CN105242253A - 一种基于导弹运动参数的末制导前视雷达回波模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于导弹运动参数的末制导前视雷达回波模拟方法，首先根据弹载雷达参数，将导弹运动参数的采样周期插值为脉冲重复周期；然后在弹载雷达照射的地面区域内设置地面散射点，根据散射点的位置信息和导弹的运动参数，得散射点的斜距历史；再由散射点的斜距历史、雷达脉冲时宽，得到散射点回波距离向时域滤波器和散射点的相位信息，由散射点的方位角度信息和雷达天线方向图，构造散射点回波方位向时域滤波器；最后根据散射点的散射系数、散射点相位信息、散射点回波距离向时域滤波器和散射点回波方位向时域滤波器，得该散射点的回波信息，利用时域相干叠加方法获得整个雷达照射场景的回波信息。

Description

一种基于导弹运动参数的末制导前视雷达回波模拟方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，尤其涉及一种末制导前视雷达回波模拟方法。

背景技术

在导弹飞行末端接近攻击目标时，导弹处于俯冲状态，实时获取导弹正前方攻击目标位置信息和攻击目标附近环境，对导弹精确打击目标起着尤为重要的作用。传统的正侧视单基SAR和斜前视DBS技术都不能对导弹正前方成像，然而前视雷达方位向回波信号为目标散射特性和天线方向图的卷积的结果，可以通过对雷达方位向回波信号反解卷积，恢复目标的方位角度信息，距离上则通过距离脉冲压缩技术来实现目标距离维的高分辨。因此，利用末制导前视雷达获取的攻击目标方位角度信息和弹目距离，可以实现导弹俯冲状态下对地面静止或移动目标的精确定位和精确打击。

模拟末制导前视雷达回波信号，对评价末制导前视雷达成像算法、研究攻击目标的散射特性效应、设计雷达参数和导弹运动参数具有重要的现实意义。由于导弹攻击目标时，处于俯冲姿态，导弹与目标近似在一条直线上，弹载前视雷达的照射区域也位于导弹的正前方，并且前视雷达的成像方法与传统的SAR和DBS技术成像方法不同，因而导致弹载前视雷达的回波模型与常见的正侧视单基SAR、双基前视SAR、斜前视DBS等雷达的回波模型也有着很大的不同。文献“Atime‐domainrawsignalsimulatorforinterferometricSAR”(IEEEtransactionsongeoscienceandremotesensing,2004,V.42,NO.9,pp1811‐1817)利用时域的方法来模拟生成星载干涉SAR的回波信号；文献“ArawsignalsimulatorforbistaticSAR”(ChineseJournalofAeronautics,2009,V.22,pp434‐443)采用了二维频域快速傅里叶变换来生成双基SAR的回波信号；文献“Motionplatformforward‐lookingreal‐beamradarechomodeling”(Processdingsof2011IEEECIEinternationalconferenceonradar,Vol.2:1370‐1373)建立了运动平台前视实波束雷达的回波模型。然而现有SAR回波生成方法或者已有的前视雷达回波模型，不能直接应用于模拟末制导前视雷达的回波生成。

发明内容

本发明是针对已有的回波信号生成方法难以直接应用于末制导前视雷达的回波信号生成，提出一种基于导弹运动参数的末制导前视雷达回波模拟生成方法，利用导弹的运动轨迹参数，模拟生成地面散射点的回波距离历史，通过先求解雷达照射地面区域中所有散射点的雷达回波矩阵，再将所有散射点的雷达回波矩阵相加，获得整个雷达照射场景的的回波矩阵，模拟了末制导前视雷达的回波生成。

本发明的技术方案为：一种基于导弹运动参数的末制导前视雷达回波模拟方法，具体包括以下步骤：

S1：根据弹载雷达参数，将导弹运动参数的采样周期插值为脉冲重复周期，得到插值后的导弹三维位置坐标向量；

S2：在弹载雷达照射的地面区域内设置地面散射点，根据散射点的位置信息和导弹的运动参数，计算出散射点的斜距历史；

S3：由散射点的斜距历史、雷达脉冲时宽，计算出散射点回波距离向时域滤波器和散射点的相位信息；

S4：由散射点的方位角度信息和雷达天线方向图，构造出散射点回波方位向时域滤波器；

S5：将散射点的散射系数乘以散射点相位矩阵、散射点回波距离向时域滤波器和散射点回波方位向时域滤波器，得到该散射点的回波矩阵。

进一步地，所述步骤S2包括以下分步骤：

S21：设置弹载雷达照射场景的散射点矩阵，根据设置的散射点矩阵和弹载雷达参数，求解出散射点矩阵对应的距离向时间矩阵和方位向时间矩阵；

S22：从步骤S1中的导弹三维位置坐标向量中，截取与步骤S21中弹载雷达扫描完弹载雷达照射的地面区域对应的导弹三维位置坐标向量，从散射点矩阵中取出一个散射点，再利用散射点的位置信息和截取后的导弹三维坐标向量，求解出散射点的斜距历史矩阵。

进一步地，所述步骤S3包括以下分步骤：

S31：根据S22中的散射点的斜距历史矩阵和雷达发射的脉冲信号，得到雷达照射到散射点后返回的延时矩阵和相位矩阵；

S32：利用步骤S21中距离向时间矩阵和步骤S31中的延时矩阵，求解出散射点回波距离维滤波器矩阵。

更进一步地，所述距离维滤波器矩阵F_r(N_r,N_a)中任一元素值F_r(N_r,N_a)_(row,col)的求解方法如下：

其中，N_r为雷达回波距离向采样点，N_a为雷达回波方位向采样点，R_t(N_r,N_a)为距离时间矩阵，T_d(N_r,N_a)为延时矩阵，T_r为雷达脉冲时宽，row为矩阵的行索引号，col为矩阵的列索引号。

进一步地，所述步骤S5包括以下分步骤：

S51：将散射点的散射系数、步骤S31中散射点的相位矩阵、步骤S32中的散射点距离维滤波器矩阵和步骤S4中的散射点方位向滤波器矩阵相乘，得到散射点最后的回波矩阵；

S52：重复步骤S22至步骤S51，得到雷达照射的地面区域中所有散射点的回波矩阵，再将所有散射点的回波矩阵相加，得到雷达照射的地面区域场景的回波矩阵。

本发明的有益效果：本发明提供一种基于导弹运动参数的末制导前视雷达回波模拟方法，首先根据弹载雷达参数，将导弹运动参数的采样周期插值为脉冲重复周期；然后在弹载雷达照射的地面区域内设置地面散射点，根据散射点的位置信息和导弹的运动参数，得散射点的斜距历史；再由散射点的斜距历史、雷达脉冲时宽，得到散射点回波距离向时域滤波器和散射点的相位信息，由散射点的方位角度信息和雷达天线方向图，构造散射点回波方位向时域滤波器；最后根据散射点的散射系数、散射点相位信息、散射点回波距离向时域滤波器和散射点回波方位向时域滤波器，得该散射点的回波信息，利用时域相干叠加方法获得整个雷达照射场景的回波信息。本发明利用导弹的运动参数，模拟了弹载前视雷达回波信号，为导弹运动参数设计和弹载雷达参数设计提供了依据。

附图说明

图1是本发明末制导前视雷达成像几何模型。

图2是本发明提供的方法的流程图。

图3是本发明具体实施例中导弹运动轨迹三维坐标。

图4是本发明具体实施例中9个散射点的地面分布。

图5是本发明具体实施例中雷达天线方向图。

图6是本发明具体实施例中9个散射点的二维时域回波。

图7是本发明具体实施例中9个散射点经脉冲压缩处理后的结果。

图8是本发明具体实施例中9个散射点经距离走动校正处理后的结果。

图9是本发明具体实施例中9个散射点经反卷积处理后的结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所提出的方法做进一步的描述。

本发明具体实例中采用的末制导前视雷达成像几何模型如图1所示，攻击目标为三维坐标的坐标原点，xoy平面位于水平地面，z轴垂直于水平地面；具体实例的雷达参数如表1所示。

参数(标号)	数值
		波束宽度(θ)(包含部分旁瓣)	7°
信号时宽(Tr)	2us
		信号带宽(B)	40MHz
脉冲重复周期(prt)	25ms
		扫描速度(ω)	60°/s
载频(fc)	35GHz
		扫描范围(-da～da)	-15°～+15°
距离向采样周期(fst)	60MHz

如图2所示为本发明方案的流程图，具体包括以下步骤：

S1：根据弹载雷达参数，将导弹运动参数的采样周期插值为脉冲重复周期，得到插值后的导弹三维位置坐标向量；

读取导弹运动参数，利用三次样条插值法，将导弹运动参数的采样周期变换为前视雷达的脉冲重复周期prt，插值后的导弹三维位置坐标向量记为导弹的三维位置运动轨迹如图3所示。

S2：在弹载雷达照射的地面区域内设置地面散射点，根据散射点的位置信息和导弹的运动参数，计算出散射点的斜距历史；

所述步骤S2包括以下分步骤：

S21：设置雷达照射场景的散射点矩阵，根据设置的散射点矩阵和弹载雷达参数，求解出散射点矩阵对应的距离向时间矩阵和方位向时间矩阵；

按照如图4所示，在xoy平面上设置9个散射点，9个散射点的散射系数都为1，记为σ(N_x,N_y)_(x,y,0)，地面场景方位向总点数为N_x点，且N_x＝3，地面场景距离向总点数为N_y点，且N_y＝3，9个散射点的方位角度和坐标在图5中已标出，方位向角度向量记为对应的方位时间向量为散射系数矩阵σ(N_x,N_y)_(x,y,0)中第x_n列向量的方位角度大小为中的第x_n个元素方位时间为的第x_n个元素x为地面方位向坐标，y为地面距离坐标，地面场景对应的斜距范围为R_min＝4500米,R_max＝5500米。通过散射系数矩阵σ(N_x,N_y)_(x,y,0)和雷达参数，求解出距离向时间矩阵R_t(N_r,N_a)和方位向时间矩阵A_t(N_r,N_a)，其中N_r为雷达回波距离向采样点，N_a为雷达回波方位向采样点，距离向时间矩阵R_t(N_r,N_a)的每一列向量都为 的第m个元素为方位向时间矩阵A_t(N_r,N_a)的每一行向量都为的第n个元素为N_r和N_a求解表达式如下：

${\stackrel{\→}{T}}_{\mathrm{\σ}}{\left(N_x\right)}_{x_n}={\stackrel{\→}{A}}_{\mathrm{\σ}}{\left(N_x\right)}_{x_n}/\mathrm{\ω}$

${\stackrel{\→}{T}}_{fast}{\left(N_r\right)}_m=2\×R_{min}/V_c-T_r+m\×fst$

${\stackrel{\→}{T}}_{slow}{\left(N_a\right)}_n=-da/\mathrm{\ω}+n\×prt$

N_r＝ceil((2×(R_max-R_min)/V_c+2×T_r)/fst)

N_a＝ceil(2×da/ω/prt)

其中：ceil表示向上取整，V_c为光速，T_r为雷达脉冲时宽，fst为雷达距离向采样周期，ω为雷达扫描速度。

S22：从步骤S1中的导弹三维位置坐标向量中，截取与步骤S21中雷达扫描完雷达照射的地面区域对应的导弹三维位置坐标向量，从散射点矩阵中取出一个散射点，再利用散射点的位置信息和截取后的导弹三维坐标向量，求解出散射点的斜距历史矩阵。

从步骤S1中的导弹三维位置坐标向量中，截取与步骤S21中雷达扫描完σ(N_x,N_y)_(x,y,0)所在地面区域时对应的导弹三维位置坐标向量其中的数据长度为N_a，取σ(N_x,N_y)_(x,y,0)中一个散射点σ(N_x,N_y)_(x1,y1,0)，且在矩阵σ(N_x,N_y)_(x,y,0)中的位置为(row1,col1)，row1为矩阵行向位置索引，col1为矩阵列向位置索引。再利用和σ(N_x,N_y)_(x1,y1,0)，求解出散射点σ(N_x,N_y)_(x1,y1,0)的斜距历史矩阵S(N_r,N_a)，S(N_r,N_a)的每一行向量都为求解表示式如下：

${\stackrel{\→}{S}}_{\mathrm{\σ}1}\left(N_a\right)=abs(\stackrel{\→}{M}{\left(N_a\right)}_{(x,y,z)}-L_{\mathrm{\σ}1})$

其中：abs表示求解三维向量中每个元素的幅值，L_σ1表示散射点σ(N_x,N_y)_(x1,y1,0)的三维坐标，且L_σ1＝(x1,y1,0)。

S3：由散射点的斜距历史、雷达脉冲时宽，计算出散射点回波距离向时域滤波器和散射点的相位信息；

所述步骤S3包括以下分步骤：

S31：根据S22中的散射点的斜距历史矩阵和雷达发射的脉冲信号，得到雷达照射到散射点后返回的延时矩阵和返回信号的相位矩阵；

假设雷达发射的脉冲信号为s(t)＝rect(t/T_r)×exp(j2πf_ct+jπγt²)，其中t表示距离维时间变量，T_r为雷达脉冲时宽，f_c为载频，γ为调频斜率，且γ＝B/T_r，B为雷达信号带宽，rect(t/T_r)为持续时间为T_r的矩形窗。雷达照射到散射点σ(N_x,N_y)_(x1,y1,0)后返回的延时矩阵为T_d(N_r,N_a)，返回信号的相位矩阵为P(N_r,N_a)，T_d(N_r,N_a)、P(N_r,N_a)的求解表达式如下：

T_d(N_r,N_a)＝2×S_r(N_r,N_a)/V_c

P(N_r,N_a)＝exp(-j2πf_c×T_d(N_r,N_a)+jπγ×pow(R_t(N_r,N_a)-T_d(N_r,N_a)))

其中：pow表示对矩阵每个元素求平方。

S32：利用步骤S21中距离向时间矩阵和步骤S31中的延时矩阵，求解出散射点回波距离维滤波器矩阵。

利用步骤S21中距离向时间矩阵R_t(N_r,N_a)和步骤S31中的延时矩阵T_d(N_r,N_a)，求解出距离维滤波器矩阵F_r(N_r,N_a)，F_r(N_r,N_a)中任一元素值F_r(N_r,N_a)_(row,col)的求解方法如下：

其中：row为矩阵的行索引号，col为矩阵的列索引号。

S4：由散射点的方位角度信息和雷达天线方向图，构造出散射点回波方位向时域滤波器；

读取雷达天线方向图数据向量雷达天线方向图如图5所示，其中N_p为雷达天线方向图数据点数，且N_p＝465；利用σ(N_x,N_y)_(x1,y1,0)的列索引号col1，取出在步骤二中向量中的元素接着利用和步骤二中确定雷达照射到散射点σ(N_x,N_y)_(x1,y1,0)的方位向时间其中n1为在中的位置索引号；最后由n1和求解出方位滤波器矩阵F_a(N_r,N_a)，F_a(N_r,N_a)的每一行向量都为向量中索引号为n1-floor(N_p/2)～n1-floor(N_p/2)+N_p-1的子向量等于向量中的其他元素都为0，n1的求解表达式为：

$n1=first\left(\right({\stackrel{\→}{T}}_{\mathrm{\σ}}{\left(N_x\right)}_{col1}-\mathrm{\θ}/2/\mathrm{\ω})\≤{\stackrel{\→}{T}}_{slow}(N_a\left)\right)$

其中，θ为雷达波束宽度，ω为雷达扫描速度，first表示取中第一个大于或等于的元素的位置索引号。

S5：将散射点的散射系数乘以散射点相位矩阵、散射点回波距离向时域滤波器和散射点回波方位向时域滤波器，得到该散射点的回波矩阵。

所述步骤S5包括以下分步骤：

S51：将散射点的散射系数、S31中散射点的相位矩阵、S32中的散射点距离维滤波器矩阵和S4中的散射点方位向滤波器矩阵相乘，得到散射点最后的回波矩阵；

将散射系数σ(N_x,N_y)_(x1,y1,0)、相位矩阵P(N_r,N_a)、距离滤波器矩阵F_r(N_r,N_a)和方位滤波器矩阵F_a(N_r,N_a)向乘，便可得到散射点σ(N_x,N_y)_(x1,y1,0)最后的回波矩阵E(N_r,N_a)，E(N_r,N_a)的求解表达式如下：

E(N_r,N_a)＝σ(N_x,N_y)_(x1,y1,0)×(P(N_r,N_a).*F_r(N_r,N_a).*F_a(N_r,N_a))

其中：.*表示矩阵点乘。

S52：重复步骤S22至步骤S51，得到散射系数矩阵中所有散射点的回波矩阵，再将所有散射点的回波矩阵相加，得到散射系数矩阵所对应的雷达照射场景的回波矩阵，如图6所示。

为了验证本发明方法的正确性，对生成的回波矩阵进行了距离向脉冲压缩处理、基于导弹参数的距离走动校正处理和方位解卷积处理，图7是距离向脉冲压缩处理的结果，图8是距离走动校正处理的结果，图9是方位解卷积处理的结果。从图7至图9所示的成像结果中，可以说明本发明方法的有效性和正确性。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种基于导弹运动参数的末制导前视雷达回波模拟方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1：根据弹载雷达参数，将导弹运动参数的采样周期插值为脉冲重复周期，得到插值后的导弹三维位置坐标向量；

S2：在弹载雷达照射的地面区域内设置地面散射点，根据散射点的位置信息和导弹的运动参数，计算出散射点的斜距历史；

S3：由散射点的斜距历史、雷达脉冲时宽，计算出散射点回波距离向时域滤波器和散射点的相位信息；

S4：由散射点的方位角度信息和雷达天线方向图，构造出散射点回波方位向时域滤波器；

S5：将散射点的散射系数乘以散射点相位矩阵、散射点回波距离向时域滤波器和散射点回波方位向时域滤波器，得到该散射点的回波矩阵。

2.根据权利要求1所述的一种基于导弹运动参数的末制导前视雷达回波模拟方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下分步骤：

S21：设置弹载雷达照射场景的散射点矩阵，根据设置的散射点矩阵和弹载雷达参数，求解出散射点矩阵对应的距离向时间矩阵和方位向时间矩阵；

S22：从步骤S1中的导弹三维位置坐标向量中，截取与步骤S21中弹载雷达扫描完弹载雷达照射的地面区域对应的导弹三维位置坐标向量，从散射点矩阵中取出一个散射点，再利用散射点的位置信息和截取后的导弹三维坐标向量，求解出散射点的斜距历史矩阵。

3.根据权利要求1所述的一种基于导弹运动参数的末制导前视雷达回波模拟方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下分步骤：

S31：根据S22中的散射点的斜距历史矩阵和雷达发射的脉冲信号，得到雷达照射到散射点后返回的延时矩阵和相位矩阵；

S32：利用步骤S21中距离向时间矩阵和步骤S31中的延时矩阵，求解出散射点回波距离维滤波器矩阵。

4.根据权利要求3所述的一种基于导弹运动参数的末制导前视雷达回波模拟方法，其特征在于，所述散射点回波距离维滤波器矩阵F_r(N_r,N_a)中任一元素值F_r(N_r,N_a)_(row,col)的求解方法如下：

其中，N_r为雷达回波距离向采样点，N_a为雷达回波方位向采样点，R_t(N_r,N_a)为距离时间矩阵，T_d(N_r,N_a)为延时矩阵，T_r为雷达脉冲时宽，row为矩阵的行索引号，col为矩阵的列索引号。

5.根据权利要求1所述的一种基于导弹运动参数的末制导前视雷达回波模拟方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下分步骤：

S51：将散射点的散射系数、步骤S31中散射点的相位矩阵、步骤S32中的散射点距离维滤波器矩阵和步骤S4中的散射点方位向滤波器矩阵相乘，得到散射点最后的回波矩阵；

S52：重复步骤S22至步骤S51，得到雷达照射的地面区域中所有散射点的回波矩阵，再将所有散射点的回波矩阵相加，得到雷达照射的地面区域场景的回波矩阵。