一种近岸海域电磁脉冲雷达回波仿真方法与流程
本发明涉及目标与环境电磁散射特性建模与仿真领域，尤其涉及一种近岸海域电磁脉冲雷达回波仿真方法。
背景技术：
近岸海域已成为未来海上作战的基本样式之一。雷达系统研制过程中需建立近海域海背景回波仿真模型，为海上目标回波特性的数据采集、特征提取、控制和识别等研究提供必要的理论依据。目前雷达系统研制依赖大量的海上实验，这样既耗费大量的人力物力，也难以掌握机理和规律。同时近岸海域由于海浪受海岸线折射，海底地形和潮流等作用影响，其海面有着比深海海底平缓海域更复杂的规律，目前国内对其研究还不是很成熟。为了能够很好的识别目标以及得到相关探测结果，必须对近岸海域电磁散射特性作研究，以获得近岸海域相关数据。
技术实现要素：
本发明提供一种近岸海域电磁脉冲雷达回波仿真方法，解决了近海域雷达系统设计对海环境电磁特性的需要，和海上实测相比节省了大量的人力物力，能够有效地为雷达探测和抗干扰算法设计、参数选择、性能评估提供参考，既可用于近岸海域下不同海情样机动态交会虚拟实验，也有助于开展近岸海面电磁脉冲回波散射机理研究。
为了达到上述目的，本发明提供一种近岸海域电磁脉冲雷达回波仿真方法，包含以下步骤：
步骤S1、建立近岸海域海谱；
步骤S2、在近岸海域海谱基础上确定并计算脉冲多普勒体制下的海面网格区域；
步骤S3、采用电磁算法计算海面网格区域内粗糙表面面元的散射电场矢量；
步骤S4、加权计算模拟收发天线增益对粗糙面各部分散射贡献的影响；
步骤S5、考虑天线增益，建立脉冲波束后向散射回波雷达方程叠加计算海面网格区域内各粗糙表面面元的散射电场矢量，获得雷达多普勒回波仿真信号。
假设波从一无限深度位置A处传播到下一有限深度位置B处时的能流是守恒的，根据流体动力学表示为：
其中，ρ为海水的密度(kg/m3)，H为行波波高，b为波峰的宽度，cg为波浪的群速度，c为波浪的相速度；
变浅系数则定义为有限深度B处的波高与无限深度A处的波高之比：
则近岸海域海谱表示为：
其中，SJ(f)为JONSWAP谱。
所述的步骤S2具体包含以下步骤：
步骤S2.1、根据天线坐标位置及海面起伏大小，确定并提取近岸海域海面散射的主要贡献区域；
步骤S2.2、确定脉冲多普勒体制下的海面区域；
脉冲多普勒体制下，假定受发射脉冲作用区域及接收波门的限制，对雷达接收的多普勒回波起贡献的区域为天线主瓣照射区域与两距离圆间的相交部分：
t1C/2＜R＜(t1+Tp+Tv)C/2 (4)
其中，C为光速，t1为接收延迟，Tp为发射脉冲宽度，Tv为接收波门脉宽；
步骤S2.3、将确定的海面区域根据面元划分准则均匀分割成多个面元，生成海面网格。
所述的步骤S2.3中，所述的面元划分准则为：使每一个面元的最大线尺寸满足近场条件d＞2D2/λ，其中，d是观察点到面元的距离，D为面元最大线尺寸，λ为波长。
所述的分割面元的方法具体包含以下步骤：
步骤S2.3.1、将海面区域沿x方向和y方向根据埋怨划分准则分割为多个四边形面元；
步骤S2.3.2、判断每个小四边形面元是否为平面，若否，进行步骤S2.3.3；
步骤S2.3.3、将该四边形面元进一步分割成两个三角形面元。
近海面后向散射的公式为：
其中，
k为波数，为单位并矢，为入射波方向，为局部的法向矢量，为局部的水平极化矢量，为局部的垂直极化矢量，Rv，Rh为菲涅耳反射系数，对于垂直极化和水平极化，表示为：
εr为海水的相对介电常数，海水的相对介电常数与含盐量Ssw相关，
εsw∞＝4.9与纯水的相对介电常数相同，f为电磁波频率，εsw0、τsw和离子电导率σi均与温度T和含盐量Ssw有关，若定义Ssw为每千克盐水中溶解的盐的质量，则εsw0对τsw与的影响可写成：
其中，α和β是与温度和含盐量有关的系数。
加权计算模拟收发天线增益对粗糙面各部分散射贡献的影响：
其中，Si为单位球面波收发情况下第i个粗糙面面元的散射贡献；Gti为发射天线功率增益；Gri为接收天线的功率增益。
接收功率由各粗糙面面元的散射贡献累加计算：
其中，Pt为发射功率，λ为电磁波波长，Gm为公式(11)中收发天线最大增益，σi为粗糙面面元i的雷达截面，Ri为粗糙面面元i与天线中心的距离，假定er为天线极化方向，Esi为粗糙面面元i在天线口面的散射电场矢量，与公式(5)的相同，E0为单位距离处的发射场强，分别定义Ia、Qa为归一化天线接收场的实部和虚部：
其与雷达截面和接收功率的关系分别如下：
其中，Ia为仿真得到的多普勒回波信号。
本发明在近岸海域海谱的基础上，通过引入海水的相对介电常数、照射天线和脉冲多普勒体制的模拟，建立了脉冲波束后向散射回波雷达方程，实现了任意波束下电磁脉冲对动态海面后向散射的回波模拟，获得了不同海情、不同距离、不同角度下的海面回波信号，解决了近海域雷达系统设计对海环境电磁特性的需要，和海上实测相比节省了大量的人力物力，能够有效地为雷达探测和抗干扰算法设计、参数选择、性能评估提供参考，既可用于近岸海域下不同海情样机动态交会虚拟实验，也有助于开展近岸海面电磁脉冲回波散射机理研究。
附图说明
图1是本发明提供的一种近岸海域电磁脉冲雷达回波仿真方法的流程图。图2是脉冲多普勒体制下计算海面区域示意图。
图3是本发明生成的仿真信号的时域图。
图4是实测信号的时域图。
图5是本发明生成的仿真信号的频谱图。
图6是实测信号的频谱图。
具体实施方式
以下根据图1～图6，具体说明本发明的较佳实施例。
如图1所示，本发明提供一种近岸海域电磁脉冲雷达回波仿真方法，包含以下步骤：
步骤S1、建立近岸海域海谱。
近岸海域海谱的数字化模型生成是基于JONSWAP谱，通过引入变浅系数来考虑浅水中的有限水深因素，一定程度上代表了成长阶段的风浪。
假设波从一深水位置处传播到下一有限水深位置时的能流是守恒的，基于该假设，通过变浅系数将水深效应和海谱联系起来。
波从一无限深度位置A处传播到下一有限深度位置B处时的能流是守恒的，根据流体动力学表示为：
其中，ρ为海水的密度(kg/m3)，H为行波波高，b为波峰的宽度，cg为波浪的群速度，c为波浪的相速度。
变浅系数则定义为有限深度B处的波高与无限深度A处的波高之比：
利用深水海谱推导中的经验，海谱的表述式与统计波高的二次方成正比，默认该法则也适用于有限深度海水，则有限深度海谱(近岸海域海谱)可表示为：
其中，SJ(f)为JONSWAP谱。
步骤S2、在近岸海域海谱基础上确定并计算脉冲多普勒体制下的海面网格区域。
所述的步骤S2具体包含以下步骤：
步骤S2.1、根据天线坐标位置及海面起伏大小，确定并提取近岸海域海面散射的主要贡献区域；
步骤S2.2、确定脉冲多普勒体制下的海面区域；
脉冲多普勒体制下，假定受发射脉冲作用区域及接收波门的限制，对雷达接收的多普勒回波起贡献的区域(需计算的海面区域)为天线主瓣照射区域与两距离圆间的相交部分，如图2所示，其中虚线为天线-20dB增益(实际截止计算增益可按要求调整)的分界线，实线为等距线。
t1C/2＜R＜(t1+Tp+Tv)C/2 (4)
其中，C为光速，t1为接收延迟，Tp为发射脉冲宽度，Tv为接收波门脉宽；
步骤S2.3、将确定的海面区域根据面元划分准则均匀分割成多个面元，生成海面网格。
所述的步骤S2.3中，所述的面元划分准则为：使每一个面元的最大线尺寸满足近场条件(d＞2D2/λ)，其中，d是观察点到面元的距离，D为面元最大线尺寸，λ为波长。
所述的分割面元的方法具体包含以下步骤：
步骤S2.3.1、将海面区域沿x方向和y方向根据埋怨划分准则分割为多个四边形面元；
步骤S2.3.2、判断每个小四边形面元是否为平面，若否，进行步骤S2.3.3；
所述的判断四边形面元是否为平面的方法包含：取每个小四边形中a、b、c三点以及a、b、d三点，分别计算abc和abd两个面的法向内积，如果接近为1，则可近似地认为小四边形面元接近平面；
步骤S2.3.3、将该四边形面元进一步分割成两个三角形面元，以更加逼近真实情况下的雷达散射截面。
根据面元划分准则，在本发明的一个实施例中，如果对16GHz频率时15m×7m大小的模拟海面进行散射计算，需要约100万的网格面元，但是如果要求快速计算的话，从已仿真的结果知道，适当采用较粗的面元，对计算误差的影响是较小的，为此在保证一定精度的前提下，为提高计算速度，可采用较粗网格计算(较粗网格边长可按1～3个波长划分)。
步骤S3、采用电磁算法计算海面网格区域内粗糙表面面元的散射电场矢量。
基于基尔霍夫法面元法，粗糙表面上任意点的散射场是以该点切平面的场近似获得的。
近海面后向散射的公式为：
其中，
k为波数，为单位并矢，为入射波方向，为局部的法向矢量，为局部的水平极化矢量，为局部的垂直极化矢量，Rv，Rh为菲涅耳(Fresnel)反射系数，对于垂直极化和水平极化，可以表示为：
εr为海水的相对介电常数。海水相对介电常数是一个随电磁波频率变化的量，如对含盐量为Ssw(每千克海水溶液中溶解盐的总质量克数)的海水，其相对介电常数计算公式，
εsw∞＝4.9与纯水的相对介电常数相同，f为电磁波频率，εsw0、τsw和离子电导率σi均与温度T(℃)和含盐量Ssw有关。若定义Ssw为每千克盐水中溶解的盐的质量，则εsw0对τsw与的影响可写成：
其中，α和β是与温度和含盐量有关的系数。
步骤S4、加权计算模拟收发天线增益对粗糙面各部分散射贡献的影响。
天线照射的模拟，由于天线为窄波束天线，旁瓣较低，可利用简化的二维天线方向图描述，天线模型主要结合球面波和天线二维方向图归一化增益分布，通过加权计算模拟收发天线增益对粗糙面各部分散射贡献的影响。
其中，Si为单位球面波收发情况下第i个粗糙面面元的散射贡献；Gti为发射天线功率增益；Gri为接收天线的功率增益。
步骤S5、考虑天线增益，建立脉冲波束后向散射回波雷达方程叠加计算海面网格区域内各粗糙表面面元的散射电场矢量，获得雷达多普勒回波仿真信号。
由雷达方程可知，接收功率可由各粗糙面面元的散射贡献累加计算：
其中，Pt为发射功率，λ为电磁波波长，Gm为公式(11)中收发天线的最大增益，σi为粗糙面面元i的雷达截面，Ri为粗糙面面元i与天线中心的距离，假定er为天线极化方向，Esi为粗糙面面元i在天线口面的散射电场矢量，与公式(5)的相同，E0为单位距离处的发射场强，分别定义Ia、Qa为归一化天线接收场的实部和虚部：
其与雷达截面和接收功率的关系分别如下：
可见Ia和Qa为归一化情况下的I、Q信号，其中，Ia为仿真得到的多普勒回波信号。
图3是本发明生成的仿真信号的时域图，图4是实测信号的时域图，图5是本发明生成的仿真信号的频谱图，图6是实测信号的频谱图，从图3～图6可以看出，采用本发明生成的仿真信号与实测信号高度近似，可以很好地对海面真实回波信号进行仿真模拟。
本发明在近岸海域海谱的基础上，通过引入海水的相对介电常数、照射天线和脉冲多普勒体制的模拟，建立了脉冲波束后向散射回波雷达方程，实现了任意波束下电磁脉冲对动态海面后向散射的回波模拟，获得了不同海情、不同距离、不同角度下的海面回波信号，解决了近海域雷达系统设计对海环境电磁特性的需要，和海上实测相比节省了大量的人力物力，能够有效地为雷达探测和抗干扰算法设计、参数选择、性能评估提供参考，既可用于近岸海域下不同海情样机动态交会虚拟实验，也有助于开展近岸海面电磁脉冲回波散射机理研究。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
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