CN103207387B - 一种机载相控阵pd雷达杂波的快速模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种机载相控阵PD雷达杂波的快速模拟方法，该方法的过程为：选取一幅SAR图像；将整个杂波场景划分成矩形散射单元，并将每个散射单元看成分布在单元中心的点散射体；获取各散射单元的初始后向散射系数；在杂波场景上等间隔的划分等距离环；对PD雷达的发射信号进行升采样处理，并对升采样的结果进行快速傅里叶变换得到U(ω)；计算各散射单元的幅度A；计算每个等距离环的雷达后向散射系数；获取系统的冲击响应函数，并对其进行快速傅里叶变换得到H(ω)；将U(ω)与H(ω)相乘，再对相乘的结果进行逆快速傅里叶变换，得到该发射脉冲对应的周期接收的杂波信号。本发明实现了在较高分辨率下机载PD雷达系统下自然场景杂波的快速模拟。

Description

一种机载相控阵PD雷达杂波的快速模拟方法

技术领域

本发明涉及一种机载相控阵脉冲多普勒（PD）雷达杂波的快速模拟方法，属于机载相控阵脉冲多普勒雷达杂波仿真技术领域。

背景技术

机载相控阵PD雷达是探测低空、超低空飞行的目标以及陆地和海面上的慢速运动目标的有利武器之一，在现代战争中起着举足轻重的作用。由于雷达工作在下视状态，目标回波常常淹没在很强的杂波信号中，对目标检测构成了极大的威胁。因此，需要对雷达工作环境中的杂波特性进行充分的研究。在实际测量成本过高的情况下，通过计算机仿真提供杂波数据，有十分重要的价值：一方面，有利于认知电磁波与自然环境相互作用的物理过程，理解机载相控阵PD雷达杂波产生的机理，促进杂波抑制算法的研究；另一方面，通过仿真手段获取大量的不同雷达系统参数、不同自然环境条件下的杂波数据，将有效地弥补实验数据的不足，在机载相控阵PD雷达系统性能评估、信号处理算法验证等方面发挥重要作用。因此，研究机载相控阵PD雷达杂波仿真的方法，在理论和实践上均有十分重要的意义。

雷达仿真方法分为两类：功能仿真和相干视频仿真，其中相干视频仿真利用了信号的相位，包含了有关雷达环境的全部信息，是雷达信号级仿真所必需的。目前，对杂波信号相干视频仿真的建模和模拟方法还存在着一些不足。一方面，这些模型对杂波单元后向散射系数的描述大都采用半经验模型，但是，雷达载机飞行地域广、地形地貌多种多样，采用目前的经验模型不能真正地反映雷达工作的实际背景。另一方面，相干视频仿真采用基于网格映像的模拟方法，即根据雷达的分辨率将波束照射区域划分成一个个相互独立的网格单元，分别计算每个网格单元的回波，然后相干叠加实现整个区域的杂波仿真。由于机载PD雷达杂波区域面积较大，并且随着雷达分辨率的提高，相同杂波面积下的网格划分数量不断增大，采用相干叠加的方法获取杂波信号的效率明显较低，不适用于高分辨率机载PD雷达大范围区域的杂波仿真。

发明内容

本发明的目的是为了实现高分辨率机载相控阵脉冲多普勒（PD）雷达大范围自然场景杂波的快速模拟，同时又能真实反映自然场景的散射特性，提出了一种机载相控阵PD雷达杂波的快速模拟方法。

本发明方法是通过下述技术方案实现的：

一种机载相控阵PD雷达杂波的快速模拟方法，其步骤如下：

相关参数预定义：坐标系定义和杂波场景定义；

坐标系定义：定义三维地理坐标系，即当地的北-天-东地理坐标系，其中原点O取在初始时刻载机质心在水平面上的投影点，X轴指向正北，是PD雷达的运动方向，Y轴垂直于当地水平面，指向天，Z轴指向正东；

杂波场景定义：定义杂波场景为矩形，其在X轴的范围为W_x，在Z轴的范围为W_z；

步骤一、选取一幅SAR图像，所述SAR图像上场景的大小和所定义的杂波场景大小相同，合成孔径雷达在获取所述SAR图像时的工作波段和PD雷达的工作波段相同；

步骤二、将整个杂波场景沿X轴和Z轴等分为长度为D_x、宽度为D_z的矩形散射单元，其中D_x为SAR图像的方位向分辨率，D_z为SAR图像的距离向分辨率，并将每个散射单元看成分布在单元中心的点散射体；

步骤三、将所述散射单元与所述SAR图像上的像元按照X轴方向平行于SAR图像的方位向，Z轴方向平行于SAR图像的距离向的关系一一对应，SAR图像像元的归一化灰度值即为相应散射单元的初始后向散射系数；

步骤四、按照PD雷达的天线相位中心到点散射体距离相等的关系，在杂波场景上等间隔的划分等距离环；

步骤五、对PD雷达的发射信号u(t)进行升采样处理，并对升采样的结果进行快速傅里叶变换得到U(ω)；

步骤六、在雷达发射脉冲时，计算当前时刻各散射单元的后向散射系数σ⁰；计算当前时刻各散射单元的斜距R，并根据所述R计算各散射单元的幅度A；

步骤七、针对每一等距离环，将其所包含的各散射单元的幅度和补偿斜距差带入多普勒项后再进行相干叠加，得到每个等距离环的雷达后向散射系数；

步骤八、将所有等距离环的等效雷达后向散射系数和对应环的中心斜距带入多普勒项后再进行相干叠加得到系统的冲击响应函数h(t)，并对h(t)进行快速傅里叶变换（FFT）得到H(ω)；

步骤九、将步骤五中获取的U(ω)与H(ω)相乘，再对相乘的结果进行逆快速傅里叶变换，得到该发射脉冲对应的周期接收的杂波信号；

步骤十、重复步骤六至步骤九，得到所有脉冲重复周期的杂波信号。

有益效果

第一，本发明通过SAR图像数据可以快速方便地获得某个真实自然场景的初始雷达后向散射系数；然后对杂波场景进行等距离环划分，将同一个等距离环中的所有散射单元的后向散射系数叠加成一个等效的后向散射系数，即将同一个等距离环中的所有散射单元等效成一个复合散射体，其降低杂波场景离散化散射单元的数量，达到了提高PD雷达杂波模拟效率的目的。

第二，本发明利用FFT将雷达的发射信号和系统的冲激响应信号变换到频域相乘后计算杂波信号，进一步提高了PD雷达杂波模拟效率，实现了在较高分辨率下机载PD雷达系统下自然场景杂波的快速模拟。

附图说明

图1为本发明杂波场景划分的示意图；

图2为本发明中对坐标系定义和杂波场景定义的示意图；

图3为本发明技术方案实施实例中所用的SAR图像；

图4为本发明技术方案实施实例杂波信号的距离—多普勒频率二维杂波图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明方法的实施方式做详细说明。

选取一幅SAR图像进行机载PD雷达杂波的仿真实验，仿真输出的是每个脉冲重复周期的杂波数据，通过在慢时间维（接收重复周期）进行FFT的方法得到距离—多普勒频率二维杂波图。设定SAR图像的大小是4000×4000，分辨率是5m，在C波段，下视角是30°；载机飞行的高度为2000m，速度是400m/s，雷达天线的波束宽度是4.1°，主瓣波束中心的方位角是20°，俯仰角是20°，雷达工作在波长为0.05m的C波段，雷达发射信号是线性调频脉冲，带宽是8MHz，采样率是10MHz，发射信号的时间是4μs，脉冲重复频率分别是10KHz、20KHz、80KHz；升采样倍数是8，仿真的脉冲个数128。

本发明机载PD雷达杂波的快速模拟方法，技术方案实施效果如附图1所示，其步骤如下：

对相关参数进行定义，如图2所示，包括坐标系定义和杂波场景定义：

1.1定义三维地理坐标系，即当地的北-天-东地理坐标系，其中原点O取在初始时刻载机质心在水平面上的投影点，X轴指向正北，是PD雷达的运动方向，Y轴垂直于当地水平面，指向天，Z轴指向正东，PD雷达主瓣波束中心的方位角为θ_a，俯仰角为。

1.2定义杂波场景，杂波场景为矩形，其在X轴的范围为W_x，在Z轴的范围为W_z。

步骤一、选取如上所述的SAR图像，图像上场景的大小和所定义的杂波场景大小相同，合成孔径雷达在获取所述SAR图像时的工作波段和PD雷达的工作波段相同；如图3所示。

步骤二、将整个杂波场景沿X轴和Z轴等分为长度为D_x、宽度为D_z的矩形散射单元，其中D_x为SAR图像的方位向分辨率，D_z为SAR图像的距离向分辨，将每个散射单元看成分布在单元中心的点散射体。

步骤三、将所述散射单元与所述SAR图像上的像元按照X轴方向平行于SAR图像的方位向，Z轴方向平行于SAR图像的距离向的关系一一对应，SAR图像像元的归一化灰度值即为相应散射单元的初始后向散射系数。

步骤四、按照PD雷达天线相位中心到点散射体距离相等的关系，在杂波场景上等间隔的划分等距离环，雷达天线相位中心到等距离环的距离d的范围，等距离环的间隔Δd及等距离环的个数M分别表示为：

$\frac{c\·T_{\mathrm{trans}}}{2}\≤d\≤\frac{c\·T_{\mathrm{prt}}}{2}$

$\mathrm{\Δd}=\frac{c}{{2\mathrm{nf}}_s}$

$M=\frac{(d_{\max }-d_{\min })}{\mathrm{\Δd}}=(T_{\mathrm{prt}}-T_{\mathrm{trans}})\·{\mathrm{nf}}_s$

其中c为光速，T_trans和T_prt分别为雷达发射脉冲信号的时间（即从开始发射脉冲信号到脉冲信号发射结束的整个时间段）和脉冲重复周期，f_s为PD雷达的采样率，n为升采样倍数，d_max和d_min分别为雷达天线相位中心到等距离环的最大距离和最小距离。

步骤五、对PD雷达的发射信号u(t)（不包含载波分量的部分）进行升采样处理，升采样倍数为步骤四中的n，并对升采样的结果进行快速傅里叶变换（FFT）得到U(ω)。

步骤六、在雷达发射脉冲时，根据下式计算当前时刻各散射单元的后向散射系数σ⁰：

${\mathrm{\σ}}^0={\mathrm{\σ}}^{\′}\frac{\cos {\mathrm{\θ}}^{\′}}{\cos \mathrm{\θ}}$

其中σ'为散射单元的初始后向散射系数，θ'为SAR图像的下视角，θ为散射单元对应的雷达发射波束的入射角，即雷达发射波束和地面法线的夹角；

在雷达发射脉冲时，计算当前时刻各散射单元的斜距R，根据下式计算各散射单元的幅度A；

$A={\left[\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^3{R}^{4}L}\right]}^{\frac{1}{2}}G\sqrt{{\mathrm{\σ}}^0\mathrm{\ΔS}}$

其中λ为雷达工作波长，L为雷达发射接收综合损耗，G为天线电压增益，ΔS为散射单元的雷达截面积；

步骤七、判断各散射单元所在的等距离环，针对每一等距离环，将其所包含的各散射单元的幅度和补偿斜距差带入多普勒项后再进行相干叠加，得到每个等距离环的雷达后向散射系数；其中第m个等距离环的等效雷达后向散射系数表示为σ_m，m＝1,2,…,M；

${\mathrm{\σ}}_m=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{A}_k{e}^{-j\frac{4\mathrm{\π\Δ}{R}_k}{\mathrm{\λ}}}$

其中K为第m个等距离环内散射单元的个数，A_k为第m个等距离环内第k个散射单元的幅度，ΔR_k表示第k个散射单元斜距和其所在的等距离环中心斜距的差，λ为雷达工作波长，等距离环中心斜距为组成该等距离环的两个圆的中心线到雷达的斜距。

步骤八、将所有等距离环的等效雷达后向散射系数和对应环的中心斜距带入多普勒项后再进行相干叠加得到系统的冲击响应函数h(t)，并对h(t)进行快速傅里叶变换（FFT）得到H(ω)；

$h\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_m{e}^{-j\frac{4\mathrm{\π}{R}_m}{\mathrm{\λ}}}\mathrm{\δ}(t-\frac{2R_m}{c})$

其中M为等距离环的个数，σ_m为第m个等距离环的等效雷达后向散射系数，R_m为第m个等距离环的中心斜距，δ(t)为单位冲激信号。

步骤九、将步骤五中获取的U(ω)与H(ω)相乘，再对相乘的结果进行逆快速傅里叶变换（IFFT），得到该发射脉冲对应的周期接收的杂波信号，

步骤十、重复步骤六至步骤九，得到所有脉冲重复周期的杂波信号。

根据设定的参数可知雷达天线的主瓣波束中心对应的多普勒频率f_MBC、最大杂波多普勒频率f_max、主瓣波束中心指向的方向到地面的距离r_MBC以及主瓣波束在距离轴上的变化Δr_MBC分别为：

f_max＝2V/λ＝16KHz

其中V是载机的速度，θ_B是雷达天线的波束宽度。

仿真实验得到的机载相控阵PD雷达杂波距离—多普勒频率二维杂波图结果如图4所示，其中（a）（b）（c）分别为脉冲重复频率是10KHz、20KHz、80KHz的仿真结果。从（a）中可以看出，由于脉冲重复频率小于天线主瓣波束中心对应的多普勒频率，造成杂波在频率轴混叠，主瓣杂波集中出现在其多普勒频率对脉冲重复频率取模的值处，既4.13KHz。从（b）中可以看出，在频率轴上，由于没有频率混叠，主瓣杂波集中出现在14KHz处。在距离轴上，由于该重复频率没造成距离模糊，同时在仿真的地面散射范围内没有距离重叠，因此强杂波主要集中在5.9km处。从（c）中可以看出，由于该脉冲重复频率对应的最大不模糊距离是1875m，导致主瓣杂波几乎占据了整个距离门。此外，由于杂波谱在频率轴的范围是32KHz，小于脉冲重复频率，所以在频率轴上会出现一段无杂波区。总之，从图4可看出，脉冲重复频率低时，由于频率模糊，杂波在频率上重叠，强杂波覆盖几乎全部速度门，只覆盖部分距离门。随着脉冲重复频率增高，强杂波覆盖的速度门不断减少，覆盖的距离门不断增加。当脉冲重复频率高时，由于距离模糊，杂波在距离上重叠，强杂波覆盖全部距离门，只覆盖部分速度门。无论是在频率维上还是在距离维上，仿真结果都与理论分析一致。这说明，按照本发明提供的技术方案进行基于SAR图像的机载相控阵PD雷达杂波快速模拟可以快速模拟大范围场景的高分辨率机载相控阵PD雷达杂波数据，达到了预期的目的，模拟数据可以满足大范围场景杂波特性研究、杂波抑制算法研究、评估高分辨率相控阵PD雷达在杂波环境下检测性能的应用要求。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种机载相控阵PD雷达杂波的快速模拟方法，其坐标系定义和杂波场景定义如下：

坐标系定义：定义三维地理坐标系，即当地的北-天-东地理坐标系，其中原点O取在初始时刻载机质心在水平面上的投影点，X轴指向正北，是PD雷达的运动方向，Y轴垂直于当地水平面，指向天，Z轴指向正东；

杂波场景定义：定义杂波场景为矩形，其在X轴的范围为W_x，在Z轴的范围为W_z；

其特征在于，其步骤如下：

步骤一、选取一幅SAR图像，所述SAR图像上场景的大小和所定义的杂波场景大小相同，合成孔径雷达在获取所述SAR图像时的工作波段和PD雷达的工作波段相同；

步骤二、将整个杂波场景沿X轴和Z轴等分为长度为D_x、宽度为D_z的矩形散射单元，其中D_x为SAR图像的方位向分辨率，D_z为SAR图像的距离向分辨率，并将每个散射单元看成分布在单元中心的点散射体；

步骤三、将所述散射单元与所述SAR图像上的像元按照X轴方向平行于SAR图像的方位向，Z轴方向平行于SAR图像的距离向的关系一一对应，SAR图像像元的归一化灰度值即为相应散射单元的初始后向散射系数；

步骤四、按照PD雷达的天线相位中心到点散射体距离相等的关系，在杂波场景上等间隔的划分等距离环；

步骤五、对PD雷达的发射信号u(t)进行升采样处理，并对升采样的结果进行快速傅里叶变换得到U(ω)；

步骤六、在雷达发射脉冲时，计算当前时刻各散射单元的后向散射系数σ⁰；计算当前时刻各散射单元的斜距R，并根据所述R计算各散射单元的幅度A；

步骤七、针对每一等距离环，将其所包含的各散射单元的幅度和补偿斜距差带入多普勒项后再进行相干叠加，得到每个等距离环的雷达后向散射系数；

步骤八、将所有等距离环的等效雷达后向散射系数和对应环的中心斜距带入多普勒项后再进行相干叠加得到系统的冲击响应函数h(t)，并对h(t)进行快速傅里叶变换得到H(ω)；

步骤九、将步骤五中获取的U(ω)与H(ω)相乘，再对相乘的结果进行逆快速傅里叶变换，得到该发射脉冲对应的周期接收的杂波信号；

步骤十、重复步骤六至步骤九，得到所有脉冲重复周期的杂波信号。