基于数字高程和数字地表覆盖的机载雷达杂波仿真方法技术

本发明专利技术公开了基于数字高程和数字地表覆盖的机载雷达杂波仿真方法，涉及雷达技术领域，其步骤为：步骤1，构建雷达和载机在大地坐标系下的系统参数，以及雷达阵元组成的雷达天线阵面和雷达速度在东北天坐标系下的系统参数；步骤2，求取雷达与杂波单元Ck之间的视线矢量并计算雷达与杂波单元Ck之间的距离Rk；步骤3，得到杂波单元Ck与雷达之间的入射余角杂波单元Ck的雷达截面积Sk；杂波单元Ck单位面积的后向散射系数杂波单元Ck的回波功率；步骤4，根据每一俯仰角判断杂波单元Ck是否被遮挡，得到遮挡标志δk；步骤5，构建杂波单元Ck的回波信号；将雷达照射范围内K个杂波单元的回波信号进行累积，得到杂波信号。本发明专利技术能够获取逼真的杂波仿真数据。

【技术实现步骤摘要】
基于数字高程和数字地表覆盖的机载雷达杂波仿真方法
本专利技术属于雷达
，具体的说是一种基于数字高程模型和数字地表覆盖模型的机载雷达杂波仿真方法，适用于机载相控阵雷达进行真实场景的杂波仿真。技术背景雷达是现代战争中不可缺少的装备，对于采用下视工作方式的机载预警雷达来说，地海面杂波对目标检测的影响十分突出，对杂波的抑制能力就成了检验雷达性能的重要指标。为了能够提供有效的杂波抑制方法，提升雷达在杂波中检测微弱信号的能力，必须对雷达工作环境的杂波特性有充分完备的认识。实测的杂波数据不可能在短时间内得到，而且花费极高。但是随着计算机技术的提高，利用计算机进行仿真杂波的方法来研究机载雷达的杂波特性，为雷达系统的设计和信号处理方法提供仿真数据，就显得极为重要了。J.Ward提出了传统的杂波仿真方法，在极坐标系中将杂波按等距离环和方位角来划分成多个杂波单元，在某一方位角，随着距离的增大，外层的杂波单元面积增大，擦地角也随着距离的增大而减小。该传统仿真方法中假设每个杂波单元所对应的地表类型一致，即杂波服从独立同分布，然而在实际的环境中，尤其当面积逐渐增大之后，该杂波单元所对应的地表类型将可能不止一种，这就背离了杂波单元独立同分布的假设，对于描述远距离杂波单元的回波特性产生了比较大的误差。同时，传统仿真方法也假设地形没有起伏，在一定程度上反应不出真实场景(如高山、丘陵等)中地面起伏和擦地角变化，因此这就极大的限制了获取真实场景仿真的数据。范国忠等人使用的数字高程模型进行杂波仿真的方法，能有效的描述真实场景中地面的起伏以及擦地角的变化，但是在描述地面起伏的遮挡判断算法计算量大，对于大范围的杂波仿真比较有限。王爱国等人仅仅利用了数字高程模型描述真实的地面起伏状态，对于真实的地貌特征，如城市、河流、沙漠等没有具体建模分析与仿真。
技术实现思路
针对目前基于独立同分布假设的杂波仿真所存在的缺陷，本专利技术提出一种基于数字高程模型和数字地表覆盖模型的机载相控阵雷达杂波仿真方法，结合数字高程模型和数字地表覆盖模型，改进了原有特定场景杂波仿真中遮挡判断计算量大的缺点并且加入了数字地表覆盖模型，对地表类型进行归并分类与建模，极大程度的还原了真实场景的各项特性，从而获得逼真的杂波仿真数据。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现。一种基于数字高程和数字地表覆盖的机载雷达杂波仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，构建雷达在大地坐标系下的系统参数，以及雷达阵元组成的雷达天线阵面和雷达速度在东北天坐标系下的系统参数；步骤2，将雷达天线阵面所处的东北天坐标系变换到地心坐标系，得到地心坐标系下的雷达阵元间隔矢量和地心坐标系下的雷达速度矢量将雷达所处的大地坐标系转换到地心坐标系，定义数字高程模型在大地坐标系下的杂波单元Ck，求取雷达与杂波单元Ck之间的视线矢量并计算雷达与杂波单元Ck之间的距离Rk；步骤3，在大地坐标系下构建杂波单元相对于雷达的四边形入射平面，得到四边形的四个顶点坐标，左上顶点与右下顶点形成一条对角线矢量，右上顶点与左下顶点形成另一条对角线矢量，利用两条对角线矢量计算入射平面的法向矢量再计算雷达视线矢量利用入射平面的法向矢量和雷达视线矢量计算杂波单元Ck与雷达之间的入射余角根据入射平面的两条对角线矢量计算杂波单元Ck的雷达截面积Sk；利用数字地表覆盖模型计算杂波单元Ck单位面积的后向散射系数利用杂波单元后向散射系数杂波单元雷达截面积Sk，杂波单元Ck与雷达之间的距离Rk，计算杂波单元Ck的回波功率；步骤4，求取雷达与杂波单元Ck之间离散化点集；求取离散化点集中每一离散点相对于雷达的俯仰角；根据每一俯仰角判断杂波单元Ck是否被遮挡，得到遮挡标志δk；步骤5，利用雷达与杂波单元Ck之间的视线矢量和雷达阵元间隔矢量构建回波空域信号导向矢量和回波时域信号导向矢量；利用回波空域信号导向矢量、回波时域信号导向矢量、回波功率、遮挡标志构建杂波单元Ck的回波信号；将雷达照射范围内K个杂波单元的回波信号进行累积，得到杂波信号。上述技术方案的特点和进一步改进在于：(1)步骤1中所构建的系统参数包括：所述雷达为相控阵雷达；雷达与载机一体所处位置在大地坐标系下的坐标为P(l0,b0,h0)，雷达天线阵面在东北天坐标系下以速度矢量飞行，雷达位于载机上，雷达为正侧视安装方式，雷达天线阵面为矩形平面，水平向Na个阵元，俯仰向Ne个阵元，阵元间间隔矢量为天线主播束方位向与相控阵雷达天线的矩形阵面的法向垂直，俯仰向指向水平视线的无穷远处；其中E、N、V为东北天坐标轴，E轴指向正东，N轴指向正北，V与E、N构成右手坐标系，vE为雷达在E轴下的速度分量，vN为雷达在N轴下的速度分量，vV为雷达V轴下的速度分量；L、B、H为大地坐标轴，L轴为经度轴，B为纬度轴，H为高度轴，l0为载机经度，b0为载机纬度，h0为载机飞行高度。(2)步骤2具体包括：将雷达天线阵面所处的东北天坐标系变换到地心坐标系，将雷达所处的大地坐标系变换到地心坐标系，转换公式如下所示：其中X、Y、Z为地心坐标系，原点在地球中心，X轴指向本初子午线与赤道的交点，Z轴与地球的自转轴重合，指向北极，Y轴位于赤道平面与X轴垂直，形成一个右手坐标系；L代表大地坐标系的经度轴，B代表大地坐标系的纬度轴；地心坐标系下，雷达阵元间隔矢量为：其中，分别代表地心坐标轴的3个单位矢量，dx、dy、dz分别代表阵元间隔在地心坐标轴上的3个分量；地心坐标系下，雷达的速度矢量为：其中，vx、vy、vz分别代表速度在地心坐标轴上的3个分量；大地坐标系下，数字高程模型中的每一条经度轴L和每一条纬度轴B相交形成矩形网格点，每一个网格点则对应一个高度，从数字高程模型中通过定位经纬度直接读取该经纬度所对应的高度，而每一个网格点就是一个杂波单元，设定杂波单元Ck在大地坐标系下坐标(lk,bk,hk),k＝1,2,...,K，K为雷达照射范围内所有杂波单元的个数；由大地坐标系转换到地心坐标系的转换公式如式(4)所示：X＝(N+H)cosBcosLY＝(N+H)cosBsinL(4)Z＝[N(1-e2)+H)]sinB将雷达的大地坐标P(l0,b0,h0)代入公式(4)计算雷达在地心坐标系下的坐标为(x0,y0,z0)，将数字高程模型中的杂波单元Ck的大地坐标(lk,bk,hk)代入公式(4)计算得到杂波单元在地心坐标系下的坐标为(xk,yk,zk)；雷达与杂波单元Ck之间的视线矢量为：...

【技术保护点】
一种基于数字高程和数字地表覆盖的机载雷达杂波仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，构建雷达在大地坐标系下的系统参数，以及雷达阵元组成的雷达天线阵面和雷达速度在东北天坐标系下的系统参数；步骤2，将雷达天线阵面所处的东北天坐标系变换到地心坐标系，得到地心坐标系下的雷达阵元间隔矢量和地心坐标系下的雷达速度矢量将雷达所处的大地坐标系转换到地心坐标系，定义数字高程模型在大地坐标系下的杂波单元Ck，求取雷达与杂波单元Ck之间的视线矢量并计算雷达与杂波单元Ck之间的距离Rk；步骤3，在大地坐标系下构建杂波单元相对于雷达的四边形入射平面，得到四边形的四个顶点坐标，左上顶点与右下顶点形成一条对角线矢量，右上顶点与左下顶点形成另一条对角线矢量，利用两条对角线矢量计算入射平面的法向矢量再计算雷达视线矢量利用入射平面的法向矢量和雷达视线矢量计算杂波单元Ck与雷达之间的入射余角根据入射平面的两条对角线矢量计算杂波单元Ck的雷达截面积Sk；利用数字地表覆盖模型计算杂波单元Ck单位面积的后向散射系数利用杂波单元后向散射系数杂波单元雷达截面积Sk，杂波单元Ck与雷达之间的距离Rk，计算杂波单元Ck的回波功率；步骤4，求取雷达与杂波单元Ck之间离散化点集；求取离散化点集中每一离散点相对于雷达的俯仰角；根据每一俯仰角判断杂波单元Ck是否被遮挡，得到遮挡标志δk；步骤5，利用雷达与杂波单元Ck之间的视线矢量和雷达阵元间隔矢量构建回波空域信号导向矢量和回波时域信号导向矢量；利用回波空域信号导向矢量、回波时域信号导向矢量、回波功率、遮挡标志构建杂波单元Ck的回波信号；将雷达照射范围内K个杂波单元的回波信号进行累积，得到杂波信号。...

【技术特征摘要】
1.一种基于数字高程和数字地表覆盖的机载雷达杂波仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，构建雷达在大地坐标系下的系统参数，以及雷达阵元组成的雷达天线阵面和雷达速度在东北天坐标系下的系统参数；步骤2，将雷达天线阵面所处的东北天坐标系变换到地心坐标系，得到地心坐标系下的雷达阵元间隔矢量和地心坐标系下的雷达速度矢量将雷达所处的大地坐标系转换到地心坐标系，定义数字高程模型在大地坐标系下的杂波单元Ck，求取雷达与杂波单元Ck之间的视线矢量并计算雷达与杂波单元Ck之间的距离Rk；步骤3，在大地坐标系下构建杂波单元相对于雷达的四边形入射平面，得到四边形的四个顶点坐标，左上顶点与右下顶点形成一条对角线矢量，右上顶点与左下顶点形成另一条对角线矢量，利用两条对角线矢量计算入射平面的法向矢量再计算雷达视线矢量利用入射平面的法向矢量和雷达视线矢量计算杂波单元Ck与雷达之间的入射余角根据入射平面的两条对角线矢量计算杂波单元Ck的雷达截面积Sk；利用数字地表覆盖模型计算杂波单元Ck单位面积的后向散射系数利用杂波单元后向散射系数杂波单元雷达截面积Sk，杂波单元Ck与雷达之间的距离Rk，计算杂波单元Ck的回波功率；步骤4，求取雷达与杂波单元Ck之间离散化点集；求取离散化点集中每一离散点相对于雷达的俯仰角；根据每一俯仰角判断杂波单元Ck是否被遮挡，得到遮挡标志δk；步骤5，利用雷达与杂波单元Ck之间的视线矢量和雷达阵元间隔矢量构建回波空域信号导向矢量和回波时域信号导向矢量；利用回波空域信号导向矢量、回波时域信号导向矢量、回波功率、遮挡标志构建杂波单元Ck的回波信号；将雷达照射范围内K个杂波单元的回波信号进行累积，得到杂波信号。2.根据权利要求1所述的一种基于数字高程和数字地表覆盖的机载雷达杂波仿真方法，其特征在于，步骤1中所构建的系统参数包括：所述雷达为相控阵雷达；雷达与载机一体所处位置在大地坐标系下的坐标为P(l0，b0，h0)，雷达天线阵面在东北天坐标系下以速度矢量飞行，雷达位于载机上，雷达为正侧视安装方式，雷达天线阵面为矩形平面，水平向Na个阵元，俯仰向Ne个阵元，阵元间隔矢量为天线主波束方位向与相控阵雷达天线的矩形阵面的法向垂直，俯仰向指向水平视线的无穷远处；其中E、N、V为东北天坐标轴，E轴指向正东，N轴指向正北，V与E、N构成右手坐标系，vE为雷达在E轴下的速度分量，vN为雷达在N轴下的速度分量，vV为雷达V轴下的速度分量；L、B、H为大地坐标轴，L轴为经度轴，B为纬度轴，H为高度轴，l0为载机经度，b0为载机纬度，h0为载机飞行高度。3.根据权利要求1所述的一种基于数字高程和数字地表覆盖的机载雷达杂波仿真方法，其特征在于，步骤2具体包括：将雷达天线阵面所处的东北天坐标系变换到地心坐标系，转换公式如下所示：其中X、Y、Z为地心坐标系，原点在地球中心，X轴指向本初子午线与赤道的交点，Z轴与地球的自转轴重合，指向北极，Y轴位于赤道平面与X轴垂直，形成一个右手坐标系；L代表大地坐标系的经度轴，B代表大地坐标系的纬度轴；地心坐标系下，雷达阵元间隔矢量为：其中，分别代表地心坐标轴的3个单位矢量，dx、dy、dz分别代表阵元间隔在地心坐标轴上的3个分量；地心坐标系下，雷达的速度矢量为：其中，vx、vy、vz分别代表速度在地心坐标轴上的3个分量；大地坐标系下，数字高程模型中的每一条经度轴L和每一条纬度轴B相交形成矩形网格点，每一个网格点则对应一个高度，从数字高程模型中通过定位经纬度直接读取该经纬度所对应的高度，而每一个网格点就是一个杂波单元，设定杂波单元Ck在大地坐标系下坐标(lk，bk，hk)，k＝1，2，...，K，K为雷达照射范围内所有杂波单元的个数；将雷达所处的大地坐标系变换到地心坐标系，由大地坐标系转换到地心坐标系的转换公式如式(4)所示：将雷达的大地坐标P(l0，b0，h0)代入公式(4)计算雷达在地心坐标系下的坐标为(x0，y0，z0)，将数字高程模型中的杂波单元Ck的大地坐标(lk，bk，hk)代入公式(4)计算得到杂波单元在地心坐标系下的坐标为(xk，yk，zk)；雷达与杂波单元Ck之间的视线矢量为：计算杂波单元Ck与雷达之间的距离Rk：4.根据权利要求3所述的一种基于数字高程和数字地表覆盖的机载雷达杂波仿真方法，其特征在于，步骤3包括以下子步骤：3a)在大地坐标系下，杂波单元Ck作为四边形入射平面的左上顶点与杂波单元Ck右相邻的杂波单元作为入射平面的右上顶点与杂波单元Ck下相邻的杂波单元作为入射平面的左下顶点与...

【专利技术属性】
技术研发人员：王彤，陈华彬，吴建新，崔伟芳，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61