本發(fā)明涉及仿真領(lǐng)域，尤其涉及一種基于寬帶掃頻數(shù)據(jù)的雷達(dá)回波仿真方法。

背景技術(shù)：

利用寬帶雷達(dá)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)如飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等空中目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)與成像，具有重要的軍事價(jià)值。寬帶雷達(dá)所具備的高分辨率特性是進(jìn)行雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別的重要依據(jù)。由于空間目標(biāo)外場(chǎng)寬帶測(cè)量對(duì)雷達(dá)性能要求高、需要投入大量的人力物力，且對(duì)特定目標(biāo)的觀測(cè)受到傳感器和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的相對(duì)時(shí)空因素限制，很難獲得目標(biāo)全姿態(tài)的寬帶回波。因此，寬帶雷達(dá)回波仿真是雷達(dá)系統(tǒng)研制及雷達(dá)信號(hào)處理及應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)及關(guān)鍵技術(shù)。

線性調(diào)頻信號(hào)(Line Frequency Modulation，LFM)是寬帶雷達(dá)系統(tǒng)常用波形之一，建立高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)寬帶LFM雷達(dá)回波的時(shí)域信號(hào)模型時(shí)，對(duì)于遠(yuǎn)距離且高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，脈沖持續(xù)期間的徑向位移不能忽略。

除上述外，基于目標(biāo)散射中心模型的雷達(dá)回波時(shí)域仿真方法，其由于散射中心位置及幅度難以準(zhǔn)確提取，尤其是散射中心間距很近時(shí)這一問題尤為突出，大部分高精度的提取散射中心的運(yùn)算如現(xiàn)代譜估計(jì)算法、數(shù)據(jù)外推算法等具有運(yùn)算復(fù)雜的缺點(diǎn)；而且強(qiáng)散射中心的提取同時(shí)會(huì)造成目標(biāo)本身的弱散射點(diǎn)被丟棄，導(dǎo)致目標(biāo)回波信息缺失。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提出基于寬帶掃頻數(shù)據(jù)的雷達(dá)回波仿真方法，提高了回波仿真的計(jì)算效率。

本發(fā)明提供的基于寬帶掃頻數(shù)據(jù)的雷達(dá)回波仿真方法，其改進(jìn)之處在于，所述方法包括如下步驟：

(1)獲取靜止目標(biāo)的寬帶掃頻數(shù)據(jù)；

(2)將所述掃頻數(shù)據(jù)進(jìn)行去載頻處理，再進(jìn)行離散傅里葉逆變換，得到靜止目標(biāo)的距離像；

(3)設(shè)置仿真時(shí)的線性調(diào)頻波形參數(shù)；

(4)對(duì)所述距離像做離散傅里葉逆變換，得到靜止目標(biāo)的線性調(diào)頻中頻回波信號(hào)；

(5)添加相位影響因子，生成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的線性調(diào)頻中頻回波信號(hào)。

優(yōu)選的，步驟(1)所述寬帶掃頻數(shù)據(jù)，其在步進(jìn)頻率波形脈沖串內(nèi)，第i個(gè)步進(jìn)頻率的回波信號(hào)表達(dá)式為：

式中，j＝sqrt(-1)，N為頻率步進(jìn)個(gè)數(shù)，σ_k為靜止目標(biāo)第k個(gè)散射中心的散射強(qiáng)度，c為光速，f_c為中心頻率，Δf為頻率步進(jìn)量，r_k為靜止目標(biāo)第k個(gè)散射中心與參考點(diǎn)的相對(duì)距離。

較優(yōu)選的，步驟(2)將所述掃頻數(shù)據(jù)進(jìn)行去載頻處理，其表達(dá)式為：

將頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅里葉逆變換，得到靜止目標(biāo)的距離像，其表達(dá)式為：

較優(yōu)選的，步驟(3)所述線性調(diào)頻波形參數(shù)包括脈沖寬度T_p、信號(hào)中頻帶寬B_IF、中頻信號(hào)采樣頻率F_s、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度V和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)加速度a。

較優(yōu)選的，步驟(4)對(duì)所述距離像做離散傅里葉逆變換，得到靜止目標(biāo)的線性調(diào)頻中頻回波信號(hào)，其表達(dá)式為：

式中，為線性調(diào)頻斜率，為總時(shí)間，t_m為慢時(shí)間，為快時(shí)間。

較優(yōu)選的，步驟(5)相位影響因子由所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度V和所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)加速度a產(chǎn)生。

較優(yōu)選的，步驟(5)中添加所述相位影響因子后，生成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的線性調(diào)頻中頻回波信號(hào)表達(dá)式為：

其中：

上述式中，

為第k個(gè)散射中心產(chǎn)生的回波信號(hào)的初相，為目標(biāo)第k個(gè)散射中心與參考點(diǎn)的相對(duì)距離，為相位，是經(jīng)過回波信號(hào)的傅里葉變換后距離像中的強(qiáng)散射點(diǎn)位置產(chǎn)生的平移量，為殘余視頻相位。

較優(yōu)選的，中頻信號(hào)采樣頻率F_s大于兩倍的靜止目標(biāo)的線性調(diào)頻中頻回波信號(hào)；

所述靜止目標(biāo)的線性調(diào)頻中頻回波信號(hào)的頻率由所述目標(biāo)的尺寸確定，其公式為：

式中，L為目標(biāo)的尺寸。

較優(yōu)選的，中頻信號(hào)采樣頻率F_s大于兩倍的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的線性調(diào)頻中頻回波信號(hào)；

所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的線性調(diào)頻中頻回波信號(hào)的頻率為

其中：Δ_L為距離像展寬尺度，且：

Δ_L≈2V·T_p (14)

由公式(13)和公式(14)得到所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度V的表達(dá)式為：

本發(fā)明的技術(shù)方案中，既保留了目標(biāo)每個(gè)散射中心的散射特性，避免由于散射點(diǎn)截?cái)鄮淼幕夭ㄐ畔⑷笔?；又通過快速傅里葉變換避免了卷積操作，提高了回波仿真的計(jì)算效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的線性調(diào)頻中頻回波仿真示意圖，圖中，實(shí)線表示目標(biāo)速度為0m/s，虛線表示目標(biāo)速度為1000m/s，點(diǎn)虛線線表示目標(biāo)速度為3000m/s；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的距離像示意圖，圖中，實(shí)線表示目標(biāo)速度為0m/s，虛線表示目標(biāo)速度為1000m/s，點(diǎn)虛線線表示目標(biāo)速度為3000m/s。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉出優(yōu)選實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。然而，需要說明的是，說明書中列出的許多細(xì)節(jié)僅僅是為了使讀者對(duì)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面有一個(gè)透徹的理解，即便沒有這些特定的細(xì)節(jié)也可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這些方面。

本實(shí)施例提出的基于寬帶掃頻數(shù)據(jù)的雷達(dá)回波仿真方法，其流程圖如圖1所示，具體包括如下步驟：

(1)獲取靜止目標(biāo)的寬帶掃頻數(shù)據(jù)，具體的：

在步進(jìn)頻率波形脈沖串內(nèi)，第i個(gè)步進(jìn)頻率的回波信號(hào)表達(dá)式為：

式中，j＝sqrt(-1)，N為頻率步進(jìn)個(gè)數(shù)，σ_k為靜止目標(biāo)第k個(gè)散射中心的散射強(qiáng)度，c為光速，f_c為中心頻率，Δf為頻率步進(jìn)量，r_k為靜止目標(biāo)第k個(gè)散射中心與參考點(diǎn)的相對(duì)距離。

上述表達(dá)式，同時(shí)也表示了基于單個(gè)脈沖串的靜止目標(biāo)反射性的頻域樣本。

(2)將所述掃頻數(shù)據(jù)進(jìn)行去載頻處理，再進(jìn)行離散傅里葉逆變換，得到靜止目標(biāo)的距離像(即一系列距離時(shí)延的反射性大小)，具體的：

將所述掃頻數(shù)據(jù)進(jìn)行去載頻處理，其表達(dá)式為：

將頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅里葉逆變換，得到靜止目標(biāo)的距離像，其表達(dá)式為：

(3)設(shè)置仿真時(shí)的線性調(diào)頻波形參數(shù)，包括脈沖寬度T_p、信號(hào)中頻帶寬B_IF、中頻信號(hào)采樣頻率F_s、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度V和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)加速度a。其中：

靜止目標(biāo)的線性調(diào)頻中頻回波信號(hào)的頻率由目標(biāo)的尺寸確定，其公式為：

式中，L為目標(biāo)的尺寸；

根據(jù)Naquist采樣定理對(duì)中頻回波離散采樣，中頻信號(hào)采樣頻率F_s需大于兩倍的靜止目標(biāo)的線性調(diào)頻中頻回波信號(hào)，即F_s＞2F_max。

目標(biāo)速度將會(huì)導(dǎo)致LFM中頻回波各散射中心頻譜展寬，當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度為V時(shí)，其對(duì)應(yīng)的回波頻率為：

式中：Δ_L為距離像展寬尺度，且：

Δ_L≈2V·T_p (14)

根據(jù)Naquist采樣定理對(duì)中頻回波離散采樣，中頻信號(hào)采樣頻率F_s大于兩倍的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的線性調(diào)頻中頻回波信號(hào)，則由公式(13)和公式(14)得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度V的表達(dá)式為：

本實(shí)施例中，若靜態(tài)測(cè)量的掃頻間隔為Δf＝10MHz，目標(biāo)長(zhǎng)度為4米，發(fā)射信號(hào)帶寬B＝2GHz，脈沖寬度T_p＝100μs，線性調(diào)頻斜率γ＝2×10¹³Hz/s，則要求仿真時(shí)，目標(biāo)速度V＜20000m/s。

(4)根據(jù)LFM理論，經(jīng)混頻和去傾斜處理后，LFM雷達(dá)單個(gè)發(fā)射脈沖對(duì)應(yīng)的接收回波同目標(biāo)散射中心隨徑向距離的分布之間是傅里葉逆變換關(guān)系。對(duì)距離像做離散傅里葉逆變換，得到靜止目標(biāo)的線性調(diào)頻中頻回波信號(hào)，其表達(dá)式為：

式中，為線性調(diào)頻斜率，為總時(shí)間，t_m為慢時(shí)間，為快時(shí)間。

(5)對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，其線性調(diào)頻中頻回波受目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度及加速度的影響而產(chǎn)生相位調(diào)制。因此本實(shí)施例添加由運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度V和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)加速度a產(chǎn)生的相位影響因子，生成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的線性調(diào)頻中頻回波信號(hào)，其表達(dá)式為：

其中：

上述式中，

為第k個(gè)散射中心產(chǎn)生的回波信號(hào)的初相，可以表征目標(biāo)第k個(gè)散射中心與參考點(diǎn)的相對(duì)距離，為相位，其為經(jīng)過回波信號(hào)的傅里葉變換后距離像中的強(qiáng)散射點(diǎn)位置產(chǎn)生的平移量，為殘余視頻相位，中的和使運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的一維距離像主瓣發(fā)生展寬。

由此，根據(jù)式(7)和式(8)的對(duì)應(yīng)關(guān)系即可生成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的線性調(diào)頻中頻回波信號(hào)。

具體的，本實(shí)施例對(duì)步驟(3)中的參數(shù)設(shè)定為發(fā)射信號(hào)脈沖寬度T_p＝100μs，帶寬B＝2GHz，目標(biāo)尺寸L＝4.2米，信號(hào)中頻(接收機(jī))帶寬B_IF＝1MHz，采樣頻率F_s＝2MHz，載頻f_c＝10GHz，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)加速度a對(duì)回波信號(hào)的影響非常小，因此設(shè)置a＝0。經(jīng)過仿真，其運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的線性調(diào)頻中頻回波仿真示意圖如圖2所示，距離像示意圖如圖3所示，通過對(duì)比可知，隨著目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度的增大，目標(biāo)強(qiáng)散射中心位置偏移量逐漸增大，目標(biāo)一維距離像的展寬程度也逐漸增大。

由圖2和圖3可知，本發(fā)明有效模擬了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)產(chǎn)生的影響，包括相位調(diào)制和一維距離像偏移及展寬。與傳統(tǒng)基于時(shí)域卷積的方法相比，本發(fā)明利用了靜止目標(biāo)的全部散射中心信息，防止散射中心截?cái)嘣斐尚畔⑷笔АＭ瑫r(shí)，通過快速逆傅里葉變換實(shí)現(xiàn)靜止目標(biāo)中頻回波信號(hào)快速構(gòu)建，最后在靜止目標(biāo)中頻回波信號(hào)的相位中疊加速度產(chǎn)生的相位影響因子。具體的，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)施例在當(dāng)前參數(shù)設(shè)置下的仿真效率提高10倍。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。