基于数字高程和数字地表覆盖的机载雷达杂波仿真方法
【专利摘要】本发明公开了基于数字高程和数字地表覆盖的机载雷达杂波仿真方法，涉及雷达【技术领域】，其步骤为：步骤1，构建雷达和载机在大地坐标系下的系统参数，以及雷达阵元组成的雷达天线阵面和雷达速度在东北天坐标系下的系统参数；步骤2，求取雷达与杂波单元Ck之间的视线矢量并计算雷达与杂波单元Ck之间的距离Rk；步骤3，得到杂波单元Ck与雷达之间的入射余角杂波单元Ck的雷达截面积Sk；杂波单元Ck单位面积的后向散射系数杂波单元Ck的回波功率；步骤4，根据每一俯仰角判断杂波单元Ck是否被遮挡，得到遮挡标志δk；步骤5，构建杂波单元Ck的回波信号；将雷达照射范围内K个杂波单元的回波信号进行累积，得到杂波信号。本发明能够获取逼真的杂波仿真数据。
【专利说明】基于数字高程和数字地表覆盖的机载雷达杂波仿真方法
【技术领域】
[0001]本发明属于雷达【技术领域】，具体的说是一种基于数字高程模型和数字地表覆盖模型的机载雷达杂波仿真方法，适用于机载相控阵雷达进行真实场景的杂波仿真。
技术背景
[0002]雷达是现代战争中不可缺少的装备，对于采用下视工作方式的机载预警雷达来说，地海面杂波对目标检测的影响十分突出，对杂波的抑制能力就成了检验雷达性能的重要指标。为了能够提供有效的杂波抑制方法，提升雷达在杂波中检测微弱信号的能力，必须对雷达工作环境的杂波特性有充分完备的认识。实测的杂波数据不可能在短时间内得到，而且花费极高。但是随着计算机技术的提高，利用计算机进行仿真杂波的方法来研究机载雷达的杂波特性，为雷达系统的设计和信号处理方法提供仿真数据，就显得极为重要了。
[0003]J.Ward提出了传统的杂波仿真方法，在极坐标系中将杂波按等距离环和方位角来划分成多个杂波单元，在某一方位角，随着距离的增大，外层的杂波单元面积增大，擦地角也随着距离的增大而减小。该传统仿真方法中假设每个杂波单元所对应的地表类型一致，即杂波服从独立同分布，然而在实际的环境中，尤其当面积逐渐增大之后，该杂波单元所对应的地表类型将可能不止一种，这就背离了杂波单元独立同分布的假设，对于描述远距离杂波单元的回波特性产生了比较大的误差。同时，传统仿真方法也假设地形没有起伏，在一定程度上反应不出真实场景(如高山、丘陵等)中地面起伏和擦地角变化，因此这就极大的限制了获取真实场景仿真的数据。
[0004]范国忠等人使用的数字高程模型进行杂波仿真的方法，能有效的描述真实场景中地面的起伏以及擦地角的变化，但是在描述地面起伏的遮挡判断算法计算量大，对于大范围的杂波仿真比较有限。王爱国等人仅仅利用了数字高程模型描述真实的地面起伏状态，对于真实的地貌特征，如城市、河流、沙漠等没有具体建模分析与仿真。
[0005]技术内容
[0006]针对目前基于独立同分布假设的杂波仿真所存在的缺陷，本发明提出一种基于数字高程模型和数字地表覆盖模型的机载相控阵雷达杂波仿真方法，结合数字高程模型和数字地表覆盖模型，改进了原有特定场景杂波仿真中遮挡判断计算量大的缺点并且加入了数字地表覆盖模型，对地表类型进行归并分类与建模，极大程度的还原了真实场景的各项特性，从而获得逼真的杂波仿真数据。
[0007]为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
[0008]一种基于数字高程和数字地表覆盖的机载雷达杂波仿真方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0009]步骤1，构建雷达在大地坐标系下的系统参数，以及雷达阵元组成的雷达天线阵面和雷达速度在东北天坐标系下的系统参数；
[0010]步骤2，将雷达天线阵面所处的东北天坐标系变换到地心坐标系，得到地心坐标系下的雷达阵元间隔矢量3和地心坐标系下的雷达速度矢量ii将雷达所处的大地坐标系转换到地心坐标系，定义数字高程模型在大地坐标系下的杂波单元ck，求取雷达与杂波单元Ck之间的视线矢量‘，并计算雷达与杂波单元Ck之间的距离Rk ；
[0011]步骤3，在大地坐标系下构建杂波单元相对于雷达的四边形入射平面，得到四边形的四个顶点坐标，左上顶点与右下顶点形成一条对角线矢量，右上顶点与左下顶点形成另一条对角线矢量，利用两条对角线矢量计算入射平面的法向矢量口，再计算雷达视线矢量ζ?;利用入射平面的法向矢量Zp和雷达视线矢量ζ?计算杂波单元Ck与雷达之间的入射余角終.根据入射平面的两条对角线矢量计算杂波单元Ck的雷达截面积Sk ；
[0012]利用数字地表覆盖模型计算杂波单元Ck单位面积的后向散射系数利用杂波单元后向散射系数杂波单元雷达截面积Sk，杂波单元Ck与雷达之间的距离Rk，计算杂波单元Ck的回波功率；
[0013]步骤4，求取雷达与杂波单元Ck之间离散化点集；求取离散化点集中每一离散点相对于雷达的俯仰角；根据每一俯仰角判断杂波单元Ck是否被遮挡，得到遮挡标志Sk;
[0014]步骤5,利用雷达与杂波单兀Ck之间的视线矢量QTi和雷达阵兀间隔矢量构建回波空域信号导向矢量和回波时域信号导向矢量；利用回波空域信号导向矢量、回波时域信号导向矢量、回波功率、遮挡标志构建杂波单元Ck的回波信号；将雷达照射范围内K个杂波单元的回波信号进行累积，得到杂波信号。
[0015]上述技术方案的特点和进一步改进在于:
[0016](I)步骤I中所构建的系统参数包括:
[0017]所述雷达为相控阵雷达；雷达与载机一体所处位置在大地坐标系下的坐标为
Pd0, bo, 10,雷达天线阵面在东北天坐标系下以速度矢量? =飞行，雷达位于载机上，雷达为正侧视安装方式，雷达天线阵面为矩形平面，水平向Na个阵元，俯仰向Ne个阵元，阵元间间隔矢量为-- = (0，?/ν,4)，天线主播束方位向与相控阵雷达天线的矩形阵面的法向垂直，俯仰向指向水平视线的无穷远处；其中Ε、N、V为东北天坐标轴，E轴指向正东，N轴指向正北，V与Ε、N构成右手坐标系，νΕ为雷达在E轴下的速度分量，νΝ为雷达在N轴下的速度分量，Vv为雷达V轴下的速度分量；L、B、H为大地坐标轴，L轴为经度轴，B为纬度轴，H为高度轴，10为载机经度，b0为载机纬度，h0为载机飞行高度。
[0018](2)步骤2具体包括:
[0019]将雷达天线阵面所处的东北天坐标系变换到地心坐标系，将雷达所处的大地坐标系变换到地心坐标系，转换公式如下所示:
-sinL -cos Isin B cm L cm B E
[0020]Y I= cos I, -sin ￡ sin J sin ￡ cos J x N(I)
Zj L 0 m%B sinB J [F_
[0021]其中X、Y、Z为地心坐标系，原点在地球中心，X轴指向本初子午线与赤道的交点，Z轴与地球的自转轴重合，指向北极，Y轴位于赤道平面与X轴垂直，形成一个右手坐标系；L代表大地坐标系的经度轴，B代表大地坐标系的纬度轴；
[0022]地心坐标系下，雷达阵元间隔矢量S为:
【权利要求】
1.一种基于数字高程和数字地表覆盖的机载雷达杂波仿真方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1，构建雷达在大地坐标系下的系统参数，以及雷达阵元组成的雷达天线阵面和雷达速度在东北天坐标系下的系统参数； 步骤2，将雷达天线阵面所处的东北天坐标系变换到地心坐标系，得到地心坐标系下的雷达阵元间隔矢量5和地心坐标系下的雷达速度矢量ii将雷达所处的大地坐标系转换到地心坐标系，定义数字高程模型在大地坐标系下的杂波单元Ck，求取雷达与杂波单元Ck之间的视线矢量i，并计算雷达与杂波单元Ck之间的距离Rk ； 步骤3，在大地坐标系下构建杂波单元相对于雷达的四边形入射平面，得到四边形的四个顶点坐标，左上顶点与右下顶点形成一条对角线矢量，右上顶点与左下顶点形成另一条对角线矢量，利用两条对角线矢量计算入射平面的法向矢量P?再计算雷达视线矢量ζΤ5;利用入射平面的法向矢量0和雷达视线矢量ζ?计算杂波单元Ck与雷达之间的入射余角钓.'根据入射平面的两条对角线矢量计算杂波单元Ck的雷达截面积Sk ； 利用数字地表覆盖模型计算杂波单元Ck单位面积的后向散射系数< ;利用杂波单元后向散射系数< ,杂波单元雷达截面积Sk，杂波单元Ck与雷达之间的距离Rk，计算杂波单元Ck的回波功率； 步骤4，求取雷达与杂波单元Ck之间离散化点集；求取离散化点集中每一离散点相对于雷达的俯仰角；根据每一俯仰角判断杂波单元Ck是否被遮挡，得到遮挡标志Sk; 步骤5，利用雷达与杂波单元Ck之间的视线矢量‘和雷达阵元间隔矢量S构建回波空域信号导向矢量和回波时域信号导向矢量；利用回波空域信号导向矢量、回波时域信号导向矢量、回波功率、遮挡标志构建杂波单元Ck的回波信号；将雷达照射范围内K个杂波单元的回波信号进行累积，得到杂波信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字高程和数字地表覆盖的机载雷达杂波仿真方法，其特征在于，步骤I中所构建的系统参数包括: 所述雷达为相控阵雷达；雷达与载机一体所处位置在大地坐标系下的坐标为Pd0, b0,10，雷达天线阵面在东北天坐标系下以速度矢量?，= (%,vV)飞行，雷达位于载机上，雷达为正侧视安装方式，雷达天线阵面为矩形平面，水平向Na个阵元，俯仰向Ne个阵元，阵元间间隔矢量为2 = (0，冬斗)，天线主播束方位向与相控阵雷达天线的矩形阵面的法向垂直，俯仰向指向水平视线的无穷远处；其中E、N、V为东北天坐标轴，E轴指向正东，N轴指向正北，V与E、N构成右手坐标系，vE为雷达在E轴下的速度分量，vN为雷达在N轴下的速度分量，Vv为雷达V轴下的速度分量；L、B、H为大地坐标轴，L轴为经度轴，B为纬度轴，H为高度轴，10为载机经度，b0为载机纬度，h0为载机飞行高度。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字高程和数字地表覆盖的机载雷达杂波仿真方法，其特征在于，步骤2具体包括: 将雷达天线阵面所处的东北天坐标系变换到地心坐标系，将雷达所处的大地坐标系变换到地心坐标系，转换公式如下所示:
其中X、Y、Z为地心坐标系，原点在地球中心，X轴指向本初子午线与赤道的交点，Z轴与地球的自转轴重合，指向北极，Y轴位于赤道平面与X轴垂直，形成一个右手坐标系；L代表大地坐标系的经度轴，B代表大地坐标系的纬度轴； 地心坐标系下，雷达阵元间隔矢量3为:
其中，x、_y、z分别代表地心坐标轴的3个单位矢量，dx、dy、dz分别代表阵元间隔在地心坐标轴上的3个分量； 地心坐标系下,雷达的速度矢量?为:
其中，vx, vy, Vz分别代表速度在地心坐标轴上的3个分量； 大地坐标系下，数字高程模型中的每一条经度轴L和每一条纬度轴B相交形成矩形网格点，每一个网格点则对应一个高度，从数字高程模型中通过定位经纬度直接读取该经纬度所对应的高度，而每一个网格点就是一个杂波单元，设定杂波单元Ck在大地坐标系下坐标(lk, bk, hk), k = 1，2，...，K, K为雷达照射范围内所有杂波单元的个数； 由大地坐标系转换到地心坐标系的转换公式如式(4)所示:
X = (N+H)cosBcosL Y= (N+H) cosBsinL(4)
Z = [N(l-e2)+H)]sinB 将雷达的大地坐标Pdc^btl, Iici)代入公式⑷计算雷达在地心坐标系下的坐标为(X0, y。，Ztl)，将数字高程模型中的杂波单元Ck的大地坐标(lk，bk，hk)代入公式(4)计算得到杂波单元在地心坐标系下的坐标为(xk，yk，zk);雷达与杂波单元Ck之间的视线矢量为:
计算杂波单元Ck与雷达之间的距离Rk:
4.根据权利要求1所述的一种基于数字高程和数字地表覆盖的机载雷达杂波仿真方法，其特征在于，步骤3包括以下子步骤: 3a)在大地坐标系下，杂波单元Ck作为四边形入射平面的左上顶点Cf ,与杂波单元Ck右相邻的杂波单元作为入射平面的右上顶点Cr,与杂波单元Ck下相邻的杂波单元作为入射平面的左下顶点Cirf ,与Ck右下相邻的杂波单元作为入射平面的右下顶点Cf ;将雷达入射平面中的四个顶点对应的杂波单元按照公式(4)转换到地心坐标系下后，入射平面的左上顶点C?与右下顶点Cf形成一条对角线矢量EfIf7,右上顶点--与左下顶点Cf形成另一条对角线矢量c7cf ,两条对角线矢量cfcf和C^cf叉乘得到入射平面的法向矢量QA ,杂波单元Ck与雷达P构成的矢量^为雷达视线矢量； 3b)利用入射平面的法向矢量@和雷达视线矢量ζΤΗ十算杂波单元Ck与雷达之间的入射余角％:
其中，.表示点乘；3c)根据入射平面的两条对角线矢量^f和计算杂波单元Ck的雷达截面积
3d)利用数字地表覆盖模型计算杂波单元Ck单位面积的后向散射系数of I3e)利用杂波单元后向散射系数,杂波单元雷达截面积Sk，杂波单元Ck与雷达之间的距离Rk，计算杂波单元Ck的回波功率:
式(10)中，Pt为雷达发射峰值功率，Gt为杂波单元Ck的方向图增益，λ为载频波长，为杂波单元后向散射系数，Sk为杂波单元雷达截面积，Rk为杂波单元Ck与雷达之间的距尚，Ls为雷达fe耗。
5.根据权利要求4所述的一种基于数字高程和数字地表覆盖的机载雷达杂波仿真方法，其特征在于，子步骤3d)具体包括:根据杂波单元Ck的大地经纬度坐标lk，bk从数字地表覆盖模型中获取杂波单元Ck对应的地表标签；根据该地表标签计算杂波单元Ck的单位面积散射系数σ?通过下式(9-a)和(9-b)表示:
在非水体的式(9-a)中:ft为入射余角，
&为雷达工作频率，单位GHz，λ为雷达工作波长，W~I ；A为幅度参数，B为相位参数，β ^为镜面反射参数，cr?为角度参数； 在水体的式(9-b)中:其中，《为入射余角，SS是水情级数，
, Θ c = sin—1 ( λ /4 3i he), he = 0.025+0.046SS1.72，β =[2.44(SS+l)1Q8]/57.29 为镜面反射参数，W= 1.9。
6.根据权利要求1所述的一种基于数字高程和数字地表覆盖的机载雷达杂波仿真方法，其特征在于，步骤4包括以下子步骤: 4a)在大地坐标系下，雷达位置坐标为P (10, b0, h0)，当杂波单元Ck在第一卦限时，则经度轴L的坐标大于纬度轴B的坐标，连接雷达位置P与杂波单元Ck对应的点，则与经度轴L和纬度轴B相交于J个点，根据公式(11)计算雷达P到杂波单元Ck投影的离散化点集
当杂波单元Ck在第二卦限时，则纬度轴B的坐标大于经度轴L的坐标，连接雷达位置P与杂波单元Ck，则与经度轴L和纬度轴B相交于J个点，根据公式(12)计算雷达P到杂波单元Ck投影的离散化点集{lj, bj, hj}, j = O, I,..., J:
其中!_*_!表示向下取整，j = 0时即为雷达坐标，j = j即为杂波单元ck的坐标； 当杂波单元Ck在其他三至八任一卦限中时，在经度轴L的坐标大于纬度轴B的坐标情况下，用式(11)计算离散化点集，在纬度轴B的坐标大于经度轴L的坐标情况下，用式(12)计算离散化点集； 4b)通过公式(4)先将雷达与离散化点集中的离散点转换到地心坐标系下，然后通过公式(13)计算得到雷达与离散化点集中的离散点之间的距离Rj:
离散化点集中每一离散点相对于雷达的俯仰Θ j表示为下式，j = O, I,..., J, J表示离散化点集中离散点的数目；
4c)将离散化点集中的每一个俯仰角与杂波单元Ck的俯仰角进行比较，只要在离散化点集中存在一个俯仰角小于杂波单元Ck的俯仰角，则杂波单元Ck被遮挡，否则就不被遮挡，遮挡标志为δ k:
7.根据权利要求1所述的一种基于数字高程和数字地表覆盖的机载雷达杂波仿真方法，其特征在于，步骤5包括以下子步骤: 回波空域信号导向矢量为
回波时域信号导向矢量为
其中，Zrf =W为空间频率，‘为归一化多普勒频率，Na为水平向阵元个
数，凡为俯仰向阵元个数，M为一个脉冲重复间隔内发射脉冲的个数，λ为载频波长，f；为脉冲重复频率，5*为雷达与杂波单元Ck之间的视线矢量，5为雷达阵元间隔矢量，5为雷达速度矢量； 杂波单元Ck的回波信号为: tk= Sk^usk ? Sllf(18) 其中，S k为遮挡标志，ξ k为回波功率，喊示Kronecker积； 将雷达照射范围内K个杂波单元的回波信号进行累积，得到杂波信号为:
【文档编号】G01S7/40GK104076338SQ201410323900
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2014年7月8日
【发明者】王彤, 陈华彬, 吴建新, 崔伟芳 申请人:西安电子科技大学