CN109633580A - 一种考虑地形高度的天基雷达杂波仿真方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种考虑地形高度的天基雷达杂波仿真方法及装置，通过天基雷达作用距离与地球高程，剔除异常点，然后采用迭代计算方法，生成适用于仿真任意轨道的天基雷达等距离杂波的回波。本发明虑了地球球体模型和地球自转的影响；可以用于天基雷达杂波的仿真、天基雷达二维杂波谱仿真、天基雷达杂波抑制方法评估，也可以用于天基雷达轨道设计等。

Description

一种考虑地形高度的天基雷达杂波仿真方法及装置

技术领域

本发明涉及一种考虑地形高度的天基雷达杂波仿真方法及装置，属于雷达仿真技术领域。

背景技术

在天基雷达的研究中，杂波抑制是其最重要的关键技术之一，而杂波的建模与仿真是杂波特性分析的基础，也是杂波抑制方法研究与验证的手段。由于天基雷达轨道高度高，地球不能再按照平面模型的假设，并且地球自转的影响也不能忽略，会引入额外的多普勒频率，并且随着轨道高度的升高，这种影响也越来越明显。因此，必须研究适合于天基雷达的杂波仿真方法。

雷达系统的信号处理，通常都是先进行距离维的脉冲压缩，将回波按距离单元进行划分，然后进行杂波抑制。因此，在对杂波抑制算法进行研究与验证时，需要能够产生出相应的距离环的杂波回波。现有文献对天基雷达等距离环杂波的仿真时不考虑地形的高程信息，即假设高程为零。但实际中，大部分地区都不是海拔为零，而是具有一定的高度，杂波对应的地表在具有一定高度后将影响其到达雷达的斜距。因此，在进行等距离环杂波仿真时，必须考虑实际的地表高程。

目前为止，从国内外公开渠道上查到文献看，有文献研究了天基雷达空时二维杂波的建模和仿真方法，给出了空时杂波回波仿真公式，并讨论了杂波单元的划分、径向速和地面位置的计算等，但是其计算是假设卫星轨道为圆轨道，即偏心率为零时的情况，并不能推广的椭圆轨道；有文献计算了等距离环的位置，但是在假设场景为平面的条件下；有文献考虑了地球自转的影响以及距离模糊和多普勒模糊等因素，但是并不能得到距离环的地面位置；有文献研究了天基雷达由于地球自转使地杂波产生严重的多普勒频移问题，以及轨道高度的影响；有文献给出了等效地球模型时杂波等距离环上多普勒频率的计算方法，但是没有给出等距离环的位置如何计算；还有文献给出了低轨卫星的在地面的等距离线与等多普勒线，但是其计算是假设卫星运行于赤道上空时，并不适用于卫星于轨道任意位置的情况。有考虑了地球球体模型以及地球自转，给出了一种等距离杂波环的回波的仿真方法。但以上文献都没有考虑地形的高程信息进行杂波仿真。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种考虑地形高度的天基雷达杂波仿真方法及装置，通过天基雷达作用距离与地球高程，剔除异常点，然后采用迭代计算方法，生成适用于仿真任意轨道的天基雷达等距离杂波的回波。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种考虑地形高度的天基雷达杂波仿真方法，包括如下步骤：

步骤一、预设地球表面的高程为零；

步骤二、计算地球表面与天基雷达的距离相等的等距离环的坐标；然后根据天基雷达的距离分辨率和所述等距离环的坐标，获取初步杂波带内的所有坐标；然后基于所述初步杂波带内的所有坐标对应的实际高程，将初步杂波带内的异常坐标剔除后获得过程杂波带；

步骤三、预设高程搜索步长或搜索次数，在预设最大高程和预设最小高程之间重复步骤二；然后将步骤二中所有的过程杂波带作为最终杂波带；

步骤四、计算步骤三中最终杂波带内所有坐标点的多普勒频率、散射功率，获得最终杂波带内所有坐标点的回波。

上述考虑地形高度的天基雷达杂波仿真方法，在所述步骤三和所述步骤四之间，将最终杂波带内所有坐标点从地球固连坐标系系变换到地球惯性坐标。

上述考虑地形高度的天基雷达杂波仿真方法，步骤四最终杂波带内任一坐标点p_i的多普勒频率f_d,i为：

式中，v_ECF,i为坐标点p_i相对于天基雷达的速度；λ为天基雷达的载波频率。

上述考虑地形高度的天基雷达杂波仿真方法，步骤四最终杂波带内任一坐标点p_i的散射功率P_i为：

式中，P_t为天基雷达的发射峰值功率；为天线在p_i点的发射方向图；为天线在p_i点的接收方向图；θ_i为p_i点的俯仰角；为p_i点的方位角；λ为天基雷达的载波频率；σ₀为单位面积的杂波散射截面积；A_ci为雷达杂波单元的面积；π为圆周率；R为等距离环所表示的杂波到天基雷达的距离；L为雷达系统损耗。

上述考虑地形高度的天基雷达杂波仿真方法，步骤四最终杂波带内与天基雷达距离为R的等距离环的杂波回波r_k(t)为：

式中，t为时间；i为坐标点序号；K′为最终杂波带内与天基雷达距离为R的等距离环内的所有坐标点的个数；a_ki为幅度起伏系数；P_i为p_i点的散射功率；s(t)为雷达发射信号；c为光速；j为虚部单元；f_d,i为p_i点的多普勒频率；π为圆周率；k为脉冲序号；T_r为脉冲重复周期。

一种考虑地形高度的天基雷达杂波仿真装置，包括杂波带计算模块、迭代模块、杂波回波仿真模块；

所述杂波带计算模块用于计算地球表面与天基雷达的距离相等的等距离环的坐标；然后根据天基雷达的距离分辨率和所述等距离环的坐标，获取初步杂波带内的所有坐标；然后基于所述初步杂波带内的所有坐标对应的实际高程，将初步杂波带内的异常坐标剔除后获得过程杂波带；杂波带计算模块将所述过程杂波带发送给所述杂波回波仿真模块；

所述迭代模块用于预设最大高程和最小高程，预设高程搜索步长或搜索次数，然后将高程发送给所述杂波带计算模块；

所述杂波回波仿真模块利用所述杂波带计算模块发送的所有过程杂波带生成最终杂波带，然后计算最终杂波带内所有坐标点的多普勒频率、散射功率，获得最终杂波带内所有坐标点的回波。

上述考虑地形高度的天基雷达杂波仿真装置，所述杂波回波仿真模块将最终杂波带内所有坐标点从地球固连坐标系系变换到地球惯性坐标。

上述考虑地形高度的天基雷达杂波仿真装置，所述最终杂波带内任一坐标点p_i的多普勒频率f_d,i为：

式中，v_ECF,i为坐标点p_i相对于天基雷达的速度；λ为天基雷达的载波频率。

上述考虑地形高度的天基雷达杂波仿真装置，所述最终杂波带内任一坐标点p_i的散射功率P_i为：

式中，P_t为天基雷达的发射峰值功率；为天线在p_i点的发射方向图；为天线在p_i点的接收方向图；θ_i为p_i点的俯仰角；为p_i点的方位角；λ为天基雷达的载波频率；σ₀为单位面积的杂波散射截面积；A_ci为雷达杂波单元的面积；π为圆周率；R为等距离环所表示的杂波到天基雷达的距离L为雷达系统损耗。

上述考虑地形高度的天基雷达杂波仿真装置，所述最终杂波带内与天基雷达距离为R的等距离环的回波r_k(t)为：

式中，t为时间；i为坐标点序号；K′为最终杂波带内与天基雷达距离为R的等距离环内的所有坐标点的个数；a_ki为幅度起伏系数；P_i为p_i点的散射功率；s(t)为雷达发射信号；c为光速；j为虚部单元；f_d,i为p_i点的多普勒频率；π为圆周率；k为脉冲序号；T_r为脉冲重复周期。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明能够真任意轨道的考虑地形高度的天基雷达等距离杂波的回波；

(2)本发明在考虑地形高度的条件下，可以用于计算任意轨道的天基雷达等距离杂波在地球表面的地理位置；

(3)本发明虑了地球球体模型和地球自转的影响；可以用于天基雷达杂波的仿真，天基雷达二维杂波谱仿真，天基雷达杂波抑制方法评估，也可以用于天基雷达轨道设计等。

附图说明

图1为本发明实施例杂波仿真方法步骤流程图；

图2为本发明实施例杂波计算几何示意图；

图3为本发明实施例地球表面存在高程差的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

一种考虑地形高度的天基雷达杂波仿真方法，包括如下步骤：

步骤一、预设地球表面的高程为零。

步骤二、计算地球表面与天基雷达的距离相等的等距离环的坐标；然后根据天基雷达的距离分辨率和所述等距离环的坐标，获取初步杂波带内的所有坐标；然后基于所述初步杂波带内的所有坐标对应的实际高程，将初步杂波带内的异常坐标剔除后获得过程杂波带。

步骤三、预设高程搜索步长或搜索次数，在预设最大高程和预设最小高程之间重复步骤二；然后将步骤二中所有的过程杂波带作为最终杂波带。

步骤四、将最终杂波带内所有坐标点从地球固连坐标系系变换到地球惯性坐标。

步骤五、计算步骤四中最终杂波带内所有坐标点的多普勒频率、散射功率，获得最终杂波带内所有坐标点的回波。

最终杂波带内任一坐标点p_i的多普勒频率f_d,i为：

式中，v_ECF,i为坐标点p_i相对于天基雷达的速度；λ为天基雷达的载波频率。

最终杂波带内任一坐标点p_i的散射功率P_i为：

式中，P_t为天基雷达的发射峰值功率；为天线在p_i点的发射方向图；为天线在p_i点的接收方向图；θ_i为p_i点的俯仰角；为p_i点的方位角；λ为天基雷达的载波频率；σ₀为单位面积的杂波散射截面积；A_ci为雷达杂波单元的面积；π为圆周率；R为等距离环所表示的杂波到天基雷达的距离；L为雷达系统损耗。

最终杂波带内与天基雷达距离为R的等距离环的杂波回波r_k(t)为：

式中，t为时间；i为坐标点序号；K′为最终杂波带内与天基雷达距离为R的等距离环内的所有坐标点的个数；a_ki为幅度起伏系数；P_i为p_i点的散射功率；s(t)为雷达发射信号；c为光速；j为虚部单元；f_d,i为p_i点的多普勒频率；π为圆周率；k为脉冲序号；T_r为脉冲重复周期。

一种考虑地形高度的天基雷达杂波仿真装置，包括杂波带计算模块、迭代模块、杂波回波仿真模块；

所述杂波带计算模块用于计算地球表面与天基雷达的距离相等的等距离环的坐标；然后根据天基雷达的距离分辨率和所述等距离环的坐标，获取初步杂波带内的所有坐标；然后基于所述初步杂波带内的所有坐标对应的实际高程，将初步杂波带内的异常坐标剔除后获得过程杂波带；杂波带计算模块将所述过程杂波带发送给所述杂波回波仿真模块；

所述迭代模块用于预设最大高程和最小高程，预设高程搜索步长或搜索次数，然后将高程发送给所述杂波带计算模块；

所述杂波回波仿真模块利用所述杂波带计算模块发送的所有过程杂波带生成最终杂波带，所述杂波回波仿真模块将最终杂波带内所有坐标点从地球固连坐标系系变换到地球惯性坐标，然后计算最终杂波带内所有坐标点的多普勒频率、散射功率，获得最终杂波带内所有坐标点的回波。

所述最终杂波带内任一坐标点p_i的多普勒频率f_d,i为：

式中，v_ECF,i为坐标点p_i相对于天基雷达的速度；λ为天基雷达的载波频率。

所述最终杂波带内任一坐标点p_i的散射功率P_i为：

式中，P_t为天基雷达的发射峰值功率；为天线在p_i点的发射方向图；为天线在p_i点的接收方向图；θ_i为p_i点的俯仰角；为p_i点的方位角；λ为天基雷达的载波频率；σ₀为单位面积的杂波散射截面积；A_ci为雷达杂波单元的面积；π为圆周率；R为等距离环所表示的杂波到天基雷达的距离L为雷达系统损耗。

所述最终杂波带内与天基雷达距离为R的等距离环的回波r_k(t)为：

式中，t为时间；i为坐标点序号；K′为最终杂波带内与天基雷达距离为R的等距离环内的所有坐标点的个数；a_ki为幅度起伏系数；P_i为p_i点的散射功率；s(t)为雷达发射信号；c为光速；j为虚部单元；f_d,i为p_i点的多普勒频率；π为圆周率；k为脉冲序号；T_r为脉冲重复周期。

实施例：

本发明的实施例在获得杂波区域的高程信息的条件下，给定所要仿真的杂波距离R，分别计算不同高度时距离雷达为给定距离R的杂波点的经纬度，和该杂波点的实际高程进行对比，判断该杂波点到雷达的距离是否在距离R的距离单元内。在获得所有距离雷达的距离为R的杂波点的经纬度后，进而可以计算出该杂波环上杂波点的多普勒频率；通过坐标变换得到杂波点在天线坐标系下的坐标，从而计算出杂波点的天线增益；最后，考虑雷达方程的影响，获得杂波回波的计算方法，如图1所示。

具体的，

(1)计算不考虑高程信息(假设高程为零)时的等距离环坐标，如图2所示。

假设已经获得所需仿真的地球表面的经纬度的范围以及不同经纬度的高程，该经纬度范围内的高程范围为[H_min，H_max]。

假设坐标系为地球惯性坐标系(ECI)，坐标原点O为地心，XOY平面位于赤道平面，X轴指向春分点，Z轴为地球自转角速度方向。地球半径为R_e。雷达卫星沿轨道运行，假设雷达卫星在某一时刻t运行至处，雷达卫星在ECI下的坐标和速度可以由卫星的轨道六根数得到，也可以由STK仿真软件得到。S′为S在XOY平面的投影。等距离杂波环距雷达的距离为R。以雷达为原点，半径为R的等距离球面与地球在地表的交线为圆ABC，即为所感性趣的距离环，A为圆心。

通过现有的计算等距离杂波的计算方法，得到以角度划分参数ε的等距离圆环ABC上的杂波点的位置为:

将其转换到地固坐标系下为:

其中，E_oi为地惯坐标系到地固坐标系的转换矩阵。由此可以得到，该杂波点的经度L和纬度B分别为：

设等距离杂波环沿方位向均匀的划分为Nc个杂波单元；可以将等距离环上的杂波位置表示离散化为(L_i，B_i)，i＝1,2,…Nc。

定义到雷达距离为R的杂波点的坐标的集合K，K中的点用(L，B，h)表示，L表示经度，B表示纬度，h表示高程。将前面得到的该距离环上的N_c个杂波点归于集合K，即(L_i，B_i，0)∈K，i＝1,2，…Nc。

(2)根据系统距离分辨力和等距离环上的高程信息，去掉不属于该距离的杂波点。

根据发射信号带宽B可以得到距离分辨力为确定以及所对应的高程h₁以及h₂，其中c为光速。

如图3所示，由余弦定理可以得到

通过分别求解以上两个方程，可以得到

将距离环上的高程h>h₁以及h<-h₂的杂波点标记出来，将其从集合K中去掉，在进行杂波仿真时，不计算这些点的回波。

(3)初始化h_L＝0，h_H＝0以及搜索步长Δh，其中Δh由所给高程中最小的高程差确定

(4)分别更新高度h_L＝h_L-Δh，h_H＝h_H+Δh

(5)分别根据高度h_L和h_H确定距离为R的距离环的经纬度。

计算该经纬度的方法与步骤(1)相似，只需用Re+h_L或Re+h_H代替Re即可；Re为地球半径；

(6)根据系统距离分辨力和等距离环上的高程信息，分别计算高度的边界范围[h_L-h_L2,h_L+h_L1]和[h_H-h_H2,h_H+h_H1],

计算方法与步骤二相似，只需用Re+h_L代替Re，用式(7)计算h_L1，用式(8)计算h_L2；或Re+h_H代替Re，用式(7)计算h_H1，用式(8)计算h_H2；即可；

(7)对h_H+h_H1和h_L-h_L2进行判断，如果h_L--h_L2<H_min或者h_H+h_H1>H_max，则继续下一步；否则，记录该距离环上杂波点的经纬度(L_i，B_i，h)，将h_L-h_L2<h<h_L+h_L1以及h_H-h_H2<h<h_H+h_H1杂波点归于集合K，然后转到第四步；

(8)将所有属于集合K的杂波点(L，B，h)进行坐标变换，变换到ECI下的坐标。

E_oi为由地球惯性坐标系ECI到地球固连坐标系ECF的转换矩阵；

(9)计算集合K中每个杂波点的多普勒频率

在得到等距离杂波环在ECI下的三维坐标后，可以计算出杂波环上某个杂波点p_i在ECI下的速度

v_ci＝[0,0,ω_e]^T×p_i (11)

其中，ω_e＝7.292115×10^-5rad/s，为地球自转的角速度。卫星在ECI下的速度可以由卫星的轨道六根数计算得到或由STK软件得到，假设t时刻卫星的速度矢量为：

结合式(11)和式(12)可以得到地面上等距离杂波点相对于卫星的速度为

由此可以得到杂波点的多普勒频率为

其中，λ为雷达载波频率。

(10)计算集合K中每个杂波点RCS和杂波单元散射功率

根据雷达方程

式中，P_t为天基雷达的发射峰值功率；为天线在p_i点的发射方向图；为天线在p_i点的接收方向图；θ_i为p_i点的俯仰角；为p_i点的方位角；λ为天基雷达的载波频率；σ₀为单位面积的杂波散射截面积；A_ci为雷达杂波单元的面积；π为圆周率；R为等距离环所表示的杂波到天基雷达的距离L为雷达系统损耗。

(a)天线方向图计算

假设在天线坐标系下的坐标为

其中，x_ai,y_ai,z_ai分别表示p_i在天线坐标系下的三轴坐标；E_iv为地惯坐标系到轨道平面坐标系的转换矩阵；E_vr为轨道平面坐标系到卫星平台坐标系的转换矩阵；E_re为卫星平台坐标系到卫星星体坐标系的转换矩阵；E_ea为卫星星体坐标系到天线坐标系的转换矩阵。由此可以得到杂波单元对应的方位角和俯仰角为：

相应的天线收发增益分别为其中θ_ai和分别为方位角和俯仰角。

(b)杂波单元面积A_ci计算

A_ci＝RΔθρ_rsecψ_i (19)

其中，R为等距离杂波环到雷达的距离，Δθ为杂波单元的方位角宽度，ρ_r为雷达系统距离分辨率，ψ_i为擦地角。

(11)杂波回波产生

假设雷达发射信号为s(t)，则雷达接收到的第k个脉冲的等距离环杂波回波r_k(t)可以表示为

式中，t为时间；i为坐标点序号；K′为最终杂波带内与天基雷达距离为R的等距离环内的所有坐标点的个数；a_ki为幅度起伏系数；P_i为pi点的散射功率；s(t)为雷达发射信号；c为光速；j为虚部单元；f_d,i为pi点的多普勒频率；π为圆周率；k为脉冲序号；T_r为脉冲重复周期。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种考虑地形高度的天基雷达杂波仿真方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、预设地球表面的高程为零；

步骤二、计算地球表面与天基雷达的距离相等的等距离环的坐标；然后根据天基雷达的距离分辨率和所述等距离环的坐标，获取初步杂波带内的所有坐标；然后基于所述初步杂波带内的所有坐标对应的实际高程，将初步杂波带内的异常坐标剔除后获得过程杂波带；

步骤三、预设高程搜索步长或搜索次数，在预设最大高程和预设最小高程之间重复步骤二；然后将步骤二中所有的过程杂波带作为最终杂波带；

步骤四、计算步骤三中最终杂波带内所有坐标点的多普勒频率、散射功率，获得最终杂波带内所有坐标点的回波。

2.根据权利要求1所述的一种考虑地形高度的天基雷达杂波仿真方法，其特征在于：在所述步骤三和所述步骤四之间，将最终杂波带内所有坐标点从地球固连坐标系系变换到地球惯性坐标。

3.根据权利要求1所述的一种考虑地形高度的天基雷达杂波仿真方法，其特征在于：步骤四最终杂波带内任一坐标点p_i的多普勒频率f_d,i为：

式中，v_ECF,i为坐标点p_i相对于天基雷达的速度；λ为天基雷达的载波频率。

4.根据权利要求1所述的一种考虑地形高度的天基雷达杂波仿真方法，其特征在于：步骤四最终杂波带内任一坐标点p_i的散射功率P_i为：

式中，P_t为天基雷达的发射峰值功率；为天线在p_i点的发射方向图；为天线在pi点的接收方向图；θ_i为p_i点的俯仰角；为p_i点的方位角；λ为天基雷达的载波频率；σ₀为单位面积的杂波散射截面积；A_ci为雷达杂波单元的面积；π为圆周率；R为等距离环所表示的杂波到天基雷达的距离；L为雷达系统损耗。

5.根据权利要求1所述的一种考虑地形高度的天基雷达杂波仿真方法，其特征在于：步骤四最终杂波带内与天基雷达距离为R的等距离环的杂波回波r_k(t)为：

式中，t为时间；i为坐标点序号；K′为最终杂波带内与天基雷达距离为R的等距离环内的所有坐标点的个数；a_ki为幅度起伏系数；P_i为p_i点的散射功率；s(t)为雷达发射信号；c为光速；j为虚部单元；f_d,i为p_i点的多普勒频率；π为圆周率；k为脉冲序号；T_r为脉冲重复周期。

6.一种考虑地形高度的天基雷达杂波仿真装置，其特征在于：包括杂波带计算模块、迭代模块、杂波回波仿真模块；

所述杂波带计算模块用于计算地球表面与天基雷达的距离相等的等距离环的坐标；然后根据天基雷达的距离分辨率和所述等距离环的坐标，获取初步杂波带内的所有坐标；然后基于所述初步杂波带内的所有坐标对应的实际高程，将初步杂波带内的异常坐标剔除后获得过程杂波带；杂波带计算模块将所述过程杂波带发送给所述杂波回波仿真模块；

所述迭代模块用于预设最大高程和最小高程，预设高程搜索步长或搜索次数，然后将高程发送给所述杂波带计算模块；

所述杂波回波仿真模块利用所述杂波带计算模块发送的所有过程杂波带生成最终杂波带，然后计算最终杂波带内所有坐标点的多普勒频率、散射功率，获得最终杂波带内所有坐标点的回波。

7.根据权利要求6所述的一种考虑地形高度的天基雷达杂波仿真装置，其特征在于：所述杂波回波仿真模块将最终杂波带内所有坐标点从地球固连坐标系系变换到地球惯性坐标。

8.根据权利要求6所述的一种考虑地形高度的天基雷达杂波仿真装置，其特征在于：所述最终杂波带内任一坐标点p_i的多普勒频率f_d,i为：

式中，v_ECF,i为坐标点p_i相对于天基雷达的速度；λ为天基雷达的载波频率。

9.根据权利要求6所述的一种考虑地形高度的天基雷达杂波仿真装置，其特征在于：所述最终杂波带内任一坐标点p_i的散射功率P_i为：

式中，P_t为天基雷达的发射峰值功率；为天线在p_i点的发射方向图；为天线在p_i点的接收方向图；θ_i为p_i点的俯仰角；为p_i点的方位角；λ为天基雷达的载波频率；σ₀为单位面积的杂波散射截面积；A_ci为雷达杂波单元的面积；π为圆周率；R为等距离环所表示的杂波到天基雷达的距离L为雷达系统损耗。

10.根据权利要求6所述的一种考虑地形高度的天基雷达杂波仿真装置，其特征在于：所述最终杂波带内与天基雷达距离为R的等距离环的回波r_k(t)为：

式中，t为时间；i为坐标点序号；K′为最终杂波带内与天基雷达距离为R的等距离环内的所有坐标点的个数；a_ki为幅度起伏系数；P_i为p_i点的散射功率；s(t)为雷达发射信号；c为光速；j为虚部单元；f_d,i为p_i点的多普勒频率；π为圆周率；k为脉冲序号；T_r为脉冲重复周期。