CN104614722B - 一种基于信噪比识别雷达遮挡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信噪比识别雷达遮挡的方法，包含如下步骤：关闭雷达发射机，设定雷达发射信号的参数；将雷达天线仰角对准90度，发射电磁波遮挡；让雷达采用体扫模式进行扫描；保存雷达接收机收到的每个仰角层面的I/Q数据；将I/Q数据进行处理得到雷达天线处于不同仰角、不同方位上，雷达接收机输出的噪声功率图；利用已确定的门限值，将任意方向上接收到的信号与门限值比较，超过该门限，就可识别出该方向上有遮挡；根据比较结果绘制雷达周围不同仰角不同方位的遮挡图。本发明所述方法相比现有的技术，提高了计算的精度，解决了较近距离的遮挡计算问题。

Description

一种基于信噪比识别雷达遮挡的方法

技术领域

本发明涉及一种识别雷达周围遮挡物分布的方法，尤其涉及一种利用信噪比(SNR，Signal to Noise Ratio)来计算和识别雷达周围遮挡物分布的方法，属于雷达信号处理研究领域。

背景技术

在固定站雷达选址和建站时，首要考虑的就是周围地形遮挡和建筑物遮挡问题。过多的遮挡会大大降低雷达的探测能力，使雷达发挥不出原有的作用，造成人力和财力的浪费。而对于移动式雷达来说，选择一个不受遮挡的观测场地是一项非常重要的工作。因此，雷达遮挡的计算合识别显得非常重要。

识别地物遮挡的方法有很多，基于数字高程模型(DEM)计算是当前的主流方法。万玉发等(2000)以人工读取高分辨率地图上四周地形的经度、纬度和海拔高度，辅以经纬仪从不同高度和不同方位测量四周新建高大建筑物相对于雷达站的方位和遮挡仰角，并转换回经纬度和海拔高度，通过余弦定理计算雷达单站的遮蔽角图，该方法虽然可行，但是效率较低。Kucera et al.(2004)分别采用10米、30米和100米分辨率的DEM数据，研究关岛地区的气象雷达的地形遮挡，发现地形资料分辨率越高，地形遮挡模拟效果越好。

但是，使用DEM数据计算雷达遮挡依然存在一些问题，首先是对数据的准确性要求很高，否则很容易产生较大偏差，并且对于距离雷达较近的建筑物等物体，由于DEM的数据精度问题，往往无法计算出正确的遮挡位置。此外，雷达波束在空间传输时，并不是射线，并且还有旁瓣的影响。这样，单纯从DEM数据分析雷达的遮挡，虽然具有很高的指导价值，但无法得到准确的结果。

任何物体都具有不断辐射、吸收、发射波束的本领。辐射出去的波束在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学定义了一种理想物体，称为黑体，以此作为热辐射研究的标准物体，并引入黑体辐射的概念。黑体辐射是指由理想放射物放射出来的辐射，在特定温度及特定波长放射最大量之辐射。理论上黑体会放射频谱上所有波长之波束。维恩位移定律是描述黑体电磁辐射能流密度的峰值波长与自身温度关系的定律。

在雷达工作时，雷达接收机的噪声会随方位而变化，规律为：有物体遮挡雷达波束的地方，茅草值为-66dBm左右；没有物体遮挡雷达波束的地方，即能看到回波的地方，茅草值为-67.4dBm左右，参见图1。这个现象是很容易解释，对雷达波束有遮挡的建筑物有温度，有黑体辐射。辐射被雷达的接收机收到，自然就增加了茅草值；而当雷达波束发射的方位上没有遮挡时，即天线对准太空，并且雷达天线仰角超过10度时，则太空的黑体辐射是很小的，因此茅草值就可以低1.5dB；当天线仰角比较低时，由于受地面的黑体辐射噪声，茅草值只能低0.5dB左右。

在雷达发射机不工作的情况下，在某个仰角做扫描时，雷达接收机的信噪比会随着周围地物的分布而变化，这主要是由于建筑物等遮挡物的黑体辐射作用。在有遮挡的时候，信噪比会变大，反之，则信噪比变小。因此，可以通过雷达接收机噪声随天线方位和仰角的变化，得出雷达四周近距离各个建筑物对雷达波束的遮挡分布图。

发明内容

本发明针对目前技术的不足，直接利用雷达接收机给出的信噪比来对遮挡进行计算和识别。该方法不但可以很好地计算雷达远处大面积的地形遮挡，对于雷达近处的建筑物等地物遮挡，也可以很好地计算与识别。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

①关闭雷达发射机，设定雷达发射信号的参数。如重复周期，脉冲宽度，重复周期取500Hz至2000Hz，脉冲宽度取0.2μs至1μs。

②将雷达天线仰角对准90度，发射电磁波遮挡。该方法的目的是为了确定门限。

③让雷达采用体扫模式进行扫描；

④保存雷达接收机收到的每个仰角层面的I/Q数据；

⑤将I/Q数据进行处理得到雷达天线处于不同仰角、不同方位上，雷达接收机输出的噪声功率图。可以利用Fun_Read_NJU_CPol_IQ_RadarCharacter.m程序对I/Q数据进行处理。

⑥利用已确定的门限值，将任意方向上接收到的信号与门限值比较，超过了该门限，就可识别出该方向上有遮挡；

⑦根据比较结果绘制雷达周围不同仰角不同方位的遮挡图。

根据据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：

本发明所述方法，自动化程度高，方便易行，既可以作为雷达站建站前的评估，也可以用于建站后的效果测试。本发明所述方法相比现有的技术，提高了计算的精度，解决了较近距离的遮挡计算问题。

附图说明

图1为南京仙林雷达30km量程下的DEM数据图；

图2为南京仙林雷达四周30km范围内，各个地物相对于雷达的仰角图；

图3为南京仙林雷达在不同方位上，各个距离点的地物相对于雷达的仰角图；

图4为南京仙林雷达的遮挡角直角坐标显示图；

图5为南京仙林雷达的遮挡角极坐标显示图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

图1～5是以中国江苏南京仙林雷达(架设高度为60m)的遮挡情况为例，利用30m的DEM数据计算的结果。采用方案如下：

关闭雷达发射机，重复周期设为1000Hz，脉冲宽度设为0.5μs。

雷达天线仰角转至90°，即对准天顶方向。天线对准天顶，是因为天顶方向肯定没有遮挡，以便确定一个门限值。

设定一个雷达体扫模式，包括雷达扫描的层数和雷达天线的转速，让雷达按照设定好的体扫模式运转。

保存接收机输出的IQ数据，每个仰角层面产生的数据保存为一个文件，采用30m分辨率的DEM数据。

当雷达天线运转到某个方位/仰角时，如果两个接收通道的噪声功率出现变化，说明该方位/仰角处存在遮挡。原因为功率明显增加的区域是由于周围遮挡物的黑体辐射造成，利用确定的门限值进行比较，超过这个门限，就是有地物。

当雷达完成一个体扫后，就得到了各方位上不同仰角的噪声功率分布，利用黑体辐射的信噪比，就能计算出各仰角的遮挡情况。

绘制雷达周围的遮挡图。

上述技术方案中DEM数据的提取方法如下：

DEM数据是按照1度或5度，分成了一个个的文件。

因此需要先从庞大的DEM数据库中，根据用户设定的中心经纬度和量程、分辨率，选择需要的DEM数据。

程序见Fun_Select_DEM_Data.m。

注意：该程序包括了将不同的DEM文件的数据进行拼接的功能

程序流程如下：

先按照0、90、180、270度，计算四个方向上，经纬度的边界

如果使用30m分辨率的ASTER GDEM的DEM数据，则采用DEM_File_Directory_30m目录下的数据

如果使用90m分辨率的SRTM3的DEM数据，则采用DEM_File_Directory_90m目录下的数据，90m分辨率的DEM文件名的命令规则比较奇怪，见网上的介绍。

再根据四个边界，选择哪几个DEM文件

然后再将这些文件中，需要的数据拷贝到以雷达经纬度为中心的数组之中去。

上述方案中计算遮挡角的方法如下：

程序见Generate_Radar_Shield_Sector.m。

主要计算过程如下：

根据用户设定的经纬度和量程，选择需要的DEM数据

得到对应DEM数据中各个点的经纬度

调用LonToPolar，计算各个点相对于雷达的仰角

用imagesc绘制各个点相对于雷达的仰角

以横轴是方位(以0.1度为分辨率)，竖轴是距离，用imagesc进行显示

计算各个方位上的最大的仰角，然后绘制极坐标下的遮挡图

注意：在设定雷达高度的时候，不能直接利用GPS得到的结果，而是要从DEM数据中，找出雷达所在经纬度的那个数据点，看看这个数据点所表示的高度是多少。和GPS对比，看两者相差多少。如果相差很多，则说明这个点的GPS值是不是搞错了。此时要利用GoogleEarth来进行确认。

Claims (2)

1.一种基于信噪比识别雷达遮挡的方法，其特征在于包含如下步骤：

关闭雷达发射机，设定雷达发射信号的参数；

将雷达天线仰角对准90度，发射电磁波遮挡；

让雷达采用体扫模式进行扫描；

保存雷达接收机收到的每个仰角层面的I/Q数据；

将I/Q数据进行处理得到雷达天线处于不同仰角、不同方位上，雷达接收机输出的噪声功率图；

利用已确定的门限值，将任意方向上接收到的信号与门限值比较，超过该门限，就可识别出该方向上有遮挡；

根据比较结果绘制雷达周围不同仰角不同方位的遮挡图。

2.如权利要求1所述的一种基于信噪比识别雷达遮挡的方法，其特征在于所述设定雷达发射信号的参数为重复周期，脉冲宽度，重复周期取500Hz至2000Hz，脉冲宽度取0.2μs至1μs。