一种基于地形匹配的雷达模拟器地杂波回波的实现方法与流程

1.本发明涉及雷达模拟器领域，尤其涉及一种基于地形匹配的雷达模拟器地杂波回波的实现方法。


背景技术：

2.雷达模拟器是仿真技术与雷达技术相结合的产物，它是建立雷达系统模型、利用硬件和软件手段复现雷达系统动态工作过程的手段，基于此技术的雷达模拟器是调试和测试雷达的有力工具，同时也广泛应用于雷达装备的模拟训练。
3.地杂波回波模拟是雷达模拟器的重要组成部分，地杂波是雷达波束遇到地面而形成的回波。在现有的雷达模拟器中，模拟地杂波时没有使用地形信息，不能与真实的地形相匹配；并且传统的地杂波回波模拟是根据杂波分布模型来生成，该方法计算复杂，起不到逼真地描述雷达工作状态的作用。这两点是现有雷达模拟器中地杂波回波模拟方法的显著缺点。
4.因此需要一种既能结合地形信息，又能降低传统地杂波回波计算模型复杂度的地杂波回波模拟方法。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于地形匹配的雷达模拟器地杂波回波的实现方法。本发明的方法包括结合地形高度数据计算地杂波散射面积的方法、使用相干视频回波模型计算地杂波回波的方法，本发明具有通用性、计算效率高、工程上易实现等优点，并应用于某型号雷达模拟器，得到了成功验证。
6.本发明的技术方案是：一种基于地形匹配的雷达模拟器地杂波回波的实现方法，包括以下步骤：
7.步骤1：计算地杂波后向散射系数σ0；
8.此步骤的有益效果是使用地杂波后向散射系数来表示地面单位面积的反射特性，即用大面积空间上与时间上的平均值来表征某地区的地面情况，然后使用公式计算地杂波后向散射系数，这样可以简化地杂波计算的复杂性。
9.步骤2：计算地杂波散射面积；
10.此步骤的有益效果是：把求每一个杂波单元散射面积σc，转换到求每一个杂波单元面积ac，以往的计算杂波单元面积模型只考虑了杂波单元在地面的投影面积，并没有使用地形高度数据，本发明结合传统的杂波单元面积模型和地形高度数据，判断杂波单元的通视性，重新计算杂波单元面积，使得地杂波回波能够与地形相匹配。
11.步骤3和步骤4：为每个杂波单元随机生成一个速度，以确定杂波单元的多普勒频率，然后使用相干视频回波模型和雷达回波方程，求出各散射体的回波信号后进行矢量叠加得到雷达地杂波回波信号。
12.此步骤的有益效果是：使用相干视频回波模型，可以逼真地复现包含振幅和相位
的回波信号，真实地反映雷达工作状态，同时对每个杂波单元的回波信号进行矢量叠加求和可以简化计算。
13.本发明的有益效果是：使用雷达探测范围内的地形高度数据，把地形高度数据按照雷达分辨单元划分成每个杂波单元，根据地杂波后向散射系数模型、地形高度数据、地杂波散射面积计算模型和雷达视线计算杂波单元的散射面积，并进行遮挡判断，真实地还原了与地形匹配的地杂波回波，解决了现有雷达模拟器模拟地杂波回波没有使用地形信息的问题；使用相干视频回波模型，为每个杂波单元随机生成一个速度，以确定杂波单元的多普勒频率，求出各散射体的回波信号后进行矢量叠加即可得到雷达总的接收信号，该方法计算地杂波回波不仅包含了振幅和相位信息，而且简单高效，解决了现有雷达模拟器不能逼真描述雷达工作状态的问题。
附图说明
14.图1是一种基于地形匹配的雷达模拟器地杂波回波的实现方法具体实施例中步骤1到步骤4流程示意图。
15.图2是雷达坐标200km范围的地形高度数据。
16.图3是雷达模拟器的ar显。
17.图4是雷达模拟器的p显。
具体实施方式
18.下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
19.本发明实施例提供了一种基于地形匹配的雷达模拟器地杂波回波的实现方法，可应用于雷达模拟器领域。
20.如图1所示，一种基于地形匹配的雷达模拟器地杂波回波的实现方法包括如下步骤：
21.步骤1：计算地杂波后向散射系数σ0，地杂波后向散射系数的计算公式为：
22.σ0＝γafbsin(θr+c)
ꢀꢀꢀ
(1)
23.式中θr为擦地角或称为入射角，f为雷达工作频率，γ为地面反射率表征参数，a和b为不同地形时雷达工作频率对地形的表征参数，参数c的引入是为了更精确模拟实验数据并防止在入射余角接近0
°
时用表示的地杂波后向散射系数急剧变为-∞，单位为度，其中a＞0，0≤b≤1，c＞0，不同地形情况下的γ、a、b、c的数值如表1所示；
24.地形γabc城市0.3160.360.180.70农田0.03160.180.600.55丘陵0.10.250.201.20沙漠0.10.080.750.50
25.表1为各类地形条件下的模型参数
26.步骤2：计算地杂波散射面积，首先根据雷达坐标的经纬度生成雷达探测范围内的地形高度数据，然后将地形高度数据按照雷达分辨单元划分成每个杂波单元，根据地杂波
后向散射系数模型、地形高度数据、地杂波散射面积计算模型和雷达视线计算杂波单元的散射面积，并进行遮挡判断：
27.步骤2a：按照水平波束宽带、俯仰波束宽度和距离分辨率将雷达探测范围划分成n个网格，n一般为600至1000，每个网格都看成一个小的杂波单元，每个网格水平波束宽度一般可以设置为0.4
°
至0.8
°
之间，俯仰波束宽度可以设置为0.5
°
至1.0
°
之间，距离分辨率一般取30米至80米之间，这样可以对每个网格内的地杂波回波进行计算，提高地杂波模拟的真实性；
28.步骤2b：确立杂波单元散射面积σc与杂波单元面积ac之间的关系，杂波单元散射面积σc为由杂波单元面积ac反射造成的等效散射面积，计算公式为：
29.σc＝σ0acꢀꢀꢀ
(2)
30.步骤2c：计算杂波单元面积ac，对于地面雷达，可以认为其满足波束入射角θr较小的情况，即满足tanθr＜2r(sinθe/2)/δr，r为雷达天线与杂波单元之间的距离，δr为距离分辨率，θe为天线波束俯仰宽度，θa为天线波束方位宽度，则杂波单元面积取决于天线波束方位宽度和距离分辨率δr。杂波单元面积计算公式为：
31.ac＝δrrθasecθrꢀꢀꢀ
(3)
32.步骤2d：结合地形高度数据，优化杂波单元面积计算公式，考虑到杂波单元的地形高度数据，该杂波单元的地形高度越高，即在雷达俯仰波束宽度探测范围内，反射面积越大，回波功率越强，把地形近似为一个有高度的斜面，其底面积为公式(3)，根据地形高度得到优化后的杂波单元面积ac′
为：
[0033][0034]
式中h为杂波单元在雷达视线内的高度；
[0035]
步骤2e：计算距离雷达r处的雷达视线高度h0，设雷达架高是h，距离雷达斜距r处，θ0为雷达视线角度，ρ为地球曲率半径，得到距离雷达r处的雷达视线高度h0：
[0036][0037]
步骤2f：对每一个杂波单元计算公式(4)中的h，h＝h
0-h0，h0为该处杂波单元对应的地形高度，视线高度h0的以上的地物才在雷达的探测范围内，得到每一个杂波单元的h之后，还需要判断其是否被遮挡，即判断该杂波单元的通视性，如果当前杂波单元对应的高度比前面的杂波单元高度低，则认为当前杂波单元被遮挡，没有回波；
[0038]
步骤2g：考虑大气折射效应和地球曲率效应，精确计算杂波单元面积ac(r)，其计算公式如下：
[0039][0040]
式中为雷达到地平线的视线距离，hr为雷达架高，re为地球等效半径；
[0041]
步骤3：为每个杂波单元随机生成一个速度，以确定杂波单元的多普勒频率，然后使用相干视频回波模型和雷达回波方程计算每个杂波单元的回波。每一个杂波单元作为一
个散射体，根据雷达方程，其回波信号可表示为发射信号的延迟，在幅度上乘以因子k，在载频上有多普勒频移fd，计算公式如下：
[0042][0043]
式中s
t
(t)为雷达发射信号，p
t
为雷达发射功率，λ为雷达工作波长，r为杂波单元到雷达的斜距，g(θ)为天线方向图功率增益，τ为杂波单元的双程延迟时间，fd为杂波单元的多普勒频率，ψ为杂波单元的复反射系数，σc为散射单元的雷达散射面积，为雷达信号被反射时的相位；
[0044]
步骤4：将每个杂波单元的回波进行矢量叠加得到雷达地杂波回波信号，计算公式如下：
[0045][0046]
式中s(t)为雷达接收到总的地杂波回波。
[0047]
利用上述方法，在某型雷达模拟器中实现了与地形匹配的地杂波回波模拟，主要实现参数：雷达工作频段l波段，采用宽窄脉冲交替的工作方式，相参积累脉冲个数为11，脉冲重复频率为1000hz，杂波单元的大小为0.44
°×
75m，即把360
°
探测范围按照雷达分辨率划分为820个杂波单元，杂波散射单元的随机速度均值取0.32m/s。根据图2、图3和图4所示，模拟的地杂波回波不仅与地形高度数据匹配，而且非常接近真实的雷达地杂波回波，逼真地描述了雷达工作状态。
[0048]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。