式(2)、公式(3)和公式(6)，可得自由空間雙基地雷達方程表示式：
[0027]
_(7>
[0028] 步驟2.5,將步驟2.4中得到的自由空間雙基地雷達方程表達式轉(zhuǎn)換形式，得到雙 基地雷達距離積平方(RrRt) 2的表達式；
[0029]
:(8.)
[0030] 步驟2.6,考慮到無源雷達發(fā)射損耗Lt、接收損耗Lr、發(fā)射天線的方向圖傳播因子Ft 以及接收天線的方向圖傳播因子Fr，可得到雙基地雷達距離積平方(RrRt)2的修正式：
[0031]
(9)
[0032] GNSS信號收發(fā)兩基地與空中飛行目標(biāo)構(gòu)成雙基地探測系統(tǒng)平面，在S-R-T組成的 三角形中，應(yīng)用余弦定理可得：
[0033] Rt2 = Rr2+L2-2RrLcos (π-θΓ) (10)
[0034] 進一步整理可得：
[0035] Rt2 = Rr2+L2+2RrLcos0r (11)
[0036] 將公式（11)代入公式(9)可得：
[0037]
(12 )
[0038]當(dāng)公式（12)方程右側(cè)的接收機接收功率Pr達到最小值時，方程左側(cè)對應(yīng)著此接收 機的最大探測距離Rr，即GNSS反射信號到達地面接收機時達到接收機靈敏度時，此時接收 機與空中飛行目標(biāo)的距離即為此接收機最大的探測距離。
[0039] 即公式（12)可寫為：
[0040]
(.13.)
[0041 ]對于給定的GNSS信號源，其發(fā)射功率Pt、發(fā)射天線增益Gt和信號波長λ均為已知;對 于給定的空中飛行目標(biāo)，其雷達截面積為σ(β)為已知;對于給定的地面接收機，其接收天線 增益Gr為已知；當(dāng)GNSS的直射信號到達地面接收機后，根據(jù)接收機內(nèi)直射通道信號時延信 息，信號源到接收機的距離L可求，即L為已知;無源雷達發(fā)射損耗L T、接收損耗Lr、發(fā)射天線 的方向圖傳播因子Ft以及接收天線的方向圖傳播因子Fr均為已知參數(shù);對于給定的地面接 收機，其接收機的靈敏度是可知的，即(Pr)min已知。
[0042]當(dāng)給定目標(biāo)視角01，通過公式（13)即可求得此接收機所對應(yīng)的最大探測距離 (Rr)max，該最大探測距離解算方法即為本發(fā)明中所述的一種基于目標(biāo)視角的無源雷達最大 探測距離解算方法。
[0043]本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0044] (1)本發(fā)明通過建立反射信號鏈路計算模型，對GNSS反射信號鏈路進行詳細分析， 最終得到雙基地雷達距離積平方(RrRt) 2的修正式，即在反射信號的鏈路傳播中，得到了 Pr、 Rt和Rr三者之間的關(guān)系表達式。
[0045] (2)本發(fā)明通過建立基于目標(biāo)視角的雙基地雷達空間幾何位置關(guān)系模型，將S、T和 R三者之間的空間幾何位置關(guān)系轉(zhuǎn)換成一個雙基地平面，通過引入目標(biāo)視角0r，得到Rt和R r 二者之間的關(guān)系表達式，即得到了一種由Rr、9r表示Rt的方法。
[0046] (3)本發(fā)明通過由Rr、0r表示Rt，最終獲得與P r、0jPRr有關(guān)的雷達方程表達式。當(dāng)表 達式中接收基地接收到的目標(biāo)回波功率Pr設(shè)置為接收機靈敏度時，計算得到的空中飛行目 標(biāo)T到接收機R的距離Rr即為此接收機所能達到的最大探測距離，解算過程簡單明了，易于 實現(xiàn)。
[0047] (4)本發(fā)明提出一種基于目標(biāo)視角的無源雷達最大探測距離解算方法，通過接收 機靈敏度，解算出該接收機所對應(yīng)的最大探測距離。對于實際空中飛行目標(biāo)探測中接收機 型號的選擇具有很強的實用性。
[0048] (5)本發(fā)明提出的最大探測距離解算方法基于無源雷達對空中飛行目標(biāo)的探測， 其隱蔽性較強，實用性較佳。 【【附圖說明】】
[0049] 圖1是雙基地雷達反射衛(wèi)星反射信號傳播路徑示意圖。
[0050] 圖2是雙基地雷達幾何關(guān)系不意圖。
[0051] 圖3是基于GNSS-R目標(biāo)視角的無源雷達最大探測距離解算方法流程圖。
[0052]圖4是反射信號鏈路計算模型流程圖。
[0053] 圖中標(biāo)號說明如下：
[0054] S代表GNSS發(fā)射衛(wèi)星;Pt代表S的發(fā)射功率;Gt代表S的發(fā)射天線增益；
[0055] T代表空中飛行目標(biāo);Rt代表S到T的傳播距離;R代表地面接收機；
[0056] Rr代表T到R的傳播距離;Ar代表R的接收天線等效面積;0代表地心；
[0057] Gr代表R的接收天線增益;L代表S到R的傳播距離，也稱為基線；
[0058] 基線延長線到Rr逆時針方向的夾角，即接收基地的目標(biāo)視角。 【【具體實施方式】】
[0059] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例做進一步描述：
[0060] 圖1所示為雙基地雷達反射衛(wèi)星反射信號傳播路徑示意圖。在由GNSS衛(wèi)星S、空中 飛行目標(biāo)T和地面接收機R組成的雙基地雷達系統(tǒng)模型中，由GNSS衛(wèi)星S發(fā)射的衛(wèi)星信號有 兩種形式到達地面接收機:一種直接到達地面接收機R，稱為直射信號;一種經(jīng)由空中目標(biāo)T 反射后再到達地面接收機R，稱為反射信號。其中，S的發(fā)射功率為Pt，發(fā)射天線增益為Gt，S到 R的傳播距離為L，S到T的傳播距離為Rt，T的目標(biāo)雷達截面積為σ(β)，Τ到R的傳播距離為Rr，R 接收天線等效面積為Ar，R接收天線增益為Gr;
[0061] 圖2所示為雙基地雷達幾何關(guān)系示意圖。GNSS發(fā)射衛(wèi)星S、飛行目標(biāo)T和接收機R構(gòu) 成