CN108594190A - 一种高分辨海杂波的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高分辨海杂波的仿真方法，通过获取具有明显空时纹理的高分辨海杂波数据，减小仿真数据与实测海杂波之间的差异。实现步骤为：设置待仿真高分辨海杂波的基本参数；获取待仿真高分辨海杂波的初始纹理矩阵；为初始纹理矩阵添加时间纹理；为时间纹理矩阵添加空间纹理；获取待仿真高分辨海杂波的初始散斑矩阵；对初始散斑矩阵添加脉间相关性并进行归一化；对归一化迭代矩阵添加多普勒偏移；获取仿真结果。本发明弥补了现有方法对涌浪空时纹理结构仿真结果的幅度起伏和空间相关性与实测海杂波对应特性相差较大的缺点，并且利用一阶自回归模型为脉冲序列添加相关性，可以更方便地控制待仿真高分辨海杂波的脉间去相关时间。

Description

一种高分辨海杂波的仿真方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，涉及一种雷达回波仿真方法，具体涉及一种高分辨海杂波数据仿真方法，可用于优化雷达目标检测算法和评估雷达性能。

背景技术

海杂波作为雷达照射到海面目标时的背景回波信号，其物理机理复杂，影响因素众多，且非高斯、非平稳特性显著，严重影响了雷达的目标信号检测性能。对于早期雷达，由于硬件性能限制，雷达的距离分辨率较低，雷达回波分辨单元面积远大于海面散射体结构的面积，所以在一个回波分辨单元中含有大量的海面散射结构。根据中心极限定理，低分辨雷达回波幅度近似服从高斯分布，相位近似服从均匀分布。随着硬件技术的发展，高分辨雷达已广泛应用到海面目标检测、海上搜救、海洋遥感等领域。对于高分辨雷达，其分辨单元的面积与海面散射体结构的面积相近，所以回波的幅度分布具有很强的非高斯性，频谱具有明显的偏移中心。利用传统方法仿真的海杂波数据已无法满足应用需要。因此，通过对高分辨海杂波建立合适的仿真模型，在优化雷达目标检测算法和评估雷达性能等应用中有重要意义，并且在雷达系统设计方面有着重要的指导作用。

海杂波的仿真在对海雷达信号检测中具有重要的地位。研究者最初对海杂波的仿真是采用Monte-Carlo法产生具有一定概率密度分布函数的随机序列。经典的海杂波幅度概率密度分布模型有瑞利分布、对数正态分布、韦布尔分布以及K分布。但是利用上述方法产生的随机序列均属白噪声序列，而实际遇到的海杂波不仅具有幅度上的统计分布特性，同时又满足某种相关性，在将上述仿真结果应用到雷达目标检测等方面时，存在相关性失真现象的上述仿真数据将造成严重的检测算法失配。因此，为了使仿真的数据同时满足某种特定相关特性和幅度分布特性，当前比较有代表性的方法有球不变随机过程法和零记忆非线性变换法，还有一种极少用的随机微分方程法。然而这些从统计理论出发的海杂波幅度统计模型是一种经验模型，未能考虑到雷达的实际分辨率条件以及海况条件，不能根据实际雷达系统的工作环境对待仿真杂波的特性进行控制。所以需要针对具体的雷达分辨率和海况参数进行海杂波仿真，从而研究雷达检测算法实际应用性能。

例如，申请公布号为CN104318593A,名称为“一种雷达海杂波的仿真方法和系统”的专利申请，公开了一种雷达海杂波的仿真方法。该发明通过生成复合K分布模型的随机序列，将所生成的随机序列通过一个空间相关性滤波器，生成具有空间相关特性的随机序列，对具有空间相关特性的随机序列进行Kai分布功率调制，得到海杂波空间图像。该发明以SIRV法为基本框架，利用经验函数得到空间相关性滤波器，并通过该滤波器实现了对海杂波仿真数据空间相关性的添加。但是，该发明通过相关性滤波器添加空间相关性，所生成海杂波的涌浪结构的空时纹理结构幅度起伏不明显，与实测高分辨海杂波的纹理结构在幅度起伏上具有明显差异。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种高分辨海杂波的仿真方法，通过获取具有明显空时纹理的高分辨海杂波数据，减小仿真数据与实测海杂波之间的差异。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

(1)设置待仿真高分辨海杂波的基本参数：

设置待仿真高分辨海杂波脉冲维的大小为n，距离维的大小为r，涌浪在某一固定点起伏的平均时间周期为T_s，涌浪在某一固定时间上相邻波峰间的平均距离为L_s，雷达脉冲重复周期为△T，距离分辨单元长度为△r，雷达回波波长为λ，形状参数为v，尺度参数为b，涌浪运动方向与雷达回波方向的夹角为脉间相关性迭代系数为ρ，其中，n≥2,n∈N^*，r≥2,r∈N^*，N^*表示正整数，v≥0,v∈R^*，b≥0,b∈R^*，R^*表示正实数；

(2)获取待仿真高分辨海杂波的初始纹理矩阵V(n,r)：

(2a)将待仿真高分辨海杂波的脉冲维的大小n、距离维的大小r、形状参数v和尺度参数b作为MATLAB软件中函数Gamrnd(·)的输入，得到Gamma矩阵

其中，表示Gamma矩阵中第x个脉冲第y个距离单元上的元素，且服从独立同分布的参数为(v,b)的Gamma分布，x∈[1,n]，y∈[1,r]；

(2b)对Gamma矩阵中的每个元素取倒数，得到待仿真高分辨海杂波的初始纹理矩阵V(n,r)：

其中，v_x,y表示初始纹理矩阵V(n,r)中第x个脉冲第y个距离单元上的元素，且v_x,y服从独立同分布的参数为(v,b)的逆Gamma分布，x∈[1,n]，y∈[1,r]；

(3)为初始纹理矩阵V(n,r)添加时间纹理：

(3a)将待仿真高分辨海杂波的初始纹理矩阵V(n,r)的每个距离单元上的所有脉冲时间序列v_·,y的前[n/N_T]·N_T个脉冲划分为长度为N_T的脉冲块，若n>[n/N_T]·N_T，则将剩余的n-[n/N_T]·N_T个脉冲也作为一个脉冲块；

(3b)对每个脉冲块内的前[N_T/2]个数据进行升序排列，若脉冲块内数据量小于等于[N_T/2]，则对脉冲块内所有数据进行升序排列，若脉冲块的长度大于[N_T/2]，则对脉冲块内剩余数据进行降序排列，得到待仿真高分辨海杂波的时间纹理矩阵

其中，[·]表示取整运算；

(4)为时间纹理矩阵添加空间纹理：

将时间纹理矩阵中第y个距离单元的所有脉冲相对于第y-1个距离单元的所有脉冲沿脉冲维减小的方向移动N_r个脉冲，得到待仿真高分辨海杂波的空时纹理矩阵τ(n,r)：

其中，

(5)获取待仿真高分辨海杂波的初始散斑矩阵w(n,r)：

将待仿真高分辨海杂波的参数n和r作为MATLAB软件中函数randn(·)的输入，得到待仿真高分辨海杂波的初始散斑矩阵w(n,r)：

其中，i表示虚数单位，p_x,y和q_x,y表示初始散斑矩阵w(n,r)中第x个脉冲第y个距离单元上元素的实部和虚部，且p_x,y和q_x,y服从独立同分布的零均值单位方差的高斯分布，x∈[1,n]，y∈[1,r]；

(6)对初始散斑矩阵w(n,r)添加脉间相关性并进行归一化：

(6a)利用待仿真高分辨海杂波的初始散斑矩阵w(n,r)和待仿真高分辨海杂波的脉间相关性迭代系数ρ，计算具有脉间相关性的待仿真高分辨海杂波的迭代矩阵X(n,r)：

X(n,r)＝ρX(n-1,r)+w(n,r)

(6b)利用待仿真高分辨海杂波的脉间相关性迭代系数ρ和迭代矩阵X(n,r)，计算归一化迭代矩阵

(7)对归一化迭代矩阵添加多普勒偏移：

利用多普勒偏移f_d和归一化迭代矩阵计算待仿真高分辨海杂波的散斑矩阵u(n,r)：

(8)获取仿真结果：

利用空时纹理矩阵τ(n,r)和散斑矩阵u(n,r)，计算高分辨海杂波矩阵c(n,r)。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1)由于本发明在获取待仿真高分辨海杂波纹理矩阵时，是利用涌浪的持续时间和空间长度信息对初始纹理矩阵进行周期性起伏和移位处理实现的，与现有技术采用的空间滤波器法相比，仿真得到的海杂波数据幅度中的空时纹理显示效果和空间上的周期性相关现象与实测数据更相符。

2)由于本发明利用一阶自回归模型为海杂波仿真数据的散斑分量添加脉间相关性，与现有方法中利用时间相关矩阵添加脉间相关性的方式相比，可以更方便地利用脉间相关性迭代系数控制待仿真高分辨海杂波的脉冲去相关时间。

3)由于本发明利用排序操作在脉冲维进行操作，与现有方法中利用只取定值的方式相比，可以保证在相干处理间隔内，所处理脉冲串可建模为球不变随机过程，而在长脉冲处理间隔中，所处理的脉冲串所服从的模型也可退化为复合高斯模型，便于后期目标检测算法的设计。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为本发明和现有技术对实测高分辨海杂波的幅度仿真对比图；

图3为本发明和现有技术对实测高分辨海杂波的空间相关性仿真对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：

参照图1，一种高分辨海杂波的仿真方法，包括如下步骤：

步骤(1)，设置待仿真高分辨海杂波的基本参数如下：

设置待仿真高分辨海杂波脉冲维的大小为n＝256，距离维的大小为r＝128，涌浪在某一固定点起伏的平均时间周期为T_s＝10s，涌浪在某一固定时间上相邻波峰间的平均距离为L_s＝50m，雷达脉冲重复周期为△T＝0.001s，距离分辨单元长度为△r＝1m，雷达回波波长为λ＝0.03m，形状参数为v＝2，尺度参数为b＝1，涌浪运动方向与雷达回波方向的夹角为脉间相关性迭代系数为ρ＝0.9。

步骤(2)，获取待仿真高分辨海杂波的初始纹理矩阵V(n,r)。

(2a)将待仿真高分辨海杂波的脉冲维的大小n、距离维的大小r、形状参数v和尺度参数b作为MATLAB软件中函数Gamrnd(·)的输入，得到Gamma矩阵

其中，表示Gamma矩阵中第x个脉冲第y个距离单元上的元素，且服从独立同分布的参数为(v,b)的Gamma分布，x∈[1,n]，y∈[1,r]。

(2b)对Gamma矩阵中的每个元素取倒数，得到待仿真高分辨海杂波的初始纹理矩阵V(n,r)：

其中，v_x,y表示初始纹理矩阵V(n,r)中第x个脉冲第y个距离单元上的元素，且v_x,y服从独立同分布的参数为(v,b)的逆Gamma分布，x∈[1,n]，y∈[1,r]。

步骤(3)，为初始纹理矩阵V(n,r)添加时间纹理。

(3a)将待仿真高分辨海杂波的初始纹理矩阵V(n,r)的每个距离单元上的所有脉冲时间序列v_·,y的前[n/N_T]·N_T个脉冲划分为长度为N_T的脉冲块，若n>[n/N_T]·N_T，则将剩余的n-[n/N_T]·N_T个脉冲也作为一个脉冲块，脉冲块长度N_T的计算公式为：

(3b)对每个脉冲块内的前[N_T/2]个数据进行升序排列，若脉冲块内数据量小于等于[N_T/2]，则对脉冲块内所有数据进行升序排列，若脉冲块的长度大于[N_T/2]，则对脉冲块内剩余数据进行降序排列，得到待仿真高分辨海杂波的时间纹理矩阵

其中，[·]表示向下取整运算，利用脉内重排的方法为待仿真高分辨海杂波的每个距离单元上的脉冲添加周期性起伏。

步骤(4)，为时间纹理矩阵添加空间纹理。

(4a)利用待仿真高分辨海杂波中涌浪在某一固定点起伏的平均时间周期T_s，涌浪在某一固定时间上相邻波峰间的平均距离L_s，雷达脉冲重复周期△T，距离分辨单元长度△r和涌浪运动方向与雷达回波方向的夹角计算相邻距离维间由于涌浪运动造成的脉冲偏移量N_r：

(4b)将时间纹理矩阵中第y个距离单元的所有脉冲相对于第y-1个距离单元的所有脉冲沿脉冲维减小的方向移动N_r个脉冲，得到待仿真高分辨海杂波的空时纹理矩阵τ(n,r)：

其中，空时纹理矩阵τ(n,r)主要用于控制待仿真高分辨海杂波由于大尺度的涌浪纹理结构造成的幅度起伏、空间相关性以及涌浪的位移速度。

步骤(5)获取待仿真高分辨海杂波的初始散斑矩阵w(n,r)：

将待仿真高分辨海杂波的参数n和r作为MATLAB软件中函数randn(·)的输入，得到待仿真高分辨海杂波的初始散斑矩阵w(n,r)：

其中，i表示虚数单位，p_x,y和q_x,y表示初始散斑矩阵w(n,r)中第x个脉冲第y个距离单元上元素的实部和虚部，且p_x,y和q_x,y服从独立同分布的零均值单位方差的高斯分布，x∈[1,n]，y∈[1,r]。

步骤(6)对初始散斑矩阵w(n,r)添加脉间相关性并进行归一化：

(6a)根据一阶自回归模型，利用待仿真高分辨海杂波的初始散斑矩阵w(n,r)和待仿真高分辨海杂波的脉间相关性迭代系数ρ，计算具有脉间相关性的待仿真高分辨海杂波的迭代矩阵X(n,r)：

X(n,r)＝ρX(n-1,r)+w(n,r)

其中，脉间相关性迭代系数ρ与待仿真高分辨海杂波去相关时间τ的关系是：e表示自然常数，通过调整脉间相关性迭代系数ρ可以控制待仿真高分辨海杂波的去相关时间τ；

(6b)利用待仿真高分辨海杂波的脉间相关性迭代系数ρ和一阶自回归模型原理，计算迭代矩阵X(n,r)所代表的海杂波散斑成分的平均功率P_X：

(6b)利用待仿真高分辨海杂波的迭代矩阵X(n,r)和平均功率P_X，计算归一化迭代矩阵

其中，cons表示自回归模型中迭代初期的暂态响应长度，一般取cons>1000。

步骤(7)对归一化迭代矩阵添加多普勒偏移：

(7a)利用待仿真高分辨海杂波的涌浪在某一固定点起伏的平均时间周期T_s，涌浪在某一固定时间上相邻波峰间的平均距离L_s，涌浪运动方向与雷达回波方向的夹角和待仿真高分辨海杂波的雷达回波波长λ，计算多普勒偏移f_d：

(7b)利用多普勒偏移f_d和归一化迭代矩阵计算待仿真高分辨海杂波的散斑矩阵u(n,r)：

其中，散斑矩阵u(n,r)用于控制待仿真高分辨海杂波的时间相关性以及多普勒速度等频域信息。

步骤(8)获取仿真结果：

利用空时纹理矩阵τ(n,r)和散斑矩阵u(n,r)，计算高分辨海杂波矩阵c(n,r)：

基于步骤1到步骤8，实现了具有空时纹理结构的高分辨海杂波数据的仿真。

下面结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明。

1.仿真条件和内容：

仿真条件：MATLAB R2017a，Intel(R)Core(TM)i5 6300HQ CPU 2.30GHz，Windows10(Home)。

实测数据来自南非西海岸的Fynmeet雷达，该雷达安置在海拔67m的山上，工作在小擦地角的驻留模式下，载频6.9GHz，距离分辨率15m，雷达脉冲重复频率2.5kHz，VV极化，使用的数据编号为TFC15_015.mat。

仿真内容：利用本发明、现有的SIRV方法对实测高分辨海杂波空时纹理幅度变化和空间相关性进行对比仿真，其结果如图2和图3所示。

2.仿真结果分析：

参考图2，其中：

图2(a)表示实测海杂波的空时纹理幅度变化图；

图2(b)表示采用本发明得到的高分辨海杂波幅度的仿真结果；

图2(c)表示采用现有SIRV方法得到的高分辨海杂波幅度的仿真结果。

图2中三幅子图的横轴表示距离维，纵轴表示脉冲维。从图2中可以看出，采用本发明得到的高分辨海杂波仿真结果与现有SIRV方法相比，在幅度上具有明显的空时纹理起伏效果，与实测数据空时纹理的幅度起伏更相近。

参考图3，其中：

图3(a)表示实测海杂波的空间相关性曲线；

图3(b)表示采用本发明得到的高分辨海杂波空间相关性曲线的仿真结果；

图3(c)表示采用现有SIRV方法得到的高分辨海杂波空间相关性曲线仿真结果。

图3中三幅子图的横轴表示距离，纵轴表示相关性。从图3中可以看出，采用本发明得到的高分辨海杂波仿真结果与现有SIRV方法相比，在空间相关性上具有明显的周期性起伏，与实测数据的空间相关性曲线变化趋势更相近。

综上所述，本发明提出的一种高分辨海杂波的仿真方法，与现有方法相比能够更有效仿真高分辨海杂波的空时纹理特性，一方面本发明通过脉内重排和脉冲偏移的方法可以有效解决现有方法对涌浪的空时纹理的幅度起伏特性仿真效果差的问题；另一方面本发明的高分辨海杂波仿真结果相对于现有方法在空间相关性上具有更明显的周期性起伏，与实际海面涌浪结构对雷达回波造成的空间周期性影响相符。

Claims (4)

1.一种高分辨海杂波的仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)设置待仿真高分辨海杂波的基本参数：

设置待仿真高分辨海杂波脉冲维的大小为n，距离维的大小为r，涌浪在某一固定点起伏的平均时间周期为T_s，涌浪在某一固定时间上相邻波峰间的平均距离为L_s，雷达脉冲重复周期为△T，距离分辨单元长度为△r，雷达回波波长为λ，形状参数为v，尺度参数为b，涌浪运动方向与雷达回波方向的夹角为脉间相关性迭代系数为ρ，其中，n≥2,n∈N^*，r≥2,r∈N^*，N^*表示正整数，v≥0,v∈R^*，b≥0,b∈R^*，R^*表示正实数；

(2)获取待仿真高分辨海杂波的初始纹理矩阵V(n,r)：

(2a)将待仿真高分辨海杂波的脉冲维的大小n、距离维的大小r、形状参数v和尺度参数b作为MATLAB软件中函数Gamrnd(·)的输入，得到Gamma矩阵

其中，表示Gamma矩阵中第x个脉冲第y个距离单元上的元素，且服从独立同分布的参数为(v,b)的Gamma分布，x∈[1,n]，y∈[1,r]；

(2b)对Gamma矩阵中的每个元素取倒数，得到待仿真高分辨海杂波的初始纹理矩阵V(n,r)：

其中，v_x,y表示初始纹理矩阵V(n,r)中第x个脉冲第y个距离单元上的元素，且v_x,y服从独立同分布的参数为(v,b)的逆Gamma分布，x∈[1,n]，y∈[1,r]；

(3)为初始纹理矩阵V(n,r)添加时间纹理：

(3a)将待仿真高分辨海杂波的初始纹理矩阵V(n,r)的每个距离单元上的所有脉冲时间序列v_·,y的前[n/N_T]·N_T个脉冲划分为长度为N_T的脉冲块，若n>[n/N_T]·N_T，则将剩余的n-[n/N_T]·N_T个脉冲也作为一个脉冲块；

(3b)对每个脉冲块内的前[N_T/2]个数据进行升序排列，若脉冲块内数据量小于等于[N_T/2]，则对脉冲块内所有数据进行升序排列，若脉冲块的长度大于[N_T/2]，则对脉冲块内剩余数据进行降序排列，得到待仿真高分辨海杂波的时间纹理矩阵：

其中，[·]表示取整运算；

(4)为时间纹理矩阵添加空间纹理：

将时间纹理矩阵中第y个距离单元的所有脉冲相对于第y-1个距离单元的所有脉冲沿脉冲维减小的方向移动N_r个脉冲，得到待仿真高分辨海杂波的空时纹理矩阵τ(n,r)：

其中，

(5)获取待仿真高分辨海杂波的初始散斑矩阵w(n,r)：

将待仿真高分辨海杂波的参数n和r作为MATLAB软件中函数randn(·)的输入，得到待仿真高分辨海杂波的初始散斑矩阵w(n,r)：

其中，i表示虚数单位，p_x,y和q_x,y表示初始散斑矩阵w(n,r)中第x个脉冲第y个距离单元上元素的实部和虚部，且p_x,y和q_x,y服从独立同分布的零均值单位方差的高斯分布，x∈[1,n]，y∈[1,r]；

(6)对初始散斑矩阵w(n,r)添加脉间相关性并进行归一化：

(6a)利用待仿真高分辨海杂波的初始散斑矩阵w(n,r)和待仿真高分辨海杂波的脉间相关性迭代系数ρ，计算具有脉间相关性的待仿真高分辨海杂波的迭代矩阵X(n,r)：

X(n,r)＝ρX(n-1,r)+w(n,r)

(6b)利用待仿真高分辨海杂波的脉间相关性迭代系数ρ和迭代矩阵X(n,r)，计算归一化迭代矩阵

(7)对归一化迭代矩阵添加多普勒偏移：

利用多普勒偏移f_d和归一化迭代矩阵计算待仿真高分辨海杂波的散斑矩阵u(n,r)：

(8)获取仿真结果：

利用空时纹理矩阵τ(n,r)和散斑矩阵u(n,r)，计算高分辨海杂波矩阵c(n,r)。

2.根据权利要求1所述的一种高分辨海杂波的仿真方法，其特征在于，步骤(3a)中所述的长度为N_T的脉冲块，N_T的计算公式为：

其中，△T表示待仿真高分辨海杂波的雷达脉冲重复周期，T_s表示涌浪在某一固定点起伏的平均时间周期。

3.根据权利要求1所述的一种高分辨海杂波的仿真方法，其特征在于，步骤(7)中所述的多普勒偏移f_d，其计算公式为：

其中，T_s表示待仿真高分辨海杂波中涌浪在某一固定点起伏的平均时间周期，L_s表示涌浪在某一固定时间上相邻波峰间的平均距离，表示涌浪运动方向与雷达回波方向的夹角，λ表示待仿真高分辨海杂波的雷达回波波长。

4.根据权利要求1所述的一种高分辨海杂波的仿真方法，其特征在于，步骤(8)中所述的高分辨海杂波矩阵c(n,r)，其计算公式为：

其中，τ(n,r)表示待仿真高分辨海杂波的空时纹理矩阵，u(n,r)表示待仿真高分辨海杂波的散斑矩阵。