專利名稱：逼真目標(biāo)回波模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種逼真目標(biāo)回波模擬方法。該發(fā)明屬于電子模擬技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著雷達(dá)技術(shù)、引信技術(shù)、以及電子對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展，逼真目標(biāo)回波模擬器的研制 已越來越迫切。對(duì)其需求將會(huì)越來越廣泛，要求也越來越高。目標(biāo)回波模擬器已成為雷達(dá) 新技術(shù)和新體制研究的基礎(chǔ)之一，是研究引信技術(shù)的關(guān)鍵之一，更是電子對(duì)抗研究不可缺 少的工具之一。發(fā)達(dá)國(guó)家嚴(yán)格控制此類技術(shù)，對(duì)我國(guó)實(shí)行技術(shù)封鎖政策，因此我國(guó)積極開發(fā) 高效精確的回波仿真技術(shù)非常必要也極其緊迫。 目前，已有的回波信號(hào)模擬技術(shù)難以滿足現(xiàn)今科學(xué)研究和實(shí)際工程的要求，具體 表現(xiàn)在擴(kuò)展目標(biāo)回波模擬的真實(shí)度不夠或很不方便通用或很難實(shí)時(shí)進(jìn)行?，F(xiàn)有目標(biāo)回波模 擬器中擴(kuò)展目標(biāo)散射參數(shù)一般通過下列三種方法獲得。方法之一是通過簡(jiǎn)化的點(diǎn)目標(biāo)模型 獲得。將目標(biāo)按區(qū)域離散為獨(dú)立小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域視為點(diǎn)目標(biāo)，其雷達(dá)散射截面來源于假 定、或經(jīng)驗(yàn)估計(jì)、又或雷達(dá)灰度圖像等。這種回波模擬器真實(shí)度差，難以滿足當(dāng)代尖端雷達(dá) 技術(shù)和引信技術(shù)的研制。方法之二是通過實(shí)測(cè)回波獲得。顯然，這種方法很不方便通用。因 為目標(biāo)姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生變化，都需要重新測(cè)試。方法之三是通過數(shù)值計(jì)算獲得。回波模 擬的真實(shí)度取決于數(shù)值計(jì)算的能力，這種方法很難實(shí)時(shí)進(jìn)行，另外也需要隨著目標(biāo)姿態(tài)、運(yùn) 動(dòng)軌跡不斷重新計(jì)算。 鑒于目前目標(biāo)回波模擬器的不足，這里提出一種逼真目標(biāo)回波模擬方法。通過建 立完整準(zhǔn)確表征目標(biāo)散射特性的平面波數(shù)據(jù)庫(kù)，目標(biāo)回波可根據(jù)雷達(dá)體制和目標(biāo)姿態(tài)、運(yùn) 動(dòng)軌跡，通過直接讀取或插值平面波數(shù)據(jù)庫(kù)，真實(shí)實(shí)時(shí)再現(xiàn)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種逼真目標(biāo)回波模擬方法，提高了目標(biāo)回波的逼真度，并實(shí)現(xiàn)了 實(shí)時(shí)模擬。 平面波數(shù)據(jù)庫(kù)的思想來源于電磁計(jì)算中的多極子算法，即目標(biāo)在一個(gè)任意方向入 射波激勵(lì)下的散射場(chǎng)可由K個(gè)平面波描述，K與目標(biāo)電尺寸大小有關(guān)。本發(fā)明對(duì)此進(jìn)行了 拓展，依據(jù)互易原理，指出K個(gè)方向入射場(chǎng)激勵(lì)下目標(biāo)的KXK個(gè)平面波，可精確地描述目標(biāo) 任意入射方向激勵(lì)所產(chǎn)生的散射場(chǎng)，由N個(gè)不同頻率下的KXK數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)成完備的寬帶平 面波數(shù)據(jù)庫(kù)NX KX K。目標(biāo)任意入射方向、頻率下的散射場(chǎng)都可由寬帶平面波數(shù)據(jù)庫(kù)直接讀 取或插值獲得。 目標(biāo)寬帶平面波數(shù)據(jù)庫(kù)需要預(yù)先建立，以備調(diào)用。具體建立方法如下首先確立二
維(e ，小)方位采樣e采樣點(diǎn)數(shù)為L(zhǎng)，采樣區(qū)間為[o， Ji ]，采樣點(diǎn)使得cos e在區(qū)間[-i，
1]上滿足GuassJegendre積分方式。 一般精度要求下，L = k d+21n (k d+ji ) ， k為傳播 常數(shù)，d為目標(biāo)最大尺寸；小采樣點(diǎn)數(shù)為2L，在采樣區(qū)間
內(nèi)等間隔取值。二維(e ， 小)方位總采樣個(gè)數(shù)K二2L2。由K個(gè)方位入射波激勵(lì)的目標(biāo)KXK方位的散射場(chǎng)構(gòu)成目標(biāo)的平面波數(shù)據(jù)庫(kù)，由N個(gè)不同頻率下的KXK數(shù)據(jù)庫(kù)，形成寬帶平面波數(shù)據(jù)庫(kù)NXKXK。用戶 可靈活選擇不同的方法獲得目標(biāo)的平面波數(shù)據(jù)庫(kù)，如全波數(shù)值算法、精確的實(shí)驗(yàn)測(cè)量、高頻 近似算法。對(duì)于單站收發(fā)雷達(dá)，目標(biāo)回波模擬僅使用后向平面波數(shù)據(jù)，即僅需平面波數(shù)據(jù)庫(kù) NXKXK中對(duì)角線上的平面波NXK即可。 已得目標(biāo)的平面波數(shù)據(jù)庫(kù)后，依據(jù)用戶所指定的雷達(dá)方式(SAR、 ISAR)、雷達(dá)工作 模式(STRIP, SPOT, SCAN)、雷達(dá)工作頻段、雷達(dá)發(fā)射脈沖形式、雷達(dá)與目標(biāo)的初始斜距、目標(biāo) 的運(yùn)動(dòng)方式(直線、旋轉(zhuǎn)、復(fù)合)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)(速度、角速度、加速度)，不再需經(jīng)數(shù)值計(jì)算或 測(cè)量而是通過從平面波數(shù)據(jù)庫(kù)中提取或插值獲得相應(yīng)的平面波，再經(jīng)后處理即可獲得滿足 用戶不同要求的回波數(shù)據(jù)，避免了重復(fù)計(jì)算，有效縮減回波模擬的時(shí)間。設(shè)完備的平面波數(shù) 據(jù)為S(f， e ，小)?；夭M具體執(zhí)行步驟如下
A.雷達(dá)與目標(biāo)相對(duì)姿態(tài)角、斜距數(shù)據(jù)的獲取。 依據(jù)雷達(dá)的工作方式，對(duì)雷達(dá)與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)建模。雷達(dá)與目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)可分 解為直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。直線運(yùn)動(dòng)由運(yùn)動(dòng)參數(shù)直接描述。旋轉(zhuǎn)造成雷達(dá)與目標(biāo)相對(duì)姿態(tài)的變 化，利用旋轉(zhuǎn)造成的Euler角由坐標(biāo)的變換矩陣求得。 B.依據(jù)姿態(tài)角、頻帶參數(shù)，從目標(biāo)平面波數(shù)據(jù)庫(kù)直接讀相應(yīng)的平面波。 C.對(duì)于姿態(tài)角以及頻帶不在NXKXK采樣值的平面波，由鄰近的平面波插值獲得。 D.將直線運(yùn)動(dòng)造成的相移直接加入到相應(yīng)方位下的平面波中。
f (/, A -) = S(A《-). exp(-_/竿& (《")
義 其中g(shù)(f， e ，小)為加入直線運(yùn)動(dòng)造成的相移的結(jié)果，exp(-y'i^(《^)為直運(yùn)動(dòng)
造成的相移。 E.依據(jù)雷達(dá)發(fā)射脈沖形式，將B、C、D獲得的平面波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為雷達(dá)發(fā)射脈沖與目 標(biāo)作用后的散射回波。 平面波數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的數(shù)據(jù)為靜態(tài)目標(biāo)點(diǎn)頻/掃頻的散射場(chǎng)，掃頻散射場(chǎng)隱含的假 設(shè)條件為雷達(dá)發(fā)射脈沖為時(shí)域sine窄脈沖形式，而實(shí)際中，雷達(dá)發(fā)射脈沖一般使用線性調(diào) 頻或步進(jìn)調(diào)頻形式。為使回波數(shù)據(jù)等效為雷達(dá)發(fā)射脈沖與目標(biāo)作用的散射結(jié)果，需對(duì)掃頻 散射場(chǎng)進(jìn)行相位加權(quán)處理，權(quán)函數(shù)為發(fā)射脈沖的頻域形式。
即5(/,0)) = 》 exp(7 w(/)) 其中e鄧(j V (f))為發(fā)射脈沖的頻域形式，,0,^力為發(fā)射脈沖形式匹配后的結(jié)果。 F.將E獲得兩個(gè)以上方位的回波，依據(jù)設(shè)定的雷達(dá)的工作方式，按時(shí)間先后疊加， 最終獲得目標(biāo)的回波。 設(shè)最終模擬結(jié)果為S。ut(f)，時(shí)域結(jié)果為S。ut(t) 即5。"'0")=《5(/，0,<0; s。ut (t) = FFT [S。ut (f)]，其中FFT表示快速傅立葉變換。
一) 本發(fā)明的有益效益 目標(biāo)的逼真回波模擬，可代替相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程，有效縮減研究經(jīng)費(fèi)。
4
基于目標(biāo)平面波數(shù)據(jù)庫(kù)，可實(shí)時(shí)模擬不同觀測(cè)范圍、不同脈沖形式的目標(biāo)回波， 大大減少仿真驗(yàn)證過程，縮短研究周期。
目標(biāo)的逼真回波數(shù)據(jù)可服務(wù)于多種雷達(dá)應(yīng)用技術(shù)，如雷達(dá)成像、圖像特征、目標(biāo) 特性、目標(biāo)識(shí)別、賦形設(shè)計(jì)等，對(duì)雷達(dá)各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展起到促進(jìn)作用。
圖1逼真雷達(dá)信號(hào)模擬方法流程1-運(yùn)動(dòng)模擬2-平面波數(shù)據(jù)庫(kù)3-生成回波圖2平面波數(shù)據(jù)庫(kù)示意圖4-入射波方位5-散射波方位6-后向散射7-小8-e 9-插值點(diǎn)圖3平面波數(shù)據(jù)庫(kù)e采樣5-e ii-de 12-采樣點(diǎn)圖4目標(biāo)姿態(tài)角變化13-角度 14-時(shí)間 5-e19-小圖5回波的幅值(RCS)和相位15-VV RCS(dBsm)16-HH RCS(dBsm)17-VH RCS(dBsm)18-HV RCS(dBsm)19-VV Phase 20—HH Phase 21—VH Phase 22—HV Phase
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)結(jié)合發(fā)明附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步解釋。 下面，以錐旋中的金屬球頭錐為例，具體說明逼真雷達(dá)信號(hào)模擬方法的實(shí)施過程， 參考圖1。 用戶參數(shù)指定單脈沖單站雷達(dá)(頻率為3. 0GHz)、球頭錐錐旋(頻率為1. OHz， 錐旋軸平行于水平面，錐旋錐角為10° 、錐旋中心位于球頭錐質(zhì)心)、雷達(dá)與目標(biāo)距離為 120Km，初始視角(俯仰角為45。，無偏航角)，跟蹤時(shí)間為T = ls。球頭錐為金屬球頭錐， 錐頂球半徑為0. 05m，錐底半徑為0. 5m，錐高1. 6m。脈沖重復(fù)頻率PRF為750。
依據(jù)本發(fā)明方法建立球頭錐目標(biāo)平面波數(shù)據(jù)庫(kù)，平面波數(shù)據(jù)庫(kù)示意圖見圖2 :N = 1 ;L= 110 ;K = 24200。
e采樣點(diǎn)數(shù)為L(zhǎng)二 IIO，采樣區(qū)間為
，采樣點(diǎn)使得cos e在 區(qū)間[-1， 1]上滿足Guass—legendre積分方式，采樣點(diǎn)分具體分布如圖3所示，采樣值在0 度和180度附近非等間隔。小采樣點(diǎn)數(shù)為2L = 220，在采樣區(qū)間
內(nèi)等間隔取值。
由于目標(biāo)帶涂敷，利用全波數(shù)值算法計(jì)算各方位的平面波數(shù)據(jù)，由于雷達(dá)單站收 發(fā)，因此僅建立球頭錐的后向的平面波數(shù)據(jù)庫(kù)即可，數(shù)據(jù)庫(kù)大小為K。
A.雷達(dá)與目標(biāo)相對(duì)姿態(tài)角、斜距數(shù)據(jù)的獲取。 已知后向平面波數(shù)據(jù)庫(kù)后，依據(jù)ISAR模式，雷達(dá)靜止而目標(biāo)錐旋，對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)
建模，獲得姿態(tài)角參數(shù)。用戶要求運(yùn)動(dòng)參數(shù)下目標(biāo)的姿態(tài)角參數(shù)見圖4。 B.依據(jù)姿態(tài)角、頻帶參數(shù)，從目標(biāo)平面波數(shù)據(jù)庫(kù)直接讀相應(yīng)的平面波。 實(shí)際姿態(tài)角的采樣個(gè)數(shù)為WPFR二 750， e采樣區(qū)間為[35° ，55° ]，小采樣區(qū)間，讀取相應(yīng)平面波數(shù)據(jù)。如，9取值56. 6067,54. 9778,53. 3488,51. 7199，…，
35. 4307 ;小取值89. 1089,90. 8911,92. 6733,94. 4554， ".，270. 8911.
C.對(duì)于姿態(tài)角以及頻帶不在NXKXK采樣值的平面波，由鄰近的平面波插值獲 得。 本算例中需要由得到的平面波數(shù)據(jù)插值獲得實(shí)際姿態(tài)角為9 55. 2000,54. 7200， 54. 4800,54. 2400…；小90. 2400 90.4800 90.7200 90.960091.2000 91.4400，...。
D.將直線運(yùn)動(dòng)造成的相移直接加入到相應(yīng)方位下的平面波中。用戶給定運(yùn)動(dòng)參數(shù) 中，目標(biāo)無直線運(yùn)動(dòng)，無須處理。 E.依據(jù)雷達(dá)發(fā)射脈沖形式，將B、C、D獲得的平面波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為雷達(dá)發(fā)射脈沖與目 標(biāo)作用后的散射回波。 用戶給定雷達(dá)參數(shù)中，雷達(dá)為單脈沖雷達(dá)，故無須發(fā)射脈沖形式匹配處理。 F.將E獲得兩個(gè)以上方位的回波，依據(jù)設(shè)定的雷達(dá)的工作方式，按時(shí)間先后疊加，
最終獲得目標(biāo)的回波。 最后，按照時(shí)間先后將各姿態(tài)角下的回波疊加，即可得到微動(dòng)狀態(tài)下的回波，數(shù)值 結(jié)果見圖5。 本發(fā)明包括但不限于以上實(shí)施例，凡是在本發(fā)明的精神或原則下進(jìn)行的任何局部 改進(jìn)、等同替換都將視為在本發(fā)明的保護(hù)范圍之下。
權(quán)利要求
一種逼真目標(biāo)回波模擬方法，其特征在于目標(biāo)寬帶平面波數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)先建立，目標(biāo)寬帶平面波數(shù)據(jù)庫(kù)建立方法為首先確立二維(θ，φ)方位采樣θ采樣點(diǎn)數(shù)為L(zhǎng)，采樣區(qū)間為
，采樣點(diǎn)使得cosθ在區(qū)間[-1，1]上滿足Guass_legendre積分方式；一般精度要求下，L＝k·d+2ln(k·d+π)，k為傳播常數(shù)，d為目標(biāo)最大尺寸；φ采樣點(diǎn)數(shù)為2L，在采樣區(qū)間
內(nèi)等間隔取值；二維(θ，φ)方位總采樣個(gè)數(shù)K＝2L2；由K個(gè)方位入射波激勵(lì)的目標(biāo)K×K方位的散射場(chǎng)構(gòu)成目標(biāo)的平面波數(shù)據(jù)庫(kù)，由N個(gè)不同頻率下的K×K數(shù)據(jù)庫(kù)，形成寬帶平面波數(shù)據(jù)庫(kù)N×K×K；用戶可靈活選擇不同的方法獲得目標(biāo)的平面波數(shù)據(jù)庫(kù)，如全波數(shù)值算法、精確的實(shí)驗(yàn)測(cè)量、高頻近似算法；對(duì)于單站收發(fā)雷達(dá)，目標(biāo)回波模擬僅使用后向平面波數(shù)據(jù)，即僅需平面波數(shù)據(jù)庫(kù)N×K×K中對(duì)角線上的平面波N×K即可；該方法的具體執(zhí)行如下A.雷達(dá)與目標(biāo)相對(duì)姿態(tài)角、斜距數(shù)據(jù)的獲取；依據(jù)雷達(dá)的工作方式，對(duì)雷達(dá)與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)建模；雷達(dá)與目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)可分解為直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；直線運(yùn)動(dòng)由運(yùn)動(dòng)參數(shù)直接描述；旋轉(zhuǎn)造成雷達(dá)與目標(biāo)相對(duì)姿態(tài)的變化，利用旋轉(zhuǎn)造成的Euler角由坐標(biāo)的變換矩陣求得；B.依據(jù)姿態(tài)角、頻帶參數(shù)，從目標(biāo)平面波數(shù)據(jù)庫(kù)直接讀相應(yīng)的平面波；C.對(duì)于姿態(tài)角以及頻帶不在N×K×K采樣值的平面波，由鄰近的平面波插值獲得；D.將直線運(yùn)動(dòng)造成的相移直接加入到相應(yīng)方位下的平面波中； <mrow><mover> <mi>S</mi> <mo>‾</mo></mover><mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>,</mo> <mi>θ</mi> <mo>,</mo> <mi>φ</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>S</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>,</mo> <mi>θ</mi> <mo>,</mo> <mi>φ</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>·</mo><mi>exp</mi><mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mfrac><mrow> <mn>4</mn> <mi>π</mi></mrow><mi>λ</mi> </mfrac> <msub><mi>R</mi><mi>L</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>θ</mi><mo>,</mo><mi>φ</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow>其中S(f，θ，φ)為加入直線運(yùn)動(dòng)造成的相移的結(jié)果，為直運(yùn)動(dòng)造成的相移；E.依據(jù)雷達(dá)發(fā)射脈沖形式，將B、C、D獲得的平面波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為雷達(dá)發(fā)射脈沖與目標(biāo)作用后的散射回波；平面波數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的數(shù)據(jù)為靜態(tài)目標(biāo)點(diǎn)頻/掃頻的散射場(chǎng)，掃頻散射場(chǎng)隱含的假設(shè)條件為雷達(dá)發(fā)射脈沖為時(shí)域sinc窄脈沖形式，而實(shí)際中，雷達(dá)發(fā)射脈沖使用線性調(diào)頻或步進(jìn)調(diào)頻形式；為使回波數(shù)據(jù)等效為雷達(dá)發(fā)射脈沖與目標(biāo)作用的散射結(jié)果，需對(duì)掃頻散射場(chǎng)進(jìn)行相位加權(quán)處理，權(quán)函數(shù)為發(fā)射脈沖的頻域形式；即 <mrow><mover> <mi>S</mi> <mo>=</mo></mover><mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>,</mo> <mi>θ</mi> <mo>,</mo> <mi>φ</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mover> <mi>S</mi> <mo>‾</mo></mover><mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>,</mo> <mi>θ</mi> <mo>,</mo> <mi>φ</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>·</mo><mi>exp</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>jψ</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>f</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow>其中exp(jψ(f))為發(fā)射脈沖的頻域形式，為發(fā)射脈沖形式匹配后的結(jié)果；F.將E獲得的不同方位的回波，依據(jù)雷達(dá)的工作方式，按時(shí)間先后疊加，最終獲得雷達(dá)所接收回波；設(shè)最終模擬結(jié)果為Sout(f)，時(shí)域結(jié)果為sout(t)；即 <mrow><msub> <mi>S</mi> <mi>out</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munder> <mi>Σ</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>θ</mi><mo>,</mo><mi>φ</mi><mo>)</mo> </mrow></munder><mover> <mi>S</mi> <mo>=</mo></mover><mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>,</mo> <mi>θ</mi> <mo>,</mo> <mi>φ</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow>sout(t)＝FFT[Sout(f)]，其中FFT表示快速傅立葉變換。F2009100883757C00012.tif,F2009100883757C00022.tif
全文摘要
本發(fā)明公開了一種逼真目標(biāo)回波模擬方法，屬于電子模擬領(lǐng)域。平面波數(shù)據(jù)庫(kù)的思想來源于電磁計(jì)算中的多極子算法，即目標(biāo)在一個(gè)任意方向入射波激勵(lì)下的散射場(chǎng)可由K個(gè)平面波描述，K與目標(biāo)電尺寸大小有關(guān)。本發(fā)明對(duì)此進(jìn)行了拓展，依據(jù)互易原理，指出K個(gè)方向入射場(chǎng)激勵(lì)下目標(biāo)的K×K個(gè)平面波，可精確地描述目標(biāo)任意入射方向激勵(lì)所產(chǎn)生的散射場(chǎng)，由N個(gè)不同頻率下的K×K數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)成完備的寬帶平面波數(shù)據(jù)庫(kù)N×K×K。目標(biāo)任意入射方向、頻率下的散射場(chǎng)都可由寬帶平面波數(shù)據(jù)庫(kù)直接讀取或插值獲得。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了逼真目標(biāo)回波實(shí)時(shí)模擬，該技術(shù)可服務(wù)于多種雷達(dá)應(yīng)用技術(shù)，如雷達(dá)成像、圖像特征、目標(biāo)特性、目標(biāo)識(shí)別、賦形設(shè)計(jì)等。
文檔編號(hào)G01S7/40GK101738603SQ20091008837
公開日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2009年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月2日
發(fā)明者潘小敏, 盛新慶, 鄧楚強(qiáng), 郭琨毅 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)