CN107479038A - 一种高精度雷达目标回波实时模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度雷达目标回波实时模拟方法。使用本发明能够满足高精度测量雷达的距离延迟要求，实现高精度测量雷达目标回波的实时模拟。本发明在雷达发射信号中加入目标的距离延迟量以及目标的雷达散射截面积起伏特性，来实现对雷达目标回波的模拟，其中，针对距离延迟量，本发明采用“时域延迟+频域延迟”相结合的方法实现大范围高精度的距离延迟，分别在时域和频域实现粗延迟和精细延迟，结合了两者的优点，将精细延迟转换到信号频域中调制实现，从而实现高精度的距离延迟。此外，还提供了一种高精度的目标的雷达散射截面积起伏特性的计算方法。

Description

一种高精度雷达目标回波实时模拟方法

技术领域

本发明涉及雷达回波模拟技术领域，具体涉及一种高精度雷达目标回波实时模拟方法。

背景技术

雷达通过发射电磁波，然后接收目标反射的回波信号，并进行检测处理，可以获得目标的距离、速度、角度及尺寸特征等信息。雷达具有全天时、全天候的优点，广泛应用于军事、民用的各个领域，如空间监视、精确制导、天气预报、交通航管等等。由雷达的工作原理可知，通过对雷达发射信号进行延迟、幅度、相位、多普勒、角度等调制可模拟产生雷达目标回波，从而可以在内场环境中对雷达系统的功能指标进行调试测试，相对于外场试验，具有成本低、方便灵活、可重复性好的优点，可大大提高雷达研制效率，节省研发经费。因此，雷达回波模拟器是雷达研制、生产过程中非常重要的测试设备。随着应用需求的推动及雷达技术的发展，雷达的测量精度不断提高，目标识别能力不断加强。因此，研究如何产生高精度、逼真的雷达目标回波模拟方法具有重要意义。目前，常用的回波模拟方法一般采用时域延迟法模拟目标的距离延迟，采用Swerling等统计模型模拟目标的RCS(雷达散射截面积)起伏特性。在数字域上，时域延迟法的延迟精度由信号的采样率决定，其精度一般无法满足高精度测量雷达的要求(高精度测量雷达要求距离延迟小于2ns)。Swerling模型虽然在统计意义上满足特定条件的目标RCS起伏规律，但无法真实地反映目标运动姿态变化与RCS的关系，也无法逼真的模拟复杂目标的散射特性。通常情况下，雷达是一个实时处理系统，目标状态是实时变化的，而目标回波是由雷达、目标及两者之间的电磁传播空间三者共同决定的，因此为了验证雷达在动态、变化的真实环境下工作性能，一般要求雷达目标回波模拟满足实时性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高精度雷达目标回波实时模拟方法，能够满足高精度测量雷达的距离延迟要求，实现高精度测量雷达目标回波的实时模拟。

本发明的高精度雷达目标回波实时模拟方法，在雷达发射信号中加入目标的距离延迟量以及目标的雷达散射截面积起伏特性，从而实现对雷达目标回波的模拟，其中，将距离延迟量分为时域粗延迟量和频域精细延迟量两部分，分别在频域进行频域精细延迟、时域进行时域粗延迟。

进一步的，所述频域精细延迟的延迟量由目标径向距离和最小时域延迟量决定，时域粗延迟的延迟量为目标径向距离与频域精细延迟量之差。

进一步的，包括如下步骤：

步骤1，将雷达发射信号进行模数转换和数字下变频，生成基带复信号；

步骤2，将基带复信号变换到频域，与包含频域精细延迟的频域调制系数以及包含目标散射特性的频域调制系数相乘，然后再变换到时域，进行多普勒调制；其中，包含频域精细延迟的频域调制系数H(f)为：

其中，f表示频率，c为光速；R_res＝mod(R,ΔR)，其中，mod()表示取余，R为目标径向距离，ΔR为最小时域延迟量，T_s为数据采样周期；

步骤3，将多普勒调制后的信号进行时域粗延迟；其中，所述时域粗延迟的延迟量R_t为：R_t＝R-R_res；

步骤4，将时域粗延迟后的信号进行数字上变频和数模转换，生成雷达回波模拟信号。

进一步的，通过在频域乘以包含目标散射特性的频域调制系数实现目标的散射特性模拟，其中，包含目标散射特性的频域调制系数的获取方法如下：

根据目标RAE位置、目标姿态角，实时计算目标的雷达视线角，然后从事先获得的不同目标在不同频率、不同方位角、不同俯仰角下的电磁散射系数数据库中通过插值的方式获得当前角度及信号频率范围内的目标电磁散射系数，然后进行频域插值得到目标的散射响应H，所述目标的散射响应H即为包含目标散射特性的频域调制系数。

进一步的，所述频域插值采用如下方法实现：

首先在频域上对目标电磁散射系数两侧进行补零，使得目标电磁散射系数的频率范围与基带采样率一致；然后将其变换到时域，在目标电磁散射系数后面补零，使其与发射信号等长，最后再变换到频域，完成频域插值。

有益效果：

(1)本发明采用“时域延迟+频域延迟”相结合的方法实现大范围高精度的距离延迟，分别在时域和频域实现粗延迟和精细延迟，结合了两者的优点，将精细延迟转换到信号频域中调制实现，从而实现高精度的距离延迟。

(2)本发明采用电磁计算模型模拟逼真的目标散射特性，事先获得目标在不同角度、不同频率下的高精度散射系数，在回波模拟过程中实时计算目标的雷达视线角，提取相应散射系数，并将其插值后与雷达发射信号频谱相乘，从而获得高精度散射特性的雷达目标回波。

附图说明

图1为本发明的处理流程示意图；

图2为目标姿态角与电磁散射系数转换示意图；

图3为目标电磁散射系数提取内插处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种高精度雷达目标回波实时模拟方法，通过在雷达发射信号中加入目标的距离延迟量以及目标的雷达散射截面积起伏特性，实现对雷达目标回波的模拟。

其中，本发明依据傅里叶变换的时移性质：时域时延t₀等效于频域乘以提出采用频域延迟来实现距离延迟，将距离延迟量分成粗延迟和精细延迟两部分，采用时域延迟法实现粗延迟，采用频域延迟法实现精细延迟，通过采用“时域延迟+频域延迟”这种方法实现卫星目标厘米级的大范围高精度距离延迟。

其中，时域延迟和频域延迟的延迟量确定方法如下：

首先根据雷达和目标的位置计算得到目标径向距离，然后将距离延迟量拆分为两部分：时域粗延迟量和频域精细延迟量。其中频域精细延迟量为：

R_res＝mod(R,ΔR)

其中，mod(*)为取余操作，R为目标径向距离，ΔR为最小时域延迟量。ΔR计算公式如下：

其中，c为光速，T_s为数据采样周期。

时域粗延迟量为：

R_t＝R-R_res

根据傅里叶变换的时移性质，若x(t)的傅里叶变换是X(ω)，则x(t-t₀)的傅里叶变换为故频域精细延迟反映在频域的调制系数为：

则可以采用如下方法实现频域精细延迟：首先将雷达发射信号通过傅里叶变换(FFT)转换到频域，然后乘以频域精细时延系数，再通过逆傅里叶变换(IFFT)变换为时域，从而实现高精度的距离延迟。

具体的，本发明的高精度目标回波实时模拟方法的信号处理流程如图1所示，包括如下步骤：

步骤1，通过ADC(模数转换装置)对雷达中频发射信号数字化，然后通过数字下变频(DDC)将中频信号变为基带复信号，同时降低采样率；

步骤2，对基带复信号做FFT处理将其变到频域，然后与包含精细延迟和目标散射特性的频域调制系数相乘，再通过IFFT将其还原到时域；其中，包含精细延迟的频域调制系数H(f)为：

步骤3，进行多普勒调制；

目标径向运动会引起回波信号的多普勒频移，其本质是使信号频率发生偏移，因此将雷达发射信号转换为复数IQ基带信号，然后在复数域乘以多普勒频移信号，可实现多普勒频移调制。DDS(直接数字合成)技术通过数字查表方式产生信号，可产生高分辨率、低杂散的多普勒频移信号。

因此，本发明采用DDS产生多普勒频率信号，将多普勒频率信号与IFFT后信号相乘，完成多普勒调制；

步骤4，将回波信号缓存，然后进行时域粗延迟调制；所述时域粗延迟的延迟量R_t为：R_t＝R-R_res；

步骤5，通过数字上变频(DUC)将基带回波变为中频信号，最后通过DAC(数模转换装置)完成数模转换变为雷达中频回波信号。

本发明中采用基于FPGA和DSP的处理平台，FPGA用于完成回波信号调制处理，DSP用于实现目标调制信息计算。FPGA包含丰富的逻辑、存储及乘法器资源，且具有强大的并行计算能力，因此非常适合雷达回波信号的实时调制产生，如FFT、DDS、复乘等运算均可由成熟的IP核实现，回波信号调制的各级处理可并行流水实现，以提高实时性。DSP实时性强，编程灵活，便于实现复杂运算，故适合目标调制信息的实时计算。

本发明中，DSP中根据雷达和目标的位置计算得到目标径向距离，并分别计算时域粗延迟的延迟量和频域精细延迟的延迟量，并计算频域精细延迟反映在频域的调制系数H(f)。

此外，DSP还进行目标散射特性的计算，获得包含目标散射特性的频域调制系数。

目标电磁散射系数的计算首先需建立目标的三维模型及表面材料特性，然后针对不同目标，选择相应电磁计算方法计算目标在不同频率、不同方位角、不同俯仰角下的电磁散射系数，由于运算量巨大，通常事先计算建立目标电磁散射数据库，为了提高计算效率，可采用图形处理器(GPU)计算。如图2所示，在回波模拟过程中，DSP根据目标RAE位置、目标姿态角，实时计算目标的雷达视线角，然后从电磁散射数据库中通过插值的方式提取当前角度及信号频率范围内的目标散射系数，并进行频域插值得到目标的散射响应H(f,Θ,Φ)，其中f表示与雷达带宽相对应的频率采样点序列，Θ表示当前目标俯仰角，Φ表示当前目标方位角。H(f,Θ,Φ)即为包含目标散射特性的频域调制系数。

将H(f,Θ,Φ)与雷达发射信号频谱S_t(f)相乘后再做IFFT，即为包含了目标散射特性及姿态信息的回波信号，如下所示：

s_r(t)＝IFFT{S_t(f)·H(f,Θ,Φ)}

如图3所示，由于电磁散射数据库中方位角和俯仰角为离散值，为了得到当前角度的系数，需从其相邻角度的系数值插值得到，按频点依次完成散射系数的角度插值计算，得到当前角度及信号频率范围内的目标散射系数。

为了与发射信号频谱匹配，需要对提取的目标电磁散射系数做频域插值得到目标的散射响应H(f,Θ,Φ)。具体频域插值方法如下：首先进行频率范围的补零扩展，由于提取的电磁散射系数频率范围是[f₀-B/2,f₀+B/2]，而雷达发射基带信号FFT后的频谱频率范围是[-F_s/2,F_s/2]，f₀为信号载频，B为信号带宽，F_s为基带采样率，因此需要把电磁散射系数的频率范围扩展到与F_s一致，即在电磁散射系数两侧补零，若电磁散射系数原频点数为N_f，则每侧补零个数为：

然后进行频率间隔的匹配，即对电磁散射系数的频点进行插值，可通过时域补零实现：将电磁散射系数变换到时域，在时域电磁散射系数后面补零，使其与发射信号等长，然后再做FFT变到频域，得到目标的散射响应H(f,Θ,Φ)。此时，目标的散射响应H(f,Θ,Φ)的频点个数与发射信号频谱一致，可直接相乘。

在进行多普勒调制时，由于回波的多普勒频率由目标径向速度决定：

式中，v为目标径向速度，λ为雷达发射信号波长。

则DDS相位增量计算公式为：

其中F_s为信号采样率，b为DDS相位增量位宽。

本发明提出的高精度目标回波实时模拟方法，通过频域延迟法、目标电磁计算的结合实现了雷达目标回波在距离、散射特性方面的高精度模拟，并可在基于DSP和FPGA的处理平台实现高精度回波的实时计算产生。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高精度雷达目标回波实时模拟方法，在雷达发射信号中加入目标的距离延迟量以及目标的雷达散射截面积起伏特性，从而实现对雷达目标回波的模拟，其特征在于，将距离延迟量分为时域粗延迟量和频域精细延迟量两部分，分别在频域进行频域精细延迟、时域进行时域粗延迟。

2.如权利要求1所述的高精度雷达目标回波实时模拟方法，其特征在于，所述频域精细延迟的延迟量由目标径向距离和最小时域延迟量决定，时域粗延迟的延迟量为目标径向距离与频域精细延迟量之差。

3.如权利要求2所述的高精度雷达目标回波实时模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将雷达发射信号进行模数转换和数字下变频，生成基带复信号；

步骤2，将基带复信号变换到频域，与包含频域精细延迟的频域调制系数以及包含目标散射特性的频域调制系数相乘，然后再变换到时域，进行多普勒调制；其中，包含频域精细延迟的频域调制系数H(f)为：

<mrow> <mi>H</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mo>/</mo> <mi>c</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msup> </mrow>

其中，f表示频率，c为光速；R_res＝mod(R,ΔR)，其中，mod()表示取余，R为目标径向距离，ΔR为最小时域延迟量，T_s为数据采样周期；

步骤3，将多普勒调制后的信号进行时域粗延迟；其中，所述时域粗延迟的延迟量R_t为：R_t＝R-R_res；

步骤4，将时域粗延迟后的信号进行数字上变频和数模转换，生成雷达回波模拟信号。

4.如权利要求1～3任意一项所述的高精度雷达目标回波实时模拟方法，其特征在于，通过在频域乘以包含目标散射特性的频域调制系数实现目标的散射特性模拟，其中，包含目标散射特性的频域调制系数的获取方法如下：

根据目标RAE位置、目标姿态角，实时计算目标的雷达视线角，然后从事先获得的不同目标在不同频率、不同方位角、不同俯仰角下的电磁散射系数数据库中通过插值的方式获得当前角度及信号频率范围内的目标电磁散射系数，然后进行频域插值得到目标的散射响应H，所述目标的散射响应H即为包含目标散射特性的频域调制系数。

5.如权利要求4所述的高精度雷达目标回波实时模拟方法，其特征在于，所述频域插值采用如下方法实现：

首先在频域上对目标电磁散射系数两侧进行补零，使得目标电磁散射系数的频率范围与基带采样率一致；然后将其变换到时域，在目标电磁散射系数后面补零，使其与发射信号等长，最后再变换到频域，完成频域插值。