本技術(shù)涉及一種雷達仿真（radar?simulation）技術(shù)，尤其涉及一種基于極化損耗（polarization?loss）計算的雷達數(shù)字化仿真方法。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)代雷達系統(tǒng)中，極化是一個關(guān)鍵參數(shù)，對目標的探測能力有著重要影響。極化描述了電磁波的振動方式，電場（電磁波）振動的方向就是電磁波的極化方向。根據(jù)電場矢量末端的運動軌跡可以將極化分為線極化、圓極化和橢圓極化三類。線極化又分為水平極化和垂直極化（兩者正交）。圓極化分為左旋圓極化和右旋圓極化（兩者正交）。

2、假設(shè)電磁波的傳播方向為z，則垂直于z方向的橫向電場e可以分解為x方向的電場分量ex和y方向的電場分量ey，x方向、y方向和z方向構(gòu)成一個三維直角坐標系，即。，。其中，e1和e2分別是x方向和y方向的線極化波幅度；ω表示電磁波的角頻率，描述了電磁波的振蕩頻率；t表示時間；β表示傳播常數(shù)，定義了電磁波在傳播方向（此處為z方向）上的相位變化；z表示電磁波傳播方向上的位置坐標；δ表示ey滯后于ex的相位。

3、當ey和ex的相位差0度或180度時，ex和ey的合成電場e的相位為常數(shù)，幅度隨時間變化，合成電場e的矢量末端軌跡為直線，因此叫線極化。

4、當ey和ex兩者幅度相等，相位相差90度或-90度時，ex和ey的合成電場e的幅度為常數(shù)，相位隨時間變化，合成電場e的矢量末端軌跡為圓形，因此叫圓極化。此時如果ey相位超前ex為右旋圓極化，反之為左旋圓極化。

5、當ey和ex不符合上述兩種情況時，均為橢圓極化。線極化、圓極化都可以認為是橢圓極化的特例，因此可以用橢圓極化囊括全部的極化方式。

6、主極化是指在天線最大輻射方向上輻射電波的極化，其定義為在天線最大輻射方向上電場矢量端點運動的軌跡。由于天線本身物理結(jié)構(gòu)等原因，天線輻射遠場的電場矢量除了有所需要方向的運動外，還在其正交方向上存在分量，這就是天線的交叉極化（crosspolarization）。

7、主極化方向（假設(shè)為x方向）的電場矢量的數(shù)學表征如下：。其中，表示主極化方向上的振幅；ω表示電磁波的角頻率；t表示時間；表示主極化方向的初始相位角；表示主極化方向的單位矢量，用于指明電場分量的方向。

8、交叉極化方向（假設(shè)為y方向）的電場矢量的數(shù)學表征如下：。其中，表示交叉極化方向上的振幅；ω表示電磁波的角頻率；t表示時間；表示交叉極化方向的初始相位角；表示交叉極化方向的單位矢量，用于指明電場分量的方向。

9、發(fā)射機只能發(fā)射（輻射）電磁波，接收機只能接收電磁波。雷達是收發(fā)一體的，既能發(fā)射電磁波，也能接收電磁波。雷達用于采用無線電的方法發(fā)現(xiàn)目標并測定它們的空間位置，目標是指能夠發(fā)射電磁波的平臺。典型場景是：對方的雷達或發(fā)射機部署在目標上，目標是對方的飛機；我方的雷達或接收機部署在運動平臺上，運動平臺是我方的飛機。

10、假設(shè)是對方發(fā)射機部署在對方飛機（目標）上，我方雷達用于偵測對方飛機。由于對方飛機的飛行姿態(tài)是實時變化的，對方發(fā)射機的探測天線發(fā)出的橢圓極化波與我方雷達的接收天線相應(yīng)接收的橢圓極化波之間不可能隨時保持一致，對方發(fā)射機的探測天線發(fā)出的橢圓極化波和我方雷達的接收天線接收的橢圓極化波的長軸之間會有一夾角α，且隨著對方飛機的飛行姿態(tài)變化該角度α也在一定范圍內(nèi)變化。

11、當α＝0時，我方雷達的接收天線接收的電磁波的極化方向與我方雷達的接收天線的極化方向一致，稱為極化匹配。此時,我方雷達的接收天線經(jīng)極化變換器（也稱極化轉(zhuǎn)換器）輸出的線極化波的極化方向與接收波導(dǎo)要求的極化方向一致，接收波的能量可全部進入接收系統(tǒng)。其中，極化轉(zhuǎn)換器安裝在接收天線饋源后，用來將橢圓極化波轉(zhuǎn)換為線極化波。接收波導(dǎo)安裝在極化轉(zhuǎn)換器后，用來進行波型變換以便與其后的接收單元（例如接收高頻頭）的接口配接。接收波導(dǎo)要求的極化方向是指接收波導(dǎo)在傳輸電磁波時所能有效接收的特定極化方向。在波導(dǎo)中，只有與波導(dǎo)傳輸方向匹配的極化分量才能有效進入和傳輸，而與之正交的極化分量則會被反射或衰減。

12、當α≠0時，我方雷達的接收天線接收的電磁波的極化方向與我方雷達的接收天線的極化方向不一致，稱為極化不完全匹配或者極化不匹配。此時,我方雷達的接收天線經(jīng)極化變換器輸出的線極化波的極化方向與接收波導(dǎo)要求的極化方向不完全一致。此時，極化變換器輸出的線極化波的正交分量將被反射，接收波能量不能全部進入接收系統(tǒng)，引起了損耗，該損耗稱為極化誤差損耗，簡稱極化損耗。

13、現(xiàn)有的雷達仿真技術(shù)中，極化損耗的計算通?；诶硐霔l件，而忽略了實際復(fù)雜環(huán)境中可能存在的多種極化效應(yīng)。這種簡化的計算方法可能導(dǎo)致雷達仿真結(jié)果與實際情況有較大的偏差，從而影響雷達系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化。

14、在雷達建模中，由于物體的位置、角度、速度都是相對參考坐標系來定義的。因此，明確坐標系的分類和相互轉(zhuǎn)換非常重要，下面詳細介紹了各種參考坐標系及相互轉(zhuǎn)換方式。

15、第一，目標坐標系。雷達的重要作用是觀測目標，通常目標運動（自身剛體運動）特性在目標坐標系中描述。請參閱圖1，目標坐標系的坐標原點o在目標質(zhì)心處，x軸指向正東方向，y軸指向正北方向，z軸指向天的方向，滿足右手坐標系。請同時參閱圖2，目標的三個姿態(tài)角——橫滾（roll）角、方位（yaw）角、俯仰（pitch）角分別表示繞目標坐標系的x軸、y軸、z軸的旋轉(zhuǎn)角度。

16、第二，北天東坐標系，也稱東北天（east?north?up，enu）坐標系。這是一種常見的地面坐標系，以北、天和東分別為x軸、y軸和z軸，如圖3所示。北天東坐標系可手動設(shè)置或隨機選擇某一點為坐標原點，只需保證使用時基于相同坐標原點的北天東坐標系即可。

17、第三，平臺坐標系。如果我方雷達在運動平臺上——例如飛機等，運動平臺的運動特征一般在平臺坐標系中描述。平臺坐標系的姿態(tài)角是在北天東坐標系下定義和描述的，因此平臺坐標系可以理解為坐標原點為運動平臺中心的北天東坐標系。

18、第四，天線坐標系。把天線所在平臺的中心當作天線坐標系的坐標原點，x軸與天線波束指向一致，y軸垂直于波束方向向上（垂直軸比軸），z軸與x、y軸所成平面滿足右手坐標系（水平軸比軸）?！拜S比軸”是一個技術(shù)術(shù)語，通常用于描述某種軸相對于另一種軸的方向性或?qū)Ρ刃??！按怪陛S比軸”和”水平軸比軸”是指在特定的坐標系中，為了保持方向一致性，x軸、y軸、z軸分別與天線波束的特定方向匹配。

19、如果是我方雷達（或我方接收機）的天線，并且我方雷達（或我方接收機）在地面上，則“天線所在平臺的中心”就是我方雷達（或我方接收機）的中心點。

20、如果是我方雷達（或我方接收機）的天線，并且我方雷達（或我方接收機）在運動平臺（例如飛機）上，則“天線所在平臺的中心”就是運動平臺的中心點。

21、如果是對方雷達（或?qū)Ψ桨l(fā)射機）的天線，并且對方雷達（或?qū)Ψ桨l(fā)射機）在目標（例如飛機）上，則“天線所在平臺的中心”就是目標的中心點。

22、右手坐標系的旋轉(zhuǎn)過程有三種，分別是繞x軸旋轉(zhuǎn)、繞y軸旋轉(zhuǎn)、繞z軸旋轉(zhuǎn)。右手坐標系在旋轉(zhuǎn)時，通常規(guī)定以逆時針旋轉(zhuǎn)方向為正方向。根據(jù)以下三種坐標系旋轉(zhuǎn)方式，可以實現(xiàn)不同參考坐標系的轉(zhuǎn)換，從而統(tǒng)一到北天東坐標系下進行計算。

23、三維直角右手坐標系繞x軸逆時針旋轉(zhuǎn)θ角，圍繞x軸旋轉(zhuǎn)角度θ的旋轉(zhuǎn)矩陣為。

24、三維直角右手坐標系繞y軸逆時針旋轉(zhuǎn)θ角，圍繞y軸旋轉(zhuǎn)角度θ的旋轉(zhuǎn)矩陣為。

25、三維直角右手坐標系繞z軸逆時針旋轉(zhuǎn)θ角，圍繞z軸旋轉(zhuǎn)角度θ的旋轉(zhuǎn)矩陣為。

26、如果要從目標坐標系轉(zhuǎn)換到北天東坐標系，假設(shè)目標坐標系下的方位角、俯仰角和橫滾角分別為alpha、beta和gamma，則可定義旋轉(zhuǎn)矩陣g1。。其中，rx(-gamma)表示圍繞x軸旋轉(zhuǎn)-gamma角度的旋轉(zhuǎn)矩陣，ry(alpha)表示圍繞y軸旋轉(zhuǎn)alpha角度的旋轉(zhuǎn)矩陣，rz(-beta)表示圍繞z軸旋轉(zhuǎn)-beta角度的旋轉(zhuǎn)矩陣。通過旋轉(zhuǎn)矩陣g1可以將目標坐標系轉(zhuǎn)換為北天東坐標系。將北天東坐標系轉(zhuǎn)換為目標坐標系的原理相同，為以上過程的逆過程。

27、如果要從天線坐標系轉(zhuǎn)換到北天東坐標系，假設(shè)天線坐標系下的天線波束方位角（在北天東坐標系下就是天線波束在水平面即xoy平面的投影與x軸的夾角）為zeta，天線波束俯仰角（在北天東坐標系下就是天線波束與xoz平面的夾角，即天線波束在垂直方向上的傾角）為eta，則可定義旋轉(zhuǎn)矩陣g2。。其中，ry(zeta)表示圍繞y軸旋轉(zhuǎn)zeta角度的旋轉(zhuǎn)矩陣，rz(-eta)表示圍繞z軸旋轉(zhuǎn)-eta角度的旋轉(zhuǎn)矩陣。通過旋轉(zhuǎn)矩陣g2可以將天線坐標系轉(zhuǎn)換到北天東坐標系。將北天東坐標系轉(zhuǎn)換為天線坐標系的原理相同，為以上過程的逆過程。

28、可以發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)矩陣g2中并未包含天線坐標系下的天線波束橫滾角，這是因為通過方位角和俯仰角，天線波束的方向可以完整地描述在北天東坐標系中。也就是說，方位角和俯仰角已經(jīng)足夠?qū)⑻炀€波束從天線坐標系轉(zhuǎn)換到北天東坐標系。橫滾角通常描述的是繞x軸的旋轉(zhuǎn)，它會改變天線的橫向傾斜（左右傾斜），但并不會影響天線波束在水平面和垂直面中的指向。因此，繞x軸的旋轉(zhuǎn)不會改變天線波束在北天東坐標系中的方向。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本技術(shù)所要解決的技術(shù)問題是：如何更準確地計算極化損耗，從而提高雷達數(shù)字化仿真的精度。

2、為解決上述技術(shù)問題，本技術(shù)提出了一種基于動態(tài)極化損耗計算的雷達仿真方法，包括如下步驟。步驟s1：根據(jù)對方天線所發(fā)射的電磁波的主極化幅度值am、主極化相位值pm、交叉極化幅度值ac、交叉極化相位值pc計算出在對方天線的天線坐標系下描述的、僅考慮對方天線的極化特性的、對方天線所發(fā)射的電磁波的第一電場矢量。步驟s2：根據(jù)我方天線所發(fā)射的電磁波的主極化幅度值aam、主極化相位值ppm、交叉極化幅度值aac、交叉極化相位值ppc計算出在我方天線的天線坐標系下描述的、僅考慮我方天線的極化特性的、我方天線所發(fā)射的電磁波的第二電場矢量。所述步驟s1、步驟s2的順序或者任意在前，或者同時進行。步驟s3：將第一電場矢量進行坐標變換，從對方天線的天線坐標系轉(zhuǎn)換至北天東坐標系，得到在北天東坐標系下描述的、僅考慮對方天線的極化特性的、對方天線所發(fā)射的電磁波的第三電場矢量。還將第二電場矢量進行坐標變換，從我方天線的天線坐標系轉(zhuǎn)換至北天東坐標系，得到在北天東坐標系下描述的、僅考慮我方天線的極化特性的、我方天線所發(fā)射的電磁波的第四電場矢量。步驟s4：對第三電場矢量和第四電場矢量進行點積計算，得到在北天東坐標系下描述的、考慮了對方天線的極化特性和我方天線的極化特性相互影響的、我方天線所接收的電磁波的第五電場矢量；還得到動態(tài)極化損耗。

3、進一步地，所述步驟s1中，所述對方天線的天線坐標系是以對方天線所在平臺的中心作為坐標原點，x軸與天線波束指向一致，y軸垂直于波束方向向上，z軸與x、y軸所成平面滿足右手坐標系。所述步驟s2中，所述我方天線的天線坐標系是以我方天線所在平臺的中心作為坐標原點，x軸與天線波束指向一致，y軸垂直于波束方向向上，z軸與x、y軸所成平面滿足右手坐標系。

4、進一步地，所述步驟s1中，首先根據(jù)對方天線所發(fā)射的電磁波的主極化幅度值am和主極化相位值pm得到對方天線所發(fā)射的電磁波的主極化方向電場矢量；；其中，ω表示電磁波的角頻率；t表示時間；表示對方天線所發(fā)射的電磁波的主極化方向的單位矢量。還根據(jù)對方天線所發(fā)射的電磁波的交叉極化幅度值ac和交叉極化相位值pc得到對方天線所發(fā)射的電磁波的交叉極化方向電場矢量；；其中，ω表示電磁波的角頻率；t表示時間；表示對方天線所發(fā)射的電磁波的交叉極化方向的單位矢量。再將和進行向量求和，得到對方天線所發(fā)射的電磁波的第一電場矢量；。

5、進一步地，所述步驟s2中，首先根據(jù)我方天線所發(fā)射的電磁波的主極化幅度值aam和主極化相位值ppm得到我方天線所發(fā)射的電磁波的主極化方向電場矢量；；其中，ω表示電磁波的角頻率；t表示時間；表示我方天線所發(fā)射的電磁波的主極化方向的單位矢量。還根據(jù)我方天線所發(fā)射的電磁波的交叉極化幅度值aac和交叉極化相位值ppc得到我方天線所發(fā)射的電磁波的交叉極化方向電場矢量；；其中，ω表示電磁波的角頻率；t表示時間；表示我方天線所發(fā)射的電磁波的交叉極化方向的單位矢量。再將和進行向量求和，得到我方天線所發(fā)射的電磁波的第二電場矢量；。

6、進一步地，所述步驟s3中，所述北天東坐標系是以北、天和東分別為x軸、y軸和z軸。

7、進一步地，所述步驟s3中，要從天線坐標系轉(zhuǎn)換到北天東坐標系，假設(shè)天線坐標系下的天線波束方位角為zeta，天線波束俯仰角為eta，則定義旋轉(zhuǎn)矩陣g2；；其中，表示圍繞y軸旋轉(zhuǎn)zeta角度的旋轉(zhuǎn)矩陣，表示圍繞z軸旋轉(zhuǎn)-eta角度的旋轉(zhuǎn)矩陣；通過旋轉(zhuǎn)矩陣g2將天線坐標系轉(zhuǎn)換到北天東坐標系。三維直角右手坐標系繞y軸逆時針旋轉(zhuǎn)θ角的旋轉(zhuǎn)矩陣為。三維直角右手坐標系繞z軸逆時針旋轉(zhuǎn)θ角的旋轉(zhuǎn)矩陣為。

8、進一步地，所述步驟s4中，首先將第四電場矢量分解為主極化方向電場分量和交叉極化方向電場分量，隨后計算和，其中表示點積計算，分別得到的主極化方向上的幅度和主極化方向的初始相位角、的交叉極化方向上的幅度和交叉極化方向的初始相位角。。。。。其中，表示點積計算；abs()函數(shù)用于計算復(fù)數(shù)的模值，即復(fù)數(shù)的絕對值；angle()函數(shù)用于計算復(fù)數(shù)的相位角，取值范圍為[-π,π]。隨后計算得到在北天東坐標系下描述的、考慮了對方天線的極化特性和我方天線的極化特性相互影響的、我方天線所接收的電磁波的主極化方向的電場矢量；；其中，表示在北天東坐標系下描述的、考慮了對方天線的極化特性和我方天線的極化特性相互影響的、我方天線所接收的電磁波的主極化方向的單位矢量。還計算得到在北天東坐標系下描述的、考慮了對方天線的極化特性和我方天線的極化特性相互影響的、我方天線所接收的電磁波的交叉極化方向的電場矢量；；其中，表示在北天東坐標系下描述的、考慮了對方天線的極化特性和我方天線的極化特性相互影響的、我方天線所接收的電磁波的交叉極化方向的單位矢量。再將和進行矢量求和，得到在北天東坐標系下描述的、考慮了對方天線的極化特性和我方天線的極化特性相互影響的、我方天線所接收的電磁波的第五電場矢量；。

9、進一步地，所述步驟s4中，動態(tài)極化損耗，單位是瓦特；其中，abs()函數(shù)用于計算復(fù)數(shù)的模值，即復(fù)數(shù)的絕對值；或者，動態(tài)極化損耗，單位是db；計算出的動態(tài)極化損耗也是在北天東坐標系下描述的、考慮了對方天線的極化特性和我方天線的極化特性的相互影響。

10、進一步地，所述步驟s4計算出的動態(tài)極化損耗參與雷達仿真的后續(xù)計算；我方雷達的接收功率＝我方雷達的發(fā)射功率＋對方雷達的發(fā)射天線增益＋我方雷達的接收天線增益－動態(tài)極化損耗－自由空間路徑損耗－天氣干擾的損耗。

11、本技術(shù)還提出了一種基于動態(tài)極化損耗計算的雷達仿真裝置，包括對方天線極化特性描述單元、我方天線極化特性描述單元、坐標轉(zhuǎn)換單元、雙方天線極化特性相互影響描述單元。所述對方天線極化特性描述單元用于根據(jù)已知的對方天線所發(fā)射的電磁波的主極化幅度值am、主極化相位值pm、交叉極化幅度值ac、交叉極化相位值pc計算出在對方天線的天線坐標系下描述的、僅考慮對方天線的極化特性的、對方天線所發(fā)射的電磁波的第一電場矢量。所述我方天線極化特性描述單元用于根據(jù)已知的我方天線所發(fā)射的電磁波的主極化幅度值aam、主極化相位值ppm、交叉極化幅度值aac、交叉極化相位值ppc計算出在我方天線的天線坐標系下描述的、僅考慮我方天線的極化特性的、我方天線所發(fā)射的電磁波的第二電場矢量。所述坐標轉(zhuǎn)換單元用于將第一電場矢量進行坐標變換，從對方天線的天線坐標系轉(zhuǎn)換至北天東坐標系，得到在北天東坐標系下描述的、僅考慮對方天線的極化特性的、對方天線所發(fā)射的電磁波的第三電場矢量；還用于將第二電場矢量進行坐標變換，從我方天線的天線坐標系轉(zhuǎn)換至北天東坐標系，得到在北天東坐標系下描述的、僅考慮我方天線的極化特性的、我方天線所發(fā)射的電磁波的第四電場矢量。所述雙方天線極化特性相互影響描述單元用于對第三電場矢量和第四電場矢量進行點積計算，得到在北天東坐標系下描述的、考慮了對方天線的極化特性和我方天線的極化特性相互影響的、我方天線所接收的電磁波的第五電場矢量；還得到動態(tài)極化損耗。

12、本技術(shù)取得的技術(shù)效果是：充分考慮到我方天線和對方天線可能處于運動狀態(tài)的實際環(huán)境，計算出更精確的動態(tài)極化損耗，應(yīng)用于雷達數(shù)字化仿真平臺能提高雷達仿真精度。