地面雷达性能分析
雷达系统的性能高度依赖于它所处的环境。虽然自由空间传播损耗可能这样目标信噪比(信噪比)不满足最低检测能力阈值所需的检测概率和概率的假警报,一个目标的检测能力可能进一步遭受一些地形可能没有直接的从雷达到目标的视线不受干扰。正如您将在这个例子中看到的，随着目标在地形上方的高度增加，雷达有更好的机会探测到目标。
在本例中，您将了解如何分析地面远程终端机场监视雷达的性能，该雷达的任务是在重型、多山杂波存在时探测飞机。该算例首先定义了雷达系统的工作特性及其全球位置。然后定义目标及其轨迹。最后，给出了目标通过其轨迹移动时的可检测性，并给出了详细的可视化结果。
此示例需要Mapping Toolbox™。
定义雷达
开始时，指定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2度，仰角5度
脉冲宽度:1 μs
rdrppower = 1 e3;峰值功率(W)fc = 6 e9;%工作频率(Hz)hpbw = [2;5);%半功率波束宽度[方位角;海拔](度)rdrpulsew = 1 e-6;脉冲宽度(s)λ= freq2wavelen (fc);%波长(m)
转换发射机半功率波束宽度(HPBW)值以获得使用beamwidth2gain函数。假设一个余弦矩形孔径，这是一个很好的近似真实天线。
rdrgain = beamwidth2gain (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。雷达高度是地面高度和雷达塔高度参照平均海平面(MSL)的总和。
rdrlat = 39.913756;%雷达纬度rdrlon = -105.118062;雷达经度(度)rdrtowerht = 10;天线高度(m)Rdralt = 1717 + rdrtowerht;%雷达高度(m)
为了可视化雷达位置，从美国地质调查局(USGS)导入相关的地形数据。
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,“OutputType”，“替身”）;%使用地理地球图可视化位置。addCustomTerrain (“southboulder”dtedfile,“归因”、归因);无花果= uifigure;g = geoglobe(无花果,“地形”，“southboulder”）;(g,“上”) h_rdrtraj = geoplot3(g,rdrlat,rdrlon,rdralt，“罗”，“线宽”6“MarkerSize”10);
请注意，该文件的限制对应于美国科罗拉多州博尔德附近的地区，分辨率对应于DTED level-1，该级别的样本分辨率为3角秒或大约90米。
定义目标
以大型商用飞机为目标。假设飞机轨迹是螺旋形机动，飞机以螺旋形快速下降。
tlat0 = 39.80384;目标起始纬度(deg)tlon0 = -105.49916;目标初始经度(deg)tht0 = 3000;目标初始高度(m)阿兹= 1:2:540;%目标方位(deg)r = 5000;目标倾斜距离(m)从极坐标转换为笛卡儿东，北，上(ENU)。(X, Y) = pol2cart(函数(az), r);将ENU转换为大地测量的。Z = linspace(0、1000、元素个数(az));wgs84 = wgs84Ellipsoid;[tlat, tlon,年中]= enu2geodetic (X, Y, Z, tlat0 tlon0, tht0, wgs84);%定义目标高度。Talt = THT - egm96大地水准面(tlat,tlon);%目标高度(m)
为简单起见，假设路径点是在0.1 Hz的恒定采样率下获得的。轨迹可以用geoTrajectory位置指定为纬度、经度和海拔。
fs = 0.1;t =(0:长度(X) 1) / fs;ttraj = geoTrajectory ([tlat。“tlon。“talt。”),t,“SampleRate”fs);
在地形上绘制地面真实轨迹。
h_ttraj = geoplot3 (g, tlat, tlon talt,“哟”，“线宽”3);坎波斯(g, 39.77114, -105.62662, 6670) camheading (g, 70) campitch (g, -12)
一架飞机的雷达横截面(RCS)通常从1到10平方米。对于这个例子，考虑飞行器是一个各向同性的点目标，RCS为10平方米。
曾经= pow2db (10);目标RCS (dBsm)
模拟的场景
现在，雷达和目标已经定义，构建场景，其中包括一个终端机场雷达和大型商用飞机在山区杂波存在。在飞机飞行轨迹的持续时间内运行模拟场景。
现场= radarScenario (“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)});
从雷达到目标的视线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。中默认的介电常数模型radarpropfactor是基于Blake的海洋介电常数模型雷达垂直平面覆盖图的机器绘图．这种模型在本例中不适用。因此，要模拟更真实的传播，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，也就是大约70华氏度。假设重量含水量为0.3。
temp = 21.1;%环境温度(摄氏度)gwc = 0.3;重量含水量[~, ~, epsc] = earthSurfacePermittivity (“植物”、fc、临时gwc);
计算传播因子使用radarpropfactor函数。计算时应包括以下内容:
表面介电常数
沿路径高度的标准差
海拔波束宽度
tsnr =无穷(大小(t));F = 0(大小(t));trange = 0(大小(t));isVisible = false(大小(t));idx = 1;而Advance (scene) tpose = pose(tplatform，“CoordinateSystem”，“大地”）;房产申诉专员署= tpose.Position;[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 =性病(h);如果isVisible(idx) trange(idx) = norm(tpos);F (idx) = radarpropfactor (trange (idx), fc, rdralt,传真照片(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(λ,trange (isVisible)。“rdrppower rdrpulsew,…RCS的曾经,“获得”rdrgain,“PropagationFactor”F (isVisible)。');
接下来，沿着轨迹绘制信噪比。
tsnr_finiteidx = ~ isinf (tsnr);tsnr_cidx = 0(大小(tsnr));提出= colormap (g);numclvls =大小(提出,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,tlat(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
当飞机进行螺旋操纵时，接收信号的信噪比可能会发生变化，如图所示。如果飞机有一条视线范围内的航路，雷达就可以一览无余地看到飞机。轨迹的红色部分表明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处检测所需的最小信噪比的良好近似可以通过检测能力函数。
pd = 0.9;pfa = 1 e-6;minsnr_32p =检测能力(pd、pfa、32);Isdetectable_32p = TSNR >= minsnr_32p;
观察在给定最小信噪比要求的轨迹中目标可探测的部分(绿色部分)。注意，视线链接的存在并不能保证目标是可探测的。
为m = 1:元素个数(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
为了提高监视雷达的可探测性，雷达工程师经常讨论最大化系统的功率孔径产品。这通常意味着增加系统的物理大小或峰值功率。它也可以考虑到照明时间(即目标上的能量)。提高检测能力的一些方法包括:
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，如果需要低截获概率(LPI)，增加峰值功率往往是不可取的。
增大天线孔径的物理尺寸:增大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小。由于平台或位置的限制，增加天线孔径的物理尺寸是不可行的。此外，随着更细的波束宽度，它变得更重要的天线波束被导向目标被测试。
增加要集成的脉冲数:这将使可检测性降低。然而，如果飞机在高速机动时，在目标平稳的假设下，可能需要花费太长的时间来收集所有发射脉冲。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少目标的距离行走。
增加平均功率:不是增加峰值功率，而是通过增加占空比来增加平均功率。增加占空比意味着增加脉冲宽度或脉冲重复频率，这可能会给雷达硬件带来过大的负担。增加脉冲宽度的缺点是增加了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距离，这对于远程监视系统可能是不可取的，特别是在没有执行消歧技术的情况下。
上面的列表虽然不是详尽无遗的，但显示了航站楼机场监控系统设计中的一些权衡。对于这个例子，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，其他机场雷达，如ASR-9的峰值功率约为1兆瓦。由于这是一个机场雷达，不需要LPI要求。
考虑峰值功率增加到10kw的情况。
rdrppower = 10 e3;峰值功率(W)重新计算沿轨迹的信噪比。tsnr (isVisible) = radareqsnr(λ,trange (isVisible)。“rdrppower rdrpulsew,…RCS的曾经,“获得”rdrgain,“PropagationFactor”F (isVisible)。');%确定现在可以探测到的轨迹区域%新更新的信噪比。Isdetectable_32p = TSNR >= minsnr_32p;
注意，通过增加峰值功率，之前未检测到的轨迹末端区域现在满足了最小信噪比阈值。
为m = 1:元素个数(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
总结
在本例中，对地面远程终端机场监视雷达的信噪比进行了计算和可视化，该雷达的任务是在沉重的山区杂波存在时探测飞机。算例说明了如何计算给定目标轨迹的视线。它还表明，视线链接的存在并不一定保证目标是可探测的。本例考虑了一些设计折衷，以提高目标可探测性，讨论了如何修改雷达参数以匹配其他系统需求。这个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地图。
%通过关闭地理球体并移除导入的进行清理%的地形数据。如果isvalid(图)关闭(图)结束removeCustomTerrain (“southboulder”)
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