CN104614713A - 一种适合于艇载雷达系统的雷达回波信号模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适合于艇载雷达系统的雷达回波信号模拟器，其包括有参数设置模块(10)、数据生成模块(20)、数据调度模块(30)、数模转换模块(40)、混频模块(50)和中频振荡器(60)。本发明应用场景模型与雷达参数、天线参数相结合，利用杂波统计分布模型和功率谱模型对所需背景地形所对应的杂波序列进行模拟，采用网格划分法产生杂波回波信号，然后利用所需敏感区域的位置信息产生相关目标回波，最后将杂波信号与目标信号进行融合，产生出符合测试要求的雷达回波并回传给测试雷达。本发明回波模拟器可运用于飞船载雷达设备的研制开发、生产测试和性能检测等多个环节，最大限度的减少外场实验，节省实验经费，缩短研制周期。

Description

一种适合于艇载雷达系统的雷达回波信号模拟器

技术领域

本发明涉及一种雷达回波信号模拟器，更特别地说，是指一种能够对艇载雷达系统产生的回波信号进行性能分析的雷达回波信号模拟器。

背景技术

雷达模拟课题涉及的范围很广。雷达系统种类很多，用途也很广。雷达可以设在地面，可以装在船上，也可以载在飞机上或航天飞行器上。雷达系统的功能有几种，从简单地发现目标到对目标进行识别，各不相同，模拟的目的也不一样。一般说来，没有单一的模拟程序能够对所有各种情况都适用。一种模拟程序对某一种应用适合，对另一种应用也许就根本不适合。

雷达信号模拟器是雷达系统研制生产和测试中不可缺少的重要组成部分。现代雷达系统非常复杂，必须有功能完备的测试设备对其进行检测，以验证其功能，雷达回波模拟器就是其中之一。雷达信号模拟器是模拟技术与雷达技术相结合的产物。它通过模拟的方法产生雷达回波信号，以便在实际雷达系统前端不具备的条件下对雷达系统后级进行调试。随着数字技术的日益普及，雷达信号模拟器本身也在逐渐采用数字方法来实现。

任丽香，1998年2月发表在《现代雷达》中的“一种通用雷达信号模拟器的设计与实现”。文中公开了一个典型的数字雷达信号模拟器，其工作流程是：模拟器首先接受待模拟的各种参数，根据参数的要求运算形成数字回波信号(这一工作通常是由通用计算机来完成的；数字回波信号经实时数据调度生成满足雷达系统时序要求的实时数字回波信号，并经D/A变换转换为视频模拟回波信号；视频回波信号再通过混频器生成中频模拟回波信号，供雷达信号处理机调试使用。具体结构示意如图1所示。

沈杰，在2002年《第八届全国雷达学术年会论文集》中公开了“平流层飞艇载雷达系统初步研究”，文中介绍了平流层飞艇载雷达系统的组成。它包括飞艇系统和雷达两部分。飞艇系统包括空中的飞艇平台和地面的平台监控中心、保障设备等；雷达也分为空中部分和地面部分。飞艇系统和雷达分别通过无线通信的上行与下行的信号与数据链来构成各自相对独立的空地结会式、能人工操作的系统。

目前，设计的已有雷达回波信号模拟器未按照地球实际环境进行雷达信号模拟，由于飞艇驻空高度落差较大，从几千米到数万米，简单的平面模型已不足够满足计算精度。也有的未对具体地形的杂波概率分布特性模型进行归类，造成逼真度低的问题。

发明内容

为了实现按照地球实际环境进行雷达信号模拟的飞艇雷达系统，本发明设计了一种适合于艇载雷达系统的雷达回波信号模拟器。该雷达回波信号模拟器结合测试环境所需参数，选择合适的背景地形，利用杂波统计分布模型和功率谱模型对相应的杂波序列进行模拟，采用网格划分法产生杂波回波信号，然后利用目标所在区域的位置信息产生相应目标回波，利用高斯模型产生加性噪声信号，最后将杂波信号、目标信号和噪声信号进行融合，产生出符合测试要求的雷达回波。本发明设计的雷达回波信号模拟器可运用于艇载雷达系统的研制开发、生产测试和性能检测等多个环节，最大限度的减少外场实验，节省实验经费，缩短研制周期。

本发明设计了一种适合于艇载雷达系统的雷达回波信号模拟器，该雷达回波信号模拟器包括有参数设置模块(10)、数据生成模块(20)、数据调度模块(30)、数模转换模块(40)、混频模块(50)和中频振荡器(60)；

所述的参数设置模块(10)由可视化交互模块(11)、场景模型(12)和坐标变换模块(13)构成；

所述的数据生成模块(20)由杂波序列仿真模块(21)、杂波回波信号模拟模块(22)、目标回波信号模拟模块(23)和回波信号模拟模块(24)构成；

可视化交互模块(11)通过多个界面进行各自参数的设置，作为模拟雷达回波信号的输入量；

坐标变换模块(13)用于将划分的地面网格位置、目标位置从大地坐标系映射天线坐标系中，从而进行天线增益G(t)的计算；

杂波序列仿真模块(21)第一方面采用网格映像法划分杂波单元，在雷达波束照射的区域内建立单元大小为Δr×Δθ的网格单元，得到划分的地面网格位置；第二方面利用杂波后向散射系数理论模型对杂波后向散射系数σ⁰进行计算，得到地面模型与海面模型；

杂波回波信号模拟模块(22)根据相干视频信号模拟方法，利用杂波单元的后向散射截面积γ，生成杂波回波信号

目标回波信号模拟模块(23)根据相干视频信号模拟方法，采用目标位置矢量，生成目标回波信号 $S_r\left(t\right)=A_s\left(t\right)\×u(t-{\mathrm{\τ}}_0)e^{-j(\frac{4\mathrm{\π}{R}_s\left(t\right)}{\mathrm{\λ}}+{\mathrm{\ψ}}_r)},$ 幅度 $A_s=\sqrt{\frac{P_c/{10}^{\mathrm{CSR}/10}}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^{3}L}}\mathrm{\λ}\frac{G_s\left(t\right)}{{R_s}^2\left(t\right)}\sqrt{\mathrm{\σ}};$

回波信号模拟模块(24)对目标回波信号杂波回波信号 $C\left(t\right)=c\left(t\right)\⊗u\left(t\right)$ 及加性高斯白噪声 $N\left(t\right)=\mathrm{normrnd}(0,\sqrt{P_c/{10}^{\mathrm{SNR}/10}},[N_{\mathrm{FFT}},N_r\left]\right)$ 进行相干叠加，得到雷达回波相干视频模拟信号，并输出至数据调度进行后续信号处理。

本发明设计的雷达回波信号模拟器的优点是：

1)对脉冲压缩雷达利用卷积法进行地杂波回波信号模拟，与叠加法相比且节省计算用时；逼真度高。

2)基于地球的真实形状，在计算雷达地距和擦地角时考虑地球曲率，减小了浮空器雷达因驻空高度高而引起的测量误差，使运算结果更为真实准确。

3)对于典型雷达场景的散射特性进行分类，提供了多种典型的杂波场景和杂波模拟方法，并考虑了不同地形/地海交界处的场景模拟问题，逼真程度强。

4)解决了现有雷达回波模拟器往往只针对某一型号，兼容性差的问题。本发明雷达回波信号模拟器通过已有数据和模拟数据相结合，灵活度高、通用性强。

附图说明

图1是传统数字雷达信号模拟器的结构框图。

图2是本发明的适合于艇载雷达系统的雷达回波信号模拟器的结构框图。

图2A是本发明中杂波序列产生的流程图。

图3A是本发明可视化的主界面。

图3B是本发明可视化的飞艇参数设置界面。

图3C是本发明可视化的雷达参数设置界面。

图3D是本发明可视化的天线参数设置界面。

图3E是本发明可视化的目标参数设置界面。

图3F是本发明可视化的环境参数设置界面。

图4A是经本发明雷达回波信号模拟器得到的回波信号结果图。

图4B是经本发明雷达回波信号模拟器得到的回波信号经脉冲压缩后的结果图。

图4C是经本发明雷达回波信号模拟器得到的回波信号经脉冲压缩后，再经杂波抑制的结果图。

图5A是三个坐标的转换示意图。

图5B是飞船坐标系与大地坐标系的转换示意图。

图5C是飞船坐标系与天线坐标系的转换示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

为了说明与艇载雷达系统相关的问题——未按照地球实际环境进行雷达信号模拟，以及传统模拟器针对艇载雷达系统下视杂波强烈、外场试验耗费巨大的问题，本发明应用场景模型与雷达参数、天线参数相结合，利用杂波统计分布模型和功率谱模型对所需背景地形所对应的杂波序列进行模拟，采用网格划分法产生杂波回波信号，然后利用所需敏感区域的位置信息产生相关目标回波，最后将杂波信号与目标信号进行融合，产生出符合测试要求的雷达回波并回传给测试雷达。本发明回波模拟器可运用于飞船载雷达设备的研制开发、生产测试和性能检测等多个环节，最大限度的减少外场实验，节省实验经费，缩短研制周期。

参见图2所示，本发明设计了一种适合于艇载雷达系统的雷达回波信号模拟器，该模拟器借助了图1中公开的主体结构，即数据调度模块30、数模转换模块40、混频模块50和中频振荡器60；增加了参数设置模块10和数据生成模块20。

在本发明中，所述的参数设置模块10由可视化交互模块11、场景模型12和坐标变换模块13构成。参数设置模块10是依据了艇载雷达系统所需的参数进行设置的，通过本发明设计的模拟器输出的雷达回波信号能够实现对艇载雷达系统的调试使用。

在本发明中，所述的数据生成模块20由杂波序列仿真模块21、杂波回波信号模拟模块22、目标回波信号模拟模块23和回波信号模拟模块24构成。

在本发明中，参数设置模块10和数据生成模块20由通用计算机、以及安装在计算机中的基于matlab(版本号7.13)平台进行仿真来完成。matlab是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。

可视化交互模块11

参见图3A～3F所示，在本发明中，可视化交互模块11通过多个界面进行各自参数的设置，作为模拟雷达回波信号的输入量。可视化交互模块11为主界面，通过点击功能按键来完成不同的任务，如图3A所示。

参见图3B所示的飞艇参数设置界面，通过该界面进行“飞艇初始位置”、“飞艇姿态特性”、“飞艇运动参数”及“正弦误差参数”的设置。

具体地，在本发明设计的雷达回波信号模拟器中，通过飞艇参数设置界面设置了：

(A)设置飞艇初始位置：分别输入飞艇映射在大地坐标系O_g-X_gY_gZ_g下的各个坐标参数，单位为m。

(B)设置飞艇姿态特性：依次输入偏航角、俯仰角、横滚角，单位为deg。

(C)设置飞艇运动参数：输入飞艇水平飞行速度(m/s)。

(D)设置正弦误差参数：为系统生成飞艇轨迹路径加入飞行误差时使用，需要输入水平与垂直方向的误差幅度(m)及误差频率(Hz)。

在本发明中，通过对飞艇参数进行设置后，点击“应用”，系统录入数据，点击“绘图”，输出轨迹图像。可在“三维图像”、“X-t曲线”、“Y-t曲线”、“Z-t曲线”四种选项中分别查看飞艇飞行轨迹。点击“退出”，退出平台参数设置。

参见图3C所示的雷达参数界面，通过该界面进行“线性调频信号”、“多相码”、“二相码”参数的设置。

在本发明设计的雷达回波信号模拟器中，通过雷达参数设置界面设置了：

LFM信号：输入带宽(MHz)及占空比(％)。

多相码：选用P4码。输入码元宽度(μs)及码长。

二相码：选用Baker码。输入码元宽度(μs)，并选择所需码元序列。

脉冲重复频率与中频采样率：输入脉冲重复频率(kHz)、中频采样率(MHz)、积累脉冲数。

输入峰值功率(KW)、信噪比SNR(dB)、中心频率(GHz)、系统损耗(dB)。

在本发明中，通过对雷达参数进行设置后，点击“应用”，系统录入数据，点击“绘图”输出波形图像。可在“时域波形”和“频域波形”中分别查看。点击“退出”，退出雷达参数设置。

参见图3D的天线参数界面，通过该界面对天线参数进行设置。

(A)设置天线尺寸：天线长度(m)、宽度(m)或者波束宽度：方位向(deg)、俯仰向(deg)。

(B)设置天线增益(dB)。

(C)设置天线初始方向角：方位向(deg)、俯仰向(deg)。

(D)设置天线照射范围：方位向(deg)、俯仰向(deg)。

在本发明中，通过对天线参数进行设置后，点击“应用”，系统录入数据，点击“绘图”，输出天线方位向和俯仰向的方向图。可在“发射方向图”和“频域方向图”中分别查看。点击“退出”，退出天线参数设置。

参见图3E所示的目标参数界面，通过该界面进行目标参数的设置。在“初始位置”选择中依次输入多个目标映射在大地坐标系O_g-X_gY_gZ_g下各个坐标参数。在“目标速度”选择中依次输入多个目标的X方向速度(m/s)、速度方位角和俯仰角(deg)。目标后向散射系数RCS、杂信比CSR。

在本发明中，通过对目标参数进行设置后，点击“应用”，系统录入数据，并输出目标运动轨迹图像。点击“退出”，退出目标参数设置。

场景模型12

参见图3F所示的场景参数界面，通过该界面在进行“单一场景”跟“复合场景”选择中，“单一场景”须在“地形”栏选择所需地形，然后选择满足所选地形的概率分布和频谱分布。“复合场景”则直接选择概率分布和频谱分布。

对于地形选择分为：“沙漠”、“农田”、“丘陵”、“高山”。对“海洋”分为1～5级海情。若在“场景”栏选择“单一场景”，则只需输入所选概率分布的相关参数；若选择“复合场景”，还需输入各概率分布的“权重系数”。在本发明中，所述地形选择参考了张长隆，2003(6)《航天电子对抗》中公开的“雷达信号模拟器中的杂波仿真模型”，第3节内容。

频谱分布可在“高斯谱”与“立方谱”中进行选择，并对“风速”进行设置，单位为m/s。

在本发明中，场景模型12通过对场景参数进行设置后，点击“应用”，系统录入数据，点击“绘图”，输出场景幅度特性图和功率谱特性图。点击“退出”，退出场景参数设置。

坐标变换模块13

1)大地坐标系O_g-X_gY_gZ_g

坐标原点O_g为t＝0时刻，飞艇质心地面投影点，O_gX_g轴为飞艇飞行方向在地面的投影，O_gY_g轴垂直于地平面指向天空，O_gZ_g与O_gX_g轴、O_gY_g轴构成右手直角坐标系。

2)飞艇坐标系O_e-X_eY_eZ_e

坐标原点O_e为飞艇质心，O_eX_e轴沿雷达载体纵轴方向，O_eZ_e轴通过转轴中心垂直于O_eX_e，指向飞艇右翼，O_eY_e轴与O_eX_e、O_eZ_e轴成右手直角坐标系。

3)天线坐标系O_a-X_aY_aZ_a

坐标原点O_a为天线相位中心，O_aX_a轴在天线平面ABCD内与长边方向平行，正向与飞行方向成锐角；O_aY_a轴在天线平面内与短边方向平行；O_aZ_a轴为天线平面法线方向，O_aZ_a与O_aY_a、O_aZ_a轴成右手直角坐标系。

在本发明中，为了实现坐标系的转换，设飞船质心与天线中心重合，大地坐标系内某点坐标值为(x_g,y_g,z_g)^T，其到天线坐标系坐标值(x_a,y_a,z_a)^T的转换关系为：

$\left(\begin{array}{c}{x}_a\\ y_a\\ z_a\end{array}\right)=A_{\mathrm{ae}}{A}_{\mathrm{eg}}\left(\begin{array}{c}{x}_g-x_t\\ y_g-y_t\\ z_g-z_t\end{array}\right);$

$A_{\mathrm{eg}}=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos {\mathrm{\θ}}_r& \sin {\mathrm{\θ}}_r\\ 0& -\sin {\mathrm{\θ}}_r& \cos {\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_p& \sin {\mathrm{\θ}}_p& 0\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_p& \cos {\mathrm{\θ}}_p& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right);$

$\left(\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_y& 0& -\sin {\mathrm{\θ}}_y\\ 0& 1& 0\\ \sin {\mathrm{\θ}}_y& 0& \cos {\mathrm{\θ}}_y\end{array}\right)$

$A_{\mathrm{ae}}=\left(\begin{array}{ccc}\cos (\mathrm{\π}/2-{\mathrm{\ϵ}}_a)& 0& -\sin (\mathrm{\π}/2-{\mathrm{\ϵ}}_a)\\ 0& 1& 0\\ \sin (\mathrm{\π}/2-{\mathrm{\ϵ}}_a)& 0& \cos (\mathrm{\π}/2-{\mathrm{\ϵ}}_a)\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_a& \sin {\mathrm{\θ}}_a& 0\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_a& \cos {\mathrm{\θ}}_a& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right);$

$\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\π}/2& \sin \mathrm{\π}/2\\ 0& -\sin \mathrm{\π}/2& \cos \mathrm{\π}/2\end{array}\right)$

(x_t,y_t,z_t)^T为t时刻飞船质心在大地坐标系中的坐标；

A_eg为大地坐标系到飞艇坐标系的转换矩阵，由飞船在大地坐标系中的偏航角θ_y、俯仰 角θ_p和横滚角θ_r决定；

A_ae为飞艇坐标系到天线坐标系的转换矩阵，由天线在飞艇坐标系中的方位角θ_a和俯仰角ε_a决定。

在本发明中，坐标变换模块13用于将划分的地面网格位置、目标位置从大地坐标系映射天线坐标系中，从而进行天线增益G(t)的计算。坐标设置参考图5A、图5B和图5C所示。

杂波序列仿真模块21

参见图2A所示，在本发明中，杂波序列仿真模块21第一方面采用网格映像法划分杂波单元，在雷达波束照射的区域内建立单元大小为Δr×Δθ的网格单元，得到划分的地面网格位置。

在本发明中，杂波序列仿真模块21第二方面利用杂波后向散射系数理论模型对杂波后向散射系数σ⁰进行计算，得到地面模型与海面模型。

其中，Δr为雷达的距离分辨率，且Δr＝ΔRsecθ_g， ${\mathrm{\θ}}_g=-\arcsin \frac{R^2+R_e^2-{(H+R_e)}^2}{2R{R}_e};$

c为电磁波传播速度；

τ为雷达发射脉冲宽度；

ΔR为雷达最大无模糊间距；

θ_g为擦地角； 

R为杂波单元到飞艇的距离；

R_e为地球曲率半径；

H为雷达高度。 

其中，距离单元数 $N_R=\frac{R_{\max }-H}{\mathrm{\ΔR}},R_{\max }=\sqrt{{(R_e+H)}^2-R_e^2},$ R_max为雷达视线距离。

其中，Δθ为雷达的方位角频率分辨率，且

λ为雷达发射波长；

f_r为脉冲重复频率；

ν_R为飞艇的飞行速度；

N_FFT为傅立叶变换个数，即积累脉冲数。

其中，在照射区域内一个距离环的网格单元数θ_max和θ_min分别为照射区域内最大和最小方位角。

其中，地面模型的杂波后向散射系数为  ${\mathrm{\σ}}^0=\frac{A{\mathrm{\σ}}_c^0\sin {\mathrm{\θ}}_g}{\mathrm{\λ}}+\frac{\sqrt{f_0}}{4.7}{\cot }^2{\mathrm{\β}}_0\exp [-\frac{{\tan }^2(B-{\mathrm{\θ}}_g)}{{\tan }^2{\mathrm{\β}}_0}],$ 且 ${\mathrm{\σ}}_c^0=\left\{\begin{array}{cc}{({\mathrm{\θ}}_g/{\mathrm{\θ}}_c)}^{1.9}& {\mathrm{\θ}}_g\≤{\mathrm{\θ}}_c\\ 1& {\mathrm{\θ}}_g>{\mathrm{\θ}}_c\end{array}\right.,$

θ_c＝arcsin(λ/4πh_e)，

A为地形中的一个类；

B为地形中的一个类；

为地面模型与波长相关的角度系数；

θ_c为来波角

h_e为雷达发射波长的常数；

f₀为雷达中心频率；

β₀为地形系数。 

在本发明中，地面Morchin模型参数引用的是《航天电子对抗》2003(6)，作者张长隆，题目“雷达信号模拟器中的杂波仿真模型”，第3节内容。地面模型参数表征见下表：

其中，海面模型的杂波后向散射系数为  ${\mathrm{\σ}}^0=\frac{4\×{10}^{-7}\×{10}^{0.6(S+1)}{\mathrm{\σ}}_c^0\sin {\mathrm{\θ}}_g}{\mathrm{\λ}}+{\mathrm{ctg}}^2\mathrm{\βexp}[-\frac{{\tan }^2(\mathrm{\π}/2-{\mathrm{\θ}}_g)}{{\tan }^2\mathrm{\β}}],$ 海情系数  $\mathrm{\β}=\left[2.44{(S+1)}^{1.08}\right]/57.29;$

S为海情参数，分为1—5级；

β为海情系数。

杂波后向散射截面积且σ_c＝σ⁰ΔA＝σ⁰rΔθΔr，σ_c为杂波单元的雷达等效截面积；φ_c为杂波的随机相位项，r为地面散射元中心到大地坐标系坐标原点的距离。

则杂波后向散射截面积γ(γ＝C₆₁X+C₆₂Y)即是以为均值，服从一定分布、 具有一定相关特性的随机序列。依地形情况选择相应的概率分布密度函数和功率谱，采用零记忆非线性变换(ZMNL)法或球不变随机过程(SIRP)法对选定概率分布和功率谱的杂波序列进行模拟。对于不同地形交界处的情况，利用权重不同进行模拟合成。设X、Y分别为符合两地形的杂波序列，C₆₁、C₆₂分别表示两地形杂波的权重系数，则复合杂波后向散射截面积γ可表示为γ＝C₆₁X+C₆₂Y，且C₆₁+C₆₂＝1。

杂波回波信号模拟模块22

在本发明中，杂波回波信号模拟模块22根据相干视频信号模拟方法，利用杂波单元的后向散射截面积γ，生成杂波回波信号

c(t)为常规脉冲雷达的杂波回波；

u(t)为雷达发射复包络信号。

在t时刻某一距离环内，发射第m个脉冲重复周期，第θ_i个雷达分辨单元回波视频信号模型为 $c(m,{\mathrm{\θ}}_i)=A_c(m,{\mathrm{\θ}}_i)\mathrm{rect}\left[\frac{t-{\mathrm{mT}}_r}{T_p}\right]e^{-j\left(\frac{4\mathrm{\π}{R}_c}{\mathrm{\λ}}\right)},$ 杂波回波信号幅度  $A_c(m,{\mathrm{\θ}}_i)=\sqrt{\left[\frac{P_c}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^{3}L}\right]}\frac{\mathrm{\λ}}{{R_c}^2(m,{\mathrm{\θ}}_i)}{G}_c(m,{\mathrm{\θ}}_i)\mathrm{\γ}(m,{\mathrm{\θ}}_i);$

T_r为脉冲重复周期；

T_p为发射信号脉宽；

R_c为散射单元到雷达的距离；

P_c为雷达发射功率；

L为雷达发射接收综合系统损耗；

G_c为杂波天线增益；

γ为先前产生的杂波序列。

将杂波散射单元所在大地坐标系的位置转换到天线坐标系，求出t时刻各散射元的增益因子和到雷达相位中心的距离，利用视频信号模型求出该散射单元回波，将同一距离环内的各散射单元的回波进行相干求和，便得到一个脉冲信号的杂波回波c(t)，并将其放入相应的距离-多普勒矩阵中。依次完成所有距离环在相干处理时间内的回波。若存在距离模糊，将处于同一模糊距离上各距离环的信号叠加，依据空时关系合成常规脉冲雷达的杂波回波信号。当雷达为发射信号是线性调频信号或相位编码信号的脉冲压缩雷达时，雷达距离分辨率提高，杂波由原来的点目标模型变成了面目标模型，此时某距 离波门的回波信号是多个分辨单元杂波信号在空间上和时间域上叠加的结果。在时带很大时，脉冲压缩雷达的地杂波回波信号C(t)可以近似看成是对常规脉冲雷达模拟的地杂波信号c(t)与发射信号u(t)的卷积。

目标回波信号模拟模块23

在本发明中，目标回波信号模拟模块23根据相干视频信号模拟方法，采用目标位置矢量，生成目标回波信号 $S_r\left(t\right)=A_s\left(t\right)\×u(t-{\mathrm{\τ}}_0)e^{-j(\frac{4\mathrm{\π}{R}_s\left(t\right)}{\mathrm{\λ}}+{\mathrm{\ψ}}_r)},$ 幅度  $A_s=\sqrt{\frac{P_c/{10}^{\mathrm{CSR}/10}}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^{3}L}}\mathrm{\λ}\frac{G_s\left(t\right)}{{R_s}^2\left(t\right)}\sqrt{\mathrm{\σ}};$

t为仿真时间； 

u(t)为雷达发射复包络信号；

R_s(t)为雷达与目标之间的瞬时距离；

τ₀为双程目标回波延时；

e为指数表达，j为虚数；

λ为波长； 

ψ_r是目标反射引起的相移；

P_c为雷达发射功率；

CSR为杂信比； 

L为系统损耗； 

G_s(t)为目标天线增益；

σ为目标的雷达散射截面积。

在本发明中，设空中动目标为在观察期内作匀速直线飞行的点目标。目标为5个以内。目标的雷达回波信号可以近似表示为发射信号的延迟形式。

回波信号模拟模块24

在本发明中，回波信号模拟模块24对目标回波信号杂波回波信号及加性高斯白噪声  $N\left(t\right)=\mathrm{normrnd}(0,\sqrt{P_c/{10}^{\mathrm{SNR}/10}},[N_{\mathrm{FFT}},N_r\left]\right)$ 进行相干叠加，得到雷达回波相干视频模拟信号，并输出至数据调度进行后续信号处理。

c(t)为常规脉冲雷达的杂波回波；

SNR为信噪比； 

N_FFT为积累脉冲数；

N_r为不模糊距离门个数。

实施例1

表1：通过初始位置、姿态特性、运动参数、及飞行误差参数的输入完成对平台轨迹的设定

表2：设置雷达参数

表3：设置天线参数

表4：根据目标个数、初始位置、目标速度等，完成目标飞行轨迹模拟

表5：进行杂波复杂程度、地海情、场景、概率分布、复合场景权重系数、功率谱、风速值的设置，完成杂波场景模拟

利用网格映像法进行杂波散射单元的划分；根据散射元擦地角Morchin模型计算杂波后向散射系数σ⁰，采用零记忆非线性变换(ZMNL)法和球不变随机过程(SIRP)法完成杂波γ序列的模拟。对于不同地形交界处的情况，利用权重不同进行模拟合成。

应用表1～表5的参数设置，采用本发明的方法进行处理，得到的仿真结果如图4A、图4B、图4C所示，图中，

应用表1～表5的参数设置在本发明设计的雷达回波信号模拟器中产生回波信号(如图4A所示)，该回波信号采用地球曲率半径进行模拟，使得回波结果更为真实准确；包含了常见的地面散射环境，用起伏RCS模拟代替传统平均RCS模拟，使模拟效果更为逼真；本发明设计的模拟器应用灵活度高、通用性强，从后续的脉冲压缩、杂波抑制(如图4B、图4C所示)处理可知，该模拟器得出了雷达回波视频信号，有利于后续处理研究。

经过MTD杂波抑制后的处理结果如图4C所示，在图4C中主杂波位于第2675个距离门，第23个多普勒门；第一个目标位于第2601个距离门，第25个多普勒门；第二个目标位于第2665个距离门，第5个多普勒门；第三个目标位于第1822个距离门，第34个多普勒门。由图可知，仿真结果与理论计算结果一致，说明仿真方法真实有效。

Claims (3)

1.一种适合于艇载雷达系统的雷达回波信号模拟器，该雷达回波信号模拟器包括有数据调度模块(30)、数模转换模块(40)、混频模块(50)和中频振荡器(60)；其特征在于：还包括有参数设置模块(10)和数据生成模块(20)；

所述的参数设置模块(10)由可视化交互模块(11)、场景模型(12)和坐标变换模块(13)构成；

所述的数据生成模块(20)由杂波序列仿真模块(21)、杂波回波信号模拟模块(22)、目标回波信号模拟模块(23)和回波信号模拟模块(24)构成；

可视化交互模块(11)通过多个界面进行各自参数的设置，作为模拟雷达回波信号的输入量；

坐标变换模块(13)用于将划分的地面网格位置、目标位置从大地坐标系映射天线坐标系中，从而进行天线增益G(t)的计算；

杂波序列仿真模块(21)第一方面采用网格映像法划分杂波单元，在雷达波束照射的区域内建立单元大小为Δr×Δθ的网格单元，得到划分的地面网格位置；第二方面利用杂波后向散射系数理论模型对杂波后向散射系数σ⁰进行计算，得到地面模型与海面模型；

杂波回波信号模拟模块(22)根据相干视频信号模拟方法，利用杂波单元的后向散射截面积γ，生成杂波回波信号

目标回波信号模拟模块(23)根据相干视频信号模拟方法，采用目标位置矢量，生成目标回波信号 $S_r\left(t\right)=A_s\left(t\right)\×u(t-{\mathrm{\τ}}_0)e^{-j(\frac{4\mathrm{\π}{R}_s\left(t\right)}{\mathrm{\λ}}+{\mathrm{\ψ}}_r)},$ 幅度 $A_s=\sqrt{\frac{P_c/{10}^{\mathrm{CSR}/10}}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^{3}L}}\mathrm{\λ}\frac{G_s\left(t\right)}{{R_s}^2\left(t\right)}\sqrt{\mathrm{\σ}};$

回波信号模拟模块(24)对目标回波信号 $S_r\left(t\right)=A\left(t\right)\×u(t-{\mathrm{\τ}}_0)e^{-j(\frac{4\mathrm{\π}{R}_s\left(t\right)}{\mathrm{\λ}}+{\mathrm{\ψ}}_r)},$ 杂波回波信号 $C\left(t\right)=c\left(t\right)\⊗u\left(t\right)$ 及加性高斯白噪声 $N\left(t\right)=\mathrm{normrnd}(0,\sqrt{P_c/{10}^{\mathrm{SNR}/10}},[N_{\mathrm{FFT}},N_r\left]\right)$ 进行相干叠加，得到雷达回波相干视频模拟信号，并输出至数据调度进行后续信号处理。

2.根据权利要求1所述的一种适合于艇载雷达系统的雷达回波信号模拟器，其特征在于：Δr为雷达的距离分辨率，且Δr＝ΔRsecθ_g， ${\mathrm{\θ}}_g=-\arcsin \frac{R^2+R_e^2-{(H+R_e)}^2}{2R{R}_e};$ 距离单元数 $N_R=\frac{R_{\max }-H}{\mathrm{\ΔR}},R_{\max }=\sqrt{{(R_e+H)}^2-R_e^2};$ Δθ为雷达的方位角频率分辨率，且在照射区域内一个距离环的网格单元数θ_max和θ_min分别为照射区域内最大和最小方位角。

3.根据权利要求1所述的一种适合于艇载雷达系统的雷达回波信号模拟器，其特征在于：在坐标变换模块(13)中为了实现坐标系的转换，设飞船质心与天线中心重合，大地坐标系内某点坐标值为(x_g,y_g,z_g)^T，其到天线坐标系坐标值(x_a,y_a,z_a)^T的转换关系为：

$\left(\begin{array}{c}{x}_a\\ y_a\\ z_a\end{array}\right)=A_{\mathrm{ae}}{A}_{\mathrm{eg}}\left(\begin{array}{c}{x}_g-x_t\\ y_g-y_t\\ z_g-z_t\end{array}\right);$

$\begin{array}{c}{A}_{\mathrm{eg}}=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos {\mathrm{\θ}}_r& \sin {\mathrm{\θ}}_r\\ 0& -\sin {\mathrm{\θ}}_r& \cos {\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right)\\ \left(\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_p& \sin {\mathrm{\θ}}_p& 0\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_p& {\cos \mathrm{\θ}}_p& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\\ \left(\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_y& 0& -\sin {\mathrm{\θ}}_y\\ 0& 1& 0\\ {\sin \mathrm{\θ}}_y& 0& \cos {\mathrm{\θ}}_y\end{array}\right)\end{array};$

$\begin{array}{c}{A}_{\mathrm{ae}}=\left(\begin{array}{ccc}\cos (\mathrm{\π}/2-{\mathrm{\ϵ}}_a)& 0& -\sin (\mathrm{\π}/2-{\mathrm{\ϵ}}_a)\\ 0& 1& 0\\ \sin (\mathrm{\π}/2-{\mathrm{\ϵ}}_a)& 0& \cos (\mathrm{\π}/2-{\mathrm{\ϵ}}_a)\end{array}\right)\\ \left(\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_a& \sin {\mathrm{\θ}}_a& 0\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_a& \cos {\mathrm{\θ}}_a& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\\ \left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\π}/2& \sin \mathrm{\π}/2\\ 0& -\sin \mathrm{\π}/2& \cos \mathrm{\π}/2\end{array}\right)\end{array};$

(x_t,y_t,z_t)^T为t时刻飞船质心在大地坐标系中的坐标；

A_eg为大地坐标系到飞艇坐标系的转换矩阵，由飞船在大地坐标系中的偏航角θ_y、俯仰角θ_p和横滚角θ_r决定；

A_ae为飞艇坐标系到天线坐标系的转换矩阵，由天线在飞艇坐标系中的方位角θ_a和俯仰角ε_a决定。