CN103093057B - 一种船舶导航雷达信号仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于民用船舶导航技术领域，涉及一种船舶导航雷达信号仿真方法。首先采用计算机辅助设计技术，建立海上船舶目标的三维CAD模型，然后利用高频电磁计算软件对目标的雷达散射截面积进行预估，再对散射截面积进行处理得到目标的一维距离像，最后对雷达发射波形及得到的目标一维距离像进行卷积；根据目标运动的状态，引入多普勒频移因子；根据目标所处位置，引入距离衰减因子；加上海杂波模型，进行低通滤波得到最终得到船舶导航雷达仿真回波。本发明提供了与真实雷达回波信号在多种特征空间上相似度高的导航雷达船舶目标回波样本库，能够为导航雷达和航海人员的教学和培训提供雷达回波信号源。

Description

一种船舶导航雷达信号仿真方法

技术领域

本发明属于民用船舶导航技术领域，其利用雷达技术、信号处理、计算机辅助设计技术、高频电磁计算技术和计算机仿真技术等实现仿真多种船舶导航雷达系统、不同结构船舶、不同航行海情等级时船舶目标的回波，仿真的船舶目标回波信号能够逼真地反映对象雷达的散射环境。

背景技术

船舶导航雷达，通常安装在港口船舶交通管理系统（VTS）中和船舶上，可以用于航行避让、船舶定位、狭水道引航等目的，在能见度低时能够为航海人员提供良好的观察手段。尽管目前大多数船舶都安装了先进的通信、导航、助航设备，但是各种各样的事故仍然层出不穷。分析表明，大多数事故是由航海人员的人为因素和设备局限性所导致的。因此，如何培养出优秀的航海人才成为航运界普遍关注的问题。传统的方法是通过大量的外场出海训练让航海人员实践掌握航行技能，但是这种途径周期长、费用高、风险大。

随着计算机仿真技术的发展，航海雷达模拟器越来越受到人们的重视，它以其灵活、通用、高效和低成本等特点，显著提高了航海人员的雷达导航能力，有效地减少了航海事故的发生，成为航海雷达研究的一个新的热点。

船舶导航雷达模拟器的核心组成部分是船舶导航雷达信号模拟器。以往的船舶导航雷达信号模拟器通常是通过理论分析得到雷达回波信号的数学模型，进而模拟雷达回波，经由这种仿真方法得到的雷达回波并不能表示出目标的散射、结构、方位以及距离特性，所提供的雷达回波与真实回波存在较大差异，对航海人员的训练产生较大的影响。针对这一问题，研究了能够提供真实反映目标特性以及杂波模型的船舶导航雷达信号模拟器。

相关文献请参阅：

沈良.船舶导航雷达回波信号仿真研究[D].大连：大连海事大学，2007

周雪峰.船舶导航雷达的回波研究与模拟[D].大连：大连海事大学，2008

发明内容

本发明能够仿真出适用于船舶航行水域环境和船舶导航雷达实际工作环境下的雷达回波信号，生成不同体制船舶导航雷达、不同船舶结构、不同运动状态、不同距离以及不同方位角条件下所对应的雷达回波信号，建立海上目标样本库，为船舶导航模拟器提供仿真雷达回波信号，为航海人员的教学和培训提供丰富、真实、可靠的雷达回波信号源。

雷达目标回波反映了目标的物理结构、材料特性，是确定目标身份和属性的重要依据之一。计算机仿真模拟了目标的物理结构、电磁散射特性以及雷达的信号处理系统，所得回波准确反映了目标的物理结构等特性。

为了实现船舶导航雷达信号模拟器，首先采用计算机辅助设计技术，建立海上船舶目标的三维CAD模型，然后利用高频电磁计算方法对目标的雷达散射截面积进行预估，再对散射截面积进行处理得到目标的一维距离像，最后对雷达发射波形及得到的目标一维距离像进行卷积；根据目标运动的状态，引入多普勒频移因子；根据目标所处位置，引入距离衰减因子；加上海杂波模型，进行低通滤波得到最终得到船舶导航雷达仿真回波。

本发明采用的技术方案如下：

（1）建立船舶目标的三维CAD模型

采用计算机辅助设计技术，建立船舶模型库。首先需要搜集关于所建模型的详细的几何结构信息，可以通过相关专业船舶杂志和网络资源提供的船舶设计线图以及现场实拍等方式获取船舶的真实图片。根据所获取的目标模型的线图等比例的绘制模型，模型只需要反应船舶目标的大致结构不需要太精细。

（2）建立船舶目标的一维距离像模板库

使用高频电磁计算方法，依据雷达发射信号的频率和带宽设定高频电磁计算方法的照射频率，在每个姿态角下使用宽带信号对建立的船舶目标三维CAD模型进行照射，利用电磁计算方法得到不同点频下目标的频域响应，然后使用逆傅里叶变换得到该姿态角下的一维距离像。一维距离像依赖于姿态角的变化，如果目标相对雷达的方向发生变化，所得一维距离像也将随之改变，因此建立目标全姿态角的一维距离像模板库，以此来获得目标各个角度的雷达回波。

（3）建立船舶目标的仿真回波样本库

假设分别用2D_n和2L_n表示目标在坐标系中的横向尺寸与纵向尺寸，用σ(x,y)表示目标在坐标(x,y)处的散射强度。根据目标散射的特点，第n个脉冲相对于发射功率和距离的归一化目标回波为：

$y(n,t)={\∫}_{{-L}_n}^{L_n}{\∫}_{{-D}_n}^{D_n}{G}^2\left({\mathrm{\θ}}_{x,y}\right)\mathrm{\σ}(x,y)\mathrm{rect}\left(\frac{t-{\mathrm{\τ}}_0-{\mathrm{\τ}}_y+\mathrm{nT}}{T_p}\right)e^{j2\mathrm{\π}{f}_0(t-{\mathrm{\τ}}_0-{\mathrm{\τ}}_y)}\mathrm{dxdy}---\left(3.1\right)$

式（3.1）中G(θ)表示天线方向图函数，θ_x,y为坐标(x,y)与天线波束中心的夹角，τ₀为目标几何中心到雷达的双程延迟，τ_y为坐标(x,y)到目标几何中心的双程延迟。

雷达接收机接收目标回波后进行混频处理，得到如下回波方程：

$s_r(n,t)={\∫}_{{-L}_n}^{L_n}{\∫}_{{-D}_n}^{D_n}{G}^2\left({\mathrm{\θ}}_{x,y}\right)\mathrm{\σ}(x,y)\mathrm{rect}\left(\frac{t-{\mathrm{\τ}}_0-{\mathrm{\τ}}_y+\mathrm{nT}}{T_p}\right)e^{j2\mathrm{\π}{f}_0(-{\mathrm{\τ}}_0-{\mathrm{\τ}}_y)}\mathrm{dxdy}---\left(3.2\right)$

其中函数为矩形窗函数，可以表示为 $\mathrm{rect}\left(\frac{t}{T_p}\right)=\left\{\begin{array}{c}1,\left|t\right|\≤\frac{T_p}{2}\\ 0,\mathrm{else}\end{array}\right.$

进一步考虑雷达对目标处于凝视状态时的回波模型，此时可以认为目标被波束完全覆盖，这种情况下通常可以将天线方向图G(θ)近似为常数，记作G，则上式可以改写为：

$s_r(n,t)=G^2{\∫}_{{-L}_n}^{L_n}\left[{\∫}_{{-D}_n}^{D_n}\mathrm{\σ}(x,y)\mathrm{dx}\right]\mathrm{rect}\left(\frac{t-{\mathrm{\τ}}_0-{\mathrm{\τ}}_y+\mathrm{nT}}{T_p}\right)e^{j2\mathrm{\π}{f}_0(-{\mathrm{\τ}}_0-{\mathrm{\τ}}_y)}\mathrm{dy}$

其中表示该方位角下目标散射函数在纵向上的投影，即目标的一维距离像，雷达回波可以认为是发射信号与一维距离像的卷积过程。

对于平时海情等级不高的情况，加入高斯杂波模型，根据中心极限定理，其幅度分布服从瑞利分布，而相位服从均匀分布，这种杂波可以描述出低分辨雷达观察到的海杂波。高斯杂波模型适应于由分布散射体反射回来的杂波，即其中没有任何一个子集占主导地位的杂波。当反射体的数量很多，且可以比拟时，根据中心极限定理知，它属于高斯杂波，其包络服从瑞利分布，这种杂波可以描述由低分辨率雷达观察到的海杂波。

当杂波的载波角频率为ω₀时，随机杂波过程可以表示成

c(t)=x(t)cos(ω₀t)+y(t)sin(ω₀t)

式中，x(t)、y(t)均为均值为零，方差为σ²的独立高斯过程，其包络

$\left|c\left(t\right)\right|=\sqrt{x^2\left(t\right)+y^2\left(t\right)}$

具有瑞利概率密度函数

$f\left(r\right)=\frac{r}{{\mathrm{\σ}}^2}\exp (-\frac{r^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}),r\≥0,$ 其中σ为高斯分布的均方根值。

对于雨、雪、雾这种海情等级较高的情况，加入对数-正态杂波模型，在海情等级较高时，杂波模型偏离瑞利分布越远，经数据处理以及曲线拟合，认为对数-正态分布适合描述在海情等级较高下雷达接收的杂波的模型。对数-正态模型的一个主要特点就是，出现大幅度杂波的概率相当高，且对数-正态模型相对来说动态范围较大，可以模拟在雨、雪、雾天气下回波不清晰，不稳定。

海杂波的包络服从对数-正态分布，意味着线性包络检波器的输出v有一维概率密度函数

$f\left(v\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_{v}v}\exp (-\frac{{(\ln v/v_m)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}),v\≥0$

其中σ_v为标准正态分布的标准差；v_m为对数-正态分布的中值。

再考虑雷达距离方差引入的衰减系数α

$\mathrm{\α}=\frac{P_r}{P_t}=\frac{G^2{\mathrm{\λ}}_0^2}{L^2}\frac{1}{{\left(4\mathrm{\π}{r}^2{L}_m\right)}^2}\mathrm{\σ},$

其中Pr为接收机输入端功率，单位瓦特；Pt为发射机功率；Gt为天线增益（无单位）；L、Lm分别为发射机内馈线与发射天线到目标传播途径的损耗；σ为雷达目标散射截面积；r为发射天线和接收天线到目标的距离；λ₀为雷达工作波长。

在实际中，考虑到运动目标引入的多普勒频移因子cosθ=cosαcosβ，α为方位角，β为俯仰角。多普勒效应是运动目标速度模拟的基础，通过模拟目标信号的多普勒频率可以来复现目标的速度信息。

利用电磁计算方法计算得到的一维距离像模板库和雷达发射信号进行卷积，加上高斯杂波模型或者对数-正态杂波模型，经过低通滤波器，再乘以雷达距离方程引入的衰减系数得到最后的雷达目标仿真回波。

（5）仿真回波有效性校验

为了保证建立的船舶导航雷达目标回波仿真库的有效性，需对仿真回波进行有效性校验。考虑仿真回波应在多个特征空间中与真实回波相容，在本发明中，先对仿真的回波进行多个特征空间的特征提取，然后使用平均马氏距离来衡量仿真回波与真实回波之间的差异。

采用如下方法进行距离检验，具体步骤为：

步骤1：首先得到仿真回波Y的m个特征样本，Y_i={y_i(1),y_i(2),...,y_i(n)}^T，i=1,2,...,m。

步骤2：由均值 $\stackrel{\‾}{Y}=\frac{1}{m}\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_i\right)$ 和协方差 $S=\frac{1}{m-1}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(Y_i-\stackrel{\‾}{Y}){(Y_i-\stackrel{\‾}{Y})}^T,$ 可以计算得到实测回波特征样本X与仿真值之间的平均马氏距离

$D(X,\stackrel{\‾}{Y})=\sqrt{\frac{1}{n}{(X-\stackrel{\‾}{Y})}^T{S}^{-1}(X-\stackrel{\‾}{Y})}.$

步骤3：然后得仿真回波Y的m^*个特征样本 $Y_i^{*}=\{y_i^{*}\left(1\right),y_i^{*}\left(2\right),...,y_i^{*}\left(n\right){\}}^T,i=\mathrm{1,2},...,m$

步骤4：由下式计算第二步仿真特征样本与第一步仿真特征样本均值之间的平均马氏距离

$D(Y_i^{*},\stackrel{\‾}{Y})=\sqrt{\frac{1}{n}{(Y_i^{*}-\stackrel{\‾}{Y})}^T{S}^{-1}(Y_i^{*}-\stackrel{\‾}{Y})}$

步骤5：设d^*为中满足下式的的个数：

$D(Y_i^{*},\stackrel{\‾}{Y})\≥D(X,\stackrel{\‾}{Y})$

步骤6：对于给定的显著性水平α。若α^*=d^*/m^*≤α，则可以断定实测样本X与仿真值存在显著性差异，仿真回波不可以用来补充真实回波。

本发明提供了与真实雷达回波信号在多种特征空间上相似度高的导航雷达船舶目标回波样本库，能够为导航雷达和航海人员的教学和培训提供雷达回波信号源。

附图说明

图1是雷达目标仿真回波流程图。

图2是使用SolidWorks软件绘制完成的船舶模型。

图3是某姿态角下的目标一维距离像。

图4是姿态角相同，同一艘船仿真回波与真实回波对比。

图4(a)是船舶姿态角为3度时真实雷达回波。

图4(b)是船舶姿态角为3度时仿真雷达回波。

具体实施方式

1）采用计算机辅助设计方法如SolidWorks的系列设计方法建立船舶3D模型库，船舶目标详细资料可以通过杂志、网络资源以及现场实拍照片获取，船舶的尺寸需满足高频电磁计算的缩比模型的关系。

2）采用专业电磁计算软件FEKO进行RCS预估，以下步骤为使用FEKO进行RCS预估的操作步骤：

1、SolidWorks导出的3D船舶模型保存为.step格式导入到FEKO里进行计算；

2、设定电磁波的入射参数和角度；

3、进行电磁波的频率设置，点击FEKO软件的Linearly spaced discrete points，设定频率的起始和终结点，则他们之间的差值就是信号的带宽；

4、选定仿真条件为远场计算，选择Calculate fields in plane wave incidentdirection，即默认远场计算的条件；

5、利用FEKO自带的mesh功能对3D船舶模型进行网格剖分；

6、RCS预估方法的选择，选用FEKO自带的以经典的矩量法为基础的多层快速多级子法进行RCS预估；

7、提取FEKO计算得到的.out文件中的RCS数据

3）根据计算得到的RCS数据库，做傅里叶逆变换，得到船舶目标的全姿态角的一维距离像模板库

4）再根据发射的电磁波的形式与一维距离像进行卷积得到初始的雷达回波，根据目标的距离引入距离衰减因子，运动速度引入多普勒频移因子，海情加入杂波模型，再经过低通滤波器得到最终的船舶目标回波。

Claims (1)

1.一种船舶导航雷达信号仿真方法，其特征包括如下步骤，

(1)建立船舶目标的三维CAD模型；

(2)建立船舶目标的一维距离像模板库

使用高频电磁计算方法，依据雷达发射信号的频率和带宽设定高频电磁计算软件的照射频率，在每个姿态角下使用宽带信号对建立的船舶目标三维CAD模型进行照射，利用电磁计算软件得到不同点频下目标的雷达散射截面积，然后使用逆傅里叶变换得到该姿态角下的一维距离像；

(3)建立船舶目标的仿真回波样本库

假设分别用2D_n和2L_n表示目标在坐标系中的横向尺寸与纵向尺寸，用σ(x,y)表示目标在坐标(x,y)处的散射强度；G(θ)表示天线方向图函数，近似为常数，记作G；θ_x,y为坐标(x,y)与天线波束中心的夹角，τ₀为目标几何中心到雷达的双程延迟，τ_y为坐标(x,y)到目标几何中心的双程延迟；

$s_r(n,t)=G^2{\∫}_{{-L}_n}^{L_n}\left[{\∫}_{-D_n}^{D_n}\mathrm{\σ}(x,y)\mathrm{dx}\right]\mathrm{rect}\left(\frac{t-{\mathrm{\τ}}_0-{\mathrm{\τ}}_y+\mathrm{nT}}{T_p}\right)e^{j2\mathrm{\π}{f}_0(-{\mathrm{\τ}}_0-{\mathrm{\τ}}_y)}\mathrm{dy}$

其中表示该姿态角下目标散射函数在纵向上的投影，即目标的一维距离像，雷达回波认为是发射信号与一维距离像的卷积过程；

对于平时海情等级不高的情况，加入高斯杂波模型；当杂波的载波角频率为ω₀时，随机杂波过程表示为：c(t)＝x(t)cos(ω₀t)+y(t)sin(ω₀t)

式中，x(t)、y(t)均为均值为零，方差为σ²的独立高斯过程，其包络

$\left|c\left(t\right)\right|=\sqrt{x^2\left(t\right)+y^2\left(t\right)}$

具有瑞利概率密度函数

其中σ为高斯分布的均方根值；

对于雨、雪、雾这种海情等级较高的情况，加入对数-正态杂波模型；海杂波的包络服从对数-正态分布，意味着线性包络检波器的输出v有一维概率密度函数： $f\left(v\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_{v}v}\exp (-\frac{{(\ln v/v_m)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}),v\≥0;$

其中σ_v为标准正态分布的标准差；v_m为对数-正态分布的中值；

再考虑雷达距离方差引入的衰减系数

其中Pr为接收机输入端功率，单位瓦特；Pt为发射机功率；Gt为天线增益；L、Lm分别为发射机内馈线与发射天线到目标传播途径的损耗；σ为雷达目标散射截面积；r为发射天线和接收天线到目标的距离；λ₀为雷达工作波长；

考虑到运动目标引入的多普勒频移因子cosθ＝cosαcosβ，α为方位角，β为俯仰角；

利用电磁计算方法计算得到的一维距离像模板库和雷达发射信号进行卷积，加上高斯杂波模型或者对数-正态杂波模型，经过低通滤波器，再乘以雷达距离方程引入的衰减系数得到最后的雷达目标仿真回波；

(5)仿真回波有效性校验，具体步骤为：

从仿真回波与真实回波多个特征空间的相容性来进行判别

步骤1：首先得到仿真回波Y的m个特征样本，Y_i＝{y_i(1),y_i(2),...,y_i(n)}^T，i＝1,2,...,m；

步骤2：由均值和协方差可以计算得到实测回波特征样本X与仿真值之间的平均马氏距离

$D(X,\stackrel{\‾}{Y})=\sqrt{\frac{1}{n}{(X-\stackrel{\‾}{Y})}^T{S}^{-1}(X-\stackrel{\‾}{Y})};$

步骤3：然后得仿真回波Y的m^*个特征样本i＝1,2,...,m

步骤4：由下式计算第二步仿真特征样本与第一步仿真特征样本均值之间的平均马氏距离

$D(Y_i^{*},\stackrel{\‾}{Y})=\sqrt{\frac{1}{n}{(Y_i^{*}-\stackrel{\‾}{Y})}^T{S}^{-1}(Y_i^{*}-\stackrel{\‾}{Y})}$

步骤5：设d^*为(i＝1,2,...,m)中满足下式的的个数：

$D(Y_i^{*},\stackrel{\‾}{Y})\≥D(X,\stackrel{\‾}{Y})$

步骤6：对于给定的显著性水平α；若α^*＝d^*/m^*≤α，则可以断定实测样本X与仿真值存在显著性差异，仿真回波不可以用来补充真实回波。