CN104215946B - 一种天地波混合雷达回波谱仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天地波混合雷达回波谱仿真方法。本方法它包括以下步骤：天地波雷达目标定位计算；传播衰减计算；噪声背景下雷达回波谱仿真；海杂波背景下雷达回波谱仿真。本发明从目标定位模型出发，完整地表示出了天地波混合雷达完整过程：自天波雷达发射高频电磁波直至地波接收站接收海面回波以及在这个过程中所遇到的上述噪声、衰减、杂波，最后的回波谱则表明了该新型体制雷达真的能够检测出某一海面上给定的目标；分析了该类型雷达的探测性能，为以后研究新的处理算法，指导阵地建设提供一定的参考。

Description

一种天地波混合雷达回波谱仿真方法

技术领域：

本发明涉及的是一种天地波混合雷达回波谱仿真方法。

背景技术：

高频超视距雷达(HF-OTHR)按其电波传播模式可划分为天波超视距雷达和地波超视距雷达。天波超视距雷达(简称天波雷达)虽然可实现1000～4000公里的探测，但受到了发射天线仰角以及电离层电子浓度的限制，天波雷达会存在700～1000公里内的近距盲区以及电离层扰动影响。地波超视距雷达(简称地波雷达)对空中/海面目标的作用距离可达100～300公里，且传播路径比较稳定，但受到其工作机理的限制，发射机通常部署在沿海地区，其安全性大大降低，抗摧毁能力也较差。为此，雷达研究者们提出了一种天地波混合雷达，这种雷达将天波电离层反射传播模式和地波绕射传播模式相结合，兼有两种体制雷达的优点。但其目标定位相对复杂，且传播模式多样，增加了其信号处理算法和处理步骤的复杂程度。因此，需要通过计算机仿真雷达回波谱，以解决上述问题。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种天地波混合雷达回波谱仿真方法。根据仿真的回波谱，研究如何提高新体制雷达的性能和适应该雷达的信号处理算法。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明采用以下技术方案：

一种天地波混合雷达回波谱仿真方法，包括以下步骤：

步骤一：天地波雷达目标定位计算；

步骤二：传播衰减计算；

步骤三：噪声背景下雷达回波谱仿真；

步骤四：海杂波背景下雷达回波谱仿真。

进一步的，在步骤一中，雷达目标定位计算采用的公式是：

P₃＝P′-2P₁

其中，P₃为目标到雷达接收机的距离；P′为雷达发射的电磁波经目标反射后被雷达接收机接收时所传播的距离，其为可测量；P₁为雷达发射机到电离层等效反射点的距离，其值不可直接测得，但可由下面方程联立得出：

P₁ ²＝h²+(D/2)²

D²＝P₃ ²+D₀ ²-2P₃D₀cosθ

其中各个参数的含义：h为电离层等效的反射点，可以实际测得；D为雷达发射机与目标连线距离，此量未知，但其满足式D²＝P₃ ²+D₀ ²-2P₃D₀cosθ；D₀为雷达发射机和接收机之间连线距离，为已知量；θ为目标和雷达接收机连线与直线D₀之间的夹角，此量为已知量，这样就可以根据式上述三个公式完成目标距离P₃的测量，实现目标的定位。

进一步的，在步骤二中，传播衰减计算包括电离层吸收衰减和海浪附加衰减；

对于电离层吸收衰减的计算采用的公式是：

其中各个参数的含义：为在100Km高处的入射角；f为工作频率(MHz)；f_H为在高为100km处的磁旋频率(MHz)；I为吸收指数，其值可由下式求出：I＝(1+0.0037R)(cos0.881χ)^1.3，其中R为太阳黑子数在12个月的流动平均值；χ为100km吸收处所对应太阳天顶角；考虑到电离层存在的法拉第旋转效应，根据电离层吸收衰减的计算公式计算的结果还有加上3dB；

对于海浪附加衰减的计算方法是：由于海浪附加衰减公式比较复杂，往往采用利用已有数据读值和线性插值计算的方式近似得出。若想得到工作频率f₀，海况为s₀的附加衰减L_w，首先根据读图确定工作频率f₁海况为s₀的附加衰减L_w1以及工作频率f₂海况为s₀的附加衰减L_w2，使得f₀∈(f₁,f₂)，则所求频率的海浪附加衰减值为

进一步的，在步骤三中噪声背景下雷达回波谱仿真包括目标信噪比计算以及回波谱生成；

目标信噪比计算公式为：

SNR＝P_tG_tG_rλ²σT_a/[(4π)³P²P₃ ²kT₀F_aL_aL_wL_s]

其中P_t为天波发射站发射功率；P为天波路径P＝2P₁；G_t为发射机天线增益；L_a为电离层吸收损耗；σ的目标后向散射面积；P₃为地波传播路径；L_w为地波传播损耗因子；G_r为地波接收站天线增益；λ为雷达工作波长；L_s为系统损耗因子；k为波尔兹曼常数；

F_a为环境噪声系数；T₀为噪声温度温度；T_a为相干积累时间；

目标回波谱生成要得到目标的时域信号，第n个天线阵元接收到的目标相对于第m个发射脉冲的回波信号为表达式为：

其中，τ为回波信号相对于发射信号的时延；f_T为运动目标的Doppler频率；λ为电波波长；d为天线阵元间距；R为目标距离雷达接收机距离；θ为目标初始位置相对于接收天线阵列的法线方向的夹角；v_R为目标径向速度；noise_n,m(t)为均值为0方差为1的高斯白噪声；a为目标信号幅度a＝SNR/(B×M×N)；B、M和N分别为做方位变换、距离变换和速度变换的点数。对于S_n,m(t)表达式的信号在方位维做傅里叶变换，之后再进行距离-速度的二维快速傅里叶变换，就可以得到某个方向某个距离单元上的回波数据。

进一步的，在步骤四中主要计算海杂波回波谱，包括一阶海杂波和二阶海杂波；

对于一阶海杂波，其所在位置的计算公式：其中±号表示朝向及背离雷达波束的谐振海浪所产生的正负一阶海杂波，f₀为雷达工作频率，单位为MHz，f_B的单位为Hz，β为雷达波束与水平面的夹角；

一阶海杂波中能量较大的一阶回波可以等效为散射面积为几万平米的目标。而两个一阶海杂波峰能量比r是雷达波束方向与海面风向夹角θ的函数，其理论公式如下：

式中s为经验值，取值范围为2～6，一般取s＝4；

对于二阶海杂波的仿真较为复杂，首先根据理论公式得到理想的一二阶海杂波谱，为了节省计算量，设置能量阈值来去除能量较小的二阶海杂波；为了获得连续的二阶谱区域，舍弃间隔不大于频率分辨率的谱线，最后利用极值点的频率和幅度得到仿真出的回波谱。

本发明对比现有技术，有如下的有益效果：本发明从目标定位模型出发，完整地表示出了天地波混合雷达完整过程：自天波雷达发射高频电磁波直至地波接收站接收海面回波以及在这个过程中所遇到的上述噪声、衰减、杂波，最后的回波谱则表明了该新型体制雷达真的能够检测出某一海面上给定的目标；分析了该类型雷达的探测性能，为以后研究新的处理算法，指导阵地建设提供一定的参考。

附图说明：

图1是本发明方法流程图。

图2是天地波混合雷达电磁波传播路径图。

图3是不同频率和不同海况下海浪的附加衰减示意图。

图4是理想的海面回波谱与仿真回波谱图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1是本发明方法流程图。首先根据雷达发射机和接收机所在位置以及电离层参数，进行雷达探测区域分析；其次，根据海况参数和电离层参数，计算电磁波传播衰减；进而海况信息模拟一二阶海杂波；最后根据目标位置信息以及背景噪声计算目标信噪比，得到雷达回波谱。

图2是天地波混合雷达电磁波传播路径图。图中X为雷达发射站，W为雷达接收站，T表示目标位置，M为电离层发射顶点，H为电磁波在电离层内等效直线传播时对应的等效反射顶点，距地面高度为h。雷达发射站与目标之间的距离为D，雷达发射站到接收站之间距离为D₀，目标与接收机之间的距离为P₃，目标-接收机-发射机夹角为θ。

图3是不同频率和不同海况下海浪的附加衰减示意图。其中a)图对应于工作频率为3MHz下，海况2、4和6级情况下海面附加衰减与海面距离之间的关系；b)图对应于工作频率为5MHz下，海况1-6级情况下海面附加衰减与海面距离之间的关系；c)图对应于工作频率为10MHz下，海况1-6级情况下海面附加衰减与海面距离之间的关系；d)图对应于工作频率为20MHz下，海况1-6级情况下海面附加衰减与海面距离之间的关系。

图4是理想的海面回波谱与仿真回波谱图。a)图对应于海面风速为10m/s，海面风向与雷达中心波束指向夹角40°时的理论计算海杂波示意图；b)图对应于海面风速为10m/s，海面风向与雷达中心波束指向夹角40°时的仿真海杂波示意图；c)图对应于海面风速为20m/s，海面风向与雷达中心波束指向夹角80°时的理论计算海杂波示意图；d)图对应于海面风速为20m/s，海面风向与雷达中心波束指向夹角80°时的仿真海杂波示意图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种天地波混合雷达回波谱仿真方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤一：天地波雷达目标定位计算；

步骤二：传播衰减计算；

步骤三：噪声背景下雷达回波谱仿真；

步骤四：海杂波背景下雷达回波谱仿真；

在步骤一中，雷达目标定位计算采用的公式是：

P₃＝P′-2P₁

其中，P₃为目标到雷达接收机的距离；P′为雷达发射的电磁波经目标反射后被雷达接收机接收时所传播的距离，其为可测量；P₁为雷达发射机到电离层等效反射点的距离，其值不可直接测得，但可由下面方程联立得出：

P₁ ²＝h²+(D/2)²

D²＝P₃ ²+D₀ ²-2P₃D₀cosθ

其中各个参数的含义：h为电离层等效的反射点，可以实际测得；D为雷达发射机与目标连线距离，此量未知，但其满足式D²＝P₃ ²+D₀ ²-2P₃D₀cosθ；D₀为雷达发射机和接收机之间连线距离，为已知量；θ为目标和雷达接收机连线与直线D₀之间的夹角，此量为已知量，这样就可以根据式上述三个公式完成目标距离P₃的测量，实现目标的定位；

在步骤二中，传播衰减计算包括电离层吸收衰减和海浪附加衰减；

对于电离层吸收衰减的计算采用的公式是：

其中各个参数的含义：为在100Km高处的入射角；f为工作频率(MHz)；f_H为在高为100km处的磁旋频率(MHz)；I为吸收指数，其值可由下式求出：I＝(1+0.0037R)(cos0.881χ)^1.3，其中R为太阳黑子数在12个月的流动平均值；χ为100km吸收处所对应太阳天顶角；考虑到电离层存在的法拉第旋转效应，根据电离层吸收衰减的计算公式计算的结果还有加上3dB；

对于海浪附加衰减的计算方法是：由于海浪附加衰减公式比较复杂，往往采用利用已有数据读值和线性插值计算的方式近似得出，若想得到工作频率f₀，海况为s₀的附加衰减L_w，首先根据读图确定工作频率f₁海况为s₀的附加衰减L_w1以及工作频率f₂海况为s₀的附加衰减L_w2，使得f₀∈(f₁,f₂)，则所求频率的海浪附加衰减值为

在步骤三中噪声背景下雷达回波谱仿真包括目标信噪比计算以及回波谱生成；

目标信噪比计算公式为：

SNR＝P_tG_tG_rλ²σT_a/[(4π)³P²P₃ ²kT₀F_aL_aL_wL_s]

其中P_t为天波发射站发射功率；P为天波路径P＝2P₁；G_t为发射机天线增益；L_a为电离层吸收损耗；σ的目标后向散射面积；P₃为地波传播路径；L_w为地波传播损耗因子；G_r为地波接收站天线增益；λ为雷达工作波长；L_s为系统损耗因子；k为波尔兹曼常数；F_a为环境噪声系数；T₀为噪声温度温度；T_a为相干积累时间；

目标回波谱生成要得到目标的时域信号，第n个天线阵元接收到的目标相对于第m个发射脉冲的回波信号为表达式为：

其中，

τ为回波信号相对于发射信号的时延；f_T为运动目标的Doppler频率；λ为电波波长；d为天线阵元间距；R为目标距离雷达接收机距离；θ为目标初始位置相对于接收天线阵列的法线方向的夹角；v_R为目标径向速度；noise_n,m(t)为均值为0方差为1的高斯白噪声；a为目标信号幅度a＝SNR/(B×M×N)；B、M和N分别为做方位变换、距离变换和速度变换的点数，对于S_n,m(t)表达式的信号在方位维做傅里叶变换，之后再进行距离-速度的二维快速傅里叶变换，就可以得到某个方向某个距离单元上的回波数据；

在步骤四中主要计算海杂波回波谱，包括一阶海杂波和二阶海杂波；

对于一阶海杂波，其所在位置的计算公式：其中±号表示朝向及背离雷达波束的谐振海浪所产生的正负一阶海杂波，f₀为雷达工作频率，单位为MHz，f_B的单位为Hz，β为雷达波束与水平面的夹角；

一阶海杂波中能量较大的一阶回波可以等效为散射面积为几万平米的目标，而两个一阶海杂波峰能量比r是雷达波束方向与海面风向夹角θ的函数，其理论公式如下：

式中s为经验值，取值范围为2～6；

对于二阶海杂波的仿真较为复杂，首先根据理论公式得到理想的一二阶海杂波谱，为了节省计算量，设置能量阈值来去除能量较小的二阶海杂波；为了获得连续的二阶谱区域，舍弃间隔不大于频率分辨率的谱线，最后利用极值点的频率和幅度得到仿真出的回波谱。