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地形雷达性能分析

这个例子使用了:

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雷达系统的性能高度依赖于它工作的环境。虽然自由空间扩散损失可能会导致目标信噪比(SNR)不满足所期望的探测概率和虚警概率的最小可探测性阈值，但在某些地形下，由于可能没有从雷达到目标的直接、通畅的视线，目标的可探测性可能会进一步受到影响。正如你将在这个例子中看到的，随着目标高于地形的高度增加，雷达有更好的机会探测到目标。

在本例中，您将学习如何分析地面远程终端机场监视雷达的性能，该雷达的任务是在沉重的山地杂波中探测飞机。本例首先定义了雷达系统的工作特性及其全局位置。然后定义目标及其轨迹。最后，目标的可检测性，因为它通过其轨迹移动，并提供了详细的可视化。

此示例需要映射工具箱™。

定义雷达

首先，指定一个c波段远程终端机场监视雷达，参数如下:

  • 峰值功率:1kw

  • 工作频率:6ghz

  • 发射和接收天线:方位角2度，仰角5度

  • 脉冲宽度:1 μs

Rdrppower = 1e3;峰值功率(W)Fc = 6e9;%工作频率(Hz)HPBW = [2;5);%半功率波束宽度[方位角;海拔](度)Rdrpulsew = 1e-6;%脉冲宽度(s)Lambda = freq2wave (fc);%波长(m)

将发射器半功率波束宽度(HPBW)值转换为增益beamwidth2gain函数。假设一个余弦矩形孔径，这是一个很好的近似现实世界的天线。

Rdrgain =光束宽度增益(hpbw，“CosineRectangular”);发射机和接收机增益% (dB)

将雷达地面位置定义为美国科罗拉多州布鲁姆菲尔德的落基山大都会机场。雷达安装在离地面10米高的塔上。雷达高度为地面高程与参考平均海平面(MSL)的雷达塔高度之和。

Rdrlat = 39.913756;雷达纬度(度)Rdrlon = -105.118062;雷达经度(度)Rdrtowerht = 10;%天线高度(m)Rdralt = 1717 + rdrtowerht;%雷达高度(m)

要可视化雷达位置，请从美国地质调查局(USGS)导入相关地形数据。

dtedfile =“n39_w106_3arc_v2.dt1”;归因=“SRTM 3弧秒分辨率。数据来自美国地质调查局。”;[Zterrain,Rterrain] = readgeoraster(dtedfile, dtedfile)“OutputType”，“替身”);使用地理地球仪将位置可视化。addCustomTerrain (“southboulder”dtedfile,“归因”、归因);FIG = ufigure;G = geoglolobe(图，“地形”，“southboulder”);(g,“上”) h_rdrtraj = geoplot3(g,rdrlat,rdrlon,rdralt，“罗”，“线宽”6“MarkerSize”10);

RadarTerrainExample_1.PNG

请注意，文件的限制对应于美国科罗拉多州博尔德附近的区域，分辨率对应于DTED级别1，其样本分辨率为3弧秒或约90米。

定义目标

假设目标是一架大型商用飞机。假设飞机的飞行轨迹是螺旋机动，飞机以螺旋状快速下降。

Tlat0 = 39.80384;目标初始纬度(度)Tlon0 = -105.49916;目标初始经度(度)Tht0 = 3000;%目标初始高度(m)阿兹= 1:2:40 0;%目标方位角(度)R = 5000;%目标倾斜距离(m)从极坐标转换为笛卡尔东，北，上(ENU)。[X,Y] = pol2cart(deg2rad(azs)，r);将ENU转换为大地坐标。Z = linspace(0,1000,numel(azs));wgs84 = wgs84椭球;[tat, ton,tht] = enu2geodetic(X,Y,Z,tlat0,tlon0,tht0,wgs84);定义目标高度。Talt = THT - egm96geoid(tat,tlon);目标高度(m)

为简单起见，假设路径点以0.1 Hz的恒定采样率获得。轨迹可以用geoTrajectory位置指定为纬度、经度和高度。

Fs = 0.1;t =(0:长度(X)-1)/fs;ttraj =地理轨迹([ttraj;“tlon。“talt。”),t,“SampleRate”fs);

画出地形上的真实轨道。

H_ttraj = geoplot3(g, tat, ton,talt，“哟”，“线宽”3);Campos (g,39.77114，-105.62662,6670) camheading(g,70) campitch(g，-12)

RadarTerrainExample_2.PNG

一架飞机的雷达横截面(RCS)通常为1至10平方米。在本例中，将飞机视为RCS为10平方米的各向同性点目标。

TRCS = pow2db(10);%目标RCS (dBsm)

模拟场景

现在已经定义了雷达和目标，构建场景，该场景由一个终端机场雷达和存在山地杂波的大型商用飞机组成。在飞机飞行轨迹的持续时间内运行模拟场景。

场景=雷达场景(“IsEarthCentered”,真的,“UpdateRate”fs,“StopTime”t ());Rdrplatform =平台(场景，“位置”(rdrlat rdrlon, rdralt],“传感器”, radarDataGenerator);Tplatform =平台(场景，“轨迹”ttraj,“签名”，…{rcsSignature (“方位”(-180 180),“高度”(-90 90),“模式”,曾经)});

从雷达到目标的视距路径是为目标轨迹中的每个点确定的。对于飞机没有被地形遮挡的位置，使用雷达方程计算信噪比值，包括沿路径的传播因子。

传播因子是用radarpropfactor函数。中的默认介电常数模型radarpropfactor是基于Blake的海洋介电常数模型的雷达垂直平面覆盖图的机器绘图．这种模型不适用于本例。因此，模拟更真实的传播的第一步是选择一个更合适的介电常数。使用earthSurfacePermittivity功能与植被标志。假设环境温度为21.1摄氏度，也就是华氏70度。假设重量水含量为0.3。

温度= 21.1;%环境温度(摄氏度)GWC = 0.3;重量水含量[~，~，epsc] =地球表面介电常数(“植物”、fc、临时gwc);

计算传播因子radarpropfactor函数。在计算中包括以下内容:

  • 表面介电常数

  • 沿路径高度的标准偏差

  • 海拔波束宽度

TSNR = -inf(size(t));F = 0(大小(t));Trange =零(大小(t));isVisible = false(size(t));Idx = 1;而前进(场景)tpose =姿势(平台)“CoordinateSystem”，“大地”);tpos = tpose.位置;[isVisible(idx)，~，~，h] = los2(Zterrain,Rterrain,rdrlat,rdrlon，…房产申诉专员署(1),传真照片(2),rdralt,传真照片(3),“火星科学实验室”，“火星科学实验室”);hgtStdDev = std(h);如果isVisible(idx) trange(idx) = llarangeangle([rdrlat rdrlon rdralt]，tpos,1);F(idx) = radarpropfactor(trange(idx)，fc,rdralt,tpos(3)，…“SurfaceRelativePermittivity”epsc,…“SurfaceHeightStandardDeviation”hgtStdDev,…“ElevationBeamwidth”hpbw (2));结束Idx = Idx +1;结束

计算沿轨迹的信噪比。

tsnr(isVisible) = radareqsnr(lambda,trange(isVisible).'，rdrppower,rdrpulsew，…RCS的曾经,“获得”rdrgain,“PropagationFactor”F (isVisible)。');

接下来，沿轨迹绘制信噪比。

Tsnr_finiteidx = ~isinf(tsnr);Tsnr_cidx = 0(大小(tsnr));Cmap = colormap(g);Numclvls = size(cmap,1);Tsnr_cidx (tsnr_finiteidx) =离散化(tsnr(tsnr_finiteidx)，numclvls-1);Tsnr_cidx (~tsnr_finiteidx) = numclvls;删除(h_ttraj);HSNR = 0(大小(tsnr));为M = 1:numel(tsnr) hsnr(M) = geoplot3(g, tat (M)，tlon(M)，talt(M)，“标记”，“o”，“线宽”2,“MarkerSize”1);如果tsnr_finiteidx (m)集(hsnr (m),“颜色”提出(tsnr_cidx (m),:));其他的集(hsnr (m),“颜色”，“r”);结束结束

RadarTerrainExample_3.PNG

当飞机进行螺旋机动时，接收信号的信噪比可能会发生变化，如图所示。如果有一条视距路径，雷达对飞机有一个畅通无阻的视野。轨迹的红色部分表示飞机和雷达之间没有视线路径。

对于监视雷达，期望的性能指标是探测概率(Pd)为0.9，虚警概率(Pfa)低于1e-6。为了使雷达系统设计更加可行，可以使用脉冲积分技术来降低所需的信噪比。对于这个系统，假设32个脉冲的非相干积分。在指定的Pd和Pfa检测所需的最小信噪比的良好近似值可以由检测能力函数。

Pd = 0.9;Pfa = 1e-6;Minsnr_32p =可检测性(pd,pfa,32);Isdetectable_32p = TSNR >= minsnr_32p;

在给出最小信噪比要求的情况下，观察在轨迹的哪一部分目标是可探测的(绿色所示)。注意，视距链接的存在并不能保证目标是可探测的。

为M = 1:数字(tsnr)如果isdetectable_32p (m)集(hsnr (m),“颜色”，‘g’);其他的集(hsnr (m),“颜色”，“r”);结束结束

RadarTerrainExample_4.PNG

为了提高监视雷达的可探测性，雷达工程师经常讨论如何使系统的功率孔径积最大化。这通常意味着增加系统的物理大小或峰值功率。也可以考虑照明时间(即目标能量)。一些提高可检测性的方法包括:

  • 增加峰值功率:由于电源和雷达平台位置的限制，这可能很难实现。此外，如果有低截获概率(LPI)的要求，增加峰值功率通常是不可取的。

  • 增加天线孔径的物理尺寸:增加天线的物理尺寸会导致相关增益的增加和半功率波束宽度的减少。平台或位置的限制可能会使增加天线孔径的物理尺寸变得不可行。此外，使用更细的波束宽度，将天线波束转向被测目标变得更加重要。

  • 增加要集成的脉冲数:这将使可探测性降低。然而，如果飞机以高速机动，那么在目标平稳的假设下，收集所有发射脉冲可能需要太长时间。如果目标平稳性假设无效，则需要采取额外的信号处理步骤来减小目标的距离游走。

  • 增加平均功率:可以通过增加占空比来增加平均功率，而不是增加峰值功率。增加占空比意味着增加脉冲宽度或脉冲重复频率(PRF)，这可能会给雷达硬件带来不必要的负担。增加脉冲宽度的缺点是增加最小范围和潜在的重叠，不可分割的目标回报。另一方面，增加脉冲重复频率会降低最大无歧义范围，这对于远程监视系统可能是不可取的，特别是如果它没有执行消歧技术。

上面的列表，虽然不是详尽的，但显示了在设计终端机场监控系统时的一些权衡。对于本例，请增加峰值功率。由于这是一个地面系统，增加功率预计不会太繁重。此外，ASR-9等机场雷达的峰值功率约为1兆瓦。由于这是一个机场雷达，没有必要的LPI要求。

考虑峰值功率增加到10 kW的情况。

Rdrppower = 10e3;峰值功率(W)沿轨迹重新计算信噪比。tsnr(isVisible) = radareqsnr(lambda,trange(isVisible).'，rdrppower,rdrpulsew，…RCS的曾经,“获得”rdrgain,“PropagationFactor”F (isVisible)。');确定在给定条件下现在可探测到的轨迹区域。%最新更新的信噪比。Isdetectable_32p = TSNR >= minsnr_32p;

请注意，通过增加峰值功率，轨迹末端以前未检测到的区域现在满足最小信噪比阈值。

为M = 1:数字(tsnr)如果isdetectable_32p (m)集(hsnr (m),“颜色”，‘g’);其他的集(hsnr (m),“颜色”，“r”);结束结束

RadarTerrainExample_5.PNG

总结

在本例中，计算并可视化了地面远程终端机场监视雷达的信噪比，该雷达的任务是探测存在重型山地杂波的飞机。实例说明了如何计算给定目标轨迹的视距。它还表明，视距链接的存在并不一定保证目标是可探测的。本例考虑了一些提高目标可探测性的设计权衡，讨论了如何修改雷达参数以匹配其他系统需求。该例子可以很容易地扩展到其他飞机、不同的轨迹集和不同的地形图。

通过关闭地理地球仪并移除输入的来清理。%%地形数据。如果isvalid(图)关闭(图)结束removeCustomTerrain (“southboulder”）
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