[doc] 异地配置下IRST对3D雷达的引导分析

[doc] 异地配置下IRST对3D雷达的引导分析 异地配置下IRST对3D雷达的引导分析 第37卷第5期 VO1.37NO.5 红外与激光工程 InfraredandLaserEngineering 2008年10月 0ct.2008 异地配置下IRST对3D雷达的引导分析 吕永胜,王树宗,彭锐晖,王向伟. (1.海军工程大学兵器工程系,湖北武汉430033;2.二炮装备研究院五所,北京100085) 摘要:在雷达/雷达网与红外等被动传感器的综合运用中,被动传感器和雷达采取异地配置,可 有效提高被动传感器的生存能力.首次研究和推导了雷达与IRST异地配置下,单部IRST对单部3D 雷达的引导方程;对引导方程相关性质进行了分析和证明;对引导误差及引导概率进行了详细推导和 仿真分析,讨论了相关参数对引导误差及引导概率的影响;并提出了异地配置下IRST对3D雷达的 引导搜索方法.分析证明:异地配置下,通过IRST对3D雷达的引导, 可减少雷达的搜索时间,提高两 者的生存能力,对研究和设计异地配置下的IRST对雷达引导系统具 有一定的参考价值. 关键词:传感器管理;1RST;雷达;引导 中图分类号:V556.6;TP212文献标识码:A文章编 号:1007—2276(2008)05-0911-04 AnalysisofIRSTcueingto3Dradaratdifferentsites LVYong-sheng,WANGShu-zong,PENGRui-hui,WANGXiang-wei (1.DepartmentofWeaponryEngineering,NaValUniversityofEngineering,Wuhan430033,China 2.TheFifthResearchInstitute,SecondArtilleryEquipmentAcademy,Beijing100085,China) Abstract:ItiSrecommendedthatpassivesensorandradarshouldbelocatedatdifferentsiteswhen theyworktogether,whichCaneffectivelyimprovethesurvivalcapabilityoftheformer.Thefunctionof singleIRSTcueingtoone3Dradarwasanalyzedandderivedinthefirsttime.Therelatedproperty betweenthefunctionandtheparameterswerealsogivenandproved.Thecueingerrorandprobability werederivedandsimulated.Therelatedparameterseffectsonthecueingerrorandprobabilitywere discussed,andsomeusefulconclusionsweregoaen.Inaddition,thesearchme thodof3Dradarunder IRSTScueingatdifferentsiteswasgiven.Analysisresultsshowthatthesearch timeandthesurvival capabilitywillbereducedandimprovedrespectivelywhenIRSTsensorandra darcueingatdifferentsites. Keywords:Sensormanagement;IRST;Radar;Cueing 0引言 由于雷达在工作时要向空中辐射大功率电磁波, 因而易遭受”四大威胁”的攻击.为了降低系统对敌 方干扰的脆弱性,改善目标跟踪性能,提高系统可靠 性,通常采用的方法之一n就是用红外传感器(主要是 IRST)对主动雷达进行指示或引导,即首先由IRST对 目标进行搜索,并对发现的目标进行识别,确定需要 跟踪的目标,一旦确定了目标,就引导或指示雷达迅 速跟踪目标.用IRST对雷达进行引导,属于数据融合 系统中传感器管理的范畴,也是异类多传感器数据融 合的重要 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 之一. 纵观国内外对雷达与IRST等被动传感器的研究资 收稿Et期:2008—0l一14;修订日期:2008-03-10 基金项目:国防预研项目 作者简介:吕永胜(1978一),男,助理研究员,博士生,主要研究方向为 雷达工程,SAR图像仿真,伪装效果检测与评价研究等. Email:beachgull@sina.tom 导师简介:王树宗(1938一),男,山东寿光人,教授,博士生导师,主要研究方向为武器系统与运用,兵器发射理论与技术,建模与仿真. Email:pengruihui@yahoo.cn 912红外与激光工程第37卷 料,对雷达与IRST的数据融合,关联问题研究较多, 而被动传感器对雷达的引导问题研究甚少n?8-91,而且基 本上均是假设雷达与被动传感器处于同一平台上.对于 主被动传感器异地配置情况下的引导问题,就作者所 知,未见有相关资料. 在雷达/雷达网与红外等被动传感器的综合运用 中,应充分考虑它们的配置问题.和雷达同地配置会 使被动传感器失去隐蔽的优点,一旦雷达被摧毁,被 动传感器也将被摧毁.综合考虑,对地面雷达来说, IRST和雷达最好采取异地配置.因此,研究异地配置 下,IRST对雷达的引导问题意义重大. 参考文献[1】研究了主被动传感器同地配置下, IRST对3D雷达的引导问题.文中对异地配置下, IRST对3D雷达的引导问题进行了研究,推导出了引 导公式,并对引导误差,成功引导概率和相关性质进 行了详细分析和仿真讨论. 1单部IRST对单部3D雷达引导的模型 与性质分析 异地配置情况下,IRST对单部3D雷达的引导, 是指当IRST观察到目标后,提供给3D雷达所得目 标的方位信息,俯仰信息及红外传感器自身的作用范 围,3D雷达根据红外传感器提供的信息,演算出目标 相对于雷达所处的方位范围及俯仰范围,并将视域范 围迅速指向该范围进行搜索,使目标的真方位和俯仰 处于3D雷达的方位视域范围内. 假设雷达,红外传感器和目标的布局如图1所 示,E点代表红外传感器的位置,R点代表3D雷达的 图13D富达,IRST,目标位置分布图 Fig,1Distributionmapof3Dradar,IRSTandtargetlocations 位置,丁代表目标的位置.为简单起见,假设红外传感 器和雷达在同一个平面P上,以红外传感器为原点建 立坐标系,红外传感器的位置为(0,0,0),雷达的位置 为(0,Y,0).红外传感器能为3D雷达提供目标的方 位角和俯仰角s,但无法提供距离信息.设红外传 感器的最大作用距离为E,最小作用距离为E, 并设目标距离红外传感器的距离为f,即图中的 lEI,则Z?[ETm,E】. 命题:在IRST对3D雷达进行引导下,设a是雷 达与IRST之间的距离,b是IRST与目标在平面P 上的投影之间的距离.由以上假设条件,可得出雷达 坐标系下目标的方位角和俯仰角分别为: =…arctg s,:arctan———:==:—:=::—一 ~~/ a 2 +(1cose)2-2a.Icosesin3, 式中:n=O或l;且当以一/cosesin3,=0时,=0或1T. 证明:为简单起见,在推导过程中暂不考虑各种 误差的存在. 如图l所示,为目标在红外传感器和雷达所 在平面的投影点,在三角形ERT中,已知TER=a= 竹/2—,a--I职I=IYRl,易=lE1=z?COS8,lI=/sine 可求得c=ll=I一/cosesin3,I. 又1BTl=易?lcos3,I=Ilcosecos3,I,贝0当a— lcosesin3,?0时有: ==(1) 因为8与在雷达本地坐标系下的目标的方位角 满足+7=2”rr,所以,由公式(1)可得ctg(2”rr-3,)= 1_,则可求得,:,z1T+atan,,l:0,l a一/cossslnI?C ?l,?2,….把易=IETI=Z?COS/3代人该式,可得: =“rr+atan(2) l~/--/IdOS~?SII1yI 因为方位角的范围一般取O-2~r,而反余切的取 值范围是0一叮T,所以最终的方位角取值可能是= 肼+atanalcose-sln,I—In=0或1.显然,当a一 /cosesin3,=O时,=0或叮r. 又在三角形ERT中, IRr,l:~/a2+b2-2absin3,(3) 因此, s=arctan:::———一(4),/日 . +(os8)一2a.osin 分析目标相对于红外传感器和雷达的不同位置 (即不同方位角),同样可以推出,各种情况下s, 的表达式均满足命题结论,即 第5期吕永胜等:异地配置下IRST对3D雷达的引导分析913 =,z~+amn Ia-/cose-slnTl 8=arctan——::::::::::::一 ~//a2+(1oose)2-2a.1cosesiny (5) 式中:n----0或1;且当口一/cosesinT=0时,=0或不.证毕. 由以上通式可以看出,最终的雷达坐标系下的方 位角和俯仰角的分布与目标与雷达,IRST三者之间 的相互位置有关,并不是服从单一变化的. 令y=tane?=————:::—一-f(1),则 Va?+(fcoss)一2a?lcosesiny 由f(f)=0可得a=lcos~iny,此时俯仰角可取到极值. 在图1所示的布局形式下,即c=『I=l口一fc0sinI, 当c=O时,正好是目标点位于与雷达同一平面,且该平 面垂直于雷达与IRST所在平面,B点与R点重合,雷 达所得俯仰角为90..这与实际情况也是吻合的. 应该注意的是由于俯仰角的表达式是一个通式, 对于不同情况的方位角都是成立的,因此在雷达, IRST与目标不同布局情况下,有些时候,并不能取到 a=lcos~iny,即不能达到极值点,得不到极值. 2引导误差分析 下面就存在误差情况下,IRST对3D雷达进行引 导的引导误差进行分析. 假设雷达与红外传感器,,Y和z轴分量的站址 误差均相互独立,且服从零均值的高斯分布.雷达的 站址方差分别为cr=,,,红外传感器的站址方差 分别为,,.同时假设红外传感器的方位角测 角方差为or?v,仰角测角方差为or:,且服从零均值的高 斯分布,与各站址误差相互独立. 由以上的推导知道通过转换后,雷达本地坐标系 下得到的目标的方位角和俯仰角为公式(5)所示.且 n=0或l. 不失一般性,设=arctan坐,其中, „Ia+f)cosot-b z?[E,Erm】. 令 a=f(x月,YR,zR,xe,YE,ZF,) V(R—E)+(),R—Y,)+(zR—Z,)(6) 则据误差传递公式: 2 E=(蔷):+(蒉)毒)+ (善)?+().+()? 令=g(以,y,e)=atan业,有: Ia--tcos~?slnyI 2 =E[dT?2]=(誓)+(磬)+(誓)2) - „4-,=.1z(日,=atan———些—一, Va.+(fcos?一2口?lcosesiny 则有: 2st2 = ()+()+(誓)2c9 公式(8)和(9)即是最终求得的方位和俯仰引导误差. 3仿真计算与讨论 下面对各种情况下,IRST对3D雷达引导的俯仰 和方位角,,的分布及引导误差进行仿真和分析, 以下角度单位均为(.). (1)不考虑误差情况时,雷达坐标系下方位,俯仰 角的分布情况 以下各种情况均假设雷达,红外传感器布局如图 l所示,yR=2000m,l?【l000m,200000m】,红外传 感器测得目标的e=crl3.图2,图3分别为7=~rl6,= llw/6时方位角和俯仰角分布.定义雷达坐标系下的 RadialdistancebetweentargetandlRST/km 图2”y=~r/6时方位角和俯仰角分布 Fig.2Angledistributionswheny=rr/6 RadialdistancebetweentargetandIRST/km 图3y=ll~/6时方位角和俯仰角分布 Fig.3Angledistributionswheny=llw/6 方位角为目标点在红外传感器和雷达所在平面上的 投影点与雷达站所在位置的连线顺时针到横轴正方 914红外与激光工程第37卷 向的夹角.仿真得到了相对雷达和IRST,分别处于不 同位置的目标的方位角和俯仰角的分布情况. 从仿真结果可以看出:由于Z?【E,E],因此, 随着目标到IRST距离从近到远,目标的俯仰角成上升 趋势,并最终稳定到IRST测得的目标俯仰角,俯仰角 的变化趋势与目标相对雷达位置不伺的影响不大;而 由于目标与雷达相对位置的不同,在雷达本地坐标系 下,目标方位角的变化不尽相同,最终还是趋于IRST 测得的目标方位角.当雷达和IRST距离2km时,目标 距IRST100km以后,目标的方位和俯仰在雷达坐标系 下的值已和红外传感器量测值基本一致. 因此,在当前参数下,当雷达到IRST距离为目标 到IRST距离的1/50时,目标的方位和俯仰在雷达坐 标系下的值已等同于同地配置下的情况. (2)存在误差情况时,雷达本地坐标系下方位, 俯仰角的分布及引导误差情况 下面对存在误差情况下,雷达本地坐标系下,, 的分布及误差情况进行计算分析. (a)假设红外传感器的位置为原点,雷达的位置为 (0m,2000m,0m).Z?【l000m,200000m],目标俯 仰方位分别为s=不/3,7=7”rr/6.假设雷达的站址方差 分别为=(rY==50m,红外的站址方差分别为 =o----o-=60m;同时假设红外传感器方位角误差为 =l.,俯仰角误差o-,=1.,且各误差相互独立,均服从 零均值的高斯分布. 图4为在考虑误差情况下,随着目标距离红外传 感器距离的变化,最终雷达本地坐标系下的方位角和 俯仰角的分布情况.由图可知,最终的方位角和俯仰 角的分布趋势与不考虑误差的情况是一致的. RadialdistancebetweentargetandIRST/km 图4雷达坐标系下的方位角和俯仰角分布 Fig.4Angledistributionsatradarcoordinatesystem 图5为在雷达和红外位置固定情况下,随着目标距 离红外传感器距离的变化,最终雷达本地坐标系下的 方位角和俯仰角误差的分布情况.可以看出:随着目 标到红外距离的增大,雷达坐标系下的角度误差迅速 增大至最高点,然后缓慢趋于红外的测角误差值. 图5方位角,俯仰角引导误差随f变化分布情况 Fig.5Anglecuingerrorsdistributionswhenfchanges 可见,在雷达和红外传感器位置固定的情况下, 角度引导误差对于目标到红外传感器的距离的大小 是非常敏感的,且距离越小误差越小. (b)其他条件同(a),雷达的位置从(0m,200m,0m) 变化到(0m,2000m,0m);红外,目标位置固定,目标 距离红外l=20km.仿真结果如图6所示. Radialdistancebetweentargetandrad:m 6俯仰角,方位角引导误差随距离变化分布情况 Fig.6Anglecuingerrorsdistributionschangeswithdistance 由图6可以看出:在红外传感器和目标位置固定 情况下,雷达距离目标越远,角度引导误差越小.这与 情况(1)的结论正好相反.再比较情况(1),可以看出: 由于目标方位的不同,导致了最终雷达坐标系下的误 差分布也不尽相同,但最终都会随着目标到雷达距离 的增大,误差会递减至红外测角误差以下. 从上面分析来看,雷达和红外异地配置,虽然存 在站址误差和测角误差,但若站址误差控制在一定范 围内,在红外的引导下,最终在雷达坐标系下的测角 误差并不发散,且值能保持在红外测角误差值水平, 甚至更低.因此,为了充分发挥红外传感器和雷达之 间的优势互补作用,保护红外传感器在遭受敌方打击 后,仍能生存工作,两者应异地配置.理论上,两者的 间距越大,转换后的误差越小,但根据具体需要,又不 能离的太远,因为距离太远,红外传感器对雷达进行 引导的成功概率将大大降低,因此,两者之间的位置 距离需综合考虑,以达到最佳的引导效果. 43D雷达在IRST引导下搜索方法 3D雷达在IRST引导下进行搜索,为了提高引导 搜索成功概率,雷达应首先对准角度引导概率大的地 方进行搜索. 第5期吕永胜等:异地配置下瓜ST对3D雷达的引导分析9l5 对于某一固定f0,可根据公式计算出方位角及 其方差.在近似假定服从高斯分布的情况下,根 据雷达的方位波束宽度n,可计算出在某一固定fn (或某一)时目标位于雷达视域范围内的概率(即对 应某一距离时的引导概率)为: 赤』(_. 由于的可能取值范围为[M,】,故IRST对3D 雷达的平均正确引导概率为: Pave -- — JP(To)dTo(11) 对于IRST引导3D雷达的俯仰引导概率和平均 正确引导概率有相同的结论. 假设各条件如第3节的情况(1),并设雷达波束 宽度方位与俯仰均为n=3..可得方位角和俯仰角引 导概率随目标距IRST距离变化的分布,如图7所示. 宝 苴 盛 基 至u 专 《 图7视场为』2:3.时的引导概翠分布情况 Fig.7Cuingprobabilitydistributionswhenn=3. 由图7可以看出:当IRST与雷达相对位置固定 时,随着目标距IRST距离的增大,方位和俯仰角的引 导概率均呈递减分布. 因此,为了提高成功引导概率,雷达应从距已近 的方位和俯仰范围内进行搜索.另外,考虑到对我方 的威胁程度,也应该从距我方目标最近的方向上开 始,由近至远,进行搜索. 由于目标运动的不确定性,在搜索过程中,雷达的 方位视域中心应首先处于方位角范围内,俯仰视域中 心处于俯仰角范围内,然后结 合同 劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载 地配置下,IRST对 雷达进行引导的方法,在进行搜索过程中,雷达视域覆 盖一个区域,并同时把波束进行上下移动搜索n】. 在重点目标和重点防区方向,在已知敌方的大概 来袭方向情况下,IRST和雷达的布置位置可考虑的 一 个思路是,在IRST的作用范围内,保证雷达的一个 波束宽度,即雷达的视域,能够覆盖将要搜索的方位 范围或俯仰范围,这样可大大减少雷达的搜索时间, 有效提高成功引导概率. 5结束语 分析了异地配置下,IRST对3D雷达的引导问 题,推导出了引导公式,并对引导误差,引导概率及相 关性质进行了详细分析和仿真验算,分析了验算结 果,得出了一些有用的结论,并提出了异地配置下 IRST对3D雷达的引导搜索方法.文中的工作对于目 前异地配置下,IRST对雷达的引导问题是一次新的 尝试,对研究和设计异地配置下的IRST对雷达引导 系统具有一定的参考价值. 致谢:感谢海军航空工程学院王国宏教授的帮助 和指导. 参考文献: [1]WANGGuo-hong,MAOShi-yi,HEYou.Performance analysisofusinganIRSTsensorcueinga3Dradar[J]. 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