一种雷达回波模拟系统的制作方法

1.本发明涉及电磁场景模拟技术领域，尤其涉及一种雷达回波模拟系统。


背景技术：

2.现有内场场景下的雷达回波模拟方式主要是通过信号源模拟雷达探测的点目标，或通过调制目标电磁模型，模拟具有一维距离像特性的场景目标回波，但面向假目标对抗场景模拟应用，其存在以下不足：
3.1)仅能模拟单脉冲非相参体制雷达回波，对于相参体制雷达回波模拟能力欠缺，相参积累后模拟的场景回波特性失真；
4.2)在内场模拟全极化信号回波时，存在目标极化特性模拟逼真度差的问题，无法满足基于极化信息进行目标与假目标识别算法验证的需求。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种雷达回波模拟系统，能够解决现有技术中内场电磁场景模拟回波特性失真以及目标极化特性模拟逼真度差的技术问题。
6.本发明公开了一种雷达回波模拟系统，包括雷达设备和模拟目标设备；其中，所述雷达设备，包括：
7.雷达发射模块，用于生成雷达发射信号，并将该雷达发射信号传输至所述模拟目标设备；
8.雷达天线，用于接收模拟目标设备发射的雷达回波模拟信号；
9.信号处理模块，用于处理所述雷达发射信号及雷达回波模拟信号；所述模拟目标设备，包括：
10.目标特性库，存储有多条目标数据，每条目标数据由目标类型、雷达设备参数、目标参数以及目标散射特性模型组成；
11.目标特性调制设备，用于基于所述目标特性库中的目标数据和所述雷达发射信号，生成雷达回波模拟信号；
12.极化天线，用于发射所述雷达回波模拟信号。
13.在上述方案的基础上，本发明还做出了如下改进：
14.进一步，所述雷达回波模拟系统位于内场暗室的电磁环境下。
15.进一步，在所述目标特性调制设备，包括：
16.场景设置模块，用于存储回波模拟的场景设置要求；
17.目标散射特性模型获取模块，用于根据所述场景设置要求，从所述目标特性库中调取匹配的目标散射特性模型；
18.雷达模拟回波生成模块，用于根据所调取的目标散射特性模型和雷达发射信号，生成雷达回波模拟信号。
19.进一步，在所述雷达模拟目标回波生成模块中，通过执行以下操作生成雷达回波
模拟信号：
20.基于每一模拟目标的目标散射特性模型和雷达发射信号，获得相应模拟目标的雷达模拟目标回波；
21.若场景设置要求中仅包含一个模拟目标，则将该模拟目标的雷达模拟目标回波作为内场场景下的雷达模拟目标回波；否则，则对所有模拟目标的雷达模拟目标回波进行电磁波叠加，得到内场场景下的雷达模拟目标回波；
22.在生成的雷达模拟目标回波上叠加背景噪声数据，得到内场场景下的雷达回波模拟信号。
23.进一步，所述目标散射特性模型包括：
24.强散射点的坐标：强散射点在目标区域的距离-多普勒数据中的距离、多普勒位置；
25.强散射点的归一化散射参数集：强散射点在hh、hv、vh、vv四个极化通道上的归一化散射参数。
26.进一步，在所述雷达模拟回波生成模块中，通过执行以下操作获得相应模拟目标的雷达模拟目标回波：
27.根据调取的该模拟目标的目标散射特性模型，重构出该模拟目标在全极化状态下的距离-多普勒数据；
28.对重构出的该模拟目标在全极化状态下的距离-多普勒数据进行解相参积累处理，获得该模拟目标对应的一维距离像数据；
29.根据场景设置要求中的雷达-目标距离，将该模拟目标的一维距离像数据叠加到雷达-目标距离的相应位置，组成该模拟目标的距离像目标散射点集；
30.利用雷达发射信号对该模拟目标的距离像目标散射点集进行目标特性调制，生成该模拟目标的雷达模拟目标回波。
31.进一步，在所述雷达模拟回波生成模块中，通过执行以下操作重构出该模拟目标在全极化状态下的距离-多普勒数据：
32.将该模拟目标的目标散射特性模型中的各强散射点的归一化散射参数集，作为重构的距离-多普勒数据中相应坐标点的取值；
33.其余没有强散射点的位置取值为0；
34.从而重构出该模拟目标在全极化状态下的距离-多普勒数据。
35.进一步，所述场景设置要求包括：
36.模拟目标的目标类型，模拟目标为1个或多个；
37.雷达设备参数，包括：雷达波段和极化状态；
38.场景环境参数，包括：海况信息、雷达设备的海拔高度、雷达-目标距离。
39.进一步，在所述目标散射特性模型获取模块中，通过执行以下操作调取匹配的目标散射特性模型：
40.基于模拟目标的场景环境参数，获取模拟目标的目标参数；
41.根据每一模拟目标的目标类型、雷达波段及目标参数，从目标特性库中调取匹配于各模拟目标的目标散射特性模型。
42.进一步，通过执行以下操作从目标特性库中调取匹配于各模拟目标的目标散射特
性模型：
43.在目标特性库中查找与模拟目标的目标类型和雷达波段一致、且目标参数满足预设的阈值偏差要求的一条目标数据，将该条目标数据中的目标散射特性模型作为该模拟目标的目标散射特性模型。
44.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
45.本发明提供的雷达回波模拟系统，具备如下优势：
46.1、通过雷达设备发出雷达发射信号，模拟目标设备基于目标特性库和所述雷达发射信号，生成雷达回波模拟信号，并通过极化天线发射雷达回波模拟信号、雷达天线接收雷达回波模拟信号，从而实现雷达回波模拟过程；该系统在内场模拟各种极化状态的信号回波中目标极化特性模拟逼真度高，能够可靠满足基于极化信息进行目标识别算法验证的需求，可靠性强；
47.2、试验表明，在内场模拟舰船、角反、箔条等目标场景时回波特性与外场采集数据特性相一致，距离像和多普勒维度特性逼真度高。
48.3、由于本实施例中的目标特性库通过外场试验得到，因此，这种方式能够充分将外场试验实测数据与内场电磁场景的场景及参数相结合，实现对相参体制雷达回波模拟，相参积累后模拟的场景回波特性真实性高。
49.本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
50.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
51.图1为雷达回波模拟系统系统结构示意图。
具体实施方式
52.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
53.实施例1
54.本发明的一个具体实施例，公开了一种雷达回波模拟系统，结构示意图如图1所示，包括雷达设备和模拟目标设备；下面，对雷达设备和模拟目标设备的构成及其工作过程做如下介绍：
55.本实施例中的所述雷达设备，包括：雷达发射模块，雷达天线和信号处理模块。其中，
56.雷达发射模块，用于生成雷达发射信号，并将该雷达发射信号传输至所述模拟目标设备；需要说明的是，雷达发射信号根据场景设置要求中的雷达设备参数确定；雷达设备参数包括雷达波段和极化状态；在本实施例中，根据雷达设备参数中的雷达波段，确定雷达发射信号所属的波段；根据雷达设备参数中的极化状态，确定雷达发射信号的极化波；示例
性地，若极化状态为水平方向极化，雷达发射信号为水平极化波；若极化状态为垂直方向极化，雷达发射信号为垂直极化波；若极化状态为全极化，雷达发射信号包括同时发射的水平极化波和垂直极化波。
57.还需要说明的是，所述雷达回波模拟系统位于内场暗室的电磁环境下，内场场景下，本实施例中的雷达发射信号并不是通过雷达天线实际发出，而且通过其他有线或无线传输的方式传输至所述模拟目标设备。
58.在本实施例中，雷达天线，用于接收模拟目标设备发射的雷达回波模拟信号；接收到雷达回波模拟信号，即可执行后续的信号处理操作，本实施例的信号处理模块，用于处理所述雷达发射信号及雷达回波模拟信号；本实施例对信号处理的具体内容不做限定，示例性地，可以执行雷达目标识别等处理。
59.本实施例中的模拟目标设备，包括目标特性库、目标特性调制设备和极化天线。其中，
60.目标特性库，存储有多条目标数据，每条目标数据由目标类型、雷达设备参数、目标参数以及目标散射特性模型组成；所述目标散射特性模型包括：强散射点的坐标：强散射点在目标区域的距离-多普勒数据中的距离、多普勒位置；强散射点的归一化散射参数集：强散射点在hh、hv、vh、vv四个极化通道上的归一化散射参数。
61.目标特性调制设备，用于基于所述目标特性库的目标数据和所述雷达发射信号，生成雷达回波模拟信号；
62.极化天线，用于发射所述雷达回波模拟信号。这里，极化天线又分为水平极化天线和垂直极化天线，以满足不同极化方式的雷达回波模拟信号的发射要求。
63.实现雷达回波模拟过程的重点在于目标特性调制设备，因此，本实施例对该装置做重点介绍。
64.所述目标特性调制设备包括场景设置模块、目标散射特性模型获取模块和雷达模拟回波生成模块。具体地，
65.场景设置模块，用于存储回波模拟的场景设置要求；在本实施例中，基于场景试验中习惯的表征方式，设置内场场景下场景设置要求；优选地，场景设置要求包括：
66.(1)模拟目标的目标类型
67.模拟目标为1个或多个；
68.(2)雷达设备参数
69.与外场试验场景相同，内场场景下的雷达设备参数也包括雷达波段和极化状态等；需要注意的是，由于可以根据全极化状态下的目标散射特性模型得到相应的水平极化方向和垂直极化方向上的相关数据，同时，也有效利用外场试验场景的试验条件，因此，在外场试验场景下，雷达的极化状态应设置为全极化；而在内场场景下，雷达的极化状态可根据场景设置要求进行限定，如水平方向极化、垂直方向极化或全极化。
70.(3)场景环境参数
71.场景环境参数包括海况信息、雷达设备的海拔高度、雷达-目标距离；
72.特殊地，舰船类目标的场景环境参数还包括航向及航速；
73.箔条类目标的场景环境参数还包括箔条类目标的海拔高度。
74.目标散射特性模型获取模块，用于根据所述场景设置要求，从所述目标特性库中
调取匹配的目标散射特性模型；在所述目标散射特性模型获取模块中，通过执行以下操作调取匹配的目标散射特性模型：
75.步骤1-1：基于模拟目标的场景环境参数，获取模拟目标的目标参数；
76.目标参数与目标特性库中目标参数包含的内容相同；
77.(1)入射余角
78.基于模拟目标的场景环境参数中雷达的海拔高度以及雷达-目标距离，确定相应的入射余角；具体地，入射余角指波束方向与目标位置水平面的夹角，入射余角可以利用公式计算获取，其中，a
target
、a
radar
、d
r,t
分别表示目标的海拔高度、雷达的海拔高度、雷达-目标距离。实际应用过程中，舰船类和角反类目标的海拔高度默认为0。
79.(2)观测舷角
80.以左舷为负、右舷为正，通过雷达直指目标的方向和舰船的航向计算获得观测舷角。
81.(3)径向速度
82.通过舰船的航向、航速计算获得径向速度。
83.步骤1-2：根据每一模拟目标的目标类型、雷达波段及目标参数，从目标特性库中调取匹配于各模拟目标的目标散射特性模型。
84.需要明确的是，步骤1-2中的匹配是指：在目标特性库中查找与模拟目标的目标类型和雷达波段一致、且目标参数满足预设的阈值偏差要求的一条目标数据，将该条目标数据中的目标散射特性模型作为该模拟目标的目标散射特性模型。优选地，目标参数满足预设的阈值偏差要求，是指：将模拟目标的目标参数中的各项参量与目标特性库中的对应参量进行比较，每项参量应满足该参量的阈值偏差。
85.雷达模拟回波生成模块，用于根据所调取的目标散射特性模型和雷达发射信号，生成雷达回波模拟信号。
86.优选地，在所述雷达模拟目标回波生成模块中，通过执行以下操作生成雷达回波模拟信号：
87.步骤2-1：基于每一模拟目标的目标散射特性模型和雷达发射信号，获得相应模拟目标的雷达模拟目标回波；
88.对于每一模拟目标，通过执行以下操作获得该模拟目标的雷达模拟目标回波：
89.步骤2-1-1：根据调取的该模拟目标的目标散射特性模型，重构出该模拟目标在全极化状态下的距离-多普勒数据；具体地，
90.将该模拟目标的目标散射特性模型中的各强散射点的坐标，作为重构的距离-多普勒数据中的坐标点；
91.将该模拟目标的目标散射特性模型中的各强散射点的归一化散射参数集，作为重构的距离-多普勒数据中相应坐标点的取值；
92.其余没有强散射点的位置取值为0；
93.从而重构出该模拟目标在全极化状态下的距离-多普勒数据；
94.步骤2-1-2：对重构出的该模拟目标在全极化状态下的距离-多普勒数据进行解相
参积累处理，获得该模拟目标对应的一维距离像数据；
95.步骤2-1-3：根据场景设置要求中的雷达-目标距离，将该模拟目标的一维距离像数据叠加到雷达-目标距离的相应位置，组成该模拟目标的距离像目标散射点集。
96.步骤2-1-4：利用雷达发射信号对该模拟目标的距离像目标散射点集进行目标特性调制，生成该模拟目标的雷达模拟目标回波；
97.目标特性回波调制的公式表达为：
[0098][0099][0100]
其中，s
hh
、s
hv
、s
vh
和s
vv
分别为hh、hv、vh、vv四个极化通道的距离像目标散射点集，sth为雷达发射的水平极化波，stv为雷达发射的垂直极化波，rth为调制得到的水平极化模拟目标回波，rtv为调制得到的垂直极化模拟目标回波。
[0101]
步骤2-2：若场景设置要求中仅包含一个模拟目标，则将该模拟目标的雷达模拟目标回波作为内场场景下的雷达模拟目标回波；
[0102]
否则，则对所有模拟目标的雷达模拟目标回波进行电磁波叠加，得到内场场景下的雷达模拟目标回波；
[0103]
在完成目标特性回波调制之后，即可在回波调制后的目标特性的基础上，利用电磁波的叠加性完成多目标场景的回波生成。具体地，在本实施例中，利用电磁波的叠加性，假设在雷达波束照射范围内各个目标有一定距离且没有电磁互耦情况，如角反组等情况的多目标场景采用单目标回波叠加的形式生成，通过选取多个目标并设置空间位置，先单独模拟单个目标，而后再根据目标距离进行时序回波叠加，多目标场景下同一时刻波束内多目标回波可表示如下：
[0104][0105]
其中，rth、rtv分别表示内场场景下的水平极化模拟目标回波、垂直极化模拟目标回波，rt
h_j
、rt
v_j
分别表示场景设置要求中第j个模拟目标的水平极化模拟目标回波、垂直极化模拟目标回波。
[0106]
步骤2-3：在生成的雷达模拟目标回波上叠加背景噪声数据，得到内场场景下的雷达回波模拟信号。
[0107]
进一步地，在本发明中，为逼真模拟回波背景噪声，生成内场场景下的雷达模拟目标回波后，在其上叠加背景噪声，叠加后得到内场场景下的雷达回波模拟信号，表达式如下：
[0108]
rh＝rth rnh[0109]
rv＝rtv rnv[0110]
其中，rh、rv分别表示内场场景下的水平极化雷达回波模拟信号、垂直极化雷达回波模拟信号；rnh、rnv分别表示水平极化方向、垂直极化方向上的背景噪声数据。
[0111]
为更好地实现背景噪声模拟，所述模拟目标设备中还可以设置背景噪声库，以存储海况下的背景噪声数据。在叠加背景噪声时，根据场景设置要求中的海况信息，从背景噪声库中选取匹配于该海况的背景噪声数据，并利用选取出的背景噪声数据进行噪声叠加。
[0112]
在目标特性调制模块生成雷达回波模拟信号之后，将所述雷达回波模拟信号发送至极化天线，由极化天线将该信号发射出去。
[0113]
具体的，所述极化天线包括垂直极化天线和水平极化天线。雷达回波模拟信号发射过程中，垂直极化天线发射垂直极化雷达回波模拟信号，水平极化天线发射水平极化雷达回波模拟信号。
[0114]
雷达设备中的雷达天线接收上述雷达回波模拟信号，并将该信号发送至信号处理模块进行数据处理，获取目标。
[0115]
综上，本实施例提供了一种雷达回波模拟系统，通过雷达设备发出雷达发射信号，模拟目标设备基于目标特性库和所述雷达发射信号，生成雷达回波模拟信号，并通过极化天线发射雷达回波模拟信号、雷达天线接收雷达回波模拟信号，从而实现雷达回波模拟过程；该系统在内场模拟各种极化状态的信号回波中目标极化特性模拟逼真度高，能够可靠满足基于极化信息进行目标识别算法验证的需求，可靠性强；试验表明，在内场模拟舰船、角反、箔条等目标场景时回波特性与外场采集数据特性相一致，距离像和多普勒维度特性逼真度高。由于本实施例中的目标特性库通过外场试验得到，因此，这种方式能够充分将外场试验实测数据与内场电磁场景的场景及参数相结合，实现对相参体制雷达回波模拟，相参积累后模拟的场景回波特性真实性高。
[0116]
实施例2
[0117]
为便于本领域技术人员更好地实施实施例1中的方案，本发明实施例2给出了目标特性库及背景噪声库的生成过程，以供相关技术人员参考。具体地，包括：
[0118]
步骤s1：搭建多种外场试验场景，获取各外场试验场景下的实测雷达目标回波数据；
[0119]
在本实施例中，每种外场试验场景中包含至少一个目标；由于本实施例旨在基于实际搭建的外场试验场景构建内场场景，因此，为适用不同的内场场景，本实施例中的多种外场试验场景应覆盖所有的内场场景可能涉及的目标。同时，搭建好外场试验场景后，通过实际测量的方式采集各外场试验场景下的雷达回波数据，作为相应的实测雷达目标回波数据。
[0120]
步骤s2：分别处理各外场试验场景下的实测雷达目标回波数据，获取相应的距离-多普勒数据；在所获取的距离-多普勒数据上框选目标区域，并标注目标区域的目标类型、位置范围、雷达设备参数和目标参数。
[0121]
具体地，在本实施例中，通过对外场试验场景下的实测雷达目标回波数据进行脉冲压缩和相参积累处理，从而获取实测雷达目标回波数据对应的距离-多普勒数据。获取距离-多普勒数据后，即可在距离-多普勒数据上框选出能量明显大于背景噪声的区域作为目标区域。需要说明的是，如果一个外场试验场景中的目标多于1个，在确定目标区域的过程中，还需要借助于外场试验时记录的各目标对应的雷达-目标距离(对于舰船类型的目标，还包括观测舷角)等信息，以区分各目标对应的目标区域。
[0122]
划定目标区域后，即可对目标区域的目标类型、位置范围、雷达设备参数和目标参数进行标注；优选地，
[0123]
目标类型，包括：舰船类目标、角反类目标及箔条类目标；示例性地，对于舰船类目标，通过舰船类型进行区分；对于角反类目标，通过角反类型进行区分；对于箔条类目标，通
过箔条型号进行区分。
[0124]
位置范围，表示目标区域在距离-多普勒数据中的坐标信息；
[0125]
雷达设备参数，包括：雷达波段、极化状态。
[0126]
目标参数，包括入射余角；特殊地，对于舰船类型的目标，目标参数还包括观测舷角及径向速度；实际处理过程中，还需要记录雷达-目标距离，以用于计算入射余角。其中，入射余角指波束方向与目标位置水平面的夹角；观测舷角指雷达直指目标的方向与舰船的航向之间的夹角；径向速度指目标在雷达直指目标的方向上的运动速度。
[0127]
步骤s3：对于每一目标区域，提取该目标区域中的所有强散射点及其特性向量，获取该目标区域的目标散射特性模型；
[0128]
具体地，通过执行以下操作提取各目标区域中的所有强散射点：
[0129]
步骤s31：根据标注的该目标区域的位置范围，提取该目标区域的距离-多普勒数据；
[0130]
步骤s32：获取该目标区域的距离-多普勒数据中能量最大的散射点；
[0131]
步骤s33：判断该散射点的能量是否大于或等于目标区域所在的整个距离-多普勒数据中的背景噪声平均能量(即，整个距离-多普勒数据中，非目标区域的平均能量)的设定倍数，
[0132]
若是，则将该散射点提取为强散射点，并获取该强散射点的特性向量；然后，在该目标区域的距离-多普勒数据中剔除该强散射点，更新目标区域的距离-多普勒数据，并跳转至步骤s32，即在更新后的目标区域的距离-多普勒数据中再次寻找能量最大的散射点；
[0133]
否则，提取该目标区域的强散射点及其特性向量的过程结束。
[0134]
在实际实施过程中，基于目标与背景噪声的区分度、目标特征库存储的精度要求设置该设定倍数。示例性地，设定倍数为4倍。
[0135]
在本实施例中，提取的强散射点的特性向量包括：
[0136]
强散射点的坐标：强散射点在目标区域的距离-多普勒数据中的距离、多普勒位置；
[0137]
强散射点的归一化散射参数集：强散射点在hh、hv、vh、vv四个极化通道上的归一化散射参数。
[0138]
在本实施例中，强散射点在hh、hv、vh、vv四个极化通道上的归一化散射参数通过以下方式确定：
[0139]
(1)获取理想点目标的距离-多普勒数据；具体地，利用外场试验场景下的发射波码型作为理想点目标回波，并通过脉冲压缩和相参积累处理方式得到理想点目标的距离-多普勒数据；
[0140]
(2)利用理想点目标的距离-多普勒数据对强散射点分别进行hh、hv、vh、vv四个极化通道上的复系数分解，以获取该强散射点在相应极化通道上的散射参数；
[0141]
(3)基于rcs(radar cross section，雷达散射截面积)归一化方法，分别对各极化通道上的散射参数进行归一化处理，以获取该强散射点在相应极化通道上的归一化散射参数。从而得到强散射点在hh、hv、vh、vv四个极化通道上的归一化散射参数。
[0142]
在该过程中，通过rcs归一化方法，能够将传感器参数和场景参数完全剔除。
[0143]
汇总该目标区域的所有强散射点及其特性向量，即可构建该目标区域的目标散射
特性模型，目标散射特性模型的表征形式如表1所示。以舰艇类型1对应的目标散射特性模型c1为例，在c1中，ri和di分别表示目标散射特性模型中第i个强散射点的距离和多普勒位置，s
i_hh
,s
i_hv
,s
i_vh
,s
i_vv
表示目标散射特性模型中第i个强散射点在hh、hv、vh、vv四个极化通道上的归一化散射参数。i＝1,2,...,n1，n1为目标散射特性模型c1中强散射点的总数。
[0144]
步骤s4：汇总每一目标区域的目标类型、雷达设备参数、目标参数以及目标散射特性模型，形成目标特性库；
[0145]
示例性地，在目标特征库中，部分示例的表示方式如表1所示。
[0146]
表1目标特性库内容部分示例
[0147][0148][0149]
步骤s5：基于各种海况下实测雷达目标回波数据中的非目标区域，形成相应海况下的背景噪声数据；汇总所有海况下的背景噪声数据，形成背景噪声库。
[0150]
通过采用实测数据特性提取方式构建目标散射特性模型，雷达目标回波距离像和多普勒维度特性更加逼真，能够满足内场场景下高分辨率雷达识别性能测试环境要求。
[0151]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计
算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
[0152]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。