CN107976660A

CN107976660A - 弹载多通道雷达超低空目标分析与多径回波建模方法

Info

Publication number: CN107976660A
Application number: CN201711101944.8A
Authority: CN
Inventors: 朱圣棋; 张涛; 廖桂生; 许京伟; 李婕
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2018-05-01
Anticipated expiration: 2037-11-10
Also published as: CN107976660B

Abstract

本发明公开了一种弹载多通道雷达超低空目标分析与多径回波建模方法，主要解决弹载雷达测量海面超低空目标时存在的多径回波的建模问题。实现步骤为：构建多径回波几何构型；划分海面有效散射区域；计算海面布鲁斯特反射系数；计算散射单元的等效散射系数；建立完整的多通道多径回波信号模型。本发明构建的多径信号模型既有目标信号还有不同方向的大量多径回波信号，与现有多径回波建模方法相比，划分了海面有效散射区域，并分析了区域内散射特性，采用双基等效理论和布鲁斯特效应，精确表述了目标客观环境，提高了弹载雷达在后续信号处理中的检测性能，为多通道弹载雷达系统设计和目标探测提供支撑。

Description

弹载多通道雷达超低空目标分析与多径回波建模方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，主要涉及多径回波建模，具体的说是一种弹载多通道雷达超低空目标分析与多径回波建模方法，可用于弹载多通道雷达探测海面低空目标。

背景技术

弹载相控阵雷达的系统设计与信号处理实现低空目标探测是下一代主动雷达导引头的一项关键技术。相比机载预警雷达，弹载雷达采用前视阵列运动速度快、工作波长短。尤其对于探测海面低空目标，导引头所接收到的回波信号不仅包含目标的直接路径信号，还包含目标经地海面反射形成的多径信号；而当目标低空飞行时，各路径回波之间的路程差很小，回波信号叠加在同一距离单元内，多路径传播会造成回波信号幅度的规律性变化(目标闪烁)，或相干叠加，或相干相消，造成无法得到真实目标回波信息。

超低空目标的多径信号可以分为两种：镜面反射和漫反射。在海面相对平坦时，镜面反射占主导。镜面反射分量依赖于雷达、目标和反射面之间的几何关系，包含着与目标强相关的回波信号，稍有去极化，具有相当强的确定性，在目标检测和跟踪过程中会对雷达性能产生较大影响。

在实际情况中，多径回波信号会受到多种因素的影响。由于海面存在起伏，镜面反射多径信号的回波路径不止一条，直射路径和反射路径也可能不在一个平面内，按照传统方法建模会有不足。海面的后向散射系数和布鲁斯特效应也会对多径信号产生较大的影响，目前已知的回波建模方法并没有将布鲁斯特反射系数考虑在内。多通道雷达体制为解决后续的信号处理方法提供更多的可能性，采用阵列信号处理的方法可以有效的抑制杂波和干扰，检测运动目标，但是建立回波模型时需要注意不同的多径信号在不同通道之间存在差异。

David K.Barton在论文“Low-Angle Radar Tracking”(Proceedings Of TheIEEE.,VOL.62,NO.6,pp.687-704，Jun.1974)中较早的介绍了多径回波建模及其性能分析。但其中建模方法较为简易，没有针对海面复杂情况进行考虑。

Thomas Meissner和Frank J.Wentz在论文“The Complex Dielectric Constantof Pure and Sea Water From Microwave Satellite Observations”(IEEETransactions On Geoscience And Remote Sensing,VOL.42,NO.9,pp.1836-1849,Sept.2004)中较为详细的介绍了布鲁斯特效应并分析了海水介电常数的影响因素，但并未涉及实际工程应用。

总之，之前的多径回波建模方法实现简单，没有考虑实际情况中海面散射区域特性，也没有针对布鲁斯特效应和海面散射模型对多径回波的影响进行分析，使得多径回波建模近似误差大、统计特性偏差大，在实际处理中对后期的低空目标分析与检测造成误差影响。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种保真度更高的弹载多通道雷达超低空目标分析与多径回波建模方法。

本发明是一种弹载多通道雷达超低空目标分析与多径回波建模方法，其特征在于，包括有如下步骤：

(1)建立多径信号几何构型，划分雷达回波信号：将雷达回波信号根据传播路径的不同划分为四种，其中路径0为直射路径，路径1、2、3为多径信号，雷达接收到的回波信号为四条路径信号的叠加，

①路径0为雷达-目标-雷达；

②路径1为雷达-目标-海面-雷达；

③路径2为雷达-海面-目标-雷达；

④路径3为雷达-目标-海面-目标-雷达。

(2)划分海面有效散射区域：海面有效散射区域是一块以散射点S为中心的正方形区域，根据距离分辨率，将整个区域划分为P个小的散射单元S_P，每个散射单元满足均匀分布，从而整个区域内的回波即等效为每个地块回波的叠加；

(3)计算散射单元的海面反射系数Γ：根据布鲁斯特效应计算每个小散射单元的反射系数Γ；

(4)计算散射单元的等效散射系数σ⁰：采用双基等效原理，结合经验散射模型HYB模型估计多径回波信号的后向散射系数σ_e，最终得到每个散射单元的等效散射系数σ⁰＝Γσ_e；

(5)建立四条路径的多通道回波信号模型X(t)：建立多通道回波模型矩阵X(t)，其中第n个通道第k个脉冲的回波模型x(n,k)，是P个海面散射单元四条路径回波信号的叠加，完成目标分析与多径回波建模。

本发明提出一种基于布鲁斯特效应和多径散射物理模型的弹载多通道雷达超低空目标分析与多径回波建模方法，具有高保真性，为弹载雷达系统设计和目标探测提供支撑。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(a)本发明对散射区域进行了划分，考虑了同方向的多径信号，由有效散射区域内大量多径线性叠加形成最终的多径信号，具有保真度高的优点。

(b)本发明采用新的方法计算等效散射系数。以HYB模型为基础，采用双基等效理论和布鲁斯特效应计算海面散射点的等效散射系数，是基于物理方法的散射建模，较统计建模方法更准确。

(c)本发明考虑多通道雷达体制，分析了多径信号与直达波目标信号在空间角度、多普勒、以及功率的差异。

附图说明

图1为本发明的实现总流程图；

图2为本发明使用的场景几何构型图；

图3为本发明中对有效散射区域划分的原理示意图；

图4为本发明中使用的布鲁斯特效应的原理示意图；

图5为本发明多通道阵列天线接收数据的几何结构图；

图6为用本发明方法得到的海面等效散射系数与散射位置关系的仿真示意图；

图7为用本发明得到的回波数据仿真示意图；

图8为多径信号和直达波目标信号的空时二维功率谱仿真示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发作详细说明。

实施例1

现有的多径回波建模方法实现简单，没有分析实际情况中海面散射区域可能存在的大量多径信号，也没有考虑布鲁斯特效应和海面散射模型对不同多径回波的影响，因此得到的传统多径回波建模近似误差大、统计特性偏差大，在实际处理中对后期的低空目标分析与检测造成误差影响。本发明在该领域不断探索，提出一种弹载多通道雷达超低空目标分析与多径回波建模方法，参见图1，包括有如下步骤：

(1)建立多径信号几何构型，划分雷达回波信号：对弹载雷达检测海面低空目标来说，雷达接收到的回波信号不只有目标的直射路径回波，也包括经过海面反射的多径回波信号，因此本发明将雷达回波信号根据传播路径的不同划分为四种，其中路径0为直射路径，路径1、2、3为多径信号，路径1和路径2都是信号经过海面一次反射的路径，路径3是信号经过海面两次反射路径，多次反射的路径由于能量衰减很大何以忽略不计，雷达接收到的回波信号为四条路径信号的叠加，

①路径0为雷达-目标-雷达；

②路径1为雷达-目标-海面-雷达；

③路径2为雷达-海面-目标-雷达；

④路径3为雷达-目标-海面-目标-雷达。

(2)划分海面有效散射区域：实际情况中海面情况复杂，可能存在大量多径回波信号，本发明将有效散射区域划分成一块以散射点S为中心的正方形区域，根据距离分辨率，减少统计误差，将整个区域划分为P个小的散射单元S_P，每个散射单元满足均匀分布，理论上每个散射单元都会有多径信号产生，从而整个区域内的回波即等效为每个散射单元回波的叠加。

(3)计算散射单元的海面反射系数Γ：布鲁斯特效应是电磁波在介质表面发生反射时存在的物理特性，反射波相对于入射波会有一定的衰减，用布鲁斯特反射系数Γ来表示，本发明考虑布鲁斯特效应对多径回波的影响，根据布鲁斯特效应计算每个小散射单元的反射系数Γ。

(4)计算散射单元的等效散射系数σ⁰：多径信号回波经过海面反射时需计算海面的前向散射系数，目前为止还没有有效的前向散射系数模型来模拟海面前向散射特性，本发明采用双基等效原理，将前向散射系数等效成后向散射系数，并结合经典后向散射模型HYB模型来估计多径回波信号的后向散射系数σ_e，最终得到每个散射单元的等效散射系数σ⁰＝Γσ_e。

(5)建立四条路径的多通道回波信号模型X(t)：本发明应用于弹载平台的阵列天线，采用前视工作模式，建立多通道回波模型矩阵X(t)，其中第n个通道第k个脉冲的回波模型x(n,k)，是P个海面散射单元四种路径回波信号的叠加，完成目标分析与多径回波建模。

本发明对散射区域进行了划分，由有效散射区域内大量多径线性叠加形成最终的多径信号，保真度高；采用双基等效理论和布鲁斯特效应计算海面散射点的等效散射系数比传统的统计建模更为精确；基于多通道体制建立多径信号模型，分析了多径信号与直达波目标信号在空间角度、多普勒、以及功率的差异。

实施例2

弹载多通道雷达超低空目标分析与多径回波建模方法同实施例1，参照图2建立的直角正交坐标系，海面发生镜面反射发生在一个区域内，即图中网格区域，S为中心散射点，S_P为一般散射点，整个区域一共分为P个散射单元，其中步骤(2)中所述的中心散射点S的位置矢量Ps为：

p_S＝(x_S,y_S,z_S)

式中，x_S，y_S，z_S分别表示中心散射点S在正交坐标系中的位置坐标，z_S＝0表示S点位于水平面上，通过雷达位置矢量p_R＝(x_R,y_R,z_R)和目标的位置矢量p_T＝(x_T,y_T,z_T)可以得到直线方程：

其中，x_R，y_R，z_R为雷达平台位置坐标，x_T，y_T，z_T为目标的位置坐标，根据方程求解散射中心点S的位置矢量Ps。

实施例3

弹载多通道雷达超低空目标分析与多径回波建模方法同实施例1-2，参照图3，雷达、目标的水平投影中心和中心散射点S位于同一直线上，其中步骤(2)中的散射单元S_P，散射单元均匀分布，为正方形，每个地块的等效散射系数可由其散射中心的散射系数代替，散射单元边长Δr大小等于距离分辨率：

其中c为光速，B为发射信号带宽，每个散射单元的面积A_S：

A_S＝Δr²

根据距离分辨率划分散射单元，减少了统计误差，保真度更高。

实施例4

弹载多通道雷达超低空目标分析与多径回波建模方法同实施例1-3，参照图4，布鲁斯特效应是电磁波在介质表面发生反射时存在的物理特性，反射波相对于入射波会有一定的衰减，用布鲁斯特反射系数Γ来表示，其中步骤(3)中的布鲁斯特反射系数Γ，对于垂直极化波，其计算表达式为：

其中φ_i表示电磁波入射角，Γ_v表示垂直极化电磁波的布鲁斯特反射系数，可以看作是反射波相对于入射波的衰减系数。ε是海水介电常数，其大小与温度、海水盐度和电磁波频率有关，海水介电常数ε取值需要根据实际应用中的具体参数决定。本发明考虑的布鲁斯特效应对多径信号的影响，使建模更为精确。

实施例5

弹载多通道雷达超低空目标分析与多径回波建模方法同实施例1-4，其中步骤(4)中每个散射单元对应的后向散射系数σ_e，其计算方法为：

先确定散射点指向等效单基雷达的入射角，

其中a_SR和a_ST表示由散射点指向雷达和目标的方向矢量，e_z＝[0,0,1]表示指向z轴正方向的单位矢量。每个散射单元S_P对应不同的单基入射角θ_P，然后以经典的海面散射系数模型HYB散射模型为基础，选择与单基入射角度对应的散射系数，即为σ_e。

实施例6

弹载多通道雷达超低空目标分析与多径回波建模方法同实施例1-5，其中步骤(5)中的多通道回波信号模型X(t)，对于M×N的阵列天线，经过列向合成后对N个等效单元进行采样，时域采样脉冲数为K，得到多通道回波信号模型X(t)为：

其中，第n个通道第k个脉冲的回波模型x(n,k)，表示为：

式中表示路径i在第n个通道第k个脉冲的回波模型，每种路径回波信号都是有效散射区域内P个该路径回波信号的线性叠加。

本发明采用的多通道雷达体制，可以分析多径信号与直达波目标信号在空间角度、多普勒、以及功率的差异，为弹载雷达系统设计和目标探测提供支撑。

下面给出一个更加完整和详实的例子，对本发明进一步说明

实施例7

弹载多通道雷达超低空目标分析与多径回波建模方法同实施例1-6，参照图1，本发明的实现步骤包括有：

步骤1：建立多径信号几何构型

参照图2，本例的具体几何构型如下：

考虑从导弹正下方地球表面的点建立地面直角坐标系，以导弹位置建立导弹坐标系，天线的阵面法线方向以及阵面的机械旋转是以导弹为参考定义的。此外，天线的波束指向是相对于天线阵面定义的。值得说明的是，这里定义俯仰角向上为正，定义方位角相对x轴逆时针旋转为正。其中，A点表示雷达平台，B点表示目标，S点表示雷达和目标所在切面与反射面的交点。这里考虑地、海面发生镜面反射发生在一个区域内，即图中网格区域，S_p表示该区域内第P个散射单元。V_R为雷达平台速度，V_T为目标速度，和θ_T分别为目标相对于雷达平台的俯仰角和方位角，和θ_Sp分别为地海面散射单元对于雷达平台的俯仰角和方位角。

雷达导引头接收到的目标相关信号主要包含四条传播路径的回波，这四条路径分别为：

1a)直接-直接路径(路径0)：雷达发射信号从R点到达目标点T，经过目标反射回到雷达接收机，传播路径为R→T→R。

1b)直接-反射路径(路径1)：雷达发射信号从R点到达目标点T，然后由目标反射到地海面，经地海面反射回到雷达接收机，传播路径为R→T→S→R。

1c)反射-直接路径(路径2)：雷达发射信号从R点到达地海面散射点S，经地海面镜面反射到达目标点T，再由目标反射回到雷达接收机，传播路径为R→S→T→R。

1d)反射-反射路径(路径3)：雷达发射信号从R点到达地海面散射点S，由地海面发射到目标点T，再由目标反射回地海面反射点S，最后回到雷达接收机，传播路径为R→S→T→S→R。

步骤2：划分地海面有效散射区域

参照图2和图3，本例的具体实现如下：

这里假设该区域是一块以中心散射点S为中心的正方形区域，将整个区域划分为多个小的散射单元，每个散射单元满足均匀分布，从而整个区域内的回波即等效为每个地块回波的叠加。其中，中心散射点S为雷达--目标方位向切面反射路径与地面的交点，S_P表示反射区内的第p个反射地块；S的位置矢量可以由雷达、目标位置矢量推导出，假设中心散射点S的位置矢量为：

p_S＝(x_S,y_S,z_S)

其中，z_S＝0表示S点位于水平面上。则由雷达位置矢量p_R＝(x_R,y_R,z_R)和目标的位置矢量p_T＝(x_T,y_T,z_T)得到直线方程：

其中，x_R，y_R，z_R为雷达平台位置坐标，x_T，y_T，z_T为目标的位置坐标，根据直线方程求解散射中心点S的位置矢量Ps。

考虑散射块的大小由雷达距离分辨率Δr决定，即

其中，Δr表示每个正方形小散射块的边长，c为光速，B为发射信号带宽，则每个散射单元S_P的面积可表示为：

A_S＝Δr²

假设每个地块即小散射块的等效散射系数可由其散射中心的散射系数代替，则每个地块散射中心的位置矢量由散射中心位置矢量和地块S_P相对于中心散射点S的偏移量联合确定。

步骤3：根据布鲁斯特效应计算海面反射系数Γ

参照图4，海面反射系数Γ的计算过程如下：

电磁波入射到海面，在分界面处发生类似于光波的反射和折射现象。当电磁波为垂直极化时，其量反射系数在特定角度上发生极大的衰减，此时发生全透射，即布儒斯特效应，发生全透射时的入射角即为布儒斯特角。海面的布儒斯特角主要由介质表面的粗糙度和入射波波长决定。

根据布鲁斯特效应得到电磁波垂直极化反射分量的反射系数为：

其中，φ_i表示电磁波入射角，ε是海水介电常数，其大小与温度、海水盐度和电磁波频率有关，海水介电常数的计算公式可以表示为：

其中，ε₁(T,S)为媒介频率介电常数，ε_S(T,S)为零频(固态)介电常数，ε_∞(T,S)为无限频率介电常数，ε₀＝8.8854×10^-12F/m为真空介电常数，f₁(T,S)和f₂(T,S)分别为一阶和二阶德拜松弛频率(GHz)。T温度(C)，S盐度(‰)。

步骤4：计算散射单元的散射系数σ⁰

针对步骤3中划分的散射区域，计算每个散射单元的等效散射系数。在计算第p个反射块的等效散射系数时，考虑散射单元的散射系数和布儒斯特效应。散射单元的散射系数考虑采用双基等效成单基的几何构型进行计算，即，将目标→散射点→雷达的几何构型视为双基构型，进而将该模型等效为单基模型，计算单基模型对应的擦地角，进而通过HYB模型进行散射系数计算，实现了前向散射系数到后向散射系数的转换。

因此，考虑将散射系数表示为：

σ⁰＝Γ·σ_e

其中，Γ表示布儒斯特效应对应的反射系数，σ_e表示等效为单基模型后的海面后向散射系数。确定散射点指向等效单基雷达的方向矢量，散射点指向雷达和目标的方向矢量分别表示为a_SR和a_ST，则指向等效单基雷达的方向矢量为：

其中，为散射点指向雷达的单位矢量，为散射点指向目标的单位矢量。

确定a₀与z轴的夹角，进而确定等效单基雷达的擦地角θ：

θ＝<a₀,e_z>

其中e_Z＝[0,0,1]表示指向z轴正方向的单位矢量。因此，对应的擦地角θ_g为：

之后，确定多径散射区域中每个散射单元的擦地角，搜索HYB模型中对应的后向散射系数σ_e，实现了前向散射系数到后向散射系数的转换，最终得到等效散射系数σ⁰。

步骤5：建立四条路径的多通道回波信号模型

参考图5，具体实现如下：

对于M×N的阵列天线，经过列向合成后对N个等效单元进行采样，时域采样脉冲数为K，则雷达接收的数据矩阵可以表示为：

海面镜面反射发生在有效散射区域内，因此在计算每一路多径信号的回波时，需要将该区域内P个多径信号叠加起来。若考虑第n个通道第k个脉冲的回波模型，由此，t时刻雷达接收到的四路径基带总回波信号可表示为：

下面分别构建四条路径的回波模型：

5a)直接-直接路径即路径0的回波信号表示为：

其中，为雷达发射波形，定义区间为[-T/2,T/2]，T为脉冲重复周期；λ表示波长；τ表示脉冲宽度；V是目标相对雷达的径向速度；为阵元间距。

目标信号回波幅度表示为：

其中，表示雷达到目标的距离；表示目标到散射点的距离；表示散射点到雷达的距离；P_T为雷达发射的峰值功率；G_Tmax表示发射天线最大增益；G_Rmax表示接收天线最大增益；F_T(θ,φ)为发射天线方向图(电压方向图)；F_R(θ,φ)为接收天线方向图(电压方向图)；L_S为系统损耗；σ_T表示目标的散射截面积，表征其散射特性。

5b)直接-反射路径即路径1的回波信号表示为：

其中ξ_p表示多径路径中第p个散射点对应的回波信号幅度，取决于雷达方程、多径散射系数、布儒斯特效应，表示为：

5c)反射-直接路径即路径2的回波信号表示为：

路径2回波信号幅度表示为：

5d)反射-反射路径即路径3的回波信号表示为：

路径3回波信号幅度表示为：

到此，多通道弹载雷达和四种形式的多径回波模型构建完成。在四种路径的回波信号模型中，路径0代表直射目标的回波信号，路径1，路径2，路径3表示多径回波信号模型，多径回波信号与目标回波信号不同的地方在于传播路径长度、海面等效散射系数σ⁰和散射单元面积A_SP，并且每种路径的回波都有P个不同的回波，对应散射区域的P个散射单元，最后得到的第n个通道第k个脉冲的回波模型x(n,k)共包含3P+1个回波信号。本发明构建的多径信号模型既有目标信号还有不同方向的大量多径回波信号，更精确的表述了目标所在的客观环境，有效的较少了多径信号模型的近似误差和统计误差，提高了弹载雷达在后续信号处理中的检测性能。

本发明的效果可以通过以下仿真实验进一步说明：

实施例8

弹载多通道雷达超低空目标分析与多径回波建模方法同实施例1-7。

仿真参数：仿真实验中所采用的信号均为远场窄带信号，调制形式为线性调频。

实验中参数如表1，

表1弹载雷达回波仿真参数

参数名称	具体取值	参数名称	具体取值
				平台位置矢量	[0,0,1000]	目标位置矢量	[8000,0,100]
平台速度矢量	800[1,0,0]	目标速度矢量	300[-1,0,0]
				相关脉冲数L	20	阵元行数	10
参考载频f	10GHz	阵元列数	10
				脉冲重复频率f_PRF	50kHz	极化形式	垂直极化
信号带宽	80MHz	脉冲宽度	0.2μs

实验仿真内容：

选择有效散射区域面积14km×14km，结合现有技术中的HYB模型和本发明单基等效原理计算散射区域中海面等效散射系数σ⁰结果如图6。

实验结果分析：

图6为用本发明方法得到的海面等效散射系数与散射位置关系的仿真示意图，从图6中可以看到，不同散射单元的等效散射系数不同，位于目标与雷达平台之间且靠近x轴的散射单元的散射系数较强，说明本发明经过该区域反射的多径信号能量较强；而位于散射区域边缘的散射单元散射系数很小，几乎为0，即便经过该区域有不少多径信号的反射，也受到了很大的削弱，更为接近实际情况，有较好的保真度。

实施例9

弹载多通道雷达超低空目标分析与多径回波建模方法同实施例1-7，仿真条件同实施例8。

实验仿真内容：仿真完整的多通道多径回波信号模型，结果如图7，其中：

图7(a)为采用本发明建模获得的单脉冲单通道接收回波数据仿真示意图；

图7(b)为采用本发明建模获得的经过脉冲压缩处理后的结果示意图；

实验结果分析：

从图7(a)中可以看到，雷达接收机首先接收到的是直射路径的信号即期望目标信号，经过一段时间延时后，才会收到多径信号与目标信号的叠加，由于是多条路径信号的非相参叠加，总回波变化波动明显。从图7(b)中可以看到，脉压之后可以看到多径回波信号能量和目标回波信号相比较小，而且路径1和路径2的多径信号比路径3的多径信号较早传播到雷达接收机，路径3的多径回波信号经过较长距离的衰减和海面散射的二次衰减，导致回波能量最小。由以上两点可以看到本发明中的回波模型基于物理方法的散射建模，较统计建模方法更准确。

实施例10

弹载多通道雷达超低空目标分析与多径回波建模方法同实施例1-7，实验条件和参数同实施例8。

实验仿真内容：

仿真分析多径信号和直达波目标信号的空时二维功率谱，结果如图8所示，其中：

图8(a)为直达波目标信号空时二维功率谱仿真示意图；

图8(b)为目标信号和多径信号空时二维功率谱仿真示意图；

实验结果分析：

从图8(a)和图8(b)对比中看到，在空时二维功率谱中，多径回波信号与直达波信号相比回波功率较小，并且会发生多普勒频率扩展；当多径信号的回波空间角度与直达波信号回波角度接近时，多径信号的回波功率较大，以此可为后续弹载雷达系统设计和目标探测提供支撑。

以上各例的仿真实验验证了本发明的正确性，有效性和可靠性。

综上所述，本发明公开的一种弹载多通道雷达超低空目标分析与多径回波建模方法，主要解决弹载雷达测量海面超低空目标时遇到的多径回波的建模问题。实现步骤为：构建多径回波几何构型；划分海面有效散射区域；分析布鲁斯特效应，计算海面布鲁斯特反射系数；计算散射单元的等效散射系数；建立完整的多通道多径回波信号模型。本发明划分了海面有效散射区域，并分析了区域内的散射特性，采用双基等效理论和布鲁斯特效应，是基于物理方法的散射建模，较统计建模方法更准确表述了目标所在的客观环境，有效的较少了多径信号模型的近似误差和统计误差，提高了弹载雷达在后续信号处理中的检测性能。仿真实验也验证了本发明的正确性，有效性和可靠性，为多通道弹载雷达系统设计和目标探测提供支撑。

Claims

1.一种弹载多通道雷达超低空目标分析与多径回波建模方法，其特征在于，包括有如下步骤：

①路径0为雷达-目标-雷达；

②路径1为雷达-目标-海面-雷达；

③路径2为雷达-海面-目标-雷达；

④路径3为雷达-目标-海面-目标-雷达；

(2)划分海面有效散射区域：海面有效散射区域是一块以中心散射点S为中心的正方形区域，根据距离分辨率，将整个区域划分为P个小的散射单元S_P，每个散射单元满足均匀分布，从而整个区域内的回波即等效为每个地块回波的叠加；

(5)建立四条路径的多通道回波信号模型X(t)：建立多通道回波模型矩阵X(t)，其中第n个通道第k个脉冲的回波模型x(n,k)，是P个海面散射单元四条路径回波信号的叠加，完成多径回波建模。

2.根据权利要求1所述的弹载多通道雷达超低空目标分析与多径回波建模方法，其特征在于，其中步骤(2)中所述的中心散射点S的位置矢量Ps为：

p_S＝(x_S,y_S,z_S)

式中，x_S，y_S，z_S分别表示中心散射点S在正交坐标系中的位置坐标，z_S＝0表示S点位于水平面上，由雷达位置矢量和目标的位置矢量可以得到直线方程：

式中，x_R，y_R，z_R为雷达平台位置坐标，x_T，y_T，z_T为目标的位置坐标，根据方程求解散射中心点S的位置矢量Ps。

3.根据权利要求1所述的弹载多通道雷达超低空目标分析与多径回波建模方法，其特征在于，其中步骤(2)中的散射单元S_P，为均匀正方形，其边长Δr大小由距离分辨率决定：

<mrow> <mi>&Delta;</mi> <mi>r</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>c</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>B</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中c为光速，B为发射信号带宽，每个散射单元的面积A_S：

A_S＝Δr²

4.根据权利要求1所述的弹载多通道雷达超低空目标分析与多径回波建模方法，其特征在于，其中步骤(3)中的布鲁斯特反射系数Γ，其计算表达式为：

<mrow> <msub> <mi>&Gamma;</mi> <mi>v</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&epsiv;cos&phi;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msqrt> <mrow> <mi>&epsiv;</mi> <mo>-</mo> <msup> <mi>sin</mi> <mn>2</mn> </msup> <msub> <mi>&phi;</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </msqrt> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&epsiv;cos&phi;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>+</mo> <msqrt> <mrow> <mi>&epsiv;</mi> <mo>-</mo> <msup> <mi>sin</mi> <mn>2</mn> </msup> <msub> <mi>&phi;</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </msqrt> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中φ_i表示电磁波入射角，Γ_v表示垂直极化电磁波的布鲁斯特反射系数，ε是海水介电常数，其大小与温度、海水盐度和电磁波频率有关。

5.根据权利要求1所述的弹载多通道雷达超低空目标分析与多径回波建模方法，其特征在于，其中步骤(4)中的单基模型的散射系数σ_e，其计算方法为：

先确定散射点指向等效单基雷达的入射角，

<mrow> <mi>&theta;</mi> <mo>=</mo> <mo><</mo> <msub> <mi>a</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>e</mi> <mi>z</mi> </msub> <mo>></mo> <mo>,</mo> <msub> <mi>a</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>a</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>R</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>a</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>T</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中a_SR和a_ST表示由散射点指向雷达和目标的方向矢量，e_z＝[0,0,1]表示指向z轴正方向的单位矢量。最后根据HYB散射模型选择与单基入射角度对应的散射系数，即为σ_e。

6.根据权利要求1所述的弹载多通道雷达超低空目标分析与多径回波建模方法，其特征在于，其中步骤(5)中的多通道回波信号模型X(t)，数据形式表示为：

其中，第n个通道第k个脉冲的回波模型x(n,k)，表示为：

其中表示路径i在第n个通道第k个脉冲的回波模型。