CN114814740A - 一种基于多散射点的高逼真体目标模拟方法 - Google Patents

一种基于多散射点的高逼真体目标模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多散射点的高逼真体目标模拟方法，采用多层快速多极子算法计算典型目标对应不同微波频段的电磁散射特性，获得雷达回波数据；提取目标在强散射点的空间位置分布，建立目标回波特性模型库；通过数据库实时得到目标的强散射点数量、位置和强度，实时计算每个强散射点距离、径向速度，获取每个强散射点的延时、微多普勒频率和发射功率；由分数阶高精度延时电路、数字正交上变频电路、数字正交调制电路模拟各散射点的回波特性；通过数字卷积和数字AGC电路实现各散射点数据的矢量合成和归一化处理，最终形成具有时域延展性和频域扩展性的面目标或体目标信号。本发明可以逼真模拟各典型目标的电磁波反射特性。

Description

一种基于多散射点的高逼真体目标模拟方法
技术领域
本发明涉及电子对抗技术，特别是一种基于多散射点的高逼真体目标模拟方法。
背景技术
雷达被誉为“三军之眼”，是国土防御和火力打击的重要组成部分。一方面部队需要开展常态化对抗演习，训练雷达操作手的作战素养和战场应变能力；另一方面，随着雷达在部队服役时间的增加，其性能也会逐步下降，也需要定期评估雷达的作战性能和技术指标，为后续的维修和改进提供依据。为了节约成本，减少各种目标飞行器的升空时间，需要研制不同种类的雷达目标模拟器，配合雷达性能测试和作战训练。
目前，行业范围内的雷达目标模拟器主要包括点目标模拟和SAR/ISAR目标模拟两类，点目标模拟通过采样和存储雷达发射信号，经过路径延时、多普勒调制和Swerlling调制后转发出去，该信号不包含目标反射信号的细微特性(如多径、微多普勒、闪烁等)，对于大型目标和具有微动特性的目标(如战斗机、直升机、导弹等)，不能精确反映目标的多散射点距离延展性和多普勒扩展特性；SAR/ISAR目标模拟虽然能够模拟目标的细微特征信息，但运算量大，工程上无法实时模拟。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于多散射点的高逼真体目标模拟方法，采用专用目标电磁散射特性分析软件分析典型目标在不同频段、不同姿态条件下的电磁波反射数据，提取目标的在上述条件下的强散射点数量、位置和散射大小，获得各散射点精确的距离、多普勒和幅度等信息，并用暗室实测数据进行修正。再通过FPGA电路精确模拟每个强散射点的回波信号，包括各散射点的时域延展性和频域扩展特性，以及所有强散射点信号的矢量合成信号，从而逼真模拟各典型目标的电磁波反射特性。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种基于多散射点的高逼真体目标模拟方法，步骤包括：
1)采用多层快速多极子算法计算典型目标对应不同微波频段的电磁散射特性，获得不同方位、俯仰和横滚角度的雷达回波数据；
2)提取目标在不同位置和不同频段下的强散射点的空间位置分布，各散射点的距离、角度和反射强度，建立目标回波特性模型库；
3)雷达目标模拟过程中，规划雷达与目标的三维空间态势，通过数据库实时得到目标在不同时刻的强散射点数量、位置和强度，并通过VPX总线实时下载给DRFM模块；
4)DRFM模块根据下传数据，实时计算每个强散射点距离、径向速度，获取每个强散射点的延时、微多普勒频率和发射功率；
5)由分数阶高精度延时电路、数字正交上变频电路、数字正交调制电路模拟各散射点的回波特性；
6)通过数字卷积和数字AGC电路实现各散射点数据的矢量合成和归一化处理，最终形成具有时域延展性和频域扩展性的面目标或体目标信号。
分数阶延时电路产生精度优于1ns的各散射点回波信号；DDS电路产生精度优于0.1Hz的微多普勒信号；正交调制电路独立控制各散射点幅度；复数卷积电路实现各散射点数据的矢量合成。最终形成具有多散射点调制特性的面目标和体目标信号，各强散射点的强度、距离和速度独立可设。
通过GTD散射中心模型计算目标电磁散射数据，提取目标的强散射点的信号特征，包括散射点数量、各散射点的位置和散射强度，形成目标回波特性模型库。
根据场景规划软件得到目标相对于雷达的运动轨迹，查表得到运动轨迹上不同位置点的目标散射点数据，将运动轨迹上不同位置点的目标散射点数据转换为距离延迟量、归一化功率值、微多普勒频率信息，传送给DRFM模块。
采用分数阶可编程数字延时和基于数字滤波的高精度数字延时技术，实现对目标各强散射点数据可编程延时，延时步长和延时精度均小于1ns，用于精确模拟各强散射点的空间位置。
根据得到的目标各强散射点信号强度，对目标回波数据进行希尔伯特变换和数字正交调制，用于精确模拟各强散射点回波信号的强度。
根据获得的目标各强散射点空间位置，以及目标相对于雷达的运动轨迹，实时计算各强散射点相对于雷达的径向速度和微多普勒频率，并由DDS模块产生两路正交微多普勒信号数据，与相应散射点回波数据进行数字变频，将微多普勒频率叠加到回波信号中，用于精确模拟各强散射点回波信号的速度特性。
在FPGA模块中，利用多相并行处理和正交复卷积技术，将各强散射点回波数据进行矢量叠加，并通过数字AGC技术归一化回波数据，用于逼真地模拟具有多径和微多普勒特性的面目标和体目标。
采用多层快速多极子算法对被研究目标进行逐层分组，包括信号聚合、插值、转移、反插值、配置过程。
散射中心包括镜面散射中心、边缘散射中心、多次反射型散射中心、尖顶型散射中心、行波和爬行波产生的散射中心。
DRFM电路对基带信号进行模数变换、取样、存储波形，先经过时间延时控制电路来精确地控制回波信号到达雷达接收机的延迟时间后，由数模变换输出经过延时的基带信号，延时后的雷达基带信号经由高速DDS生成的精确频率数据进行数字正交混频，模拟目标产生目标整体多普勒频移和各散射点微多普勒特性；IQ调制器完成各回波信号进行幅度调制，模拟目标各强散射的幅度起伏特性，最后，各强散射点回波信号进行矢量叠加，形成最终的目标回波信号。
相比于现有技术，本发明的优点在于：1、本发明能采用多层快速多极子算法(MLFMA)分析各类电大尺寸目标的电磁散射特性，利用聚合、插值、转移、反插值等方法，可有效降低计算量和存储量；
2、本发明根据目标的运动特性，提出采用目标位置特征参数、散布特征参数、分布特征参数和运动特征参数来表征目标的细微特征，并以此为基础建立目标模型库；
3、本发明采用GTD(Geometrical Theory of Diffraction)散射中心模型分析目标电磁散射数据，提取强散射点的位置、强度和微多普勒特性；
4、本发明能采用分数阶可编程数字延时和基于数字滤波的高精度数字延时技术，实现对目标各强散射点数据可编程延时，延时步长和延时精度均优于1ns；
5、本发明能采用数字正交调制、数字复卷积和数字AGC等技术，实现各强散射点数据的幅度调制、微多普勒调制、高速数据矢量叠加和归一化处理，微多普勒精度优于0.05Hz，回波幅度精度优于0.1dB。
附图说明
图1复杂体目标电磁散射数据分析计算、强散射点特征参数提取和目标特征库建立流程图。
图2电大尺寸目标高频预估方法流程图。
图3基于多散射点的体目标模拟逻辑电路框图。
图4DRFM模块电路组成框图。
图5某型飞机强散射点距离延时测试结果。
图6某型飞机强散射点微多普勒频率测试结果。
图7某型飞机强散射点幅度起伏测试结果。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
一种基于多散射点的高逼真体目标模拟方法，步骤包括：
1)采用多层快速多极子算法计算典型目标对应不同微波频段的电磁散射特性，获得不同方位、俯仰和横滚角度的雷达回波数据；
2)提取目标在不同位置和不同频段下的强散射点的空间位置分布，各散射点的距离、角度和反射强度，建立目标回波特性模型库；
3)雷达目标模拟过程中，规划雷达与目标的三维空间态势，通过数据库实时得到目标在不同时刻的强散射点数量、位置和强度，并通过VPX总线实时下载给DRFM模块；
4)DRFM模块根据下传数据，实时计算每个强散射点距离、径向速度，获取每个强散射点的延时、微多普勒频率和发射功率；
5)由分数阶高精度延时电路、数字正交上变频电路、数字正交调制电路模拟各散射点的回波特性；
6)通过数字卷积和数字AGC电路实现各散射点数据的矢量合成和归一化处理，最终形成具有时域延展性和频域扩展性的面目标或体目标信号。
通过GTD散射中心模型计算目标电磁散射数据，提取目标的强散射点的信号特征，包括散射点数量、各散射点的位置和散射强度，形成目标回波特性模型库。
根据场景规划软件得到目标相对于雷达的运动轨迹，查表得到运动轨迹上不同位置点的目标散射点数据，将运动轨迹上不同位置点的目标散射点数据转换为距离延迟量、归一化功率值、微多普勒频率信息，传送给DRFM模块。
采用分数阶可编程数字延时和基于数字滤波的高精度数字延时技术，实现对目标各强散射点数据可编程延时，延时步长和延时精度均小于1ns，用于精确模拟各强散射点的空间位置。
根据得到的目标各强散射点信号强度，对目标回波数据进行希尔伯特变换和数字正交调制，用于精确模拟各强散射点回波信号的强度。
根据获得的目标各强散射点空间位置，以及目标相对于雷达的运动轨迹，实时计算各强散射点相对于雷达的径向速度和微多普勒频率，并由DDS模块产生两路正交微多普勒信号数据，与相应散射点回波数据进行数字变频，将微多普勒频率叠加到回波信号中，用于精确模拟各强散射点回波信号的速度特性。
在FPGA模块中，利用多相并行处理和正交复卷积技术，将各强散射点回波数据进行矢量叠加，并通过数字AGC技术归一化回波数据，用于逼真地模拟具有多径和微多普勒特性的面目标和体目标。
目标雷达散射截面(RCS)仿真方案：采用多层快速多极子算法(MLFMA，MultilevelFast Multipole Algorithm)，对被研究目标进行逐层分组，包括信号聚合、插值、转移、反插值、配置等过程，该算法不但能够大大加速矩阵－矢量相乘的计算速度，也大大降低了存储量，相对于传统的多极子算法，该算法的计算量和存储量都降低到O(NlogN)，非常适合于飞机、导弹等电大尺寸目标电磁散射问题的求解。
目标数据库分类建模表征参数：位置特征参数描述目标各散射点的平均位置及其分布情况，主要有均值、分位数、极小值和极大值等；散布特征参数表示目标RCS序列在整个实数轴上的分布规律。散布特征参数包括极差，方差与标准差、标准均差以及变异系数等；分布特征参数描述目标RCS统计分布的总体密度函数的图形特征，包括分布密度函数、累计分布函数、标准偏度系数和标准峰度系数；运动特征参数描述目标散射波是频率、极化、时间和空间的复杂函数，目标的旋转特性对雷达电磁波具有调制效应，体现在目标散射波的幅度特征、频率特性和极化特性上，不同的调制特征体现为不同的目标模型。
目标散射中心类型：对应不同目标类型，散射中心主要包括镜面散射中心、边缘(棱线)散射中心、多次反射型散射中心、尖顶型散射中心、行波和爬行波产生的散射中心
散射中心数学模型：使用目标的散射中心模型可以在数学上近似地描述目标的特性，本发明使用的散射中心模型为GTD(Geometrical Theory of Diffraction)模型。该模型考虑了不同结构形成的散射中心在频率响应上的幅度变化差异。
多散射点目标模拟方案：DRFM电路对基带信号进行模数变换、取样、存储波形，先经过时间延时控制电路来精确地控制回波信号到达雷达接收机的延迟时间后，由数模变换输出经过延时的基带信号。延时后的雷达基带信号经由高速DDS生成的精确频率数据进行数字正交混频，模拟目标产生目标整体多普勒频移和各散射点微多普勒特性(例如JEM特性)；IQ调制器完成各回波信号进行幅度调制，模拟目标各强散射的幅度起伏特性。最后，各强散射点回波信号进行矢量叠加，形成最终的目标回波信号。
本发明专利实现的技术指标如下：
a)频率范围：0.35-18GHz
b)瞬时带宽：1GHz
c)最大散射点数量：≤16个
d)距离延展特性
1)范围：0-1000ns
2)步长：1ns
e)微多普勒特性
1)范围：0-100Hz
2)步长：0.05Hz
f)幅度起伏
1)范围：0-30dB
2)步长：0.1dB。
本发明具有以下优势：
1)模拟的目标不再简单地看成单散射点模型，而是根据不同的电磁信号入射角，将目标等效为多个强散射中心构成的模型，目标回波信号则由每个散射中心生成回波的相干叠加而成；
2)模拟目标的RCS不再采用现有技术中的Swerlling模型，而采用电大尺寸复杂目标预估技术，更为逼真地模拟复杂目标的RCS；
3)通过分析不同散射中心的多普勒效应，使得模拟目标的回波中包含了由于目标平动和微动的多普勒效应。
实施例1
1、目标雷达散射截面(RCS)仿真
多层快速多极子算法(MLFMA)及其扩展方法作为积分方程矩量法的快速算法，不但能够大大加速矩阵－矢量相乘的计算速度，也可大大降低了存储量。本发明采用快速多极子算法来分析复杂目标的电磁散射特性，结合目标强散射点提取软件，获得目标对应不同频率、不同空间位置的强散射点空间位置分布、微多普勒频率、散射强度等参数，结合目标模型表征参数，形成目标模型库。
快速多极子方法的数学基础就是矢量加法定理，即利用矢量加法定理对积分方程中的自由空间格林函数进行处理，通过在角谱空间中展开，利用平面波进行算子对角化，将稠密满矩阵与矢量的乘积转化为几个稀疏矩阵与矢量的乘积。
三维快速多极子方法基于两个重要的数学恒等式。第一个就是矢量加法定理，又称为Gegenbauer’s addition theorem：
Figure BDA0003622776510000061
其中：jl(kd)是第一类球Bessel函数，
Figure BDA0003622776510000062
是第一类球Hankel函数，
Figure BDA0003622776510000063
是Legendre多项式。
公式(1)表示球面波展开为球谐函数。当l→∞时，第一类球Bessel函数jl(kd)趋近于0，第一类球Hankel函数hl (1)(kr)趋近于无穷大。然而，由于球Bessel函数趋近于零的速度较球Hankel函数趋向无穷大的速度要快，所以，加法定理的无穷项求和可以截取有限项，截断后为：
Figure BDA0003622776510000071
另一个重要的数学恒等式如下：
Figure BDA0003622776510000072
其中：积分
Figure BDA0003622776510000073
代表对单位球面的积分。
将式(2)代入式(3)，可得：
Figure BDA0003622776510000074
式中的L是矢量加法定理无穷项求和的截断项数。
令
Figure BDA0003622776510000075
格林函数表达为下式：
Figure BDA0003622776510000076
式(5)表示球面波，即自由空间标量格林函数的多极子展开。标量格林函数可以用单位球面上的平面波展开。
通过矩量法离散后的阻抗矩阵元素Zij，代表了电流元j对电流元i的单步直接作用。为了使用快速多极子方法，将矩阵元素Zij分解为
Figure BDA0003622776510000077
矢量Vl'j项代表点j和Hub l'之间的信息传递，矩阵
Figure BDA0003622776510000078
项代表两个Hub l和Hub l'之间的信息传递。最后，矢量
Figure BDA0003622776510000079
项代表由Hub l到点i的信息传递，将一步直接作用转化为三步间接作用，每步分别称为聚合、转移和配置。所以，矩阵-矢量的乘积可以表示为
Figure BDA0003622776510000081
上面表达式中的阻抗矩阵元素Zij，被表示成一个矢量乘以一个矩阵再乘以一个矢量，看起来好像求解方法变得更加复杂了。然而，如果矩阵
Figure BDA0003622776510000082
可以对角化，那么两个组之间的信息传递就可以变得更加高效，就有可能节省大量的计算量和存储量，因为矩阵
Figure BDA0003622776510000083
可以重复使用，提高计算效率。
采用多层快速多极子法分析飞机、导弹等各类电大尺寸复杂目标电磁散射特性，不但能够大大加速矩阵－矢量相乘的计算速度，也大大降低了存储量。电场积分方程的矩阵－矢量乘积可以表示如下：
Figure BDA0003622776510000084
其中：NG(Near Group)代表邻近组，FG(Far Group)代表远区组。
Figure BDA0003622776510000085
代表聚合因子，
Figure BDA0003622776510000086
代表配置因子，
Figure BDA0003622776510000087
代表转移因子，表达式分别如下：
Figure BDA0003622776510000088
Figure BDA0003622776510000089
Figure BDA00036227765100000810
传统迭代法求解矩量法的存储量和计算量为O(N2)，而快速多极子方法快速多极子方法的存储量和计算复杂度都是O(N1.5)。通过对研究目标进行逐层分组，利用聚合、插值、转移、反插值、配置等过程，可以得到多层快速多极子算法(MLFMA，Multilevel FastMultipole Algorithm)，该算法的计算量和存储量都降低到O(NlogN)，非常适合于电大尺寸目标电磁散射问题的求解。图2给出了电大尺寸目标高频预估方法流程图。
2、多散射点体目标模拟方法
如图3所示，从目标模型库中读取各强散射点的表征数据，按照空间位置(到达时间)排序，每个散射点的延时τ、多普勒频移fd、幅度A都独立可控。正交基带信号
Figure BDA0003622776510000091
和
Figure BDA0003622776510000092
经VPX总线送给高速DDR存储器，本系统要求的数据延时精度高，常用的延时电路无法实现，需要采用FPGA片内的数字滤波器来实现。散射点的微多普勒频率由数字正交调频电路实现，实现的数学公式为
Figure BDA0003622776510000093
散射点的幅度调制采用实数调幅电路实现，实现的数学公式为
Figure BDA0003622776510000094
最后，将N个散射点的输出进行矢量叠加和AGC归一化处理，实现的数学公式为
Figure BDA0003622776510000095
这样就完成了不同散射点的多普勒频移、微多普勒调制、幅度调制和距离延时，得到具有距离延展和多普勒扩展特性的逼真雷达目标信号。
雷达目标回波信号模拟时，空间位置参数转换为电信号参数涉及的数学模型如下：
(1)目标径向速度的计算：设目标位置为P(XT,YT,ZT)，速度为V(VX,VY,VZ)，则径向速度为vr＝|v|cosθ.
其中，
Figure BDA0003622776510000096
(2)多普勒频率：fd＝(2vr/c)f，其中，vr目标径向运动速度，c为光速,f为信号载波频率。
(3)时延：τ＝2R0/C，其中，
Figure BDA0003622776510000097
完成多散射点回波信号模拟后，可以将电路集成在DRFM模块中，实现高逼真目标回波信号的模拟，电路组成框图如图4所示。
3、高精度延时
假设模拟对象为某型战机，其外形参数为机长19.6米、机头到两翼5米、翼展7米。若雷达从其斜向照射，强散射点在距离向投影分别为0米、1.7米、4.9米、14.4米。对应的延时量分别为0ns、11ns、33ns、96ns。本发明模拟飞机目标四个强散射点的坐标分别为977317ns、977328ns、977350ns、977413ns，测试结果如图5所示，四个散射点的相对延时量分别为0ns、11ns、33ns、96ns，与理论值相符。
4、微多普勒模拟
由于微多普勒频率很小，频率分析所需的数据量很大，为便于分析，假设雷达发射信号为50MHz连续波，根据目标与雷达的相对运动关系，设置四个强散射点的多普勒频移为0Hz、70Hz、90Hz、100Hz。经过实际测试，本发明模拟飞机目标四个强散射点的回波频率分别为49.99961MHz、49.99968MHz、49.99970MHz、49.99971MHz，测试结果如图6所示，四个散射点的频率差值分别为0Hz、70Hz、90Hz、100Hz，与理论值相符。
5、幅度起伏模拟
假设模拟对象为某型战机，经过快速多极子算法仿真分析，确定该型飞机有4个强散射点，各个散射点的幅度起伏值分别为：-10dB、-5dB、-1.5dB、0dB。经过实物测试，本发明模拟飞机目标四个强散射点的回波功率起伏值分别为-9.7dB、-4.4dB、-1.5dB、0d，如图7所示，与理论值相符。

Claims (10)

1.一种基于多散射点的高逼真体目标模拟方法，其特征在于步骤包括：
1)采用多层快速多极子算法计算典型目标对应不同微波频段的电磁散射特性，获得不同方位、俯仰和横滚角度的雷达回波数据；
2)提取目标在不同位置和不同频段下的强散射点的空间位置分布，各散射点的距离、角度和反射强度，建立目标回波特性模型库；
3)雷达目标模拟过程中，规划雷达与目标的三维空间态势，通过数据库实时得到目标在不同时刻的强散射点数量、位置和强度，并通过VPX总线实时下载给DRFM模块；
4)DRFM模块根据下传数据，实时计算每个强散射点距离、径向速度，获取每个强散射点的延时、微多普勒频率和发射功率；
5)由分数阶高精度延时电路、数字正交上变频电路、数字正交调制电路模拟各散射点的回波特性；
6)通过数字卷积和数字AGC电路实现各散射点数据的矢量合成和归一化处理，最终形成具有时域延展性和频域扩展性的面目标或体目标信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于多散射点的高逼真体目标模拟方法，其特征在于：通过GTD散射中心模型计算目标电磁散射数据，提取目标的强散射点的信号特征，包括散射点数量、各散射点的位置和散射强度，形成目标回波特性模型库。
3.根据权利要求2所述的一种基于多散射点的高逼真体目标模拟方法，其特征在于：根据场景规划软件得到目标相对于雷达的运动轨迹，查表得到运动轨迹上不同位置点的目标散射点数据，将运动轨迹上不同位置点的目标散射点数据转换为距离延迟量、归一化功率值、微多普勒频率信息，传送给DRFM模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于多散射点的高逼真体目标模拟方法，其特征在于：采用分数阶可编程数字延时和基于数字滤波的高精度数字延时技术，实现对目标各强散射点数据可编程延时，延时步长和延时精度均小于1ns，用于精确模拟各强散射点的空间位置。
5.根据权利要求1所述的一种基于多散射点的高逼真体目标模拟方法，其特征在于：根据得到的目标各强散射点信号强度，对目标回波数据进行希尔伯特变换和数字正交调制，用于精确模拟各强散射点回波信号的强度。
6.根据权利要求1所述的一种基于多散射点的高逼真体目标模拟方法，其特征在于：根据获得的目标各强散射点空间位置，以及目标相对于雷达的运动轨迹，实时计算各强散射点相对于雷达的径向速度和微多普勒频率，并由DDS模块产生两路正交微多普勒信号数据，与相应散射点回波数据进行数字变频，将微多普勒频率叠加到回波信号中，用于精确模拟各强散射点回波信号的速度特性。
7.根据权利要求1所述的一种基于多散射点的高逼真体目标模拟方法，其特征在于：在FPGA模块中，利用多相并行处理和正交复卷积技术，将各强散射点回波数据进行矢量叠加，并通过数字AGC技术归一化回波数据，用于逼真地模拟具有多径和微多普勒特性的面目标和体目标。
8.根据权利要求1所述的一种基于多散射点的高逼真体目标模拟方法，其特征在于：采用多层快速多极子算法对被研究目标进行逐层分组，包括信号聚合、插值、转移、反插值、配置过程。
9.根据权利要求2所述的一种基于多散射点的高逼真体目标模拟方法，其特征在于：散射中心包括镜面散射中心、边缘散射中心、多次反射型散射中心、尖顶型散射中心、行波和爬行波产生的散射中心。
10.根据权利要求1所述的一种基于多散射点的高逼真体目标模拟方法，其特征在于：DRFM电路对基带信号进行模数变换、取样、存储波形，先经过时间延时控制电路来精确地控制回波信号到达雷达接收机的延迟时间后，由数模变换输出经过延时的基带信号，延时后的雷达基带信号经由高速DDS生成的精确频率数据进行数字正交混频，模拟目标产生目标整体多普勒频移和各散射点微多普勒特性；IQ调制器完成各回波信号进行幅度调制，模拟目标各强散射的幅度起伏特性，最后，各强散射点回波信号进行矢量叠加，形成最终的目标回波信号。
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