空管雷达威力数字化分析.pdf

第37卷 第3期2023年6月空 天 预 警 研 究 学 报Journal of Air&Space Early Warning ResearchVol.37 No.3Jun.2023收稿日期：2023-06-30作者简介：赵志国(1982-)，男，工程师，博士，主要从事雷达信号处理和雷达装备运用研究空管雷达威力数字化分析赵志国1，同伟2，赵福双1，李东瑾1，丁希雅2（1.93534部队，天津 301700；2.空装驻合肥地区第一军事代表室，合肥 230088）摘要：针对空管雷达网任务筹划系统雷达威力图数据密度低、精度差、负仰角数据缺失和人工读图效率低等问题，提出了一种基于图像处理的空管雷达威力数字化分析方法，自动计算威力图像素点位置和雷达威力图坐标对应关系，补全缺失数据；给出了威力图量化处理流程和实际威力计算方法，进而达到自动分析实际雷达探测性能的目的实际处理结果验证了该方法的有效性关键词：空管雷达；威力图数字化；筹划系统中图分类号：TN959文献标识码：A文章编号：2097-180X(2023)03-0190-04随着各类有人和无人航空器的高速发展，在空目标数量和类型显著增加，雷达空中交通管制(以下简称空管)受到广泛关注1-3对无人航空器的监视主要采用空管一次雷达(以下简称空管雷达)进行，高效可靠的空管雷达任务筹划是空管雷达网建设、部署调整和参数优化的必要基础3-10，在应对违规飞行、鸟群、空飘球等异常情况时，为监视管制人员快速指控决策提供必要数据支撑空管雷达网任务筹划系统需录入雷达、阵地、目标和任务等基础数据，其中雷达数据主要包 括 雷 达 技 术 手 册 给 出 的 参 考 雷 达 截 面 积(RCS)、发射功率、噪声系数、工作带宽和雷达威力图等指标参数多数参数可根据技术指标给出精确值，而雷达威力图是图像形式，必须根据特定的高度、仰角和距离关系进行二次读图，从而录入系统通常雷达威力数据是采用人工读图方法录入，存在以下不足：数据采集密度低，不同高度层(特别是高度覆盖边缘)探测威力与指标差距大；技术资料给出的雷达威力图通常只覆盖 0以上仰角空域，对架设较高或者仰角调整较大的空管雷达，难以分析低空探测威力；雷达种类较多，人工读图效率低；雷达架设高度、天线仰角与技术手册给出的参考值不一致，导致人工读图误差进一步增大针对上述问题，本文提出一种基于图像处理的数字化分析方法，给出数字化处理流程和自动读取威力数据的方法，以期提高空管雷达网任务筹划系统的实际性能，为空管网优化调整和使用提供更加可靠的参考依据1威力图数字化图 1 是空管雷达网任务筹划系统组成框图，包括数据管理、算法服务和控制管理等模块，威力计算是其算法服务模块的重要组成部分图2 为某型空管雷达模拟威力图图像其中雷达天线中心对应坐标原点，横轴对应水平距离(单位为海里(nmile)，纵轴对应高度(单位为千英尺(kft)，水平弧线对应地球曲率影响下的等高度层，斜线表示俯仰角(单位为度()数据管理：雷达数据阵地数据目标数据任务数据交互接口用户1用户2用户K算法服务：威力计算坐标变换雷达选择开机时序控制管理：指令分发状态监控接口配置权限管理图 1空管雷达网任务筹划系统组成框图水平距离n m i l e高度k f t图 2模拟威力图图像空管雷达威力图数字化的基本思路是由计DOI:10.3969/j.issn.2097-180X.2023.03.007第3期赵志国，等：空管雷达威力数字化分析191算机导入雷达威力图图像，根据像素点位置和雷达威力图坐标的对应关系，选择并录入雷达威力图曲线的距离和高度坐标数据，从而生成仅包含二维坐标的雷达威力指标数据文件空管雷达威力图数字化流程如图 3 所示导入威力图像灰度处理像素压缩图像光标指针配置设置坐标顶点坐标变换选择威力曲线数据0仰角以下数据预测图 3空管雷达威力图数字化流程空管雷达威力图数字化的具体步骤如下：Step 1 导入威力图图像，将图像转化为灰度图白色背景的灰度值为 255，黑色为 0，曲线边缘为灰色，数值在 0255 之间Step 2 考虑到各雷达威力图的清晰度、曲线宽度差异较大，将灰度图进行二值化处理设置灰度过滤门限，滤除大部分与白色背景接近的像素点，将大于门限的灰度值设置为 255Step 3 以像素个数为坐标，分析曲线宽度，压缩曲线像素数量，从而压缩曲线宽度，提高曲线选择精度这里主要考虑 2 个因素：威力图曲线宽度主要表现为纵坐标(高度)扩展，横坐标(距离)扩展较少；在高度变化较小的区域出现近似水平直线线段，若横向压缩则导致曲线间隔过大因此，为简化处理，只在纵坐标进行宽度像素压缩通过判断纵向黑色像素点坐标差，选择差值大于门限值的线段作为曲线纵向连续展宽区间，取展宽坐标的中间值作为压缩后的像素点坐标Step 4 对于清晰度较差的图像，若读图后像素小于 500(威力图纵坐标跨度一般为 25km)，则像素点间隔约为 50m手动选择威力曲线时，若鼠标点击误差大于 3 个像素，就会大于常规雷达的测高误差威力图曲线纵坐标通常大于 3 个像素，在高度变化较快的高仰角区域，大于 10 个像素，严重限制了基于像素点的位置选择精度为提高选择精度，将像素压缩后的图像数据绘制为散点图，在图形窗口打开数据光标指针，使得鼠标位于像素附近时仅自动选择散点图所在位置，避免选择其他背景数据，提高鼠标在图像窗口内散点选择精度据此可将散点位置选择控制在 3 个像素以内Step 5 通过选择散点坐标轴左上(图 2 纵轴顶点)和右下(图 2 横轴顶点)位置，获取以像素数量为单位的顶点坐标值(p0qn)和(pnq0)(其中，p0和pn分别为以像素数量表示的横坐标起点和终点，q0和qn分别为以像素数量表示的纵坐标起点和终点)结合威力图给出的坐标值，可标记横、纵坐标表示的距离范围r0rn n mile和高度范围h0hn kftStep 6 根据 Step 5 获得的距离和高度范围，确定像素坐标与距离-高度坐标之间的对应关系将像素位置坐标(pq)变换至距离-高度坐标(rh)，即r=(p-p0)(rn-r0)/(pn-p0)+r0(1)h=(q-q0)(hn-h0)/(qn-q0)+h0(2)Step 7 绘制坐标变换之后的散点图，采用Step 4 的方法，在图形窗口打开数据光标指针，按照仰角由小到大的顺序，选择所需威力图曲线点，并自动记录各点距离-高度坐标，得到威力图曲线 k 个采集点距离和高度坐标序列分别为r1r2rk和h1h2hkStep 8 若技术资料中的空管雷达威力图只覆盖大于 0仰角范围，则需对 0以下威力图数据进行预测补充为了降低地杂波强度，空管雷达多采用余割平方或者改进的余割平方反射面天线，波束垂直方向图传播因子由探测威力最大值所在仰角至负仰角部分快速下降这部分对应的传播因子近似为二次曲线因此，对 0或接近 0的最小仰角至最大探测威力仰角之间的采样点数据进行二次多项式拟合，依据拟合结果预测计算-50仰角范围内威力图采样点数据具体方法如下：假设 k 个采集点距离中第 M 个距离rM为最大值，待拟合数据的距离坐标序列为r1r2rM，对其进行归一化处理，得到传播因子序列r1r20，其中rm为第 m 个归一化传播因子，表示为rm=20lg(rm/rM)m=1M(3)对r1r20进行二次多项式拟合，得到系数为a2、a1和a0的拟合结果为f(x)=a2x2+a1x+a0(4)由式(4)预测估计仰角(0)以下传播因子rm，变换为距离坐标数据：r=rM10r/20(5)仰角对应的高度坐标为h=r tan(6)将拟合预测数据与r1r2rk和h1h2hk分别拼接成序列，保存文件，完成威力图曲线数字化空 天 预 警 研 究 学 报2023年1922威力自动读取数字化威力图坐标是平面地球条件下的直角坐标，其横坐标表示在天线高度为零的情况下，雷达与目标间的地面投影距离，纵坐标表示目标的海拔高度分析雷达的实际探测能力，需要根据雷达实际架设高度ha、天线仰角设置a，结合威力图中的辅助距离和高程曲线，并考虑大气折射，按以下流程进行处理：Step 1 计算标准威力图中雷达探测仰角第 m 点坐标(rmhm)对应的仰角为m=arctan(hm/rm)(7)Step 2 计算标准威力图中雷达探测距离真实直线距离Rm为Rm=hm/sinm(8)Step 3 计算标准威力图中雷达探测高度考虑大气折射的真实高度Hm为Hm=hm+R2m/(2Re)(9)式中Re=8 477.4km 为等效地球半径Step 4 依据雷达部署及参数设置计算实际探测能力若雷达实际架设高度为ha、天线仰角为a，则上述第 m 点坐标(rmhm)对应的仰角为m+a，威力图直角坐标(rmhm)为rm=hmcos(m+a)/sinm(10)hm=hmsin(m+a)/sinm+ha(11)真实直线距离Rm为Rm=(hm-ha)/sinarctan(hm-ha)/rm)(12)考虑大气折射的真实高度Hm为Hm=hm+R2m/(2Re)(13)3威力数字化读取测试与结果分析根据上述数字化分析方法，以图 2 所示威力图图像为例，对模拟空管雷达威力进行分析按照威力数字化流程对图 2 数字化，压缩威力图曲线宽度像素数量后，得到像素坐标的模拟威力图散点图，如图 4 所示图 5 是距离-高度坐标的模拟威力图散点图其中经坐标变换，获取像素点对应的距离-高度坐标，见图 5 黑色散点；利用图形窗口数据光标指针采集数据，采集点见图 5蓝色散点由图 4 可见威力图曲线被有效压缩由图 5可知，变换后的威力图坐标与图 2 所示原图坐标一致；离散采集点与原图威力曲线一致，可作为雷达威力参考数据该模拟威力图像距离维像素数为 707，对应最小距离间隔为 0.156 n mile，人工读图一般以图上最小距离单元格为单位，即 2 nmile，可见数字化处理后读图精度显著提高通常人工读图采样在曲线焦点以及特征点处采样，一般在 30 50 点，数字化采样数据通常为 100 300 点(图 5 中采样 157 点)，这更加有利于后续各高度层雷达覆盖威力分析2 0 04 0 06 0 08 0 0距离/像素01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0高度/像素图 4模拟威力图散点图(像素坐标)0距离/n m i l e高度/k f t4 08 01 2 0-2 002 04 06 08 01 0 0威力图采集点图 5模拟威力图散点图(距离-高度坐标)图 6 是拟合预测结果其中采集点数据删除仰角小于 0(即高度小于 0kft)的采集数据见图6 蓝色散点；在-50，间隔 0.2取值，基于 0仰角至最大威力仰角数据进行拟合预测，结果见图6 黑色星号散点由图 6 可知，预测结果与红线所示原采集数据曲线一致，可用于解决雷达威力图数据缺失问题02 04 06 08 01 0 01 2 0-1 01 03 05 07 09 0距离/n m i l e高度/k f t全部采集拟合预测部分采集图 6拟合预测结果对比图 7 是读取调整雷达威力数据其中蓝线表示在标准的直角坐标下由式(10)式(13)读取调整设置(模拟空管雷达天线中心架设高度 3kft，机械仰角 1)后的雷达威力数据，黑线表示仰角和架高未调整的威力图读取数据，红色方形标记表示调整威力数据在 30kft 高度的理论探测值由图 7 可知，雷达调整威力随架设高度和仰角按照设定值变化；根据蓝线所示读图结果，可快速自动查询任意高度对应的探测范围，以 30kft 高度第3期赵志国，等：空管雷达威力数字化分析193为例，结果显示其探测范围 6.08294.120nmile在空管雷达网任务筹划系统中，为评估任意高度层探测能力、实现可靠任务筹划提供可靠参考(6.0 8 2,3 0)(9 4.1 2 0,3 0)02 04 06 08 01 0 01 2 0距离/n m i l e-1 01 03 05 07 09 0高度/k f t调整威力初始威力图 7读取调整雷达威力数据4结束语本文研究了空管雷达威力数字化问题，给出了威力图量化处理流程，自动计算威力图像素点位置和雷达威力图坐标对应关系，补全缺失数据；给出了调整设置后的实际威力计算方法，进而根据该数据自动分析实际雷达探测性能，可有效解决现有空管雷达网效能评估与优化系统存在的雷达威力数据密度低、精度差、负仰角数据缺失和人工读图效率低等问题本文方法在黑飞、鸟群、空飘球等异常情况下，为空管监视管制人员高效提供各类精准探测能力评估数据，有力支撑空管雷达网建设、运用与优化参考文献：1王鑫.国产空管雷达技术及发展浅析J.电子世界,2014(7):15-16.2CHENXinping,GAOZhonghui,CHAIYunfeng.Thedevel-opment of air traffic control surveillance radars in ChinaC/Proceedings of 2017 IEEE Radar Conference.Seattle,WA,USA,2017:1776-1784.3BALAJTI I.“One radar-one equation”concept for radarsof ATCC/Proceedings of 2017 18th International RadarSymposium(IRS).Prague,Czech Republic,2017:1-13.4贾宏进,张金全,刘宇.基于理论建模与实测数据的雷达威力评估J.雷达与对抗,2019,39(3):11-15.5梅发国,孙勇成,乐园园.在线雷达网威力图构建方法J.指挥信息系统与技术,2014,5(4):48-53.6张凯,朱新国.数字阵雷达天线波瓣图测试方法与验证J.现代雷达,2015,37(11):54-58.7冯晓哲,杨瑞,王健,等.雷达探测威力范围与三维可视化研究J.现代雷达,2015,37(5):74-78.8张秀伟,马建朝,吴彩华,等.一种需求自适应雷达网威力图构建方法J.空军预警学院学报,2020,34(4):283-287.9王浩炎.面向责任区保障及目标跟踪任务的雷达组网管控研究实现D.北京:中国电子科技集团公司电子科学研究院,2021:15-16.10 张奔,孙华,郑振国,等.雷达探测威力范围分析及三维可视化J.信息化研究,2021,47(2):24-29.Digital analyzing of air traffic control radar coverageZHAO Zhiguo1,TONG Wei2,ZHAO Fushuang1,LI Dongjin1,Ding Xiya2(1.No.93534 Unit,the PLA,Tianjin 301700,China；2.The First Military Representative Office ofAir Force Equipment Departmen in Hefei,Hefei 230088,China)Abstract：In order to solve the problems concerning radar coverage diagram such as low data density,pooraccuracy,missing data in negative elevation and low efficiency of manual reading in air traffic control(ATC)ra-dar net mission planning system,this paper proposes a digital analysis approach of ATC radar coverage based onimage processing,which automatically calculates the pixel position of radar coverage diagram and the coordinatecorrespondence of radar coverage diagram,complementing the missing data.The paper also gives the processingflow of coverage diagram quantification and the calculation method of actual coverage,so as to achieve the goalof automatically analyzing the detection performance of actual radar.The effectiveness of the proposed method isverified by practical processing results.Key words：air traffic control radar；coverage graph digitization；planning system