专利名称：星载双基地雷达的杂波基带模拟信号产生方法
技术领域：
本发明涉及雷达杂波信号的产生方法，特别是涉及星载双基地雷达杂波信号的产生方法。
背景技术：
星载双基地雷达(bistatic space based radar，BSBR)是最近国际上提出的一种新的雷达系统概念，它主要用于地面或空中军事运动目标的检测。该雷达系统的发射机和接收机分别放置在两颗不同的卫星上，由于卫星高度很高，该雷达系统的覆盖范围很大，能够不受国界的约束提供更大范围和更及时的预警，在国防中起到非常重要的作用。
星载雷达是从卫星向地面照射的，发射机发射脉冲串，接收机除了接收到有用的运动目标回波信号，还将接收到大量来自地球表面反射的回波，称为地杂波。星载双基地雷达进行动目标检测的难点在于，该雷达系统进行信号处理时的干扰信号不仅仅是噪声，还存在大量幅度很强的杂波信号，使得目标可能淹没在杂波信号中而无法被检测到。通常，我们必须首先采用合理的算法去除杂波信号，才能进行后续的目标信号的检测。而杂波环境又通常随雷达系统参数和收发机相对位置关系的改变而改变，因此在不同的情况下还应采用不同的杂波抑制算法，动目标检测结果的好坏很大程度上取决于杂波抑制算法的选择。在星载雷达的信号处理系统中，合理的杂波抑制算法的选择和杂波抑制算法的改进对提高雷达最终检测性能是至关重要的。本文针对这一问题提出杂波基带模拟数据的产生方法，使之用于后续星载雷达信号处理系统的杂波抑制算法的验证、选择或改进。
用于动目标检测的星载雷达系统是一个新的概念，现在各国都刚刚开始研究，因此尚未在公开资料上看见针对该雷达系统的杂波模拟数据的产生方法。J.Ward(参见文献[1]J.Ward，“space-time adaptive processing for airborne radar”，London，1994)叙述了机载雷达系统(雷达放置在飞机上)下的杂波模拟信号的产生方法，但它与星载双基地雷达系统下的杂波信号的产生方法在某些关键地方有很大不同，区别有两点。第一，机载情况下，地面可以近似认为是平面，而在星载情况下，地球表面必须认为是球面的。第二，星载情况下，地球自转的因素不能忽略，使得地面表面产生一个新的运动速度，而在机载情况下，地面可以认为是静止的。因此，应用已有的机载雷达系统的杂波模拟信号的产生方法将无法获得星载雷达系统的杂波特性。
杂波模拟信号产生方法的主要思想是先产生杂波协方差阵，然后将该阵开方后乘以高斯白噪声。协方差阵的计算关键是三个参数的求解杂波等距离环，杂波单元时间频率和空间频率的计算。杂波等距离环是指在一个雷达双基地距离门内杂波反射单元在地面的轨迹，该环可以划分为若干小的杂波单元，且每个杂波单元到发射机和接收机的距离之和相等，因此接收机在某一时刻接收到杂波信号为该环上所有杂波单元的反射信号之和。杂波等距离环的形状在不同的雷达系统模式下是不同的。机载双基地雷达系统的杂波等距离环为平面内的一个椭圆，并且机载雷达一般进行远程检测，很多物理条件可以近似，使得椭圆的焦点可以直接认为是发射机和接收机在地面的投影(参见文献[2]王成，胡卫东，空基双基地雷达地杂波建模及特性分析现代雷达，Vol.26，No.9，PP.33-37，2004)，大大简化了求取椭圆方程的复杂度。星载情况下的地球表面必须认为是球面而不能再近似认为是平面，这使得杂波等距离环就需要在曲面上而不是在平面内求解，因此机载雷达杂波信号产生方法中的杂波等距离环模型不再适用。同时以往的机载雷达系统都是假设所有杂波单元的回波信号都能被雷达接收到，即杂波信号是从所有方向来的(不考虑天线调制和后向抑制)。但在星载雷达情况下，杂波环上的某些杂波单元可能超出了发射机和接收机的覆盖范围而变成无效的，因此应用已有的机载雷达的杂波信号产生方法无法对星载雷达杂波单元的有效性作出判断。
杂波单元的时间频率是指杂波单元相对于雷达平台产生的归一化多普勒频率，它是由杂波单元与雷达平台的相对运动产生的。如果杂波单元与雷达的相对运动速度发生了改变，时间频率也将改变。因此，由于地球自转的影响，应用机载雷达的杂波信号产生方法无法计算出星载情况下的杂波时间频率。
总之，为了获得星载双基地雷达系统的杂波特性，产生星载双基地雷达系统的杂波模拟信号是非常必要的。该雷达系统模式下的杂波信号产生方法克服了已有的机载雷达系统杂波信号产生方法的不足，建立了星载情况下的杂波等距离环模型，对星载情况下的杂波单元的有效性进行了判断，同时计算了星载情况下的杂波时间频率，为后续星载雷达信号处理系统的杂波抑制算法的验证、选择或改进提供了基础。
发明内容
本发明目的在于提出一种新的雷达系统(星载双基地雷达系统)下的基带杂波模拟信号产生方法，使产生的信号用于后续星载雷达信号处理系统的杂波抑制算法的验证、选择或改进。
为了实现上述发明目的，本发明提出的杂波基带模拟数据产生方法，通常采用附图1所示的系统平台实现。该系统平台由计算机和数据发送设备组成，其中，计算机提供硬件平台和软件操作系统，本发明的方法基于该环境，通过软件编程实现，产生的基带杂波模拟信号通过数据发送设备，发送给后续的星载雷达信号处理系统。
对于不同的雷达系统参数，杂波信号的统计特性是不同的，因此产生的杂波信号也将不同。本发明提出的方法将有一个初始参数设置，当输入不同的雷达参数后，就会产生针对该雷达配置的杂波信号。方法具体步骤如下第一步输入星载双基地雷达参数作为该方法的初始条件根据雷达参数设置该方法的初始参数。需要设定的参数主要包括三部分，即雷达装置参数、放置雷达的卫星平台参数和目标参数。
雷达装置参数发射信号波长λ，发射机天线阵元数目Q，接收机天线阵元数目G，接收机天线阵元间距和发射机天线阵元间距相等，记为d，发射机脉冲重复频率fr。
卫星平台参数雷达发射机所在卫星平台高度Ht，接收机所在卫星平台的轨道高度Hr，发射机卫星轨道倾角θt，接收机卫星轨道倾角θr，发射机卫星轨道升交点的经度t，接收机卫星轨道升交点经度r，发射机卫星星下点经度ρt，接收机卫星星下点经度ρr。
卫星平台的星下点纬度ξt和ξr不用给出，因为它可以由θt，t，ρt和θr，r，ρr直接算出，公式如下 目标参数地球上待检测点D的经纬度(ρd，ξd)。
第二步星载双基地雷达杂波等距离环的建立地球经纬度坐标系以北极为Zu轴，赤道平面为XuOYu平面，零度经线方向为Xu轴，接收机，发射机和待检测点D在地球经纬度直角坐标系的位置分别为 上标u表示该坐标是以经纬度坐标系为参考的，符号 表示向量。Tu→=(Txu,Tyu,Tzu),]]>其中Txu，Tyu，Tzu分别为发射机在地球经纬度直角坐标系下x，y，z轴的坐标分量；Ru→=(Rxu,Ryu,Rzu),]]>其中Rxu，Ryu，Rzu分别为接收机在地球经纬度直角坐标系下x，y，z轴的坐标分量；Du→=D(Dxu,Dyu,Dzu),]]>其中(Dxu，Dyu，Dzu)分别为D点在地球经纬度直角坐标系下x，y，z轴的坐标分量；利用步骤一中发射机经纬度(ρr，ξt)和接收机经纬度(ρr，ξr)，待检测单元的经纬度(ρd，ξd)，分别计算出它们在地球经纬度坐标系的位置坐标。
Rxu=(Hr+Re)cosξrcosρrRyu=(Hr+Re)cosξrsinρrRzu=(Hr+Re)sinξr---(2)]]>Txu=(Ht+Re)cosξtcosρtTyu=(Ht+Re)cosξtsinρtTzu=(Ht+Re)sinξt---(3)]]>Du=RecosξdcosρdDyu=RecosξdsinρdDzu=Resinξd---(4)]]>其中，Re表示地球半径。
杂波等距离环的轨迹是由若干小的杂波单元组成的，求取杂波等距离轨迹的目的是求得该环上每个小杂波单元的位置坐标。可以用每个杂波单元的中心点来代表该杂波单元的坐标。
为了更简单的求得该轨迹的解析解，建立新坐标系。如附图3所示，建立直角坐标系O-XYZ，设接收机和发射机分别用R和T代替，在O-XYZ直角坐标系中的位置分别为 和 O为地球球心， 为Z轴，与Z轴垂直且过球心的平面为XOY平面，X轴为 在XOY平面上的投影， 与 的夹角为α。定义T→=(Tx,Ty,Tz)]]>为发射机在O-XYZ直角坐标系中的位置矢量，其中Tx，，Ty，Tz分别为发射机在O-XYZ直角坐标系下x，y，z轴的坐标分量，R→=(Rx,Ry,Rz)]]>为接收机在O-XYZ直角坐标系中的位置矢量，其中Rx，Ry，Rz分别为接收机在O-XYZ直角坐标系下x，y，z轴的坐标分量，D→=(Dx,Dy,Dz)]]>为待测目标在O-XYZ直角坐标系中的位置矢量，其中Dx，Dy，Dz分别为待测目标在O-XYZ直角坐标系下x，y，z轴的分量。
因此，在O-XYZ坐标系下，接收机和发射机的新坐标如下Rx=0Ry=0Rz=Hr+Re---(5)]]>Tx=(Ht+Re)sinαTy=0Tz=(Hr+Re)cosα---(6)]]>其中，α=(Re+Hr)2+(Re+Ht)2+(Rxu-Txu)2+(Ryu-Tyu)2+(Ryu-Tyu)2-2(Re+Ht)(Re+Ht)]]>在双基地雷达系统中，由待检测点D到R和T的距离之和称为双基地距离和，记为g。
g=(Txu-Dxu)2+(Tyu-Dyu)2+(Tzu-Dzu)2+(Rxu-Dxu)2+(Ryu-Dyu)2+(Rzu-Dzu)2---(7)]]>由于杂波等距离环上的每个杂波单元到接收机和发射机的距离之和相等，由立体几何知识可知，该距离环上的所有杂波单元的位置一定在一个以R和T为焦点，长轴为g/2的旋转椭球面上。同时，杂波等距离环上的每点在地球球面上，它应该满足球面方程。因此，杂波等距离环应为椭球面与地球球面的交线。我们下面将分别求取旋转椭球面方程和地球球面方程，并将两式联立求解，就可以解出等距离环的轨迹。
旋转椭球面方程为[(x-Rx+Tx2)cosβ+(z-Rz+Tz2)sinβ]2a2+y2+[-(x-Rx+Tx2)sinβ+(z-Rz+Tz2)cosβ]2b2=1---(8)]]>其中，β=tan-1(Tz-RzTx-Rx),a=g2,b=a2-12(Rx-Tx)2+(Ry-Ty)2+(Rz-Tz)2]]>化解得到
b2(xcosβ+zsinβ-εx)2+a2y2+a2(-xsinβ+zcosβ-εz)2＝a2b2(9)其中，ϵx=Rx+Tx2cosβ+Rz+Tz2sinβ,ϵz=-Rx+Tx2sinβ+Rz+Tz2cosβ]]>再写出杂波等距离环满足的在O-XYZ直角坐标系中的球面参数方程x=Resinηcosφy=Resinηsinφz=Recosη---(10)]]>其中φ，η分别为球面坐标系的方位角和俯仰角η∈
，φ∈
，如附图3所示。
将(9)和(10)联立求解，可求出杂波等距离环上每点即杂波单元方位角φ和俯仰角η的关系[(b2-a2)Re2sin2ηcos2β]cos2φ+(E1Re2sinηcosφ+E2Resinη)cosφ+(a2Re2sin2η+E3Recosη+E4+E5Re2cos2η)＝0(11)其中E1＝2(b2-a2)cosβsinβE2＝2a2εzsinβ-2b2εxcosβE3＝-(2b2εxsinβ+2a2εzcosβ)E4=b2ϵx2+a2ϵz2-a2b2]]>E5＝b2sin2β+a2cos2βA1＝(b2-a2)Re2sin2ηcos2β令A2＝E1Re2sinηcosη+E2ResinηA3＝a2Re2sin2η+E3Recosη+E4+E5Re2cos2η得到等距离环方程为A1cos2φ+A2cosφ+A3＝0(12)
该环上每个杂波单元的俯仰角η和方位角余弦cosφ满足一元二次方程，η∈
，φ∈
。设第i个杂波单元对应的η，φ为ηi，φi。扫描ηi，ηi∈
，就可以求出相应的cosφi，cosφi=-A2±A22-4A1A32A1,]]>最后求得φi=cos-1(-A2±A22-4A1A32A1),]]>再由公式(10)求出第i个杂波单元在O-XYZ坐标系中的坐标Ci。
第三步星载双基地雷达杂波单元有效性判断由于地球是球面，卫星对地面的覆盖范围是有限的。在覆盖范围之外的杂波单元的回波信号是接收不到的。如附图4所示，A′表示卫星，B′点表示该卫星的作用范围的边界点。设A′B′之间的距离为卫星到覆盖范围内的最远点的距离，用Imax表示。
当接收机和发射机的高度为Hr和Ht时，可以分别求出他们到覆盖范围内的最远点距离为IRmax，ITmaxIRmax=Hr2+2*Re*Hr]]>
再计算所有杂波单元分别到接收机和发射机的距离LRCi，LTCi，i表示第i个杂波单元。
LRCi=(xi-Rx)2+(yi-Ry)2+(zi-Rz)2]]>LTCi=(xi-Tx)2+(yi-Ty)2+(zi-Tz)2---(14)]]>只有同时满足LRCi<IRmax]]>和LTCi<ITmax]]>的杂波单元才在发射机和接收机的共同覆盖范围内，是有效杂波单元，得到有效杂波单元数目为Na。
第四步星载双基地雷达杂波单元的时间频率和空间频率的计算在星载雷达情况下，地球自转的因素不能忽略。因此杂波单元时间频率的计算与接收机和发射机的运动矢量以及每个杂波单元由于地球自转引起的运动矢量都有关。下面先详细介绍这几个运动矢量的计算方法。
4.1每个杂波单元速度矢量的计算由于要考虑地球自转的影响，所以需要计算地面上杂波等距离环上每个有效杂波单元的运动大小和方向，这就需要知道每个单元对应的经度和纬度。上述的O-XYZ坐标建立方法可以比较容易的求出等距离环上每个杂波单元在O-XYZ坐标系中的位置，但却求不出每点的经度和纬度，因此考虑坐标旋转，将O-XYZ坐标系转换到地球经纬度直角坐标系O-XuyuZu上去。
坐标转换比较复杂，分三步进行，如附图5所示，设R所在的经线方向为X′轴(1)将平面ORT沿Z轴逆时针旋转γ1角度到OX’Z平面，使得R与T在同一经线圈上。
(2)在OX’Zu平面内将OZ轴逆时针旋转γ2角度到OZu轴，指向正北方。
(3)将OX’Zu平面绕Zu轴顺时针旋转γ3角度到零度经线平面OXZu。
上述3个步骤，后两步的旋转角度γ2和γ3的计算比较容易，分别由R所在的经纬度决定，γ2=π2-ξR,]]>γ3＝ρR。其中，ρR和ξR分别为R的经度和纬度，纬度的取值为赤道为零，北纬为正，南纬为负。但γ1的计算比较复杂，下面讲述γ1的计算。
过T点向OZ轴作垂线，垂足为点S，过点S向OZu轴作垂线，垂足为点J，则γ1′为ROT平面和ROZu平面形成的二面角。γ1＝π-γ1′.
令B1＝∠ROZ，B2＝∠TOZ，B3＝∠TOR(0到180度)，OT＝r得到OS=rcosB3TS=rsinB3OJ=rcosB3secB1JS=rcosB3tanB1]]>因为cosγ1′=JS2+TS2-TJ22JS·TS]]>又有JT2＝OT2+OJ2-2OT·OJ·cosB2，代入上式化简得到γ1′=cos-1(sinξt-cosαsinξrsinαcosξr)---(15)]]>然后根据γ1＝π-γ1′算出γ1.在这里，γ1的旋转度数为-180到180度。分两种情况，当接收机的经度大于发射机的经度时，γ1为0～180度，当接收机的经度小于发射机的经度时，γ1为-180～0度。因此，注意这里需要判断，当接收机的经度小于发射机的经度时，计算出的γ1要取负。
最后得到从O-XYZ坐标系旋转到经纬度坐标系O-XuYuZu的坐标变换公式为
xu=(cosγ1sinξrcosρr+sinγ1sinρr)x+(sinγ1sinξrcosρr-cosγ1sinρr)y+cosξrcosρrzyu=(cosγ1sinξrsinρr-sinγ1cosρr)x+(sinγ1sinξrsinρr+cosγ1cosρr)y+cosξrsinρrzzu=-cosγ1cosξrx-sinγ1cosξry+sinξrz---(16)]]>(xu，yu，zu)中的上标u代表该点位于经纬度坐标系中的新坐标。通过坐标旋转，得到第i个杂波单元在地球经纬坐标系的坐标Ciu→,Ciu→=(xiu,yiu,ziu),i=1,···,Na,]]>再将它们转换为相对应的纬度ξCi和经度ρCi，ξCi=sin-1(ziu/Re),ρCi=sin-1(yiuRecosξCi),]]>ξCi范围为-π/2到π/2，ρCi范围为-π到π。
于是位于(ρCi，ξCi)的杂波单元由于地球自转引起的运动矢量在经纬坐标系中表示为下式，单位为m/sVCi→=-459sinρCicosξCi459cosρCicosξCi0---(17)]]>其中，459m/s为地球赤道上的点由于自转引起的速度大小。
4.2雷达发射机和接收机速度矢量的计算雷达发射机和接收机速度矢量的计算方法相同，这里先介绍接收机速度矢量的计算方法。由于雷达接收机放置在卫星上，雷达的运动方向与卫星一致。如附图6，采用经纬度直角坐标系，假设接收机所在的卫星轨道倾角θr，该轨道的升交点N的经度r，卫星星下点的经纬度坐标(ρr，ξr)都已经在步骤一中已知。
假设 为轨道平面的法向量，记为 卫星位置矢量为 归一后的单位矢量记为 卫星速度向量为 这些矢量加上右下标x，y，z分别表示它们在x，y，z轴上的分量。因为这三个向量之间两两正交，所以利用叉积公式就可以求出 表达如下VR→=aVR(FR→×PR→)---(18)]]>其中，aVR为接收机卫星的速度大小，是一个标量，aVR=629575/(Hr+Re)/1000.]]> 在x，y，z轴上的三个分量为VRx=aVRFRyFRzPRyPRzVRy=aVRFRzFRxPRzPRxVRz=aVRFRxFRyPRxPRy,]]>
其中，|·|表示行列式。我们只需求出 和 就可以求得 其中，PR→=(cosξrcosρr,cosξrsinρr,sinξr),]]>法向量 的计算如下N为升交点，单位向量 又由于F→R⊥ON→,]]>可以写出方程 解出法向量 为顺行轨道 逆行轨道 顺行轨道的特征是轨道倾角即轨道平面与地球赤道平面的夹角小于90度。逆行轨道的特征是轨道倾角即轨道平面与地球赤道平面的夹角大于90度小于180度。
同理求解发射机机速度矢量。 为雷达发射机在地球经纬度直角坐标系中的速度矢量，发射机所在轨道平面的法向量为 记为 发射机的位置矢量为 归一化后的单位向量记为 则VT→=aVR(FT→×PT→)---(22)]]>其中，aVT为发射机卫星的速度大小，是一个标量,aVT=629575/(Ht+Re)/1000.]]> 在x，y，z轴上的三个分量为VTx=aVTFTyFTzPTyPTzVTy=aVTFTzFTxPTzPTxVTz=aVTFTxFTyPTxPTy,]]>我们只需求出 和 就可以求得 其中，PT→=(cosξtcosρt,cosξtsinρt,sinξt),]]>法向量 的计算如下N为发射机轨道的升交点，单位向量 又由于F→t⊥ON→,]]>可以写出方程
解出法向量 为顺行轨道 逆行轨道 4.3星载双基地雷达杂波单元的时间频率的计算最后，第i个杂波单元的时间频率的计算由四项组成fin=1λ(VT→·TuCiu→||TuCiu→||+VCi→·CiuTu→||CiuTu→||+VR→·RuCiu→||RuCiu→||+VCi→·CiuRu→||CiuTu→||)---(26)]]>其中， 分别为发射机，接收机在经纬度坐标系中的速度矢量。 为第i个杂波单元由于地球自转引起的速度矢量。Ciu为第i个杂波单元在地球经纬度直角坐标系的坐标，Ciu=(xiu,yiu,ziu),i=1,···,Na.]]> 分别为地球经纬度坐标系中发射机位置和接收机位置到第i个杂波单元的矢量。 分别为地球经纬度坐标系中第i个杂波单元到发射机位置和接收机位置的矢量，矢量长度如下计算；||TuCiu→||=||CiuTu→||=(xiu-Txu)2+(yiu-Tyu)2+(ziu-Tzu)2,]]>||RuCiu→||=||CiuRu→||=(xiu-Rxu)2+(yiu-Ryu)2+(ziu-Rzu)2.]]>第i个杂波单元相对于接收机的空间角频率为fsi=dλVR→·RuCiu→||VR→||||RuCiu→||---(27)]]>其中，d为阵元间距。
第五步星载双基地雷达杂波协方差矩阵的计算
雷达接收机和发射机都采标准线性阵列，且采用正侧面式放置，即天线长轴与卫星飞行方向一致。发射机天线阵列采用均匀加权，接收机阵列进行全向接收。第i个杂波单元相对于发射机阵列放置方向的锥角余弦cosΦTi为cosΦTi=dλVT→·TuCiu→||VT→||||TuCiu→||---(28)]]>待检测点D相对于发射机阵列放置方向的锥角余弦cosΦT0为cosΦT0=dλVT→·TuCu→||VT→||||TuCu→||---(29)]]>ΦT0为发射机天线的主波束指向。其中， 为从发射机位置到待检测点位置的矢量。
||TuCu→||=(Dxu-Rxu)2+(Dyu-Ryu)2+(Dzu-Rzu)2]]>发射机阵列有Q个阵元，第i个杂波单元上的发射天线增益为Wi=Σn=1Qexp{j2πdλ(n-1)(cosΦT1-cosΦT0)}---(30)]]>将等距离环分成Nc个杂波单元，判断有效杂波单元数为Na.则第i个杂波单元相对于接收机的空间角频率为ωsi＝2πfsi，时间角频率为ωti＝2πfti，fti，fsi由式(26)(27)可得。
分别定义pi＝[1，exp(jωsi)，exp(j2ωsi)，…exp(j(G-1)ωsi]T为空域傅立叶导引矢量，qi＝[1，exp(jωti)，exp(j2ωti)，…，exp(j(K-1)ωti)]T为时域傅立叶导引矢量，其中G，K分别为接收机的阵元数目和一个相参处理间隔内的脉冲数。雷达的工作原理是在一段时间内发射多个脉冲，下一段时间间隔内又发送另一串脉冲。相参处理间隔指的是在该时间间隔内，这多个脉冲信号的相位关系固定，可以进行联合处理。二维傅立叶导引矢量Si即定义为矢量pi和qi的Kronecker积，即ki＝piqi，ki为GK×1维。
该距离环的杂波空时二维协方差矩阵Uc为Uc=Σi=1NaζikikiH---(31)]]>其中，上标H表示共轭转置。Uc为GK×GK维。ζi为第i个杂波单元信号的平均功率。ζi由下式求得，这里采用简化的雷达方程，主要关注距离和天线增益带来的影响
ζi=Wi||TuCiu→||2||RuCiu→||2---(32)]]>第六步产生服从该协方差阵统计特性的杂波模拟数据w。
杂波模拟数据的产生方法是用Uc1/2和高斯白噪声相乘，即w=Uc1/2·μ,]]>其中μ为GK×1维的高斯白噪声。
至此，星载双基地雷达的杂波基带模拟信号产生完成。
本发明针对一种新的雷达系统即星载双基地雷达系统提出了杂波模拟信号的产生方法。通过该方法，我们可以将产生的杂波数据进行用于后续星载雷达信号处理系统的杂波抑制算法的验证、选择或改进。
图1星载双基地雷达杂波基带信号产生系统框图；图2杂波模拟基带信号产生方法流程图；图3杂波等距离环建立方法模型Cr表示杂波等距离环；图4卫星覆盖范围示意图；图5O-XYZ到地球经纬度直角坐标系旋转图；图6卫星速度定义；图7一种星载双基地雷达配置下的杂波空时二维谱；图8一种星载双基地雷达配置下的杂波空时二维谱俯视图；图9多种杂波抑制算法性能比较 FA， APD， PSPD， JDL， DBPD。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进一步详细描述。
本发明的方法可以分为6个步骤，具体流程如附图2所示。根据该流程设定星载双基地雷达参数，采用附图1所示的系统框图实现。附图1的系统采用高性能的服务器为硬件平台，在windows操作系统下开发星载双基地雷达杂波仿真信号软件，运行相应的流程，根据设定的参数产生星载雷达的基带模拟数据，存入服务器内存中，然后由标准PCI总线输出板卡根据传输协议，将数据发送给星载基雷达信号处理系统。因为不同的雷达系统参数配置下的杂波信号特性不同，信号处理系统将针对不同的雷达系统参数采用不同的杂波抑制算法。
因此，我们需要根据具体的雷达参数进行杂波抑制算法选择，更好的抑制掉杂波信号，从而提高后续的动目标检测性能。下面将给出通过仿真实验产生的杂波模拟信号和采用多种杂波抑制算法对该信号进行处理后的性能图，以说明其在进行杂波抑制算法选择时所起的作用，仿真时采用的雷达系统参数由表一所示。
表一雷达系统参数按照设定的雷达参数产生出模拟杂波信号，给出该信号对应的空时二维谱如附图7所示，附图8为该谱的俯视图。可以看出在星载雷达情况下，杂波的多普勒模糊非常严重。
接下来我们考虑采用多种杂波抑制算法对产生的杂波模拟信号进行处理并选出一种最好的算法。现在的杂波抑制算法一般考虑降维STAP，它的种类很多，下面只列举其中的几种(1)Full Adaptive(FA)(2)Adjancent-bin-Post Doppler(APD)(3)PRI-Staggered-Post Doppler(PSPD)(4)Joint DomainLocalized(JDL)(5)Displaced-filter Beamspace Post-Doppler(DBPD)其中，前3种方法，由于采用了全部阵元的自由度和部分时域脉冲的自由度，因此叫做阵元域的自适应处理。而后两种算法只采用了部分阵元和部分脉冲做自适应处理，叫做波束域的自适应处理。在阵元域，PSPD比APD的运算量大。在波束域，DBPD比JDL运算量大。AMP算法是所有算法中运算量最大的。
采用上面的提到的五种降维STAP算法对杂波数据进行处理，附图9是采用五种算法对杂波模拟数据进行处理后的性能比较。Lsinr是SINR损失，一般我们认为Lsinr的-5dB处对应的凹口宽度为动目标的最小可检测速度(MDV)，如果目标速度落在该凹口范围内，则无法检测。因此，凹口越窄，可以检测的动目标速度范围越大，性能相应就越好。可以看出，波束域的DBPD和JDL算法性能优于阵元域的FA，APD和PSPD，再结合运算量的考虑，在该双基地配置参数下应该选择JDL算法。
可见，产生的双基地雷达模拟信号可以用于信号处理系统对杂波抑制算法进行选择。
权利要求
1.星载双基地雷达杂波基带模拟信号的产生方法，其特征在于，它依次含有以下步骤步骤(1)在计算机上输入星载双基地雷达系统参数作为该方法的初始条件雷达系统参数包括三部分，即雷达装置参数、放置雷达的卫星平台参数和目标参数；雷达装置参数发射信号波长λ，发射机天线阵元数目Q，接收机天线阵元数目G，接收机天线阵元间距和发射机天线阵元间距相等，记为d，发射机脉冲重复频率fr；卫星平台参数雷达发射机所在卫星平台高度Ht，接收机所在卫星平台的轨道高度Hr，发射机卫星轨道倾角θt，接收机卫星轨道倾角θr，发射机卫星轨道升交点的经度t，接收机卫星轨道升交点经度r，发射机卫星星下点经度ρt，接收机卫星星下点经度ρr；由θt，t，ρt得到发射机星下点纬度ξt， 由θr，r，ρr得到接收机星下点纬度ξr， 目标参数地面上待检测单元D的坐标(ρd，ξd)，ρd表示经度，ξd表示纬度步骤(2)在计算机上依次按以下步骤建立星载双基地雷达杂波等距离环步骤(2.1)地球经纬度直角坐标系以北极为Zu轴，赤道平面为XuOYu平面，零度经线方向为Xu轴；接收机，发射机和待检测点D在地球经纬度直角坐标系的位置分别为 上标u表示该坐标是以经纬度坐标系为参考的，符号 表示向量；Tu→=(Txu,Tyu,Tzu),]]>其中Txu，Tyu，Tzu分别为发射机在地球经纬度直角坐标系下x，y，z轴的坐标分量；Ru→=(Rxu,Ryu,Rzu),]]>其中Rxu，Ryu，Rzu分别为接收机在地球经纬度直角坐标系下x，y，z轴的坐标分量；Du→=(Dxu,Dyu,Dzu),]]>其中(Dxu，Dyu，Dzu)分别为D点在地球经纬度直角坐标系下x，y，z轴的坐标分量；步骤(2.2)建立直角坐标系O-XYZ，设接收机和发射机在O-XYZ直角坐标系中的位置分别用R和T表示，待检测点的位置用D表示，O为地球球心，则 为Z轴，与Z轴垂直且过球心的平面为XOY平面；定义T→=(Tx,Ty,Tz)]]>为发射机在O-XYZ直角坐标系中的位置矢量，其中Tx，Ty，Tz分别为发射机在O-XYZ直角坐标系下x，y，z轴的坐标分量；定义R→=(Rx,Ry,Rz)]]>为接收机在O-XYZ直角坐标系中的位置矢量，其中Rx，Ry，Rz分别为接收机在O-XYZ直角坐标系下x，y，z轴的坐标分量；定义D→=(Dx,Dy,Dz)]]>为待测目标在O-XYZ直角坐标系中的位置矢量；g为双基地距离和，等于待测点D到R和T的距离之和；设杂波等距离环上的点即杂波单元在O-XYZ直角坐标系中的坐标为(x，y，z)，满足在O-XYZ直角坐标系中以接收机和发射机的位置为焦点的椭球方程b2(xcosβ+zsinβ-εx)2+a2y2+a2(-xsinβ+zcosβ-εz)2＝a2b2(1)其中，a=g2,b=a2-14((Rx-Tx)2+(Ry-Ty)2+(Rz-Tz)2),β=tan-1(Tz-RzTx-Rx),]]>ϵx=Rx+Tx2cosβ+Rz+Tz2sinβ,ϵz=-Rx+Tx2sinβ+Rz+Tz2cosβ;]]>步骤(2.3)杂波单元同时又在地球表面上，满足球面参数方程x=Resinηcosφy=Resinηsinφz=Recosη---(2)]]>其中φ，η分别为球面坐标系中任意一点的方位角和俯仰角，η∈
，φ∈
，Re为地球半径；步骤(2.4)将(1)与(2)联立求解，获得杂波单元的俯仰角和方位角的关系[(b2-a2)Re2sin2ηcos2β]cos2φ+(E1Re2sinηcosφ+E2Resinη)cosφ+(a2Re2sin2η+E3Recosη+E4+E5Re2cos2η)＝0(3)其中，E1＝2(b2-a2)cosβsinβ，E2＝2a2εzsinβ-2b2εxcosβE3＝-(2b2εxsinβ+2a2εzcosβ)，E4=b2ϵx2+a2ϵz2-a2b2,E5=b2sin2β+a2cos2β;]]>步骤(2.5)式(3)是一个关于η和cosφ的一元二次方程，设每个杂波单元i对应的η，φ为ηi，φi，通过从Z轴正方向0到π扫描ηi来求出φi=cos-1(-A2±A22-4A1A32A1);]]>A1＝(b2-a2)Re2sin2ηcos2β其中A2＝E1Re2sinηcosη+E2ResinηA3＝a2Re2sin2η+E3Recosη+E4+E5Re2cos2η步骤(2.6)，根据ηi，φi，利用式(2)求出杂波等距离环上每个杂波单元在O-XYZ直角坐标系下的坐标；步骤(3)在计算机中进行星载双基地雷达杂波单元有效性判断步骤(3.1)，设分别载有接收机和发射机的两个卫星到雷达系统覆盖范围内的最远点的距离为IRmax，ITmax则IRmax=Hr2+2*Re*Hr]]>ITmax=Ht2+2*Re*Ht]]>步骤(3.2)，在O-XYZ直角坐标系中计算所有杂波单元分别到接收机和发射机的距离LRCi，LTCi，下标i表示第i个杂波单元LRCi=(xi-Rx)2+(yi-Ry)2+(zi-Rz)2]]>LTCi=(xi-Tx)2+(yi-Ty)2+(zi-Tz)2]]>步骤(3.3)将LRCi与IRmax，LTCi与ITmax进行比较，只有同时满足LRCi＜IRmax和LTCi＜ITmax的杂波单元才在发射机和接收机的共同覆盖范围内，为有效杂波单元，得到有效杂波单元数目为Na；步骤(4)在计算机中进行每个杂波单元对应的时间频率和空间频率计算步骤(4.1)每个杂波单元速度矢量 的计算将Na个杂波单元的坐标从O-XYZ直角坐标系旋转到地球经纬度直角坐标系O-XuYuZu，坐标旋转公式为xu=(cosγ1sinξrcosρr+sinγ1sinρr)x+(sinγ1sinξrcosρr-cosγ1sinρr)y+cosξrcosρrzyu=(cosγ1sinξrsinρr-sinγ1cosρr)x+(sinγ1sinξrsinρr+cosγ1cosρr)y+cosξrsinzu=-cosγ1cosξrx-sinγ1cosξry+sinξrzρrz]]>其中，γ1为ROT平面和ROZ平面形成的二面角的补角，(xu，yu，zu)为杂波单元在地球经纬度直角坐标系中的坐标值；γ1＝π-γ1′，γ1′为ROT平面和ROZu平面形成的二面角，γ1′=cos-1(sinξt-cosαsinξrsinαcosξr)]]>其中，α=(Re+Hr)2+(Re+Ht)2+(Rxu-Txu)2+(Ryu-Tyu)2+(Ryu-Tyu)2-2(Re+Hr)(Re+Ht)]]>通过坐标旋转，得到第i个杂波单元在地球经纬坐标系的坐标Ciu→=(xiu,yiu,ziu),]]>i＝1，…，Na，再将 转换为相对应的纬度ξCi和经度ρCi，ξCi=sin-1(ziu/Re),]]>ρCi=sin-1(yiuRecosξCi),]]>ξCi范围为-π/2到π/2，ρCi范围为-π到π；进一步求出第i个杂波单元由于地球自转引起的速度矢量 VCi→=(-459sinρCicosξCi,459cosρCicosξCi,0);]]>步骤(4.2)，雷达接收机速度矢量 计算 为雷达接收机在地球经纬度直角坐标系中的速度矢量，接收机所在轨道平面的法向量为 记为 接收机的位置的单位矢量为 这些矢量名称加上右下标x，y，z分别表示它们在x，y，z轴上的分量，则VR→=aVR(FR→×PR→)]]>其中，aVR为标量，表示接收机卫星的速度大小，aVR=629575/(Hr+Re)/1000;]]>由接收机的经纬度坐标求得接收机的位置的单位矢量PR→=(cosξrcosρr,cosξrsinρrsinξr);]]> 由接收机轨道倾角θr即轨道平面与地球赤道平面的夹角大小和接收机轨道升交点经度r确定顺行轨道即轨道倾角小于π/2时 逆行轨道即轨道倾角大于π/2度小于π (4.3)，雷达发射机的速度矢量 计算 为雷达发射机在地球经纬度直角坐标系中的速度矢量，发射机所在轨道平面的法向量为 记为 发射机的位置单位矢量 VT→=aVT(FT→×PT→),]]>由发射机的经纬度坐标求得接收机的位置的单位矢量，PT→=(cosξtcosρt,cosξtsinρt,sinξt);]]> 由发射机轨道倾角大小θt和发射机轨道升交点经度t确定，顺行轨道 逆行轨道 (4.4)，求解星载双基地雷达杂波等距离环第i个单元的时间频率ftifti=1λ(VT→·TuCiu→||TuCiu→||+VCi→·CiuTu→||CiuTu→||+VR→·RuCiu→||RuCiu→||+VCi→·VCi→·CiuRu→||CiuRu→||)]]>其中， 分别为发射机，接收机在经纬度直角坐标系中的速度矢量， 为第i个杂波单元由于地球自转引起的速度矢量，Ciu为第i个杂波单元在地球经纬度直角坐标系中的位置， 分别为地球经纬度直角坐标系中发射机和接收机到第i个杂波单元位置的矢量， 分别为地球经纬度直角坐标系中第i个杂波单元位置到发射机和接收机的矢量，矢量长度计算如下||TuCiu→||=||CiuTu→||=(xiu-Txu)2+(yiu-Tyu)2+(ziu-Tzu)2,]]>||RuCiu→||=||CiuRu→||=(xiu-Rxu)2+(yiu-Ryu)2+(ziu-Rzu)2;]]>(4.5)，求解星载双基地雷达杂波等距离环第i个单元的空间频率fsifsi=dλVR→·RuCiu→||VR→||||RuCiu→||]]>步骤(5)在计算机中进行杂波协方差矩阵Uc的计算步骤(5.1)，第i个杂波单元相对于接收机的空间角频率为ωsi＝2πfsi，时间角频率为ωti＝2πfti，分别定义pi＝[1，exp(jωsi)，exp(j2ωsi)，…exp(j(G-1)ωsi]T为空域傅立叶导引矢量，qi＝[1，exp(jωti)，exp(j2ωti)，…，exp(j(K-1)ωti)]T为时域傅立叶导引矢量，其中G，K分别为接收机的阵元数目和一个相参处理间隔内的脉冲数；二维傅立叶导引矢量ki即定义为矢量pi和qi的Kronecker积，即ki＝piqi，ki为GK×1维；第i个杂波单元相对于发射机阵列放置方向的锥角余弦cosΦTi为cosΦTi=VT→·TuCiu→||VT→||||TuCiu→||]]>待检测点D相对于发射机阵列放置方向的锥角余弦cosΦT0为cosΦT0=VT→·TuDu→||VT→||||TuDu→||]]>ΦT0为发射机天线的主波束指向；其中，其中， 为从发射机位置到待检测点位置的矢量；||TuDu→||=(Dxu-Rxu)2+(Dyu-Ryu)2+(Dzu-Rzu)2]]>第i个杂波单元上的发射天线增益为Wi=Σn=1Qexp{j2πdλ(n-1)(cosΦTi-cosΦT0)}]]>其中Q为发射机阵元数目；步骤(5.2)，该距离环的杂波空时二维自相关矩阵为Uc=Σi=1NaζikikiH]]>其中，上标H表示将向量ki共轭转置；ζi为第i个杂波单元信号的平均功率，由下式求得ζi=Wi||TuCiu→||2||RuCiu→||2]]>步骤(6)在计算机中产生服从Uc统计特性的杂波基带模拟数据w杂波模拟数据的产生方法是用Uc1/2和高斯白噪声相乘，即w=Uc1/2·μ,]]>其中μ为GK×1维的高斯白噪声；步骤(7)将该模拟数据通过数据发送设备发送给后续星载雷达信号处理系统。
全文摘要
本发明涉及星载双基地雷达杂波基带信号的产生方法，它包括几个步骤根据星载双基地雷达系统参数设定初始条件，建立星载双基地雷达杂波等距离环模型，判断环上杂波单元的有效性，计算每个有效杂波单元由于地球自转引起的运动矢量。然后根据卫星位置和轨道参数计算卫星速度矢量，计算出有效杂波单元对应的时间频率和空间频率。进一步，将所有有效杂波单元的空时二维快拍求和，最后求出杂波协方差矩阵和产生服从该统计分布的杂波数据。该数据可以用于后续星载雷达信号处理系统的杂波抑制算法的验证、选择或改进。
文档编号G01S7/285GK1928589SQ200610113459
公开日2007年3月14日 申请日期2006年9月29日 优先权日2006年9月29日
发明者李华, 汤俊, 严军, 彭应宁, 张卫杰 申请人:清华大学