基于混响室的雷达杂波频谱特性模拟系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于混响室的雷达杂波频谱特性模拟系统及方法，涉及采用无线电波的反射或再辐射的定位或存在检测方法技术领域。所述方法包括如下步骤：采用Allpole模型对低海情的海杂波频谱进行数学建模，并采用组合Exponential模型对高海情下的海杂波频谱进行数学建模；改变搅拌器速率并重复采集若干组两个频谱模型的单次采样信号Ssample；对得到的单次采样数据作傅里叶变换和归一化处理，分析其频谱特性。所述方法对雷达杂波的频谱特性模拟刻画更加精细、准确。
【专利说明】
基于混响室的雷达杂波频谱特性模拟系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及采用无线电波的反射或再辐射的定位或存在检测方法技术领域，尤其 涉及一种基于混响室的雷达杂波频谱特性模拟系统及方法。
【背景技术】
[0002] 现代战争是多维一体的空间联合信息化作战，随着"电磁"维的加入，战争维度得 以提升，战争形式更加隐秘，作战内容更加丰富，使得原本残酷的军事斗争变得更加激烈。 信息化作战装备在战场空间辐射形成战场电磁环境，战场电磁环境表现出显著的复杂性， 由时域、频域、空域和能域上分布密集、数量繁多、样式复杂、动态随机的多种电磁信号和辐 射源实体交叠而成，复杂电磁环境越来越成为电子设备可靠运行的巨大挑战，对作战指挥 和战斗力发挥产生直接影响。因此，认清复杂电磁环境在未来战场占据的重要地位，寻找研 究它的内在规律，防患它对武器装备带来的影响危害，利用它获得战场主动权有着重大意 义。
[0003] 雷达运用于现代战争以后，雷达辐射产生的各种信号随即成为战场电磁环境的重 要组成部分。受所处电磁环境总体态势的影响，雷达受到的来自电磁环境地考验也更加严 峻。复杂电磁环境影响雷达对目标地实时跟踪、预警发现、方位锁定、威胁判断等，直接制约 雷达各项性能地发挥。
[0004] 杂波在雷达电磁环境中有着重要的地位，它既是雷达电磁环境的重要组成部分， 又是造成雷达电磁环境不同于其他战场电磁环境的重要因素。与其他武器装备不同，杂波 信号对雷达设备地干扰尤为突出。杂波信号伴随着目标回波信号一同进入雷达接收装置， 难以被分离抑制，一直都是雷达信号处理领域的热点和难点。雷达在进行接收处理的时候 直接受杂波本身的特性影响，比如杂波的幅度起伏特性与雷达的恒虚警检测率检测处理器 性能有关;杂波信号的功率谱特性与雷达的动目标显示滤波器性能有关;杂波的空间幅度 特性与雷达杂波相消前的信噪比测试有关。因此，能否实现雷达杂波的全面模拟是构建雷 达战场电磁环境的关键。
[0005] 在杂波模拟中，传统方法包括:基于实装的战场杂波环境复现、基于计算机软件的 杂波电磁特性仿真和基于实物或半实物的雷达杂波模拟器。混响室作为大型空间电磁测试 腔室，在传统的电磁兼容测试功能基础上，用作杂波模拟器有着其独特的优势。将混响室用 于杂波模拟，既能快速、高效、低成本地模拟出符合受试需求的雷达杂波，又能立体全面地 呈现杂波时、频、空等多域信息，在大型密闭空间中形成"全向辐照"立体逼真的雷达杂波环 境。
[0006] 海情通常用于表征海面运动状态和海浪澎湃程度，它与浪高和风速两个参量息息 相关。海水在重力、气流、温差等因素影响下运动状态实时起伏就对应不同海情。不同海情 对应不同的海面粗糙程度，引入均方浪高和相关函数对其进行描述。
[0007] 均方浪高定义为：
[0009] 式（1)中，h(r)表示浪高函数;p(h)表示浪高分布;<>s表示沿被测海表取均值，h表 不浪尚。
[0010] 相关函数定义为：
[0012] 式(2)中，R表示海表两点距离。
[0013] 在低海情海况下，海面平静，表面颠簸程度平缓，对应的均方浪高值低，相关函数 随R增大衰减缓慢;相反，在高海情海况下，海浪翻滚程度加剧，对应的均方浪高值高，相关 函数随R增大衰减迅速。
[0014] 异海情海杂波特性
[0015] 不同海情，其海表起伏程度不同，尤其在高海情条件下，海面翻滚剧烈，海面形态 随时间变化尺度大，产生出许多复杂的海水细节结构，导致海表数学模型更加复杂多变。雷 达波束作用在不同结构的海表上，其回波散射特性也有很大差异，图1和图2分别为IPIX雷 达实测海杂波数据在不同海情下得到的时、频域特性图：
[0016] 时域上，低海情时，波涛起伏小，均方浪高小，多径效应不显著，大幅值回波所占 比例较大，幅值分布较均匀；高海情时，波涛起伏大，均方浪高大，多径效应显著，小幅值回 波所占比重增大，幅度分布向小幅值部分集中。
[0017] 频域上，低海情时，海面风速低，杂波频域能量较为集中，多普勒展宽不明显，两侧 拖尾长，谱线呈锐利的"人字形"。高海情时，海面风速高，杂波频域能量有所分散，多普勒展 宽显著，低频侧和高频侧谱线下降速率不一致，谱线呈展宽的"入字形"。
[0018] 海杂波功率谱模型
[0019] 常用的海杂波功率谱模型有高斯型(Gaussian )、指数型(Exponential)和全极点 型(Allpole) Xaussian模型在海杂波功率谱模型中运用最为广泛，其良好的对称性以及双 参数调节的便利性，能够清楚地刻画雷达海杂波的多普勒频移及展宽：
[0021] 式(3)中，Po表示平均功率;fd表示平均多普勒频率;σ表示标准差。
[0022] Allpole模型伴随着雷达精度增加而产生，当雷达波束以低俯仰角作用于海面，回 波的功率谱特性可以用Allpole模型进行更精确地刻画，其概率密度函数为：
[0024] 式(4)中，fc表示截止频率。
[0025] Exponential模型运用较少，通常不适合于描述雷达在平静状态下杂波功率谱特 性，但是由于exp函数特有的性质，在描述高海情杂波功率谱时有其自身的优势，其概率密 度函数为：
[0027]如图3是三种典型海杂波功率谱模型曲线图：
[0028] 针对以上涉及的两种典型海情下海杂波的功率谱，Gaussian型都不能很好地进行 刻画。在低海情时，Gaussian谱虽然可以刻画频谱中心的多普勒展宽，但尖峰两侧下降速率 较慢，两边拖尾长度也不够;高海情时，Gaussian谱良好的对称性反而成为刻画此类非对 称谱线的瓶颈。Allpole模型不仅能够很好地拟合低海情杂波功率谱的尖峰值，其长拖尾特 性也更好地与低海情情形相契合，但是其不适合于高海情。而单一参数的Exponential模型 不能完整地描述高海情杂波频谱。
【发明内容】
[0029] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于混响室的雷达杂波频谱特性模拟系 统及方法，所述方法对雷达杂波的频谱特性模拟刻画更加精细、准确。
[0030] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于混响室的雷达杂波 频谱特性模拟系统，其特征在于:包括组合信号发生模块、射频放大模块、机械搅拌混响室 和输出信号采集模块，所述组合信号发生模块的信号输出端与射频方法模块的信号输入端 连接，所述射频放大模块的信号输出端与所述机械搅拌混响室的信号接收天线进行信号的 传输，经过机械搅拌混响室的信号通过所述混响室内的发射天线与所述输出信号采集模块 的信号输入端连接。
[0031] 进一步的技术方案在于:所述信号发生模块包括任意波形发生器和模拟信号发生 器，所述任意波形发生器中写入低频信号So,将低频信号So作为调制信号馈入模拟信号发生 器，模拟信号发生器经过调制生成已调信号Su
[0032] 进一步的技术方案在于：所述射频放大模块包括AR功率放大器和低损耗同轴线 缆，已调信号Si经过AR功率放大器有效放大最终形成射频输入信号S input，适当调节功放的 放大倍数，使得射频输入信号S_Ut信号既满足混响室工作要求，又使得经搅拌形成的Soutput 信号不毁伤输出采集设备。
[0033] 进一步的技术方案在于:所述机械搅拌混响室包括腔室、搅拌器、接收天线和发射 天线，搅拌器、接收天线和发射天线位于所述腔室内，通过改变搅拌器的转速来实现不同类 型下最大多普勒频移f dmax的模拟，接收天线选择对数周期天线作为输入，保持其位置固定， 对准混响室某一角落，发射天线选择喇叭天线，同样保持位置固定，射频输入信号S in_经搅 拌后形成射频输出信号s?tput向下级模块传输。
[0034] 进一步的技术方案在于:所述输出信号采集模块包括同轴衰减器和示波器，经过 混响室后的射频输出信号SQUtput经过同轴衰减器降低功率，得到信号S lOT，最后再由示波器 对输出信号进行采集，得到单次采样信号Ssam咖。
[0035] 本发明还公开了一种基于混响室的雷达杂波频谱特性模拟方法，其特征在于包括 如下步骤：
[0036]采用Allpole模型对低海情的海杂波频谱进行数学建模，并采用组合Exponential 模型对高海情下的海杂波频谱进行数学建模；
[0037] 对上述建好的频谱模型作逆傅里叶变换，得到相应的时域数据，选择不同类型的 单周期时域波形作为输入，并将上述时域数据分别存储于任意信号发生器中备用；
[0038] 将单周期时域波形作为输入送至模拟信号发生器中进行载波信号幅度调制，完成 幅度调制信号的生成，再由射频放大模块进行适度放大，最终形成射频输入信号；
[0039] 射频输入信号准备完毕后，对机械搅拌混响室内部进行设置，固定收发天线位置 不变，并设置搅拌器的电机控制程序，让混响室工作于连续模式，搅拌器的搅拌速率设置为 一定值；
[0040] 通过输出信号采集模块对机械搅拌混响室的输出信号进行采样，得到单次采样信 号Ssample，两个频谱模型的单次采样信号&_ 1(3各收录为一个数据单元，保持输入信号不变， 重复上述过程，每个单元测若干组数据；
[0041] 改变搅拌器速率并重复采集若干组两个频谱模型的单次采样信号Ssample;
[0042] 对得到的单次采样数据作傅里叶变换和归一化处理，分析其频谱特性。
[0043] 进一步的技术方案在于:所述方法还包括对机械搅拌混响室进行校准的步骤，采 用空载形式对所述混响室的腔室进行校准，校准结束后对所述模拟系统进行设置并准确连 线。
[0044] 进一步的技术方案在于:所述的Allpole模型的概率密度函数为：
[0046] 其中，PQ表示平均功率;fd表示平均多普勒频率;fc表示截止频率，f表示频率， n表 示正整数。
[0047]进一步的技术方案在于:所述的组合Exponential模型通过以下方法得出：
[0048] 通过控制两个单一Exponential模型的截止频率fc，选择不同的exp函数曲线分别 描述高海情时高、低频下降沿部分，最终将两个exponential模型的高、低频下降沿部分组 合，完成组合Exponential模型的建模，从而完成高海情杂波功率谱曲线的建模。
[0049]进一步的技术方案在于:所述的单一 Exponential模型的概率密度函数为：
[0051 ] 其中，PQ表示平均功率;匕表示截止频率，f表示频率。
[0052]采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法运用Allpole函数和组合 Exponential函数建立数学模型，以实测雷达海杂波为参考，在混响室中进行了杂波频谱特 性地模拟再现，得到以下结论：
[0053] (1)采用IPIX雷达的海杂波数据，得到两种典型海情下雷达海杂波频谱特性。低海 情时，海杂波谱线呈锐利的"人字形"，满足Allpole模型；高海情时，高、低频两侧谱线下降 速率不一致，呈展宽的"入字形"，满足组合Exponential模型。通过所述方法构建的模型克 服了Gaussian型频谱模型的局限，对雷达杂波频谱特性模拟刻画更加精细、准确。
[0054] (2)理想条件下，混响室选频特性良好，只在谐振频率时有响应输出，可以等效为 梳状滤波器;非理想条件下，混响室选频特性下降，其他频率分量被激发，可以等效为高通 滤波器。本方法所用的混响室具有非理想特性，不影响注入的窄带信号顺利通过。
[0055] (3)将模拟重点放在海杂波频谱的模型和最大多普勒频移fdmax上，以实测雷达海 杂波频谱特性为参考，通过不断改变搅拌器转速来实现不同类型下最大多普勒频移f dmax的 模拟。
[0056] (4)从模拟结果来看，模拟出的混响室输出频谱特性与实测结果一致，频谱模型与 输入模型一致，不随搅拌速率改变而发生变化;最大多普勒频移fdmax只受搅拌速率影响，而 与输入模型无关，最大多普勒频移fdmax随搅拌速率增大而增大。
【附图说明】
[0057] 图1是低海情下海杂波的时域波形图；
[0058] 图2是高海情下海杂波的时域波形图；
[0059] 图3是低海情下海杂波的功率谱密度图；
[0060] 图4是高海情下海杂波的功率谱密度图；
[0061 ] 图5是Gaussian型海杂波功率谱密度曲线；
[0062]图6是Allpole型海杂波功率谱密度曲线；
[0063]图7是单一参数的Exponential型海杂波功率谱密度曲线；
[0064]图8是理想条件下混响室在工作频率为1GHz附近的谐振频率值谱线图；
[0065]图9是非理想条件下混响室幅频响应图；
[0066]图10是不规则搅拌器的结构示意图；
[0067]图11是本发明中所述系统的原理框图；
[0068]图12是Allpole模型模拟的海杂波功率谱数学模型；
[0069]图13是组合Exponential模型模拟的海杂波功率谱数学模型；
[0070] 图14-15为搅拌速率一下Allpole模型模拟杂波功率谱密度曲线图；
[0071] 图16-17为搅拌速率二下Allpole模型模拟杂波功率谱密度曲线图；
[0072]图18-19为搅拌速率三下Allpole模型模拟杂波功率谱密度曲线图；
[0073]图20-21为搅拌速率一下组合Exponential模型模拟杂波功率谱密度曲线图；
[0074]图22-23为搅拌速率二下组合Exponential模型模拟杂波功率谱密度曲线图；
[0075]图24-25为搅拌速率三下组合Exponential模型模拟杂波功率谱密度曲线图。
【具体实施方式】
[0076] 下面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的一部分实施例，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。
[0077] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以 采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的 情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0078] 本发明公开了一种基于混响室的雷达杂波频谱特性模拟系统及方法，所述方法使 用所述模拟系统进行，下面对本发明的相关理论进行说明：
[0079] 理想条件下混响室幅频特性：
[0080]将谐振腔理论运用于混响室，从整体结构入手，忽略内部一些非线性因素对幅频 特性的影响，腔室主体可以视为一个规则的矩形结构，理想状态下混响室谐振频率为：
[0082] 其中：L表示混响室的长度，W表示混响室的宽度，Η表示混响室的宽度，c ο表示光 速，n、m、p为非负正整数且不同时为0。
[0083] 利用表1混响室相关参数：
[0084] 表1混响室基本参数
[0085] Table 1Parameters of reverberation chamber
[0086]
[0087] 经计算，在工作频率为1GHz附近的谐振频率值谱线如图8所示：
[0088] 从图8可知，在忽略腔室损耗等影响条件下，理想状态下的混响室谐振频率是一根 根孤立的间断谱线，随着频率地不断升高，谱线密度增大。理论上，只有当输入频率等于谐 振频率的信号才能通过。因此，理想混响室具有良好的选频特性，可以视为理想的梳状滤波 器。
[0089]非理想条件下混响室幅频特性
[0090]品质因数Q表征腔室损耗的能力，Q的倒数可以视为腔室中各种损耗分别取倒的叠 加。计算公式如下：
[0092] 式(7)中，ητχ为发射天线效率;为接收天线效率;p表示功率均值;Pi为接收功 率;Ρ?η为发射功率。
[0093] 品质因数Q的值随工作频率升高呈上升趋势，当混响室工作在1GHz左右时，理论Q 值在1〇5量级，Q值变化对腔室理想化程度造成影响。品质因数Q的提出使得混响室损耗大小 有了一个具体的衡量指标，损耗的存在使得腔室理想化程度下降，随之带来的影响体现在 幅频特性上就是谐振频率地改变。为便于分析损耗影响(仅考虑电介质损耗）：
[0095] 式(8)中，βη为本征值;an为本征函数。
[0096] 令电导率为〇,于是得到：
[0098]式(9)中，ε。表示复电容系数。
[0101] 进而得到：
[0103] 令：
[0104] JE · andT = Ane_jMt (12)
[0105] 式(12)中An为常数；ω = ω i+j ω 2，于是得：
[0113]式（16)表明，由于损耗原因使得原本在理想混响室中作无阻尼振荡的电磁波出现 了阻尼振荡现象，从阻尼振荡的角度出发，可以将式(16)写为积分式：
[0115]结合逆傅里叶变换将其中的所有频率成分表示出来：
[0117]式（18)表明，要使得某一频率成分下的场强值Ε(ω)得以凸显，必须使」（ωη-ω)-c〇n/2Q?0,当品质因数Q>>1时，就要求〇一 ω。
[0118]由以上理论分析并结合仿真，当混响室工作在1GHz时，其幅频响应如图9所示：
[0119] 由图9可知，当输入工作频率较大时，混响室处于过模状态，腔室内包含的独立谐 振频率多，模式密度大。如果注入一个中心频率较高的宽带雷达信号，此时输出信号的频谱 分量由孤立的频点扩充至连续的频带。而由式（18)可以看出，非理想条件下，混响室选频特 性变差，谐振频率周围会激发出大量其他的频率分量，并且随着品质因数Q的增大，谐振频 率周围的频率分量也不断增大。最终可以将混响室视为一个高通滤波器。
[0120] 本申请所用的混响室为非理想型，因此，在输入一定带宽的窄带信号时可以顺利 通过而不被抑制。
[0121 ]混响室雷达杂波频谱特性模拟原理
[0122]波澜起伏的海面可以视为雷达波发射接收之间的主要传输信道，由于海面起伏不 定，散射表体形状各异，再加上海浪相互作用产生了丰富的细微结构，使得传输信道的形状 实时变化，信道特性复杂多样，导致回波多径效应显著。为了模仿海洋自然环境引起的时变 传输特性，混响室在结构设计上引入搅拌器与之相适应。搅拌器的存在使得原本简单规则 的矩形腔室内部结构变得复杂多变，本文所采用的混响室搅拌器除了形状规则的主搅拌器 外，还有不规则的副搅拌器，由于副搅拌器独特的锯齿开口结构（如图10所示)增加了腔室 结构的复杂性。
[0123]搅拌器的存在不仅增加了混响室几何结构的复杂性，其连续转动的过程还会引起 输出响应的多普勒展宽。在真实的雷达杂波环境中，海杂波多普勒展宽主要是由于海浪在 风力、重力等的作用下作相对运动，其沿雷达入射波径向方向的速度不为零造成的。同样 地，在混响室杂波模拟系统中，搅拌器的连续转动可以类比于海浪的翻滚，最终也会使得输 出响应在频谱上出现多普勒效应。旋转的矩形良导体导致的多普勒频移公式为：
[0125] 式（19)中，fo表示载频;炉表示源与导体板夹角;r表示导体旋转半径；〇3表示导体 的旋转角速度。
[0126] 进入腔室内的电磁波在金属腔壁和搅拌器之间来回反射，在连续搅拌模式下，电 磁波的传播路径随机时变，形成一个时变多径调制信道。因此，混响室的连续搅拌过程可以 视为时变Nakagami多径衰落信道的生成过程。
[0127] 在这样的多径衰落信道中，平稳窄带复信号可以表示为：
[0128] S(/) = ^(/)cxp[- />(/)] (20)
[0129] 式(20)中A(t)和舛?)分别是信号的包络和相位函数。
[0130] 定义S(t)的自协方差函数为：
[0131] 2Bs(x)=E[S*(t)S(t+T)]-|E[S(t)] |2 (21)
[0132] 式(21)中#(t)表示S(t)的共辄。因此，η阶谱矩bn可以定义为：
[0136]式(23)中bo表示0阶谱矩;1〇( ·)表示0阶修正贝塞尔函数;fdmax表示最大多普勒频 移;1〇2〇4已[-：11，：11)。进一步推得1、2阶谱矩131、&2分别为：
[0139] 式(24)和(25)中IK ·)和12( ·)分别表示1阶和2阶修正贝塞尔函数。
[0140] 式（19)给出了规则矩形导体薄板绕径向旋转所引起的多普勒频移的一般表达式， 但是并没有针对混响室中金属搅拌器连续旋转的情形，不能直接用于混响室中多普勒现象 的定量计算。引入N(P)(电平通过率），在各向同性散射模型中，κ = 〇，Ιη、?32可以简化为b1 = 〇,62 =42疋2乂：^ ,N(P)可以表示为：
[0142]表示归一化包络电平。因此，混响室中最大多普勒频移可以表 示为：
[0144] N(P)可以通过在混响室中设置实验测量S21参数得到，而Nakagami形状参数m无法 直接求得，但m与莱斯因子K有如下关系：
[0146] Rice因子K可以通过实验测得，计算公式如下：
[0148] 式(29)中Pd表示转移函数S21均值的功率;Ps表示转移函数521的方差。
[0149] 由式(27)-(29)就可以求得fdmax定量解，但是求解过程较为复杂，尤其是m参数还 需要通过实验间接求得，由于实验误差的存在，计算结果精度较低。因此，引入混响室中功 率谱密度计算的经验公式来简化计算，在混响室中，接受区域的功率谱密度可以表示为：
[0151 ]式(30)中5(fd)表示Dirichlet函数;Sin(fd)表示直接親合部分的接收频谱。
[0152] 当对接收区域的频谱采用其最大值进行归一化处理，实验结果与经验模型有很好 的拟合程度，采用指数型延迟表示为：
[0153] S(fd)=a · exp(-b | fd |-1) (31)
[0154] 式(31)中，a为常数;b由混响室内部配置和载频共同决定，可以用b = i^进行计算。 其中λ是工作波长;β是形状参数，其值依赖于搅拌器速率。
[0155] 如图11所示，本发明公开了一种基于混响室的雷达杂波频谱特性模拟系统，其特 征在于:包括组合信号发生模块、射频放大模块、机械搅拌混响室和输出信号采集模块，所 述组合信号发生模块的信号输出端与射频方法模块的信号输入端连接，所述射频放大模块 的信号输出端与所述机械搅拌混响室的信号接收天线进行信号的传输，经过机械搅拌混响 室的信号通过所述混响室内的发射天线与所述输出信号采集模块的信号输入端连接。
[0156] 采用模块化形式对数据流进行传输处理，按照图11所示搭建模拟系统并对实验设 备进行相关设置。采用组合信号发生模块-射频放大模块-机械搅拌混响室-输出信号采集 模块，四级结构完成对信号流的传递处理。将组合信号发生源生成的波形注入混响室，再对 输出响应作傅里叶变换，观察不同搅拌速率对输出响应频谱特性中多普勒展宽的影响。
[0157] (1)组合信号发生模块。第一级为组合信号发生模块，它主要由Agilent 33250Α任 意波形发生器和Agilent 8257D模拟信号发生器组合而成，在33250A中写入低频信号So，将 So作为调制信号馈入8257D中，经过AM调制生成已调信号Si。由于8257D产生的信号功率过 低，无法满足混响室输入信号的功率要求，需要加入次级放大模块对一级信号进行功率放 大。
[0158] (2)射频放大模块。第二级为射频放大模块，它主要由AR功率放大器（以下简称功 放)和低损耗同轴线缆组成。已调信号&经过有效放大最终形成射频输入信号Sinput，适当调 节功放的放大倍数，使得射频输入信号Sinput既满足混响室工作要求，又使得经搅拌形成的 射频输出信号Soutput不毁伤输出米集设备。
[0159] (3)机械搅拌混响室。第三极为机械搅拌混响室，包括腔室、搅拌器、接收天线和发 射天线，搅拌器、接收天线和发射天线位于所述腔室内。选择对数周期天线作为输入，保持 其位置固定，对准混响室某一角落，发射天线选择喇叭天线，同样保持位置固定，射频输入 信号S lnput经搅拌后形成射频输出信号Soutput向下级模块传输。
[0160] (4)输出信号采集模块。第四级为输出采集模块，主要包括同轴衰减器和 Tektronix DP0 7254示波器。由于信号经混响室后会有一个放大作用，一般射频输出信号 3__功率较大，不满足示波器的工作要求，因此，先经过20dB同轴衰减器降低功率，得到信 号S lOT，最后再由DP07254示波器对输出信号进行采集，得到单次采样信号S_ple。
[0161] 本发明还公开了一种基于混响室的雷达杂波频谱特性模拟方法，包括如下步骤：
[0162] (1)采用Allpole模型对低海情的海杂波频谱进行数学建模，如图12所示，并采用 组合Exponential模型对高海情下的海杂波频谱进行数学建模，如图13所示；
[0163] 所述的Allpole模型的概率密度函数为：
[0165] 其中，PQ表示平均功率;fd表示平均多普勒频率;f c表示截止频率，f表示频率，n表 示正整数。
[0166] 所述的组合Exponential模型通过以下方法得出：通过控制两个单一Exponential 模型的截止频率f。，选择不同的exp函数曲线分别描述高海情时高、低频下降沿部分，最终 将两个exponential模型的高、低频下降沿部分组合，完成组合Exponential模型的建模，从 而完成高海情杂波功率谱曲线的建模。
[0167] 所述的单一Exponential模型的概率密度函数为：
[0169] 其中，Ρο表示平均功率;f。表示截止频率，f表示表示频率。
[0170] (2)对建好的频谱模型作逆傅里叶变换，得到其时域数据，选择任意波形发生器 33250A中的"Arb"模式，将时域数据分别写入并存储于33250A的"Stored Wform"中备用；
[0171] (3)对混响室进行校准，由于本方法不涉及带载情况，腔室内无其他明显影响电磁 波折反射的几何物体，因此采用空载形式对腔体进行校准，校准结束后按照四级模块化方 式对实验装置进行设置并准确连线。
[0172] (4)由于33250A型任意波形发生器产生的信号最高频率不能超过80MHz(不满足混 响室fl * 79.83MHz要求，其中fl表示混响室最低可用频率，fl = 3*f〇，其中f〇由公式(6)当m = l、n = 〇、P = 〇得到。），故将低频信号作为输入送至8257D型模拟信号发生器中进行载波信号 幅度调制。将8257D设置到"AM"模式，输入载波频率为1GHz，选择调制输入端口为"0UT1"，完 成幅度调制信号的生成，再由功率放大器进行适度放大，最终形成射频输入。
[0173] (5)射频输入信号准备完毕后，对混响室内部进行设置，固定收/发天线位置不变， 发射天线俯仰角约为60°，接收天线保持水平，设置搅拌器的电机控制程序，让混响室工作 于连续模式，搅拌速率设置为〇. 314rad/s (搅拌速率一）。
[0174] (6)对输出信号进行采样，单次采样样本数为100000,用带通采样定理取示波器采 样频率f s = 5KHz，得到单次采样信号Ssample。两个频谱模型各收录为一个数据单元，保持输 入信号不变，重复上述过程，每个单元测50组数据。
[0175] (7)改变搅拌器速率为0.628rad/s (搅拌速率二）、0.942rad/s (搅拌速率三），重复 步骤(6)。
[0176] 在雷达杂波频谱特性模拟方法中有两个频谱模型，三种搅拌速率，共计6个数据单 元，300组数据。
[0177] 对得到的单次采样数据作傅里叶变换和归一化处理，分析其频谱特性，图14-19、 图20-25分别是不同转速下，以两种模型为输入得到的混响室输出响应频谱曲线：
[0178] 将不同转速下，高、低海情模型得到的最大多普勒展宽fdmax列表2:
[0179] 表2不同速率下最大多普勒展宽fdmax
[0181] fdmax 单位：（Hz)
[0182] 结果表明：当输入信号由传统单频信号改变为具有一定带宽的宽带信号后，能够 在混响室中形成有效输出，不影响其整体的频谱特性，这与以上理论分析的非理想条件下 混响室可以视为一个高通滤波器的理论相一致。从图14-25可以看出，经过混响室搅拌后， 两种模型得到的输出其整体形状与输入时保持一致，只在最大多普勒展宽f dmajJ：有所不 同。另外，最大多普勒展宽fdmax随搅拌器旋转速率的增加而增大，增减程度与输入模型无 关。
[0183] 所述方法运用Allpole函数和组合Exponential函数建立数学模型，以实测雷达海 杂波为参考，在混响室中进行了杂波频谱特性地模拟再现，得到以下结论：
[0184] (1)采用IPIX雷达的海杂波数据，得到两种典型海情下雷达海杂波频谱特性。低海 情时，海杂波谱线呈锐利的"人字形"，满足Allpole模型；高海情时，高、低频两侧谱线下降 速率不一致，呈展宽的"入字形"，满足组合Exponential模型。通过所述方法构建的模型克 服了Gaussian型频谱模型的局限，对雷达杂波频谱特性模拟刻画更加精细、准确。
[0185] (2)理想条件下，混响室选频特性良好，只在谐振频率时有响应输出，可以等效为 梳状滤波器;非理想条件下，混响室选频特性下降，其他频率分量被激发，可以等效为高通 滤波器。本方法所用的混响室具有非理想特性，不影响注入的窄带信号顺利通过。
[0186] (3)将模拟重点放在海杂波频谱的模型和最大多普勒频移fdmax上，以实测雷达杂 波频谱特性为参考，通过不断改变搅拌器转速来实现不同类型下最大多普勒频移fdmax的模 拟。
[0187] (4)从模拟结果来看，模拟出的混响室输出频谱特性与实测结果一致，频谱模型 与输入模型一致，不随搅拌速率改变而发生变化;最大多普勒频移fdmax只受搅拌速率影响， 而与输入模型无关，最大多普勒频移fdmax随搅拌速率增大而增大。
【主权项】
1. 一种基于混响室的雷达杂波频谱特性模拟系统，其特征在于:包括组合信号发生模 块、射频放大模块、机械搅拌混响室和输出信号采集模块，所述组合信号发生模块的信号输 出端与射频方法模块的信号输入端连接，所述射频放大模块的信号输出端与所述机械搅拌 混响室的信号接收天线进行信号的传输，经过机械搅拌混响室的信号通过所述混响室内的 发射天线与所述输出信号采集模块的信号输入端连接。2. 如权利要求1所述的基于混响室的雷达杂波频谱特性模拟系统，其特征在于:所述信 号发生模块包括任意波形发生器和模拟信号发生器，所述任意波形发生器中写入低频信号 So,将低频信号So作为调制信号馈入模拟信号发生器，模拟信号发生器经过调制生成已调信 号Si。3. 如权利要求1所述的基于混响室的雷达杂波频谱特性模拟系统，其特征在于:所述射 频放大模块包括AR功率放大器和低损耗同轴线缆，已调信号Si经过AR功率放大器有效放大 最终形成射频输入信号S_ ut，适当调节功放的放大倍数，使得射频输入信号Sinput信号既满 足混响室工作要求，又使得经搅拌形成的S? t_信号不毁伤输出采集设备。4. 如权利要求1所述的基于混响室的雷达杂波频谱特性模拟系统，其特征在于:所述机 械搅拌混响室包括腔室、搅拌器、接收天线和发射天线，搅拌器、接收天线和发射天线位于 所述腔室内，通过改变搅拌器的转速来实现不同类型下最大多普勒频移f dmax的模拟，接收 天线选择对数周期天线作为输入，保持其位置固定，对准混响室某一角落，发射天线选择喇 叭天线，同样保持位置固定，射频输入信号S in_经搅拌后形成射频输出信号下级模 块传输。5. 如权利要求1所述的基于混响室的雷达杂波频谱特性模拟系统，其特征在于:所述输 出信号采集模块包括同轴衰减器和示波器，经过混响室后的射频输出信号Soutputg过同轴 衰减器降低功率，得到信号S lOT，最后再由示波器对输出信号进行采集，得到单次采样信号 Ssample 〇6. -种基于混响室的雷达杂波频谱特性模拟方法，其特征在于包括如下步骤： 采用Allpole模型对低海情的海杂波频谱进行数学建模，并采用组合Exponential模型 对高海情下的海杂波频谱进行数学建模； 对上述建好的频谱模型作逆傅里叶变换，得到相应的时域数据，选择不同类型的单周 期时域波形作为输入，并将上述时域数据分别存储于任意信号发生器中备用； 将单周期时域波形作为输入送至模拟信号发生器中进行载波信号幅度调制，完成幅度 调制信号的生成，再由射频放大模块进行适度放大，最终形成射频输入信号； 射频输入信号准备完毕后，对机械搅拌混响室内部进行设置，固定收发天线位置不变， 并设置搅拌器的电机控制程序，让混响室工作于连续模式，搅拌器的搅拌速率设置为一定 值； 通过输出信号采集模块对机械搅拌混响室的输出信号进行采样，得到单次采样信号 Ssampl(3，两个频谱模型的单次采样信号&_1(3各收录为一个数据单元，保持输入信号不变，重 复上述过程，每个单元测若干组数据； 改变搅拌器速率并重复采集若干组两个频谱模型的单次采样信号Ss_le; 对得到的单次采样数据作傅里叶变换和归一化处理，分析其频谱特性。7. 如权利要求6所述的基于混响室的雷达杂波频谱特性模拟方法，其特征在于所述方 法还包括对机械搅拌混响室进行校准的步骤，采用空载形式对所述混响室的腔室进行校 准，校准结束后对所述模拟系统进行设置并准确连线。8. 如权利要求6所述的基于混响室的雷达杂波频谱特性模拟方法，其特征在于所述的 Allpole模型的概率密度函数为：其中，Ρο表示平均功率;fd表示平均多普勒频率;f。表示截止频率，f表示频率，η表示正 整数。9. 如权利要求6所述的基于混响室的雷达杂波频谱特性模拟方法，其特征在于所述的 组合Exponential模型通过以下方法得出： 通过控制两个单一Exponential模型的截止频率f。，选择不同的exp函数曲线分别描述 高海情时高、低频下降沿部分，最终将两个exponential模型的高、低频下降沿部分组合，完 成组合Exponential模型的建模，从而完成高海情杂波功率谱曲线的建模。10. 如权利要求9所述的基于混响室的雷达杂波频谱特性模拟方法，其特征在于所述的 单一Exponential模型的概率密度尿丨救为.其中，Ρο表示平均功率;fc表示截止频卒，f表不频卒。
【文档编号】G01S7/02GK105866743SQ201610221233
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】韩壮志, 梁玉英, 涂鹏, 孟亚峰, 吕贵洲
【申请人】中国人民解放军军械工程学院