一种宽带雷达海面回波仿真方法与流程

1.本发明涉及一种宽带雷达海面回波仿真方法。


背景技术：

2.海面宽带电磁散射的外场实测可控性差，且代价巨大，无法满足大量测试进行科学研究的需求。利用电磁散射粗糙面仿真算法、海面几何模型，建立宽带海面回波仿真模型，可以在计算机上进行仿真分析研究。
3.受到海面场景大、海情复杂、雷达频率高的限制，基于时间采样的海面宽带散射仿真存在耗时长、精度较低的缺点。对于任意雷达宽带信号的海面宽带散射特性仿真方法是目前海杂波特性研究的难点。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种宽带雷达海面回波仿真方法，采用粗糙面散射理论的bragg修正面元散射算法和修正子带合成的计算方法，准确有效地求解宽带海面散射特性。
5.为了达到上述目的，本发明提供一种宽带雷达海面回波仿真方法，包含以下步骤：
6.步骤s1、对雷达发射信号进行傅里叶变换获得的离散频谱进行线性插值并子带离散化，确定子带修正因子；
7.步骤s2、采用bragg修正面元散射模型计算子带频率下的海面面元散射系数；
8.步骤s3、基于子带频率的海面面元散射系数，利用修正子带合成方法计算海面面元的宽带散射系数；
9.步骤s4、将海面面元散射系数代入到雷达方程中，获得面元回波幅度，利用面元回波幅度修正雷达发射信号，获得海面面元的宽带回波信号；
10.步骤s5、将海面几何模型中所有面元的宽带回波进行矢量叠加，生成海面几何模型的海面宽带回波信号。
11.所述步骤s1中，雷达发射信号的中心频率f
c
、带宽b，将雷达发射信号的频率下限记为f
s
，频率上限记为f
e
，记δf＝(f
e
‑
f
s
)/99，将信号频率离散为f
s
、f
s
δf、f
s
2δf、f
s
3δf、
……
、f
s
99δf(f
e
)，频率幅度为子带修正因子，记为a0、a1、a2、
……
、a
98
、a
99
。
12.所述步骤s2中，计算子带频率下的海面面元散射系数的方法包含：
13.根据选定的海谱模型，用线性过滤法生成海面几何模型，并根据雷达发射信号中心频率进行三角面元化离散，采用基尔霍夫近似法计算三角面元的归一化雷达散射截面
[0014][0015]
其中，u
pq
为极化系数，p为散射极化方式，q为入射极化方式，k
i
为子带入射电磁波
波数，为入射方向，为散射方向，p(z
x
,z
y
)为斜率概率密度函数，q和q
z
由和决定，q＝|q|，z
x
＝
‑
q
x
/q
z
,z
y
＝
‑
q
y
/q
z
；
[0016]
用微粗糙面的功率谱模拟实际海面环境中的细小波纹，采用微扰法计算的海面面元细小波纹的散射系数
[0017][0018]
其中，s
capi
(q
l
)为bragg散射的海谱成分，q
l
为q在海面面元上的投影，ε为海面介电常数，表示极化因子；
[0019]
则子带频率下的海面面元散射系数为：
[0020][0021]
对于同一个海面面元，不同的子带有不同的散射系数，依次求解每个子带对应频率下的海面面元散射系数。
[0022]
所述步骤s3中，计算海面面元的宽带散射系数的方法包含：
[0023][0024]
其中，i表示子带个数，f
i
表示子带频率，a
i
表示子带频率的幅度，r
ij
表示面元与雷达间的距离，r表示海面几何模型与雷达的斜距，j是虚数单位，c是电磁波传播速度。
[0025]
所述步骤s4中，海面面元的宽带回波信号的计算方法包含：
[0026]
将面元宽带散射系数带入雷达方程，获得面元回波幅度f
n
：
[0027][0028]
其中，d为雷达参数，s
n
为散射单元面积，σ
n
是海面面元宽带散射系数，r
n
为散射单元到雷达距离；
[0029]
设雷达发射信号为s(t)，海面面元的宽带回波信号s
rn
(t)为：
[0030]
s
rn
(t)＝f
n
s(t
‑
τ
n
)
[0031]
其中，τ
n
为收发延时。
[0032]
所述步骤s5中，计算海面宽带回波信号的方法包含：
[0033]
将海面几何模型中所有面元的宽带回波进行矢量叠加，获得海面宽带回波信号，即：
[0034][0035]
其中，s
r
(t)为海面宽带回波信号，n为海面面元个数。
[0036]
本发明的有益效果在于，基于修正子带合成方法，利用bragg修正面元散射模型计
算得到的子带频率的散射系数合成面元宽带散射系数，结合雷达方程和发射信号，为海面宽带回波仿真提供一种准确有效的计算方法。
附图说明
[0037]
图1是本发明提供的一种宽带雷达海面回波仿真方法的流程图。
具体实施方式
[0038]
以下根据图1具体说明本发明的较佳实施例。
[0039]
如图1所示，本发明提供一种宽带雷达海面回波仿真方法，包含以下步骤：
[0040]
步骤s1、对雷达发射信号进行傅里叶变换获得的离散频谱进行线性插值并子带离散化，确定子带修正因子；
[0041]
步骤s2、采用bragg修正面元散射模型计算子带频率下的海面面元散射系数；
[0042]
步骤s3、基于子带频率的海面面元散射系数，利用修正子带合成方法计算海面面元的宽带散射系数；
[0043]
步骤s4、将海面面元散射系数代入到雷达方程中，获得面元回波幅度，利用面元回波幅度修正雷达发射信号，获得海面面元的宽带回波信号；
[0044]
步骤s5、将海面几何模型中所有面元的宽带回波进行矢量叠加，生成海面几何模型的雷达宽带回波信号。
[0045]
所述步骤s1中，利用快速傅里叶变换方法对雷达发射信号进行傅里叶变换，时域有限的信号其频谱无限长，截取主要能量的频谱分量作为信号的频谱，确定频率的上下限，将离散频谱通过线性插值技术实现频谱的连续化，以百分之一相对子带宽度将信号频谱进行子带离散化；
[0046]
雷达发射信号的中心频率f
c
、带宽b，将雷达发射信号的频率下限记为f
s
，频率上限记为f
e
，记δf＝(f
e
‑
f
s
)/99，将信号频率离散为f
s
、f
s
δf、f
s
2δf、f
s
3δf、
……
、f
s
99δf(f
e
)，频率幅度为子带修正因子，记为a0、a1、a2、
……
、a
98
、a
99
。
[0047]
所述步骤s2中，根据选定的海谱模型，用线性过滤法生成海面几何模型，并根据雷达发射信号中心频率进行三角面元化离散，采用基尔霍夫近似法计算三角面元的归一化雷达散射截面即：
[0048][0049]
其中，u
pq
为极化系数，p为散射极化方式，q为入射极化方式，k
i
为子带入射电磁波波数，为入射方向，为散射方向，p(z
x
,z
y
)为斜率概率密度函数，q和q
z
由和决定，q＝|q|,z
x
＝
‑
q
x
/q
z
,z
y
＝
‑
q
y
/q
z
。
[0050]
用微粗糙面的功率谱模拟实际海面环境中的细小波纹，采用微扰法计算的海面面元细小波纹的散射系数即：
[0051]
[0052]
其中，s
capi
(q
l
)为bragg散射的海谱成分，q
l
为q在海面面元上的投影，ε为海面介电常数，表示极化因子。
[0053]
那么，面元的子带频率下的散射系数为：
[0054][0055]
对于同一个海面面元，不同的子带有不同的散射系数，依次求解每个子带对应频率下的海面面元散射系数。
[0056]
所述步骤s3中，采用子带合成的方法进行宽带散射系数的合成，并用步骤s1中获得的子带修正因子进行修正，即：
[0057][0058]
其中，i表示子带个数，f
i
表示子带频率，a
i
表示子带频率的幅度，r
ij
表示面元与雷达间的距离，r表示海面几何模型与雷达的斜距，j是虚数单位，c是电磁波传播速度。
[0059]
所述步骤s4中，将面元宽带散射系数带入雷达方程，获得面元回波幅度，即：
[0060][0061]
其中，f
n
是面元回波幅度，d为雷达参数，s
n
为散射单元面积，σ
n
是海面面元宽带散射系数，r
n
为散射单元到雷达距离。
[0062]
设雷达发射信号为s(t)，那么散射单元的回波信号为：
[0063]
s
rn
(t)＝f
n
s(t
‑
τ
n
)
[0064]
其中，τ
n
为收发延时。
[0065]
所述步骤s5中，将海面几何模型中所有面元的宽带回波进行矢量叠加，获得海面宽带回波信号，即：
[0066][0067]
其中，n为海面面元个数。
[0068]
本发明的有益效果在于，基于修正子带合成方法，利用bragg修正面元散射模型计算得到的子带频率的散射系数合成面元宽带散射系数，结合雷达方程和发射信号，为海面宽带回波仿真提供一种准确有效的计算方法。
[0069]
需要说明的是，在本发明的实施例中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述实施例，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0070]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0071]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。