一种扫描状态下船舶导航雷达二维回波序列像仿真方法

摘要

一种扫描状态下船舶导航雷达回波序列像仿真方法,首先对目标的雷达散射截面积进行预估，再对散射截面积进行处理得到目标的一维距离像，得到目标全姿态一维距离像模板库；在小角区内借鉴距离多普勒成像方法，进行傅里叶变换，获得二维散射模型；根据发射的电磁波的形式与二维散射模型进行卷积得到初始的雷达回波序列，再经过低通滤波器得到最终的船舶目标回波序列。回波序列按照方位顺序排列起来并进行波前对齐处理，投影到方位-距离坐标平面得到目标二维序列轮廓像。本发明提供了与真实扫描状态下雷达回波信号在多种特征空间上相似度高的导航雷达船舶目标回波，并根据得到的回波序列投影到方位-距离平面，获得目标二维轮廓像。

说明书

技术领域

本发明属于民用船舶导航技术领域，涉及一种扫描状态下船舶导航雷达二维回波序列像仿真方法。

背景技术

船舶导航雷达，通常安装在船舶及港口船舶交通管理系统(VTS)中，可以用于航行避让、船舶定位、狭水道引航等，在能见度低时能够为航海人员提供良好的观察手段。目前大多数船舶都安装先进的通信、导航、助航设备，但事故仍层出不穷。分析表明，大多数事故是由航海人员的人为因素和设备局限性导致的。因此，如何培养出优秀的航海人才成为航运界普遍关注的问题。传统的方法是通过大量的外场出海训练让航海人员实践掌握航行技能，但是这种途径周期长、费用高、风险大。

随着计算机仿真技术的发展，船舶导航雷达模拟器受到人们的重视，其具有灵活、通用、高效和低成本等特点，能够显著提高航海人员的雷达导航能力，有效减少航海事故的发生，成为航海雷达研究的一个新的热点。

船舶导航雷达信号模拟器是船舶导航雷达模拟器的核心组成部分。以往的船舶导航雷达信号模拟器通常是通过理论分析得到雷达回波信号的数学模型，进而模拟雷达回波，经由这种仿真方法得到的雷达回波并不能表示出目标的散射、结构、方位以及距离特性，所提供的雷达回波与真实回波存在较大差异，对航海人员的训练产生较大的影响。针对这一问题，需要研究能够提供真实反映目标特性以及杂波模型的船舶导航雷达信号模拟器。

发明内容

本发明能够仿真出适用于船舶航行水域环境和船舶导航雷达实际工作环境下的雷达系统A型显示器、B型显示器，生成不同船舶导航雷达、不同船舶结构、不同运动状态、不同距离以及不同方位角条件下所对应的雷达回波信号，为航海人员的教学和培训提供丰富、真实、可靠的雷达屏幕显示终端数据。

雷达目标A型显示器反映目标的物理结构、材料特性，是确定目标身份和属性的重要依据之一，所得回波A型显示器准确反映目标的精细物理结构等特性。雷达目标A型显示器是将雷达波束扫描过程中接收到的回波序列依方位顺序排列起来,然后投影到方位、距离平面而形成的二维图像，B型显示器反映目标的大致轮廓。

为了实现船舶导航雷达系统的仿真方法，本发明的技术方案包括以下步骤：

第一步：利用电磁计算软件，获得舰船各姿态下散射截面积(RCS)，建立目标一维距离像。

1.1.采用计算机辅助设计技术，建立船舶目标的三维CAD模型。

1.2.使用高频电磁计算软件，在每个姿态角下使用宽带信号对建立的船舶目标三维CAD模型进行照射获得目标散射截面积RCS。

1.3.对目标散射截面积RCS进行傅里叶反变换得到全姿态角下的目标一维距离像。

第二步：根据ISAR成像原理，利用第一步获得的全姿态角下的目标一维距离像，在小角区内借鉴距离多普勒成像方法，重构目标各小角区内的二维散射中心模型。

第三步：根据发射电磁波的形式与二维散射中心模型进行卷积得到原始目标射频回波，原始目标射频回波经过混频及低通滤波器处理后得到最终的目标回波序列s(n,t)。

3.1雷达目标回波序列可以认为是发射信号与二维散射中心模型的卷积过程，根据目标散射的特点，第n个雷达发射脉冲相对于发射功率和距离的原始目标回波y(n,t)由公式(1)求得：

$>y(n,t)={\int }_{-L_n}^{L_n}{\int }_{-D_n}^{D_n}{G}^2\left({\theta }_{x,y}\right)\sigma (x,y)rect\left(\frac{t-{\tau }_0-{\tau }_y+nT}{T_p}\right)e^{j2{\mathrm{\pi f}}_0(t-{\tau }_0-{\tau }_y)}dxdy---\left(1\right)$>

其中，2D_n和2L_n表示目标在坐标系中的横向尺寸与纵向尺寸，σ(x,y)表示目标在坐标(x,y)处的散射强度，τ₀为目标几何中心到雷达的双程延迟，τ_y为坐标(x,y)到目标几何中心的双程延迟；函数为矩形窗函数，可以表示为$>rect\left(\frac{t}{T_p}\right)=\{\begin{array}{cc}1,& \left|t\right|\le \frac{Tp}{2}\\ 0,& else\end{array};$>在小角区内天线方向图G(θ)近似为常数时(1)式可写为：

$>y(n,t)={\int }_{-L_n}^{L_n}\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}{G}^2\left({\theta }_i\right){\int }_{-D_n}^{D_n}\left[\sigma (x,y)dx\right]rect\left(\frac{t-{\tau }_0-{\tau }_y+nT}{T_p}\right)e^{j2{\mathrm{\pi f}}_0(t-{\tau }_0-{\tau }_y)}dy---\left(2\right)$>

其中，i＝1,2,...,K，K为角区个数。θ_i为第i角区偏离波束中心指向的角度，表示该方位角下目标散射函数在纵向上的投影，即目标的一维距离像，是二维散射中心模型。

3.2原始目标回波经过混频及低通滤波器处理后得到最终的目标回波序列s(n,t)：

$>s(n,t)={\int }_{-L_n}^{L_n}\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}{G}^2\left({\theta }_i\right){\int }_{-D_n}^{D_n}\left[\sigma (x,y)dx\right]rect\left(\frac{t-{\tau }_0-{\tau }_y+nT}{T_p}\right)e^{j2{\mathrm{\pi f}}_0(t-{\tau }_0-{\tau }_y)}dy---\left(3\right)$>

第四步：对目标回波序列s(n,t)进行有效性校验，保证建立的船舶导航雷达目标回波序列的有效性。

4.1.记Y为仿真回波序列s(n,t)，首先得到目标回波序列Y的m个仿真特征样本，Y_i＝{y_i(1),y_i(2),...,y_i(n)}^T，i＝1,2,...,m。

4.2.由均值$>\bar{Y}=\frac{1}{m}\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{Y}_i\right)$>和协方差$>S=\frac{1}{m-1}\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}(Y_i-\bar{Y}){(Y_i-\bar{Y})}^T$>计算得到实测回波特征样本X与仿真特征样本均值之间的平均马氏距离$>D(X,\bar{Y})=\sqrt{\frac{1}{n}{(X-\bar{Y})}^T{S}^{-1}(X-\bar{Y})}.$>

4.3.然后得到目标回波序列Y的另一种特征的m^*个仿真特征样本$>Y_i^{*}={\{y_i^{*}\left(1\right),y_i^{*}\left(2\right),...,y_i^{*}\left(n\right)\}}^T,i=1,2,...,m.$>

4.4.由下式计算仿真特征样本与仿真特征样本均值之间的平均马氏距离

$>D(Y_i^{*},\bar{Y})=\sqrt{\frac{1}{n}{(Y_i^{*}-\bar{Y})}^T{S}^{-1}(Y_i^{*}-\bar{Y})}$>

4.5.设d^*为$>D(Y_i^{*},\bar{Y}),(i=1,2,...,m)$>中满足下式的的个数：

$>D(Y_i^{*},\bar{Y})\ge D(X,\bar{Y})$>

4.6.对于给定的显著性水平ρ，由公式ρ^*＝d^*/m^*计算ρ^*，若ρ^*≤ρ，则可以断定实测回波特征样本X与仿真特征样本均值存在显著性差异，仿真回波不可以用来补充真实回波。

第五步：将检验合格后得到的回波序列按照方位顺序排列起来，进行波前对齐处理，投影到方位-距离坐标平面得到二维回波序列像。

当天线波束扫过目标时，按天线扫描方向顺序出现三种情况：1)天线波束进入目标但没有完全覆盖目标，此时回波幅度处于上升段；2)天线波束完全覆盖目标，此时回波幅度处于平稳段；3)天线波束前沿退出目标，而后延尚未退出，天线波束没有完全覆盖目标，此时回波幅度处于下降段。将扫描状态得到的回波序列按照方位顺序排列起来并进行波前对齐处理，投影到方位-距离坐标平面得到目标二维序列轮廓像。

本发明提供了与真实扫描状态下雷达回波信号在多种特征空间上相似度高的导航雷达船舶目标回波，并根据得到的回波序列投影到方位-距离平面，获得目标二维回波序列像，能够为导航雷达和航海人员的教学和培训提供雷达回波信号源。

附图说明

图1是本发明的扫描状态下船舶导航雷达二维回波序列像仿真系统框图。

图2是目标二维多散射中心模型示意图。

图3-1是扫描状态时波束与目标关系示意图。

图3-2是扫描状态时所得回波序列示意图。

图4-1是扫描状态回波序列按方位排列示意图。

图4-2是扫描状态下目标二维序列轮廓像。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案及其优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述，整体算法流程图如图1所示：

第一步：利用电磁计算软件，获得舰船各姿态下散射截面积RCS，从而建立船舶目标的一维距离像；

1.1.采用计算机辅助设计技术，建立船舶目标的三维CAD模型。

采用计算机辅助设计软件如SolidWorks的系列设计软件建立船舶3D模型库，船舶目标详细资料可以通过杂志、网络资源以及现场实拍照片获取，船舶的尺寸需满足高频电磁计算的缩比模型的关系。

1.2.使用高频电磁计算软件，在每个姿态角下使用宽带信号对建立的船舶目标三维CAD模型进行照射获得目标散射截面积RCS。

采用专业电磁计算软件FEKO进行RCS预估，以下步骤为使用FEKO进行RCS预估的操作步骤：

(1)SolidWorks导出的3D船舶模型保存为.step格式导入到FEKO里进行计算；

(2)设定电磁波的入射参数和角度；

(3)进行电磁波的频率设置，点击FEKO软件的Linearlyspaceddiscretepoints，设定频率的起始和终结点，则他们之间的差值就是信号的带宽；

(4)选定仿真条件为远场计算，选择Calculatefieldsinplanewaveincidentdirection，即默认远场计算的条件；

(5)利用FEKO自带的mesh功能对3D船舶模型进行网格剖分；

(6)RCS预估方法的选择，选用FEKO自带的以经典的矩量法为基础的多层快速多级子法进行RCS预估；

(7)提取FEKO计算得到的.out文件中的RCS数据

1.3.对目标散射截面积RCS进行傅里叶反变换得到的全姿态角下的目标一维距离像。

第二步：根据ISAR成像原理，利用第一步获得的全姿态角下的目标一维距离像，在小角区内借鉴距离多普勒成像方法，重构目标各小角区内的二维散射中心模型，如图2。

第三步：根据发射电磁波的形式与二维散射中心模型进行卷积得到原始目标射频回波，原始目标射频回波经过混频及低通滤波器处理后得到最终的目标回波序列s(n,t)；

3.1雷达目标回波序列可以认为是发射信号与二维散射中心模型的卷积过程，根据目标散射的特点，第n个雷达发射脉冲相对于发射功率和距离的归一化目标回波y(n,t)由公式(1)求得：

$>y(n,t)={\int }_{-L_n}^{L_n}{\int }_{-D_n}^{D_n}{G}^2\left({\theta }_{x,y}\right)\sigma (x,y)rect\left(\frac{t-{\tau }_0-{\tau }_y+nT}{T_p}\right)e^{j2{\mathrm{\pi f}}_0(t-{\tau }_0-{\tau }_y)}dxdy---\left(1\right)$>

其中，2D_n和2L_n表示目标在坐标系中的横向尺寸与纵向尺寸，σ(x,y)表示目标在坐标(x,y)处的散射强度，τ₀为目标几何中心到雷达的双程延迟，τ_y为坐标(x,y)到目标几何中心的双程延迟，函数为矩形窗函数，可以表示为$>rect\left(\frac{t}{T_p}\right)=\{\begin{array}{cc}1,& \left|t\right|\le \frac{Tp}{2}\\ 0,& else\end{array},$>在小角区内天线方向图G(θ)近似为常数时(1)式可写为：

$>y(n,t)={\int }_{-L_n}^{L_n}\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}{G}^2\left({\theta }_i\right){\int }_{-D_n}^{D_n}\left[\sigma (x,y)dx\right]rect\left(\frac{t-{\tau }_0-{\tau }_y+nT}{T_p}\right)e^{j2{\mathrm{\pi f}}_0(t-{\tau }_0-{\tau }_y)}dy---\left(2\right)$>

其中，i＝1,2,...,K，K为角区个数。θ_i为第i角区偏离波束中心指向的角度，表示该方位角下目标散射函数在纵向上的投影，即目标的一维距离像，是二维散射中心模型。

3.2原始目标射频回波经过混频及低通滤波器处理后得到最终的目标回波序列s(n,t)

$>s(n,t)={\int }_{-L_n}^{L_n}\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}{G}^2\left({\theta }_i\right){\int }_{-D_n}^{D_n}\left[\sigma (x,y)dx\right]rect\left(\frac{t-{\tau }_0-{\tau }_y+nT}{T_p}\right)e^{j2{\mathrm{\pi f}}_0(-{\tau }_0-{\tau }_y)}dy---\left(3\right)$>

第四步：为保证建立的船舶导航雷达目标回波序列的有效性，需对目标回波序列s(n,t)有效性校验；

4.1.记Y为仿真回波序列s(n,t)，首先得到目标回波序列Y的m个仿真特征样本，Y_i＝{y_i(1),y_i(2),...,y_i(n)}^T，i＝1,2,...,m。

4.2.由均值$>\bar{Y}=\frac{1}{m}\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{Y}_i\right)$>和协方差$>S=\frac{1}{m-1}\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}(Y_i-\bar{Y}){(Y_i-\bar{Y})}^T$>计算得到实测回波特征样本X与仿真特征样本均值之间的平均马氏距离$>D(X,\bar{Y})=\sqrt{\frac{1}{n}{(X-\bar{Y})}^T{S}^{-1}(X-\bar{Y})}.$>

4.3.然后得到目标回波序列Y的另一种特征的m^*个仿真特征样本$>Y_i^{*}={\{y_i^{*}\left(1\right),y_i^{*}\left(2\right),...,y_i^{*}\left(n\right)\}}^T,i=1,2,...,m.$>

4.4.由下式计算仿真特征样本与仿真特征样本均值之间的平均马氏距离

$>D(Y_i^{*},\bar{Y})=\sqrt{\frac{1}{n}{(Y_i^{*}-\bar{Y})}^T{S}^{-1}(Y_i^{*}-\bar{Y})}$>

4.5.设d^*为$>D(Y_i^{*},\bar{Y}),(i=1,2,...,m)$>中满足下式的的个数：

$>D(Y_i^{*},\bar{Y})\ge D(X,\bar{Y})$>

4.6.对于给定的显著性水平ρ，由公式ρ^*＝d^*/m^*计算ρ^*，若ρ^*≤ρ，则可以断定实测回波特征样本X与仿真特征样本均值Y存在显著性差异，仿真回波不可以用来补充真实回波。

第五步：检验合格后得到的回波序列按照方位顺序排列起来并进行波前对齐处理，投影到方位-距离坐标平面得到目标二维回波序列像。

当天线波束扫过目标时，按天线扫描方向，如图3-1会顺序出现三种情况，1)天线波束进入目标但没有完全覆盖目标，此时回波幅度处于上升段；2)天线波束完全覆盖目标，此时回波幅度处于平稳段；3)天线波束前沿退出目标，而后延尚未退出，天线波束没有完全覆盖目标，此时回波幅度处于下降段，如图3-2。将扫描状态得到的回波序列按照方位顺序排列起来并进行波前对齐处理，如图4-1，投影到方位-距离坐标平面得到目标二维回波序列像，如图4-2。