專利名稱：一種線性調(diào)頻連續(xù)波合成孔徑雷達(dá)視頻信號(hào)的仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)合成孔徑雷達(dá) (SAR)視頻回波信號(hào)的仿真方法。
背景技術(shù)：
合成孔徑雷達(dá)(SAR， Synthetic Aperture Radar)是一種高分辨率成像雷達(dá)，SAR主動(dòng) 發(fā)射電磁波(從微波波段到毫米波波段)，并接收目標(biāo)反射的回波信號(hào)通過(guò)復(fù)雜的信號(hào)處 理過(guò)程實(shí)現(xiàn)成像，具有全天時(shí)、全天候工作的能力。線性調(diào)頻是合成孔徑雷達(dá)常用的信號(hào) 波形，傳統(tǒng)的SAR系統(tǒng)采用脈沖多普勒體制的線性調(diào)頻信號(hào)，其回波模型的仿真與成像算 法相對(duì)比較成熟。
線性調(diào)頻連續(xù)波SAR的概念最先由英國(guó)倫敦大學(xué)提出并首先應(yīng)用與飛機(jī)高度計(jì)中。線 性調(diào)頻連續(xù)波SAR相對(duì)于傳統(tǒng)脈沖多普勒體制SAR具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、能 耗小、成本低、截獲率低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
LFMCWSAR具有上述的諸多優(yōu)點(diǎn)，因此受到國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的重視。對(duì)這一新體制 雷達(dá)的研究，在研究初期，對(duì)成像方式的原理及相應(yīng)處理算法的研究需要符合條件的SAR 回波數(shù)據(jù)，應(yīng)用合成孔徑雷達(dá)的模擬技術(shù)可以降低雷達(dá)開發(fā)成本，縮短了開發(fā)的周期，使 雷達(dá)各個(gè)單元之間的設(shè)計(jì)和測(cè)試可以同時(shí)進(jìn)行。特別是對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，雷達(dá)在超大前
斜視條件下成像的情況，由于客觀條件的限制，國(guó)內(nèi)外沒有相關(guān)的真實(shí)數(shù)據(jù)，此時(shí)雷達(dá)信 號(hào)的模擬可以在實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)前端不具備的條件下對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)后期信號(hào)處理部分進(jìn)行調(diào) 試和測(cè)試，為雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析和性能測(cè)試提供了有效的工具。
雷達(dá)信號(hào)的仿真主要分為功能仿真和視頻信號(hào)仿真，功能仿真通常是通過(guò)對(duì)目標(biāo)和載 體運(yùn)動(dòng)方程的計(jì)算，預(yù)測(cè)出目標(biāo)會(huì)在某個(gè)時(shí)刻某個(gè)位置被檢測(cè)到，得到該時(shí)刻目標(biāo)的距離 和方位數(shù)據(jù)；目標(biāo)視頻信號(hào)仿真包含了信號(hào)的相位信息，比功能仿真更復(fù)雜，逼真度更高。
傳統(tǒng)體制的脈沖多普勒雷達(dá)采用線性調(diào)頻脈沖信號(hào)作為發(fā)射信號(hào)，由于脈沖信號(hào)的持 續(xù)時(shí)間非常短，占空比一般低于10%，可以忽略雷達(dá)從發(fā)射脈沖信號(hào)到接收到目標(biāo)的回波 信號(hào)這S時(shí)間內(nèi)雷達(dá)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，即認(rèn)為雷達(dá)在發(fā)射與接收信號(hào)時(shí)，平臺(tái)是靜止不動(dòng)的，這就是常用的"STOP AND GO"模型的假設(shè)。該模型對(duì)于脈沖體制雷達(dá)具有一定的合理性， 但線性調(diào)頻連續(xù)波體制雷達(dá)有其特殊性。 一方面，采用線性調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的新體制雷達(dá) 不同于脈沖體制雷達(dá)在工作時(shí)會(huì)反復(fù)的開關(guān)，它始終在不斷發(fā)射信號(hào)，信號(hào)的持續(xù)時(shí)間占 據(jù)了整個(gè)脈沖重復(fù)周期，而且線性調(diào)頻連續(xù)波的重復(fù)周期比較長(zhǎng)，必須考慮脈沖周期內(nèi)雷 達(dá)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)；另一方面，為避免回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的混疊，需要將發(fā)射天線與接收天 線分開，使雷達(dá)系統(tǒng)在發(fā)射的同時(shí)接收，而信號(hào)的發(fā)射與接收又是充分隔離的。因此傳統(tǒng) 脈沖體制雷達(dá)的"STOPAND GO"模型不再適用，需要建立一種新的適用與線性調(diào)頻連續(xù) 波合成孔徑雷達(dá)的回波仿真方法。目前對(duì)于LFMCWSAR的回波模擬方法基本上可分為兩類， 一種是延用"STOPAND G0"模型，但之后會(huì)對(duì)雷達(dá)平臺(tái)連續(xù)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的影響進(jìn)行補(bǔ)償，另一種是考慮了雷達(dá)平臺(tái) 在脈沖重復(fù)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，但在處理過(guò)程中，經(jīng)過(guò)大量近似達(dá)到化簡(jiǎn)的目的。這兩種方法 對(duì)于慢速平臺(tái)對(duì)近距離觀測(cè)(無(wú)人機(jī)與小型機(jī)平臺(tái))的情況是可行的，但應(yīng)用于高速運(yùn)動(dòng) 平臺(tái)，進(jìn)行大前斜視遠(yuǎn)距觀測(cè)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較大的誤差；雖然在后續(xù)處理中可以進(jìn)行補(bǔ)償， 增加了處理過(guò)程的復(fù)雜度，也限制了仿真方法的通用性。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種線性調(diào)頻連續(xù)波合成孔徑雷達(dá)視頻信號(hào)的仿真方法，它具有精確、 通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以方便的得到各種參數(shù)條件下雷達(dá)回波信號(hào)的仿真數(shù)據(jù)。特別是在高 速飛行、超大前斜視條件下，本發(fā)明仍能較快速得到準(zhǔn)確的仿真數(shù)據(jù)。本發(fā)明提供了一種高速運(yùn)動(dòng)、遠(yuǎn)距離、雷達(dá)處于大斜視觀測(cè)條件下的調(diào)頻連續(xù)波信號(hào) 的仿真方法，它包括以下幾個(gè)實(shí)現(xiàn)步驟(1) 設(shè)置并讀取仿真的SAR系統(tǒng)參數(shù)信息，包括仿真信號(hào)、雷達(dá)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和雷達(dá)波 束天線的參數(shù)信息等。信號(hào)參數(shù)選擇為信號(hào)所處的波段為Ka波段，脈沖帶寬 ^為百兆量級(jí)，脈沖重復(fù)周期在毫秒的數(shù)量級(jí)。雷達(dá)平臺(tái)做高速運(yùn)動(dòng)，即速度r〉1000w〃，雷達(dá)作用距離較遠(yuǎn)，即雷達(dá)與目標(biāo)的距離為l-10km。雷達(dá)處于 大斜視觀測(cè)條件即是選取雷達(dá)天線波束中心與航向夾角為15° 30° 。(2) 設(shè)置目標(biāo)的信息參數(shù)，包括目標(biāo)的個(gè)數(shù)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、位置等。多點(diǎn)目標(biāo)可以看 成是多個(gè)單點(diǎn)目標(biāo)仿真信號(hào)的疊加。(3) 仿真時(shí)間的離散化處理。將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號(hào)是通過(guò)采樣來(lái)實(shí)現(xiàn) 的，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣的頻率即為信號(hào)的采樣率。將整個(gè)仿真時(shí)間劃分成若干等長(zhǎng)的時(shí)間段，每段的時(shí)間長(zhǎng)度即采樣時(shí)間的確定決定著仿真的精度，分得越細(xì)越精確，但運(yùn)算量也會(huì)隨之增加。鑒于調(diào)頻連續(xù)波的特殊性，對(duì)信號(hào)的采樣可以分為兩種快采樣和慢采樣。以脈沖重復(fù)周期為周期對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣稱 為慢采樣，即方位向上的采樣率，數(shù)值上與脈沖重復(fù)頻率/p相等；對(duì)同一個(gè)周期內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行采樣稱為快采樣，即距離向上的采樣率，用y;表示。根據(jù)抽樣 定理，采樣率要大于信號(hào)帶寬，才能從抽樣信號(hào)中恢復(fù)原連續(xù)信號(hào)。另一方面，選取的采樣率越大，整個(gè)仿真過(guò)程中的數(shù)據(jù)率與計(jì)算量也會(huì)隨之增加。SAR回波信號(hào)多為復(fù)數(shù)信號(hào)，因此釆樣率約為信號(hào)帶寬的1.1倍就能滿足信號(hào)不失真的條件。信號(hào)先經(jīng)過(guò)慢采樣，設(shè)得到iv"個(gè)長(zhǎng)度為r的時(shí)間段，再對(duì)每個(gè)時(shí)間段進(jìn) 行快采樣，則每個(gè)時(shí)間段^又被分為M^/^r個(gè)時(shí)間段，即整個(gè)仿真時(shí)間離散分為A^油.A^個(gè)長(zhǎng)度為丄的時(shí)間段，則瞬時(shí)時(shí)刻可以表示為<formula>formula see original document page 7</formula>(4)分別計(jì)算雷達(dá)平臺(tái)與目標(biāo)的瞬時(shí)位置，根據(jù)其幾何位置關(guān)系得到相位中心與目標(biāo)的距離矢量即雷達(dá)天線中心與目標(biāo)連線的長(zhǎng)度和視線夾角。設(shè)平臺(tái)的初始位置為A。 =[^。 &。 zm。f ，目標(biāo)的初始位置為= &。 ^。r，平臺(tái)速度和它在各個(gè)方向的分量分別為&=[rrf p":T，目標(biāo)速度和它在各個(gè)方向的分量分別為&=[FCT ^ ^f，設(shè)^時(shí)刻為與快采樣時(shí)間有關(guān)的瞬時(shí)時(shí)刻， 即整個(gè)仿真時(shí)間被離散化為^個(gè)時(shí)長(zhǎng)為&的時(shí)間段，
^,/ = 1、2……N時(shí)刻平臺(tái)的位置為<formula>formula see original document page 7</formula>f,，z、l、2…iV時(shí)刻目標(biāo)的位置為Pm、 A為雷達(dá)平臺(tái)與目標(biāo)的瞬時(shí)位置，時(shí)刻等效斜距為<formula>formula see original document page 7</formula> 其中r。為f, = 0時(shí)刻雷達(dá)平臺(tái)與目標(biāo)之間的距離，7為雷達(dá)平臺(tái)相對(duì)于目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率。-為斜視角，即&與r之間的夾角。斜距的計(jì)算不再是傳統(tǒng)的雷達(dá)仿真方法中僅隨慢釆樣時(shí)間即方位向時(shí)間變化，而是在采用了 "瞬時(shí)停走"的假設(shè) 以后，在每個(gè)快采樣時(shí)間都會(huì)有相應(yīng)變化。因此，本發(fā)明所提供的雷達(dá)信號(hào)仿真 方法比現(xiàn)有的雷達(dá)信號(hào)仿真方法更加精確。 (5)結(jié)合合成孔徑雷達(dá)回波信號(hào)數(shù)學(xué)模型與步驟(1)中的雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)，得到一維 的回波信號(hào)。步驟(3)時(shí)間的離散化中對(duì)采樣率的選擇可以看出，信號(hào)的帶寬 越大，采樣率也會(huì)隨之增大。雷達(dá)信號(hào)的帶寬多在百兆的量級(jí)，步驟(4)中對(duì) 雷達(dá)平臺(tái)與目標(biāo)位置及等效斜距的計(jì)算都直接與采樣率相關(guān)，若直接采用傳統(tǒng) 的雷達(dá)信號(hào)模型，會(huì)帶來(lái)很大的運(yùn)算量，也影響了整個(gè)仿真過(guò)程的速度，因此， 本發(fā)明采用經(jīng)過(guò)去調(diào)頻(dechirping)處理的回波信號(hào)模型，下面詳細(xì)說(shuō)明去 調(diào)頻處理的過(guò)程。去調(diào)頻是用一個(gè)時(shí)間固定，而頻率、調(diào)頻率相同的線性調(diào)頻信號(hào)作為參考信號(hào)，用它與回波做差頻處理，設(shè)接收信號(hào)為 ="(~ —^1)exp"2;r(義(r-+ -&)2)},其中6為發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)的調(diào)頻率；a(/)為發(fā)射脈沖包絡(luò)，^為點(diǎn)目標(biāo)到雷達(dá)的斜距瞬時(shí)變化，C為光速，X為信號(hào)載頻，^為距離向上的時(shí)間，~=mod(r，r)-1， mod(/，r)為f除以r的余數(shù)，，接收信號(hào)的延時(shí)時(shí)間r-^;設(shè)參考距離為^，則參考信號(hào)為V ="(~ -+)6鄧{7'2</;(卜+) ++^ -+)2)}，混頻信號(hào)^ = 《,上述處理為去調(diào)頻過(guò)程，^為去調(diào)頻處理后的信號(hào)。經(jīng)過(guò)去調(diào)頻處理的雷達(dá)信號(hào)數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為=-&)邵W-~)}^ C C 4;rC ， ^為點(diǎn)目標(biāo)后向散射特性，『。(/)為方位向天線方向性函數(shù)，a(O為發(fā)射脈沖包絡(luò)，f為瞬時(shí)時(shí)刻，上式為本發(fā)明雷達(dá)回波信號(hào)數(shù)學(xué)模型，將步驟(4)中求出的瞬時(shí)斜距與步驟(1)中的雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)代入，即可得到隨瞬時(shí)時(shí)間變化的長(zhǎng)度為iV的一維回波信號(hào)，將信號(hào)依次存入儲(chǔ)存器中。本發(fā)明還可以加入誤差模型，注入各種誤差，即 s = ~+^， y為誤差表達(dá)式，可以得到存在誤差的雷達(dá)回波信號(hào)的仿真數(shù)據(jù)。(6) —維信號(hào)按脈沖重復(fù)周期劃分，格式成二維信號(hào)。雷達(dá)圖像處理需要二維的回波信號(hào)，將步驟(5)中得到的長(zhǎng)度為7V的一維信號(hào)按脈沖重復(fù)周期進(jìn)行劃分， 設(shè)每個(gè)周期內(nèi)的離散信號(hào)為M個(gè)，有M7個(gè)仿真周期，即iV-iW"，iVa,將每一個(gè) 重復(fù)周期時(shí)間內(nèi)的信號(hào)疊放于上一個(gè)重復(fù)周期的數(shù)據(jù)后，得到了一個(gè)A^xi^的 二維信號(hào)，完成線性調(diào)頻連續(xù)波合成孔徑雷達(dá)視頻信號(hào)的仿真。 本發(fā)明提供的線性調(diào)頻連續(xù)波合成孔徑雷達(dá)視頻信號(hào)的精細(xì)仿真方法的優(yōu)點(diǎn)(1) 本發(fā)明提供的方法解決了雷達(dá)仿真處理在高速平臺(tái)、大前斜視條件下使用"STOP AND GO"模型所引入的誤差問(wèn)題，使得雷達(dá)每個(gè)快采樣時(shí)間內(nèi)(瞬時(shí)時(shí)刻)的斜距信息 更精確，進(jìn)而得到更準(zhǔn)確的回波仿真信號(hào)。(2) 本發(fā)明提供的方法吸收了對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行去調(diào)頻的方式處理的方法，避免了 雷達(dá)發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的混疊，同時(shí)可以減小信號(hào)的帶寬，降低了采樣率，提高了處理 效率。(3) 本發(fā)明提供的方法中的斜距計(jì)算，直接應(yīng)用了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的空間幾何關(guān)系來(lái)確定斜距， 是一種比較準(zhǔn)確的雷達(dá)距離模型，適用于正側(cè)視、大斜視等情況下的斜距計(jì)算。(4) 具有較好的靈活性與可控性。可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，將仿真時(shí)間按需進(jìn)行劃 分，從而在滿足應(yīng)用需求的條件下，實(shí)現(xiàn)效率最優(yōu)。(5) 強(qiáng)大的適應(yīng)性，該平臺(tái)可通過(guò)設(shè)置不同的參數(shù)完成機(jī)載、彈載等雷達(dá)平臺(tái)的回波 仿真運(yùn)算。(6) 強(qiáng)大的兼容性。通過(guò)改變回波信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，可以完成LFMCW信號(hào)在不同調(diào)制 形式下的仿真如相位編碼等技術(shù)。(7) 強(qiáng)大完善性。留有誤差接口，可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同注入各種誤差。
圖1是本發(fā)明LFMCW雷達(dá)視頻信號(hào)的仿真方法流程圖； 圖2是本發(fā)明中關(guān)于斜距計(jì)算時(shí)雷達(dá)平臺(tái)與目標(biāo)空間位置的示意圖； 圖3是本發(fā)明中將一維信號(hào)格式化為二維信號(hào)的示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明提供的一種線性調(diào)頻連續(xù)波合成孔徑雷達(dá)視頻信號(hào)的仿真方法是通過(guò)以下步 驟來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖l所示步驟一、讀取仿真的SAR系統(tǒng)參數(shù)信息，包括仿真信號(hào)、雷達(dá)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和雷達(dá)波束天線的參數(shù)信息等。(a) 仿真信號(hào)的參數(shù)信號(hào)的波段(載頻和波長(zhǎng);i)、脈沖帶寬5"脈沖重復(fù)頻率/p(脈沖掃頻周期r-i/力)等，這類參數(shù)由仿真的具體需求決定，本發(fā)明可以很靈活的進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。根據(jù)調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)(FMCW)的特殊性，本發(fā)明信號(hào)參數(shù)選擇為信號(hào)所 處的波段為Ka波段，脈沖帶寬^^為百兆量級(jí)，脈沖重復(fù)周期在毫秒的數(shù)量級(jí)。(b) 雷達(dá)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)參數(shù)平臺(tái)的初始位置、平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等，這類參數(shù)決定了雷達(dá)運(yùn)動(dòng)的航跡。本發(fā)明可針對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的雷達(dá)平臺(tái)，即速度「>1000 〃，雷達(dá)作用距離 較遠(yuǎn)，即雷達(dá)與目標(biāo)的距離為l-10km。(c) 雷達(dá)波束天線的參數(shù)天線位置、天線尺寸、波束的中心視角等，天線尺寸決定 了天線的觀測(cè)范圍，本發(fā)明可以對(duì)雷達(dá)在大斜視條件下進(jìn)行觀測(cè)的情況進(jìn)行信號(hào)仿真，大 斜視條件即天線中心指向與雷達(dá)平臺(tái)航線夾角很小的情況，如夾角僅為15° ~30° 。步驟二、設(shè)置目標(biāo)的信息參數(shù)，包括目標(biāo)的個(gè)數(shù)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、位置等。多點(diǎn)目標(biāo)可以 看成是多個(gè)單點(diǎn)目標(biāo)仿真信號(hào)的疊加。步驟三、仿真時(shí)間的離散化處理，即將整個(gè)仿真時(shí)間劃分成若干等長(zhǎng)的時(shí)間段，對(duì)整個(gè)仿真時(shí)間進(jìn)行快采樣。將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號(hào)通過(guò)采樣來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣的頻率即為信號(hào)的采樣率。鑒于調(diào)頻連續(xù)波的特殊性，對(duì)信號(hào)的采樣可以分為兩種快采樣和慢采樣。以脈沖重復(fù)周期為周期進(jìn)行采樣稱為慢采樣，即方位向上的采樣率， 數(shù)值上與力相等；對(duì)同一個(gè)周期內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行采樣稱為快采樣，即距離向上的采樣率，用,表示，根據(jù)抽樣定理，采樣率要大于信號(hào)帶寬，才能從抽樣信號(hào)中恢復(fù)原連續(xù)信號(hào)。另一方面，選取的采樣率越大，整個(gè)仿真過(guò)程中的數(shù)據(jù)率與計(jì)算量也會(huì)隨之增加，因此需要 權(quán)衡準(zhǔn)確性與計(jì)算量來(lái)選擇采樣率。SAR回波信號(hào)多為復(fù)數(shù)信號(hào)，因此采樣率約為信號(hào)帶 寬的1.1倍就能滿足信號(hào)不失真的條件。由于本發(fā)明是仿真的經(jīng)過(guò)去調(diào)頻后的回波信號(hào)， 信號(hào)的帶寬比實(shí)際信號(hào)的帶寬窄得多， 一般不會(huì)超過(guò)MHZ的量級(jí)。設(shè)脈沖重復(fù)周期r，仿真時(shí)間為Afa個(gè)脈沖重復(fù)周期，即仿真時(shí)間為r.Ab，慢采樣 可看做將整個(gè)仿真時(shí)間按脈沖重復(fù)周期進(jìn)行劃分，快采樣速率為,，即前面文字中的采樣率，則整個(gè)仿真時(shí)間分為A^iVaT，乂個(gè)長(zhǎng)度為+的時(shí)間段。則瞬時(shí)時(shí)刻(可以表 示為=-"^"+丄，/ = 12^.^。步驟四、分別計(jì)算雷達(dá)平臺(tái)與目標(biāo)的瞬時(shí)位置，根據(jù)幾何位置關(guān)系得到相位中心與目
標(biāo)的距離矢量即雷達(dá)天線中心與目標(biāo)連線的長(zhǎng)度和視線夾角。步驟一和步驟二已經(jīng)提供了 雷達(dá)平臺(tái)與目標(biāo)的初始位置和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，只需要將步驟三中離散化后的時(shí)間纟,代入
^,=^。+、— &=^。+^^,，式中尸m。、盡。分別為雷達(dá)平臺(tái)與目標(biāo)的初始位置坐標(biāo)，、、 ^分別為雷達(dá)平臺(tái)與目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，(.為瞬時(shí)時(shí)刻，就可以得到相應(yīng)時(shí)間雷達(dá)平臺(tái)與目 標(biāo)的位置信息A,、 A，由空間幾何關(guān)系，可以得到雷達(dá)的斜距信息，并將斜距的值r順序 存入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中。
下面結(jié)合附圖2進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。設(shè)i^,"l、2…iV , i^.，z、l,2…iV分別為目標(biāo)和雷達(dá) 平臺(tái)在時(shí)亥IJ 時(shí)亥U的位置，平臺(tái)飛行速度為F ，則有
<formula>formula see original document page 11</formula>
步驟五、結(jié)合合成孔徑雷達(dá)回波信號(hào)數(shù)學(xué)模型與步驟一中的雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)，得到一維 的回波信號(hào)。雷達(dá)平臺(tái)沿其航線飛行，平臺(tái)與目標(biāo)間的距離隨著時(shí)間推進(jìn)也在不斷變化。 這種距離上的變化，在雷達(dá)信號(hào)中則反映的是信號(hào)的延時(shí)的不同，反映了雷達(dá)距離向的變 化。
前面的步驟可以看到，每個(gè)快采樣時(shí)間都記錄下斜距值會(huì)帶來(lái)很大的運(yùn)算量，步驟三 中已經(jīng)說(shuō)明了采樣率應(yīng)該如何選擇。本發(fā)明中采用了去調(diào)頻后的雷達(dá)視頻信號(hào)，直接模擬 經(jīng)過(guò)去調(diào)頻處理后的信號(hào)。它包括了信號(hào)的所有信息，同時(shí)也大大降低了信號(hào)快采樣的采 樣率，減少了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算量。
(a) 雷達(dá)延時(shí)的計(jì)算雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)是電磁波，速度為光速c，發(fā)射的信號(hào)到達(dá)目 標(biāo)后再次被接收，這段時(shí)間可以表示為r-(r,+。/c， r,為發(fā)射信號(hào)時(shí)刻的斜距，。為接
收信號(hào)時(shí)刻的斜距。本發(fā)明采用"瞬時(shí)停走"的假設(shè)，認(rèn)為信號(hào)在發(fā)射與接收時(shí)刻的斜距 是相等的，即每個(gè)快采樣的時(shí)間間隔內(nèi)方位向位置的變化引起的斜距變化可以忽略，此時(shí) 信號(hào)延時(shí)表達(dá)式簡(jiǎn)化為r = 2"7c ， ^為快采樣時(shí)刻的斜距。
(b) 經(jīng)過(guò)去調(diào)頻處理的雷達(dá)信號(hào)數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為<formula>formula see original document page 12</formula>為點(diǎn)目標(biāo)后向散射特
<formula>formula see original document page 12</formula>
性，K(O為方位向天線方向性函數(shù)，"W為發(fā)射脈沖包絡(luò)，6為發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)的調(diào)頻 率，r.為點(diǎn)目標(biāo)到雷達(dá)的斜距瞬時(shí)變化，c為光速，義為信號(hào)波長(zhǎng)，^為距離向上的時(shí)間，
~=mod":o-|, mod(f,r)為f除以r的余數(shù)，i ^為去調(diào)頻處理時(shí)選取的參考斜距，/為
瞬時(shí)時(shí)刻。此處斜距G不再是傳統(tǒng)的雷達(dá)仿真方法中僅隨慢采樣時(shí)間即方位向時(shí)間變化， 而是在采用了"瞬時(shí)停走"的假設(shè)以后，在每個(gè)快采樣時(shí)間都會(huì)有相應(yīng)變化。因此，本發(fā) 明所提供的雷達(dá)信號(hào)仿真方法比現(xiàn)有的雷達(dá)信號(hào)仿真方法更加精確。
(c) 將步驟四中得到的斜距信息^代入上面的經(jīng)過(guò)去調(diào)頻處理的雷達(dá)信號(hào)數(shù)學(xué)模型表
達(dá)式，結(jié)合與步驟一中雷達(dá)參數(shù)信息，得到一維的雷達(dá)信號(hào)，將其存入寄存器。
(d) 初始化存儲(chǔ)器，將一維寄存器中的回波信號(hào)與存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加。
(e) 判斷是否完成全部點(diǎn)目標(biāo)的仿真，如果判斷為"否"，則重復(fù)步驟二至步驟五的 處理過(guò)程，得到一維的回波信號(hào)；如果判斷為"是"，則轉(zhuǎn)入步驟六。
步驟六、 一維信號(hào)按脈沖重復(fù)周期劃分，格式成二維信號(hào)。
下面結(jié)合附圖3進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。將步驟五中得到的隨快采樣變化的信號(hào)按時(shí)間的先后
順次存入儲(chǔ)存器，得到長(zhǎng)度為iV的一維信號(hào)，A^為仿真的脈沖周期個(gè)數(shù)，即為方位向的
采樣數(shù)；A^為對(duì)一個(gè)周期內(nèi)信號(hào)進(jìn)行快采樣后的信號(hào)數(shù)，即為距離向的采樣點(diǎn)數(shù)， wr = :r./s。 一維信號(hào)按照脈沖周期(慢采樣時(shí)間)進(jìn)行劃分，每個(gè)脈沖周期內(nèi)有Nr段數(shù)
據(jù)，從起始時(shí)刻起，前iVr個(gè)數(shù)據(jù)存為一行，第A^ + 1個(gè)數(shù)據(jù)存到第二行第一個(gè)位置，第 A^ + 2個(gè)數(shù)據(jù)存到第二行第二個(gè)位置，第2M"個(gè)數(shù)據(jù)存到第二行第iVr個(gè)位置，第2W + 1個(gè) 數(shù)據(jù)存到第三行第一個(gè)位置，以此類推……得到一個(gè)iV"xA^的二維信號(hào)完成了線性調(diào)頻 連續(xù)波合成孔徑雷達(dá)視頻信號(hào)的仿真。
本發(fā)明主要針對(duì)線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)的特點(diǎn)，在"瞬時(shí)停走"模型的假設(shè)的基礎(chǔ)上， 提出了一種適用于高速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，在大斜視條件下的線性調(diào)頻連續(xù)波合成孔徑雷達(dá)視頻信 號(hào)的精細(xì)仿真方法。仿真過(guò)程中逐個(gè)脈沖記下瞬時(shí)時(shí)刻雷達(dá)斜距變化，能夠較準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn) 信號(hào)的仿真，同時(shí)該方法中選用的是與參考信號(hào)進(jìn)行去調(diào)頻處理的回波信號(hào)，能在很大程 度上解決由于記錄瞬時(shí)斜距帶來(lái)的計(jì)算量大的問(wèn)題。
權(quán)利要求
1. 一種線性調(diào)頻連續(xù)波合成孔徑雷達(dá)視頻信號(hào)的仿真方法，其特征在于它包括以下幾個(gè)實(shí)現(xiàn)步驟，步驟一設(shè)置并讀取仿真的合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)信息，包括仿真信號(hào)、雷達(dá)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和雷達(dá)波束天線的參數(shù)信息；其中信號(hào)所處的波段為Ka波段，脈沖帶寬Bw為百兆量級(jí)，脈沖重復(fù)周期在毫秒的數(shù)量級(jí)，雷達(dá)平臺(tái)做高速運(yùn)動(dòng)，即速度V＞1000m/s，雷達(dá)作用距離即雷達(dá)與目標(biāo)的距離為1-10km，雷達(dá)處于大斜視觀測(cè)條件即是選取雷達(dá)天線波束中心與航向夾角為15°～30°；步驟二設(shè)置目標(biāo)的信息參數(shù)，包括目標(biāo)的個(gè)數(shù)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、位置，多點(diǎn)目標(biāo)看作是多個(gè)單點(diǎn)目標(biāo)仿真信號(hào)的疊加；步驟三仿真時(shí)間的離散化處理，對(duì)整個(gè)仿真時(shí)間進(jìn)行快采樣，將整個(gè)仿真時(shí)間劃分成若干等長(zhǎng)的時(shí)間段；本步驟是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號(hào)，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣的頻率即為信號(hào)的采樣率，設(shè)脈沖重復(fù)周期T，仿真時(shí)間為Na個(gè)脈沖重復(fù)周期，即仿真時(shí)間為T·Na，慢采樣<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mi>f</mi> <mi>p</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mi>T</mi></mfrac><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="S2008101124650C00011.gif" wi="13" he="8" top= "152" left = "42" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/-->將整個(gè)仿真時(shí)間按脈沖重復(fù)周期進(jìn)行劃分；快采樣速率為fs，即前面文字中的采樣率，則整個(gè)仿真時(shí)間分為N＝Na·T·fs個(gè)長(zhǎng)度為id="icf0002" file="S2008101124650C00012.gif" wi="4" he="10" top= "165" left = "139" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>的時(shí)間段，則瞬時(shí)時(shí)刻ti表示為<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mo>-</mo><mfrac> <mi>N</mi> <msub><mrow> <mn>2</mn> <mi>f</mi></mrow><mi>s</mi> </msub></mfrac><mo>+</mo><mfrac> <mi>i</mi> <msub><mi>f</mi><mi>s</mi> </msub></mfrac><mo>,</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1,2</mn><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><mi>N</mi><mo>;</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0003" file="S2008101124650C00013.gif" wi="40" he="10" top= "182" left = "45" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/-->步驟四分別計(jì)算雷達(dá)平臺(tái)與目標(biāo)的瞬時(shí)位置，根據(jù)幾何位置關(guān)系得到相位中心與目標(biāo)的距離矢量即雷達(dá)天線中心與目標(biāo)連線的長(zhǎng)度和視線夾角；步驟一和步驟二已經(jīng)提供了雷達(dá)平臺(tái)與目標(biāo)的初始位置和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，只需要將步驟三中離散化后的時(shí)間ti代入Pmi＝Pm0+Vmti，PTi＝PT0+VTti，式中Pm0、PT0分別為雷達(dá)平臺(tái)與目標(biāo)的初始位置坐標(biāo)，Vm、VT分別為雷達(dá)平臺(tái)與目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，ti為瞬時(shí)時(shí)刻，就得到相應(yīng)時(shí)間雷達(dá)平臺(tái)與目標(biāo)的位置信息Pmi、PTi，由空間幾何關(guān)系，得到雷達(dá)的斜距信息，并將斜距的值ri順序存入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中；設(shè)PTi，i＝1、2...N Pmi，i＝1，2...N分別為目標(biāo)和雷達(dá)平臺(tái)在時(shí)刻ti時(shí)刻的位置，平臺(tái)飛行速度為V，則有
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種線性調(diào)頻連續(xù)波合成孔徑雷達(dá)視頻信號(hào)的仿真方法，其特 征在于，步驟三所述的慢采樣是方位向上的采樣率，以脈沖重復(fù)周期為周期進(jìn)行采樣， 數(shù)值上與力相等。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種線性調(diào)頻連續(xù)波合成孔徑雷達(dá)視頻信號(hào)的仿真方法，其特 征在于，步驟三所述的快采樣是對(duì)同一個(gè)周期內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行采樣，即距離向上的采樣 率，用乂表示。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種線性調(diào)頻連續(xù)波合成孔徑雷達(dá)視頻信號(hào)的仿真方法，包括以下步驟設(shè)置并讀取仿真的合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)信息；設(shè)置目標(biāo)的信息參數(shù)；仿真時(shí)間的離散化處理；分別計(jì)算雷達(dá)平臺(tái)與目標(biāo)的瞬時(shí)位置，根據(jù)幾何位置關(guān)系得到相位中心與目標(biāo)的距離矢量；結(jié)合合成孔徑雷達(dá)回波信號(hào)數(shù)學(xué)模型與雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)，得到一維的回波信號(hào)；一維信號(hào)按脈沖重復(fù)周期劃分，格式成二維信號(hào)，存儲(chǔ)完全部數(shù)據(jù)，得到了一個(gè)Na×Nr的二維信號(hào)，完成線性調(diào)頻連續(xù)波合成孔徑雷達(dá)視頻信號(hào)的精細(xì)仿真。利用本發(fā)明可得到更準(zhǔn)確的回波仿真信號(hào)，特別適用高速運(yùn)動(dòng)、遠(yuǎn)距離、雷達(dá)處于大斜視觀測(cè)條件下的調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)的仿真方法，實(shí)現(xiàn)效率更優(yōu)，具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和兼容性。
文檔編號(hào)G01S7/02GK101295019SQ20081011246
公開日2008年10月29日 申請(qǐng)日期2008年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月23日
發(fā)明者李春升, 李顯軍, 威 楊, 段世忠, 瑩 王, 杰 陳 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)