CN102628935B - 一种全极化海杂波仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种全极化海杂波仿真方法，利用SIRP方法仿真K分布的随机序列作为HH极化通道的海杂波，然后利用HH极化通道与VV极化通道之间的幅度约束和相位约束关系仿真VV极化通道的海杂波，最后利用HH极化通道与交叉极化通道间的约束关系仿真交叉极化通道的海杂波，得到各散射单元的全极化散射矩阵，实现全极化海杂波的仿真，仿真结果表明，本发明仿真得到的全极化海杂波数据能够反映出海尖峰等海洋现象，并且各极化通道之间的约束关系满足低海况下海杂波的物理特性，仿真结果可以用于后续的应用。

Description

一种全极化海杂波仿真方法

技术领域

本发明涉及一种全极化海杂波仿真方法，属于雷达回波仿真领域。

背景技术

对海面目标探测是雷达的重要应用领域之一，但由于海况的复杂多变和海面影响因素的多样性，目前对海面的仿真仍然面临很多的困难，主要基于海杂波的统计特性对海杂波进行讨论和仿真分析，目前常用的描述海杂波的统计模型有瑞利分布、威布尔分布、对数正态分布、K分布等，这些分布模型都是统计意义上的描述，也没有涉及到具体的雷达极化状态，或者认为是不同极化的平均结果。随着雷达分辨率的不断提高，K分布是众多的分布模型中能够较好的反映高分辨率海杂波特性的分布，而对K分布的仿真，目前主要采用SIRP(球形不变随机过程)方法。

极化是包括微波在内的电磁波的基本属性，全极化雷达回波不仅包含了目标和杂波的RCS(雷达散射截面积)信息，而且可以反映不同极化通道之间的相位信息，因此，与单极化雷达相比，全极化雷达可以提取出更加丰富的目标和杂波信息，是目前雷达发展的趋势之一。

由于海面不是静止的，是一个动态过程，因此难以对海面建立确定的几何模型，由于全极化回波对极化通道间的相位信息的敏感性，使得电磁计算的方法难以直接应用于全极化海杂波的仿真，这也制约了全极化海面散射特性仿真分析、全极化海面目标检测研究等的开展。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，针对不同极化通道海杂波的特点和相互间的约束关系，提供一种实现全极化海杂波仿真的方法，仿真结果表明，本发明仿真得到的全极化海杂波数据能够反映出海尖峰等海洋现象，并且各极化通道之间的约束关系满足海杂波的物理特性，仿真结果可以用于后续的分析。

本发明技术解决方案：一种全极化海杂波仿真方法，实现步骤如下：

步骤101，利用已有的SIRP(球形不变随机过程)方法仿真满足K分布的随机序列，并将仿真得到的随机序列作为HH极化通道的海杂波，记为s_hh；所述HH极化通道指采用水平极化的雷达发射电磁波，并用水平极化的雷达接收回波，即水平发射，水平接收，简称HH；

步骤102，根据仿真的HH极化通道的海杂波s_hh，采用HH极化通道和VV极化通道的幅度约束，仿真计算VV极化通道海杂波s_vv的幅度，即：

|s_vv|＝r_co|s_hh|

上式中的|x|表示对x取模值运算，r_co为同极化比参数；

所述VV极化通道指采用垂直极化的雷达发射电磁波，并用垂直极化的雷达接收回波，即垂直发射，垂直接收，简称VV；

步骤103，根据仿真的HH极化通道的海杂波s_hh，利用HH极化通道和VV极化通道间的相位差，仿真计算VV极化通道的海杂波s_vv的相位，即：

φ_vv＝angle(s_hh)-φ_co

式中，angle(y)表示取y的相位，φ_co为HH极化通道和VV极化通道间的相位差；

步骤104，根据仿真的HH极化通道海杂波s_hh，利用HH极化通道和交叉极化通道间的幅度约束，仿真计算交叉极化通道海杂波s_x幅度，即：

$\left|s_x\right|=\frac{1}{r_x}\left|s_{\mathrm{hh}}\right|$

式中r_x为HH极化通道海杂波与交叉极化通道海杂波的幅度比值；交叉极化通道的相位φ_x则利用[0，2π]之间的均匀分布进行仿真，从而实现全极化海杂波仿真：

$s=\left[\begin{array}{cc}{s}_{\mathrm{hh}}& s_x\\ s_x& s_{\mathrm{vv}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{s}_{\mathrm{hh}}& \left|s_x\right|e^{j{\mathrm{\φ}}_x}\\ \left|s_x\right|e^{j{\mathrm{\φ}}_x}& \left|s_{\mathrm{vv}}\right|e^{j{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{vv}}}\end{array}\right].$

所述步骤102中，仿真计算VV极化海杂波的幅度过程中，同极化比参数r_co采用限定范围的均匀分布方法，即r_co∈[r_min，r_max]，并且加入了约束条件r_min和r_max分别为同极化比的最小值和最大值。

所述步骤103，仿真计算VV极化海杂波的相位过程中，所述同极化相位差φ_co采用均值为0、方差为σ²的高斯分布进行仿真，即φ_co～(0，σ²)。

所述步骤104中，仿真计算交叉极化通道海杂波s_x的过程中，交叉极化通道的平均回波功率计算式为：

$p_x=\frac{<{\left|s_{\mathrm{hh}}\right|}^2>}{<r_x^2>}$

其中

为HH极化通道海杂波与交叉极化通道海杂波的平均功率比值，r_x取值满足

交叉极化通道海杂波的相位φ_x则采用[0，2π]之间的均匀分布进行仿真。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明给出了一种结合了统计特性和不同极化通道之间的约束关系的全极化海杂波仿真方法，可以仿真出包含HH极化通道、VV极化通道以及交叉极化通道的全极化海杂波，仿真数据中包含了海尖峰等海洋现象；同时，仿真的同极化通道(HH极化通道和VV极化通道)不仅符合现有的K分布；同极化通道之间、同极化通道与交叉极化通道之间满足低海况下的约束关系；另外，本发明中的全极化海杂波仿真方法不涉及复杂的运算，简单易行。仿真结果表明，本发明仿真得到的全极化海杂波数据能够反映出海尖峰等海洋现象，并且各极化通道之间的约束关系满足低海况下海杂波的物理特性，仿真结果可以用于后续的应用。

附图说明

图1为本发明的全极化海杂波仿真方法实现流程图；

图2为本发明的仿真得到的全极化海杂波；其中201：仿真得到的HH极化通道的海杂波，202：仿真得到的VV极化通道的海杂波，203：仿真得到的交叉极化通道的海杂波；

图3为本发明的仿真的全极化数据的同极化比；

图4为本发明的仿真的全极化数据的同极化相位差。

具体实施方式

如图1所示，海杂波仿真是海洋现象研究和海上目标探测研究的基础，应为后续相关算法的验证和性能分析提供数据基础。对于全极化海杂波的仿真，不仅要反映不同极化通道间的回波幅度信息，还要反映不同极化通道之间的相位差异。在满足互易定理的条件下，全极化海杂波具有如(1)式所示的结构：

$s=\left[\begin{array}{cc}{s}_{\mathrm{hh}}& s_x\\ s_x& s_{\mathrm{vv}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中s_hh为HH极化通道海杂波，s_vv为VV极化通道海杂波，s_x为交叉极化通道海杂波。

在本发明实现中，以目前常用的K分布模型作为HH极化通道的海杂波，结合图1所示的流程图而进行，具体包括了利用K分布产生HH极化通道海杂波(101)，根据HH极化通道海杂波仿真VV极化通道海杂波幅度(102)，根据HH极化通道海杂波仿真VV极化通道海杂波相位(103)和仿真交叉极化通道海杂波(104)四个过程，进而获得全极化海杂波数据。

本发明全极化海杂波仿真过程包含具体以下4个步骤。

步骤101、HH极化通道海杂波的仿真：

利用已有的SIRP(球形不变随机过程)方法仿真满足K分布的随机序列，并将仿真得到的随机序列作为HH(HH极化通道指采用水平极化的雷达发射电磁波，并用水平极化的雷达接收回波，即水平发射，水平收收，简称HH)极化通道的海杂波，记为s_hh。

步骤102、仿真VV极化通道海杂波的幅度：

全极化海杂波有(1)式的形式，其中的同极化比参数定义为：

$r_{\mathrm{co}}=\left|\frac{s_{\mathrm{vv}}}{s_{\mathrm{hh}}}\right|---\left(2\right)$

|x|为对x取模运算。

同极化比决定了VV极化通道与HH极化通道间的回波幅度比值，对于海杂波，通常为VV极化通道幅度高于HH极化通道幅度，仅从统计的意义上，在低海况下，<r_co>＞1，其中，<z>为对z取平均运算。但具体到每一个散射单元的同极化比参数则为随机过程，采用如下式的均匀分布模拟：

r_co∈[r_min，r_max]    (3)

(3)式中r_co为同极化比参数，r_min和r_max分别为同极化比的最小值和最大值。

(3)式同时满足

$\frac{r_{\min }+r_{\max }}{2}>1---\left(4\right)$

在仿真同极化比的基础上，可以仿真得到VV极化通道的幅度如下：

|s_vv|＝r_co|s_hh|

上式中的|x|表示对x取模值运算，r_co为同极化比参数。

步骤103、产生VV极化通道海杂波的相位：

同极化相位差定义为：

${\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{co}}=\mathrm{angle}(s_{\mathrm{hh}}\&CenterDot;s_{\mathrm{vv}}^{*})---\left(5\right)$

上标*表示取共轭运算，angle(y)表示取y的相位，其取值范围为[-π，π]。

低海况下的海面主要表现为布拉格散射，VV极化通道与HH极化通道之间的相位差分布在0附近的较窄的范围内，可以采用0均值，方差为σ²的高斯分布进行仿真，即φ_co～(0，σ²)。σ的值表征了同极化相位差的分布范围。在仿真同极化相位差的基础上，可以仿真出VV极化通道海杂波相位为：

φ_vv＝angle(s_hh)-φ_co    (6)

式中，angle(y)表示取y的相位，φ_co为HH极化通道和VV极化通道间的相位差。

这样就可以得到VV极化通道的海杂波：

$s_{\mathrm{vv}}=\left|s_{\mathrm{vv}}\right|\&CenterDot;e^{-j{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{co}}}=r_{\mathrm{co}}\&CenterDot;s_{\mathrm{hh}}\&CenterDot;e^{-j{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{co}}}---\left(7\right)$

步骤104、交叉极化通道海杂波仿真：

实际情况中，虽然海面的交叉极化通道海杂波较弱，但并不为0，统计结果表明，在海况较低时，交叉极化通道的回波功率比HH极化通道低30dB以上，可以根据HH通道的回波功率，仿真计算交叉极化通道海杂波s_x幅度，即：

$\left|s_x\right|=\frac{1}{r_x}\left|s_{\mathrm{hh}}\right|---\left(8\right)$

式中r_x为HH极化通道海杂波与交叉极化通道海杂波的幅度比值，计算交叉极化通道的功率，然后以复高斯分布模拟交叉极化通道的海杂波。HH通道的海杂波平均功率为<|s_hh|²>，则交叉极化通道的平均海杂波功率为：

$p_x=\frac{<{\left|s_{\mathrm{hh}}\right|}^2>}{<r_x^2>}---\left(9\right)$

为满足HH极化通道和交叉极化通道海杂波功率差异大于30db的关系，取值应大于1000。

由于交叉极化通道海杂波功率很低，与热噪声混杂在一起，表现出很强的随机性，在仿真中利用均值为0，标准差为的高斯分布模拟交叉极化通道的海杂波s_x的幅度，交叉极化通道海杂波的相位φ_x则采用[0，2π]之间的均匀分布进行仿真。

根据以上仿真步骤，可以仿真得到全极化海面海杂波数据，如下式所示：

$s=\left[\begin{array}{cc}{s}_{\mathrm{hh}}& s_x\\ s_x& s_{\mathrm{vv}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{s}_{\mathrm{hh}}& \left|s_x\right|e^{j{\mathrm{\&phi;}}_x}\\ \left|s_x\right|e^{j{\mathrm{\&phi;}}_x}& \left|s_{\mathrm{vv}}\right|e^{j{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{vv}}}\end{array}\right]---\left(10\right)$

为验证本发明的有效性，进行了仿真实验，首先利用已有的SIRP模型仿真K分布的HH通道海面回波，在设定r_co∈[0.851.90]，φ_co～(0，π/8)的情况下，仿真得到的HH、VV和交叉极化通道的海杂波前250点幅度分别如图2中的201、202、和203所示。仿真数据前250点的同极化比和同极化相位差分别如下图3和下图4所示，由图3可以看出，同极化比参数具有均值大于1的特性，这与低海况下海面的散射特性一致，另外，同极化比参数表现出了较强的随机性，与实际应用中，海况的复杂多变特性相一致。图4中同极化相位差分布在以0为中心的较窄的范围内，与布拉格散射特性一致，能够反映海杂波的散射特性，图3和图4表明，本发明全极化海杂波仿真方法所得的仿真数据能够反映低海况下海面的散射特性，是一种有效的低海况下的全极化海杂波仿真方法。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (4)

1.一种全极化海杂波仿真方法，其特征在于实现步骤如下：

步骤101，利用已有的SIRP球形不变随机过程方法仿真满足K分布的随机序列，并将仿真得到的随机序列作为HH极化通道的海杂波，记为s_hh；所述HH极化通道指采用水平极化的雷达发射电磁波，并用水平极化的雷达接收回波，即水平发射，水平接收；

步骤102，根据仿真的HH极化通道的海杂波s_hh，采用HH极化通道和VV极化通道的幅度约束，仿真计算VV极化通道海杂波s_vv的幅度，即：

|s_vv＝r_co|s_hh|

上式中的|x|表示对x取模值运算，r_co为同极化比参数；

所述VV极化通道指采用垂直极化的雷达发射电磁波，并用垂直极化的雷达接收回波，即垂直发射，垂直接收；

步骤103，根据仿真的HH极化通道的海杂波s_hh，利用HH极化通道和VV极化通道间的相位差，仿真计算VV极化通道的海杂波s_vv的相位，即：

φ_vv＝angle(s_hh)-φ_co

式中，angle(y)表示取y的相位，φ_co为HH极化通道和VV极化通道间的相位差；

步骤104，根据仿真的HH极化通道海杂波s_hh，利用HH极化通道和交叉极化通道间的幅度约束，仿真计算交叉极化通道海杂波s_x幅度，即：

|s_x|＝r_x|s_hh|

式中r_x为HH极化通道海杂波与交叉极化通道海杂波的幅度比值；交叉极化通道海杂波的相位φ_x则利用[0,2π]之间的均匀分布进行仿真，从而完成全极化海杂波仿真：

$s=\left[\begin{array}{cc}{s}_{\mathrm{hh}}& s_x\\ s_x& s_{\mathrm{vv}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{s}_{\mathrm{hh}}& \left|s_x\right|e^{j{\mathrm{\&phi;}}_x}\\ \left|s_x\right|e^{j{\mathrm{\&phi;}}_x}& \left|s_{\mathrm{vv}}\right|e^{j{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{vv}}}\end{array}\right].$

2.根据权利要求1所述的全极化海杂波仿真方法，其特征在于：所述步骤102中，仿真计算VV极化海杂波的幅度过程中，同极化比参数r_co采用限定范围的均匀分布方法，即r_co∈[r_min,r_max]，并且加入了约束条件

r_min和r_max分别为同极化比的最小值和最大值。

3.根据权利要求1所述的全极化海杂波仿真方法，其特征在于：所述步骤103，仿真计算VV极化海杂波的相位过程中，所述φ_co采用0均值和方差为σ²的高斯分布进行仿真，即φ_co～N(0,σ²)。

4.根据权利要求1所述的全极化海杂波仿真方法，其特征在于：所述步骤104中，仿真计算交叉极化通道海杂波s_x的过程中，交叉极化通道的平均回波功率计算式为：

$p_x=\frac{<{|s}_{\mathrm{hh}}{|}^2>}{<r_x^2>}$

其中<|s_hh|²>为HH通道的海杂波平均功率，<r_x ²>为HH极化通道海杂波与交叉极化通道海杂波的平均功率比值，r_x取值满足

交叉极化通道海杂波的相位φ_x则采用[0,2π]之间的均匀分布进行仿真。

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