CN102495401B - 无线电探测器的动态场景回波仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线电探测器的动态场景回波仿真方法。该方法利用三维物体建模软件构造无线电探测器的工作场景，根据无线电探测器的零中频回波信号仿真方法，设定场景中各物体的动态状态或轨迹，实现无线电探测器在动态场景情况下的回波信号仿真。本发明的突出特点是具有很好的通用性，利用空间建模软件可构造任意复杂度的工作场景和目标，无线电探测器的零中频回波仿真方法综合考虑了探测器所有可能的工作体制，仅需要设定其工作频率、天线参数、场景物体表面的电参数及其运动参数，即实现无线电探测器的动态场景回波仿真系统。同时，本发明所给出的动态场景回波仿真方法，具有仿真计算量小、执行速度快的优点。

Description

无线电探测器的动态场景回波仿真方法

技术领域

本发明属于无线电探测器的回波仿真技术，主要涉及空间工作场景的构造、动态场景的实现方法、以及相应的动态场景回波仿真技术。

背景技术

无线电探测器是一种短距离回波探测器，具有和雷达相似的工作原理和技术，但其有效的探测范围、天线波束宽度、数据处理方法等与雷达具有很大的不同，无法用目标的雷达截面积(RCS)计算其回波信号的强度，实际中的目标回波信号与目标的形状、距离及其与探测器的相对方位有关。然而，目标的回波信号对探测器研制过程中的系统设计及测试至关重要，而实物仿真获得的回波数据，受实际仿真目标的精度和环境影响较大，实用性较差。因此，本发明给出了一种利用当前的计算机技术实现无线电探测器动态场景下的回波仿真方法，以解决当前回波仿真方法中精度差、通用性不高及计算量大的问题。

发明内容

本发明结合无线电探测器的实际工作过程，给出利用空间建模软件构造无线电探测器工作场景的方法及技术要求，提出了一种动态场景的实现方法及其相应的零中频回波信号仿真方法，实现了无线电探测器的动态场景回波仿真。

本发明的整体技术创新体现在以下几个方面：

1.根据无线电探测器的工作频率、目标与探测器的相对距离、回波仿真精度，确定了场景物体基本散射单元的大小，给出了场景物体的构造方法及其散射单元的划分方法；

2.本发明将由空间建模软件构造的工作场景模型转换了相应的数据模型与显示模型，其中数据模型用于回波仿真计算，而显示模型用于动态的场景显示。通过给定每个仿真时刻的物体位置信息，并该信息及时更新到数据模型与显示模型的相应物体，实现了无线电探测器回波仿真中的动态场景。

3.通过建立无线电探测器发射机与接收机间的差频信号模型，本发明综合考虑无线电探测器工作的所有工作体制，提出了一种通用性较强的零中频回波信号仿真方法。

附图说明

图1是无线电探测器的工作过程。

图2是基本散射单元。

图3是动态场景回波仿真方法流程图。

图4是动态场景回波仿真系统的实现框图。

具体实施方式

无线电探测器的工作过程为：调制信号对高频本振信号调制，获得高频振荡电信号，经过射频电路后通过天线发射电磁波，遇到目标发生后向散射，并由探测器接收天线接收并激发相应的高频电信号，再由高频本振信号混频，经过滤波得到差频信号，而差频信号正是所需要仿真的信号。因此，无线电探测器的回波信号仿真实质上为对其接收差频信号的仿真，其中需要涉及发射信号、高频电流、电磁波等的仿真，如图1所示。

而其相应的高频信号仿真过程为：由高频电流的瞬时功率和天线方向图，得到空间散射点的能量密度，再由物体的后向散射特性得到每个散射点在接收天线上的能量密度，根据接收天线的面积及天线方向图计算接收机接收到每个散射点的回波能量，最后将这些散射点的回波能量叠加在一起，获得接收机接收到的能量，进而将接收到的能量转换为相应的高频电流。实际上，由于高频信号频率过高导致其离散化的数字仿真实现起来很困难。为了降低回波仿真的难度，本发明建立了发射机调制信号和接收机差频信号之间的信号关系，提出了无线电探测器回波仿真的零中频信号仿真方法，从而避免了高频电流信号的仿真，减少了无线电探测器的回波仿真计算量。

然而，无线电探测器的回波仿真仅仅考虑发射机与接收机之间的信号关系是不足的，实际还涉及到探测器与工作场景目标间的相对运动位置关系。因此，无线电探测器的回波仿真需要实现的是探测器在实际工作场景中的回波信号仿真，即动态场景的回波仿真。接下来，本发明先给出了空间场景模型的构造方法及其散射单元划分方法、动态场景实现方法、无线电探测器的零中频回波仿真方法，最后给出无线电探测器的动态场景回波仿真方法。

(1)空间场景建模及散射单元划分方法

利用常用空间建模软件构造无线电探测器的工作场景，是本发明实现动态场景回波仿真的重要环节。场景模型的构造过程需要设置场景物体的散射单元划分精度、材质电参数、后向散射特性、对象类型、是否活动物体等诸多方面的信息，这些信息均是回波仿真方法实现时所需要的，缺一不可。而场景物体的散射单元划分方法，直接涉及到其实际目标的建模精度，影响到无线电探测器回波仿真的精确度，是场景建模的重要参数。

根据无线电探测器的相关理论，目标物体可看作由于大量的基本散射单元组成，这些基本散射单元可当作点目标来处理。实际中，常用空间建模软件(如3ds MAX)将物体的表面建模成大量的三角形面片。本发明将组成场景物体模型的三角形面片看作该物体的散射单元，并将三角形面片的内接圆半径作为衡量三角形面片的几何大小。在场景物体建模时，最大三角形面片的几何尺度决定最终建模的精度，其大小需依据目标与探测器的距离、工作频率及仿真精度等来确定，则空间散射单元的最大尺寸可由下面的确定方法给出。

如图2所示，设发射机O到散射单元重心点C的距离为r，C为线段AB的中点，AC的长度为x，OA和OB的长度分别为r₁和r₂，则

而

并且电磁波入射方向和平面法线的夹角θ，满足0＜θ≤π/2。根据三角形的余弦定理，可得OA和OB之间的路径差为

$\mathrm{\Δr}={|r_2-r|}_1=|\sqrt{r^2+x^2-2\mathrm{rx}\cos (\mathrm{\π}/2+\mathrm{\θ})}-\sqrt{r^2+x^2-2\mathrm{rx}\cos (\mathrm{\π}/2-\mathrm{\θ})}|---\left(1\right)$

同时，假设电磁波的频率为f，电磁波在媒质中的相位常数为β，对于由波源O到OA和OB的前向波来说，当电磁波传播分别到达OA和OB时，两者之间的波相位差为

其中β＝2π/λ且λ为电磁波的波长。

根据电磁波散射理论的Rayleigh准则，若两条反射线之间的相位差小于π/2，可认为该表面是光滑的。由此，若三角形面片上两点反射波达到接收机的波程相位差小于π/2，则可将这两个点看作同一个反射点。从上述几何关系中，若将A和B看作同一个散射点，则有

将β代入到上式中

$2\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;2\mathrm{\&Delta;r}/\mathrm{\&lambda;}<\mathrm{\&pi;}/2\&DoubleRightArrow;8\mathrm{\&Delta;r}/\mathrm{\&lambda;}<1---\left(4\right)$

在实际空间场景的建模中，三角面片很小，其外接圆的半径也很小。即使辐射源点O离三角面片很近(大于1米，小于10米)，达到A点和B点的入射波可近似看作平行入射波，则分别达到A和B的入射波路程差，可由(1)式近似为

Δr＝|r₂-r₁|≈2xsinθ                (5)

然而，若将达到A点和B点的入射波可近似看作平行入射波的条件为两点入射波的射线夹角近似为0，则有

$\frac{2x\cos \mathrm{\&theta;}}{r}\&le;\mathrm{\&epsiv;}\&DoubleRightArrow;2x\&le;\frac{\mathrm{r\&epsiv;}}{\cos \mathrm{\&theta;}}---\left(6\right)$

其中ε是一个可看作为0的并且大于0的实数。同时，由(5)式和(4)式可得

$2x<\frac{\mathrm{\&lambda;}}{8\sin \mathrm{\&theta;}}---\left(7\right)$

若令线段AB的长度为l，则有l＝2x，所以可得到

$l\&le;\min \{\frac{\mathrm{\&lambda;}}{8\sin \mathrm{\&theta;}},\frac{\mathrm{r\&epsiv;}}{\cos \mathrm{\&theta;}}\}---\left(8\right)$

对于垂直入射波来说，sinθ≈θ，cosθ≈1，则上式可进一步改写为

$l\&le;\min \{\frac{\mathrm{\&lambda;}}{8\mathrm{\&theta;}},\mathrm{r\&epsiv;}\}---\left(9\right)$

取θ＝ε，可得

$l\&le;\min \{\frac{\mathrm{\&lambda;}}{8\mathrm{\&epsiv;}},\mathrm{r\&epsiv;}\}---\left(10\right)$

对于波长为0.01米，取ε＝0.001，波源到空间场景某点的距离为20米，则

l≤min{1.25，0.02}      (11)

这样的话，则空间场景建模的三角面片，其外接圆的直径要小于2cm，若要进一步提高仿真精度，可选取更小的ε。

(2)动态场景的实现方法

利用常用空间建模软件构造的场景模型，实际上一个静态的场景模型，无法动态化。因此，要使用该场景模型实现动态场景，需要将该模型转换为数据模型和显示模型，其中数据模型用于本发明无线电探测器回波信号的计算，而显示模型用于场景模型的动态显示，两者实际上场景模型的空间数据版本和显示版本，具有场景对象一一对应关系。这样，在空间建模软件的工作环境之外，本发明可独立地利用场景模型的数据实现动态场景的回波仿真。实际上，无线电探测器的动态场景回波仿真是探测器在实际工作场景中的目标探测过程仿真，涉及到探测器及场景物体在工作场景中的相对运动。

本发明实现动态场景仿真的基本思路：根据探测器和场景物体的运动信息，在工作场景的数据模型和显示模型中分别给定其每个时刻的位置信息，每个时刻的数据模型用于计算该时刻的探测器回波数据，而每个时刻的场景物体位置信息则通过场景显示模块显示出来。由此，多个时刻的场景对象位置依次更新过程，本发明可获得一个动态连续的工作场景，实现了连续的动态场景回波信号仿真。

利用3ds MAX空间建模软件，本发明构造了无线电探测器的工作场景，通过实现3ds MAX的空间数据导出模块，将场景模型转换成了数据模型，并由3ds MAX的虚拟现实转换模块，获得了相应的显示模块。最后，利用这样获得的数据模型和显示模块，本发明构造了无线电探测器的动态场景回波仿真系统，实现了动态场景的回波仿真。

(3)零中频回波的仿真方法

实际中，无线电探测器的高频发射信号可表示为如下数学形式

其中f_am(t)表示高频信号的幅度调制，f_fm(t)表示高频信号的频率调制，f_pm(t)表示高频信号的相位调制，φ₀表示高频发射信号的相位。

鉴于电磁波的传播速度和探测器与目标间的相对运动速度相差很大，则发射信号s(t)从发射天线发出到接收机接收目标的回波信号r(t)，无线电探测器和目标间的相对位置可近似为不变。实际中，探测器的发射天线和接收天线共用，发射信号和接收信号之间没有衰减，则当发射信号s(t)遇到距发射天线的距离为r(t)的目标后，接收天线的高频信号为

$y\left(t\right)=x(t-\frac{2r\left(t\right)}{c})---\left(13\right)$

这里，c为电磁波波速，一般等于光速。为了得到接收天线收到的时间回波信号，需对接收到高频信号和发射信号的载波进行混频。

无线电探测器接收机混频器的输出为

为了简化处理，令

即有如下的形式

同时，利用三角函数积化和差的关系式

$\sin x\sin y=\frac{1}{2}[\cos (x-y)-\cos (x+y)]---\left(16\right)$

混频信号进一步可写为

这样，经过与发射机的本振信号进行混频，可将混频信号划分成两部分，即低频部分

高频部分

在接下来的推导中考虑低频部分，而高频部分因为混频后经过低通滤波后被去除，则经过低频滤波后的混频信号输出v_o(t)为

将代入到上式中，可最终混频器的低频输出为

这样，将v_o(t)称为无线电探测器的零中频等效接收信号。

在实际中，无线电探测器的调幅信号f_am(t)、调频信号f_fm(t)和调相信号f_pm(t)，其频率相对于载波信号来说很低。同时，考虑到目标和探测器间的信号往返传播延时较短，则上述无线电探测器的基带等效信号可近似为

通过上述的近似，可简化仿真系统的实现过程，并保持基带等效接收信号中包含多普勒信号和距离信息。

同时，相对于调频信号f_fm(t)来说，往返延时很小，可忽略得到t′≈t，则上述的基带等效信号为

考虑到无线电探测器所有可能的工作体制，本发明将无线电探测器的发射信号看作由三种调制信号f_am(t)、f_pm(t)和f_fm(t)组成，则对于高频发射信号x(t)来说，无线电探测器的发射功率是由幅度调制信号f_am(t)确定，而相位调制信号f_pm(t)和频率调制信号f_fm(t)仅影响发射信号的相位。同时，再考虑到混频器的最终输出信号v_o(t)，本发明所给出的无线电探测器回波计算方法可按下面的7个步骤完成。

①发射机发射的信号为f_am(t)，由它可确定发射机的瞬时发射功率；

②再由发射机的瞬时发射功率，确定发射信号在空间某个散射单元处的功率密度；

③接下来，结合该散射单元外法线和入射方向的夹角，计算该散射单元有效接收面积，由此进一步得到该散射单元接收到的总能量；

④根据该散射单元的后向散射系数获得其散射的能量，将该散射单元看作源波，计算其后向散射到接收天线的功率密度；

⑤由接收天线的有效面积、天线增益，计算接收机天线接收到该散射单元的散射总能量，并由接收天线的输入阻抗得到该散射单元所激发的高频电流幅度f_r，am(t)；

⑥再由发射机的调相信号f_pm(t)、调频信号f_fm(t)、探测器和目标的距离r(t)等，按下式计算接收机混频器的输出

⑦最后，将空间所有散射单元产生的时间波形叠加在一起，得到接收机最终混频器的时间输出波形v_o(t)。

在上述计算方法上，还需要涉及到确定高频电流的幅度，其大小可通过天线接收总功率和天线的输入阻抗来得到。将发射天线高频输入电流的相量表示为I_in，天线的输入阻抗为R_in，则相应高频输入电压的相量表示为

V_in＝R_inI_in    (25)

同时，天线的辐射电阻为R_rad，损耗电阻为R_loss，并且具有如下的关系成立

R_in＝R_rad+R_loss       (26)

则发射天线的辐射功率为

P_rad＝(R_radI_in)I_in ^*    (27)

这里I_in ^*表示I_in的共轭。

而第i个散射单元s_i和发射天线间的距离为r_i，处理发射天线的空间方位

上，则该发射天线在该散射单元处产生的功率密度p_i可表示为

i＝0，1，…，N-1      (28)

其中

为发射天线在方向

上的增益。

根据散射单元的外法线方向和发射天线入射波方向的夹角为φ_i，该散射单元接收入射波能量的有效面积为该散射单元在垂直于入射波方向的投影s_icosφ_i。同时，探测器收发天线共用，其接收增益与发射增益相同，则探测器接收到来自于散射单元s_i的后向散射能量为

当接收天线的输入阻抗R_A与其馈线负载阻抗匹配时，探测器接收机可获得散射单元i激发的最大回波电流，其幅度I_i为

$I\left(i\right)=\sqrt{\frac{p_r\left(i\right)}{2R_A}}---\left(30\right)$

(4)动态场景回波仿真方法

由上述相关理论知识，本发明给出了无线电探测器动态场景回波仿真方法，其由以下几个步骤组成：

(1)利用空间建模软件构造探测器的工作场景s，设定场景对象的对象类型、是否活动物体、其材质的电导率、磁导率、介电常数和后向散射系数等参数、以及场景建模面片的外接圆最大尺度l，由公式10给定；

(2)将场景模型s转换成相应的空间数据场景s1及相应的虚拟现实场景s2，前者s1用于计算回波信号强度，后者用于动态场景的显示。

(3)在时间t，探测器与散射单元i间的距离为r_i、探测信号在散射单元i平面上的入射角φ_i，探测器的发射功率为P_rad，其数值等于公式20给出的探测发射强度x(t)的平方，由公式28计算探测器收到该散射单元i的散射功率p_r(i)。

(4)根据探测器收发天线的增益G、输入电阻R_in、辐射电阻R_rad、损耗电阻为R_loss等参数，由公式30计算场景散射单元i的回波功率p_r(i)在天线上激发的高频电流强度I(i)。

(5)由探测器接收到散射单元i的回波信号强度I(i)，根据公式24计算机该散射单元i的回波信号v_o(t，i)。最后，将所有散射单元的回波信号v_o(t，i)叠加起来，获得探测器在时间t时接收到回波信号v_o(t)，如公式25所示。

(6)在时间t+Δt时刻，根据探测器和场景物体的运动参数，给定其空间数据场景s1和显示场景s2中的位置，实现场景s1与场景s2的同步，再按步骤3-5计算探测器在t+Δt时刻的回波信号v_o(t+Δt)。

(7)最后，将步骤3-6按仿真时间隔Δt持续下去，本发明实现了动态场景的回波仿真，具有动态场景显示和回波信号等显示功能。

(5)本发明的实现结果

利用空间建模软件构造的探测器工作场景，本发明建立了一个无线电探测器动态场景回波仿真系统，其系统功能模块如图5所示。该动态场景回波仿真系统有两个输入信号，即探测器的实时发射信号和场景物体对象的运动轨迹，前者用于确定探测器的发射功率，后者用于确定场景中各物体的实时位置，用于更新加载到仿真系统中的场景对象位置信息，并用于更新显示模型中各对象的实时位置并通过显示模块展示出来。而仿真系统中的空间响应模块则实现了无线电探测器的零中频回波仿真，获得回波时间波形由波形显示模块动态地显示出来。这样，利用本发明提出的技术，实现了无线电探测器动态场景的回波仿真，验证了本发明的实际可行性。

Claims (4)

1.一种无线电探测器动态场景回波仿真方法，包括：

(1)工作场景建模及散射单元划分，包括：利用空间建模软件构造探测器的工作场景s，设定场景对象的对象类型、是否存在活动物体、其材质的电导率、磁导率、介电常数和后向散射系数参数、以及场景建模面片的外接圆最大尺度l，由下式给定

$l\&le;\min \{\frac{\mathrm{\&lambda;}}{8\mathrm{\&epsiv;}},\mathrm{r\&epsiv;}\}$

其中λ为探测器工作波段的波长，r是探测器的最短探测距离，ε是使两个点辐射源可看作一个点源时的探测器最小夹角弧度，算子min(·)表示两个数值的最小值；

(2)工作场景的格式转换：将场景模型s转换成相应的空间数据场景s1及相应的虚拟现实场景s2，前者s1用于计算回波信号强度，后者s2用于动态场景的显示；

(3)散射单元功率计算：工作场景散射单元的总数量为N，则在时间t，探测器与散射单元i间的距离为r_i，i＝1，2,…，N、探测信号在散射单元i平面上的入射角为φ_i，探测器的发射功率为P_rad，其数值等于探测发射强度x(t)的平方，由下面公式计算探测器收到该散射单元i的散射功率p_r(i)，即

其中

为散射单元i所在天线方位

的增益，s_i为散射单元i的面积，θ_i为散射单元i与天线水平坐标平面之间的夹角，

为散射单元i与天线垂直坐标平面之间的夹角；

(4)高频电流幅度计算：根据探测器收发天线的增益G、输入电阻R_in、辐射电阻R_rad、损耗电阻R_loss参数，计算场景散射单元i的回波功率p_r(i)在天线上激发的高频电流强度I(i)；

(5)由探测器接收到散射单元i的回波信号强度I(i)，根据下面的公式计算该散射单元i的回波信号v_o(t，i)，即

其中f_r，am(t′，i)是散射单元i所激发的高频电流幅度，f_pm(t)是发射机的调相信号，f_fm（t)是调频信号，r(t)是探测器和目标的距离，c是电磁波的波速，

是探测器发射信号的角频率t′＝t-2r(t)/c，最后，将所有散射单元的回波信号v_o(t，i)叠加起来，获得探测器在时间t时接收到回波信号v_o(t)；

(6)在时间t+Δt时刻，根据探测器和场景物体的运动参数，给定其空间数据场景s1和显示场景s2中的位置，实现场景s1与场景s2的同步，再按步骤3-5计算探测器在t+Δt时刻的回波信号v_o(t+Δt)；

(7)最后，将步骤3-6按仿真时间隔Δt持续下去，实现动态场景的回波仿真，具有动态场景显示和回波信号显示功能。

2.根据权利要求1所述的无线电探测器动态场景回波仿真方法步骤1中，用散射单元的最小外接圆直径l作为散射单元划分精度的指标；散射单元的形状可划分成三角形、四边形；其最小外接圆直接径l的大小，需要考虑到探测器的工作频率、目标与探测器的相对距离、信号仿真精度因素，将所有散射单元当作点目标处理。

3.根据权利要求1所述的无线电探测器动态场景回波仿真方法步骤2可分两个步骤实施：(1)由场景模型s的物体对象及其空间几何数据在空间立体建模软件中的组织结构，将整个场景中的物体对象及其空间几何数据、坐标系统及相应的坐标变换矩阵导出，获得空间数据场景s1，该场景用于计算每个仿真时刻的回波信号；(2)由空间建模软件的虚拟现实导出工具，直接将工作场景转换为虚拟显示的场景s2，该场景可由大多的虚拟现实浏览器查看。

4.根据权利要求1所述的无线电探测器动态场景回波仿真方法，其中回波信号计算是一种零中频的回波计算，具体为：(1)将无线电探测器的发射信号看作由三种f_am(t)、f_pm(t)和f_fm(t)调制信号构成，即幅度调制信号f_am(t)、相位调制信号f_pm(t)和频率调制信号f_fm(t)，实际探测器发射功率是由幅度调制信号f_am(t)确定，而相位调制信号f_pm(t)和频率调制信号f_fm(t)仅影响发射信号的相位；(2)权利要求1步骤5中的公式由探测器收发信号间的函数关系得到，考虑了调制发射信号上变频和接收信号下频的实现过程；(3)考虑了探测信号的工作场景中传播过程，是具体场景的信号仿真计算。

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