CN103176179A - Sar雷达回波实时模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种SAR雷达回波实时模拟方法。该方法包括以下步骤：在脉冲重复周期时刻获得雷达的坐标和障碍物散射点的坐标；根据雷达坐标和散射点坐标计算雷达与散射点的距离；根据距离计算延迟值、相位值和幅度值；根据距离计算延迟值、相位值和幅度值得到每个散射点的冲激响应；以及根据每个散射点的冲激响应获得响应函数并通过对响应函数进行卷积获得回波信号。根据本发明实施例的方法，通过FPGA硬件平台的高性能计算能力，按照雷达实际工作的脉冲重复周期和回波延时，为闭环仿真系统中的SAR雷达提供体目标或面目标的回波信号，同时采用高并行度运算架构实现了强实时和低延时，并且计算过程中每个运算单元内部采用可编程串行方式，从而提高了灵活性。

Description

SAR雷达回波实时模拟方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，特别涉及一种SAR雷达回波实时模拟方法。

背景技术

目前获得回波信号普遍采用大规模FPGA阵列作为硬件平台。第一种方式是采用多级流水节拍在延迟若干脉冲重复周期后得到回波信号。第二种方式是根据数据格式采用定点、相位计算精度和大点数卷积的方式得到回波信号，但是这种方式所得出的计算精度较差，并且以泰勒展开方式获取开方值，因此占用的硬件资源极其庞大。

另外，为满足强实时性要求，即当前脉冲重复周期雷达发射信号的回波在当前脉冲重复周期内产生，只能采用并行度高延迟小的运算架构，而不能采用多节拍流水方式以减小对硬件资源的消耗量，同时为了满足对回波相位计算精度的要求及大点数卷积中数据动态范围及计算精度要求，数据及计算格式需要采用双精度浮点进行运算，降低了硬件资源消耗，但增加了系统实现复杂度。

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，本发明的实施例提出一种SAR雷达回波实时模拟方法，包括以下步骤：S1：在脉冲重复周期时刻获得雷达的坐标和障碍物散射点的坐标；S2：根据所述雷达坐标和所述散射点坐标计算所述雷达与所述散射点的距离；S3：根据所述距离计算延迟值、相位值和幅度值；S4：根据所述距离计算延迟值、相位值和幅度值得到每个散射点的冲激响应；以及S5：根据每个散射点的所述冲激响应获得响应函数并通过对所述响应函数进行卷积获得回波信号。

根据本发明实施例的方法，通过FPGA硬件平台的高性能计算能力，按照雷达实际工作的脉冲重复周期和回波延时，为闭环仿真系统中的SAR雷达提供体目标或面目标的回波信号，同时采用高并行度运算架构实现了强实时和低延时，并且计算过程中每个运算单元内部采用可编程串行方式，从而提高了灵活性。

在本发明的一个实施例中，所述雷达的坐标和障碍物散射点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)表示所述雷达的坐标，R_na，nr，表示第（na，nr）个散射点到所述雷达的距离。

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，d_bin=R_na，nr/fs_nin，其中，fs_nin表示一个采样点所代表的距离。

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，λ表示载波波长。

在本发明的一个实施例中，所述幅度值σ_na，nr通过如下公式计算，σ_na，nr=σ′_na，nr·exp(-j(rand))，其中，σ′_na，nr表示地面像素点对应的反射系数值，σ_na，nr是对其相位随机化后的复数反射系数，rand表示为一组随机数。

在本发明的一个实施例中，所述冲激响应，

其中，h_na，nr表示一维矢量，其长度为波束覆盖的距离门数。

在本发明的一个实施例中，所述冲激响应通过如下公式计算，其中，sig_trm表示一维矢量，其长度为波束覆盖的距离门数，

表示响应函数。

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SAR雷达回波实时模拟方法的流程图。

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”、“第三”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”、“第三”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SAR雷达回波实时模拟方法的流程图。如图1所示，根据本发明实施例的SAR雷达回波实时模拟方法，包括以下步骤：

步骤S101，在脉冲重复周期时刻获得雷达的坐标和障碍物散射点的坐标。计算当前脉冲重复周期时刻雷达坐标、姿态，以及雷达波束覆盖地图范围。在FPGA中，利用内嵌微处理器进行计算，雷达坐标(x₀,y₀,z₀)，方位角θ_A，俯仰角θ_P，高度值H。

步骤S102，根据雷达坐标和散射点坐标计算雷达与散射点的距离。

在本发明的一个实施例中，利用定制可编程处理器计算每个散射点到雷达的距离，并且其数据使用双精度格式进行保存。雷达的坐标和障碍物散射点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，R_na，nr，表示第（na，nr）个散射点到雷达的距离。

步骤S103，根据距离计算延迟值、相位值和幅度值。

具体地，延迟值d_bin通过如下公式计算，d_bin=R_na,nr/fs_nin，其中，fs_nin表示一个采样点所代表的距离。

相位值通过如下公式计算，

其中，λ表示载波波长。

在本发明的一个实施例中，从地图文件中根据距离值取出当前脉冲重复周期波束照射的地图数据，地图数据可为两维或三维地图数据，对应每个散射点的后向散射系数，通过仿真前离线下载到FPGA的外存，并通过该地图数据计算幅度值。

幅度值σ_na，nr通过如下公式计算，σ_na，nr=σ′_na，nr·exp(-j(rand))，其中，σ′_na，nr表示地面像素点对应的反射系数值，σ_na，nr是对其相位随机化后的复数反射系数，rand表示为一组随机数。

步骤S104，根据距离计算延迟值、相位值和幅度值得到每个散射点的冲激响应。冲激响应，

其中，h_na，nr表示一维矢量，其长度为波束覆盖的距离门数。步骤S105，根据每个散射点的冲激响应获得响应函数并通过对响应函数进行卷积获得回波信号。

回波信号应通过如下公式计算，

其中，sig_trm表示一维矢量，其长度为波束覆盖的距离门数，

表示响应函数。

根据本发明实施例的方法，通过FPGA硬件平台的高性能计算能力，按照雷达实际工作的脉冲重复周期和回波延时，为闭环仿真系统中的SAR雷达提供体目标或面目标的回波信号，同时采用高并行度运算架构实现了强实时和低延时，并且计算过程中每个运算单元内部采用可编程串行方式，从而提高了灵活性。

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 (8)

1.一种SAR雷达回波实时模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在脉冲重复周期时刻获得雷达的坐标和障碍物散射点的坐标；

S2：根据所述雷达坐标和所述散射点坐标计算所述雷达与所述散射点的距离；

S3：根据所述距离计算延迟值、相位值和幅度值；

S4：根据所述距离计算延迟值、相位值和幅度值得到每个散射点的冲激响应；以及

S5：根据每个散射点的所述冲激响应获得响应函数并通过对所述响应函数进行卷积获得回波信号。

2.如权利要求1所述的SAR雷达回波实时模拟方法，其特征在于，所述雷达的坐标和障碍物散射点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)表示所述雷达的坐标，R_na，nr，表示第（na，nr）个散射点到所述雷达的距离。

3.如权利要求1所述的SAR雷达回波实时模拟方法，其特征在于，所述延迟值d_bin通过如下公式计算，

d_bin＝R_na，nr/fs_nin，

其中，fs_nin表示一个采样点所代表的距离。

4.如权利要求1所述的SAR雷达回波实时模拟方法，其特征在于，所述相位值

通过如下公式计算，

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{na},\mathrm{nr}}=\exp (-j\frac{4{\mathrm{\πR}}_{\mathrm{na},\mathrm{nr}}}{\mathrm{\λ}}),$

其中，λ表示载波波长。

5.如权利要求1所述的SAR雷达回波实时模拟方法，其特征在于，所述复数值σ_na，nr由FPGA实时从片外存储器中取出，并采用随机化以去相关。

σ_na，nr=σ′_na，nr·exp(-j(rand))，

其中，σ′_na，nr表示地面像素点对应的反射系数值，σ_na，nr是对其相位随机化后的复数反射系数，rand表示为一组随机数。

6.如权利要求1所述的SAR雷达回波实时模拟方法，其特征在于，所述冲激响应，

其中，h_na，nr表示一维矢量，其长度为波束覆盖的距离门数。

7.如权利要求1所述的SAR雷达回波实时模拟方法，其特征在于，所述冲激响应通过如下公式计算，

$\mathrm{echo}={\mathrm{sig}}_{\mathrm{trm}}\⊗h,$

其中，sig_trm表示一维矢量，其长度为波束覆盖的距离门数，

表示响应函数。

8.如权利要求1所述的SAR雷达回波实时模拟方法，其特征在于，所述运算采用高端FPGA作为计算平台。

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