CN104360331A - 一种宽带雷达目标极化特性的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带雷达目标极化特性的模拟方法，包括以下步骤，接收宽带雷达的发射信号，进行模数转换将该发射信号变换为对应的数字信号；获取宽带雷达目标一维距离像上每个散射点的极化特性，并以极化散射矩阵来描述；对于目标一维距离像上的每个散射点，分别对宽带雷达输入信号乘上其对应的极化散射矩阵，进行极化特性调制；将极化特性调制后的每个散射点回波信号在数字域内进行合成，分别得到H通道和V通道的极化调制信号；将合成后的极化调制信号变换为模拟信号输出。本发明不仅解决了移相器和衰减器温漂的影响，提高极化目标特性模拟的稳定性，还解决了模拟极化调制方法不能实现宽带雷达目标极化特性模拟的问题，具有良好的应用前景。

Description

一种宽带雷达目标极化特性的模拟方法

技术领域

本发明涉及一种宽带雷达目标极化特性的模拟方法，属于雷达目标回波模拟技术领域。

背景技术

随着雷达极化理论体系和极化雷达系统集成技术的完善，以及各种新型极化器件的出现，变极化雷达体制已经应用于目标检测、增强、滤波、对消及目标识别等领域。随着高科技的发展及其在现代战争中的应用，电子对抗的斗争越来越激烈，雷达面临的干扰与反干扰形式也越来越严峻，历史上几场现代局部战争表明在干扰条件下雷达的作战性能很难发挥，理论研究与实践表明，利用极化信息不仅能有效对抗有源干扰、杂波干扰，而且，具有反地空突防、反隐身和提高目标识别可靠性等能力，因此，极化信息应用的优势越来越突出。

利用极化信息处理技术研制极化雷达，称为解决雷达四大威胁、提高雷达检测和抗干扰能力的有效途径，因此，极化雷达得到了广泛的研究与发展；尤其是随着器件水平的日渐发展，瞬时宽带技术的实现已经越来越成熟，相应的设备也越来越多，将宽带技术应用于极化雷达的高分辨率极化雷达是当前及今后发展的趋势。

为了有效的对宽带极化雷达进行检测和试验，在设备做外场试验前充分的进行试验，检验设备各部分的功能，对目标回波的模拟是非常有意义的，而对于极化雷达目标来说，目标的极化特性模拟是核心。

目前，对于目标极化特性的模拟，通常采用模拟器件来实现，该方法将目标回波模拟器输出的一路信号功分两路，按照需要的极化特性，分别对两路信号采用模拟衰减器和移相器进行幅度和相位的控制，将调制后的信号分别送至双极化天线的H和V入口，通过天线合成输出任意极化的目标回波，该方法对于窄带雷达目标回波模拟具有一定的可行性，但是针对宽带极化雷达的目标回波模拟，存在着以下问题：

(1)采用模拟衰减器和移相器，容易受到环境温度的影响；

(2)对于宽带雷达的目标回波模拟来说，宽带雷达目标回波在雷达端体现为一维距离像信息，一维距离像上的各个散射点之间存在着不同的极化特性，假设各个散射点之间时域上不交叠，通过快速更新来控制模拟衰减器和移相器实现各个散射点的极化特性，模拟器件的响应特性跟不上，假设各个散射点之间时域上交叠，则采用模拟衰减器和移相器的方法无法实现每个散射点不同的极化特性的控制。

发明内容

本发明的目的是为了克服目前采用模拟器件来实现的目标极化特性模拟技术中存在的问题。本发明的宽带雷达目标极化特性的模拟方法，采用数字器件实现，具有良好的温度特性，解决了模拟移相器和模拟衰减器温漂的影响，提高极化目标特性模拟的稳定性；本发明的宽带雷达目标极化特性的模拟方法，当目标一维距离像回波在时域不交叠时，通过数字化快速实现幅度和相位调制，解决了模拟器件响应速度慢的问题，当目标一维距离像回波在时域交叠时，在数字域内进行极化调制后的合成，解决了模拟方法不能够实现一维距离像各散射点不同极化特性调制的缺陷。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种宽带雷达目标极化特性的模拟方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤(1)，接收宽带雷达的发射信号s_tr-H(t)，s_tr-V(t)，并分别进行模数转换，将该发射信号变换为对应的数字信号s_tr-H(n)，s_tr-V(n)；

步骤(2)，对于宽带雷达目标一维距离像上的N个散射点，分别获取该一维距离像上每个散射点的极化特性，并以极化散射矩阵来描述，分别为 $\left[\begin{array}{cc}{S}_{1-\mathrm{HH}}& S_{1-\mathrm{HV}}\\ S_{1-\mathrm{VH}}& S_{1-\mathrm{VV}}\end{array}\right],\left[\begin{array}{cc}{S}_{2-\mathrm{HH}}& S_{2-\mathrm{HV}}\\ S_{2-\mathrm{VH}}& S_{2-\mathrm{VV}}\end{array}\right],...,\left[\begin{array}{cc}{S}_{i-\mathrm{HH}}& S_{i-\mathrm{HV}}\\ S_{i-\mathrm{VH}}& S_{i-\mathrm{VV}}\end{array}\right],...,$ $\left[\begin{array}{cc}{S}_{N-\mathrm{HH}}& S_{N-\mathrm{HV}}\\ S_{N-\mathrm{VH}}& S_{N-\mathrm{VV}}\end{array}\right],$ 其中， $\left[\begin{array}{cc}{S}_{i-\mathrm{HH}}& S_{i-\mathrm{HV}}\\ S_{i-\mathrm{VH}}& S_{i-\mathrm{VV}}\end{array}\right]$ 为该宽带雷达目标一维距离像上的第i个散射点的极化散射矩阵，i＝1,2,…N；

极化散射矩阵中的元素S_i-HH为目标第i个散射点在发射H极化、接收H极化时的复散射系数，A_i-HH、分别为元素S_i-HH的幅度、相位值，元素S_i-HV为目标第i个散射点在发射H极化、接收V极化时的复散射系数，A_i-HV、分别为元素S_i-HV的幅度、相位值；元素S_i-VH为目标第i个散射点在发射V极化、接收H极化时的复散射系数，A_i-VH、分别为元素S_i-VH的幅度、相位值；元素S_i-VV为目标第i个散射点在发射V极化、接收V极化时的复散射系数，A_i-VV、分别为元素S_i-VV的幅度、相位值；

步骤(3)，对于宽带雷达目标一维距离像上的每个散射点，对输入的宽带雷达信号分别乘上其对应的极化散射矩阵，进行极化特性调制，调制后的输出如公式(1)所示，

展开可得到，

其中，s_i-H(n)、s_i-V(n)分别为目标一维距离像上第i个散射点经过极化调制后的数字信号，i＝1,2,3,…,N；

步骤(4)，将极化特性调制后的每个散射点回波信号s_i-H(n)、s_i-V(n)在数字域内进行合成，i＝1,2,3,…,N，分别得到H通道和V通道的极化调制信号s_r-H(n)、s_r-V(n)，如公式(4)、(5)所示，

$s_{r-H}\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{i-H}\left(n\right)---\left(4\right)$

$s_{r-V}\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{i-V}\left(n\right)---\left(5\right)$

步骤(5)，将合成后的H通道和V通道数字信号s_r-H(n)、s_r-V(n)分别进行数模转换，变换为模拟信号s_r-H(t)、s_r-V(t)输出。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的宽带雷达目标极化特性的模拟方法，采用数字器件实现，具有良好的温度特性，解决了模拟移相器和模拟衰减器温漂的影响，提高极化目标特性模拟的稳定性；

(2)本发明的宽带雷达目标极化特性的模拟方法，当目标一维距离像回波在时域不交叠时，通过数字化快速实现幅度和相位调制，解决了模拟器件响应速度慢的问题；

(3)本发明的宽带雷达目标极化特性的模拟方法，当目标一维距离像回波在时域交叠时，在数字域内进行极化调制后的合成，解决了模拟方法不能够实现一维距离像各散射点不同极化特性调制的缺陷。

附图说明

图1为本发明的宽带雷达目标极化特性的模拟方法的流程图。

图2为本发明实施例中采用的角度数字调制板卡原理图。

图3为本发明数字域中进行宽带雷达目标极化特性调制的结构图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的宽带雷达目标极化特性的模拟方法，采用数字器件实现，具有良好的温度特性，解决了模拟移相器和模拟衰减器温漂的影响，提高极化目标特性模拟的稳定性，宽带雷达目标各散射点在时域不交叠时或者时域交叠时，对目标极化特性的模拟，快速实现幅度和相位的控制，如图1所示，具包括以下步骤，

步骤(1)，接收宽带雷达的发射信号s_tr-H(t)，s_tr-V(t)，并分别进行模数转换，将该发射信号变换为对应的数字信号s_tr-H(n)，s_tr-V(n)；

步骤(2)，对于宽带雷达目标一维距离像上的N个散射点，分别获取该一维距离像上每个散射点的极化特性，并以极化散射矩阵来描述，分别为 $\left[\begin{array}{cc}{S}_{1-\mathrm{HH}}& S_{1-\mathrm{HV}}\\ S_{1-\mathrm{VH}}& S_{1-\mathrm{VV}}\end{array}\right],\left[\begin{array}{cc}{S}_{2-\mathrm{HH}}& S_{2-\mathrm{HV}}\\ S_{2-\mathrm{VH}}& S_{2-\mathrm{VV}}\end{array}\right],...,\left[\begin{array}{cc}{S}_{i-\mathrm{HH}}& S_{i-\mathrm{HV}}\\ S_{i-\mathrm{VH}}& S_{i-\mathrm{VV}}\end{array}\right],...,$ $\left[\begin{array}{cc}{S}_{N-\mathrm{HH}}& S_{N-\mathrm{HV}}\\ S_{N-\mathrm{VH}}& S_{N-\mathrm{VV}}\end{array}\right],$ 其中， $\left[\begin{array}{cc}{S}_{i-\mathrm{HH}}& S_{i-\mathrm{HV}}\\ S_{i-\mathrm{VH}}& S_{i-\mathrm{VV}}\end{array}\right]$ 为该宽带雷达目标一维距离像上的第i个散射点的极化散射矩阵，i＝1,2,…N；

极化散射矩阵中的元素S_i-HH为目标第i个散射点在发射H极化、接收H极化时的复散射系数，A_i-HH、分别为元素S_i-HH的幅度、相位值，元素S_i-HV为目标第i个散射点在发射H极化、接收V极化时的复散射系数，A_i-HV、分别为元素S_i-HV的幅度、相位值；元素S_i-VH为目标第i个散射点在发射V极化、接收H极化时的复散射系数，A_i-VH、分别为元素S_i-VH的幅度、相位值；元素S_i-VV为目标第i个散射点在发射V极化、接收V极化时的复散射系数，A_i-VV、分别为元素S_i-VV的幅度、相位值；

步骤(3)，对于宽带雷达目标一维距离像上的每个散射点，对输入的宽带雷达信号分别乘上其对应的极化散射矩阵，进行极化特性调制，调制后的输出如公式(1)所示，

展开可得到，

其中，s_i-H(n)、s_i-V(n)分别为目标一维距离像上第i个散射点经过极化调制后的数字信号，i＝1,2,3,…,N；

步骤(4)，将极化特性调制后的每个散射点回波信号s_i-H(n)、s_i-V(n)在数字域内进行合成，i＝1,2,3,…,N，分别得到H通道和V通道的极化调制信号s_r-H(n)、s_r-V(n)，如公式(4)、(5)所示，

$s_{r-H}\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{i-H}\left(n\right)---\left(4\right)$

$s_{r-V}\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{i-V}\left(n\right)---\left(5\right)$

步骤(5)，将合成后的H通道和V通道数字信号s_r-H(n)、s_r-V(n)分别进行数模转换，变换为模拟信号s_r-H(t)、s_r-V(t)输出。

实施例1

本实施例涉及根据发明的宽带目标极化特性模拟方法，进行极化特性模拟的核心是数字域处理的信号处理板卡，如图2所示，信号处理板卡包含两片3Gsps采样率的AD芯片、一片Xilinx公司的V5SX95T FPGA芯片和两片3Gsps的DA芯片，其中，AD芯片实现输入模拟信号到数字信号的变换，FPGA芯片内部通过可编程逻辑设计对输入的数字信号进行极化调制处理，极化调制后的H、V个支路的数字信号分别送至对应的DA芯片进行数模转换，

上述宽带雷达目标极化特性模拟方法的具体步骤如下：

1)信号处理板卡通过标准的CPCI总线从仿真设置计算机中获取当前仿真所需的宽带雷达一维距离像上的10个散射点的极化特性，以极化散射矩阵来表示为 $\left[\begin{array}{cc}{S}_{i-\mathrm{HH}}& S_{i-\mathrm{HV}}\\ S_{i-\mathrm{VH}}& S_{i-\mathrm{VV}}\end{array}\right]$ i＝1,2,3…10，其中：A_i-HH、分别为元素S_i-HH的幅度、相位值，A_i-HV、分别为元素S_i-HV的幅度、相位值，A_i-VH、分别为元素S_i-VH的幅度、相位值，A_i-VV、分别为元素S_i-VV的幅度、相位值；

2)对输入的模拟信号经过模数转换为数字信号s_tr-H(n)、s_tr-V(n)，其中n为时间变量；

3)将经过模数转换后的数字信号s_tr-H(n)、s_tr-V(n)在FPGA内分别功分为20个支路，分别对应10个散射点H、V一共20个支路；

4)在FPGA内部进行可编程逻辑设计，按照如图3所示，对10个支路中的每一个支路分别作H路和V路的幅度、相位调制；

5)将每10个支路对应的H支路、V支路的信号进行相加，从而得到了该系统宽带雷达目标一维距离像上的10个散射点的不同极化调制的H路、V路合路信号；

6)将经过极化调制后的H路、V路合路信号分别送至H通道、V通道对应的数模转换器中，得到H通道、V通道的模拟信号输出。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

(1)本发明的宽带雷达目标极化特性的模拟方法，采用数字器件实现，具有良好的温度特性，解决了模拟移相器和模拟衰减器温漂的影响，提高极化目标特性模拟的稳定性；

(2)本发明的宽带雷达目标极化特性的模拟方法，当目标一维距离像回波在时域不交叠时，通过数字化快速实现幅度和相位调制，解决了模拟器件响应速度慢的问题；

(3)本发明的宽带雷达目标极化特性的模拟方法，当目标一维距离像回波在时域交叠时，在数字域内进行极化调制后的合成，解决了模拟方法不能够实现一维距离像各散射点不同极化特性调制的缺陷。

实施例2

本实施例根据本发明的宽带目标极化特性模拟方法，进行极化特性模拟的核心是数字域处理的信号处理板卡，如图2所示，信号处理板卡包含两片3Gsps采样率的AD芯片、一片Xilinx公司的V5SX95TFPGA芯片和两片3Gsps的DA芯片，其中，AD芯片实现输入模拟信号到数字信号的变换，FPGA芯片内部通过可编程逻辑设计对输入的数字信号进行极化调制处理，极化调制后的H、V个支路的数字信号分别送至对应的DA芯片进行数模转换。

上述宽带雷达目标极化特性模拟方法的具体步骤如下：

7)信号处理板卡通过标准的CPCI总线从仿真设置计算机中获取当前仿真所需的宽带雷达一维距离像上的20个散射点的极化特性，以极化散射矩阵来表示为 $\left[\begin{array}{cc}{S}_{i-\mathrm{HH}}& S_{i-\mathrm{HV}}\\ S_{i-\mathrm{VH}}& S_{i-\mathrm{VV}}\end{array}\right]$ i＝1,2,3…20，其中：A_i-HH、分别为元素S_i-HH的幅度、相位值，A_i-HV、分别为元素S_i-HV的幅度、相位值，A_i-VH、分别为元素S_i-VH的幅度、相位值，A_i-VV、分别为元素S_i-VV的幅度、相位值；

8)对输入的模拟信号经过模数转换为数字信号s_tr-H(n)、s_tr-V(n)，其中n为时间变量；

9)将经过模数转换后的数字信号s_tr-H(n)、s_tr-V(n)在FPGA内分别功分为40个支路，分别对应20个散射点H、V一共40个支路；

10)在FPGA内部进行可编程逻辑设计，按照如图3所示，对20个支路中的每一个支路分别作H路和V路的幅度、相位调制；

11)将每20个支路对应的H支路、V支路的信号进行相加，从而得到了该系统宽带雷达目标一维距离像上的20个散射点的不同极化调制的H路、V路合路信号；

将经过极化调制后的H路、V路合路信号分别送至H通道、V通道对应的数模转换器中，得到H通道、V通道的模拟信号输出。

本实施例其余特征与优点与实施例1相同。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种宽带雷达目标极化特性的模拟方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤(1)，接收宽带雷达的发射信号s_tr-H(t)，s_tr-V(t)，并分别进行模数转换，将该发射信号变换为对应的数字信号s_tr-H(n)，s_tr-V(n)；

步骤(2)，对于宽带雷达目标一维距离像上的N个散射点，分别获取该一维距离像上每个散射点的极化特性，并以极化散射矩阵来描述，分别为 $\left[\begin{array}{cc}{S}_{1-\mathrm{HH}}& S_{1-\mathrm{HV}}\\ S_{1-\mathrm{VH}}& S_{1-\mathrm{VV}}\end{array}\right],\left[\begin{array}{cc}{S}_{2-\mathrm{HH}}& S_{2-\mathrm{HV}}\\ S_{2-\mathrm{VH}}& S_{2-\mathrm{VV}}\end{array}\right],...,\left[\begin{array}{cc}{S}_{i-\mathrm{HH}}& S_{i-\mathrm{HV}}\\ S_{i-\mathrm{VH}}& S_{i-\mathrm{VV}}\end{array}\right],...,$ $\left[\begin{array}{cc}{S}_{N-\mathrm{HH}}& S_{N-\mathrm{HV}}\\ S_{N-\mathrm{VH}}& S_{N-\mathrm{VV}}\end{array}\right],$ 其中， $\left[\begin{array}{cc}{S}_{i-\mathrm{HH}}& S_{i-\mathrm{HV}}\\ S_{i-\mathrm{VH}}& S_{i-\mathrm{VV}}\end{array}\right]$ 为该宽带雷达目标一维距离像上的第i个散射点的极化散射矩阵，i＝1,2,…N；

极化散射矩阵中的元素S_i-HH为目标第i个散射点在发射H极化、接收H极化时的复散射系数，A_i-HH、分别为元素S_i-HH的幅度、相位值，元素S_i-HV为目标第i个散射点在发射H极化、接收V极化时的复散射系数，A_i-HV、分别为元素S_i-HV的幅度、相位值；元素S_i-VH为目标第i个散射点在发射V极化、接收H极化时的复散射系数，A_i-VH、分别为元素S_i-VH的幅度、相位值；元素S_i-VV为目标第i个散射点在发射V极化、接收V极化时的复散射系数，A_i-VV、分别为元素S_i-VV的幅度、相位值；

步骤(3)，对于宽带雷达目标一维距离像上的每个散射点，对输入的宽带雷达信号分别乘上其对应的极化散射矩阵，进行极化特性调制，调制后的输出如公式(1)所示，

展开可得到，

其中，s_i-H(n)、s_i-V(n)分别为目标一维距离像上第i个散射点经过极化调制后的数字信号，i＝1,2,3,…,N；

步骤(4)，将极化特性调制后的每个散射点回波信号s_i-H(n)、s_i-V(n)在数字域内进行合成，i＝1,2,3,…,N，分别得到H通道和V通道的极化调制信号s_r-H(n)、s_r-V(n)，如公式(4)、(5)所示，

$s_{r-H}\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{i-H}\left(n\right)---\left(4\right)$

$s_{r-V}\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{i-V}\left(n\right)---\left(5\right)$

步骤(5)，将合成后的H通道和V通道数字信号s_r-H(n)、s_r-V(n)分别进行数模转换，变换为模拟信号s_r-H(t)、s_r-V(t)输出。