基于干涉量子雷達(dá)的遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊俊嶺

(軍事科學(xué)院 軍事科學(xué)信息研究中心，北京 100142)

0 引言

空域監(jiān)視是空中交通管制的基礎(chǔ)，對(duì)機(jī)場(chǎng)安全管理發(fā)揮著重要的作用，空域監(jiān)視的主要目標(biāo)是高度高于500米的物體，空中目標(biāo)不僅會(huì)影響空中交通設(shè)施的通行安全，還可能會(huì)影響錯(cuò)失重要戰(zhàn)機(jī)，因此需要定期對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，從而及時(shí)對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行管控，最大程度地降低空中目標(biāo)給機(jī)場(chǎng)交通、空間作戰(zhàn)帶來的負(fù)面影響[1]?？罩心繕?biāo)可以大體分為3種類型，分別為：靜置空中目標(biāo)、無固定運(yùn)動(dòng)路線的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和按照固定運(yùn)動(dòng)軌跡移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，其中靜置空中目標(biāo)指的是重力相對(duì)較小的空中目標(biāo)，不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生明顯縱向位移。

目前空中目標(biāo)的探測(cè)工作主要利用探測(cè)系統(tǒng)完成，現(xiàn)階段已有相關(guān)學(xué)者研究出了較為成熟的空中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2]提出基于電場(chǎng)探測(cè)與無線組網(wǎng)的空中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用無線網(wǎng)絡(luò)中的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，利用電場(chǎng)探測(cè)及網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)對(duì)其進(jìn)行定位，從而為指揮中心的行動(dòng)決策提供支持，并能向作戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)出攻擊和攔截命令。文獻(xiàn)[3]提出基于地基綜合孔徑微波輻射計(jì)的空中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)，介紹了地基綜合孔徑空中目標(biāo)被動(dòng)探測(cè)的基本原理，在此基礎(chǔ)上，對(duì)地基綜合孔徑空中目標(biāo)進(jìn)行了研究，并對(duì)其可行性進(jìn)行了分析。然而受到探測(cè)距離的限制，上述空中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)存在探測(cè)誤差大、探測(cè)范圍小等問題。

為了解決上述傳統(tǒng)系統(tǒng)在探測(cè)功能方面存在的問題，引入干涉量子雷達(dá)技術(shù)。本文提出了基于干涉量子雷達(dá)的遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)。干涉式量子雷達(dá)采用干涉測(cè)量技術(shù)的合成孔徑雷達(dá)，是量子雷達(dá)和干涉雷達(dá)相結(jié)合的產(chǎn)物。為了提升系統(tǒng)的空中目標(biāo)探測(cè)精度，在干涉量子雷達(dá)探測(cè)器中加設(shè)雷達(dá)信號(hào)倍增管，通過多級(jí)倍增，使其具有一定的增益，最后得到了被放大的雷達(dá)信號(hào)。在雷達(dá)探測(cè)器中嵌入倍增管，實(shí)現(xiàn)了對(duì)干涉式量子雷達(dá)檢測(cè)器的改造。以此提升目標(biāo)探測(cè)精度、擴(kuò)大目標(biāo)探測(cè)范圍，更加適用于遠(yuǎn)距離探測(cè)。利用干涉量子雷達(dá)技術(shù)對(duì)遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用干涉式量子雷達(dá)技術(shù)對(duì)遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)進(jìn)行圖像處理，提升了圖像采集精度；利用特征匹配來判斷空中目標(biāo)的位置、大小、位置等幾何參數(shù)和運(yùn)動(dòng)速率，最后利用特征匹配來輸出空中目標(biāo)探測(cè)結(jié)果，據(jù)此提升系統(tǒng)的目標(biāo)探測(cè)精度，并擴(kuò)大空中目標(biāo)的探測(cè)范圍。

1 遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測(cè)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用干涉量子雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)的基本原理是通過對(duì)單一目標(biāo)或目標(biāo)群體的探測(cè)，分析獲得的目標(biāo)信息，判斷出目標(biāo)的類型、尺寸等屬性。在干涉式量子雷達(dá)技術(shù)的支持下，把被測(cè)的空中目標(biāo)看成是由大量的散射中心構(gòu)成的，它會(huì)隨槳葉的轉(zhuǎn)動(dòng)而不斷地作周期性的運(yùn)動(dòng)，而散射場(chǎng)的相位和振幅也會(huì)隨著散射中心的移動(dòng)而周期性地改變，從而最終引起整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)元件對(duì)雷達(dá)回波的周期調(diào)制。分別從硬件和軟件兩個(gè)方面，優(yōu)化設(shè)計(jì)遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)。

1.1 干涉量子雷達(dá)探測(cè)器

遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)使用雷達(dá)探測(cè)器作為主要運(yùn)行元件，雷達(dá)探測(cè)器的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 干涉量子雷達(dá)探測(cè)器組成結(jié)構(gòu)圖

從圖1中可以看出，干涉量子雷達(dá)探測(cè)器包括雷達(dá)發(fā)射機(jī)、衰減器、量子光柵、單光子檢測(cè)器、信號(hào)發(fā)射鏡、目標(biāo)判定等部分組成。在系統(tǒng)工作時(shí)，由雷達(dá)發(fā)射器發(fā)出的光信號(hào)會(huì)被衰減為單一的光子信號(hào)，單個(gè)光子信號(hào)通過光子光柵得到一定的干擾信號(hào)，使得光子的存在概率得到嚴(yán)格的區(qū)域分布。在此基礎(chǔ)上，將概率波干涉條紋與單個(gè)光子檢測(cè)器的光柵相對(duì)應(yīng)地分布，使得光子透過率達(dá)到概率透過，每一根光纖都會(huì)將大部分的干涉條紋傳送到目鏡，并將其反射到空間物體上，并將其反射到光學(xué)放大器上。當(dāng)發(fā)射的干涉量子雷達(dá)信號(hào)碰到目標(biāo)物體時(shí)，光子的狀態(tài)就會(huì)坍塌，此時(shí)的反饋環(huán)內(nèi)沒有任何光子，然后產(chǎn)生的光子流就會(huì)產(chǎn)生一條量子干涉條紋，這些條紋會(huì)打在柵格上，會(huì)產(chǎn)生一種超導(dǎo)的效果，使信號(hào)被輸出；在不接觸到目標(biāo)的情況下，光子會(huì)崩潰在反饋環(huán)上，通過光纖放大器產(chǎn)生的光子流，保持了原來的光束的穩(wěn)定[4]。在此，一個(gè)光子從光束開始，再從光束中返回，這個(gè)過程被稱為一個(gè)檢測(cè)循環(huán)。只有在檢測(cè)到目標(biāo)后，恢復(fù)的光子流才會(huì)消失，雷達(dá)信號(hào)發(fā)射器會(huì)再次發(fā)出一束光子，構(gòu)成下一次的探測(cè)循環(huán)。為了提升系統(tǒng)的空中目標(biāo)探測(cè)精度，在干涉量子雷達(dá)探測(cè)器中加設(shè)一個(gè)雷達(dá)信號(hào)倍增管，倍增管的工作原理如圖2所示。

圖2 干涉量子雷達(dá)探測(cè)器倍增管工作原理圖

干涉量子雷達(dá)信號(hào)聚焦在倍增極上，發(fā)射出多個(gè)二次電子，雷達(dá)信號(hào)經(jīng)多級(jí)倍增后，實(shí)現(xiàn)增益放大，最終輸出放大的雷達(dá)信號(hào)[5]。將倍增管嵌入到雷達(dá)探測(cè)器中，分別與雷達(dá)發(fā)射器和輸出器相連，完成干涉量子雷達(dá)探測(cè)器的改裝。

1.2 雷達(dá)信號(hào)處理與成像裝置

雷達(dá)信號(hào)處理與成像裝置的工作內(nèi)容是：根據(jù)干涉量子雷達(dá)信號(hào)的反饋結(jié)果生成空中圖像。利用AD9361芯片將雷達(dá)信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)，信號(hào)經(jīng)前端的混頻器轉(zhuǎn)換為基帶，再由ADC取樣和反混疊濾波器實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，利用半帶濾波器和FIR濾波器對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波、提取等預(yù)處理工作[6]。在傳統(tǒng)雷達(dá)信號(hào)處理器，加設(shè)一個(gè)限幅整形模塊，選用高速比較器AD8611將不規(guī)則的雷達(dá)信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，限幅整形處理電路如圖3所示。

圖3 雷達(dá)信號(hào)限幅整形電路圖

限幅整形電路由±5 V的雙電源提供電力支持，該基準(zhǔn)電壓為2.5 V，供電電源通過R6、R7串聯(lián)供電，構(gòu)成了一個(gè)比較電路[7]。根據(jù)雷達(dá)信號(hào)的處理結(jié)果，利用CMOS芯片生成雷達(dá)圖像，成像波段為[0.4 μm，1.0 μm]。

除上述硬件設(shè)備外，軟件程序運(yùn)行控制器、供電電源均沿用傳統(tǒng)目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)，并將改裝的雷達(dá)探測(cè)器和成像裝置與供電電源相連。

2 遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)備的支持下，利用干涉量子雷達(dá)技術(shù)獲取雷達(dá)信號(hào)并生成雷達(dá)圖像，通過圖像預(yù)處理、特征提取、特征匹配等步驟確定當(dāng)前空中是否存在目標(biāo)，通過對(duì)雷達(dá)信號(hào)的分析確定空中目標(biāo)與探測(cè)器之間的距離，最終通過空中目標(biāo)大小與移動(dòng)速度的計(jì)算，得出遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)的輸出結(jié)果。

2.1 利用干涉量子雷達(dá)技術(shù)生成空中目標(biāo)雷達(dá)圖像

干涉量子雷達(dá)技術(shù)融合了量子糾纏和干涉測(cè)量?jī)煞N原理，利用探測(cè)器設(shè)備向空中目標(biāo)區(qū)域發(fā)射雷達(dá)信號(hào)，通過對(duì)回波接收信號(hào)的分析，生成空中目標(biāo)對(duì)應(yīng)的雷達(dá)圖像[8]。圖4表示的是干涉量子雷達(dá)技術(shù)的作用原理。

圖4 干涉量子雷達(dá)技術(shù)原理圖

在遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)雷達(dá)成像過程中，將發(fā)射的干涉量子雷達(dá)信號(hào)看成一種相干疊加態(tài)，在量子力學(xué)中，由 A、 B兩個(gè)子模塊組成的復(fù)合體系可以表示為：

(1)

公式(1)中δi為子模塊的共同本征值，|hi〉A(chǔ)和|hi〉B對(duì)應(yīng)的是兩個(gè)子模塊的本征函數(shù)[9-10]。發(fā)射的量子雷達(dá)信號(hào)經(jīng)過干涉測(cè)量，可以轉(zhuǎn)換為：

(2)

其中：Nradar〉i|0〉j和0〉i|Nradar〉j分別表示的是雷達(dá)信號(hào)Nradar通過參考光路和探測(cè)光路的轉(zhuǎn)換結(jié)果，當(dāng)干涉量子雷達(dá)信號(hào)處于高度糾纏態(tài)時(shí)，干涉測(cè)量可以達(dá)到海森堡極限[11]。在遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)測(cè)量與成像過程中，利用量子電子學(xué)理論，量子雷達(dá)信號(hào)與空中目標(biāo)的相互作用看作是一種吸收和輻射的過程，并建立了干涉量子雷達(dá)散射截面的數(shù)學(xué)模型，其中干涉量子雷達(dá)散射截面可以量化表示為：

(3)

式中，xtarget、xdetector和σ分別為空中目標(biāo)位置、探測(cè)器位置以及雷達(dá)信號(hào)強(qiáng)度，E(xtarget，xdetector，σ)和E(xtarget，σ)對(duì)應(yīng)的是入射場(chǎng)和散射場(chǎng)的強(qiáng)度值，由此得出探測(cè)空中目標(biāo)的強(qiáng)度值為：

(4)

其中：nradar為發(fā)射雷達(dá)信號(hào)的數(shù)量。按照上述方式得出遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)的干涉量子雷達(dá)回波信號(hào)，可以量化表示為：

s(t)=A·χ(t)+E(xtarget，xdetector，σ)∑cifτci(t)

(5)

其中：A為接收到雷達(dá)信號(hào)的復(fù)幅值，χ(t)為雷達(dá)信號(hào)的復(fù)包絡(luò)，ci、f和τci分別為雜波信號(hào)、多普勒頻率以及多徑信號(hào)，將公式(4)的求解結(jié)果代入到公式(5)中，得出空中目標(biāo)探測(cè)雷達(dá)信號(hào)的接收結(jié)果[12]。最終從距離向和方位向兩個(gè)方面進(jìn)行脈沖壓縮，得到空中目標(biāo)雷達(dá)圖像，將成像結(jié)果標(biāo)記為I(t)。

2.2 遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)雷達(dá)圖像處理

為了提高遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)精度，通過雜波抑制、圖像增強(qiáng)等步驟，對(duì)初始生成的雷達(dá)圖像進(jìn)行預(yù)處理[13]。采用非局部均值濾波的方式進(jìn)行雷達(dá)圖形雜波抑制，具體的處理過程可以表示為：

(6)

式中，κwave filtering為控制平滑程度地濾波參數(shù)，β為高斯核，Q(i)和Q(j)分別為雷達(dá)圖像中第i和j個(gè)圖像分塊，d(i，j)為圖像塊之間的歐式距離，I(t)和Iwave filtering(t)對(duì)應(yīng)的是初始生成雷達(dá)圖像及其濾波處理結(jié)果。采用直方圖均衡化的方式對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，該方法是基于概率理論，通過使用灰度計(jì)算，使其得到增強(qiáng)。其轉(zhuǎn)換函數(shù)依賴于圖像的灰度直方圖的累計(jì)分布[14]。雷達(dá)圖像在低灰度范圍內(nèi)頻繁出現(xiàn)，從而導(dǎo)致在較深的地方無法清晰地看到細(xì)節(jié)[15]。這樣就可以分割出圖像的灰度區(qū)，使其具有更低的灰度級(jí)。在直方圖上，圖像具有最大的信息熵，而在直方圖上，圖像具有最大的信息量，從而提升圖像的清晰度。空中目標(biāo)圖像增強(qiáng)處理過程如下：

(7)

其中：npixel為像素點(diǎn)數(shù)量，p[I(t)]表示的是雷達(dá)圖像的概率密度函數(shù)[16]。除此之外，還需要根據(jù)探測(cè)空間背景，對(duì)雷達(dá)圖像的前后景進(jìn)行分割，按照上述流程完成遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)雷達(dá)圖像的預(yù)處理工作。

2.3 提取空中目標(biāo)雷達(dá)圖像輪廓特征

使用一階倒數(shù)對(duì)空中目標(biāo)雷達(dá)圖像輪廓特征進(jìn)行檢測(cè)，找出相應(yīng)的最大梯度點(diǎn)，確定其為初始輪廓邊界點(diǎn)。消除一階微分中的非局部極大值，與二階導(dǎo)數(shù)的零相交點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，并在此基礎(chǔ)上找到二階導(dǎo)數(shù)的零交叉點(diǎn)，從而得到準(zhǔn)確的邊界輪廓點(diǎn)[17]?？罩心繕?biāo)雷達(dá)圖像輪廓邊緣特征點(diǎn)的提取結(jié)果為：

(8)

其中：σ為高斯函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差。按照上述方式可以得出圖像中多個(gè)輪廓邊緣特征點(diǎn)的提取結(jié)果，按照各特征點(diǎn)之間的位置關(guān)系，對(duì)提取的所有輪廓邊緣特征點(diǎn)進(jìn)行連接，最終的輸出結(jié)果即為空中目標(biāo)雷達(dá)圖像的輪廓特征提取結(jié)果。

2.4 測(cè)量空中目標(biāo)距離

采用干涉量子雷達(dá)脈沖測(cè)距原理，通過測(cè)量雷達(dá)信號(hào)在待測(cè)距離上往返傳播的時(shí)間來換算出距離，最終測(cè)量得出探測(cè)器與空中目標(biāo)之間的距離可以表示為：

(9)

公式(9)中變量υc表示的是干涉量子雷達(dá)信號(hào)在空氣中的傳輸速度，Δtprobe為雷達(dá)信號(hào)往返傳輸?shù)臅r(shí)間。當(dāng)探測(cè)器與空中目標(biāo)相對(duì)應(yīng)時(shí)，探測(cè)器會(huì)發(fā)出雷達(dá)脈沖，通過發(fā)射端使其發(fā)散角度減小。在發(fā)射端，雷達(dá)信號(hào)的后發(fā)散角被壓縮到了零點(diǎn)幾毫微弧。當(dāng)脈沖被發(fā)射后，很少的一部分會(huì)被兩個(gè)鏡子反射到接收端，這是一個(gè)用于校準(zhǔn)雷達(dá)發(fā)射的基準(zhǔn)信號(hào)[18]。基準(zhǔn)信號(hào)通過濾波器傳輸至光電轉(zhuǎn)換器，即將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，也就是將其轉(zhuǎn)換為電脈沖。這種電脈沖被放大、成形，然后送到計(jì)時(shí)系統(tǒng)中，讓它開始計(jì)時(shí)。而當(dāng)激光束射到目標(biāo)時(shí)，由于目標(biāo)的擴(kuò)散，會(huì)有一小部分被反射到接收端，然后再通過濾波器、光電變換、放大電路，再通過時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)，由此便可以得到雷達(dá)往返時(shí)間Δtprobe的具體取值。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入到公式(9)中，即可得出空中目標(biāo)距離的測(cè)量結(jié)果。

2.5 計(jì)算遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)幾何與運(yùn)動(dòng)參數(shù)

探測(cè)遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)的幾何參數(shù)包括目標(biāo)位置和目標(biāo)大小，其中目標(biāo)位置的計(jì)算公式如下：

(10)

其中：(x，y)為圖像中空中目標(biāo)對(duì)應(yīng)像素的位置，φ為圖像的拍攝角度，κzoom為空中目標(biāo)實(shí)體與其圖像的縮放系數(shù)，該系數(shù)的具體取值為：

(11)

另外空中目標(biāo)大小參數(shù)的計(jì)算結(jié)果為：

b=κzoom·bimage

(12)

式中，bimage和b分別為空中目標(biāo)的實(shí)體大小和圖像像素點(diǎn)大小[19]。另外空中目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)中，目標(biāo)移動(dòng)速度的計(jì)算公式如下：

υtarget=κzoom[(x(t)-x(t-1))+(y(t)-y(t-1))]

(13)

其中：(x(t-1)，y(t-1))和(x(t)，y(t))分別表示前后兩個(gè)時(shí)刻的空中目標(biāo)像素點(diǎn)位置。對(duì)上述公式進(jìn)行聯(lián)立，即可得出遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)幾何與運(yùn)動(dòng)參數(shù)的最終計(jì)算結(jié)果。

2.6 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)功能

根據(jù)提取的空中目標(biāo)雷達(dá)圖像輪廓特征與空中目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征之間的相似程度，確定當(dāng)前環(huán)境中是否存在空中目標(biāo)，具體的相似程度度量過程可以量化表示為：

(14)

將提取圖像特征與設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)特征代入到公式(14)中，即可得出相似程度地度量結(jié)果[20]。在確定區(qū)域內(nèi)存在空中目標(biāo)的情況下，計(jì)算目標(biāo)距離、幾何參數(shù)以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并根據(jù)遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，若υtarget取值為0，則證明當(dāng)前空中探測(cè)目標(biāo)為靜態(tài)目標(biāo)，否則為動(dòng)態(tài)目標(biāo)。最終將包含空中目標(biāo)參數(shù)的探測(cè)結(jié)果通過硬件設(shè)備輸出，完成系統(tǒng)的目標(biāo)探測(cè)功能。

3 系統(tǒng)測(cè)試

綜合考慮系統(tǒng)硬件和軟件兩個(gè)部分，以測(cè)試系統(tǒng)探測(cè)功能為目的，設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)采用白盒測(cè)試原理，即在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中設(shè)置固定數(shù)量的空中目標(biāo)，并記錄各個(gè)空中目標(biāo)的設(shè)置參數(shù)，將系統(tǒng)的探測(cè)輸出結(jié)果與設(shè)置數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，由此證明系統(tǒng)的探測(cè)功能。實(shí)驗(yàn)設(shè)置傳統(tǒng)的基于電場(chǎng)探測(cè)與無線組網(wǎng)的空中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)和基于地基綜合孔徑微波輻射計(jì)的空中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)的對(duì)比系統(tǒng)，經(jīng)過探測(cè)功能測(cè)試結(jié)果的對(duì)比，體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)計(jì)基于干涉量子雷達(dá)的遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)在探測(cè)功能方面的優(yōu)勢(shì)。

3.1 準(zhǔn)備并控制遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)

準(zhǔn)備飛機(jī)、風(fēng)箏、無人機(jī)作為待探測(cè)的遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)，根據(jù)空中目標(biāo)設(shè)置的數(shù)量生成多個(gè)探測(cè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，部分實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的具體設(shè)置情況如表1所示。

表1 遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測(cè)場(chǎng)景設(shè)置表

為保證系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度，實(shí)驗(yàn)共生成50個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，并根據(jù)空中目標(biāo)的設(shè)置情況對(duì)其進(jìn)行移動(dòng)參數(shù)、幾何參數(shù)進(jìn)行控制，保證空中目標(biāo)能夠按照既定參數(shù)運(yùn)行。

3.2 布設(shè)干涉量子雷達(dá)裝置

由于優(yōu)化設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用了干涉量子雷達(dá)技術(shù)，因此需要在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中安裝相關(guān)的雷達(dá)裝置。布設(shè)的干涉量子雷達(dá)裝置為正側(cè)視相控陣天線，掃描范圍為±75°。根據(jù)待探測(cè)空中目標(biāo)的設(shè)置情況，確定雷達(dá)裝置的布設(shè)位置，將雷達(dá)裝置與計(jì)數(shù)裝置相連，用來測(cè)試?yán)走_(dá)脈沖碼的發(fā)送與接收次數(shù)。

3.3 描述系統(tǒng)測(cè)試過程

將優(yōu)化設(shè)計(jì)基于干涉量子雷達(dá)的遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)的硬件裝置安裝到實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，并對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，首先準(zhǔn)備目標(biāo)，并調(diào)整目標(biāo)和原型之間的相對(duì)位置，即在控制目標(biāo)中，目標(biāo)表面的水平方向與x軸平行，在系統(tǒng)坐標(biāo)系中，豎線與y軸平行。在試驗(yàn)平臺(tái)上，靶標(biāo)背板面是系統(tǒng)的成像面，先將靶標(biāo)背板與系統(tǒng)軸線垂直，然后用電子水準(zhǔn)計(jì)保證樣機(jī)平臺(tái)與目標(biāo)平臺(tái)彼此平行，將靶標(biāo)背板直立于靶標(biāo)平臺(tái)上，調(diào)整靶標(biāo)背板底線中點(diǎn)與雷達(dá)信號(hào)對(duì)應(yīng)，再以米尺測(cè)量背板左右兩側(cè)與樣品前底邊緣中點(diǎn)的距離，若兩者相等，則被視為目標(biāo)后板與系統(tǒng)軸垂直。接下來，將目標(biāo)調(diào)整為其目標(biāo)表面的橫線與目標(biāo)平臺(tái)平行，這一步是用直尺來測(cè)量橫線的左、右兩邊到目標(biāo)平臺(tái)的距離。在上述步驟中，可以確保目標(biāo)中的豎線和橫線與x軸和y軸在系統(tǒng)坐標(biāo)系中是一致的。其次是成像設(shè)備的安裝，它的主要要求是，在安裝過程中，要保證成像設(shè)備平行于左關(guān)節(jié)軸承中心和球桿球部分球心的連線。利用供電電路連接各個(gè)硬件裝置，隨機(jī)生成一個(gè)調(diào)試任務(wù)，觀察設(shè)備運(yùn)行結(jié)果是否與預(yù)期結(jié)果一致，從而確定硬件設(shè)備是否調(diào)試成功。將調(diào)試完成的硬件裝置與主測(cè)計(jì)算機(jī)相連，將軟件系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成程序代碼，導(dǎo)入到主測(cè)計(jì)算機(jī)中。利用開發(fā)系統(tǒng)對(duì)生成的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景進(jìn)行探測(cè)，輸出對(duì)應(yīng)的空中目標(biāo)探測(cè)結(jié)果。圖5表示的是實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景C1的探測(cè)輸出結(jié)果。

圖5 遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)輸出結(jié)果

同理可以得出其他實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下的空中目標(biāo)探測(cè)結(jié)果。通過系統(tǒng)的切換，可以得出對(duì)比系統(tǒng)輸出的空中目標(biāo)探測(cè)結(jié)果。

3.4 設(shè)置系統(tǒng)測(cè)試指標(biāo)

此次系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)分別從探測(cè)精度和探測(cè)范圍兩個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置空中目標(biāo)距離、目標(biāo)尺寸以及移動(dòng)速度探測(cè)誤差作為系統(tǒng)探測(cè)精度的量化測(cè)試指標(biāo)，其數(shù)值結(jié)果如下：

(15)

式中，dDetector-Target、Ssystem和υtarget分別表示的是系統(tǒng)輸出的距離、尺寸和移動(dòng)速度探測(cè)結(jié)果，d0、S0和υ0為空中目標(biāo)距離、尺寸以及移動(dòng)速度的控制參數(shù)。計(jì)算得出誤差指標(biāo)越高，證明對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的探測(cè)精度越低。另外探測(cè)范圍的測(cè)試指標(biāo)為有效探測(cè)區(qū)域面積，該指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果為：

(16)

式中，(xdetector，ydetector)為探測(cè)器的安裝位置，(xmax-target，ymax-target)為系統(tǒng)能夠探測(cè)到的最遠(yuǎn)空中目標(biāo)點(diǎn)的位置，為了方便計(jì)算參數(shù)π取值為3。計(jì)算得出Sprobe的值越大，說明系統(tǒng)的探測(cè)范圍越大。

3.5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

利用SPSS12.0數(shù)據(jù)分析工具，收集并統(tǒng)計(jì)遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)與測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)，得出最終的系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果。

3.5.1 系統(tǒng)探測(cè)精度測(cè)試結(jié)果

通過相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，得出3個(gè)系統(tǒng)遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測(cè)精度的測(cè)試結(jié)果，如表2所示。

表2 遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)精度測(cè)試數(shù)據(jù)表

將表2中的數(shù)據(jù)代入到公式(15)中，即可得出對(duì)比系統(tǒng)空中目標(biāo)距離探測(cè)誤差的平均值分別為8.4 m和5.1 m，平均目標(biāo)尺寸探測(cè)誤差分別為7.4 m2和4.9 m2，而移動(dòng)速度探測(cè)誤差的絕對(duì)值為6.2 m/s和3.7 m/s，而優(yōu)化設(shè)計(jì)基于干涉量子雷達(dá)的遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)的平均距離、尺寸和移動(dòng)速度探測(cè)誤差分別為1.6 m、1.3 m2和0.8 m/s。

3.5.2 系統(tǒng)探測(cè)范圍測(cè)試結(jié)果

統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)輸出各個(gè)探測(cè)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，得出系統(tǒng)探測(cè)范圍的測(cè)試結(jié)果，如圖6所示。

圖6 遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)范圍測(cè)試結(jié)果

從圖6中可以直觀地看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)范圍明顯大于兩個(gè)對(duì)比系統(tǒng)，經(jīng)過公式(16)的計(jì)算得出兩個(gè)對(duì)比系統(tǒng)的探測(cè)范圍分別為238萬m2和248萬m2，而優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的探測(cè)范圍為300萬m2。

4 結(jié)束語

空中目標(biāo)類型眾多，不同類型目標(biāo)的尺寸、結(jié)構(gòu)特征均不相同，這會(huì)給空中目標(biāo)的識(shí)別與探測(cè)帶來較大難度和挑戰(zhàn)。為了減小空間環(huán)境給目標(biāo)探測(cè)帶來的影響，利用干涉量子雷達(dá)技術(shù)對(duì)遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用氣動(dòng)外形、電磁吸收材料等技術(shù)，將電磁波的后向散射最小化，從而使其能量比傳統(tǒng)的雷達(dá)接收器要小得多，從而達(dá)到更高的采集時(shí)間或更大的傳輸功率。因此，利用干涉式量子雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)，增大大功率孔徑積，延長(zhǎng)駐留時(shí)間，提高了空中目標(biāo)的回波能量，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠有效地改善系統(tǒng)的探測(cè)效果，減小探測(cè)誤差的同時(shí)也提升了探測(cè)范圍。

然而在系統(tǒng)測(cè)試過程中未考慮霧霾、冰雹等極端天氣，無法判定優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)在極端環(huán)境中的應(yīng)用效果，針對(duì)這一問題還需要在今后的研究工作中進(jìn)行補(bǔ)充。