CN109975775A - 一种雷达回波半实测数据仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷达回波半实测数据仿真方法，属于雷达技术领域，半实测仿真是介于纯数字仿真和实物仿真之间的一种仿真方式，能把设计的雷达发射信号植入真实雷达信号回波中。以发射信号为LFM信号的实测雷达数据为例，实测数据无论是目标还是杂波，全部都是LFM信号的回波，全部含有LFM的信息。如果新设计了一种信号，希望把新设计雷达信号植入实测雷达回波中，得到复杂环境下的新的发射信号的回波，从而有利于考察在这种信号体制下，雷达接收模块的信号处理和目标提取性能。可以利用现有的信号实测数据回波，通过本专利提出的方法，完成新设计的信号的半实测雷达回波仿真。

Description

一种雷达回波半实测数据仿真方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，涉及一种雷达回波半实测数据仿真方法，具体地说，涉及一种基于实测数据的雷达回波信号半实测仿真方法。

背景技术

雷达是复杂多变的现代化信息战场及诸多民用领域不可或缺的电子感知系统。雷达回波可描述为以下形式：

x(t)＝s(t)+n(t)+c(t)

x(t)：雷达回波；s(t)：目标回波；n(t)：噪声信号；c(t)：杂波信号

作为雷达系统论证和算法研究的基础，在雷达系统仿真中，常常要进行雷达回波信号仿真。雷达回波仿真能够在雷达系统不完备的情况下，对信号处理系统的算法进行测试与验证，为现代雷达系统的设计、分析和性能评估提供数据支撑，同时有效弥补了实验数据收集困难、覆盖场景不够全面、获取成本高昂，实现周期漫长问题。

雷达波形设计是现代雷达研究领域重要分支，其主要任务是研究或选择某种信号波形，使得雷达回波更有利于携带目标信息的同时降低雷达系统被敌方截获、遭受精确制导火力和反辐射导弹等打击的可能性，从而达到波形隐身的效果。不同的雷达波形，关系到系统的分辨力、杂波抑制能力、抗干扰性能。雷达波形设计是雷达LPI技术的重要措施之一，也是射频隐身的重要内容。随着对雷达信号设计技术研究的不断发展和深入，雷达波形设计已经成为雷达低截获技术及射频隐身的重要内容之一，在雷达系统设计中占有重要的地位。不同形式的信号在很大程度上决定了后续的信号处理算法。

为了满足某种需求设计的雷达信号往往不能很快在实际雷达系统中进行应用，我们需要结合杂波环境，对实际环境下雷达信号回波进行仿真，从而验证雷达波形在整个接收处理过程中的算法，发掘设计的雷达信号的优势，这时，基于设计波形的雷达回波仿真就显得尤为重要。

传统的雷达数据仿真，是根据雷达目标、杂波及噪声的特征，进行数学建模，在数学模型中加入与目标相关的时间延迟、多普勒频移、传播衰减、RCS闪烁、杂波、噪声及干扰等。实际的雷达回波包含的信息一般比较复杂，为其建立准确的数学模型十分困难，很难生成接近于真实复杂环境中的雷达信号。

发明内容

本发明的目的是在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种雷达回波半实测数据仿真方法，半实测仿真是介于纯数字仿真和实物仿真之间的一种仿真方式，能把设计的雷达发射信号植入真实雷达信号回波中。

现役雷达的发射信号多采用线性调频(LFM)信号。基带形式的LFM信号的表达式如下：

式中：

t_b——脉冲持续时间；

k＝B/t_b——调频斜率；

B——信号的带宽；

u(t)——单位阶跃信号。

实测数据无论是目标还是杂波，全部都是LFM信号的回波，全部含有LFM的信息。如果新设计了一种信号，希望考察在这种信号体制下，雷达接收模块的信号处理和目标提取性能，可以利用现有的LFM信号实测数据回波，通过本发明提出的方法，完成新设计的信号的半实测雷达回波仿真。

本发明上述目的通过以下技术方案予以实现：

一种雷达回波半实测数据仿真方法，包括以下步骤：

步骤1、对无目标实测回波数据进行脉冲压缩，令脉压结果为h(t)，脉冲压缩即信号

与匹配滤波器进行卷积，匹配滤波器的冲激响应h_m(t)为信号f_LFM(t)的翻转共轭：

其中，t₀为延时时间。

LFM信号经过脉冲压缩的输出h(t)为：

其中，conv代表卷积运算。

脉冲压缩有效平衡了雷达探测能力和分辨率之间的矛盾，加宽脉冲宽度有利于通过提高平均功率来提高雷达的探测能力，但是脉冲宽度的增加，降低了距离分辨率。在发射端，我们可以用宽脉冲获得更大的探测能力，在接收端，利用脉冲压缩得到窄脉冲，从而保证系统的距离分辨率。

在没有目标的情况下，雷达回波是杂波及噪声的组合，是雷达探测的环境的具体反映，而脉冲压缩的结果实现了把LFM回波信号的宽脉冲变成窄脉冲，脉压后的数据就可以理解为雷达发射窄脉冲去探测环境，这时，就相当于得到了发射窄脉冲探测到的回波数据，如果把雷达探测的环境当做是一个系统，那么这个回波数据可以理解为窄脉冲激励下系统的冲激响应。这个冲激响应包含了环境中杂波的延时，幅度等信息，有效的表征了探测的环境。

步骤2、用设计好的波形f_n(t)与脉冲压缩结果h(t)进行卷积，得到f_n'(t)：

也就是用新的信号作用于环境系统h(t)，卷积输出的结果可以理解为用设计好的信号去作用于环境系统得到的回波数据。

步骤3、产生基于新设计好的波形f_n(t)的目标回波数据f_t(t)，和第2步进行叠加，得到了含有目标的回波数据f_t(t)+f_n'(t)。

步骤4、产生随机噪声n₀(t)，和步骤3产生的信号相叠加，得到雷达回波数据半实测仿真结果f_r(t)：

f_r(t)＝f_t(t)+f_n'(t)+n₀(t)。

f_r(t)即为半实测数据仿真结果。

本发明的优点及有益效果：

本发明利用现有的回波数据，巧妙植入设计波形的信息，把实测回波数据变成基于新设计波形的回波数据，利于雷达系统对于新波形的算法测试和性能分析。该方法通过较为简单的方式把雷达波形植入到实测环境回波数据中，实现了半实测数据的仿真。这种方法，为现代雷达波形的设计、系统性能分析、算法验证和效能评估提供了比传统的数学模型建模仿真更接近真实复杂环境的回波数据，降低研发和验证成本，为雷达系统对于新波形的算法验证及性能分析提供了更真实的数据平台。

附图说明

图1是一个周期实测回波数据；

图2是一个周期真实回波数据；

图3是MCPC信号结构示意图；

图4是新的发射波形下的一个周期半实测环境数据；

图5是10个周期含有目标的半实测回波数据；

图6是10个周期加噪后的含有目标的半实测回波数据；

图7是脉冲压结果；

图8是MTI结果；

图9是MTD结果；

图10是MTD的第24个窄带滤波器输出结果；

图11是检测结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

本发明提出了一种基于实测数据的雷达回波信号半实测仿真方法。半实测仿真是介于纯数字仿真和实物仿真之间的一种仿真方式，能把设计的雷达发射信号植入真实雷达信号回波中。

现役雷达的发射信号多采用线性调频(LFM)信号。基带形式的LFM信号的表达式如下：

式中：

t_b——脉冲持续时间；

k＝B/t_b——调频斜率；

B——信号的带宽；

u(t)——单位阶跃信号。

实测数据无论是目标还是杂波，全部都是LFM信号的回波，全部含有LFM的信息。如果新设计了一种信号，希望考察在这种信号体制下，雷达接收模块的信号处理和目标提取性能，可以利用现有的LFM信号实测数据回波，通过本发明提出的方法，完成新设计的信号的半实测雷达回波仿真。具体步骤如下：

1、对无目标实测回波数据进行脉冲压缩，令脉压结果为h(t)，脉冲压缩即信号

与匹配滤波器进行卷积，匹配滤波器的冲激响应为信号f(t)的翻转共轭：

LFM信号经过脉冲压缩的输出为：

脉冲压缩有效平衡了雷达探测能力和分辨率之间的矛盾，加宽脉冲宽度有利于通过提高平均功率来提高雷达的探测能力，但是脉冲宽度的增加，降低了距离分辨率。在发射端，我们可以用宽脉冲获得更大的探测能力，在接收端，利用脉冲压缩得到窄脉冲，从而保证系统的距离分辨率。

在没有目标的情况下，雷达回波是杂波及噪声的组合，是雷达探测的环境的具体反映，而脉冲压缩的结果实现了把LFM回波信号的宽脉冲变成窄脉冲，脉压后的数据就可以理解为雷达发射窄脉冲去探测环境，这时，就相当于得到了发射窄脉冲探测到的回波数据，如果把雷达探测的环境当做是一个系统，那么这个回波数据可以理解为窄脉冲激励下系统的冲激响应。这个冲激响应包含了环境中杂波的延时，幅度等信息，有效的表征了探测的环境。

2、用设计好的波形f_n(t)与脉冲压缩结果h(t)进行卷积，得到f_n'(t)：

也就是用新的信号作用于环境系统h(t)，卷积输出的结果可以理解为用设计好的信号去作用于环境系统得到的回波数据。

3、产生基于新设计好的波形f_n(t)的目标回波数据f_t(t)，和第2步进行叠加，得到了含有目标的回波数据f_t(t)+f_n'(t)。

4、产生随机噪声n₀(t)，和第3步产生的信号相叠加，得到雷达回波数据半实测仿真结果f_r(t)：

f_r(t)＝f_t(t)+f_n'(t)+n₀(t)

按照以上的步骤，仿真结果如下：

某雷达发射波形为线性调频信号，探测到的一个帧周期的复杂环境数据，某一帧的第一个回波周期实测数据如下：

第一步：对回波数据进行脉冲压缩得到复杂环境系统的冲激响应h(t)，结果如下：

第二步：设计新的雷达信号，并用新的雷达信号与第一步的脉冲压缩结果h(t)进行卷积，得到f_n'(t)。在这里，以多载波混沌相位编码信号为例。设计的MCPC-Chaos信号的复包络f_n(t)的表达式为：

其中，N和M分别为子载波个数及码元个数，为第n个子载波中的第m个码元的相位编码，为第n个子载频中的第m个码元的相位。

t_b为码元宽度，Δf为载频间隔，令Δf＝1/t_b可以保证各载频之间的正交性。ω_n为第n个载频上的复加权因子。图3给出了有N条载波M个码元的MCPC信号结构图。

利用混沌序列的不可预测、对初值敏感、非周期、非相关、类随机等特点，用混沌序列对MCPC脉冲串的相位进行编码调制得到MCPC-Chaos脉冲串信号。对于有N个载波M个码元相位编码的MCPC脉冲串信号，用混沌映射产生L＝N×M个混沌二相码，以集合的形式表示为：{x₁,x₂,x₃,…x_L}，设MCPC脉冲串信号的相位编码集为其中n＝1,2,…N；m＝1,2,…M，混沌相位编码调制方式如下：

本文所采用的混沌映射是多段分段线性(Multi-Segment Piecewise Linear)混沌映射[11]：

其中，0≤ξ＜＜1,h∈R,h＞0,m∈Z,1≤m≤2k。k为系统线性分段的段数，当k＝128时，混沌吸引子的结构已经不明显，香农熵及李雅普诺夫指数变得较大，系统具有弱结构性，即此时的混沌系统既保持了混沌的可控性和易用性又更接近与噪声，其综合性能要好于真正的噪声序列。系统初值x(0)∈(-h/2,h/2)，而且在整个迭代过程中，保证x(n)∈[-h/2,h/2]。如果x(n)超出此范围，则通过下式的迭代保证其落在区间[-h/2,h/2]内。

用设计好的信号和复杂环境系统的冲激响应h(t)相卷积，得到半实测环境回波数据f_n'(t)，

第三步，产生基于新设计好的波形f_n(t)的目标回波数据，即在雷达波形里加入延时和多普勒频移，分别代表目标的距离和速度，把产生好的目标数据f_t(t)和第二步产生的半实测环境回波数据f_n'(t)进行叠加，得到含有目标的回波数据f_t(t)+f_n'(t)。图5显示的是10个周期含有目标的回波数据f_t(t)+f_n'(t)：

第四步，产生信噪比为-5dB的随机噪声n₀(t)，和第三步产生的信号相叠加，得到10个周期的雷达回波数据半实测仿真结果f_r(t)：

按照脉冲压缩体制雷达的处理流程，对于基带回波信号，经过脉冲压缩，对消处理(MTI)及动目标检测(MTD)后，通过基于图像处理的窄脉冲检测方法，可以得到目标检测结果。设64个脉冲周期为一帧，帧数据处理结果仿真图如图7-图10。

从MTD的输出可以看到，在第24个窄带滤波器的输出，923的距离单元处有一个目标，用图像处理的方法，对MTD的结果进行窄脉冲的检测，得到最终检测结果如图11。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种雷达回波半实测数据仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对无目标实测回波数据进行脉冲压缩，令脉压结果为h(t)，脉冲压缩即信号

与匹配滤波器进行卷积，匹配滤波器的冲激响应h_m(t)为信号f_LFM(t)的翻转共轭：

其中，t₀为延时时间；

LFM信号经过脉冲压缩的输出h(t)为：

其中，conv代表卷积运算；

步骤2、用设计好的波形f_n(t)与脉冲压缩结果h(t)进行卷积，得到f'_n(t)：

也就是用新的信号作用于环境系统h(t)，卷积输出的结果理解为用设计好的信号去作用于环境系统得到的回波数据；

步骤3、产生基于新设计好的波形f_n(t)的目标回波数据f_t(t)，和第2步进行叠加，得到了含有目标的回波数据f_t(t)+f'_n(t)；

步骤4、产生随机噪声n₀(t)，和步骤3产生的信号相叠加，得到雷达回波数据半实测仿真结果f_r(t)：

f_r(t)＝f_t(t)+f'_n(t)+n₀(t)；

f_r(t)即为半实测数据仿真结果。