一種用于連續(xù)波雷達(dá)的回波信號模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種連續(xù)波雷達(dá)的回波信號模擬方法，該方法根據(jù)雷達(dá)與目標(biāo)的相對位置和距離、雷達(dá)運動速度，計算出雷達(dá)發(fā)射信號的多普勒頻率和回波時延，再根據(jù)雷達(dá)方程和雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)，得到雷達(dá)天線接收到的回波有用信號；然后，根據(jù)雷達(dá)晶振輸出信號的靜態(tài)相噪譜，以及晶振在載體的力學(xué)響應(yīng)計算出晶振輸出信號的動態(tài)相噪譜，結(jié)合系統(tǒng)的隔離度值得到泄漏信號的動態(tài)功率譜，并轉(zhuǎn)化為雷達(dá)泄露動態(tài)信號的時域數(shù)據(jù)；最后將回波有用信號與泄漏動態(tài)信號相加，得到含動態(tài)泄漏信號的雷達(dá)回波信號，該方法能夠模擬接近真實環(huán)境的連續(xù)波雷達(dá)回波信號，可用于連續(xù)波雷達(dá)直流對消電路進(jìn)行測試，適用于飛行著陸雷達(dá)的測試系統(tǒng)。
【專利說明】一種用于連續(xù)波雷達(dá)的回波信號模擬方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及連續(xù)波雷達(dá)信號處理領(lǐng)域，特別涉及一種用于連續(xù)波雷達(dá)的回波信號模擬方法，適用于連續(xù)波雷達(dá)直流對消能力的驗證。

【背景技術(shù)】
[0002]連續(xù)波雷達(dá)是一種通過發(fā)射連續(xù)波來獲得目標(biāo)信息的雷達(dá)。按其發(fā)射信號不同分為單一頻率或多頻率，或調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)，主要用于測距測速的場合。由于其發(fā)射的是連續(xù)波，故峰值功率低，具有良好的電子對抗和低截獲概率性能；另外其測速不存在速度模糊，測距不存在距離盲區(qū)，而其余雷達(dá)要具備這一優(yōu)點，處理就得相當(dāng)復(fù)雜。而且該雷達(dá)連續(xù)發(fā)射和接收，故只需較小的發(fā)射功率即可實現(xiàn)較遠(yuǎn)的作用距離。
[0003]連續(xù)波雷達(dá)的很多優(yōu)勢都是連續(xù)發(fā)射接收帶來的，但這也導(dǎo)致連續(xù)波雷達(dá)的一個主要缺點:信號泄漏。由于連續(xù)波雷達(dá)工作時，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)同時工作，通過發(fā)射機(jī)發(fā)射的微波能量不可避免地通過天線或環(huán)形器泄漏到接收機(jī)系統(tǒng)，然后通過接收機(jī)進(jìn)入雷達(dá)信號數(shù)字處理單元，可能導(dǎo)致接收機(jī)飽和或數(shù)字信號處理單元A/D采樣飽和等，以致無法進(jìn)行有效測量。
[0004]為了保證雷達(dá)系統(tǒng)能夠正常工作，連續(xù)波雷達(dá)均必須采用對消技術(shù)，抑制泄漏對測量的影響。當(dāng)前解決連續(xù)波雷達(dá)隔離度問題的研究主要集中在如何設(shè)計抑制電路達(dá)到高的抑制比，發(fā)展出的抑制技術(shù)主要包含射頻對消、中頻對消以及視頻對消。不管采用哪種對消技術(shù)，連續(xù)波雷達(dá)在最終使用前均需要對其對消能力進(jìn)行驗證。泄漏模擬的真實度直接影響了對連續(xù)波雷達(dá)測試的完整性。
[0005]對已公開的單頻連續(xù)波雷達(dá)相關(guān)資料進(jìn)行查閱，雷達(dá)泄漏模擬主要采用將發(fā)射機(jī)信號接衰減器，然后耦合進(jìn)接收機(jī)的方式進(jìn)行。
[0006]這種方式只能反映雷達(dá)在靜止?fàn)顟B(tài)下的泄露情況，而連續(xù)波雷達(dá)主要應(yīng)用于飛行著陸環(huán)境，實際使用均伴隨著不同程度的振動。靜態(tài)泄漏的模擬對于測試?yán)走_(dá)性能意義不大。
[0007]根據(jù)現(xiàn)有公開的資料查詢，目前尚沒有能模擬連續(xù)波雷達(dá)動態(tài)泄露的方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種用于連續(xù)波雷達(dá)的回波信號模擬方法，該方法能夠模擬接近真實環(huán)境的連續(xù)波雷達(dá)回波信號，所述雷達(dá)回波信號包括基帶回波有用信號和基帶動態(tài)泄漏信號，可用于連續(xù)波雷達(dá)直流對消電路進(jìn)行測試，適用于飛行著陸雷達(dá)的測試系統(tǒng)。
[0009]本發(fā)明的上述目的是通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的:
[0010]一種用于連續(xù)波雷達(dá)的回波信號模擬方法，包括下列步驟:
[0011](I)對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始化，即對模擬計算中用到的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行賦值，所述系統(tǒng)參數(shù)包括雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)和雷達(dá)頻率綜合器的晶振參數(shù)，其中所述雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)包括雷達(dá)天線中心坐標(biāo)值(x，y，z)、地面目標(biāo)坐標(biāo)值、雷達(dá)天線波束寬度Φ、雷達(dá)運動方向矢量--、雷達(dá)相對目標(biāo)的運動速度V、雷達(dá)發(fā)射信號波長λ、雷達(dá)發(fā)射信號功率Pt、雷達(dá)天線方向圖G(i3)、雷達(dá)天線中心軸矢量5、單位面積上后向散射系數(shù)Otl、雷達(dá)隔離度D、不考慮相位噪聲條件下雷達(dá)發(fā)射信號的功率譜P(f);所述雷達(dá)頻率綜合器的晶振參數(shù)，包括所述晶振的靜態(tài)相位噪聲數(shù)據(jù)、振動功率譜密度H(f) (f = O~fmax)、振動加速度靈敏度、振動峰值加速度A，以及無加速度時晶振頻率& ；
[0012](2)計算雷達(dá)天線接收到的基帶回波有用信號s⑴，具體步驟如下:
[0013](a)根據(jù)雷達(dá)天線中心坐標(biāo)值、雷達(dá)天線中心軸線矢量、地面目標(biāo)坐標(biāo)值和雷達(dá)天線波束寬度Φ，計算雷達(dá)天線在地面目標(biāo)附近形成的照射區(qū)域范圍，方法如下:
[0014]以雷達(dá)天線中心軸線為中心軸，以過雷達(dá)天線中心且與所述雷達(dá)天線中心軸線夾角為Φ/2的直線繞著雷達(dá)天線中心軸線轉(zhuǎn)動形成圓錐1，將圓錐I的底面圓周向目標(biāo)所在地表平面投影得到橢圓平面1，所述橢圓平面I即為雷達(dá)天線在地面目標(biāo)附近形成的照射區(qū)域范圍；
[0015](b)用N-1條間距為dl且平行于橢圓平面I短軸的平行線，以及M-1條間距為d2且平行于橢圓平面I長軸的平行線，將橢圓平面I劃分為麗個小單元，依次標(biāo)號為I~麗，其中，M、N均為大于等于I的正整數(shù)。并根據(jù)地面目標(biāo)坐標(biāo)值和小單元與地面目標(biāo)坐標(biāo)位置的相對位置關(guān)系，計算得到各小單元幾何中心坐標(biāo)(Xi^pZi)；
[0016]根據(jù)雷達(dá)天線中心坐標(biāo)值和上述MN個小單元的幾何中心坐標(biāo)值計算雷達(dá)天線中心指向各小單元幾何中心的雷達(dá)波束矢量r $ (/=1，2,...,MN )，即雷達(dá)天線中心坐標(biāo)值為(x，y，z),小單元i的幾何中心坐標(biāo)值為(Xi, y” Zi),則雷達(dá)天線中心指向小單元i幾何中心的雷達(dá)波束矢量:
[0017]

【權(quán)利要求】
1.一種用于連續(xù)波雷達(dá)的回波信號模擬方法，其特征在于包括步驟如下: (1)對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始化，所述系統(tǒng)參數(shù)包括雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)和雷達(dá)頻率綜合器的晶振參數(shù)，其中所述雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)包括雷達(dá)天線中心坐標(biāo)值(X，y, Z)、地面目標(biāo)坐標(biāo)值、雷達(dá)天線波束寬度Φ、雷達(dá)運動方向矢量--、雷達(dá)相對目標(biāo)的運動速度V、雷達(dá)發(fā)射信號波長入、雷達(dá)發(fā)射信號功率Pt、雷達(dá)天線方向圖G(i3)、雷達(dá)天線中心軸矢量S、單位面積上后向散射系數(shù)Otl、雷達(dá)隔離度D、不考慮相位噪聲條件下雷達(dá)發(fā)射信號的功率譜P(f);所述雷達(dá)頻率綜合器的晶振參數(shù)，包括所述晶振的靜態(tài)相位噪聲數(shù)據(jù)、振動功率譜密度H(f) (f =O~fmax)、振動加速度靈敏度F、振動峰值加速度A，以及無加速度時晶振頻率& ； (2)計算雷達(dá)天線接收到的基帶回波有用信號s(t)，具體步驟如下: (a)根據(jù)雷達(dá)天線中心坐標(biāo)值、雷達(dá)天線中心軸線矢量、地面目標(biāo)坐標(biāo)值和雷達(dá)天線波束寬度Φ，計算雷達(dá)天線在地面目標(biāo)附近形成的照射區(qū)域范圍，方法如下: 以雷達(dá)天線中心軸線為中心軸，以過雷達(dá)天線中心且與所述雷達(dá)天線中心軸線夾角為Φ/2的直線繞著雷達(dá)天線中心軸線轉(zhuǎn)動形成圓錐1，將圓錐I的底面圓周向目標(biāo)所在地表平面投影得到橢圓平面1，所述橢圓平面I即為雷達(dá)天線在地面目標(biāo)附近形成的照射區(qū)域范圍； (b)用N-1條間距為dl且平行于橢圓平面I短軸的平行線，以及M-1條間距為d2且平行于橢圓平面I長軸的平行線，將橢圓平面I劃分為麗個小單元，依次標(biāo)號為I~麗，其中，M、N均為大于等于I的正整數(shù)，計算得到各小單元i幾何中心坐標(biāo)O^ypZi)； 根據(jù)雷達(dá)天線中心坐標(biāo)值和上述MN個小單元的幾何中心坐標(biāo)值計算雷達(dá)天線中心指向各小單元i幾何中心的雷達(dá)波束矢量7即雷達(dá)天線中心坐標(biāo)值為(X，y, z),小單元i的幾何中心坐標(biāo)值為(Xi, Yi, Zi),則雷達(dá)天線中心指向小單元i幾何中心的雷達(dá)波束矢量:
根據(jù)下式計算到達(dá)小單元i上的雷達(dá)發(fā)射信號的多普勒頻率:
其中 力雷達(dá)運動方向矢量，V為雷達(dá)相對目標(biāo)的運動速度，λ為雷達(dá)發(fā)射信號波長，’.’代表矢量點積運算，1111代表矢量取模計算； 根據(jù)下式計算雷達(dá)天線中心軸矢量?和雷達(dá)波束矢量^的夾角β 1:
再根據(jù)所述夾角β i和雷達(dá)天線方向圖G ( β )，得到雷達(dá)天線接收小單元i反射信號的增:EifL Gi = G ( β ); (c)根據(jù)步驟(b)計算得到的到達(dá)小單元i上的雷達(dá)發(fā)射信號的多普勒頻率&和雷達(dá)天線接收小單元i反射信號的增益Gi = G(i3 J，計算雷達(dá)天線接收到經(jīng)過小單元i反射的基帶有用信號為:
其中，Pt為雷達(dá)發(fā)射信號功率，O ^為單位面積上后向散射系數(shù),Ai為小單元i的面積，Ri為雷達(dá)中心到小單元i幾何中心的距離，扔為小單元i反射的有用信號的隨機(jī)相位，在[0，2ji)內(nèi)服從均勻分布； (d)將步驟(c)得到的MN個小單元反射的基帶有用信號累加，得到雷達(dá)接收的基帶回波有用信號
(3)計算雷達(dá)天線接收到的基帶動態(tài)泄漏信號，具體步驟如下: (e)根據(jù)雷達(dá)頻率綜合器中晶振的靜態(tài)相位噪聲數(shù)據(jù)，通過線性插值方法得到晶振輸出信號的靜態(tài)相位噪聲譜； (f)根據(jù)所述晶振的振動功率譜密度H(f)、振動加速度靈敏度I'、振動峰值加速度A，無加速度時晶振頻率fo，計算調(diào)制指數(shù)β = 0-.^fcZf,其中f為振動頻率，在調(diào)制指數(shù)β〈0.1時，晶振輸出信號的動態(tài)相位噪聲譜由下式計算得到:
L(f) = (I I' f0)2H(f)/(2f2) 其中，H(f)頻率覆蓋范圍為O~fmax，當(dāng)f>fmax時，L(f)等于步驟(e)中的晶振輸出信號靜態(tài)相噪譜； (g)計算雷達(dá)發(fā)射信號的動態(tài)相位噪聲譜T(f):
T(f) = L(f)+201og(fc/f0) 其中，f。為雷達(dá)發(fā)射頻率，&為無加速度時晶振頻率，L (f)為步驟(f)得到晶振輸出信號的動態(tài)相位噪聲譜； (h)計算雷達(dá)泄漏信號的動態(tài)功率譜X(f):
x(f) = P (f) /D.T(f), 其中D為雷達(dá)隔離度，P(f)為在不考慮相位噪聲條件下雷達(dá)發(fā)射信號的功率譜，T(f)為步驟(g)計算得到的雷達(dá)發(fā)射信號的動態(tài)相位噪聲譜； (i)將所述步驟(h)得到的雷達(dá)泄漏信號的動態(tài)功率譜X(f)，對應(yīng)的頻率向左平移f。，得到雷達(dá)泄漏信號的基帶動態(tài)功率譜Xc^f)，所述Xc^f)經(jīng)過開方運算得到雷達(dá)基帶泄漏信號的動態(tài)幅度譜，并進(jìn)行逆傅立葉變換，得到基帶動態(tài)泄露信號d(t)； (4)將步驟(2)得到的基帶回波有用信號s(t)與步驟(3)得到的基帶動態(tài)泄露信號d(t)相加，得到雷達(dá)天線接收到的基帶回波信號r(t) = s(t)+d(t)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于連續(xù)波雷達(dá)的回波信號模擬方法，其特征在于:步驟(3)中計算出的雷達(dá)泄漏信號的動態(tài)功率譜X(f)可以采用儀器實測的數(shù)據(jù)代替，具體測試方法如下: (1)在露天測試環(huán)境中，將雷達(dá)系統(tǒng)安裝的在振動臺上，所述露天測試環(huán)境在雷達(dá)天線波束范圍內(nèi)沒有遮擋物，且在雷達(dá)系統(tǒng)工作頻率范圍內(nèi)無其他干擾信號； (2)在雷達(dá)接收天線的輸出信號端連接頻譜分析儀； (3)在雷達(dá)頻率綜合器上安裝接收傳感器，對振動臺施加激勵，確保所述傳感器的振動功率譜與雷達(dá)頻率綜合器的晶振的振動功率譜密度H(f) —致； (4)在所述振動條件下，雷達(dá)系統(tǒng)正常工作，頻譜分析儀捕獲雷達(dá)接收天線接收到信號的功率譜，所述功率譜為雷達(dá)泄露信號的動態(tài)功率譜X(f)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于連續(xù)波雷達(dá)的回波信號模擬方法，其特征在于:步驟(I)中雷達(dá)天線波束寬度Φ通過如下方法確定:雷達(dá)天線波束增益最大值對應(yīng)的角度為Φ。，雷達(dá)天線波束增益在角度Φ。兩側(cè)第二次下降為零，對應(yīng)的角度分別為Φρ Φ2，Φ Φ 2)雷達(dá)天線波束覽度φ = Φ 2_ Φ I O
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于連續(xù)波雷達(dá)的回波信號模擬方法，其特征在于:步驟(I)中單位面積上后向散射系數(shù)Otl，利用基爾霍夫近似法從介電常數(shù)計算得到。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于連續(xù)波雷達(dá)的回波信號模擬方法，其特征在于:步驟(3)用平行線劃分雷達(dá)天線在地面目標(biāo)附近形成的照射區(qū)域范圍時，平行線的間距dl、d2不小于雷達(dá)發(fā)射信號波長入。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于連續(xù)波雷達(dá)的回波信號模擬方法，其特征在于:步驟(2)計算經(jīng)過小單元i，反射的基帶有用信號時，根據(jù)雷達(dá)天線在地面目標(biāo)附近的照射范圍內(nèi)劃分小單元的方法，小單元i近似為邊長分別為dl、d2的矩形，所述矩形的面積Ai =dl*d2,雷達(dá)中心到小單元i幾何中心的距離尺
，其中(x, y, z)為雷達(dá)天線中心幾何坐標(biāo)，(XpypZi)為小單元i的幾何中心坐標(biāo),其中i = I,.2, ..,MN。
【文檔編號】G01S7/40GK104166126SQ201410347627
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月21日
【發(fā)明者】孫嘉, 譚小敏, 黨紅杏, 王科, 張愛軍, 牛文博, 劉瑞冬 申請人:西安空間無線電技術(shù)研究所