基于海浪谱模型的海杂波模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于海浪谱模型的海杂波模拟方法，主要解决现有技术难以体现海表面浪高细节的问题。其实现方案是：1.建立基于海浪谱模型的海表面；2.确定雷达主波束照射下的海表面范围；3.在海表面范围内选取矩形框，并对框内海表面离散化构造成由许多等面积的三角形散射单元拼接而成的复杂表面；4.计算每个三角形散射单元的属性参数及回波功率；5.根据回波功率建立三角形散射单元的回波模型；6.按照回波模型产生矩形框内海表面三角形散射单元的回波，判断三角形散射单元的雷达可见性，计算并叠加所有可见的三角形散射单元的回波，产生海杂波的仿真数据并分析。本发明专利技术提高了海杂波模拟的可信度与实用性，可用于目标检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于信号处理
，具体地说是一种海杂波模拟方法，可用于目标检测。
技术介绍
雷达海杂波的仿真技术，经历了由浅到深、由简到繁、又粗到细的过程。最初是将海杂波看成具有一定概率密度分布函数PDF的随机序列，采用Monte-Carlo法进行仿真。经典的海杂波幅度统计模型有瑞利分布、对数正太分布、韦布尔分布以及K分布。而实际遇到的海杂波不仅具有幅度上的统计分布特性，同时又满足某种相关性，这就使得仿真的数据要同时满足某种特定的功率谱特性或相关特性和幅度分布特性，比较有代表性且成熟的方法有球不变随机过程法SIRP和零记忆非线性变换法ZMNL，还有一种极少用的随机微分方程法SDE。然而这些从统计理论出发的海杂波幅度统计模型是一种经验模型，未能考虑到雷达的实际工作条件及环境条件，不能直接运用于实际雷达系统的杂波分析。所以需要针对具体的雷达工作场景进行杂波模拟来研究模型参数与雷达参数及环境参数的关系。文献《任意姿态记载PD雷达三维地杂波算法研究》将地海面按距离-多普勒进行了散射单元划分，对机载脉冲多普勒雷达采用下视工作方式时的地海面杂波进行了建模与模拟；文献《PD雷达导引头海杂波谱的建模与仿真》结合实测数据修正后的海面散射系数等模型，将海面按等距离环进行了散射单元划分，对工作在脉冲多普勒体制下的雷达导引头海杂波进行了建模与仿真。前者根据距离-多普勒的散射单元划分方法在理论上很精确，但是采用数学公式表示这些散射单元比较复杂，且计算杂波功率需计算双重积分，实现起来比较困难；后者根据等距离环的散射单元划分方法比较简单，但散射单元面积随着距离的增加而增加，海表面细节难以体现，降低了海杂波模拟的可信度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于海浪谱模型的海杂波模拟方法，提高海杂波模拟的可信度与实用性。为实现上述目的，本专利技术技术方案包括如下：(1)根据随机海浪理论，用波高方程η(x,y,t)描述基准水平面上任意一点(x,y)在t时刻的海表面高度，建立海表面的海浪模型，其中波高方程中的振幅由海浪谱函数确定；(2)建立天线高度为H，波束宽度为2ψ，波束瞄准线入射余角为φ的下视雷达，根据天线主波束照射下的海表面上任意一点(x,y,z)与下视雷达的位置关系，计算出该点运动轨迹x2cos2ψ-2yHcosφsinφ+y2(cos2ψ-cos2φ)＝H2(sin2φ-cos2ψ)，确定海表面的范围：当φ＜ψ时，海表面范围为双曲线及其内部海表面；当φ＝ψ时，海表面范围为抛物线及其内部海表面；当φ＞ψ时，海表面范围为椭圆及其内部海表面；(3)在确定的海表面范围，选取大小为p×q的一个矩形框，在该矩形框内横向采样间隔取以该矩形框内海表面任意点(x0,y0,z0)的运动速度v，方位角α0，俯仰角β0，在保持多普勒分辨率与满足多普勒不模糊的条件下计算出纵向采样间隔sδ，并以横纵间隔分别为与sδ在矩形框内的海表面上取采样点，再以每3个采样点构成一个三角形散射单元，其中c为光速，fs为雷达信号采样频率，s为波门起始在y轴投影的位置，δ为方位角分割间隔，N为一个相参处理间隔CPI内的脉冲数，p为波门的起止在y轴投影的长度，q为确定的海表面范围的纵向宽度；(4)计算任意一个三角形散射单元的参数：(4a)根据任意一个三角形散射单元与雷达的位置关系，计算该三角形散射单元与雷达之间的距离R，方位角α与俯仰角β，来波方向法向面积A0，其中三角形散射单元的面积A0，由计算得出；(4b)根据雷达方程，计算该三角形散射单元的回波功率Pr；(5)建立步骤(4)中三角形散射单元的回波模型其中st(·)为雷达发射的线性调频LFM信号，ζ(t)为相位延迟抖动，表示虚数，fd为该三角形散射单元的多普勒频率；(6)根据射线追踪原则，判断三角形散射单元之间的遮挡关系和三角形散射单元自身的遮挡关系：设某三角形散射单元顶点相对于雷达的仰角为α1，遮挡单元顶点相对于雷达的仰角为α2，当α1≥α2时，该三角形散射单元被遮挡，不计算其回波；当α1＜α2时，该三角形散射单元没被遮挡单元遮挡，则计算该三角形散射单元的局部入射角αL，再判断该三角形散射单元自身的遮挡关系：当αL＞π/2时，该三角形散射单元被自身遮挡，不计算其回波；当αL≤π/2时，该三角形散射单元未被遮挡，计算并叠加所有未被遮挡的三角形散射单元的回波，产生一个相参处理间隔CPI回波的海杂波仿真数据，完成对海杂波的模拟。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：1.本专利技术运用海浪谱模型与雷达工作参数、环境参数结合的方法仿真的海表面增强了模拟的海杂波与海况环境的联系，更加具有实用性；2.由于离散海表面可看成由许多三角形散射单元拼接而成的复杂表面，且三角形散射单元在水平面的投影为直角三角形面元，本专利技术对海平面采用三角形散射单元进行划分，相比以往基于等距离环的分辨单元划分方法，三角形面元属于等面积划分，划分的面元面积不会随距离的增加而增加，因此模拟的海表面更能体现出浪高细节。同时该划分方法在数学表示上比距离-多普勒分辨单元划分方法简单，不需要复杂的双重积分运算；实验仿真表明：1)本专利技术单次脉冲回波的海杂波仿真数据的幅度曲线图与海杂波实测数据的幅度曲线图幅度趋势基本一致，说明本专利技术产生的海杂波具有可信度；2)本专利技术同一距离单元的海杂波仿真数据的幅度统计分布与传统统计分布模型K分布拟合优度检验最佳，表明本专利技术的海杂波模拟方法具有实用性，提供研究统计分布模型参数与雷达工作参数及环境参数之间关系的一种途径。附图说明图1是本专利技术的操作流程图；图2是本专利技术中使用的基于海浪的功率密度能量等分法示意图；图3是本专利技术中使用的在雷达主波束照射下确定海表面范围示意图；图4是本专利技术中使用的在矩形框内的海表面取采样点示意图；图5是本专利技术中使用的构造三角形散射单元示意图；图6是本专利技术中使用的计算三角形散射单元具体参数的三角形散射单元与雷达之间位置关系图；图7是本专利技术仿真的不同时刻的海表面二维图；图8是本专利技术的海杂波仿真数据幅度曲线图与海杂波实测数据幅度曲线图的对比图；图9是本专利技术仿真的海杂波回波数据分析图；具体实施方式：本专利技术结合基于风速的Pierson-Moskowitz海浪谱模型仿真海表面，根据各类对海平面划分散射单元方法的优缺点，提出等面积的三角形散射单元划分方法，计算并叠加所有散射单元的回波仿真海杂波，仿真时还考虑到了雷达本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于海浪谱模型的海杂波模拟方法，包括：(1)根据随机海浪理论，用波高方程η(x,y,t)描述基准水平面上任意一点(x,y)在t时刻的海表面高度，建立海表面的海浪模型，其中波高方程中的振幅由海浪谱函数确定；(2)建立天线高度为H，波束宽度为2ψ，波束瞄准线入射余角为φ的下视雷达，根据天线主波束照射下的海表面上任意一点(x,y,z)与下视雷达的位置关系，计算出该点运动轨迹x2cos2ψ‑2yHcosφsinφ+y2(cos2ψ‑cos2φ)＝H2(sin2φ‑cos2ψ)，确定海表面的范围：当φ＜ψ时，海表面范围为双曲线及其内部海表面；当φ＝ψ时，海表面范围为抛物线及其内部海表面；当φ＞ψ时，海表面范围为椭圆及其内部海表面；(3)在确定的海表面范围，选取大小为p×q的一个矩形框，在该矩形框内横向采样间隔取以该矩形框内海表面任意点(x0,y0,z0)的运动速度v，方位角α0，俯仰角β0，在保持多普勒分辨率与满足多普勒不模糊的条件下计算出纵向采样间隔sδ，并以横纵间隔分别为与sδ在矩形框内的海表面上取采样点，再以每3个采样点构成一个三角形散射单元，其中c为光速，fs为雷达信号采样频率，s为波门起始在y轴投影的位置，δ为方位角分割间隔，N为一个相参处理间隔CPI内的脉冲数，p为波门的起止在y轴投影的长度，q为确定的海表面范围的纵向宽度；(4)计算任意一个三角形散射单元的参数：(4a)根据任意一个三角形散射单元与雷达的位置关系，计算该三角形散射单元与雷达之间的距离R，方位角α与俯仰角β，来波方向法向面积A0，其中三角形散射单元的面积A0，由计算得出；(4b)根据雷达方程，计算该三角形散射单元的回波功率Pr；(5)建立步骤(4)中三角形散射单元的回波模型其中st(·)为雷达发射的线性调频LFM信号，ζ(t)为相位延迟抖动，表示虚数，fd为该三角形散射单元的多普勒频率；(6)根据射线追踪原则，判断三角形散射单元之间的遮挡关系和三角形散射单元自身的遮挡关系：设某三角形散射单元顶点相对于雷达的仰角为α1，遮挡单元顶点相对于雷达的仰角为α2，当α1≥α2时，该三角形散射单元被遮挡，不计算其回波；当α1＜α2时，该三角形散射单元没被遮挡单元遮挡，则计算该三角形散射单元的局部入射角αL，再判断该三角形散射单元自身的遮挡关系：当αL＞π/2时，该三角形散射单元被自身遮挡，不计算其回波；当αL≤π/2时，该三角形散射单元未被遮挡，计算并叠加所有未被遮挡的三角形散射单元的回波，产生一个相参处理间隔CPI回波的海杂波仿真数据，完成对海杂波的模拟。...

【技术特征摘要】
1.基于海浪谱模型的海杂波模拟方法，包括：
(1)根据随机海浪理论，用波高方程η(x,y,t)描述基准水平面上任意一点(x,y)在t
时刻的海表面高度，建立海表面的海浪模型，其中波高方程中的振幅由海浪谱函数确
定；
(2)建立天线高度为H，波束宽度为2ψ，波束瞄准线入射余角为φ的下视雷达，
根据天线主波束照射下的海表面上任意一点(x,y,z)与下视雷达的位置关系，计算出该点
运动轨迹x2cos2ψ-2yHcosφsinφ+y2(cos2ψ-cos2φ)＝H2(sin2φ-cos2ψ)，确定海表面的范围：
当φ＜ψ时，海表面范围为双曲线及其内部海表面；当φ＝ψ时，海表面范围为抛物线及
其内部海表面；当φ＞ψ时，海表面范围为椭圆及其内部海表面；
(3)在确定的海表面范围，选取大小为p×q的一个矩形框，在该矩形框内横向采
样间隔取以该矩形框内海表面任意点(x0,y0,z0)的运动速度v，方位角α0，俯仰角
β0，在保持多普勒分辨率与满足多普勒不模糊的条件下计算出纵向采样间隔sδ，并以
横纵间隔分别为与sδ在矩形框内的海表面上取采样点，再以每3个采样点构成一个
三角形散射单元，其中c为光速，fs为雷达信号采样频率，s为波门起始在y轴投影的
位置，δ为方位角分割间隔，N为一个相参处理间隔CPI内的脉冲数，p为
波门的起止在y轴投影的长度，q为确定的海表面范围的纵向宽度；
(4)计算任意一个三角形散射单元的参数：
(4a)根据任意一个三角形散射单元与雷达的位置关系，计算该三角形散射单元
与雷达之间的距离R，方位角α与俯仰角β，来波方向法向面积A0，其中三
角形散射单元的面积A0，由计算得出；
(4b)根据雷达方程，计算该三角形散射单元的回波功率Pr；
(5)建立步骤(4)中三角形散射单元的回波模型其中st(·)为雷达发射的线性调频LFM信号，ζ(t)为相位延迟抖动，表示虚数，fd为

\t该三角形散射单元的多普勒频率；
(6)根据射线追踪原则，判断三角形散射单元之间的遮挡关系和三角形散射单元
自身的遮挡关系：
设某三角形散射单元顶点相对于雷达的仰角为α1，遮挡单元顶点相对于雷达的仰
角为α2，当α1≥α2时，该三角形散射单元被遮挡，不计算其回波；当α1＜α2时，该三角
形散射单元没被遮挡单元遮挡，则计算该三角形散射单元的局部入射角αL，再判断该
三角形散射单元自身的遮挡关系：
当αL＞π/2时，该三角形散射单元被自身遮挡，不计算其回波；
当αL≤π/2时，该三角形散射单元未被遮挡，计算并叠加所有未被遮挡的三角形散
射单元的回波，产生一个相参处理间隔CPI回波的海杂波仿真数据，完成对海杂波的
模拟。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1)中建立海表面的海浪模型，按如<...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗丰，雒梅逸香，胡冲，张玉祺，陈世超，何海波，任佩，李咏，
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