等离子鞘套包覆目标宽带雷达回波多域特征模型的构建方法、系统、设备及介质

本发明涉及宽带雷达目标探测，具体涉及一种等离子鞘套包覆目标宽带雷达回波多域特征模型的构建方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、临近空间高超声速飞行器在以10ma以上的速度飞行时，飞行器驻点处剧烈压缩飞行器飞行方向的空气产生激波，在激波的极端条件下动能转化为热能，使驻点处产生极高的温度，在高温高压条件下，飞行器周围的气体分子发生一系列反应，产生大量的离子包裹住高超声速飞行器表面，这层非均匀等离子体即为等离子鞘套。

2、等离子鞘套的电介质特性会对入射的电磁波产生调制作用，如幅度衰减、相位畸变。同时，在飞行器不同的参考位置中流场参数也有巨大的差异，受到高速来流的影响，等离子鞘套与飞行器发生相对位移，在非均匀等离子体内形成速度场，非均匀等离子体的速度场分布特性导致目标不同位置不同入射深度对回波引入的耦合速度不同，会造成一维距离像的扩展和偏移，使得一维距离像无法形成良好聚焦，影响后续的目标识别和探测。

3、现有方案为通过窄带雷达信号对等离子鞘套进行回波建模，经过脉冲压缩得到雷达回波的一维距离像，通过wvd等算法对等离子鞘套包覆目标回波进行时间-频率域分析。现有方案是基于对窄带体制雷达回波进行多域特征分析，而如今高精度雷达使用的是宽带雷达信号，其频率跨度较大，不同频率分量呈现强差异性，无法由窄带模型进行分析。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种等离子鞘套包覆目标宽带雷达回波多域特征模型的构建方法、系统、设备及介质，通过峰值搜索得到等离子鞘套包覆目标宽带雷达信号入射等离子鞘套的反射系数峰值分布，提出宽带雷达信号入射等离子鞘套耦合速度提取方法，获得等离子鞘套包覆目标宽带时域回波模型，建立等离子鞘套包覆目标宽带雷达回波多域特征模型，揭示了等离子鞘套对宽带雷达信号的多域特征影响规律，对现有等离子鞘套包覆目标雷达回波多域特征分析进行补充，填补了等离子鞘套包覆目标宽带雷达回波多域特征分析的空白，完善了等离子鞘套包覆目标雷达回波多域特征分析应用场景，具有建模精度高的特点。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、等离子鞘套包覆目标宽带雷达回波多域特征模型的构建方法，包括以下步骤：

4、步骤1：计算等离子鞘套宽带雷达反射电磁波eref(t)；

5、步骤2：基于步骤1得到的等离子鞘套宽带雷达反射电磁波eref(t)，建立等离子鞘套包覆目标宽带时域回波模型echo(t)；

6、步骤3：基于步骤2得到的等离子鞘套包覆目标宽带时域回波模型echo(t)，建立等离子鞘套包覆目标宽带雷达回波多域特征模型。

7、所述步骤1计算等离子鞘套宽带雷达反射电磁波eref(t)的具体过程为：

8、步骤1.1，计算宽带电磁波终止频率fend，具体公式为：

9、fend＝fc+b

10、式中，fc表示宽带电磁波起始频率，b表示宽带电磁波的带宽；

11、步骤1.2，利用第m个参考位置处非均匀等离子体分层模型第n层等离子体电子密度ne,n(m)，计算第m个参考位置第n层等离子体特征频率fp,n(m)，具体公式为：

12、

13、式中，m为参考位置序号，m＝1,2,…,m，m为参考位置总个数，e表示输入单位电荷，me表示电子质量，ε0表示真空介电常数；

14、步骤1.3，利用步骤1.1获得的宽带电磁波终止频率fend和步骤1.2获得的第m个参考位置第n层等离子体特征频率fp,n(m)，根据宽带雷达信号入射非均匀等离子体时的不同情况，得到不同情况下的分集信号频率fi(m)；

15、步骤1.4，利用步骤1.3得到的分集信号频率fi(m)，计算第m个参考位置各分集信号频率fi(m)对应的耦合多普勒频率fd,i(m)，具体公式为：

16、

17、式中，vn(m)表示第m个参考位置处各层流场速度，fi(m)表示第m个参考位置各分集信号频率；

18、步骤1.5，利用步骤1.4得到的耦合多普勒频率fd,i(m)，计算第m个参考位置局部等离子鞘套第n层等离子体的宽带雷达反射电磁波er(t,n,m)：假设宽带回波信号可分成i个分集信号，基于宽带雷达信号在局部等离子鞘套内反射系数空间分布特性，通过矢量累加求解局部等离子鞘套第n层等离子体的宽带雷达反射电磁波er(t,n,m)，具体公式为：

19、

20、式中，ri,n(m)表示第i个分集信号第n层的反射系数，|ri,n(m)|表示第i个分集信号第n层的幅度调制，表示第i个分集信号在第n层等离子体的相位调制；

21、步骤1.6，利用步骤1.5得到的局部等离子鞘套第n层等离子体的宽带雷达反射电磁波er(t,n,m)，计算第m个参考位置大带宽体制下局部等离子鞘套反射电磁波er(t,m)，具体公式为：

22、

23、步骤1.7，根据步骤1.6得到的第m个参考位置大带宽体制下局部等离子鞘套反射电磁波er(t,m)，对等离子鞘套m个参考位置的大带宽体制下局部等离子鞘套反射电磁波进行矢量叠加，得到等离子鞘套包覆目标宽带雷达反射电磁波er(t)，具体公式为：

24、

25、步骤1.8，根据步骤1.7得到的等离子鞘套包覆目标宽带雷达反射电磁波er(t)和局部等离子鞘套内反射系数分布谱的典型峰值和各峰值位置的对应流场速度，计算得到等离子鞘套宽带雷达反射电磁波eref(t)：

26、

27、式中，m表示总参考位置数，q表示第m个位置处反射系数分布谱的峰值数量，rq(m)表示在第m个参考位置处第q个峰值反射系数，fq(m)表示第q个峰值位置处对应的分集信号频率，fd,q(m)表示在第q个峰值位置处对应的分集信号耦合所在层数速度场产生的多普勒频率，即经过仿真后查找出。

28、所述步骤2建立等离子鞘套包覆目标宽带时域回波模型echo(t)的具体过程为：

29、步骤2.1，确定线性调频脉冲信号雷达模型s(t)，模型具体为：

30、

31、式中，a表示雷达信号的振幅，k表示雷达信号的调频率，tp表示宽带雷达信号的脉冲宽度，n(t)表示噪声信号；

32、步骤2.2，根据步骤1.6获得的第m个参考位置大带宽体制下局部等离子鞘套反射电磁波er(t,m)和步骤2.1得到的线性调频脉冲信号雷达模型s(t)，对等离子鞘套第m个参考位置的宽带时域回波模型进行建模，得到等离子鞘套包覆目标在第m个参考位置局部宽带时域回波模型echo(t,m)，模型具体为：

33、

34、式中，k表示雷达信号的调频率，tp,q(m)表示第q个峰值位置处对应的分集信号的脉冲宽度，rm表示等离子鞘套包覆目标第m个参考位置，fd,q(m)表示在第q个峰值位置处对应的分集信号频率对应的耦合多普勒频率；

35、步骤2.3，计算局部等离子鞘套内反射系数分布谱中，第m个参考位置第q个峰值位置处对应的分集信号的脉冲宽度tp,q(m)；

36、步骤2.4，利用步骤2.3得到的脉冲宽度tp,q(m)和步骤2.2得到的局部宽带时域回波模型echo(t,m)，对等离子鞘套m个参考位置的局部宽带时域回波模型进行矢量叠加，得到等离子鞘套包覆目标宽带时域回波模型echo(t)，模型具体为：

37、

38、所述步骤3中的等离子鞘套包覆目标宽带时域回波多域特征模型，包括宽带雷达一维距离像分析模型、二维时间-频率域分析模型和二维时延-多普勒域分析模型：

39、所述宽带雷达一维距离像分析模型具体为：基于脉冲压缩处理，获得等离子鞘套包覆目标宽带雷达回波距离域表征：

40、

41、

42、所述二维时间-频率域分析模型具体为：基于魏格纳变换，求解等离子鞘套包覆目标宽带雷达回波二维时间-频率，表征为：

43、

44、式中，pecho＝a2×|rq(m)|2项表示调制的宽带雷达信号经过魏格纳变换后的时间-频率表征幅度，ct为通过魏格纳变换后包含交叉项和噪声项的全部输出总和，冲激函数的峰值位置包含宽带回波信号耦合的脉内速度信息；

45、所述二维时延-多普勒域分析模型具体为：基于模糊函数求解等离子鞘套包覆目标宽带雷达回波二维时延-多普勒频率，表征为：

46、

47、式中，τ表示时间延时，ξ表示频率偏移，即脉内多普勒频率，当模糊函数处理结果为最大值，频率偏移量ξ为多条与脉内耦合速度、各参考位置位置相关的直线。

48、所述步骤1.3中根据宽带雷达信号入射非均匀等离子体时的不同情况，得到不同情况下的分集信号频率fi(m)，具体为：

49、(1)当入射宽带电磁波的终止频率小于非均匀等离子体最外层等离子体特征频率，即fend＜fp,1(m)时，宽带电磁波仅在等离子体最外层发生反射；

50、(2)当入射宽带电磁波的起始频率大于非均匀等离子体峰值特征频率，即fpmax(m)＜fc时，宽带电磁波完全穿透非均匀等离子体，宽带电磁波在飞行器表面发生反射，即产生透明传输；

51、(3)当入射宽带电磁波的频率范围为fp,1(m)＜fc＜fend＜fpmax(m)时，宽带电磁波整体入射至非均匀等离子体内部，不同频率分量分别对应不同入射深度，依据fi(m)＝fp,n(m)设计分集信号，其中，分集信号频率fi(m)表示宽带雷达信号频率范围与等离子体特征频率梯度的交集范围内各层等离子体特征频率，fp,n(m)表示第n层等离子体特征频率，i表示分集信号的载频序列号，i＝0，1，2，…，i，i表示宽带电磁波频率分集处理后得到的分集总个数，fi(m)表示宽带电磁波频率分集处理后得到的分集频率最大值；

52、(4)当入射宽带电磁波的频率范围为fc＜fp,1(m)＜fend＜fpmax(m)时，宽带电磁波部分入射至非均匀等离子体内部，不同频率分量分别对应不同入射深度，依据fi(m)＝fp,n(m)设计分集信号；

53、(5)当入射宽带电磁波频率范围为fp,1(m)＜fc＜fpmax(m)＜fend时，宽带电磁波入射非均匀等离子体内部，部分分集信号穿透非均匀等离子体，透射至目标表面，同时产生透明传输和电磁屏蔽效应。

54、所述步骤2.3中局部等离子鞘套内反射系数分布谱中，第m个参考位置第q个峰值位置处对应的分集信号的脉冲宽度tp,q(m)的求解方法为：

55、步骤2.3.1，设第m个参考位置第q个峰值对应的局部等离子鞘套层数为x，x＝0,1,2,…,n，则相邻两层等离子体的特征频率差值δfp,x(m)为：

56、δfp,x(m)＝fp,x+1(m)-fp,x(m)

57、式中，fp,x(m)表示第m个参考位置第x层等离子体的特征频率，fp,x+1(m)表示第m个参考位置第x+1层等离子体的特征频率，δfp,x(m)表示相邻两层等离子体的特征频率差值；

58、步骤2.3.2，利用步骤2.3.1获得的相邻两层等离子体的特征频率差值δfp,x(m)，计算第q个峰值位置处对应的分集信号的脉冲宽度tp,q(m)：

59、

60、式中，k表示雷达信号的调频率，fp,x(m)表示第m个参考位置第x层等离子体的特征频率，fp,x+1(m)表示第m个参考位置第x+1层等离子体的特征频率，δfp,x(m)表示相邻两层等离子体的特征频率差值。

61、等离子鞘套包覆目标宽带雷达回波多域特征模型的构建系统，包括：

62、等离子鞘套宽带雷达反射电磁波建模模块：用于计算等离子鞘套宽带雷达反射电磁波eref(t)；

63、等离子鞘套包覆目标宽带时域回波建模模块：利用等离子鞘套宽带雷达反射电磁波eref(t)，建立等离子鞘套包覆目标宽带时域回波模型echo(t)；

64、等离子鞘套包覆目标宽带雷达回波多域特征建模模块：利用等离子鞘套包覆目标宽带时域回波模型echo(t)，建立等离子鞘套包覆目标宽带雷达回波多域特征模型。

65、等离子鞘套包覆目标宽带雷达回波多域特征模型的构建设备，包括：

66、存储器：用于存储实现所述的等离子鞘套包覆目标宽带雷达回波多域特征模型的构建方法的计算机程序；

67、处理器，用于执行所述计算机程序时实现所述的等离子鞘套包覆目标宽带雷达回波多域特征模型的构建方法。

68、一种计算机可读存储介质，包括：

69、所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能够实现等离子鞘套包覆目标宽带雷达回波多域特征模型的构建方法。

70、相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

71、1、本发明的步骤1中，通过建立宽带雷达信号频域分集模型、获得各分集信号入射等离子鞘套矢量叠加后得到的峰值位置对应的流场速度、求解峰值位置对应流场速度的多普勒频率、建立等离子鞘套包覆目标宽带雷达反射电磁波模型，填补了宽带雷达反射电磁波建模的空白，为开展计算等离子鞘套包覆目标宽带时域回波模型提供基础，与现有技术相比，具有运算速度快、运算效率高的特点。

72、2、本发明的步骤2中，基于等离子鞘套包覆目标宽带雷达反射电磁波模型，求解等离子鞘套包覆目标的回波信号表达式，填补了等离子鞘套包覆目标宽带雷达回波时域模型建模的空白，为开展回波信号多域特征的提取，一维距离像峰值展宽机理的揭示提供模型支撑，与现有技术相比，具有建模难度小、建模精度高的特点。

73、3、本发明的步骤3中，通过魏格纳变换，提取各域之间峰值间隔、峰值展宽量等，为定量研究不同飞行高度、速度，不同载波频率、脉冲宽度、频带宽度对宽带雷达回波各域特征的影响规律提供研究基础，填补了宽带雷达多域特征模型建模的空白。

74、综上所述，与现有技术相比，本发明基于峰值搜索得到等离子鞘套包覆目标宽带雷达入射反射系数峰值分布，提出宽带雷达信号入射等离子鞘套耦合速度提取方法，获得等离子鞘套宽带雷达反射电磁波，揭示了大带宽体制下等离子鞘套与雷达信号耦合作用机理；本发明针对等离子鞘套包覆目标宽带雷达回波多域特征进行建模，重点体现了雷达信号宽参数性对等离子鞘套包覆目标回波多域特征的影响，填补了等离子鞘套包覆目标宽带雷达回波多域特征模型建模的空白，具有建模难度小、建模精度高的特点。