CN113433525A - 一种基于电磁散射驱动的pd引信回波信号分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁散射驱动的PD引信回波信号分析方法，涉及雷达探测技术领域，将电磁散射计算与信号模型相结合，首先基于双向射线追踪技术与半解析思想的混合求解模型获取海面上方低空目标复合电磁散射数据。然后根据PD引信工作原理，建立PD引信回波信号仿真模型，达到基于物理机理层面的PD引信回波信号仿真的目的，进一步分析了基带多普勒滤波器输出的多普勒信号。

Description

一种基于电磁散射驱动的PD引信回波信号分析方法

技术领域

本发明涉及雷达探测技术领域，特别涉及一种基于电磁散射驱动的PD引信回波信号分析方法。

背景技术

当雷达引信对海背景下目标进行探测时，与目标处在同一分辨单元的海面杂波会和目标散射波一同返回到接收天线，海杂波信息会影响雷达对目标信息的判断。另外，对于海面上方低空或超低空飞行的目标，其目标回波信号除受到海杂波影响外，还会受到目标与海背景耦合散射回波的影响，并且目标回波很可能被海杂波以及耦合散射信号所掩盖，降低了雷达对超低空突防目标的探测能力，同时将严重影响防空导弹的末制导精度及引信的效能。因此，从电磁波与海面上方低空目标复合场景相互作用的机理出发，建立有效的PD引信回波信号仿真模型，是提取目标回波特征，降低杂波干扰的前提，将为提高目标检测、制导精度以及引信效能等方面提供理论依据。

脉冲多普勒(PD)引信是一种利用多普勒效应工作的脉冲引信，它集合了脉冲引信所具有的测距和连续波多普勒引信所具有的测速特性，具有较好的抗杂波性能。PD引信通过接收来自目标的载有目标回波信息的射频脉冲串，并采用一定的处理方式，提取多普勒信息，根据多普勒信号的特征进行目标识别和炸点控制。与传统的PD引信回波建模方法相比，本申请从电磁波与目标及海面的相互作用机理出发，提出一种基于电磁散射驱动的PD引信回波信号分析方法，将电磁散射计算与信号模型相结合，进一步分析和仿真基带多普勒滤波器输出的多普勒信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电磁散射驱动的PD引信回波信号分析方法，将电磁散射计算与信号模型相结合，进一步分析和仿真基带多普勒滤波器输出的多普勒信号。

本发明提供了一种基于电磁散射驱动的PD引信回波信号分析方法，包括以下步骤：

基于双向射线追踪技术与半解析思想建立多路径散射模型，对海面上方低空目标复合散射进行类型划分；

根据划分的类型进行海面上方低空目标复合电磁散射数据的获取；

建立PD引信回波信号仿真模型，导入电磁散射数据，进行仿真分析。

进一步地，所述海面上方低空目标复合散射被划分为：目标散射、海面散射以及海面与目标之间的耦合散射。

进一步地，采用射线追踪技术确定海面上方低空目标照亮的面元，对于照亮目标面元的远区高频散射场，其计算公式如下：

其中，

是目标面元表面总场，

为单位法矢量，

为远区观察点，散射方向单位矢量为

代表面元坐标。

进一步地，采用半解析的方法求解海面散射的远区散射场，首先根据粗糙海面双尺度理论,利用蒙特卡罗方法将海面离散为一系列倾斜面元，假设每个面元上的微粗糙由能够引起入射电磁波布拉格谐振的毛细波分量构成，则在随机起伏的倾斜面元上的微粗糙毛细波几何轮廓确定，其表达式如下：

ζ(ρ_c,t)＝B(k_c)cos(k_c·ρ_c-ω_c t) (2)

利用微扰理论计算每个具有微起伏的倾斜面元电磁散射，其散射系数可以表示为：

其中，k为入射电磁波波数，ε为海面的介电常数，下标p，q代表h水平和v垂直极化，ψ(q_l)是表面毛细波的海谱，q_l是散射矢量

在倾斜面元上的投影；

单个面元上的散射场可以表示为：

其中，R₀为雷达到海面中心的距离，

为散射振幅，散射振幅的计算公式如下所示：

进一步地，采用双向射线追踪技术求解海面与目标之间的耦合散射，射线间的场强追踪采用几何光学法(GO)计算，当射线照射到目标面元时，其散射场采用PO计算，当射线照射到海面面元时，其散射场利用半解析思想进行计算；

将散射场分别求出并进行矢量叠加即可得到海面上方低空目标复合总散射场，即：

进一步地，建立PD引信探测海面上方低空目标场景，将目标弹轴方向与正北方向重合放置，目标向正北方向移动即速度方向沿正北方向，目标的初始位置为(0，0，z_o)，z_o为目标在全局坐标系中的高度，引信的初始位置为(x,y,z_a)，相对于目标的中心位置定义引信的位置，引信的速度方向在水平面内的投影与正北方向夹角为偏航角，在垂直面内的夹角与海拔负向的夹角为俯仰角，根据引信运动的速度和时间确定引信在全局坐标系下的位置。

进一步地，当PD引信发射正弦波信号被脉冲调制时，不考虑初始相位，t₁时刻发射的信号为：

s(t₁)＝Acos(ω₀t₁) (7)

信号在t₂时刻被接收到，接收到信号为：

s_ri(t₂)＝A_Ricos(ω₀(t₂-τ_Ri)) (8)

回波延时

故回波可表示为：

通过与本振信号混频得：

通过滤波器滤除高频项得到混频器输出信号：

其中，K为混频系数，A_ri为回波幅度，

为多普勒角频率。

进一步地，目标回波的功率与回波幅度的关系为

根据雷达方程得到回波功率为：

其中，P_t为发射功率，

为天线增益，D为天线方向性系数，

是天线方向图函数，σ为面元的散射截面。

进一步地，目标上某点元对应的波束照射矢量为m，当z与m之间的夹角在α₁,α₂之间，则该点元被天线波束所照射，对回波多普勒信号有贡献，夹角判断公式为：

将得到的多普勒角频率带入到式(11)中得到弹目交汇过程中信号仿真模型。

与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

本发明提供了一种基于电磁散射驱动的PD引信回波信号分析方法，将电磁散射计算与信号模型相结合，首先基于双向射线追踪技术与半解析思想的混合求解模型获取海面上方低空目标复合电磁散射数据。然后根据PD引信工作原理，建立PD引信回波信号仿真模型，达到基于物理机理层面的PD引信回波信号仿真的目的，进一步分析了基带多普勒滤波器输出的多普勒信号。

附图说明

图1为本发明实施例提供的海面上方低空目标复合模型散射示意图；

图2为本发明实施例提供的双向追踪技术示意图；

图3为本发明实施例提供的PD引信探测海面上方低空目标场景示意图；

图4为本发明实施例提供的发射脉冲与接收脉冲模型图；

图5为本发明实施例提供的弹目交汇局部照射示意图；

图6为本发明实施例提供的PD引信回波仿真结果一图；

图7为本发明实施例提供的PD引信回波仿真结果二图。

具体实施方式

下面结合本发明中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

参照图1-7，本发明提供了一种基于电磁散射驱动的PD引信回波信号分析方法，包括以下步骤：

基于双向射线追踪技术与半解析思想建立多路径散射模型，对海面上方低空目标复合散射进行类型划分；

根据划分的类型进行海面上方低空目标复合电磁散射数据的获取；

建立PD引信回波信号仿真模型，导入电磁散射数据，进行仿真。

所述海面上方低空目标复合散射被划分为：目标散射、海面散射以及海面与目标之间的耦合散射。

实施例1

目标面元散射的计算与物理光学(PO)方法计算结果类似，采用射线追踪技术确定海面上方低空目标照亮的面元，对于照亮目标面元的远区高频散射场，其计算公式如下：

其中，

是目标面元表面总场，

为单位法矢量，

为远区观察点，散射方向单位矢量为

代表面元坐标。

实施例2

采用半解析的方法求解海面散射的远区散射场，首先根据粗糙海面双尺度理论，利用蒙特卡罗方法将海面离散为一系列倾斜面元，这些面元代表海面的大尺度起伏，每个面元都是具有小尺度毛细波的粗糙面。为了能够提高仿真计算效率，重点考虑海面的布拉格散射，假设每个面元上的微粗糙由能够引起入射电磁波布拉格谐振的毛细波分量构成，则在随机起伏的倾斜面元上的微粗糙毛细波几何轮廓确定，其表达式如下：

ζ(ρ_c,t)＝B(k_c)cos(k_c·ρ_c-ω_c t) (2)

利用微扰理论计算每个具有微起伏的倾斜面元电磁散射，其散射系数可以表示为：

其中，k为入射电磁波波数，ε为海面的介电常数，下标p，q代表h水平和v垂直极化，ψ(q_l)是表面毛细波的海谱，q_l是散射矢量

在倾斜面元上的投影；

其中，F_pq为极化因子，计算公式如下：

F_{vh_loc}＝[1-R_v(θ_{i_loc})][1+R_h(θ_{s_loc})]cosθ_{i_loc}sinφ_{s_loc} (16)

F_{hv_loc}＝[1+R_h(θ_{i_loc})][1-R_v(θ_{s_loc})]cosθ_{s_loc}sinφ_{s_loc} (17)

F_{hh_loc}＝[1+R_h(θ_{i_loc})][1+R_h(θ_{s_loc})]cosφ_{s_loc} (18)

其中，θ_{i_loc}，θ_{s_loc}，φ_{i_loc}，φ_{s_loc}代表入射波对于倾斜面片的本地入射角、散射角、入射方位角、散射方位角，R_h和R_v代表水平和垂直极化的反射系数。

单个面元上的散射场可以表示为：

其中，R₀为雷达到海面中心的距离，

为散射振幅，散射振幅的计算公式如下所示：

对每个小面元而言仍然需要进行海面自身的自遮挡与其他面元的遮挡判断，还需要进行海面与目标面片间的遮挡判断，将目标对海面的遮挡也排除在外。

实施例3

采用双向射线追踪技术求解海面与目标之间的耦合散射，可以提高耦合散射计算精度，射线间的场强追踪采用几何光学法(GO)计算，当射线照射到目标面元时，其散射场采用PO计算，当射线照射到海面面元时，其散射场利用半解析思想进行计算；

将散射场分别求出并进行矢量叠加即可得到海面上方低空目标复合总散射场，即：

如图2所示，由前向反射射线确定相交面元2，然后由相交面元2中心点出发出反射射线，当反射射线与面元1相交时，才认为面元2被照亮，否则认为面元2处于暗区，将停止追踪。

为了简化处理海面与目标之间耦合作用，将射线追踪的阶数设定为三阶，大于三阶的射线将不予以考虑，射线路径包括四种情况，即目标-海面，海面-目标，目标-海面-目标，海面-目标-海面。

实施例4

参照图3，建立PD引信探测海面上方低空目标场景，将目标弹轴方向与正北方向重合放置，目标向正北方向移动即速度方向沿正北方向，目标的初始位置为(0，0，z_o)，z_o为目标在全局坐标系中的高度，引信的初始位置为(x,y,z_a)，相对于目标的中心位置定义引信的位置，引信的速度方向在水平面内的投影与正北方向夹角为偏航角，在垂直面内的夹角与海拔负向的夹角为俯仰角，根据引信运动的速度和时间确定引信在全局坐标系下的位置。在生成海面时，采用以引信为基准的局部坐标系。

如图4所示，当PD引信发射正弦波信号被脉冲调制时，不考虑初始相位，t₁时刻发射的信号为：

s(t₁)＝Acos(ω₀t₁) (7)

因为回波延时的关系，信号在t₂时刻被接收到，接收到信号为：

s_ri(t₂)＝A_Ricos(ω₀(t₂-τ_Ri)) (8)

回波延时

故回波可表示为：

通过与本振信号混频得：

通过滤波器滤除高频项得到混频器输出信号：

其中，K为混频系数，A_ri为回波幅度，

为多普勒角频率。对于不同的散射面元由于相对引信速度不同，具有不同的多普勒角频率以及回波延时。

目标回波的功率与回波幅度的关系为

根据雷达方程得到回波功率为：

其中，P_t为发射功率，

为天线增益，D为天线方向性系数，

是天线方向图函数，σ为面元的散射截面。通过上述的电磁散射计算得到。

如图5所示，近场条件下目标各散射元被引信波束照射时，方位角差别较大且属于非平行波照射。当目标与天线的距离过近、致使目标对天线所张开的角度大于天线主波束宽度时，将出现主波束对目标的局部照射现象，且张角越大、主波束越窄，局部照射越严重。

弹目交会过程中引信波束照射区为一个三维空心锥，与中心轴矢量z之间的夹角在α₁,α₂之间的区域为被天线波束照射区域。假设目标上某点元对应的波束照射矢量为m，当z与m之间的夹角在α₁,α₂之间，则该点元被天线波束所照射，对回波多普勒信号有贡献，夹角判断公式为：

在弹目交汇过程中其相对速度不断变化，局部照射的部分多普勒频率不同

速度v_i是导弹速度与目标速度在中心点连线上的投影的和，将得到的多普勒角频率带入到式(11)中得到弹目交汇过程中信号仿真模型。

实施例5

算例一：目标坐标(0,0,3)，飞行速度300m/s；引信位置(-6,-6,23)，引信的运动速率为2000m/s，速度的俯仰角为45°，偏航角45°；引信弹轴的攻角45°，引信弹轴的侧滑角25°；载波频率为14GHz，极化方式为VV极化，天线主瓣宽度为10°，张角为20°，发射功率1000w，增益10000，脉冲周期为10μs，脉冲宽度8μs，距离门8μs，距离门延迟为0μs，负载阻抗为100Ω。计算结果如图6所示，从图中可以看出随着引信接近海面而出现了信号强度增大的现象。

算例二：目标坐标(0,0,3)，飞行速度300m/s；引信位置(-6,-6,23)，引信的运动速率为2000m/s，速度的俯仰角为45°，偏航角45°；引信弹轴的攻角45°，引信弹轴的侧滑角25°；载波频率为14GHz，极化方式为VV极化，天线主瓣宽度为10°，张角为20°，发射功率1000w，增益10000，脉冲周期为10μs，脉冲宽度8μs，距离门4μs，距离门延迟为0.1μs，负载阻抗为100Ω。计算结果如图7所示。

图7与图6的区别在于考虑了距离门延迟以及减小了距离门宽度，可以看出距离门延迟和距离门宽度的变化调节了回波信号的强度。由于与海面的接近实际的回波延迟越来越小，而在距离门延迟不变的情况下信号不在距离门接收范围内，使得本应增大的信号反而减小。距离门宽度的减小使得接收信号成分减少导致了信号强度整体变小。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于电磁散射驱动的PD引信回波信号分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于双向射线追踪技术与半解析思想建立多路径散射模型，对海面上方低空目标复合散射进行类型划分；

根据划分的类型进行海面上方低空目标复合电磁散射数据的获取；

建立PD引信回波信号仿真模型，导入电磁散射数据，进行仿真分析。

2.如权利要求1所述的一种基于电磁散射驱动的PD引信回波信号分析方法，其特征在于，所述海面上方低空目标复合散射被划分为：目标散射、海面散射以及海面与目标之间的耦合散射。

3.如权利要求2所述的一种基于电磁散射驱动的PD引信回波信号分析方法，其特征在于，采用射线追踪技术确定海面上方低空目标照亮的面元，对于照亮目标面元的远区高频散射场，其计算公式如下：

其中，

是目标面元表面总场，

为单位法矢量，

为远区观察点，散射方向单位矢量为

代表面元坐标。

4.如权利要求2所述的一种基于电磁散射驱动的PD引信回波信号分析方法，其特征在于，采用半解析的方法求解海面散射的远区散射场，首先根据粗糙海面双尺度理论,利用蒙特卡罗方法将海面离散为一系列倾斜面元，假设每个面元上的微粗糙由能够引起入射电磁波布拉格谐振的毛细波分量构成，则在随机起伏的倾斜面元上的微粗糙毛细波几何轮廓确定，其表达式如下：

ζ(ρ_c,t)＝B(k_c)cos(k_c·ρ_c-ω_ct) (2)

利用微扰理论计算每个具有微起伏的倾斜面元电磁散射，其散射系数可以表示为：

其中，k为入射电磁波波数，ε为海面的介电常数，下标p，q代表h水平和v垂直极化，ψ(q_l)是表面毛细波的海谱，q_l是散射矢量

在倾斜面元上的投影；

单个面元上的散射场可以表示为：

其中，R₀为雷达到海面中心的距离，

为散射振幅，散射振幅的计算公式如下所示：

5.如权利要求2所述的一种基于电磁散射驱动的PD引信回波信号分析方法，其特征在于，采用双向射线追踪技术求解海面与目标之间的耦合散射，射线间的场强追踪采用几何光学法(GO)计算，当射线照射到目标面元时，其散射场采用PO计算，当射线照射到海面面元时，其散射场利用半解析思想进行计算；

将散射场分别求出并进行矢量叠加即可得到海面上方低空目标复合总散射场，即：

6.如权利要求1所述的一种基于电磁散射驱动的PD引信回波信号分析方法，其特征在于，建立PD引信探测海面上方低空目标场景，将目标弹轴方向与正北方向重合放置，目标向正北方向移动即速度方向沿正北方向，目标的初始位置为(0，0，z_o)，z_o为目标在全局坐标系中的高度，引信的初始位置为(x,y,z_a)，相对于目标的中心位置定义引信的位置，引信的速度方向在水平面内的投影与正北方向夹角为偏航角，在垂直面内的夹角与海拔负向的夹角为俯仰角，根据引信运动的速度和时间确定引信在全局坐标系下的位置。

7.如权利要求6所述的一种基于电磁散射驱动的PD引信回波信号分析方法，其特征在于，当PD引信发射正弦波信号被脉冲调制时，不考虑初始相位，t₁时刻发射的信号为：

s(t₁)＝Acos(ω₀t₁) (7)

信号在t₂时刻被接收到，接收到信号为：

s_ri(t₂)＝A_Ricos(ω₀(t₂-τ_Ri)) (8)

回波延时

故回波可表示为：

通过与本振信号混频得：

通过滤波器滤除高频项得到混频器输出信号：

其中，K为混频系数，A_ri为回波幅度，

为多普勒角频率。

8.如权利要求7所述的一种基于电磁散射驱动的PD引信回波信号分析方法，其特征在于，目标回波的功率与回波幅度的关系为

根据雷达方程得到回波功率为：

其中，P_t为发射功率，

为天线增益，D为天线方向性系数，

是天线方向图函数，σ为面元的散射截面。

9.如权利要求8所述的一种基于电磁散射驱动的PD引信回波信号分析方法，其特征在于，目标上某点元对应的波束照射矢量为m，当z与m之间的夹角在α₁,α₂之间，则该点元被天线波束所照射，对回波多普勒信号有贡献，夹角判断公式为：

将得到的多普勒角频率带入到式(11)中得到弹目交汇过程中信号仿真模型。

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