一种基于空时分解的高动态雷达平台回波建模方法

1.本发明涉及高动态雷达平台目标建模与仿真技术领域，特别涉及一种基于空时分解的高动态雷达平台回波建模方法。


背景技术：

2.很多现代雷达根据其用途，装载在一些高动态平台上，如弹载平台、机载平台等，这些雷达平台的回波特性，相对固定地面雷达站的回波特性要更复杂一些。而由于高动态雷达平台自身的一些特点，回波也难以获取，比如高动态飞行导弹上的雷达导引头，由于导弹发射后导引头基本无法回收，而且弹上数据容量有限，导引头在制导后处于高动态飞行，其回波数据难以实时下传，所以目前真实弹道飞行中的雷达导引头回波数据很难采集。通过外场试验测试研究高动态雷达平台的回波特性成本高且具有很大的局限性，很难逼真地模拟实际情形中高动态平台、目标、及动态环境“三动”情形下的高动态回波，即使开展此类试验，也难以采集到各类环境下的回波样本。因此，采用数值仿真技术，可以更加灵活地开展多种复杂高动态雷达平台、目标、环境参数条件下的回波特性研究，对于该类雷达性能的设计、评估与优化等环节都具有重要的意义。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明提出一种基于空时分解的高动态雷达平台回波建模方法，以解决现有技术中存在的技术问题，能够通过高动态雷达平台、目标、环境下的回波特点获取高动态雷达平台回波模拟信号，以及通过雷达视景中目标与环境的电磁散射机理和电磁仿真技术提升高动态雷达平台的回波建模逼真度。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于空时分解的高动态雷达平台回波建模方法，包括以下步骤：
5.s1.基于所述高动态雷达平台回波视景构建目标与环境的电磁散射计算模型；
6.s2.将所述目标与环境的电磁散射计算模型进行剖分和仿真运算，获得目标与环境的电磁散射场；
7.s3.将雷达发射的探测信号进行时间分解，将所述目标与环境的电磁散射场进行空间分解及电磁计算，并将时间分解后的所述探测信号作用于经过空间分解及电磁计算的所述目标与环境电磁散射场中，合成回波信号。
8.优选地，所述雷达平台回波视景包括雷达天线方向图主瓣、主要副瓣照射区域；所述雷达天线方向图主瓣、主要副瓣照射区域用于确定回波生成区域。
9.优选地，所述高动态雷达平台视景还包括若干个回波单元；每个所述回波单元包括一个回波计算单元区域。
10.优选地，所述回波单元根据雷达距离
‑
方位分辨率进行划分。
11.优选地，所述回波单元位于以雷达平台为圆心的圆弧内；相邻两个所述回波单元之间的距离相等。
12.优选地，所述剖分的区域为每个所述回波计算单元区域内的目标及环境模型。
13.优选地，所述时间分解的具体过程为：对所述探测信号进行采样，将所述探测信号的发射脉冲信号通过采样频率在时域上分解为窄脉冲信号。
14.优选地，所述窄脉冲信号作用于空间中不同距离方位的散射点。
15.本发明公开了以下技术效果：
16.1.本发明通过结合高动态雷达平台、目标、环境“三动”情形下的回波特点，获取了高动态雷达平台回波模拟信号。
17.2.本发明结合了雷达视景中目标与环境的电磁散射机理和电磁仿真技术，提高了高动态雷达平台的回波建模逼真度。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明实施例中的方法流程图；
20.图2(a)为本发明实施例中的雷达视景中回波生成区域图；
21.图2(b)为本发明实施例中的雷达回波单元划分及散射计算二次剖分示意图；
22.图3为本发明实施例中的目标
‑
环境电磁散射仿真示意图；
23.图4(a)为本发明实施例中的高动态雷达空时分解回波生成示意图；
24.图4(b)为本发明实施例中的高动态雷达空时分解回波生成原理图；
25.图5为本发明实施例中的高动态雷达平台挂飞试验场景图；
26.图6(a)为本发明实施例中设置带宽为20mhz、雷达与目标斜距为7.953km、雷达仰角为10.62
°
时的挂飞采集回波处理后得到的距离
‑
多普勒谱图；
27.图6(b)为本发明实施例中设置计算频率、带宽、波束仰角及海面与目标参数与挂飞试验场景及参数条件相同时的数值仿真试验距离
‑
多普勒谱结果对比图；
28.图7为本发明实施例中的目标距离门内挂飞测试与仿真回波多普勒维对比图。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
31.参照图1所示，本实施例提供一种基于空时分解的高动态雷达平台回波建模方法，包括以下步骤：
32.s1.基于高动态雷达平台回波视景构建目标与环境的电磁散射计算模型。
33.根据雷达平台回波视景确定回波生成区域，雷达平台回波视景包括雷达天线方向
图主瓣、主要副瓣照射区域，以雷达距离
‑
方位(多普勒)分辨率划分回波单元，如图2(a)
‑
图2(b)所示，发射的电磁波以球面波形式传播，等距离球面与海平面的相贯线为等距离环，具有相同距离的单元位于以雷达平台为圆心的圆弧内，基于图像中的多尺度几何结构及目标结构特点和散射机理，建立目标与环境的电磁散射计算模型。目标与环境的电磁散射计算模型包括：采用物理光学法(physical optics，po)和等效电磁流方法(equivalent edge current，eec)分别计算目标表面散射和棱边结构绕射的贡献，采用多尺度环境面元方法计算环境的散射，采用加速射线追踪技术计算目标
‑
环境之间的耦合散射，如图3所示。
34.s2.将目标与环境的电磁散射计算模型进行剖分和仿真运算，获得目标与环境的电磁散射场。
35.高动态雷达平台视景还包括若干个回波单元；每个回波单元包括一个回波计算单元区域。
36.具体运算过程为：在每个回波单元上，将位于每一回波计算单元区域内的目标及环境模型按照电磁散射计算的要求进行剖分；按照目标与环境的散射机理采用相应的电磁计算方法计算目标与环境的电磁散射场。
37.s3.将雷达发射的探测信号进行时间分解，将目标与环境的电磁散射场进行空间分解及电磁计算，并将时间分解后的探测信号作用于经过空间分解及电磁计算的目标与环境电磁散射场中，合成回波信号。
38.对雷达发射信号(也即探测信号)进行采样，将雷达发射信号的发射脉冲信号f(t)通过采样频率在时域上分解为窄时间脉冲信号，将窄脉冲看作一个瞬时冲击，其作用于空间不同距离方位的散射点；将目标
‑
环境散射场看成是时间函数w(t)，对复合散射场按空间区域进行分解，并在空间上，雷达回波信号按距离分辨率划分的等距离门进行接收，落入同一距离门的散射单元按照天线方向图进行幅度加权，并进行叠加合成，从而将动态散射问题，分解为若干个准静态散射分量，最终合成回波信号，如图4(a)
‑
图4(b)所示。
39.基于上述步骤，在动态条件下，建立回波信号与探测波形、目标
‑
环境散射之间的关系，模拟高动态回波的生成过程。为了测试该建模方法的正确性，通过挂飞试验采集回波结果与仿真结果进行比对，通过挂飞场景模拟高动态雷达回波的采集过程，如图5所示。
40.具体测试地点选取海南博鳌海域，试验过程中，目标靶机与携带测试雷达导引头的载机循环飞越试验场景区域。载机飞行在约1200m的高度，目标机飞行在约100m的高度，导引头挂在载机下方，载机和目标机起飞后，根据设定的航线相对飞行，载机和目标同时进入预先设定的进入点，进入航路后，上位机根据gps定位系统可确定载机与目标机的相对位置关系，测试设备按照gps数据计算波束指向角度和弹目距离信息，将这些信息再发送给导引头，通过调整波束跟踪信标，使得波束照射目标场景区，通过记录载机在每一回波采集帧所对应的惯导角度与波束指向角度。用风速仪、红外测距仪辅助指南仪器分别测量风速大小和风向，通过多次测量取平均获取挂飞场景的风速海况参数，在多个时段取样海水且用盐度计与温度计测量取平均，获取海水平均温度t(℃)与盐度s(
‰
)，计算海水的介电常数。
41.参照图6(a)
‑
图6(b)所示，在挂飞试验结果中导引头视景中还可以看到信标与尾瓣杂波，信标是挂飞试验中为载机波束调度提供标定，尾瓣杂波是由天线后向辐射能量照射海面散射产生的，具有负多普勒频率，而数值仿真中只取了导引头前向180
°
视景内的回波，因此这部分回波与杂波成分在两种结果中不同。除此之外，同条件下的掠海目标数值仿
真处理结果图中，在与挂飞试验数据处理结果相同的距离
‑
多普勒位置可以看到主瓣杂波、副瓣杂波、高度线杂波、目标回波、多径等成分，且数值仿真回波中的各成分的幅度变化趋势与挂飞试验处理结果吻合逼真。
42.参照图7所示，进一步将目标距离门中测试与仿真得到回波在多普勒(速度)维度进行了对比。
43.通过上述两种结果的对比，能够看出实验中的仿真结果与测试结果中的主要成分(杂波、目标回波、多径)经对比误差基本在3db以内，不仅能够满足工程需求，进一步验证了导引头回波建模与数值仿真方法的正确性，而且通过高动态雷达平台回波建模能够获得具有高逼真度的雷达回波信号。
44.本发明公开了以下技术效果：
45.1.本发明通过结合高动态雷达平台、目标、环境“三动”情形下的回波特点，能够获取高动态雷达平台回波模拟信号。
46.2.本发明通过结合雷达视景中目标与环境的电磁散射机理和电磁仿真技术，提高了高动态雷达平台的回波建模逼真度。
47.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。