一种车载雷达散射特性测量区域地形生成方法与流程

本发明属于微波散射特性研究领域，特别涉及该领域中的一种车载雷达散射特性测量区域地形生成方法。

背景技术：

雷达回波与被雷达发射的电磁波所照射的地物性质有着直接的关系，照射区域内不同地物、地形起伏、含水量等等都会对回波发生影响，此外回波还与发射波的极化方式、频率、入射角有关。目标的雷达散射截面积σ是一个正比于回波功率的常用定义参数，根据雷达方程，雷达接收到的回波信号表示式为：

式中，pr为雷达的接收功率；pt为雷达的发射功率；g为天线的增益；λ为发射波的波长；r为雷达至待测目标或背景的距离；σ为雷达截面积。从(1)式中可知，回波功率与距离r是密切相关的，而地形的起伏将影响r的大小，尤其对于高分辨雷达来说，地形起伏对雷达散射截面的影响更大，从而影响雷达对背景或目标散射特性研究的准确性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题就是提供一种车载雷达散射特性测量区域地形生成方法。

本发明采用如下技术方案：

一种车载雷达散射特性测量区域地形生成方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

(1)激光测距仪与雷达天线中心波束指向一致性设计：

(11)雷达收发天线分离：

雷达天线a、雷达天线b和激光测距仪安装在同一水平面上，雷达天线a和雷达天线b间只需留下激光测距仪的安装位置即可，rj是某一入射角θ对应的地面与激光测距仪之间的距离，与雷达天线a、雷达天线b中心波束对应的距离一致；

(12)雷达收发天线共用：

雷达天线与激光测距仪安装在同一水平面上且相邻，在某一入射角θ下，雷达天线中心波束对应的距离与激光测距仪测量的距离一样，都为rj；

(2)雷达波束照射区域地形生成：

(21)激光测距仪测量距离：

在指定入射角的情况下，自动多次测量，测量的距离分别记为rθ1,rθ2,...,rθn(n>1)，然后对获取的距离求平均，某一入射角θ对应的距离rθj如下式：

(22)计算某一入射角θ对应的地形起伏值h：

以雷达的架设地作为基准面，计算地形的起伏值h，假定雷达天线相对基准面的高度为h，在某一入射角θ下，激光测距仪测量的距离rθj，地形起伏高度为h，并假定入射余角为其关系式如下：

(23)雷达波束照射区域地形测量：

雷达波束照射区域可以分为圆形地形区域与方形地形区域两种；

(231)圆形地形测量：

以雷达架设地o为原点，选定某一方位角为起始方位角，起始方位角包括但不限于正北或正东，按逆时针或顺时针进行测量，方位角的步长为等间隔且小于等于5°，在某一方位角的情况下，入射角也按小于等于5°的步长进行测量；

(232)方形地形测量：

以雷达架设地o为原点，选定某一方位角雷达沿方位角按一定的步长l进行架设，同时按小于等于5°入射角步长进行测量；

(24)雷达波束测量区域插值方法：

(241)圆形测量区域地形生成插值方法：

采用圆弧方向一维插值法，假定hi,j，hi,j+1为相邻同入射角的两个样本点，在这两点之间插值3个点，设这3个点地形高度为z1，z2，z3，具体算法如下：

由最邻近的4个点为hi,j，hi+1,j，hi,j+1，hi+1,j+1组成的扇区分成4个均匀的小扇区；

插值后的xq，yq，zq坐标生成的具体方法如下：

第一步：依据圆弧方向一维插值法生成r和zq，然后按照一定的步长生成θ；

第二步：采用matlab中的meshgrid函数生成极坐标tt，rr；

θ＝(θ1,θ2,θ3,...,θn)＝(0°,5°,10°,...,355°)

[tt,rr]＝meshgrid(θ,r)

第三步：采用matlab中的pol2cart函数生成直角坐标xq和yq；

[xq,yq]＝pol2cart(tt,rr)

在地形图显示过程中，取像素所在的小扇区左上方的插值数据作为显示灰度值；

(242)方形区域地形生成插值方法：

采用matlab中的interp2二维插值方法，其函数形式为zq＝interp2(x,y,z,xq,yq,'method')，其中，x和y为原有的数据点坐标，z为地形高度值h；xq和yq为插值后的坐标点，zq为插值的地形高度；method是设置的插值方法，这里采用邻近点插值法nearest，x、y、z、xq以及yq的值如下：

(x1,x2,x3,...,xm)＝(0,l,2×l,...,m×l)

(y1,y2,y3,...,yn)＝(δs1,δs1+δs2,δs1+δs2+δs3,...,δs1+δs2+δs3+...+δsn)

(25)测量区域地形生成：

地形生成方法采用matlab中的surf函数，将xq、yq、zq代入surf即可绘制得到测量区域地形图，具体使用方法为：

surf(xq,yq,zq)。

本发明的有益效果是：

本发明所公开的车载雷达散射特性测量区域地形生成方法，将激光测距仪与雷达中心波束指向进行一致性设计，在采集雷达回波数据的同时，采集激光测距仪测量的数据。当对不同入射角、不同方位角的雷达照射区域完成雷达回波数据采集后，即可生成雷达散射特性测量区域的地形，解决雷达波束照射区域地形起伏对车载雷达散射特性的影响，辅助雷达散射特性的分析研究。

本发明所公开的车载雷达散射特性测量区域地形生成方法，基于与雷达中心波束指向一致性设计的激光测距仪，测量雷达中心波束照射区域的距离，以雷达架设所在地为基准面，获取相对于基准面的区域地形的相对起伏高度数据。然后采用数据的插值与栅格化技术以及三维可视化技术，获得测量区域的精细化地形数据和高精度地形图，即可开展地形起伏对散射特性影响方面的研究，从而有助于获得更高准确度的散射特性。

附图说明

图1是雷达收发天线分离的示意图；

图2是雷达收发天线共用的示意图；

图3是地形起伏值h的计算示意图；

图4是圆形地形测量区域示意图；

图5是方形地形测量区域示意图；

图6是圆弧方向一维插值法示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，本实施例公开了一种车载雷达散射特性测量区域地形生成方法，包括如下步骤：

(1)激光测距仪与雷达天线中心波束指向一致性设计：

激光测距仪指向与雷达天线中心波束指向一致性设计，就是为了准确的获得雷达波束中心照射区域地形的起伏情况。在指向一致性设计过程中，需要考虑雷达收发共用天线与收发分离天线两种情况。在收发分离天线的情况下，激光测距仪与收发天线处在一个水平面上，且安装在两个天线的中间位置，激光测距仪测量的距离rj为双天线交叉照射区域中心点至激光测距仪的距离rr；在收发共用天线的情况下，激光测距仪可以与天线安装在同一水平面上，在不影响天线的情况下，将激光测距仪安装在与天线越近的位置越好，那么激光测距仪测量的距离rj即为雷达天线至波束照射区域中心点的距离rr。具体步骤如下：

(11)雷达收发天线分离：

如图1所示，雷达天线a、雷达天线b和激光测距仪安装在同一水平面上，雷达天线a和雷达天线b尽量靠近，只需留下激光测距仪的安装位置即可，确保有足够大的天线a与天线b的交叉面积。rj是某一入射角θ对应的地面与激光测距仪之间的距离，与雷达天线a、雷达天线b中心波束对应的距离一致；

(12)雷达收发天线共用：

如图2所示，雷达天线与激光测距仪安装在同一水平面上且尽可能的靠近，确保ac之间的距离足够小。在某一入射角θ下，雷达天线中心波束对应的距离与激光测距仪测量的距离一样，都为rj；

(2)雷达波束照射区域地形生成：

以雷达架设所在地为基准面，设雷达架设的高度为h，随着雷达伺服的转动，激光测距仪获取不同入射角θ、不同方位角对应的距离并记录距离rj。依据距离rj以及不同的激光测距仪安装方式，计算得到相对于基准面的高度h，并一一对应记录测量的入射角和方位角。然后采用数据的插值与栅格化技术以及三维可视化技术，即可直观展示测量区域的高精度地形图。在散射特性研究分析过程中，结合地形起伏的高度数据、雷达波束对应的入射角和方位角数据以及可视化的测量区域地形图，开展散射特性精细化研究与分析。具体步骤如下：

(21)激光测距仪测量距离：

采用rs232或rs485接口与激光测距仪进行通讯。在指定入射角的情况下，自动多次测量，测量的距离分别记为rθ1,rθ2,...,rθn(n>1)，然后对获取的距离求平均，减小测量误差。某一入射角θ对应的距离rθj如下式：

(22)计算某一入射角θ对应的地形起伏值h：

如图3所示，以雷达的架设地作为基准面，计算地形的起伏值h，假定雷达天线相对基准面的高度为h，在某一入射角θ下，激光测距仪测量的距离rθj，地形起伏高度为h，并假定入射余角为其关系式如下：

(23)雷达波束照射区域地形测量：

雷达波束照射区域可以分为圆形地形区域与方形地形区域两种；

(231)圆形地形测量：

如图4所示，以雷达架设地o为原点，选定某一方位角(如正北或正东)为起始方位角，按逆时针或顺时针进行测量，方位角的步长为等间隔且小于等于5°，在某一方位角的情况下，入射角也按小于等于5°的步长进行测量，总体来说，步长越小，测量区生成的地形越准确；

以正北为参考，顺时针测量为例进行说明，δs为入射角方向相邻两点的地面距离，地形起伏测量数据记录格式如下：

(232)方形地形测量：

如图5所示，以雷达架设地o为原点，选定某一方位角雷达沿方位角按一定的步长l(为a1与a2之间的距离)进行架设，l的大小与天下方向图的方位波束宽度有关，同时按小于等于5°入射角步长进行测量，总体来说，步长越小，测量区生成的地形越准确；

以距离步长为l，an(1≤n≤m)代表雷达架设位置，δs为入射角方向相邻两点的地面距离，相邻地形起伏测量数据记录格式如下：

(24)雷达波束测量区域插值方法：

(241)圆形测量区域地形生成插值方法：

采用圆弧方向一维插值法，插值法的原理是基于相同入射角采样得到的数据h，沿圆弧的方向进行一维插值。假定hi,j，hi,j+1为相邻同入射角的两个样本点，在这两点之间插值3个点，设这3个点地形高度为z1，z2，z3，具体算法如下：

如图6所示，由最邻近的4个点为hi,j，hi+1,j，hi,j+1，hi+1,j+1组成的扇区分成4个均匀的小扇区；

插值后的xq，yq，zq坐标生成的具体方法如下：

第一步：依据圆弧方向一维插值法生成r和zq，然后按照一定的步长生成θ；

第二步：采用matlab中的meshgrid函数生成极坐标tt，rr；

θ＝(θ1,θ2,θ3,...,θn)＝(0°,5°,10°,...,355°)

[tt,rr]＝meshgrid(θ,r)

第三步：采用matlab中的pol2cart函数生成直角坐标xq和yq；

[xq,yq]＝pol2cart(tt,rr)

在地形图显示过程中，取像素所在的小扇区左上方的插值数据作为显示灰度值，圆弧方向一维插值法可以有效的避免水平方向插值造成的横向失真；

(242)方形区域地形生成插值方法：

采用matlab中的interp2二维插值方法，其函数形式为zq＝interp2(x,y,z,xq,yq,'method')，其中，x和y为原有的数据点坐标，z为地形高度值h；xq和yq为插值后的坐标点，zq为插值的地形高度；method是设置的插值方法，这里采用邻近点插值法nearest，x、y、z、xq以及yq的值如下：

(x1,x2,x3,...,xm)＝(0,l,2×l,...,m×l)

(y1,y2,y3,...,yn)＝(δs1,δs1+δs2,δs1+δs2+δs3,...,δs1+δs2+δs3+...+δsn)

(25)测量区域地形生成：

地形生成方法采用matlab中的surf函数，将xq、yq、zq代入surf即可绘制得到测量区域地形图，具体使用方法为：

surf(xq,yq,zq)。

在雷达散射特性研究分析的过程中，可以结合实际测量区域的地形数据和可视化的地形图，辅助散射特性的精细化研究。