CN106597396A - 船载高频地波雷达回波信号模拟器 - Google Patents

Abstract

船载高频地波雷达回波信号模拟器，包括参数设定模块和回波数据计算单元，回波信号计算单元包括回波信号幅度计算模块、回波信号相位计算模块、接收天线接收模式计算模块、流场计算模块、海表面融合通信计算模块和回波信号模拟模块。该模拟器可以根据设定的流场、船只几何参数、船只运动参数生成高频地波雷达回波，适用于船载高频地波雷达信号处理机的系统测试，以及海流反演算法的性能测试。

Description

船载高频地波雷达回波信号模拟器

技术领域

本发明属于雷达模拟测试技术领域，涉及一种雷达回波信号模拟器，具体的说，涉及一种船载雷达回波信号模拟器。

背景技术

高频超视距雷达利用高频(3～30MHz)电磁波在导电海洋表面绕射传播衰减小的特点，采用垂直极化天线辐射电波，能超视距探测海平面视线以下出现的舰船、飞机和导弹等运动目标。同时，高频超视距雷达利用海洋表面对高频电磁波的一阶散射和二阶散射机制，能从雷达回波中提取风场、浪场、流场等海态信息。高频地波雷达按照安装平台的不同可以分为：岸基高频地波雷达、浮标基高频地波雷达和船载高频地波雷达。岸基高频地波雷达系统固定在岸边发射和接收系统地理位置相对固定。浮标基高频地波雷达安装在海洋浮标上，系统随着波浪晃动，并且随着海流围绕锚点运动。船载高频地波雷达安装在船上，随船体运动。

由于海岸线资源日趋匮乏，浮标基和船载高频地波雷达近年来受到人们的广泛关注。特别是船载高频地波雷达，具有机动灵活的特点，可以极大地扩展监测的范围。但是船载高频地波雷达系统用于海态反演的算法还在研究中，而船载地波雷达的实海实验成本很高。

船体运动是一个复杂的。船体运动过程中会受海浪和海风的干扰产生摇晃，将产生六自由度的运动，而六自由度运动将对雷达接收天线的方向、幅度等产生影响，进而影响回波信号的接收。现有船载雷达模拟器，大多并不将船体运动纳入仿真参考因素，少部分雷达模拟器考虑了船体运动因素，但也只考虑船体一个自由度的运动对回波信号的影响，并不能最大限度真实模拟回波信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑船体6自由度模型的船载高频地波雷达回波信号模拟器。

为实现以上目的，本发明提供以下技术方案，船载高频地波雷达回波信号模拟器，包括参数设定模块和回波数据计算单元，回波信号计算单元包括回波信号幅度计算模块、回波信号相位计算模块、接收天线接收模式计算模块、流场计算模块、海表面融合通信计算模块和回波信号模拟模块；

回波信号幅度计算模块用于计算船体运动情况下回波信号的幅度，a(t)＝a₀(t)cos(Δψ(t))cos(Δφ(t))；

回波信号相位计算模块用于计算船体运动情况下回波信号的相位，

接收天线方位计算模块用于计算船体运动情况下接收天线的方向，g(θ_s,t)＝g_x(θ_s,t)g_y(θ_s,t)，其中：

以上三式中，ψ为船体横摇角度，φ为船体纵摇角度，为船体艏摇角度，θ_s为雷达扫描单位海元对应的角度，a为接收天线距船体甲板纵向中心线的距离，d为两个相邻接收天线之间的间距，λ为发射电磁波波长，x为船体纵荡的幅度，y为船体横荡的幅度，M为接收天线的数量，k_c为无线电波的波数，l_a为天线的长度，g_x(θ_s,t)为横摇下的天线模式，g_y(θ_s,t)为纵摇下的天线模式；

海表面融合通信计算模块用于计算海表面反射的一阶融合通信，其中，f_B为Bragg频率，A_±为Bragg散射的幅度，f_c(R_r,θ_s)为由海流引起的径向多普勒频移，f_v(θ_s)为由船的运动引起的径向多普勒频移；具体为：其中v(R_r,θ_s)为单元格(R_r,θ_s)上的海流方向矢量，v_p为船体前进的速度，u(θ_s)为方位θ_s上的单位矢量；

流场计算模块采用Pierson-Moskowitz海浪谱模型计算海流流场，其中k_w＝4π/λ为海浪的波数，U₁₀为海面10米处的风速，θ_w为海流流场的方向与参考方向之间的夹角；则：A_±＝(a+jb)S(k_w,θ_s)，其中，a和b为均值为零，方差为1的高斯随机变量；

回波信号模拟模块获取回波信号幅度计算模块、回波信号相位计算模块、接收天线方位计算模块和海表面融合通信计算模块的数据并模拟计算回波信号：其中：X(R,t)∈C^M×1为M根接收天线接收的信号矢量；r和s为距离和方位单元格索引，a(t)为回波信号幅度，p(θ_s,t)∈C^M×1为回波信号相位；

参数设定模块用于设定回波信号幅度计算模块、回波信号相位计算模块、接收天线方位计算模块、海表面融合通信计算模块和回波信号模拟模块所需的数据。

优选的是：还包括用于模拟背景噪声的噪声模拟模块；回波信号模拟模块结合噪声模拟模块的模拟的噪声数据，模拟生成回波信号：其中e(t)∈C^M×1为背景噪声。

优选的是：背景噪声选择白噪声，其中B_r为噪声带宽；f₀为发射频率，ε(f₀)为随机相位，服从[0,2π]上的均匀分布；E_N(f)为功率谱密度，其中T₀为参考温度，K_B＝1.38×10^-23J/K为波尔兹曼常数，F_a为外部噪声因子。

优选的是：包括可相互通信的双处理器、多路DA转换器、混频器及高频振荡器，其中中央处理器包括流场计算模块、参数设定模块；图形处理器包括多路回波数据计算单元；中央处理器的数据传递至图形处理器，图形处理器计算生成的数据经多路DA转换器至混频器，混频器接收高频振荡器数据，与图形处理器计算生成的数据混频处理后作为回波模拟信号输出。

优选的是：回波信号计算单元的数量与接收天线的数量相等。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供了一种船载地波雷达海流回波模拟器，可以根据设定的流场、船只几何参数、船只运动参数生成高频地波雷达回波，适用于船载高频地波雷达信号处理机的系统测试，以及海流反演算法的性能测试。

(2)船载高频地波雷达回波模型的仿真考虑了船只六个自由度的运动，以及船只的前进速度、海流速度等对雷达接收回波信号的影响，可细致描述海面回波特性，且较现有公开文献中提出的，考虑一个自由度船体运动影响的船载雷达回波信号模拟，可更精确准确的模拟回波信号。

(3)采用双处理器架构，包括中央处理器和图形处理器，系统结构灵活，扩展性强。

附图说明

图1为波浪作用下船体运动示意图；

图2为海面单元示意图；

图3为船体纵摇情况下接收天线失配示意图；

图4为船体横摇参数示意图；

图5为船体艏摇参数示意图；

图6为船体纵荡参数示意图；

图7为船体横荡参数示意图；

图8为本发明回波信号计算流程图；

图9为本发明仿真模型与Walsh仿真模型仿真效果对比图；

图10为模拟器理论数据及实测数据仿真对比图；

图11为模拟器系统硬件结构示意图；

图12为海流流场仿真示意图。

其中：1-接收天线，M1-较大失配的接收天线，M2-较小失配的接收天线，2-船体，3-海面，4-海元

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚完整地描述。显然，具体实施方式所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

船载高频地波雷达的系统为阵列式雷达，发射信号为线性调频中断连续波(FMICW)，极化方式为垂直极化。发射天线和接收天线安装在同一船上，发射天线为对数周期天线，接收天线为均匀线阵。

如图1所示，在浪流的作用下，船作6个自由度的运动，包括三个平动(纵荡、横荡、垂荡)和三个转动(横摇、纵摇、艏摇)。如图1所示，给出了6个自由度的方向定义。船体运动过程中，配置在船体2上的发射天线和接收天线1将随船体2运动，而这种运动将对对雷达回波信号的接收产生影响。

本发明所研究的船载高频地波雷达模拟器包括参数设定模块和回波数据计算单元，回波信号计算单元包括回波信号幅度计算模块、回波信号相位计算模块、接收天线方位计算模块、流场计算模块、海表面融合通信计算模块和回波信号模拟模块。

硬件结构上，包括可相互通信的双处理器、多路DA转换器、混频器及高频振荡器，其中中央处理器包括流场计算模块、参数设定模块；图形处理器包括多路回波数据计算单元；中央处理器的数据传递至图形处理器，图形处理器计算生成的数据经多路DA转换器至混频器，混频器接收高频振荡器数据，与图形处理器计算生成的数据混频处理后作为回波模拟信号输出。回波信号计算单元的数量与接收天线的数量相等。

具体的说，由于接收天线为阵列式天线，具有多个，为每个接收天线设计一个计算通道，每个计算通道均包括一个回波信号计算单元。中中央处理器模拟计算的流场数据、以及通过中中央处理器中参数设定模块设定的参数数据传递到图形处理器中的每个回波通道计算通道中的回波信号计算单元。

其中，回波信号计算单元的执行流程如图8所示，具体计算方法如下：

回波信号幅度计算模块用于计算船体运动情况下回波信号的幅度，其根据公式(1)计算回波信号幅度：

a(t)＝a₀(t)cos(Δψ(t))cos(Δφ(t)) (1)

式中，a为接收天线距船体甲板纵向中心线的距离，ψ为船体横摇角度，φ为船体纵摇角度。

如图3和图4所示，由于船体2的横摇和纵摇将使接收天线1的幅度产生变化，对接收回波信号产生影响，而这种影响，除了与船体2的横摇角度和纵摇角度有关外，还与接收天线1与船体2甲板纵向中心线之间的距离有关。具体如图3，在船体2一定纵摇角度条件下，距离船体2甲板中心线越远的接收天线M1相比距离船体甲板中心线较劲的接收天线M2将产生更大的失配。采用这种算法，结合了船体2横摇和纵摇对接收天线幅度造成的影响，可更准确的模拟接收回波信号。需要说明的是，由于船体2艏摇并不影响接收天线1的幅度，也不会影响接收回波信号的幅度，因此，此处不考虑船体2艏摇的影响。

回波信号相位计算模块用于计算船体运动情况下回波信号的相位，将根据以下公式(2)进行计算：

式中，φ为船体纵摇角度，为船体艏摇角度，θ_s为雷达扫描单位海元对应的角度，λ为发射电磁波波长，M为接收天线的数量，d为两个接收天线之间的间距，x为船体纵荡的幅度，y为船体横荡的幅度；如图2所示，具体的说，以r和s为距离和方位单元格索引，建立雷达扫描单元格索引，θ_s为单元格索引对应的扇形中心角。

接收天线接收模式计算模块用于计算船体运动情况下接收天线的方向，根据公式(3)计算接收天线的方向：

g(θ_s,t)＝g_x(θ_s,t)g_y(θ_s,t)； (3)

具体如下：

公式(3)至公式(5)中，ψ为船体横摇角度，φ为船体纵摇角度，θ_s为雷达扫描单位海元对应的角度，k_c为无线电波的波数，l_a为天线的长度，g_x(θ_s,t)为横摇下的接收天线的接收模式，g_y(θ_s,t)为纵摇下的接收天线的接收模式。

其中，接收天线的接收模式不同，是由其随船体运动而形成的，接收模式不同，接收信号的增益不同。

流场计算模块采用Pierson-Moskowitz海浪谱模型计算海流流场，计算公式如公式(6)：

其中k_w＝4π/λ为海浪的波数，U₁₀为海面10米高度处的风速，θ_w为流场方向与参考方向之间的夹角，此处参考方向为：假设静止海域中，船艏方向为X轴方向，沿平行海平面与X轴方向垂直的为Y轴方向，Y轴方向即为参考方向；(如图2中所示的Y轴方向)则：

A_±＝(a+jb)S(k_w,θ_s)； (7)

其中，a和b为均值为零，方差为1的高斯随机变量。A_±将用于下一步海表面融合通信的计算。

海表面融合通信计算模块用于计算海表面反射的一阶融合通信，计算公式如公式(8)：

其中，f_B为Bragg频率，A_±为Bragg散射的幅度，f_c(R_r,θ_s)为由海流引起的径向多普勒频移，f_v(θ_s)为由船的运动引起的径向多普勒频移；具体为：

其中v(R_r,θ_s)为单元格(R_r,θ_s)上的海流方向矢量，v_p为船体前进的速度，u(θ_s)为方位θ_s上的单位矢量。A_±由公式(7)计算所得。

数设定模块用于设定回波信号幅度计算模块、回波信号相位计算模块、接收天线方位计算模块、海表面融合通信计算模块和回波信号模拟模块所需的数据；回波信号模拟模块获取回波信号幅度计算模块、回波信号相位计算模块、接收天线方位计算模块和海表面融合通信计算模块的数据，并根据公式(12)模拟计算回波信号：

其中：X(R,t)∈C^M×1为M根接收天线接收的信号矢量；r和s为距离和方位单元格索引，a(t)为回波信号幅度，p(θ_s,t)∈C^M×1为回波信号相位。

回波信号计算单元计算结束后，计算结果经多路DA转换器输出。

考虑到海面噪声的影响，可以进一步为系统设计模拟背景噪声的噪声模拟模块；回波信号模拟模块结合噪声模拟模块的模拟的噪声数据，模拟生成回波信号：

其中e(t)∈C^M×1为背景噪声。

背景噪声可选择多种噪声，本实施例中，背景噪声选择白噪声：

其中B_r为噪声带宽；f₀为发射频率，ε(f₀)为随机相位，服从[0,2π]上的均匀分布；E_N(f)为功率谱密度，其中T₀为参考温度，K_B＝1.38×10^-23J/K为波尔兹曼常数，F_a为外部噪声因子。

高频振荡器用于背景噪声的模拟，高频振荡器的输出和回波信号计算单元的输出均发送至混频器，混频器进行高频信号混合，并最终经混频器输出模拟的回波信号。

首先我们使用仿真的方式来测试此种测量方法的精度。通过参数设定模块设定如下仿真参数如下：雷达发射频率f₀为5.283MHz；流场流速为0.5m/s，方向为平行于雷达接收阵列的方向；船体移动速度V_p为5m/s，航行方向为正北；接收天线阵元数目M为7，阵元间距(任意两接收天线之间的间距)d为14m；实验的持续时间约为25min。使用前述仿真方法，得到海面回波数据。

如图7所示，将船体自由度运动模型中，除了与横荡的运动外，固定其余5个，即进行与传统一个自由度运动模型相类似的回波信号模拟，并经模拟结果与Walsh仿真模型进行对比，对比结果如图9所示，两种算法高度吻合。可见，采用本发明所述方向进行单自由度模拟可实现较高的模拟精度。

再进行6自由度运动情况下，回波信号的仿真模拟，仿真结果如图10所示。一方面采用上述给定的仿真参数进行模拟器理论数据的模拟，一方面在真实海况下采集海况及船只运行数据等，进行真实数据的仿真，两种情况的仿真比对结果如图10所示。可见，两种结果在关键特征处均高度吻合。

如图12所示，采用公式(6)模拟海流流场，算法测量结果与仿真结果具有较高的一致性。

Claims (5)

1.船载高频地波雷达回波信号模拟器，其特征在于：包括参数设定模块和回波数据计算单元，所述回波信号计算单元包括回波信号幅度计算模块、回波信号相位计算模块、接收天线接收模式计算模块、流场计算模块、海表面融合通信计算模块和回波信号模拟模块；

所述回波信号幅度计算模块用于计算船体运动情况下回波信号的幅度，a(t)＝a₀(t)cos(Δψ(t))cos(Δφ(t))；

所述回波信号相位计算模块用于计算船体运动情况下回波信号的相位，

所述接收天线接收模式模块用于计算船体运动情况下接收天线的方向，g(θ_s,t)＝g_x(θ_s,t)g_y(θ_s,t)，其中：

$g_y({\mathrm{\θ}}_s,t)=\frac{cos\left(k_c{l}_{a}sin\right(\arctan \left(tan\left(\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}\right){\mathrm{sin\θ}}_s\right)\left)\right)-cos\left(k_c{l}_a\right)}{\cos \left(\arctan \right(\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}\left){\mathrm{sin\θ}}_s\right)},$

$g_x({\mathrm{\θ}}_s,t)=\frac{cos\left(k_c{l}_{a}sin\right(\arctan \left(tan\left(\mathrm{\Δ}\mathrm{\ψ}\right){\mathrm{cos\θ}}_s\right)\left)\right)-cos\left(k_c{l}_a\right)}{\cos \left(\arctan \right(\mathrm{\Δ}\mathrm{\ψ}\left){\mathrm{cos\θ}}_s\right)};$

以上三式中，ψ为船体横摇角度，φ为船体纵摇角度，为船体艏摇角度，θ_s为雷达扫描单位海元对应的角度，a为接收天线距船体甲板纵向中心线的距离，d为两个接收天线之间的间距，λ为发射电磁波波长，x为船体纵荡的幅度，y为船体横荡的幅度，M为接收天线的数量，k_c为无线电波的波数，l_a为接收天线的长度，g_x(θ_s,t)为横摇下接收天线的接收模式，g_y(θ_s,t)为纵摇下接收天线的接收模式；

所述海表面融合通信计算模块用于计算海表面反射的一阶融合通信，其中，f_B为Bragg频率，A_±为Bragg散射的幅度，f_c(R_r,θ_s)为由海流引起的径向多普勒频移，f_v(θ_s)为由船的运动引起的径向多普勒频移；具体为： 其中v(R_r,θ_s)为单元格(R_r,θ_s)上的海流方向矢量，v_p为船体前进的速度，u(θ_s)为方位θ_s上的单位矢量；

所述流场计算模块采用Pierson-Moskowitz海浪谱模型计算海流流场，其中k_w＝4π/λ为海浪的波数，U₁₀为海面10米高度处的风速，θ_w为流场方向与参考方向之间的夹角；则：A_±＝(a+jb)S(k_w,θ_s)，其中，a和b为均值为零，方差为1的高斯随机变量；

所述参考方向为：假设静止海域中，船艏方向为X轴方向，沿平行海平面与X轴方向垂直的为Y轴方向，Y轴方向即为参考方向；

所述回波信号模拟模块获取回波信号幅度计算模块、回波信号相位计算模块、接收天线方位计算模块和海表面融合通信计算模块的数据并模拟计算回波信号：其中：X(R,t)∈C^M×1为M根接收天线接收的信号矢量；r和s为距离和方位单元格索引，a(t)为回波信号幅度，p(θ_s,t)∈C^M×1为回波信号相位；

所述参数设定模块用于设定回波信号幅度计算模块、回波信号相位计算模块、接收天线方位计算模块、海表面融合通信计算模块和回波信号模拟模块所需的数据。

2.如权利要求1所述的船载高频地波雷达回波信号模拟器，其特征在于：还包括用于模拟背景噪声的噪声模拟模块；所述回波信号模拟模块结合噪声模拟模块的模拟的噪声数据，模拟生成回波信号：其中e(t)∈C^M×1为背景噪声。

3.如权利要求2所述的船载高频地波雷达回波信号模拟器，其特征在于：所述背景噪声选择白噪声，其中B_r为噪声带宽；f₀为发射频率，ε(f₀)为随机相位，服从[0,2π]上的均匀分布；E_N(f)为功率谱密度，其中T₀为参考温度，K_B＝1.38×10^-23J/K为波尔兹曼常数，F_a为外部噪声因子。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的船载高频地波雷达回波信号模拟器，其特征在于：包括可相互通信的双处理器、多路DA转换器、混频器及高频振荡器，其中中央处理器包括流场计算模块、参数设定模块；图形处理器包括多路回波数据计算单元；中央处理器的数据传递至图形处理器，图形处理器计算生成的数据经多路DA转换器至混频器，混频器接收高频振荡器数据，与图形处理器计算生成的数据混频处理后作为回波模拟信号输出。

5.如权利要求4中任意一项所述的船载高频地波雷达回波信号模拟器，其特征在于：所述回波通道计算单元的数量与接收天线的数量相等。