一種基于信噪比識(shí)別雷達(dá)遮擋的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種識(shí)別雷達(dá)周圍遮擋物分布的方法，尤其涉及一種利用信噪比(SNR，Signal to Noise Rat1)來計(jì)算和識(shí)別雷達(dá)周圍遮擋物分布的方法，屬于雷達(dá)信號(hào)處理研宄領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在固定站雷達(dá)選址和建站時(shí)，首要考慮的就是周圍地形遮擋和建筑物遮擋問題。過多的遮擋會(huì)大大降低雷達(dá)的探測(cè)能力，使雷達(dá)發(fā)揮不出原有的作用，造成人力和財(cái)力的浪費(fèi)。而對(duì)于移動(dòng)式雷達(dá)來說，選擇一個(gè)不受遮擋的觀測(cè)場(chǎng)地是一項(xiàng)非常重要的工作。因此，雷達(dá)遮擋的計(jì)算合識(shí)別顯得非常重要。
[0003]識(shí)別地物遮擋的方法有很多，基于數(shù)字高程模型(DEM)計(jì)算是當(dāng)前的主流方法。萬玉發(fā)等(2000)以人工讀取高分辨率地圖上四周地形的經(jīng)度、瑋度和海拔高度，輔以經(jīng)瑋儀從不同高度和不同方位測(cè)量四周新建高大建筑物相對(duì)于雷達(dá)站的方位和遮擋仰角，并轉(zhuǎn)換回經(jīng)瑋度和海拔高度，通過余弦定理計(jì)算雷達(dá)單站的遮蔽角圖，該方法雖然可行，但是效率較低。Kucera et al.(2004)分別采用10米、30米和100米分辨率的DEM數(shù)據(jù)，研宄關(guān)島地區(qū)的氣象雷達(dá)的地形遮擋，發(fā)現(xiàn)地形資料分辨率越高，地形遮擋模擬效果越好。
[0004]但是，使用DEM數(shù)據(jù)計(jì)算雷達(dá)遮擋依然存在一些問題，首先是對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求很高，否則很容易產(chǎn)生較大偏差，并且對(duì)于距離雷達(dá)較近的建筑物等物體，由于DEM的數(shù)據(jù)精度問題，往往無法計(jì)算出正確的遮擋位置。此外，雷達(dá)波束在空間傳輸時(shí)，并不是射線，并且還有旁瓣的影響。這樣，單純從DEM數(shù)據(jù)分析雷達(dá)的遮擋，雖然具有很高的指導(dǎo)價(jià)值，但無法得到準(zhǔn)確的結(jié)果。
[0005]任何物體都具有不斷輻射、吸收、發(fā)射波束的本領(lǐng)。輻射出去的波束在各個(gè)波段是不同的，也就是具有一定的譜分布。這種譜分布與物體本身的特性及其溫度有關(guān)，因而被稱之為熱輻射。為了研宄不依賴于物質(zhì)具體物性的熱輻射規(guī)律，物理學(xué)定義了一種理想物體，稱為黑體，以此作為熱輻射研宄的標(biāo)準(zhǔn)物體，并引入黑體輻射的概念。黑體輻射是指由理想放射物放射出來的輻射，在特定溫度及特定波長放射最大量之輻射。理論上黑體會(huì)放射頻譜上所有波長之波束。維恩位移定律是描述黑體電磁輻射能流密度的峰值波長與自身溫度關(guān)系的定律。
[0006]在雷達(dá)工作時(shí)，雷達(dá)接收機(jī)的噪聲會(huì)隨方位而變化，規(guī)律為:有物體遮擋雷達(dá)波束的地方，茅草值為_66dBm左右；沒有物體遮擋雷達(dá)波束的地方，即能看到回波的地方，茅草值為-67.4dBm左右，參見圖1。這個(gè)現(xiàn)象是很容易解釋，對(duì)雷達(dá)波束有遮擋的建筑物有溫度，有黑體輻射。輻射被雷達(dá)的接收機(jī)收到，自然就增加了茅草值；而當(dāng)雷達(dá)波束發(fā)射的方位上沒有遮擋時(shí)，即天線對(duì)準(zhǔn)太空，并且雷達(dá)天線仰角超過10度時(shí)，則太空的黑體輻射是很小的，因此茅草值就可以低1.5dB ;當(dāng)天線仰角比較低時(shí)，由于受地面的黑體輻射噪聲，茅草值只能低0.5dB左右。
[0007]在雷達(dá)發(fā)射機(jī)不工作的情況下，在某個(gè)仰角做掃描時(shí)，雷達(dá)接收機(jī)的信噪比會(huì)隨著周圍地物的分布而變化，這主要是由于建筑物等遮擋物的黑體輻射作用。在有遮擋的時(shí)候，信噪比會(huì)變大，反之，則信噪比變小。因此，可以通過雷達(dá)接收機(jī)噪聲隨天線方位和仰角的變化，得出雷達(dá)四周近距離各個(gè)建筑物對(duì)雷達(dá)波束的遮擋分布圖。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對(duì)目前技術(shù)的不足，直接利用雷達(dá)接收機(jī)給出的信噪比來對(duì)遮擋進(jìn)行計(jì)算和識(shí)別。該方法不但可以很好地計(jì)算雷達(dá)遠(yuǎn)處大面積的地形遮擋，對(duì)于雷達(dá)近處的建筑物等地物遮擋，也可以很好地計(jì)算與識(shí)別。
[0009]為實(shí)現(xiàn)以上的技術(shù)目的，本發(fā)明將采取以下的技術(shù)方案:
[0010]①關(guān)閉雷達(dá)發(fā)射機(jī)，設(shè)定雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的參數(shù)。如重復(fù)周期，脈沖寬度，重復(fù)周期取500Hz至2000Hz，脈沖寬度取0.2 μ s至I μ S。
[0011]②將雷達(dá)天線仰角對(duì)準(zhǔn)90度，發(fā)射電磁波遮擋。該方法的目的是為了確定門限。
[0012]③讓雷達(dá)采用體掃模式進(jìn)行掃描；
[0013]④保存雷達(dá)接收機(jī)收到的每個(gè)仰角層面的I/Q數(shù)據(jù)；
[0014]⑤將I/Q數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到雷達(dá)天線處于不同仰角、不同方位上，雷達(dá)接收機(jī)輸出的噪聲功率圖?？梢岳肍un_Read_NJU_CPol_IQ_RadarCharacter.m程序?qū)/Q數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
[0015]⑥利用已確定的門限值，將任意方向上接收到的信號(hào)與門限值比較，超過了該門限，就可識(shí)別出該方向上有遮擋；
[0016]⑦根據(jù)比較結(jié)果繪制雷達(dá)周圍不同仰角不同方位的遮擋圖。
[0017]根據(jù)據(jù)以上的技術(shù)方案，可以實(shí)現(xiàn)以下的有益效果:
[0018]本發(fā)明所述方法，自動(dòng)化程度高，方便易行，既可以作為雷達(dá)站建站前的評(píng)估，也可以用于建站后的效果測(cè)試。本發(fā)明所述方法相比現(xiàn)有的技術(shù)，提高了計(jì)算的精度，解決了較近距離的遮擋計(jì)算問題。
【附圖說明】
[0019]圖1為南京仙林雷達(dá)30km量程下的DEM數(shù)據(jù)圖；
[0020]圖2為南京仙林雷達(dá)四周30km范圍內(nèi)，各個(gè)地物相對(duì)于雷達(dá)的仰角圖；
[0021]圖3為南京仙林雷達(dá)在不同方位上，各個(gè)距離點(diǎn)的地物相對(duì)于雷達(dá)的仰角圖；
[0022]圖4為南京仙林雷達(dá)的遮擋角直角坐標(biāo)顯示圖；
[0023]圖5為南京仙林雷達(dá)的遮擋角極坐標(biāo)顯示圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0025]圖1?5是以中國江蘇南京仙林雷達(dá)(架設(shè)高度為60m)的遮擋情況為例，利用30m的DEM數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果。采用方案如下:
[0026]關(guān)閉雷達(dá)發(fā)射機(jī)，重復(fù)周期設(shè)為1000Hz，脈沖寬度設(shè)為0.5 μ S。
[0027]雷達(dá)天線仰角轉(zhuǎn)至90°，即對(duì)準(zhǔn)天頂方向。天線對(duì)準(zhǔn)天頂，是因?yàn)樘祉敺较蚩隙]有遮擋，以便確定一個(gè)門限值。
[0028]設(shè)定一個(gè)雷達(dá)體掃模式，包括雷達(dá)掃描的層數(shù)和雷達(dá)天線的轉(zhuǎn)速，讓雷達(dá)按照設(shè)定好的體掃模式運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0029]保存接收機(jī)輸出的IQ數(shù)據(jù)，每個(gè)仰角層面產(chǎn)生的數(shù)據(jù)保存為一個(gè)文件，采用30m分辨率的DEM數(shù)據(jù)。
[0030]當(dāng)雷達(dá)天線運(yùn)轉(zhuǎn)到某個(gè)方位/仰角時(shí)，如果兩個(gè)接收通道的噪聲功率出現(xiàn)變化，說明該方位/仰角處存在遮擋。原因?yàn)楣β拭黠@增加的區(qū)域是由于周圍遮擋物的黑體輻射造成，利用確定的門限值進(jìn)行比較，超過這個(gè)門限，就是有地物。
[0031]當(dāng)雷達(dá)完成一個(gè)體掃后，就得到了各方位上不同仰角的噪聲功率分布，利用黑體輻射的信噪比，就能計(jì)算出各仰角的遮擋情況。
[0032]繪制雷達(dá)周圍的遮擋圖。
[0033]上述技術(shù)方案中DEM數(shù)據(jù)的提取方法如下:
[0034]DEM數(shù)據(jù)是按照I度或5度，分成了一個(gè)個(gè)的文件。
[0035]因此需要先從龐大的DEM數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)用戶設(shè)定的中心經(jīng)瑋度和量程、分辨率，選擇需要的DEM數(shù)據(jù)。
[0036]程序見Fun_Select_DEM_Data.m。
[0037]注意:該程序包括了將不同的DEM文件的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接的功能
[0038]程序流程如下:
[0039]先按照O、90、180、270度，計(jì)算四個(gè)方向上，經(jīng)瑋度的邊界
[0040]如果使用30m分辨率的ASTER⑶EM的DEM數(shù)據(jù)，則采用DEM_File_Directory_30m目錄下的數(shù)據(jù)
[0041]如果使用90m分辨率的SRTM3的DEM數(shù)據(jù)，則采用DEM_File_Directory_90m目錄下的數(shù)據(jù)，90m分辨率的DEM文件名的命令規(guī)則比較奇怪，見網(wǎng)上的介紹。
[0042]再根據(jù)四個(gè)邊界，選擇哪幾個(gè)DEM文件
[0043]然后再將這些文件中，需要的數(shù)據(jù)拷貝到以雷達(dá)經(jīng)瑋度為中心的數(shù)組之中去。
[0044]上述方案中計(jì)算遮擋角的方法如下:
[0045]程序見Generate_Radar_Shield_Sector.mD
[0046]主要計(jì)算過程如下:
[0047]根據(jù)用戶設(shè)定的經(jīng)瑋度和量程，選擇需要的DEM數(shù)據(jù)
[0048]得到對(duì)應(yīng)DEM數(shù)據(jù)中各個(gè)點(diǎn)的經(jīng)瑋度
[0049]調(diào)用LonToPolar，計(jì)算各個(gè)點(diǎn)相對(duì)于雷達(dá)的仰角
[0050]用imagesc繪制各個(gè)點(diǎn)相對(duì)于雷達(dá)的仰角
[0051]以橫軸是方位(以0.1度為分辨率)，豎軸是距離，用imagesc進(jìn)行顯示
[0052]計(jì)算各個(gè)方位上的最大的仰角，然后繪制極坐標(biāo)下的遮擋圖
[0053]注意:在設(shè)定雷達(dá)高度的時(shí)候，不能直接利用GPS得到的結(jié)果，而是要從DEM數(shù)據(jù)中，找出雷達(dá)所在經(jīng)瑋度的那個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，看看這個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)所表示的高度是多少。和GPS對(duì)比，看兩者相差多少。如果相差很多，則說明這個(gè)點(diǎn)的GPS值是不是搞錯(cuò)了。此時(shí)要利用Google Earth來進(jìn)行確認(rèn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于信噪比識(shí)別雷達(dá)遮擋的方法，其特征在于包含如下步驟: 關(guān)閉雷達(dá)發(fā)射機(jī)，設(shè)定雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的參數(shù)； 將雷達(dá)天線仰角對(duì)準(zhǔn)90度，發(fā)射電磁波遮擋； 讓雷達(dá)采用體掃模式進(jìn)行掃描； 保存雷達(dá)接收機(jī)收到的每個(gè)仰角層面的I/Q數(shù)據(jù)； 將I/Q數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到雷達(dá)天線處于不同仰角、不同方位上，雷達(dá)接收機(jī)輸出的噪聲功率圖； 利用已確定的門限值，將任意方向上接收到的信號(hào)與門限值比較，超過該門限，就可識(shí)別出該方向上有遮擋； 根據(jù)比較結(jié)果繪制雷達(dá)周圍不同仰角不同方位的遮擋圖。
2.一種基于信噪比識(shí)別雷達(dá)遮擋的方法，其特征在于所述設(shè)定雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的參數(shù)為重復(fù)周期，脈沖寬度，重復(fù)周期取500Hz至2000Hz，脈沖寬度取0.2 μ s至I μ S。
3.一種基于信噪比識(shí)別雷達(dá)遮擋的方法，其特征在于所述I/Q數(shù)據(jù)利用Fun_Read_NJU_CPol_IQ_RadarCharacter.m 程序處理。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于信噪比識(shí)別雷達(dá)遮擋的方法，包含如下步驟：關(guān)閉雷達(dá)發(fā)射機(jī)，設(shè)定雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的參數(shù)；將雷達(dá)天線仰角對(duì)準(zhǔn)90度，發(fā)射電磁波遮擋；讓雷達(dá)采用體掃模式進(jìn)行掃描；保存雷達(dá)接收機(jī)收到的每個(gè)仰角層面的I/Q數(shù)據(jù)；將I/Q數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到雷達(dá)天線處于不同仰角、不同方位上，雷達(dá)接收機(jī)輸出的噪聲功率圖；利用已確定的門限值，將任意方向上接收到的信號(hào)與門限值比較，超過該門限，就可識(shí)別出該方向上有遮擋；根據(jù)比較結(jié)果繪制雷達(dá)周圍不同仰角不同方位的遮擋圖。本發(fā)明所述方法相比現(xiàn)有的技術(shù)，提高了計(jì)算的精度，解決了較近距離的遮擋計(jì)算問題。
【IPC分類】G01S13-00, G01S13-89
【公開號(hào)】CN104614722
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510036478
【發(fā)明人】趙坤, 楊正瑋, 陳建軍, 邵世卿, 黃浩, 溫龍
【申請(qǐng)人】南京大學(xué)
【公開日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2015年1月20日