一种用于连续波雷达的回波信号模拟方法
【专利摘要】本发明涉及一种连续波雷达的回波信号模拟方法，该方法根据雷达与目标的相对位置和距离、雷达运动速度，计算出雷达发射信号的多普勒频率和回波时延，再根据雷达方程和雷达系统参数，得到雷达天线接收到的回波有用信号；然后，根据雷达晶振输出信号的静态相噪谱，以及晶振在载体的力学响应计算出晶振输出信号的动态相噪谱，结合系统的隔离度值得到泄漏信号的动态功率谱，并转化为雷达泄露动态信号的时域数据；最后将回波有用信号与泄漏动态信号相加，得到含动态泄漏信号的雷达回波信号，该方法能够模拟接近真实环境的连续波雷达回波信号，可用于连续波雷达直流对消电路进行测试，适用于飞行着陆雷达的测试系统。
【专利说明】一种用于连续波雷达的回波信号模拟方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及连续波雷达信号处理领域，特别涉及一种用于连续波雷达的回波信号模拟方法，适用于连续波雷达直流对消能力的验证。
【背景技术】
[0002]连续波雷达是一种通过发射连续波来获得目标信息的雷达。按其发射信号不同分为单一频率或多频率，或调频连续波雷达，主要用于测距测速的场合。由于其发射的是连续波，故峰值功率低，具有良好的电子对抗和低截获概率性能；另外其测速不存在速度模糊，测距不存在距离盲区，而其余雷达要具备这一优点，处理就得相当复杂。而且该雷达连续发射和接收，故只需较小的发射功率即可实现较远的作用距离。
[0003]连续波雷达的很多优势都是连续发射接收带来的，但这也导致连续波雷达的一个主要缺点:信号泄漏。由于连续波雷达工作时，发射机和接收机同时工作，通过发射机发射的微波能量不可避免地通过天线或环形器泄漏到接收机系统，然后通过接收机进入雷达信号数字处理单元，可能导致接收机饱和或数字信号处理单元A/D采样饱和等，以致无法进行有效测量。
[0004]为了保证雷达系统能够正常工作，连续波雷达均必须采用对消技术，抑制泄漏对测量的影响。当前解决连续波雷达隔离度问题的研究主要集中在如何设计抑制电路达到高的抑制比，发展出的抑制技术主要包含射频对消、中频对消以及视频对消。不管采用哪种对消技术，连续波雷达在最终使用前均需要对其对消能力进行验证。泄漏模拟的真实度直接影响了对连续波雷达测试的完整性。
[0005]对已公开的单频连续波雷达相关资料进行查阅，雷达泄漏模拟主要采用将发射机信号接衰减器，然后耦合进接收机的方式进行。
[0006]这种方式只能反映雷达在静止状态下的泄露情况，而连续波雷达主要应用于飞行着陆环境，实际使用均伴随着不同程度的振动。静态泄漏的模拟对于测试雷达性能意义不大。
[0007]根据现有公开的资料查询，目前尚没有能模拟连续波雷达动态泄露的方法。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种用于连续波雷达的回波信号模拟方法，该方法能够模拟接近真实环境的连续波雷达回波信号，所述雷达回波信号包括基带回波有用信号和基带动态泄漏信号，可用于连续波雷达直流对消电路进行测试，适用于飞行着陆雷达的测试系统。
[0009]本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的:
[0010]一种用于连续波雷达的回波信号模拟方法，包括下列步骤:
[0011](I)对系统参数进行初始化，即对模拟计算中用到的系统参数进行赋值，所述系统参数包括雷达系统参数和雷达频率综合器的晶振参数，其中所述雷达系统参数包括雷达天线中心坐标值(x，y，z)、地面目标坐标值、雷达天线波束宽度Φ、雷达运动方向矢量--、雷达相对目标的运动速度V、雷达发射信号波长λ、雷达发射信号功率Pt、雷达天线方向图G(i3)、雷达天线中心轴矢量5、单位面积上后向散射系数Otl、雷达隔离度D、不考虑相位噪声条件下雷达发射信号的功率谱P(f);所述雷达频率综合器的晶振参数，包括所述晶振的静态相位噪声数据、振动功率谱密度H(f) (f = O~fmax)、振动加速度灵敏度、振动峰值加速度A，以及无加速度时晶振频率& ；
[0012](2)计算雷达天线接收到的基带回波有用信号s⑴，具体步骤如下:
[0013](a)根据雷达天线中心坐标值、雷达天线中心轴线矢量、地面目标坐标值和雷达天线波束宽度Φ，计算雷达天线在地面目标附近形成的照射区域范围，方法如下:
[0014]以雷达天线中心轴线为中心轴，以过雷达天线中心且与所述雷达天线中心轴线夹角为Φ/2的直线绕着雷达天线中心轴线转动形成圆锥1，将圆锥I的底面圆周向目标所在地表平面投影得到椭圆平面1，所述椭圆平面I即为雷达天线在地面目标附近形成的照射区域范围；
[0015](b)用N-1条间距为dl且平行于椭圆平面I短轴的平行线，以及M-1条间距为d2且平行于椭圆平面I长轴的平行线，将椭圆平面I划分为丽个小单元，依次标号为I~丽，其中，M、N均为大于等于I的正整数。并根据地面目标坐标值和小单元与地面目标坐标位置的相对位置关系，计算得到各小单元几何中心坐标(Xi^pZi)；
[0016]根据雷达天线中心坐标值和上述MN个小单元的几何中心坐标值计算雷达天线中心指向各小单元几何中心的雷达波束矢量r $ (/=1，2,...,MN )，即雷达天线中心坐标值为(x，y，z),小单元i的几何中心坐标值为(Xi, y” Zi),则雷达天线中心指向小单元i几何中心的雷达波束矢量:
[0017]
【权利要求】
1.一种用于连续波雷达的回波信号模拟方法，其特征在于包括步骤如下: (1)对系统参数进行初始化，所述系统参数包括雷达系统参数和雷达频率综合器的晶振参数，其中所述雷达系统参数包括雷达天线中心坐标值(X，y, Z)、地面目标坐标值、雷达天线波束宽度Φ、雷达运动方向矢量--、雷达相对目标的运动速度V、雷达发射信号波长入、雷达发射信号功率Pt、雷达天线方向图G(i3)、雷达天线中心轴矢量S、单位面积上后向散射系数Otl、雷达隔离度D、不考虑相位噪声条件下雷达发射信号的功率谱P(f);所述雷达频率综合器的晶振参数，包括所述晶振的静态相位噪声数据、振动功率谱密度H(f) (f =O~fmax)、振动加速度灵敏度F、振动峰值加速度A，以及无加速度时晶振频率& ； (2)计算雷达天线接收到的基带回波有用信号s(t)，具体步骤如下: (a)根据雷达天线中心坐标值、雷达天线中心轴线矢量、地面目标坐标值和雷达天线波束宽度Φ，计算雷达天线在地面目标附近形成的照射区域范围，方法如下: 以雷达天线中心轴线为中心轴，以过雷达天线中心且与所述雷达天线中心轴线夹角为Φ/2的直线绕着雷达天线中心轴线转动形成圆锥1，将圆锥I的底面圆周向目标所在地表平面投影得到椭圆平面1，所述椭圆平面I即为雷达天线在地面目标附近形成的照射区域范围； (b)用N-1条间距为dl且平行于椭圆平面I短轴的平行线，以及M-1条间距为d2且平行于椭圆平面I长轴的平行线，将椭圆平面I划分为丽个小单元，依次标号为I~丽，其中，M、N均为大于等于I的正整数，计算得到各小单元i几何中心坐标O^ypZi)； 根据雷达天线中心坐标值和上述MN个小单元的几何中心坐标值计算雷达天线中心指向各小单元i几何中心的雷达波束矢量7即雷达天线中心坐标值为(X，y, z),小单元i的几何中心坐标值为(Xi, Yi, Zi),则雷达天线中心指向小单元i几何中心的雷达波束矢量:
根据下式计算到达小单元i上的雷达发射信号的多普勒频率:
其中 力雷达运动方向矢量，V为雷达相对目标的运动速度，λ为雷达发射信号波长，’.’代表矢量点积运算，1111代表矢量取模计算； 根据下式计算雷达天线中心轴矢量?和雷达波束矢量^的夹角β 1:
再根据所述夹角β i和雷达天线方向图G ( β )，得到雷达天线接收小单元i反射信号的增:EifL Gi = G ( β ); (c)根据步骤(b)计算得到的到达小单元i上的雷达发射信号的多普勒频率&和雷达天线接收小单元i反射信号的增益Gi = G(i3 J，计算雷达天线接收到经过小单元i反射的基带有用信号为:
其中，Pt为雷达发射信号功率，O ^为单位面积上后向散射系数,Ai为小单元i的面积，Ri为雷达中心到小单元i几何中心的距离，扔为小单元i反射的有用信号的随机相位，在[0，2ji)内服从均匀分布； (d)将步骤(c)得到的MN个小单元反射的基带有用信号累加，得到雷达接收的基带回波有用信号
(3)计算雷达天线接收到的基带动态泄漏信号，具体步骤如下: (e)根据雷达频率综合器中晶振的静态相位噪声数据，通过线性插值方法得到晶振输出信号的静态相位噪声谱； (f)根据所述晶振的振动功率谱密度H(f)、振动加速度灵敏度I'、振动峰值加速度A，无加速度时晶振频率fo，计算调制指数β = 0-.^fcZf,其中f为振动频率，在调制指数β〈0.1时，晶振输出信号的动态相位噪声谱由下式计算得到:
L(f) = (I I' f0)2H(f)/(2f2) 其中，H(f)频率覆盖范围为O~fmax，当f>fmax时，L(f)等于步骤(e)中的晶振输出信号静态相噪谱； (g)计算雷达发射信号的动态相位噪声谱T(f):
T(f) = L(f)+201og(fc/f0) 其中，f。为雷达发射频率，&为无加速度时晶振频率，L (f)为步骤(f)得到晶振输出信号的动态相位噪声谱； (h)计算雷达泄漏信号的动态功率谱X(f):
x(f) = P (f) /D.T(f), 其中D为雷达隔离度，P(f)为在不考虑相位噪声条件下雷达发射信号的功率谱，T(f)为步骤(g)计算得到的雷达发射信号的动态相位噪声谱； (i)将所述步骤(h)得到的雷达泄漏信号的动态功率谱X(f)，对应的频率向左平移f。，得到雷达泄漏信号的基带动态功率谱Xc^f)，所述Xc^f)经过开方运算得到雷达基带泄漏信号的动态幅度谱，并进行逆傅立叶变换，得到基带动态泄露信号d(t)； (4)将步骤(2)得到的基带回波有用信号s(t)与步骤(3)得到的基带动态泄露信号d(t)相加，得到雷达天线接收到的基带回波信号r(t) = s(t)+d(t)。
2.根据权利要求1所述的一种用于连续波雷达的回波信号模拟方法，其特征在于:步骤(3)中计算出的雷达泄漏信号的动态功率谱X(f)可以采用仪器实测的数据代替，具体测试方法如下: (1)在露天测试环境中，将雷达系统安装的在振动台上，所述露天测试环境在雷达天线波束范围内没有遮挡物，且在雷达系统工作频率范围内无其他干扰信号； (2)在雷达接收天线的输出信号端连接频谱分析仪； (3)在雷达频率综合器上安装接收传感器，对振动台施加激励，确保所述传感器的振动功率谱与雷达频率综合器的晶振的振动功率谱密度H(f) —致； (4)在所述振动条件下，雷达系统正常工作，频谱分析仪捕获雷达接收天线接收到信号的功率谱，所述功率谱为雷达泄露信号的动态功率谱X(f)。
3.根据权利要求1所述的一种用于连续波雷达的回波信号模拟方法，其特征在于:步骤(I)中雷达天线波束宽度Φ通过如下方法确定:雷达天线波束增益最大值对应的角度为Φ。，雷达天线波束增益在角度Φ。两侧第二次下降为零，对应的角度分别为Φρ Φ2，Φ Φ 2)雷达天线波束览度φ = Φ 2_ Φ I O
4.根据权利要求1所述的一种用于连续波雷达的回波信号模拟方法，其特征在于:步骤(I)中单位面积上后向散射系数Otl，利用基尔霍夫近似法从介电常数计算得到。
5.根据权利要求1所述的一种用于连续波雷达的回波信号模拟方法，其特征在于:步骤(3)用平行线划分雷达天线在地面目标附近形成的照射区域范围时，平行线的间距dl、d2不小于雷达发射信号波长入。
6.根据权利要求1所述的一种用于连续波雷达的回波信号模拟方法，其特征在于:步骤(2)计算经过小单元i，反射的基带有用信号时，根据雷达天线在地面目标附近的照射范围内划分小单元的方法，小单元i近似为边长分别为dl、d2的矩形，所述矩形的面积Ai =dl*d2,雷达中心到小单元i几何中心的距离尺
，其中(x, y, z)为雷达天线中心几何坐标，(XpypZi)为小单元i的几何中心坐标,其中i = I,.2, ..,MN。
【文档编号】G01S7/40GK104166126SQ201410347627
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年7月21日 优先权日:2014年7月21日
【发明者】孙嘉, 谭小敏, 党红杏, 王科, 张爱军, 牛文博, 刘瑞冬 申请人:西安空间无线电技术研究所