CN103163504B - 无线电测高雷达实时回波模拟方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种无线电测高雷达实时回波模拟方法及系统。其中，方法包括：通过雷达获取与雷达位于预定范围内的三维地图数据；计算雷达的当前发射脉冲重复周期时雷达的天线坐标和覆盖范围；根据雷达接收的回波信号和覆盖范围获取与覆盖范围对应的三维地图数据，以得到每个散射点到天线的距离；根据距离和对应的三维地图数据计算每个散射点对应的延迟值、相位值和幅度值；根据延迟值、相位值和幅度值得到对应散射点的冲激响应，并根据冲激响应得到响应函数；以及对响应函数和雷达的当前发射脉冲进行处理得到对应的回波信号。根据本发明实施例的方法，通过将雷达和三维地图数据结合进行处理得到回波信号，实现了强实时和低延时，并且提高了灵活性。

Description

无线电测高雷达实时回波模拟方法及系统

技术领域

本发明涉及雷达回波模拟技术领域，特别涉及一种无线电测高雷达实时回波模拟方法及系统。

背景技术

传统的InSAR回波模拟是采用非实时的方法。首先，通过全数字仿真产生InSAR回波数据并对其进行存储，然后采用回放的方式实现对InSAR回波的模拟。相对于回放式回波模拟方式，采用实时方式能够满足制导装置在回路闭环仿真的实时性要求。回放式回波模拟方式，首先不能根据发射波形的变化而实时变化回波波形，而且也不能根据航迹和航姿的变化实时确定波束照射范围。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

为达到上述目的，本发明一方面的实施例提出一种无线电测高雷达实时回波模拟方法，包括以下步骤：通过雷达获取与所述雷达位于预定范围内的三维地图数据；计算所述雷达的当前发射脉冲重复周期时所述雷达的天线坐标和覆盖范围；根据所述雷达接收的回波信号和所述覆盖范围获取与所述覆盖范围对应的三维地图数据，以得到每个散射点到天线的距离；根据所述距离和对应的三维地图数据计算每个散射点对应的延迟值、相位值和幅度值；根据所述延迟值、相位值和幅度值得到对应散射点的冲激响应，并根据所述冲激响应得到响应函数；以及对所述响应函数和所述雷达的当前发射脉冲进行处理得到对应的回波信号。

根据本发明实施例的方法，通过将雷达和三维地图数据结合进行处理得到回波信号，实现了强实时和低延时，并且提高了灵活性。

在本发明的一个实施例中，对所述相应函数和雷达的发射脉冲信号的处理方法采用卷积、滤波和变频。

在本发明的一个实施例中，所述雷达到单个散射点的距离通过如下公式计算， $R_{\mathrm{na},\mathrm{nr}}=\sqrt{(z_0-z_{\mathrm{na},\mathrm{nr}}{)}^2+(x_0-x_{\mathrm{na},\mathrm{nr}}{)}^2+(y_0-y_{\mathrm{na},\mathrm{nr}}{)}^2},$ 其中，(x_na,nr,y_na,nr,z_na,nr)表示第（na，nr）个散射点的三维坐标，(x₀,y₀,z₀)表示雷达的坐标，R_na,nr表示第（na，nr）个散射点到所述雷达的距离，na和nr分别表示散射点在方位向和距离向上的序号。

在本发明的一个实施例中，所述延迟值d_bin通过如下公式计算，其中，R_na,nr表示第（na，nr）个散射点到所述雷达的距离，fs_nin表示一个采样点所代表的距离，na和nr分别表示散射点在方位向和距离向上的序号。

在本发明的一个实施例中，所述相位值通过如下公式计算，其中，R_na,nr表示第（na，nr）个散射点到所述雷达的距离，λ表示载波波长，na和nr分别表示散射点在方位向和距离向上的序号。

为达到上述目的，本发明另一方面的实施例提出一种无线电测高雷达实时回波模拟系统，包括：第一获取模块，用于通过雷达获取与所述雷达位于预定范围内的三维地图数据；第一计算模块，用于计算所述雷达的当前发射脉冲重复周期时所述雷达的天线坐标和覆盖范围；第二获取模块，用于根据所述雷达接收的回波信号和所述覆盖范围获取与所述覆盖范围对应的三维地图数据，以得到每个散射点到天线的距离；第二计算模块，用于根据所述距离和对应的三维地图数据计算每个散射点对应的延迟值、相位值和幅度值；响应模块，用于根据所述延迟值、相位值和幅度值得到对应散射点的冲激响应，并根据所述冲激响应得到响应函数；以及处理模块，用于对所述响应函数和所述雷达的当前发射脉冲进行处理得到对应的回波信号。

根据本发明实施例的系统，通过将雷达和三维地图数据结合进行处理得到回波信号，实现了强实时和低延时，并且提高了灵活性。

在本发明的一个实施例中，对所述相应函数和雷达的发射脉冲信号的处理方法采用卷积、滤波和变频。

在本发明的一个实施例中，所述雷达到单个散射点的距离通过如下公式计算， $R_{\mathrm{na},\mathrm{nr}}=\sqrt{(z_0-z_{\mathrm{na},\mathrm{nr}}{)}^2+(x_0-x_{\mathrm{na},\mathrm{nr}}{)}^2+(y_0-y_{\mathrm{na},\mathrm{nr}}{)}^2},$ 其中，(x_na,nr,y_na,nr,z_na,nr)表示第（na，nr）个散射点的三维坐标，(x₀,y₀,z₀)表示雷达的坐标，R_na,nr表示第（na，nr）个散射点到所述雷达的距离，na和nr分别表示散射点在方位向和距离向上的序号。

在本发明的一个实施例中，所述延迟值d_bin通过如下公式计算，其中，R_na,nr表示第（na，nr）个散射点到所述雷达的距离，fs_nin表示一个采样点所代表的距离，na和nr分别表示散射点在方位向和距离向上的序号。

在本发明的一个实施例中，所述相位值通过如下公式计算，其中，R_na,nr表示第（na，nr）个散射点到所述雷达的距离，λ表示载波波长，na和nr分别表示散射点在方位向和距离向上的序号。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的无线电测高雷达实时回波模拟方法的流程图；以及

图2为根据本发明一个实施例的无线电测高雷达实时回波模拟系统的框架图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

图1为本发明实施例的无线电测高雷达实时回波模拟方法的流程图。如图1所示，根据本发明实施例的无线电测高雷达实时回波模拟方法，包括以下步骤：

步骤S101，通过雷达获取与雷达位于预定范围内的三维地图数据。

具体地，通过雷达将数字三维地图数据（DEM）下载到大容量高速缓存中，并将两个天线的三维方向图下载到大容量高速缓存中。

步骤S102，计算雷达的当前发射脉冲重复周期时雷达的天线坐标和覆盖范围。

具体地，计算当前脉冲重复周期时刻雷达两个天线的坐标、姿态，以及波束覆盖范围。第一天线坐标为(x₀,y₀,z₀)，方位角为θ_A0，俯仰角为θ_P0，高度值为H₀。第二天线坐标为(x₁,y₁,z₁)，方位角为θ_A1，俯仰角为θ_P1，高度值为H₁。在FPGA中，通过利用内嵌CPU进行计算获得相应的数据。从地图文件中取出当前脉冲重复周期两个天线波束照射的数字高程地图数据。地图数据存放于外存，且应为同步SRAM介质。

步骤S103，根据雷达接收的回波信号和覆盖范围获取与覆盖范围对应的三维地图数据，以得到每个散射点到天线的距离。

具体地，计算每个散射点到雷达天线的距离，其中，利用定制可编程处理器实现。每个节点的处理器根据单个散射点坐标位置和雷达坐标位置计算之间距离，为保证回波相位精度，需要采用双精度格式进行计算。

单个散射点到雷达的距离通过如下公式计算， $R_{\mathrm{na},\mathrm{nr}}=\sqrt{(z_0-z_{\mathrm{na},\mathrm{nr}}{)}^2+{(x_0-x_{\mathrm{na},\mathrm{nr}})}^2+{(y_0-y_{\mathrm{na},\mathrm{nr}})}^2},$ 其中，(x_na,nr,y_na,nr,z_na,nr)表示第（na，nr）个散射点的三维坐标，(x₀,y₀,z₀)表示雷达的坐标，R_na,nr表示第（na，nr）个散射点到雷达的距离，na和nr分别表示散射点在方位向和距离向上的序号。

步骤S104，根据距离和对应的三维地图数据计算每个散射点对应的延迟值、相位值和幅度值。

具体地，根据距离值，计算每个散射点对应的延迟值和相位值。其中，延迟值及相位值可采用查表法获取。

延迟值d_bin通过如下公式计算，其中，R_na,nr表示第（na，nr）个散射点到雷达的距离，fs_nin表示一个采样点所代表的距离，na和nr分别表示散射点在方位向和距离向上的序号。

相位值通过如下公式计算，其中，R_na,nr表示第（na，nr）个散射点到雷达的距离，λ表示载波波长，na和nr分别表示散射点在方位向和距离向上的序号。

从片外RAM取出当前周期的数字高程地图数据，确定幅度值σ_na,nr。

步骤S105，根据延迟值、相位值和幅度值得到对应散射点的冲激响应，并根据冲激响应得到响应函数

具体地，计算每个散射点和雷达天线中心的角度值，从而查表得到在天线方向图中的功率F_na,nr。

根据每个散射点的延迟值、相位值和幅度值得到每个散射点的冲激响应，并利用天线方向图进行对齐加权。

根据每个散射点的延迟值、相位值和幅度值得到每个散射点的冲激响应，即然后根据每个散射点的冲激响应，得到两个天线各自对应的复响应函数。

步骤S106，对响应函数和雷达的当前发射脉冲进行处理得到对应的回波信号。

具体地，在零中频通过发射信号与系统响应函数进行卷积，得到当前脉冲重复周期的回波函数。为满足强实时、低延时的仿真要求，应采用时域卷积法进行计算，以最大限度提高运算效率。然后在对零中频回波信号内插滤波、上变频，得到两个天线各自对应的中频或射频回波信号实现实时回波模拟。

根据本发明实施例的方法，通过将雷达和三维地图数据结合进行处理得到回波信号，实现了强实时和低延时，并且提高了灵活性。

图2为根据本发明一个实施例的无线电测高雷达实时回波模拟系统的框架图。如图2所示，根据本发明实施例的无线电测高雷达实时回波模拟系统包括第一获取模块100、第一计算模块200、第二获取模块300、第二计算模块400、响应模块500和处理模块600。

第一获取模块100用于通过雷达获取与雷达位于预定范围内的三维地图数据。

具体地，通过雷达将数字三维地图数据（DEM）下载到大容量高速缓存中，并将两个天线的三维方向图下载到大容量高速缓存中。

第一计算模块200用于计算雷达的当前发射脉冲重复周期时雷达的天线坐标和覆盖范围。

具体地，计算当前脉冲重复周期时刻雷达两个天线的坐标、姿态，以及波束覆盖范围。第一天线坐标为(x₀,y₀,z₀)，方位角为θ_A0，俯仰角为θ_P0，高度值为H₀。第二天线坐标为(x₁,y₁,z₁)，方位角为θ_A1，俯仰角为θ_P1，高度值为H₁。在FPGA中，通过利用内嵌CPU进行计算获得相应的数据。从地图文件中取出当前脉冲重复周期两个天线波束照射的数字高程地图数据。地图数据存放于外存，且应为同步SRAM介质。

第二获取模块300用于根据雷达接收的回波信号和覆盖范围获取与覆盖范围对应的三维地图数据，以得到每个散射点到天线的距离。

具体地，计算每个散射点到雷达天线的距离，其中，利用定制可编程处理器实现。每个节点的处理器根据单个散射点坐标位置和雷达坐标位置计算之间距离，为保证回波相位精度，需要采用双精度格式进行计算。

单个散射点到雷达的距离通过如下公式计算， $R_{\mathrm{na},\mathrm{nr}}=\sqrt{{(z_0-z_{\mathrm{na},\mathrm{nr}})}^2+{(x_0-x_{\mathrm{na},\mathrm{nr}})}^2+{(y_0-y_{\mathrm{na},\mathrm{nr}})}^2}$ 其中，(x_na,nr,y_na,nr,z_na,nr)表示第（na，nr）个散射点的三维坐标，(x₀,y₀,z₀)表示雷达的坐标，R_na,nr表示第（na，nr）个散射点到雷达的距离，na和nr分别表示散射点在方位向和距离向上的序号。

第二计算模块400用于根据距离和对应的三维地图数据计算每个散射点对应的延迟值、相位值和幅度值。

具体地，根据距离值，计算每个散射点对应的延迟值和相位值。其中，延迟值及相位值可采用查表法获取。

延迟值d_bin通过如下公式计算，其中，R_na,nr表示第（na，nr）个散射点到雷达的距离，fs_nin表示一个采样点所代表的距离，na和nr分别表示散射点在方位向和距离向上的序号。

相位值通过如下公式计算，其中，R_na,nr表示第（na，nr）个散射点到雷达的距离，λ表示载波波长，na和nr分别表示散射点在方位向和距离向上的序号。

从片外RAM取出当前周期的数字高程地图数据，确定幅度值σ_na,nr。

响应模块500用于根据延迟值、相位值和幅度值得到对应散射点的冲激响应，并根据冲激响应得到响应函数。

具体地，计算每个散射点和雷达天线中心的角度值，从而查表得到在天线方向图中的功率F_na,nr。

根据每个散射点的延迟值、相位值和幅度值得到每个散射点的冲激响应，并利用天线方向图进行对齐加权。

根据每个散射点的延迟值、相位值和幅度值得到每个散射点的冲激响应，即然后根据每个散射点的冲激响应，得到两个天线各自对应的复响应函数。

处理模块600用于对响应函数和雷达的当前发射脉冲进行处理得到对应的回波信号。

具体地，在零中频通过发射信号与系统响应函数进行卷积，得到当前脉冲重复周期的回波函数。为满足强实时、低延时的仿真要求，应采用时域卷积法进行计算，以最大限度提高运算效率。然后在对零中频回波信号内插滤波、上变频，得到两个天线各自对应的中频或射频回波信号实现实时回波模拟。

根据本发明实施例的系统，通过将雷达和三维地图数据结合进行处理得到回波信号，实现了强实时和低延时，并且提高了灵活性。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种无线电测高雷达实时回波模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过雷达获取与所述雷达位于预定范围内的三维地图数据；

计算所述雷达的当前发射脉冲重复周期时所述雷达的天线坐标和覆盖范围；

根据所述雷达接收的回波信号和所述覆盖范围获取与所述覆盖范围对应的三维地图数据，以得到每个散射点到天线的距离，所述雷达到单个散射点的距离通过如下公式计算，

$R_{\mathrm{na},\mathrm{nr}}=\sqrt{{(z_0-z_{\mathrm{na},\mathrm{nr}})}^2+{(x_0-x_{\mathrm{na},\mathrm{nr}})}^2+{(y_0-y_{\mathrm{na},\mathrm{nr}})}^2},$

其中，(x_na,nr,y_na,nr,z_na,nr)表示第（na，nr）个散射点的三维坐标，(x₀,y₀,z₀)表示雷达的坐标，R_na,nr表示第（na，nr）个散射点到所述雷达的距离，na和nr分别表示散射点在方位向和距离向上的序号；

根据所述距离和对应的三维地图数据计算每个散射点对应的延迟值、相位值和幅度值，所述延迟值d_bin通过如下公式计算，

d_bin=R_na,nr/fs_nin，

其中，R_na,nr表示第（na，nr）个散射点到所述雷达的距离，fs_nin表示一个采样点所代表的距离，na和nr分别表示散射点在方位向和距离向上的序号，

所述相位值通过如下公式计算：

其中，R_na,nr表示第（na，nr）个散射点到所述雷达的距离，λ表示载波波长，na和nr分别表示散射点在方位向和距离向上的序号；

根据所述延迟值、相位值和幅度值得到对应散射点的冲激响应，并根据所述冲激响应得到响应函数，所述冲激响应通过如下公式表示，所述公式为其中，F_na,nr表示功率，σ_na,nr表示幅度；以及

对所述响应函数和所述雷达的当前发射脉冲进行卷积、滤波和变频处理得到对应的回波信号。

2.一种无线电测高雷达实时回波模拟系统，其特征在于，包括：

第一获取模块，用于通过雷达获取与所述雷达位于预定范围内的三维地图数据；

第一计算模块，用于计算所述雷达的当前发射脉冲重复周期时所述雷达的天线坐标和覆盖范围；

第二获取模块，用于根据所述雷达接收的回波信号和所述覆盖范围获取与所述覆盖范围对应的三维地图数据，以得到每个散射点到天线的距离，所述雷达到单个散射点的距离通过如下公式计算，

$R_{\mathrm{na},\mathrm{nr}}=\sqrt{{(z_0-z_{\mathrm{na},\mathrm{nr}})}^2+{(x_0-x_{\mathrm{na},\mathrm{nr}})}^2+{(y_0-y_{\mathrm{na},\mathrm{nr}})}^2},$

其中，(x_na,nr,y_na,nr,z_na,nr)表示第（na，nr）个散射点的三维坐标，(x₀,y₀,z₀)表示雷达的坐标，R_na,nr表示第（na，nr）个散射点到所述雷达的距离，na和nr分别表示散射点在方位向和距离向上的序号；

第二计算模块，用于根据所述距离和对应的三维地图数据计算每个散射点对应的延迟值、相位值和幅度值，所述延迟值d_bin通过如下公式计算，

d_bin=R_na,nr/fs_nin，

其中，R_na,nr表示第（na，nr）个散射点到所述雷达的距离，fs_nin表示一个采样点所代表的距离，na和nr分别表示散射点在方位向和距离向上的序号，

所述相位值通过如下公式计算：

其中，R_na,nr表示第（na，nr）个散射点到所述雷达的距离，λ表示载波波长，na和nr分别表示散射点在方位向和距离向上的序号；

响应模块，用于根据所述延迟值、相位值和幅度值得到对应散射点的冲激响应，并根据所述冲激响应得到响应函数，所述冲激响应通过如下公式表示，所述公式为其中，F_na,nr表示功率，σ_na,nr表示幅度；以及

处理模块，用于对所述响应函数和所述雷达的当前发射脉冲进行卷积、滤波和变频处理得到对应的回波信号。