一種機載相控陣pd雷達雜波的快速模擬方法
2023-05-02 10:24:06
專利名稱：一種機載相控陣pd雷達雜波的快速模擬方法
技術領域：
本發明涉及一種機載相控陣脈衝都卜勒(PD)雷達雜波的快速模擬方法，屬於機載相控陣脈衝都卜勒雷達雜波仿真技術領域。
背景技術：
機載相控陣ro雷達是探測低空、超低空飛行的目標以及陸地和海面上的慢速運動目標的有利武器之一，在現代戰爭中起著舉足輕重的作用。由於雷達工作在下視狀態，目標回波常常淹沒在很強的雜波信號中，對目標檢測構成了極大的威脅。因此，需要對雷達工作環境中的雜波特性進行充分的研究。在實際測量成本過高的情況下，通過計算機仿真提供雜波數據，有十分重要的價值:一方面，有利於認知電磁波與自然環境相互作用的物理過程，理解機載相控陣ro雷達雜波產生的機理，促進雜波抑制算法的研究；另一方面，通過仿真手段獲取大量的不同雷達系統參數、不同自然環境條件下的雜波數據，將有效地彌補實驗數據的不足，在機載相控陣ro雷達系統性能評估、信號處理算法驗證等方面發揮重要作用。因此，研究機載相控陣ro雷達雜波仿真的方法，在理論和實踐上均有十分重要的意義。雷達仿真方法分為兩類:功能仿真和相干視頻仿真，其中相干視頻仿真利用了信號的相位，包含了有關雷達環境的全部信息，是雷達信號級仿真所必需的。目前，對雜波信號相干視頻仿真的建模和模擬方法還存在著一些不足。一方面，這些模型對雜波單元後向散射係數的描述大都採用半經驗模型，但是，雷達載機飛行地域廣、地形地貌多種多樣，採用目前的經驗模型不能真正地反映雷達工作的實際背景。另一方面，相干視頻仿真採用基於網格映像的模擬方法，即根據雷達的解析度將波束照射區域劃分成一個個相互獨立的網格單元，分別計算每個網格單元的回波，然後相干疊加實現整個區域的雜波仿真。由於機載ro雷達雜波區域面積較大，並且隨著雷達解析度的提高，相同雜波面積下的網格劃分數量不斷增大，採用相干疊加的方法獲取雜波信號的效率明顯較低，不適用於高解析度機載ro雷達大範圍區域的雜波仿真。
發明內容
本發明的目的是為了實現高解析度機載相控陣脈衝都卜勒(PD)雷達大範圍自然場景雜波的快速模擬，同時又能真實反映自然場景的散射特性，提出了一種機載相控陣ro雷達雜波的快速模擬方法。本發明方法是通過下述技術方案實現的:一種機載相控陣ro雷達雜波的快速模擬方法，其步驟如下:相關參數預定義:坐標系定義和雜波場景定義；坐標系定義:定義三維地理坐標系，即當地的北-天-東地理坐標系，其中原點0取在初始時刻載機質心在水平面上的投影點，X軸指向正北，是ro雷達的運動方向，Y軸垂直於當地水平面，指向天，Z軸指向正東；雜波場景定義:定義雜波場景為矩形，其在X軸的範圍為Wx，在Z軸的範圍為Wz ；
步驟一、選取一幅SAR圖像，所述SAR圖像上場景的大小和所定義的雜波場景大小相同，合成孔徑雷達在獲取所述SAR圖像時的工作波段和ro雷達的工作波段相同；步驟二、將整個雜波場景沿X軸和Z軸等分為長度為Dx、寬度為Dz的矩形散射單元，其中Dx為SAR圖像的方位向解析度，Dz為SAR圖像的距離向解析度，並將每個散射單元看成分布在單元中心的點散射體；步驟三、將所述散射單元與所述SAR圖像上的像元按照X軸方向平行於SAR圖像
的方位向，Z軸方向平行於SAR圖像的距離向的關係--對應，SAR圖像像元的歸一化灰度
值即為相應散射單元的初始後向散射係數；步驟四、按照ro雷達的天線相位中心到點散射體距離相等的關係，在雜波場景上等間隔的劃分等距離環；步驟五、對ro雷達的發射信號u(t)進行升採樣處理，並對升採樣的結果進行快速傅立葉變換得到U(GJ)；步驟六、在雷達發射脈 衝時，計算當前時刻各散射單元的後向散射係數0°;計算當前時刻各散射單元的斜距R，並根據所述R計算各散射單元的幅度A ；步驟七、針對每一等距離環，將其所包含的各散射單元的幅度和補償斜距差帶入都卜勒項後再進行相干疊加，得到每個等距離環的雷達後向散射係數；步驟八、將所有等距離環的等效雷達後向散射係數和對應環的中心斜距帶入都卜勒項後再進行相干疊加得到系統的衝擊響應函數h(t)，並對h(t)進行快速傅立葉變換(FFT)得到 H(co)；步驟九、將步驟五中獲取的U(co)與H(co)相乘，再對相乘的結果進行逆快速傅立葉變換，得到該發射脈衝對應的周期接收的雜波信號；步驟十、重複步驟六至步驟九，得到所有脈衝重複周期的雜波信號。有益效果第一，本發明通過SAR圖像數據可以快速方便地獲得某個真實自然場景的初始雷達後向散射係數；然後對雜波場景進行等距離環劃分，將同一個等距離環中的所有散射單元的後向散射係數疊加成一個等效的後向散射係數，即將同一個等距離環中的所有散射單元等效成一個複合散射體，其降低雜波場景離散化散射單元的數量，達到了提高ro雷達雜波模擬效率的目的。第二，本發明利用FFT將雷達的發射信號和系統的衝激響應信號變換到頻域相乘後計算雜波信號，進一步提高了 ro雷達雜波模擬效率，實現了在較高解析度下機載ro雷達系統下自然場景雜波的快速模擬。
圖1為本發明雜波場景劃分的示意圖；圖2為本發明中對坐標系定義和雜波場景定義的示意圖；圖3為本發明技術方案實施實例中所用的SAR圖像；圖4為本發明技術方案實施實例雜波信號的距離一都卜勒頻率二維雜波具體實施方式
下面結合附圖對本發明方法的實施方式做詳細說明。選取一幅SAR圖像進行機載I3D雷達雜波的仿真實驗，仿真輸出的是每個脈衝重複周期的雜波數據，通過在慢時間維(接收重複周期)進行FFT的方法得到距離一都卜勒頻率二維雜波圖。設定SAR圖像的大小是4000 X 4000,解析度是5m，在C波段，下視角是30° ;載機飛行的高度為2000m，速度是400m/s，雷達天線的波束寬度是4.1°，主瓣波束中心的方位角是20°，俯仰角是20°，雷達工作在波長為0.05m的C波段，雷達發射信號是線性調頻脈衝，帶寬是8MHz，採樣率是10MHz，發射信號的時間是S，脈衝重複頻率分別是lOKHz、20KHz、80KHz ;升採樣倍數是8，仿真的脈衝個數128。本發明機載ro雷達雜波的快速模擬方法，技術方案實施效果如附圖1所示，其步驟如下:對相關參數進行定義，如圖2所示，包括坐標系定義和雜波場景定義:1.1定義三維地理坐標系，即當地的北-天-東地理坐標系，其中原點0取在初始時刻載機質心在水平面上的投影點，X軸指向正北，是ro雷達的運動方向，Y軸垂直於當地水平面，指向天，z軸指向正東，ro雷達主瓣波束中心的方位角為ea，俯仰角為％。1.2定義雜波場景，雜波場景為矩形，其在X軸的範圍為Wx，在Z軸的範圍為Wz。步驟一、選取如上所述的SAR圖像，圖像上場景的大小和所定義的雜波場景大小相同，合成孔徑雷達在獲取所述SAR圖像時的工作波段和ro雷達的工作波段相同；如圖3所示。步驟二、將整個雜波場景沿X軸和Z軸等分為長度為Dx、寬度為Dz的矩形散射單元，其中Dx為SAR圖像的方位向解析度，Dz為SAR圖像的距離向分辨，將每個散射單元看成分布在單元中心的點散射體。步驟三、將所述散射單元與所述SAR圖像上的像元按照X軸方向平行於SAR圖像
的方位向，Z軸方向平行於SAR圖像的距離向的關係--對應，SAR圖像像元的歸一化灰度
值即為相應散射單元的初始後向散射係數。步驟四、按照ro雷達天線相位中心到點散射體距離相等的關係，在雜波場景上等間隔的劃分等距離環，雷達天線相位中心到等距離環的距離d的範圍，等距離環的間隔Ad及等距離環的個數M分別表示為:
權利要求
1.一種機載相控陣ro雷達雜波的快速模擬方法，其特徵在於，其步驟如下: 坐標系定義:定義三維地理坐標系，即當地的北-天-東地理坐標系，其中原點O取在初始時刻載機質心在水平面上的投影點，X軸指向正北，是ro雷達的運動方向，Y軸垂直於當地水平面,指向天，Z軸指向正東； 雜波場景定義:定義雜波場景為矩形，其在X軸的範圍為Wx，在Z軸的範圍為Wz ；步驟一、選取一幅SAR圖像，所述SAR圖像上場景的大小和所定義的雜波場景大小相同，合成孔徑雷達在獲取所述SAR圖像時的工作波段和ro雷達的工作波段相同； 步驟二、將整個雜波場景沿X軸和Z軸等分為長度為Dx、寬度為Dz的矩形散射單元，其中Dx為SAR圖像的方位向解析度，Dz為SAR圖像的距離向解析度，並將每個散射單元看成分布在單元中心的點散射體； 步驟三、將所述散射單元與所述SAR圖像上的像元按照X軸方向平行於SAR圖像的方位向，Z軸方向平行於SAR圖像的距離向的關係一一對應，SAR圖像像元的歸一化灰度值即為相應散射單元的初始後向散射係數； 步驟四、按照ro雷達的天線相位中心到點散射體距離相等的關係，在雜波場景上等間隔的劃分等距離環； 步驟五、對ro雷達的發射信號U(t)進行升採樣處理，並對升採樣的結果進行快速傅立葉變換得到U(CO)； 步驟六、在雷達發射脈衝時，計算當前時刻各散射單元的後向散射係數0°;計算當前時刻各散射單元的斜距R，並根據所述R計算各散射單元的幅度A ； 步驟七、針對每一等距離環，將其所包含的各散射單元的幅度和補償斜距差帶入都卜勒項後再進行相干疊加，得到每個等距離環的雷達後向散射係數； 步驟八、將所有等距離環的等效雷達後向散射係數和對應環的中心斜距帶入都卜勒項後再進行相干疊加得到系統的衝擊響應函數h(t)，並對h(t)進行快速傅立葉變換得到H(Co)； 步驟九、將步驟五中獲取的U(co)與H(co)相乘，再對相乘的結果進行逆快速傅立葉變換，得到該發射脈衝對應的周期接收的雜波信號； 步驟十、重複步驟六至步驟九，得到所有脈衝重複周期的雜波信號。
全文摘要
本發明提出了一種機載相控陣PD雷達雜波的快速模擬方法，該方法的過程為選取一幅SAR圖像；將整個雜波場景劃分成矩形散射單元，並將每個散射單元看成分布在單元中心的點散射體；獲取各散射單元的初始後向散射係數；在雜波場景上等間隔的劃分等距離環；對PD雷達的發射信號進行升採樣處理，並對升採樣的結果進行快速傅立葉變換得到U(ω)；計算各散射單元的幅度A；計算每個等距離環的雷達後向散射係數；獲取系統的衝擊響應函數，並對其進行快速傅立葉變換得到H(ω)；將U(ω)與H(ω)相乘，再對相乘的結果進行逆快速傅立葉變換，得到該發射脈衝對應的周期接收的雜波信號。本發明實現了在較高解析度下機載PD雷達系統下自然場景雜波的快速模擬。
文檔編號G01S7/40GK103207387SQ201310099758
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月26日 優先權日2013年3月26日
發明者劉峰, 高立寧, 任昱晨, 孫晗偉 申請人:北京理工雷科電子信息技術有限公司