一種掃描狀態(tài)下船舶導航雷達二維回波序列像仿真方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于民用船舶導航技術領域，涉及一種掃描狀態(tài)下船舶導航雷達二維回波 序列像仿真方法。
【背景技術】
[0002] 船舶導航雷達，通常安裝在船舶及港口船舶交通管理系統(tǒng)（VTS)中，可以用于航 行避讓、船舶定位、狹水道引航等，在能見度低時能夠為航海人員提供良好的觀察手段。目 前大多數(shù)船舶都安裝先進的通信、導航、助航設備，但事故仍層出不窮。分析表明，大多數(shù)事 故是由航海人員的人為因素和設備局限性導致的。因此，如何培養(yǎng)出優(yōu)秀的航海人才成為 航運界普遍關注的問題。傳統(tǒng)的方法是通過大量的外場出海訓練讓航海人員實踐掌握航行 技能，但是這種途徑周期長、費用高、風險大。
[0003] 隨著計算機仿真技術的發(fā)展，船舶導航雷達模擬器受到人們的重視，其具有靈活、 通用、高效和低成本等特點，能夠顯著提高航海人員的雷達導航能力，有效減少航海事故的 發(fā)生，成為航海雷達研究的一個新的熱點。
[0004] 船舶導航雷達信號模擬器是船舶導航雷達模擬器的核心組成部分。以往的船舶 導航雷達信號模擬器通常是通過理論分析得到雷達回波信號的數(shù)學模型，進而模擬雷達 回波，經(jīng)由這種仿真方法得到的雷達回波并不能表示出目標的散射、結構、方位以及距離特 性，所提供的雷達回波與真實回波存在較大差異，對航海人員的訓練產(chǎn)生較大的影響。針 對這一問題，需要研究能夠提供真實反映目標特性以及雜波模型的船舶導航雷達信號模擬 器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明能夠仿真出適用于船舶航行水域環(huán)境和船舶導航雷達實際工作環(huán)境下的 雷達系統(tǒng)A型顯示器、B型顯示器，生成不同船舶導航雷達、不同船舶結構、不同運動狀態(tài)、 不同距離以及不同方位角條件下所對應的雷達回波信號，為航海人員的教學和培訓提供豐 富、真實、可靠的雷達屏幕顯示終端數(shù)據(jù)。
[0006] 雷達目標A型顯示器反映目標的物理結構、材料特性，是確定目標身份和屬性的 重要依據(jù)之一，所得回波A型顯示器準確反映目標的精細物理結構等特性。雷達目標A型顯 示器是將雷達波束掃描過程中接收到的回波序列依方位順序排列起來，然后投影到方位、 距離平面而形成的二維圖像，B型顯示器反映目標的大致輪廓。
[0007] 為了實現(xiàn)船舶導航雷達系統(tǒng)的仿真方法，本發(fā)明的技術方案包括以下步驟：
[0008] 第一步：利用電磁計算軟件，獲得艦船各姿態(tài)下散射截面積（RCS)，建立目標一維 距離像。
[0009] I. 1.采用計算機輔助設計技術，建立船舶目標的三維CAD模型。
[0010] 1. 2.使用高頻電磁計算軟件，在每個姿態(tài)角下使用寬帶信號對建立的船舶目標三 維CAD模型進行照射獲得目標散射截面積RCS。
[0011] I. 3.對目標散射截面積RCS進行傅里葉反變換得到全姿態(tài)角下的目標一維距離 像。
[0012] 第二步：根據(jù)ISAR成像原理，利用第一步獲得的全姿態(tài)角下的目標一維距離像， 在小角區(qū)內(nèi)借鑒距離多普勒成像方法，重構目標各小角區(qū)內(nèi)的二維散射中心模型。
[0013] 第三步：根據(jù)發(fā)射電磁波的形式與二維散射中心模型進行卷積得到原始目標射頻 回波，原始目標射頻回波經(jīng)過混頻及低通濾波器處理后得到最終的目標回波序列S (n，t)。
[0014] 3. 1雷達目標回波序列可以認為是發(fā)射信號與二維散射中心模型的卷積過程，根 據(jù)目標散射的特點，第η個雷達發(fā)射脈沖相對于發(fā)射功率和距離的原始目標回波y (n，t)由 公式⑴求得：
[0016] 其中，2DdP2Ln表示目標在坐標系中的橫向尺寸與縱向尺寸，σ (x，y)表示目標在 坐標（x，y)處的散射強度，％為目標幾何中心到雷達的雙程延遲，τ y為坐標（x，y)到目標 幾何中心的雙程延遲；
函數(shù)為矩形窗函數(shù)，可以表示為
在小角區(qū)內(nèi)天線方向圖G( Θ )近似為常數(shù)時（1)式可寫為：
[0018] 其中，i = 1，2, . . .，K，K為角區(qū)個數(shù)。Θ i為第i角區(qū)偏離波束中心指向的角 度
辦表示該方位角下目標散射函數(shù)在縱向上的投影，即目標的一維距離像，
是二維散射中心模型。
[0019] 3. 2原始目標回波經(jīng)過混頻及低通濾波器處理后得到最終的目標回波序列 s (n, t)：
[0021] 第四步：對目標回波序列s(n，t)進行有效性校驗，保證建立的船舶導航雷達目標 回波序列的有效性。
[0022] 4. 1.記Y為仿真回波序列s(n，t)，首先得到目標回波序列Y的m個仿真特征樣本， Yi= {y i(l)，y"2)，…，yi(n)}T，i = 1，2, · · ·，m〇
[0023] 4.2.由均倡
和協(xié)方差
計算得到實測回波 特征樣本X與仿真特征樣本均值f之間的平均馬氏距離
[0024] 4. 3.然后得到目標回波序列Y的另一種特征的nf個仿真特征樣本
[0025] 4. 4.由下式計算仿真特征樣本)f與仿真特征樣本均值歹之間的平均馬氏距離
[0027] 4. 5.設(1?
中滿足下式的,Γ)的個數(shù)：
[0029] 4. 6.對于給定的顯著性水平P，由公式P $= cT/m%十算P %若P S P，則可以 斷定實測回波特征樣本X與仿真特征樣本均值r存在顯著性差異，仿真回波不可以用來補 充真實回波。
[0030] 第五步：將檢驗合格后得到的回波序列按照方位順序排列起來，進行波前對齊處 理，投影到方位-距離坐標平面得到二維回波序列像。
[0031] 當天線波束掃過目標時，按天線掃描方向順序出現(xiàn)三種情況：1)天線波束進入目 標但沒有完全覆蓋目標，此時回波幅度處于上升段；2)天線波束完全覆蓋目標，此時回波 幅度處于平穩(wěn)段；3)天線波束前沿退出目標，而后延尚未退出，天線波束沒有完全覆蓋目 標，此時回波幅度處于下降段。將掃描狀態(tài)得到的回波序列按照方位順序排列起來并進行 波前對齊處理，投影到方位-距離坐標平面得到目標二維序列輪廓像。
[0032] 本發(fā)明提供了與真實掃描狀態(tài)下雷達回波信號在多種特征空間上相似度高的導 航雷達船舶目標回波，并根據(jù)得到的回波序列投影到方位-距離平面，獲得目標二維回波 序列像，能夠為導航雷達和航海人員的教學和培訓提供雷達回波信號源。
【附圖說明】
[0033] 圖1是本發(fā)明的掃描狀態(tài)下船舶導航雷達二維回波序列像仿真系統(tǒng)框圖。
[0034] 圖2是目標二維多散射中心模型示意圖。
[0035] 圖3-1是掃描狀態(tài)時波束與目標關系示意圖。
[0036] 圖3-2是掃描狀態(tài)時所得回波序列示意圖。
[0037] 圖4-1是掃描狀態(tài)回波序列按方位排列示意圖。
[0038] 圖4-2是掃描狀態(tài)下目標二維序列輪廓像。
【具體實施方式】
[0039] 為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案及其優(yōu)點更加清楚，下面結合本發(fā)明實施例 中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚完整的描述，整體算法流程圖如圖1所 示：
[0040] 第一步：利用電磁計算軟件，獲得艦船各姿態(tài)下散射截面積RCS，從而建立船舶目 標的一維距離像；
[0041] I. 1.采用計算機輔助設計技術，建立船舶目標的三維CAD模型。
[0042] 采用計算機輔助設計軟件如SolidWorks的系列設計軟件建立船舶3D模型庫，船 舶目標詳細資料可以通過雜志、網(wǎng)絡資源以及現(xiàn)場實拍照片獲取，船舶的尺寸需滿足高頻 電磁計算的縮比模型的關系。
[0043] 1. 2.使用高頻電磁計算軟件，在每個姿態(tài)角下使用寬帶信號對建立的船舶目標三 維CAD模型進行照射獲得目標散射截面積RCS。
[0044] 采用專業(yè)電磁計算軟件FEKO進行RCS預估，以下步驟為使用FEKO進行RCS預估 的操作步驟：
[0045] (I) SolidWorks導出的3D船舶模型保存為· step格式導入到FEKO里進行計算；
[0046] (2)設定電磁波的入射參數(shù)和角度；
[0047] (3)進行電磁波的頻