基于MATLAB GUI专利技术的雷达探测概率软件平台设计

宋文瑰 沈安慰

（1.空军工程大学航空航天工程学院，陕西 西安 710043；2.石家庄海山实业发展总公司，河北 石家庄 050208）

基于MATLAB GUI专利技术的雷达探测概率软件平台设计

宋文瑰1，2沈安慰1

（1.空军工程大学航空航天工程学院，陕西 西安 710043；2.石家庄海山实业发展总公司，河北 石家庄 050208）

飞机的雷达隐身性能是飞机隐身性能的重要组成部分，是现阶段研究的重点领域，当今世界各国都在致力于这方面的研究，这些专利研究成果将对空战的胜负产生决定性的影响。文中飞机雷达隐身性能的计算，采用从简到繁的思路，首先对雷达基本探测原理进行分析计算，然后针对RCS不变时的检测概率和可变时检测概率分别进行计算，对于检测概率与探测距离之间难以建立定量关系的问题，我们引入了中间变量信噪比（SNR），从而建立了间接的函数关系，使问题的分析得到简化。

飞机雷达隐身性能；Swerling；SNR；MATLAB；软件编程

从海湾战争到1999年科索沃战争，再从科索沃战争到2003年伊拉克战争，F-117A和B-2A隐身飞机在现代高科技战场上展示了它出众的突防能力和作战效能［1-2］。隐身飞机的出现给现代雷达防空系统提出了巨大的挑战，对作战样式和防御系统建设产生了重大影响。由于隐身飞机对预警探测系统具有隐身功能，使敌方战斗准备和反应时间减少到来不及应对的程度，使战役、战斗进攻的主动性和突然性得到充分地发挥，在空袭时机、空袭目标、空袭手段和方式等方面都有较大的选择余地［3-4］。

但据目前统计分析，雷达依然是飞行器最致命的杀手，对飞机的威胁占到60%以上，包括机载火控雷达、记载预警侦察雷达、地面制导火控雷达和地面警戒或监视雷达等［5-7］。从1999年科索沃战场上F-117A隐身战斗机看，隐身飞机并不是完全不可探测，它存在一定的弱点和局限性。随着反隐身技术的发展，尤其是全数字化的有源相控阵技术在地空警戒或监视雷达中的应用，雷达的角度和距离精度都有了大幅度的提高，利用飞机在VHF 和UHF波段的RCS增加的特点，使得VHF和UHF波段的雷达似乎成为了对抗隐身飞机利器。所以在面对现代高科技中行之有效的防空预警探测系统，特别是面对作为整个探测系统的核心装备的雷达系统，隐身性能成为现阶段战斗机设计制造关键性能，而研究飞机雷达隐身性能，就可以更好提高飞机生存力，可以使飞机高效地规避雷达的探测，就像是一只黑色幽灵突然降临敌人的上空，实现隐蔽突防，夺取战争的主动权［8］。

1 飞机雷达隐身技术与雷达探测的基本原理

1.1 机RCS的仿真建模计算

图1

由于空中目标对雷达波反向特性极其复杂，准确地推导出地面（或机载）雷达在各种条件下对其探测概率是不可能的，所以必须进行近似计算。

理论上讲，任意空中目标的RCS值都是可以通过试验测定的，但要做大量测试，其费用、安全性等因素又决定这是不现实的。所以，许多飞机往往只有一个或几个典型状态下的RCS值。进行仿真研究时，就要通过若干个数据，建立拟合模型，最终得到通过的计算模型。

雷达相对空中目标（飞机）的位置是以目标的机体坐标系为基准的，如图1所示。

从改点探测目标时的角度定义如下：

φ——探测方位角，雷达与目标连线（OA）在机体坐标系oxyz平面内投影OA’与ox轴的夹角，由ox轴逆时针旋转至OA’时，φ为正，反之为负。

φ——探测俯仰角，雷达与目标连线（OA）在机体坐标系oxyz平面内投影OA’之间的夹角，

因飞机一般是左右对称的，左右探测时RCS值相同，或变化很小；但从前后方、上下方探测时是有很大区别的。

设从目标正前方、正后方、正上方、正下方、正侧方探测时RCS分别为σx，σy，σz，则给出RCS全向计算公式：

一般来讲，通过查询可以获得目标的典型值σx，σ-x，σy，σ-y，σz即可求得任意方向探测目标时的RCS 值σ（φ，φ）

1.2 虚警概率

虚警概率Pfa定义为当雷达中只有噪声信号时，信号r（t）的样本R超过门限电压的概率。

虚警时间Tfa与虚警概率的关系为

其中，tint表示雷达的累积时间，或包络检波器的输出超过门限电压的平均时间。因此雷达的工作带宽B是tint的逆，所以将式（2）代入式（3），可以将Tfa写为

使虚警时间最小意味着增加门限值，结果雷达的最大检测距离会减少。因此，Tfa可接受数值的选择变成依赖雷达工作模式的折中［5-6］。

1.3 检测概率

我们首先研究目标截面积不变且不考虑累计损失的雷达探测概率。检测概率是r（t）的样本R在噪声加信号的情况下超过门限电压的概率［5-7］。

如果假设雷达信号是幅值为A的正弦波形，那么它的功率是/2。现在，使用（单个脉冲的SNR）和，那么上式可以重写为：

Q称为MarcumQ函数。当Pfa较小，PD相对较大，从而门限也较大时，式（6）可以近似写为：

2 仿真模型建立

2.1 飞机生存力评估模型

飞机生存力是指飞机躲避或承受人为敌对环境的能力，即飞机不被击中或击中后能继续执行战斗任务、控制飞行、完成强迫着陆等能力。飞机生存力由飞机的敏感性和易损性两个基本要素构成，可表示为

敏感性是指作战飞机在完成任务过程中被杀伤机理击中的可能性，用飞机被杀伤机理命中的概率PH来表示

式中PD为飞机被敌方威胁发现的概率，PT为被敌方威胁跟踪的概率，PLGH为飞机被敌方武器系统成功跟踪、制导并击中的概率，该参数主要取决于发射装置的效能、制导精度（或瞄准精度）。在本软件中PLGH可作为敌方威胁（主要为导弹）的属性，直接作为输入参数设定即可。

敌方威胁探测器主要分为三类，雷达探测器、红外探测器和射频探测器。而飞机面对的威胁情况可能是其中的一种或两种或三种同时面对。因此飞机被敌方威胁发现并跟踪的概率PDT=PD×PT可由下式计算

飞机在执行一个完整的任务时，可能会遇到若干个形形色色的探测器组合。因此，在一个具体任务中，有若干个飞机被威胁探测并跟踪的概率PDT。由上述公式即可计算出多次遭遇下的飞机生存力PS。假设一个任务下飞机经历了k次遭遇，因此对于一个完整任务下的生存力P

本软件采用仿真方法来研究，即当飞机遭遇威胁时，根据探测概率、跟踪概率、击中概率和易损性概率的不同，随机确定飞机在某次仿真中到底能不能成功执行一个完整的任务流程。整个仿真程序可用以下步骤完成：

步骤1：设定好红蓝双方的兵力部署。暂考虑红方只有一架飞机，蓝方有若干陆基、海基和空基探测器和地空导弹，探测器包括雷达、红外和射频探测器。陆基和海基探测器默认是不动的，而空基（预警机）会以一定的概率随机出现。只有飞机被上述预警探测设备发现并跟踪之后，然后进入地空导弹的打击范围时，就有一定概率被击中。（此时暂不考虑蓝方有战斗机出现）。

步骤2：飞机按照指定路线飞行（飞机的任务一般是从基地起飞到达指定目标点投弹后返回基地的一个过程），当飞机第一次遭遇敌方威胁时，根据概率判断飞机是否被发现，若发现判断飞机是否被击中，若击中判断飞机是否毁伤，若飞机毁伤则终止本次仿真；否则继续进行飞机的下一次遭遇，直到飞机完成整个飞行任务。若飞机完成飞行任务，则计任务成功一次，否则计任务失败一次。若任务失败了，需记录飞机毁伤时的时刻，以及被雷达/红外/射频中的哪种探测设备发现的。

步骤3：重复循环上述步骤N次，累积求和得到成功的次数，除以总循环次数N即可得到飞机生存力。

2.2 软件总体设计

雷达探测概率软件平台基于MATLAB GUI进行设计主要是为了依托MATLAB环境提供的基本科学计算减少开发周期，更为重要的是MATLAB开发环境提供了创建用户界面的捷径GUIDE，有Windows基本控件的支持并且有良好事件的驱动机制同时提供MATLAB数学库的接口，还可以方便地创建各种图形句柄对象，实现仿真平台的用户界面GUIDE可以根据用户GUI的版面设计过程直接自动生成M文件框架，这样就简化了GUI应用程序的创建工作，用户可以直接使用这个框架来编写自己的函数代码【9】。

本软件的界面布局设计采用自顶向下的设计方法即先设计主界面再设计各个子界面，界面的模块主要是根据文章的内容结构来进行划分各模块，所包含的主要内容虽不能涵盖每个知识点，但是包含了其中的大部分重难点并且在人机界面中进行了可视化实现。

3 结语

本文对Swerling模型进行比较深入的分析研究，并把该模型用于单雷达发现概率的仿真计算，对Swerling模型的理论进行实践应用，用MATLAB语言又编制了相应的计算软件，软件的功能集成了典型的雷达探测概率模型，对隐身飞机雷达探测概率的计算提供了方便。

［1］师俊朋，胡国平，朱苏北，罗亚宗.雷达反隐身技术分析及进展［J］.现代防御技术，2015，43（6）：124-130.

［2］蒋忠进，赵书敏，耿江东，李希同.基于雷达成像的地面停留隐身飞机探测［J］.雷达科学与技术，2016（1）：54-58.

［3］陶星.隐身通信系统中部分关键技术的研究与实现［D］.武汉：华中师范大学，2016.

［4］叶圣天，刘朝辉，成声月，班国东.国内外红外隐身材料研究进展［J］.激光与红外，2015，45（11）：1285-1291.

［5］张改平，屈绍波.红外隐身技术研究新进展［J］.航天电子对抗，2012，28（5）：41-43.

［6］秦娜.装甲车辆在红外隐身措施下的仿真评估［D］.南京：南京理工大学，2016.

［7］唐建杨.基于Hilbert_Huang变换的隐身目标涂层损伤检测研究［D］.成都：电子科技大学，2016.

［8］刘斌，张翔，周建江，廖文和.一种可实现雷达隐身的微小卫星外形设计（英文）［J］.宇航学报，2011，32（12）：2628-2634.

［9］张志刚，刘丽梅，等.Matlab与数学实验［M］.北京：中国铁道出版社，2004.

Radar Detection Probability of Software Platform Design Based on MATLAB GUI Patent Technology

Song Wengui1，2Shen Anwei1
（1.College of Aeronautics and Astronautics Engineering，Air Force Engineering University，Xi'an Shanxi 710043；2.Shijiazhuang Haishan Industrial Development Corporation，Shijiazhuang Hebei 020208）

The radar stealth performance of aircraft is an important part of aircraft stealth performance，is the research focus of understanding at this stage，in today's world，all countries are committed to the research of this area，the results of the study will have a decisive impact on the outcome of the air combat.Calculation of aircraft stealth performance，using ideas from simple to complex，first of all the basic principle of radar detection were analysis and calculation，then the RCS unchanged when the detection probability and variable detection probability are calculated respectively.For the problem of the quantitative relationship between the detection probability between the detection probability and the detection distance，we introduce the intermediate output signal to noise ratio，thus the indirect function relation is established，and the problem is simplified.

stealth performance of aircraft radar；swerling model；SNR；MATLAB；software programmer

TN957.51

A

1003-5168（2016）07-0065-04

2016-7-1

宋文瑰（1983-），女，硕士研究生，工程师，研究方向：机载设备修理。