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)，對機(jī)場安全管理發(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)不僅會影響空中交通設(shè)施的通行安全，還可能會影響錯失重要戰(zhàn)機(jī)，因此需要定期對空中目標(biāo)進(jìn)行探測，從而及時對空中目標(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)、無固定運動路線的運動目標(biāo)和按照固定運動軌跡移動的運動目標(biāo)，其中靜置空中目標(biāo)指的是重力相對較小的空中目標(biāo)，不會在短時間內(nèi)產(chǎn)生明顯縱向位移。

目前空中目標(biāo)的探測工作主要利用探測系統(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)探測系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2]提出基于電場探測與無線組網(wǎng)的空中目標(biāo)探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用無線網(wǎng)絡(luò)中的檢測節(jié)點對空中目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，利用電場探測及網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)對其進(jìn)行定位，從而為指揮中心的行動決策提供支持，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的空中目標(biāo)探測系統(tǒng)，介紹了地基綜合孔徑空中目標(biāo)被動探測的基本原理，在此基礎(chǔ)上，對地基綜合孔徑空中目標(biāo)進(jìn)行了研究，并對其可行性進(jìn)行了分析。然而受到探測距離的限制，上述空中目標(biāo)探測系統(tǒng)存在探測誤差大、探測范圍小等問題。

為了解決上述傳統(tǒng)系統(tǒng)在探測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)探測系統(tǒng)。干涉式量子雷達(dá)采用干涉測量技術(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)探測精度，在干涉量子雷達(dá)探測器中加設(shè)雷達(dá)信號倍增管，通過多級倍增，使其具有一定的增益，最后得到了被放大的雷達(dá)信號。在雷達(dá)探測器中嵌入倍增管，實現(xiàn)了對干涉式量子雷達(dá)檢測器的改造。以此提升目標(biāo)探測精度、擴(kuò)大目標(biāo)探測范圍，更加適用于遠(yuǎn)距離探測。利用干涉量子雷達(dá)技術(shù)對遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，采用干涉式量子雷達(dá)技術(shù)對遠(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)和運動速率，最后利用特征匹配來輸出空中目標(biāo)探測結(jié)果，據(jù)此提升系統(tǒng)的目標(biāo)探測精度，并擴(kuò)大空中目標(biāo)的探測范圍。

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

利用干涉量子雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)探測的基本原理是通過對單一目標(biāo)或目標(biāo)群體的探測，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，把被測的空中目標(biāo)看成是由大量的散射中心構(gòu)成的，它會隨槳葉的轉(zhuǎn)動而不斷地作周期性的運動，而散射場的相位和振幅也會隨著散射中心的移動而周期性地改變，從而最終引起整個轉(zhuǎn)動元件對雷達(dá)回波的周期調(diào)制。分別從硬件和軟件兩個方面，優(yōu)化設(shè)計遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測系統(tǒng)。

1.1 干涉量子雷達(dá)探測器

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

圖1 干涉量子雷達(dá)探測器組成結(jié)構(gòu)圖

從圖1中可以看出，干涉量子雷達(dá)探測器包括雷達(dá)發(fā)射機(jī)、衰減器、量子光柵、單光子檢測器、信號發(fā)射鏡、目標(biāo)判定等部分組成。在系統(tǒng)工作時，由雷達(dá)發(fā)射器發(fā)出的光信號會被衰減為單一的光子信號，單個光子信號通過光子光柵得到一定的干擾信號，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光子檢測器的光柵相對應(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)信號碰到目標(biāo)物體時，光子的狀態(tài)就會坍塌，此時的反饋環(huán)內(nèi)沒有任何光子，然后產(chǎn)生的光子流就會產(chǎn)生一條量子干涉條紋，這些條紋會打在柵格上，會產(chǎn)生一種超導(dǎo)的效果，使信號被輸出；在不接觸到目標(biāo)的情況下，光子會崩潰在反饋環(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，一個光子從光束開始，再從光束中返回，這個過程被稱為一個檢測循環(huán)。只有在檢測到目標(biāo)后，恢復(fù)的光子流才會消失，雷達(dá)信號發(fā)射器會再次發(fā)出一束光子，構(gòu)成下一次的探測循環(huán)。為了提升系統(tǒng)的空中目標(biāo)探測精度，在干涉量子雷達(dá)探測器中加設(shè)一個雷達(dá)信號倍增管，倍增管的工作原理如圖2所示。

圖2 干涉量子雷達(dá)探測器倍增管工作原理圖

干涉量子雷達(dá)信號聚焦在倍增極上，發(fā)射出多個二次電子，雷達(dá)信號經(jīng)多級倍增后，實現(xiàn)增益放大，最終輸出放大的雷達(dá)信號[5]。將倍增管嵌入到雷達(dá)探測器中，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)探測器的改裝。

1.2 雷達(dá)信號處理與成像裝置

雷達(dá)信號處理與成像裝置的工作內(nèi)容是：根據(jù)干涉量子雷達(dá)信號的反饋結(jié)果生成空中圖像。利用AD9361芯片將雷達(dá)信號直接轉(zhuǎn)換為基帶信號，信號經(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現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，利用半帶濾波器和FIR濾波器對數(shù)字信號進(jìn)行濾波、提取等預(yù)處理工作[6]。在傳統(tǒng)雷達(dá)信號處理器，加設(shè)一個限幅整形模塊，選用高速比較器AD8611將不規(guī)則的雷達(dá)信號轉(zhuǎn)換為方波信號，限幅整形處理電路如圖3所示。

圖3 雷達(dá)信號限幅整形電路圖

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)成了一個比較電路[7]。根據(jù)雷達(dá)信號的處理結(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，軟件程序運行控制器、供電電源均沿用傳統(tǒng)目標(biāo)探測系統(tǒng)，并將改裝的雷達(dá)探測器和成像裝置與供電電源相連。

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

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)，通過對雷達(dá)信號的分析確定空中目標(biāo)與探測器之間的距離，最終通過空中目標(biāo)大小與移動速度的計算，得出遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測系統(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量兩種原理，利用探測器設(shè)備向空中目標(biāo)區(qū)域發(fā)射雷達(dá)信號，通過對回波接收信號的分析，生成空中目標(biāo)對應(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)信號看成一種相干疊加態(tài)，在量子力學(xué)中，由 A、 B兩個子模塊組成的復(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對應(yīng)的是兩個子模塊的本征函數(shù)[9-10]。發(fā)射的量子雷達(dá)信號經(jīng)過干涉測量，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Nradar通過參考光路和探測光路的轉(zhuǎn)換結(jié)果，當(dāng)干涉量子雷達(dá)信號處于高度糾纏態(tài)時，干涉測量可以達(dá)到海森堡極限[11]。在遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)測量與成像過程中，利用量子電子學(xué)理論，量子雷達(dá)信號與空中目標(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、探測器位置以及雷達(dá)信號強度，E(xtarget，xdetector，σ)和E(xtarget，σ)對應(yīng)的是入射場和散射場的強度值，由此得出探測空中目標(biāo)的強度值為：

(4)

其中：nradar為發(fā)射雷達(dá)信號的數(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，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)信號的復(fù)幅值，χ(t)為雷達(dá)信號的復(fù)包絡(luò)，ci、f和τci分別為雜波信號、多普勒頻率以及多徑信號，將公式(4)的求解結(jié)果代入到公式(5)中，得出空中目標(biāo)探測雷達(dá)信號的接收結(jié)果[12]。最終從距離向和方位向兩個方面進(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)探測系統(tǒng)的探測精度，通過雜波抑制、圖像增強等步驟，對初始生成的雷達(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圖像進(jìn)行增強處理，該方法是基于概率理論，通過使用灰度計算，使其得到增強。其轉(zhuǎn)換函數(shù)依賴于圖像的灰度直方圖的累計分布[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。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?？罩心繕?biāo)圖像增強處理過程如下：

(7)

其中：npixel為像素點數(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)探測空間背景，對雷達(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)對空中目標(biāo)雷達(dá)圖像輪廓特征進(jìn)行檢測，找出相應(yīng)的最大梯度點，確定其為初始輪廓邊界點。消除一階微分中的非局部極大值，與二階導(dǎo)數(shù)的零相交點相對應(yīng)，并在此基礎(chǔ)上找到二階導(dǎo)數(shù)的零交叉點，從而得到準(zhǔn)確的邊界輪廓點[17]?？罩心繕?biāo)雷達(dá)圖像輪廓邊緣特征點的提取結(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輪廓邊緣特征點的提取結(jié)果，按照各特征點之間的位置關(guān)系，對提取的所有輪廓邊緣特征點進(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 測量空中目標(biāo)距離

采用干涉量子雷達(dá)脈沖測距原理，通過測量雷達(dá)信號在待測距離上往返傳播的時間來換算出距離，最終測量得出探測器與空中目標(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)信號在空氣中的傳輸速度，Δtprobe為雷達(dá)信號往返傳輸?shù)臅r間。當(dāng)探測器與空中目標(biāo)相對應(yīng)時，探測器會發(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)信號的后發(fā)散角被壓縮到了零點幾毫微弧。當(dāng)脈沖被發(fā)射后，很少的一部分會被兩個鏡子反射到接收端，這是一個用于校準(zhǔn)雷達(dá)發(fā)射的基準(zhǔn)信號[18]?；鶞?zhǔn)信號通過濾波器傳輸至光電轉(zhuǎn)換器，即將其轉(zhuǎn)換為電信號，也就是將其轉(zhuǎn)換為電脈沖。這種電脈沖被放大、成形，然后送到計時系統(tǒng)中，讓它開始計時。而當(dāng)激光束射到目標(biāo)時，由于目標(biāo)的擴(kuò)散，會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，再通過時間測量系統(tǒng)，由此便可以得到雷達(dá)往返時間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)距離的測量結(jié)果。

2.5 計算遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)幾何與運動參數(shù)

探測遠(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)位置的計算公式如下：

(10)

其中：(x，y)為圖像中空中目標(biāo)對應(yīng)像素的位置，φ為圖像的拍攝角度，κzoom為空中目標(biāo)實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)的計算結(jié)果為：

b=κzoom·bimage

(12)

式中，bimage和b分別為空中目標(biāo)的實體大小和圖像像素點大小[19]。另外空中目標(biāo)運動參數(shù)中，目標(biāo)移動速度的計算公式如下：

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))分別表示前后兩個時刻的空中目標(biāo)像素點位置。對上述公式進(jìn)行聯(lián)立，即可得出遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)幾何與運動參數(shù)的最終計算結(jié)果。

2.6 實現(xiàn)遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測系統(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，計算目標(biāo)距離、幾何參數(shù)以及運動參數(shù)，并根據(jù)遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)的運動參數(shù)的計算結(jié)果，若υtarget取值為0，則證明當(dāng)前空中探測目標(biāo)為靜態(tài)目標(biāo)，否則為動態(tài)目標(biāo)。最終將包含空中目標(biāo)參數(shù)的探測結(jié)果通過硬件設(shè)備輸出，完成系統(tǒng)的目標(biāo)探測功能。

3 系統(tǒng)測試

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

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)量生成多個探測實驗場景，部分實驗場景的具體設(shè)置情況如表1所示。

表1 遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測場景設(shè)置表

為保證系統(tǒng)測試實驗結(jié)果的可信度，實驗共生成50個實驗場景，并根據(jù)空中目標(biāo)的設(shè)置情況對其進(jìn)行移動參數(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)運行。

3.2 布設(shè)干涉量子雷達(dá)裝置

由于優(yōu)化設(shè)計的遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測系統(tǒng)應(yīng)用了干涉量子雷達(dá)技術(shù)，因此需要在實驗環(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)裝置與計數(shù)裝置相連，用來測試?yán)走_(dá)脈沖碼的發(fā)送與接收次數(shù)。

3.3 描述系統(tǒng)測試過程

將優(yōu)化設(shè)計基于干涉量子雷達(dá)的遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測系統(tǒng)的硬件裝置安裝到實驗環(huán)境中，并對硬件系統(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。在試驗平臺上，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)計保證樣機(jī)平臺與目標(biāo)平臺彼此平行，將靶標(biāo)背板直立于靶標(biāo)平臺上，調(diào)整靶標(biāo)背板底線中點與雷達(dá)信號對應(yīng)，再以米尺測量背板左右兩側(cè)與樣品前底邊緣中點的距離，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)平臺平行，這一步是用直尺來測量橫線的左、右兩邊到目標(biāo)平臺的距離。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硬件裝置，隨機(jī)生成一個調(diào)試任務(wù)，觀察設(shè)備運行結(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計算機(jī)相連，將軟件系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成程序代碼，導(dǎo)入到主測計算機(jī)中。利用開發(fā)系統(tǒng)對生成的實驗場景進(jìn)行探測，輸出對應(yīng)的空中目標(biāo)探測結(jié)果。圖5表示的是實驗場景C1的探測輸出結(jié)果。

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

同理可以得出其他實驗場景下的空中目標(biāo)探測結(jié)果。通過系統(tǒng)的切換，可以得出對比系統(tǒng)輸出的空中目標(biāo)探測結(jié)果。

3.4 設(shè)置系統(tǒng)測試指標(biāo)

此次系統(tǒng)測試實驗分別從探測精度和探測范圍兩個方面進(jìn)行測試，設(shè)置空中目標(biāo)距離、目標(biāo)尺寸以及移動速度探測誤差作為系統(tǒng)探測精度的量化測試指標(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、尺寸和移動速度探測結(jié)果，d0、S0和υ0為空中目標(biāo)距離、尺寸以及移動速度的控制參數(shù)。計算得出誤差指標(biāo)越高，證明對應(yīng)系統(tǒng)的探測精度越低。另外探測范圍的測試指標(biāo)為有效探測區(qū)域面積，該指標(biāo)的測試結(jié)果為：

(16)

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

3.5 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

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

3.5.1 系統(tǒng)探測精度測試結(jié)果

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

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

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

3.5.2 系統(tǒng)探測范圍測試結(jié)果

統(tǒng)計系統(tǒng)輸出各個探測點的位置數(shù)據(jù)，得出系統(tǒng)探測范圍的測試結(jié)果，如圖6所示。

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

從圖6中可以直觀地看出，優(yōu)化設(shè)計的遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測系統(tǒng)的探測范圍明顯大于兩個對比系統(tǒng)，經(jīng)過公式(16)的計算得出兩個對比系統(tǒng)的探測范圍分別為238萬m2和248萬m2，而優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)的探測范圍為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，這會給空中目標(biāo)的識別與探測帶來較大難度和挑戰(zhàn)。為了減小空間環(huán)境給目標(biāo)探測帶來的影響，利用干涉量子雷達(dá)技術(shù)對遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)探測系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，利用氣動外形、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，增大大功率孔徑積，延長駐留時間，提高了空中目標(biāo)的回波能量，從實驗結(jié)果中可以看出，優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)能夠有效地改善系統(tǒng)的探測效果，減小探測誤差的同時也提升了探測范圍。

然而在系統(tǒng)測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)計系統(tǒng)在極端環(huán)境中的應(yīng)用效果，針對這一問題還需要在今后的研究工作中進(jìn)行補充。