CN106680791A - 基于宽带扫频数据的雷达回波仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于宽带扫频数据的雷达回波仿真方法，包括步骤有：(1)获取静止目标的宽带扫频数据；(2)将扫频数据进行去载频处理，再进行离散傅里叶逆变换，得到静止目标的距离像；(3)设置仿真时的线性调频波形参数；(4)对距离像做离散傅里叶逆变换，得到静止目标的线性调频中频回波信号；(5)添加相位影响因子，生成运动目标的线性调频中频回波信号。本发明既保留了目标每个散射中心的散射特性，避免由于散射点截断带来的回波信息缺失；又通过快速傅里叶变换避免了卷积操作，提高了回波仿真的计算效率。

Description

基于宽带扫频数据的雷达回波仿真方法

技术领域

本发明涉及仿真领域，尤其涉及一种基于宽带扫频数据的雷达回波仿真方法。

背景技术

利用宽带雷达对高速运动目标如飞机、导弹、卫星等空中目标进行探测与成像，具有重要的军事价值。宽带雷达所具备的高分辨率特性是进行雷达目标识别的重要依据。由于空间目标外场宽带测量对雷达性能要求高、需要投入大量的人力物力，且对特定目标的观测受到传感器和运动目标的相对时空因素限制，很难获得目标全姿态的宽带回波。因此，宽带雷达回波仿真是雷达系统研制及雷达信号处理及应用的重要环节及关键技术。

线性调频信号(Line Frequency Modulation，LFM)是宽带雷达系统常用波形之一，建立高速运动目标宽带LFM雷达回波的时域信号模型时，对于远距离且高速运动的目标，脉冲持续期间的径向位移不能忽略。

除上述外，基于目标散射中心模型的雷达回波时域仿真方法，其由于散射中心位置及幅度难以准确提取，尤其是散射中心间距很近时这一问题尤为突出，大部分高精度的提取散射中心的运算如现代谱估计算法、数据外推算法等具有运算复杂的缺点；而且强散射中心的提取同时会造成目标本身的弱散射点被丢弃，导致目标回波信息缺失。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明提出基于宽带扫频数据的雷达回波仿真方法，提高了回波仿真的计算效率。

本发明提供的基于宽带扫频数据的雷达回波仿真方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：

(1)获取静止目标的宽带扫频数据；

(2)将所述扫频数据进行去载频处理，再进行离散傅里叶逆变换，得到静止目标的距离像；

(3)设置仿真时的线性调频波形参数；

(4)对所述距离像做离散傅里叶逆变换，得到静止目标的线性调频中频回波信号；

(5)添加相位影响因子，生成运动目标的线性调频中频回波信号。

优选的，步骤(1)所述宽带扫频数据，其在步进频率波形脉冲串内，第i个步进频率的回波信号表达式为：

式中，j＝sqrt(-1)，N为频率步进个数，σ_k为静止目标第k个散射中心的散射强度，c为光速，f_c为中心频率，Δf为频率步进量，r_k为静止目标第k个散射中心与参考点的相对距离。

较优选的，步骤(2)将所述扫频数据进行去载频处理，其表达式为：

将频域数据进行离散傅里叶逆变换，得到静止目标的距离像，其表达式为：

较优选的，步骤(3)所述线性调频波形参数包括脉冲宽度T_p、信号中频带宽B_IF、中频信号采样频率F_s、运动目标速度V和运动目标加速度a。

较优选的，步骤(4)对所述距离像做离散傅里叶逆变换，得到静止目标的线性调频中频回波信号，其表达式为：

式中，为线性调频斜率，为总时间，t_m为慢时间，为快时间。

较优选的，步骤(5)相位影响因子由所述运动目标速度V和所述运动目标加速度a产生。

较优选的，步骤(5)中添加所述相位影响因子后，生成运动目标的线性调频中频回波信号表达式为：

其中：

上述式中，

为第k个散射中心产生的回波信号的初相，为目标第k个散射中心与参考点的相对距离，为相位，是经过回波信号的傅里叶变换后距离像中的强散射点位置产生的平移量，为残余视频相位。

较优选的，中频信号采样频率F_s大于两倍的静止目标的线性调频中频回波信号；

所述静止目标的线性调频中频回波信号的频率由所述目标的尺寸确定，其公式为：

式中，L为目标的尺寸。

较优选的，中频信号采样频率F_s大于两倍的运动目标的线性调频中频回波信号；

所述运动目标的线性调频中频回波信号的频率为

其中：Δ_L为距离像展宽尺度，且：

Δ_L≈2V·T_p (14)

由公式(13)和公式(14)得到所述运动目标速度V的表达式为：

本发明的技术方案中，既保留了目标每个散射中心的散射特性，避免由于散射点截断带来的回波信息缺失；又通过快速傅里叶变换避免了卷积操作，提高了回波仿真的计算效率。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明实施例的运动目标的线性调频中频回波仿真示意图，图中，实线表示目标速度为0m/s，虚线表示目标速度为1000m/s，点虚线线表示目标速度为3000m/s；

图3为本发明实施例的距离像示意图，图中，实线表示目标速度为0m/s，虚线表示目标速度为1000m/s，点虚线线表示目标速度为3000m/s。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

本实施例提出的基于宽带扫频数据的雷达回波仿真方法，其流程图如图1所示，具体包括如下步骤：

(1)获取静止目标的宽带扫频数据，具体的：

在步进频率波形脉冲串内，第i个步进频率的回波信号表达式为：

式中，j＝sqrt(-1)，N为频率步进个数，σ_k为静止目标第k个散射中心的散射强度，c为光速，f_c为中心频率，Δf为频率步进量，r_k为静止目标第k个散射中心与参考点的相对距离。

上述表达式，同时也表示了基于单个脉冲串的静止目标反射性的频域样本。

(2)将所述扫频数据进行去载频处理，再进行离散傅里叶逆变换，得到静止目标的距离像(即一系列距离时延的反射性大小)，具体的：

将所述扫频数据进行去载频处理，其表达式为：

将频域数据进行离散傅里叶逆变换，得到静止目标的距离像，其表达式为：

(3)设置仿真时的线性调频波形参数，包括脉冲宽度T_p、信号中频带宽B_IF、中频信号采样频率F_s、运动目标速度V和运动目标加速度a。其中：

静止目标的线性调频中频回波信号的频率由目标的尺寸确定，其公式为：

式中，L为目标的尺寸；

根据Naquist采样定理对中频回波离散采样，中频信号采样频率F_s需大于两倍的静止目标的线性调频中频回波信号，即F_s＞2F_max。

目标速度将会导致LFM中频回波各散射中心频谱展宽，当运动目标速度为V时，其对应的回波频率为：

式中：Δ_L为距离像展宽尺度，且：

Δ_L≈2V·T_p (14)

根据Naquist采样定理对中频回波离散采样，中频信号采样频率F_s大于两倍的运动目标的线性调频中频回波信号，则由公式(13)和公式(14)得到运动目标速度V的表达式为：

本实施例中，若静态测量的扫频间隔为Δf＝10MHz，目标长度为4米，发射信号带宽B＝2GHz，脉冲宽度T_p＝100μs，线性调频斜率γ＝2×10¹³Hz/s，则要求仿真时，目标速度V＜20000m/s。

(4)根据LFM理论，经混频和去倾斜处理后，LFM雷达单个发射脉冲对应的接收回波同目标散射中心随径向距离的分布之间是傅里叶逆变换关系。对距离像做离散傅里叶逆变换，得到静止目标的线性调频中频回波信号，其表达式为：

式中，为线性调频斜率，为总时间，t_m为慢时间，为快时间。

(5)对于高速运动目标，其线性调频中频回波受目标运动速度及加速度的影响而产生相位调制。因此本实施例添加由运动目标速度V和运动目标加速度a产生的相位影响因子，生成运动目标的线性调频中频回波信号，其表达式为：

其中：

上述式中，

为第k个散射中心产生的回波信号的初相，可以表征目标第k个散射中心与参考点的相对距离，为相位，其为经过回波信号的傅里叶变换后距离像中的强散射点位置产生的平移量，为残余视频相位，中的和使运动目标的一维距离像主瓣发生展宽。

由此，根据式(7)和式(8)的对应关系即可生成运动目标的线性调频中频回波信号。

具体的，本实施例对步骤(3)中的参数设定为发射信号脉冲宽度T_p＝100μs，带宽B＝2GHz，目标尺寸L＝4.2米，信号中频(接收机)带宽B_IF＝1MHz，采样频率F_s＝2MHz，载频f_c＝10GHz，运动目标加速度a对回波信号的影响非常小，因此设置a＝0。经过仿真，其运动目标的线性调频中频回波仿真示意图如图2所示，距离像示意图如图3所示，通过对比可知，随着目标运动速度的增大，目标强散射中心位置偏移量逐渐增大，目标一维距离像的展宽程度也逐渐增大。

由图2和图3可知，本发明有效模拟了运动目标速度对雷达回波信号产生的影响，包括相位调制和一维距离像偏移及展宽。与传统基于时域卷积的方法相比，本发明利用了静止目标的全部散射中心信息，防止散射中心截断造成信息缺失。同时，通过快速逆傅里叶变换实现静止目标中频回波信号快速构建，最后在静止目标中频回波信号的相位中叠加速度产生的相位影响因子。具体的，与现有技术相比，本实施例在当前参数设置下的仿真效率提高10倍。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于宽带扫频数据的雷达回波仿真方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)获取静止目标的宽带扫频数据；

(2)将所述扫频数据进行去载频处理，再进行离散傅里叶逆变换，得到静止目标的距离像；

(3)设置仿真时的线性调频波形参数；

(4)对所述距离像做离散傅里叶逆变换，得到静止目标的线性调频中频回波信号；

(5)添加相位影响因子，生成运动目标的线性调频中频回波信号。

2.如权利要求1所述的雷达回波仿真方法，其特征在于，步骤(1)所述宽带扫频数据，其在步进频率波形脉冲串内，第i个步进频率的回波信号表达式为：

$s_r\left(f_i\right)=\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}\sqrt{{\mathrm{\σ}}_k}\exp \{-j\frac{4\mathrm{\π}}{c}(f_c+i\mathrm{\Δ}f)r_k\};-N/2\≤i\≤N/2---\left(4\right)$

式中，j＝sqrt(-1)，N为频率步进个数，σ_k为静止目标第k个散射中心的散射强度，c为光速，f_c为中心频率，Δf为频率步进量，r_k为静止目标第k个散射中心与参考点的相对距离。

3.如权利要求2所述的雷达回波仿真方法，其特征在于，步骤(2)将所述扫频数据进行去载频处理，其表达式为：

$s_{IF}\left(f_i\right)=\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}\sqrt{{\mathrm{\σ}}_k}\exp \{-j\frac{4\mathrm{\π}}{c}\left(i\mathrm{\Δ}f\right)r_k\}---\left(5\right)$

将频域数据进行离散傅里叶逆变换，得到静止目标的距离像，其表达式为：

$\sqrt{{\mathrm{\σ}}_k\left(r_k\right)}=IDFT\left\{s_{IF}\left(f\right)\right\}---\left(6\right).$

4.如权利要求1所述的雷达回波仿真方法，其特征在于，步骤(3)所述线性调频波形参数包括脉冲宽度T_p、信号中频带宽B_IF、中频信号采样频率F_s、运动目标速度V和运动目标加速度a。

5.如权利要求3所述的雷达回波仿真方法，其特征在于，步骤(4)对所述距离像做离散傅里叶逆变换，得到静止目标的线性调频中频回波信号，其表达式为：

$s_{IF}(\hat{t},t_m)=\underset{k=0}{\overset{M-1}{\Σ}}\sqrt{{\mathrm{\σ}}_k}\·\exp \left\{j2{\mathrm{\πf}}_{\mathrm{\Δ}k}t\right\}---\left(7\right)$

式中，为线性调频斜率，为总时间，t_m为慢时间，为快时间。

6.如权利要求1所述的雷达回波仿真方法，其特征在于，步骤(5)相位影响因子由所述运动目标速度V和所述运动目标加速度a产生。

7.如权利要求6所述的雷达回波仿真方法，其特征在于，步骤(5)中添加所述相位影响因子后，生成运动目标的线性调频中频回波信号表达式为：

$s_{IF}(\hat{t},t_m)=\underset{k=0}{\overset{M-1}{\Σ}}\sqrt{{\mathrm{\σ}}_k}\·\exp \left\{j({\mathrm{\Φ}}_{k1}+{\mathrm{\Φ}}_{k2}+{\mathrm{\Φ}}_{k3})\right\}---\left(8\right)$

其中：

${\mathrm{\Φ}}_{k1}(\hat{t},t_m)=-4{\mathrm{\πf}}_c\frac{r_k}{c}+8\mathrm{\π}\mathrm{\γ}\frac{r_k\·R_0}{c^2}---\left(9\right)$

${\mathrm{\Φ}}_{k2}(\hat{t},t_m)=-4\mathrm{\π}\frac{r_k}{c}\mathrm{\γ}\hat{t}+4\mathrm{\π}\{-\frac{f_c}{\mathrm{\γ}}+\frac{2R_0+2r_k}{c}\}\frac{V_T\left(t_m\right)}{c}\mathrm{\γ}\hat{t}---\left(10\right)$

${\mathrm{\Φ}}_{k3}(\hat{t},t_m)=4\mathrm{\π}\mathrm{\γ}\frac{{r_k}^2}{c^2}+4\mathrm{\π}\mathrm{\γ}(\frac{V_T\left(t_m\right)}{c}-1)\frac{V_T\left(t_m\right)}{c}{\hat{t}}^2+2\mathrm{\π}a\left(t_m\right)\[-\frac{f_c}{c}+\mathrm{\γ}\frac{2R_0+2r_k}{c^2})\]{\hat{t}}^2---\left(11\right)$

上述式中，

为第k个散射中心产生的回波信号的初相，为目标第k个散射中心与参考点的相对距离，为相位，是经过回波信号的傅里叶变换后距离像中的强散射点位置产生的平移量，为残余视频相位。

8.如权利要求4所述的雷达回波仿真方法，其特征在于，中频信号采样频率F_s大于两倍的静止目标的线性调频中频回波信号；

所述静止目标的线性调频中频回波信号的频率由所述目标的尺寸确定，其公式为：

$F_{\max }=\frac{2\mathrm{\γ}}{c}L---\left(12\right)$

式中，L为目标的尺寸。

9.如权利要求8所述的雷达回波仿真方法，其特征在于，中频信号采样频率F_s大于两倍的运动目标的线性调频中频回波信号；

所述运动目标的线性调频中频回波信号的频率为

$F_{\max }^{\′}=\frac{2\mathrm{\γ}}{c}(L+{\mathrm{\Δ}}_L)---\left(13\right)$

其中：Δ_L为距离像展宽尺度，且：

Δ_L≈2V·T_p (14)

由公式(13)和公式(14)得到所述运动目标速度V的表达式为：

$V<\frac{1}{2}(\frac{c\&CenterDot;F_s}{2B}-\frac{L}{T_p})---\left(15\right).$