目錄

一、介紹

1.1 統(tǒng)計(jì)雷達(dá)模型

1.2?場(chǎng)景管理

1.3?掃描控制

二、場(chǎng)景-空中監(jiān)視

2.1?雷達(dá)系統(tǒng)

2.2?參考目標(biāo)和雷達(dá)環(huán)路增益

2.3?構(gòu)建雷達(dá)

2.4?方案和目標(biāo)

2.5?可檢測(cè)性

三、模擬檢測(cè)

3.1?掃描行為

3.2?檢測(cè)

四、模擬軌道

五、結(jié)論

六、程序?

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掃描的屬性可以通過雷達(dá)對(duì)象定義找到。掃描可以是機(jī)械的，也可以是電子的。使用機(jī)械掃描，指向方向不能立即改變，但受到方位角和仰角的最大旋轉(zhuǎn)速率的限制。使用電子掃描時(shí)，沒有這樣的限制，掃描方向在每個(gè)循環(huán)開始時(shí)重置。雷達(dá)還可以同時(shí)進(jìn)行機(jī)械和電子掃描。此圖顯示了這兩種模式之間的掃描模式差異。在電子模式下，掃描角度總是在增加，而在機(jī)械模式下，掃描位置總是變化到相鄰的位置。雷達(dá)首先以方位角掃描，因?yàn)檫@是主要掃描方向，這是掃描極限范圍最大的方向。

二、場(chǎng)景-空中監(jiān)視

對(duì)于這種情況，請(qǐng)考慮一個(gè)掃描雷達(dá)系統(tǒng)，其天線安裝在塔上，可用于跟蹤飛機(jī)。將模擬具有不同 RCS 配置文件的幾個(gè)入站平臺(tái)，并檢查檢測(cè)和跟蹤數(shù)據(jù)。可以看到 SNR 和范圍對(duì)檢測(cè)能力的影響。

2.1?雷達(dá)系統(tǒng)

使用 1 GHz 中心頻率和 1.5 MHz 的帶寬，以產(chǎn)生約 100 米的距離分辨率。要對(duì)每個(gè)掃描位置的單個(gè)脈沖進(jìn)行建模，請(qǐng)將更新速率設(shè)置為所需的PRF。 設(shè)置范圍模糊性的大小以反映 PRF 選擇，并將范圍上限設(shè)置為范圍模糊度大小的兩倍，以便能夠檢測(cè)第一和第二范圍模糊性中的對(duì)象。

除了在機(jī)械和電子掃描模式之間進(jìn)行選擇外，掃描行為還受方位角和仰角的掃描限制和視場(chǎng)（FoV）的規(guī)范控制。FoV由每個(gè)掃描位置的可觀測(cè)區(qū)域的方位角和高程范圍組成，類似于雙面半功率波束寬度規(guī)格。選擇掃描點(diǎn)，以便由掃描極限定義的總角度范圍被大小等于FoV的非重疊段覆蓋。掃描限制在雷達(dá)的框架中指定，可以通過屬性從其平臺(tái)的框架旋轉(zhuǎn)。

掃描方位角 +/-20 度，仰角掃描 +/-10 度。將 FoV 設(shè)置為 4 度方位角和 8 度仰角。最后，指定要模擬的完整掃描的總數(shù)，這將決定總模擬時(shí)間。

掃描限值表示參考天線視軸矢量的最小和最大掃描角度，因此在一個(gè)方向上掃描的總面積大于掃描限的范圍，最多是該方向上FoV的一半。模式始終是 az/el 上的矩形網(wǎng)格。

使用與FoV分開的角度分辨率規(guī)范，允許對(duì)單脈沖等角度估計(jì)算法進(jìn)行建模。該角分辨率決定了區(qū)分目標(biāo)的能力，并用于從Cramer-Rao下限（CRLB）得出實(shí)際角度精度，以便使用該分辨率進(jìn)行單脈沖角度估計(jì)。同樣，距離分辨率決定了區(qū)分兩個(gè)目標(biāo)所需的最小距離，但實(shí)際距離測(cè)量精度來自距離估計(jì)的CRLB。精確的可測(cè)量值（范圍、范圍速率、角度等）可以通過關(guān)閉測(cè)量噪聲來使用。通常，當(dāng)SNR無限制增加時(shí)，測(cè)量誤差不會(huì)變?yōu)榱恪＿@可以通過偏差屬性（RangeBiasFraction等）來捕獲，其中每種可測(cè)量類型都有一個(gè)。

在每個(gè)方向上使用等于 FoV 1/4 的角度分辨率，這允許在相同范圍內(nèi)區(qū)分 FoV 中最多 16 個(gè)點(diǎn)目標(biāo)。

2.2?參考目標(biāo)和雷達(dá)環(huán)路增益

該雷達(dá)模型沒有直接指定發(fā)射功率、噪聲功率和所用檢測(cè)算法的細(xì)節(jié)，而是使用雷達(dá)環(huán)路增益的概念將目標(biāo)RCS和范圍轉(zhuǎn)換為SNR，SNR直接轉(zhuǎn)換為檢測(cè)概率。雷達(dá)環(huán)路增益是任何雷達(dá)系統(tǒng)的重要屬性，它是通過參考目標(biāo)計(jì)算的，參考目標(biāo)由參考范圍和RCS以及給定檢測(cè)和誤報(bào)概率的接收器工作特性（ROC）組成。

對(duì) 20 km 和 0 dBsm 處的參考目標(biāo)使用 90% 的檢測(cè)概率。使用默認(rèn)誤報(bào)率，即每次更新每個(gè)分辨率單元格 1e-6 個(gè)誤報(bào)。

2.3?構(gòu)建雷達(dá)

使用上述參數(shù)構(gòu)建雷達(dá)。使用仰角掃描下限來設(shè)置雷達(dá)從其平臺(tái)的俯仰安裝角度。這會(huì)將視線矢量指向上方，以便掃描區(qū)域的下邊緣平行于地面（即，沒有一個(gè)掃描點(diǎn)將雷達(dá)指向地面）。

使用相應(yīng)的屬性啟用仰角測(cè)量、虛報(bào)生成和范圍模糊。要對(duì)僅測(cè)量范圍和角度的雷達(dá)進(jìn)行建模，請(qǐng)?jiān)O(shè)置為 false。為了在場(chǎng)景坐標(biāo)中獲得檢測(cè)，雷達(dá)需要了解發(fā)射器的方向。由于此示例使用單基地雷達(dá)，因此可以通過啟用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）功能來實(shí)現(xiàn)。

使用幫助程序類可視化掃描模式，并在模擬循環(huán)中對(duì)其進(jìn)行動(dòng)畫處理。

方位角中的掃描點(diǎn)精確地延伸到指定的方位角掃描限制，而高程掃描點(diǎn)會(huì)根據(jù)需要稍微拉入以避免重疊或冗余掃描點(diǎn)。計(jì)算系統(tǒng)的范圍-角度分辨率像元總數(shù)，以及用于檢測(cè)的幀總數(shù)。然后，通過將誤報(bào)率乘以整個(gè)仿真中詢問的分辨率單元總數(shù)來計(jì)算預(yù)期的誤報(bào)數(shù)。

2.4?方案和目標(biāo)

使用對(duì)象來管理頂級(jí)模擬流。此對(duì)象提供添加新平臺(tái)并從方案中的所有傳感器對(duì)象快速生成檢測(cè)的功能。它還管理模擬中的時(shí)間流。使用上一步中計(jì)算的幀總數(shù)來查找所需的幀數(shù)。要根據(jù)場(chǎng)景中對(duì)象的更新速率自適應(yīng)地更新模擬時(shí)間，請(qǐng)將方案更新速率設(shè)置為零。

使用該方法生成新的平臺(tái)對(duì)象，將它們添加到場(chǎng)景中，并返回用于訪問平臺(tái)屬性的句柄。每個(gè)平臺(tái)都有一個(gè)唯一的ID，該ID由場(chǎng)景在構(gòu)建時(shí)分配。對(duì)于靜態(tài)平臺(tái)，只需要設(shè)置屬性。要模擬標(biāo)準(zhǔn)的等速運(yùn)動(dòng)軌跡，請(qǐng)使用對(duì)象并指定位置和速度。

在不同范圍內(nèi)創(chuàng)建兩個(gè)目標(biāo)平臺(tái)，以不同的速度和角度入站。

為了實(shí)現(xiàn)便捷的檢測(cè)方法和自動(dòng)推進(jìn)仿真時(shí)間，場(chǎng)景需要了解先前構(gòu)建的雷達(dá)對(duì)象。為此，請(qǐng)通過填充平臺(tái)的屬性將雷達(dá)安裝到平臺(tái)上。若要在平臺(tái)上安裝多個(gè)傳感器，該屬性可以是傳感器對(duì)象的單元數(shù)組。

該類可用于將平臺(tái) RCS 指定為縱橫角的函數(shù)。對(duì)于簡(jiǎn)單的常量 RCS 簽名，請(qǐng)將該屬性設(shè)置為標(biāo)量值。讓一個(gè)平臺(tái)為 20 dBsm，另一個(gè)平臺(tái)為 4 dBsm，以證明可檢測(cè)性的差異。

2.5?可檢測(cè)性

計(jì)算目標(biāo)的預(yù)期理論信噪比。由于使用簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)軌跡，因此計(jì)算真值位置和范圍。

然后使用已知目標(biāo)RCS和雷達(dá)模型計(jì)算的雷達(dá)環(huán)增益得到每個(gè)目標(biāo)的真實(shí)SNR。

對(duì)于僅幅度檢測(cè)方案，例如CFAR，具有指定的檢測(cè)概率和誤報(bào)率，檢測(cè)所需的最小SNR由下式給出

minSnr = 20*log10(erfcinv(2*radar.FalseAlarmRate) - erfcinv(2*radar.DetectionProbability)); % dB

計(jì)算檢測(cè)的最小范圍。將目標(biāo)的平均范圍和信噪比與最小范圍和信噪比閾值進(jìn)行比較。目標(biāo)的總行程足夠小，基于范圍的SNR不會(huì)發(fā)生顯著變化。

第一個(gè)目標(biāo)比使用給定的CFAR參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)所需的亮度高約8 dB，而第二個(gè)目標(biāo)被認(rèn)為幾乎無法檢測(cè)到。

三、模擬檢測(cè)

主模擬循環(huán)從調(diào)用方案對(duì)象開始。此方法將方案向前推進(jìn)到場(chǎng)景中的對(duì)象需要更新的下一次時(shí)間，并在達(dá)到指定的停止時(shí)間時(shí)返回 false，退出循環(huán)。請(qǐng)注意，第一次調(diào)用 to 不會(huì)步進(jìn)模擬時(shí)間，因此數(shù)據(jù)收集的第一幀可能發(fā)生在 0 秒。作為使用的替代方法，可以檢查以確定模擬是否已運(yùn)行完成。

在循環(huán)中，可以單獨(dú)為任何傳感器對(duì)象調(diào)用檢測(cè)和跟蹤生成方法（請(qǐng)參閱 sensor方法），但存在方便的方法，可以通過一個(gè)函數(shù)調(diào)用為所有傳感器和場(chǎng)景中的所有目標(biāo)生成檢測(cè)和跟蹤。因?yàn)槲覀冎挥幸粋€(gè)傳感器，所以是獲取場(chǎng)景中所有目標(biāo)的檢測(cè)列表的良好解決方案。通過像這樣在頂層啟動(dòng)檢測(cè)的生成，場(chǎng)景本身會(huì)處理將所需的計(jì)時(shí)、INS 和其他配置數(shù)據(jù)傳遞到傳感器。此處還使用可視化幫助程序類來對(duì)掃描模式進(jìn)行動(dòng)畫處理。

3.1?掃描行為

繪制前兩次完整掃描的記錄視角以檢查圖案。雷達(dá)首先以方位角掃描，并在每次方位角掃描結(jié)束時(shí)逐步上升仰角，在每次新掃描開始時(shí)立即重置視角。

?

3.2?檢測(cè)

檢查我們的雷達(dá)輸出的 anas 的內(nèi)容。

?

Time是雷達(dá)生成檢測(cè)的模擬時(shí)間。顯示此檢測(cè)是由哪個(gè)傳感器生成的（當(dāng)有多個(gè)傳感器并且您使用的是場(chǎng)景級(jí)檢測(cè)方法時(shí)，這一點(diǎn)很重要）。是與檢測(cè)關(guān)聯(lián)的可測(cè)量值。格式取決于檢測(cè)模式和輸出坐標(biāo)的選擇，給出測(cè)量的方差或協(xié)方差，并由跟蹤器模型使用。在場(chǎng)景坐標(biāo)中輸出檢測(cè)時(shí)，測(cè)量場(chǎng)只是目標(biāo)的估計(jì)位置向量，測(cè)量噪聲給出該位置估計(jì)的協(xié)方差。?

收集跨檢測(cè)的測(cè)量數(shù)據(jù)，并繪制兩個(gè)目標(biāo)平臺(tái)的真實(shí)位置。

?大多數(shù)檢測(cè)都來自第一個(gè)目標(biāo)。然而，第一個(gè)目標(biāo)并沒有在每一幀上都檢測(cè)到，盡管SNR很低，但第二個(gè)目標(biāo)已經(jīng)產(chǎn)生了許多檢測(cè)。雖然第一個(gè)目標(biāo)很容易檢測(cè)到，但由于目標(biāo)處于第二個(gè)范圍模糊并且沒有進(jìn)行消除歧義，因此測(cè)量誤差很大。檢測(cè)到第二個(gè)目標(biāo)時(shí)，顯示的位置誤差與 100 米范圍分辨率和相對(duì)較差的角度分辨率一致。 查看檢測(cè)與 SNR 的總方差。總方差是每個(gè)笛卡爾方向（X、Y 和 Z）的邊際方差之和。此方差包括范圍-角度空間中估計(jì)的影響以及將這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為方案坐標(biāo)。

盡管由于距離模糊，第一個(gè)目標(biāo)的絕對(duì)位置誤差更大，但較低的測(cè)量方差反映了第一個(gè)目標(biāo)的較大SNR及其明顯的短距離。?

四、模擬軌道

執(zhí)行開環(huán)跟蹤。它可以輸出跟蹤更新，而不是輸出檢測(cè)。再次運(yùn)行仿真，但這次讓將雷達(dá)模型配置為直接輸出軌跡。

首先，設(shè)置雷達(dá)模型的一些屬性以在場(chǎng)景幀中生成軌跡。跟蹤可以通過許多不同的算法執(zhí)行。有簡(jiǎn)單的α-β濾波器和線性、擴(kuò)展和無跡型的卡爾曼濾波器，以及恒定速度、恒定加速度和恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)模型。指定要與屬性一起使用的算法。例如，這是一個(gè)函數(shù)句柄或字符向量中的函數(shù)名稱。如果使用函數(shù)句柄，它必須將初始檢測(cè)作為輸入并返回初始化的跟蹤器對(duì)象。可以使用任何具有相同簽名的用戶定義函數(shù)。對(duì)于此示例，請(qǐng)使用等速擴(kuò)展卡爾曼濾波器。

仿真環(huán)路的整體結(jié)構(gòu)是相同的，但在這種情況下，必須手動(dòng)調(diào)用雷達(dá)的功能。所需的輸入是目標(biāo)姿態(tài)結(jié)構(gòu)，通過調(diào)用雷達(dá)平臺(tái)獲取，INS結(jié)構(gòu)，通過調(diào)用雷達(dá)平臺(tái)獲取，以及當(dāng)前仿真時(shí)間。

檢查跟蹤對(duì)象。TrackID是軌跡文件的唯一標(biāo)識(shí)符，并且是報(bào)告軌跡的跟蹤器對(duì)象的 ID，這在場(chǎng)景中有多個(gè)跟蹤器時(shí)非常有用。當(dāng)使用多假設(shè)跟蹤器時(shí)，給出所用假設(shè)的索引。該字段包含有關(guān)此更新的狀態(tài)信息。由于使用了恒定速度模型和場(chǎng)景幀軌跡坐標(biāo)，因此由位置和速度向量組成。給出了生成此軌跡更新的時(shí)間。另一個(gè)重要屬性告訴您此軌跡更新是否使用新的目標(biāo)檢測(cè)來更新過濾器，或者它是否只是從上次目標(biāo)檢測(cè)（軌跡是“滑行的”）及時(shí)向前傳播的。

收集目標(biāo)索引和更新時(shí)間。還要檢查有多少檢測(cè)用于更新我們的軌跡。

查看 XY 平面中報(bào)告的位置及其協(xié)方差，以及真實(shí)位置數(shù)據(jù)。由于第一個(gè)目標(biāo)在第二個(gè)范圍模糊性中，并且未執(zhí)行消除歧義，因此請(qǐng)找到第一個(gè)目標(biāo)的“真相”模糊位置。使用幫助程序函數(shù)繪制位置軌跡的可視化。

在這兩種情況下，位置估計(jì)都從收斂到真實(shí)（或范圍模糊的真相）軌跡開始。對(duì)于第一個(gè)目標(biāo)，我們有更多的跟蹤更新，最終狀態(tài)似乎更接近穩(wěn)態(tài)收斂。查看協(xié)方差等值線，請(qǐng)注意隨著跟蹤篩選器預(yù)熱，預(yù)期的初始大小減小。要仔細(xì)查看跟蹤性能，請(qǐng)繪制兩個(gè)目標(biāo)的位置估計(jì)誤差的大小，并指示使用目標(biāo)檢測(cè)更新了哪些樣本。

對(duì)于具有較大SNR的第一個(gè)目標(biāo)，具有新檢測(cè)以更新軌跡文件（由紅色圓圈表示）的樣本的位置誤差減小。由于第二個(gè)目標(biāo)的信噪比要低得多，因此某些單個(gè)檢測(cè)中的誤差足以增加軌道的位置誤差。盡管如此，第二個(gè)目標(biāo)軌道位置誤差具有初始下降趨勢(shì)，并且估計(jì)狀態(tài)可能會(huì)收斂。第一個(gè)目標(biāo)軌道存在問題。由于它在第二范圍模糊，并且具有垂直于視線的運(yùn)動(dòng)分量，因此表觀速度正在發(fā)生變化，并且恒速卡爾曼濾波器無法收斂。

五、結(jié)論

在此示例中，您配置了一個(gè)統(tǒng)計(jì)雷達(dá)系統(tǒng)，用于模擬和分析目標(biāo)可檢測(cè)性和可追蹤性。您了解了如何使用掃描限制和視場(chǎng)屬性來定義掃描模式，如何使用場(chǎng)景管理工具運(yùn)行雷達(dá)模型，以及如何檢查生成的檢測(cè)和軌跡。

六、程序?

使用Matlab R2022b版本，點(diǎn)擊打開。

打開下面的“SimulatingAScanningRadarExample.mlx”文件，點(diǎn)擊運(yùn)行，就可以看到上述效果。

方式一：

程序下載鏈接：https://download.csdn.net/download/weixin_45770896/87429367

方式二：

關(guān)注下面公眾號(hào)，點(diǎn)擊文章《基于Matlab的單基地雷達(dá)模擬檢測(cè)和跟蹤仿真》，獲取源碼鏈接。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的基于Matlab的单基地雷达模拟检测和跟踪仿真（附源码）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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