CN101738603A - 逼真目标回波模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逼真目标回波模拟方法，属于电子模拟领域。平面波数据库的思想来源于电磁计算中的多极子算法，即目标在一个任意方向入射波激励下的散射场可由K个平面波描述，K与目标电尺寸大小有关。本发明对此进行了拓展，依据互易原理，指出K个方向入射场激励下目标的K×K个平面波，可精确地描述目标任意入射方向激励所产生的散射场，由N个不同频率下的K×K数据库，构成完备的宽带平面波数据库N×K×K。目标任意入射方向、频率下的散射场都可由宽带平面波数据库直接读取或插值获得。本发明实现了逼真目标回波实时模拟，该技术可服务于多种雷达应用技术，如雷达成像、图像特征、目标特性、目标识别、赋形设计等。

Description

逼真目标回波模拟方法

技术领域

本发明涉及一种逼真目标回波模拟方法。该发明属于电子模拟技术领域。

背景技术

随着雷达技术、引信技术、以及电子对抗技术的发展，逼真目标回波模拟器的研制已越来越迫切。对其需求将会越来越广泛，要求也越来越高。目标回波模拟器已成为雷达新技术和新体制研究的基础之一，是研究引信技术的关键之一，更是电子对抗研究不可缺少的工具之一。发达国家严格控制此类技术，对我国实行技术封锁政策，因此我国积极开发高效精确的回波仿真技术非常必要也极其紧迫。

目前，已有的回波信号模拟技术难以满足现今科学研究和实际工程的要求，具体表现在扩展目标回波模拟的真实度不够或很不方便通用或很难实时进行。现有目标回波模拟器中扩展目标散射参数一般通过下列三种方法获得。方法之一是通过简化的点目标模型获得。将目标按区域离散为独立小区域，每个小区域视为点目标，其雷达散射截面来源于假定、或经验估计、又或雷达灰度图像等。这种回波模拟器真实度差，难以满足当代尖端雷达技术和引信技术的研制。方法之二是通过实测回波获得。显然，这种方法很不方便通用。因为目标姿态、运动轨迹发生变化，都需要重新测试。方法之三是通过数值计算获得。回波模拟的真实度取决于数值计算的能力，这种方法很难实时进行，另外也需要随着目标姿态、运动轨迹不断重新计算。

鉴于目前目标回波模拟器的不足，这里提出一种逼真目标回波模拟方法。通过建立完整准确表征目标散射特性的平面波数据库，目标回波可根据雷达体制和目标姿态、运动轨迹，通过直接读取或插值平面波数据库，真实实时再现。

发明内容

本发明提出了一种逼真目标回波模拟方法，提高了目标回波的逼真度，并实现了实时模拟。

平面波数据库的思想来源于电磁计算中的多极子算法，即目标在一个任意方向入射波激励下的散射场可由K个平面波描述，K与目标电尺寸大小有关。本发明对此进行了拓展，依据互易原理，指出K个方向入射场激励下目标的K×K个平面波，可精确地描述目标任意入射方向激励所产生的散射场，由N个不同频率下的K×K数据库，构成完备的宽带平面波数据库N×K×K。目标任意入射方向、频率下的散射场都可由宽带平面波数据库直接读取或插值获得。

目标宽带平面波数据库需要预先建立，以备调用。具体建立方法如下：首先确立二维(θ，φ)方位采样：θ采样点数为L，采样区间为[0，π]，采样点使得cosθ在区间[-1，1]上满足Guass_legendre积分方式。一般精度要求下，L＝k·d+2ln(k·d+π)，k为传播常数，d为目标最大尺寸；φ采样点数为2L，在采样区间[0，2π]内等间隔取值。二维(θ，φ)方位总采样个数K＝2L²。由K个方位入射波激励的目标K×K方位的散射场构成目标的平面波数据库，由N个不同频率下的K×K数据库，形成宽带平面波数据库N×K×K。用户可灵活选择不同的方法获得目标的平面波数据库，如全波数值算法、精确的实验测量、高频近似算法。对于单站收发雷达，目标回波模拟仅使用后向平面波数据，即仅需平面波数据库N×K×K中对角线上的平面波N×K即可。

已得目标的平面波数据库后，依据用户所指定的雷达方式(SAR、ISAR)、雷达工作模式(STRIP，SPOT，SCAN)、雷达工作频段、雷达发射脉冲形式、雷达与目标的初始斜距、目标的运动方式(直线、旋转、复合)、运动参数(速度、角速度、加速度)，不再需经数值计算或测量而是通过从平面波数据库中提取或插值获得相应的平面波，再经后处理即可获得满足用户不同要求的回波数据，避免了重复计算，有效缩减回波模拟的时间。设完备的平面波数据为S(f，θ，φ)。回波模拟具体执行步骤如下：

A.雷达与目标相对姿态角、斜距数据的获取。

依据雷达的工作方式，对雷达与目标的相对运动建模。雷达与目标相对运动可分解为直线和旋转运动。直线运动由运动参数直接描述。旋转造成雷达与目标相对姿态的变化，利用旋转造成的Euler角由坐标的变换矩阵求得。

B.依据姿态角、频带参数，从目标平面波数据库直接读相应的平面波。

C.对于姿态角以及频带不在N×K×K采样值的平面波，由邻近的平面波插值获得。

D.将直线运动造成的相移直接加入到相应方位下的平面波中。

$\stackrel{\‾}{S}(f,\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})=S(f,\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})\·\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{R}_L(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ}))$

其中S(f，θ，φ)为加入直线运动造成的相移的结果，

为直运动造成的相移。

E.依据雷达发射脉冲形式，将B、C、D获得的平面波数据转化为雷达发射脉冲与目标作用后的散射回波。

平面波数据库记录的数据为静态目标点频/扫频的散射场，扫频散射场隐含的假设条件为雷达发射脉冲为时域sinc窄脉冲形式，而实际中，雷达发射脉冲一般使用线性调频或步进调频形式。为使回波数据等效为雷达发射脉冲与目标作用的散射结果，需对扫频散射场进行相位加权处理，权函数为发射脉冲的频域形式。

即 $\stackrel{=}{S}(f,\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})=\stackrel{\‾}{S}(f,\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})\·\exp \left(\mathrm{j\ψ}\left(f\right)\right)$

其中exp(jψ(f))为发射脉冲的频域形式，

为发射脉冲形式匹配后的结果。

F.将E获得两个以上方位的回波，依据设定的雷达的工作方式，按时间先后叠加，最终获得目标的回波。

设最终模拟结果为S_out(f)，时域结果为s_out(t)

即 $S_{\mathrm{out}}\left(f\right)=\underset{(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})}{\mathrm{\Σ}}\stackrel{=}{S}(f,\mathrm{\θ},\mathrm{\φ});$ s_out(t)＝FFT[S_out(f)]，其中FFT表示快速傅立叶变换。

本发明的有益效益：

·目标的逼真回波模拟，可代替相关的实验测量过程，有效缩减研究经费。

·基于目标平面波数据库，可实时模拟不同观测范围、不同脉冲形式的目标回波，大大减少仿真验证过程，缩短研究周期。

·目标的逼真回波数据可服务于多种雷达应用技术，如雷达成像、图像特征、目标特性、目标识别、赋形设计等，对雷达各项技术的发展起到促进作用。

附图说明

图1逼真雷达信号模拟方法流程

1-运动模拟  2-平面波数据库  3-生成回波

图2平面波数据库示意图

4-入射波方位  5-散射波方位  6-后向散射  7-φ  8-θ  9-插值点

图3平面波数据库θ采样

5-θ  11-dθ  12-采样点

图4目标姿态角变化

13-角度  14-时间  5-θ  19-φ

图5回波的幅值(RCS)和相位

15-VV RCS(dBsm)  16-HH RCS(dBsm)  17-VH RCS(dBsm)  18-HV RCS(dBsm)

19-VV Phase  20-HH Phase  21-VH Phase  22-HV Phase

具体实施方式

现结合发明附图对发明的技术方案做进一步解释。

下面，以锥旋中的金属球头锥为例，具体说明逼真雷达信号模拟方法的实施过程，参考图1。

用户参数指定：单脉冲单站雷达(频率为3.0GHz)、球头锥锥旋(频率为1.0Hz，锥旋轴平行于水平面，锥旋锥角为10°、锥旋中心位于球头锥质心)、雷达与目标距离为120Km，初始视角(俯仰角为45°，无偏航角)，跟踪时间为T＝1s。球头锥为金属球头锥，锥顶球半径为0.05m，锥底半径为0.5m，锥高1.6m。脉冲重复频率PRF为750。

依据本发明方法建立球头锥目标平面波数据库，平面波数据库示意图见图2：N＝1；L＝110；K＝24200。θ采样点数为L＝110，采样区间为[0，π]，采样点使得cosθ在区间[-1，1]上满足Guass_legendre积分方式，采样点分具体分布如图3所示，采样值在0度和180度附近非等间隔。φ采样点数为2L＝220，在采样区间[0，2π]内等间隔取值。

由于目标带涂敷，利用全波数值算法计算各方位的平面波数据，由于雷达单站收发，因此仅建立球头锥的后向的平面波数据库即可，数据库大小为K。

A.雷达与目标相对姿态角、斜距数据的获取。

已知后向平面波数据库后，依据ISAR模式，雷达静止而目标锥旋，对目标的运动建模，获得姿态角参数。用户要求运动参数下目标的姿态角参数见图4。

B.依据姿态角、频带参数，从目标平面波数据库直接读相应的平面波。

实际姿态角的采样个数为T*PFR＝750，θ采样区间为[35°，55°]，φ采样区间[90°，270°]，读取相应平面波数据。如，θ取值56.6067，54.9778，53.3488，51.7199，…，35.4307；φ取值89.1089，90.8911，92.6733，94.4554，…，270.8911.

C.对于姿态角以及频带不在N×K×K采样值的平面波，由邻近的平面波插值获得。

本算例中需要由得到的平面波数据插值获得实际姿态角为：θ55.2000，54.7200，54.4800，54.2400…；φ90.2400  90.4800  90.7200  90.960091.2000  91.4400，...。

D.将直线运动造成的相移直接加入到相应方位下的平面波中。用户给定运动参数中，目标无直线运动，无须处理。

E.依据雷达发射脉冲形式，将B、C、D获得的平面波数据转化为雷达发射脉冲与目标作用后的散射回波。

用户给定雷达参数中，雷达为单脉冲雷达，故无须发射脉冲形式匹配处理。

F.将E获得两个以上方位的回波，依据设定的雷达的工作方式，按时间先后叠加，最终获得目标的回波。

最后，按照时间先后将各姿态角下的回波叠加，即可得到微动状态下的回波，数值结果见图5。

本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神或原则下进行的任何局部改进、等同替换都将视为在本发明的保护范围之下。

Claims (1)

1.一种逼真目标回波模拟方法，其特征在于：

目标宽带平面波数据库预先建立，目标宽带平面波数据库建立方法为：首先确立二维(θ，φ)方位采样：θ采样点数为L，采样区间为[0，π]，采样点使得cosθ在区间[-1，1]上满足Guass_legendre积分方式；一般精度要求下，L＝k·d+2ln(k·d+π)，k为传播常数，d为目标最大尺寸；φ采样点数为2L，在采样区间[0，2π]内等间隔取值；二维(θ，φ)方位总采样个数K＝2L²；由K个方位入射波激励的目标K×K方位的散射场构成目标的平面波数据库，由N个不同频率下的K×K数据库，形成宽带平面波数据库N×K×K；用户可灵活选择不同的方法获得目标的平面波数据库，如全波数值算法、精确的实验测量、高频近似算法；对于单站收发雷达，目标回波模拟仅使用后向平面波数据，即仅需平面波数据库N×K×K中对角线上的平面波N×K即可；

该方法的具体执行如下：

A.雷达与目标相对姿态角、斜距数据的获取；

依据雷达的工作方式，对雷达与目标的相对运动建模；雷达与目标相对运动可分解为直线和旋转运动；直线运动由运动参数直接描述；旋转造成雷达与目标相对姿态的变化，利用旋转造成的Euler角由坐标的变换矩阵求得；

B.依据姿态角、频带参数，从目标平面波数据库直接读相应的平面波；

C.对于姿态角以及频带不在N×K×K采样值的平面波，由邻近的平面波插值获得；

D.将直线运动造成的相移直接加入到相应方位下的平面波中；

$\stackrel{\‾}{S}(f,\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})=S(f,\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})\·\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{R}_L(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})),$ 其中S(f，θ，φ)为加入直线运动造成的相移的结果，

为直运动造成的相移；

E.依据雷达发射脉冲形式，将B、C、D获得的平面波数据转化为雷达发射脉冲与目标作用后的散射回波；

平面波数据库记录的数据为静态目标点频/扫频的散射场，扫频散射场隐含的假设条件为雷达发射脉冲为时域sinc窄脉冲形式，而实际中，雷达发射脉冲使用线性调频或步进调频形式；为使回波数据等效为雷达发射脉冲与目标作用的散射结果，需对扫频散射场进行相位加权处理，权函数为发射脉冲的频域形式；即 $\stackrel{=}{S}(f,\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})=\stackrel{\‾}{S}(f,\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})\·\exp \left(\mathrm{j\ψ}\left(f\right)\right);$ 其中exp(jψ(f))为发射脉冲的频域形式，

为发射脉冲形式匹配后的结果；

F.将E获得的不同方位的回波，依据雷达的工作方式，按时间先后叠加，最终获得雷达所接收回波；

设最终模拟结果为S_out(f)，时域结果为s_out(t)；即 $S_{\mathrm{out}}\left(f\right)=\underset{(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})}{\mathrm{\Σ}}\stackrel{=}{S}(f,\mathrm{\θ},\mathrm{\φ});$ s_out(t)＝FFT[S_out(f)]，其中FFT表示快速傅立叶变换。

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