CN117907950A - 一种机载涡旋雷达系统目标散射回波模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种机载涡旋雷达系统目标散射回波模拟方法。其实现步骤是:1.获取目标相对于涡旋雷达系统的角度信息序列;2.仿真基于角谱理论的目标涡旋散射系数时域序列;3.对目标涡旋散射系数时域序列插值处理;4.仿真涡旋雷达系统目标散射回波时间序列;首先利用提前试验规划的机载涡旋雷达系统的运动航迹和目标位置计算角度信息序列,接着采用物理光学法仿真基于角谱理论的目标涡旋散射系数时域序列。在此基础上,完成数据插值和时域拓展序列构建,从而结合逆傅里叶变换和卷积处理获得目标远场散射接收回波。该方法为新体制涡旋雷达目标回波模拟提供了一种高效仿真途径。
Description
技术领域
本发明属于新体制雷达技术领域,更进一步涉及雷达系统回波模拟方法,可为研制多模态机载涡旋雷达系统提供一种高效的回波模拟手段。
背景技术
涡旋电磁波因携带有轨道角动量信息,相比于传统电磁波有着更高维度的信息调制自由度,在雷达目标检测和成像领域具有很大的应用潜力。作为一项前沿技术,大量学者探索了涡旋电磁波雷达OAM特性:在雷达成像领域,可实现超分辨率成像以及高速目标高精度成像;在无线通信领域,可极大地增加通信容量和频率效率;在目标探测领域,可感知更为丰富的目标旋转多普勒信息。深入认知新体制涡旋电磁波雷达特性,可促进成像、感知和通信等领域的发展和应用。
传统雷达在目标探测过程中都是基于平面波近似条件,雷达接收的回波均为目标对平面波的散射,而涡旋电磁波具有螺旋形结构的相位波前,波前的连续变化使得涡旋电磁波具有对雷达目标在方位向进行分辨的能力。涡旋雷达系统研制相比于传统雷达系统,重点在于涡旋波天线发射和多模态接收解调,除了系统本身指标参数设计外,如何评估目标涡旋系统性能则是衡量涡旋雷达系统工程实用性的重要问题。系统外场实验过于繁琐、成本高且不可控,传统雷达系统仿真技术可实现快速、低成本地检验雷达系统性能。然而,随着近些年来对电磁仿真系统模拟的高要求与数字孪生技术的发展,仅依据统计模型的目标对象模拟,不能真实反映目标动态条件下的散射特性,已不满足新体制涡旋雷达研制的技术反馈需求。
目前,设计出能远距离传输、保持较高纯度且发散角小的涡旋电磁波,将打破制约涡旋雷达长远发展和应用的瓶颈问题。通过结合涡旋雷达系统指标设计方案,实时调用目标散射系数仿真时域拓展序列数据集,并与雷达发射中频基带信号进行卷积处理,生成具有目标散射特性的涡旋雷达目标回波信号,进而实现快速评估涡旋雷达系统指标与功能,全面地验证涡旋雷达对目标的探测性能,确保系统指标设计,针对性的规划外场机载试验方案,减少不确定性影响因素干扰外场测试评估。
综上,有必要研究涡旋雷达目标散射回波模拟方法,进一步提升涡旋雷达系统工程应用潜力。
发明内容
本发明解决的技术问题是:填补新体制涡旋雷达回波模拟不足,提出一种机载涡旋雷达系统目标散射回波模拟方法,解决新体制涡旋雷达回波模拟和系统性能指标验证问题。
本发明的技术方案是:一种机载涡旋雷达系统目标散射回波模拟方法,包括:
根据提前试验规划的机载涡旋雷达系统的运动航迹,按照机载涡旋雷达系统的飞行速度,解算出待测目标相对于涡旋雷达系统的角度信息序列;
根据机载涡旋雷达系统的频率、带宽以及所述角度信息序列,仿真得到基于角谱理论的目标涡旋散射系数时域序列;
对所述目标涡旋散射系数时域序列进行插值扩充处理,得到目标涡旋散射系数时域拓展序列;
根据所述目标涡旋散射系数时域拓展序列,仿真得到带有目标散射特性的机载涡旋雷达系统目标回波信号。
优选的,所述获取目标相对于机载涡旋雷达系统的角度信息序列包括:
根据提前试验规划的机载涡旋雷达系统的运动航迹,按照机载涡旋雷达系统的飞行速度,确定每个时刻涡旋雷达系统的地理坐标(l0,la,h),根据机载涡旋雷达系统的地理坐标(l0,la,h)确定机载涡旋雷达系统的地心坐标(x0,y0,z0);
根据待测地面静止目标地理坐标(l0m,lam,hm)确定目标地心坐标(x1,y1,z1),结合目标的经纬度,确定目标的北天东坐标(x2,y2,z2);
根据目标的北天东坐标(x2,y2,z2)确定目标雷达天线阵面坐标(x3,y3,z3);
根据目标雷达天线阵面坐标(x3,y3,z3)确定目标在极坐标下相对于雷达的方位角和俯仰角θ,进而得到角度信息序列。
优选的,所述仿真得到基于角谱理论的目标涡旋散射系数时域序列包括:
假设仿真数据采样频率间隔为Δf,由于fi,1=f0-Bw/2为起始频率,fi,N=f0+Bw/2为终止频率,则仿真频率组数N=Bw/Δf+1;Bw为涡旋雷达的带宽,f0为涡旋雷达工作中心频率;
采用步骤1给出的角度信息序列其中,T与涡旋雷达系统运动距离Lrange和运动速度V相关,T=Lrange/V;
针对第i组角度信息,求解频率fi,p|p=1,2,3,...N条件下目标散射系数,获得T*N组散射系数时域序列Htemp(fi,p)。
优选的,所述仿真数据采样频率间隔为Δf≥0.01GHz。
优选的,所述的插值扩充处理按采样率Nw≥nBw的采样点数扩充目标涡旋散射系数时域序列,n≥2。
优选的,插值扩充后的散射系数时域序列定义为H0(fi,p),对扩充后的散射系数时域序列进行逆快速傅里叶变换,获得目标涡旋散射系数时域模型数据序列,记为h0(ti,p),即,针对每组角度信息扩充后的每组目标涡旋散射系数系数时序序列所在的时刻ti,p=(p-(Nw-1)/2-1)·Δt,扩充后的时域间隔Δt=2/(Nw-1);则针对每组目标涡旋散射系数时域拓展序列为:
h(ti,p)=h0(ti,p)·exp(j2πf0ti,p)
优选的,所述根据所述目标涡旋散射系数时域拓展序列,仿真得到带有目标散射特性的涡旋雷达目标回波信号包括:
根据雷达与目标之间的距离确定第i组角度序列采样的延迟;
利用所述延迟结合目标涡旋散射系数时域拓展序列得到带有目标散射特性的涡旋雷达目标回波信号。
优选的,根据得到的带有目标散射特性的涡旋雷达目标回波信号,通过脉冲压缩处理得到回波信号匹配滤波后的脉压结果,获取仿真分辨率验证涡旋雷达系统性能。
本发明与现有技术相比有益效果为:
结合机载涡旋雷达系统航迹和目标位置解算探测角度信息序列,利用FEKO等成熟商业软件建立目标CAD网格剖分模型,采用成熟物理光学法仿真目标涡旋散射系数,获取目标涡旋散射系数时域序列数据;在此基础上建立数据插值和时域拓展序列,结合逆傅里叶变换和卷积处理,获得更趋近于真实场景的目标远场散射接收回波,可解决新体制涡旋雷达系统指标设计与验证,实现涡旋雷达系统工程应用研制需求,具有较高的实用价值。
附图说明
图1为涡旋雷达系统目标散射回波模拟方法框图;
图2涡旋雷达探测目标飞行航迹示意图及俯仰角序列曲线;
图3模态1涡旋天线辐射场幅度和相位空间分布;
图4涡旋雷达照射平板目标散射系数数据;
图5涡旋雷达飞行过程散射回波模拟信号;
图6涡旋雷达系统目标回波脉冲压缩结果。
具体实施方式
下面对本发明实施作进一步的详细描述。
本发明的使用场景为:
本发明针对新体制涡旋雷达目标回波模拟问题,提出了一种机载涡旋雷达系统目标散射回波模拟方法,与雷达回波模拟方法相比:结合机载涡旋雷达系统航迹和目标位置解算探测角度信息序列,利用FEKO等成熟商业软件建立目标CAD网格剖分模型,采用成熟物理光学法仿真目标涡旋散射系数,获取目标涡旋散射系数时域序列数据;在此基础上建立数据插值和时域拓展序列,结合逆傅里叶变换和卷积处理,获得更趋近于真实场景的目标远场散射接收回波,可解决新体制涡旋雷达系统指标设计与验证,实现涡旋雷达高可靠性研制需求,具有较高的实用价值。
其实现步骤如下:
步骤1获取目标相对于涡旋雷达系统的角度信息序列。
首先根据涡旋雷达系统的运动航迹解算出待测目标相对雷达的方位角和俯仰角θ关系序列,核心是进行目标与涡旋雷达系统的坐标系转换,分别定义雷达系统的实时地理坐标为(l0,la,h),地面待测静止目标的地理坐标为(l0m,lam,hm),地理坐标值由GPS设备现场获取;雷达地心坐标为(x0,y0,z0),目标地心坐标为(x1,y1,z1),目标的北天东坐标(x2,y2,z2),目标雷达天线阵面坐标为(x3,y3,z3),各坐标表达式如下:
雷达的地心坐标为:
上式中,l0、la和h分别为雷达系统的经度、维度和高度;n为地球卯酉圈曲率半径,e为第一偏心率,a为地球长半轴,其中a=6378136.49m,e=0.0818。
目标的地心坐标为:
上式中,l0m、lam和hm分别为待测目标的经度、维度和高度;
目标的北天东坐标为:
目标雷达天线阵面坐标为
上式中,αt为雷达天线阵面绕正东方旋转角度,βt为雷达天线绕地理北极旋转角度。
则,目标在极坐标下相对于雷达的方位角和俯仰角分别为:
步骤2仿真基于角谱理论的目标涡旋散射系数时域序列。
假设涡旋雷达工作中心频率为f0且带宽为Bw,设置基于贝塞尔波束的涡旋波等效角谱数目为Noam,即等效平面波角谱间隔为dβ=2π/Noam;贝塞尔波束半锥角为α0,则涡旋电磁波照射到目标的波束矢量各分量可用下式表示:
上式中,角谱变量βj=jdβ,j=1,2,...Noam,λ=c/f0为涡旋波雷达波长,c为光速,一般取3×108m/s。
采用公开文献中的物理光学法,可仿真给定频率f0、入射角θ和方位角情况下的目标散射系数,即
上式中,Ms为目标模型网格剖分的面元个数,S表示对涡旋电磁波照射到的面元,ds表示单个面元的面积,可由商业软件FEKO导入;表示目标相对于涡旋雷达位置的单位矢量;R⊥,R//分别为目标表面垂直极化波和平行极化波的反射系数,对于导体目标R⊥=-1,R//=1;/>和/>为反射电场平行和垂直入射面的极化方向;/>为面元法向矢量;/>为每个角谱子波束的入射场,其定义由物理光学法给出,上标i表示入射波;k=2π/λ表示涡旋电磁波的空间波数;l为涡旋雷达系统发射的涡旋模态值。
实际涡旋雷达在入射角θ和方位角一定的情况下,目标散射系数为扫频数据格式,定义为Htemp(fi,p),其中,i=1,2,3,…,T,T为角度信息序列号;p=1,2,…,N,N为仿真频率组数。
初步仿真按粗采样频率间隔Δf进行,由于fi,1=f0-Bw/2为起始频率,fi,N=f0+Bw/2为终止频率,则仿真频率组数N=Bw/Δf+1。采用步骤1给出的输入角度参数信息序列为其中,T与涡旋雷达运动距离Lrange和运动速度V相关,T=Lrange/V;针对第i组角度信息,求解频率fi,p|p=1,2,3,...N条件下目标散射系数,获得T*N组散射系数时域序列Htemp(fi,p)。
步骤3对目标涡旋散射系数时域序列插值处理。
为保证雷达系统无失真采样,根据香农采样定理,采用插值算法按采样率Nw=2Bw的采样点数扩充步骤2中散射系数时域数据,此时,插值扩充后的散射系数时域序列定义为H0(fi,p)。对扩充后的散射系数时域序列进行逆快速傅里叶变换,获得目标涡旋散射系数时域模型数据序列,记为h0(ti,p),即,针对每组ti,p=(p-(Nw-1)/2-1)·Δt,Δt=2/(Nw-1)。则针对每组/>目标涡旋散射系数时域拓展序列为:
h(ti,p)=h0(ti,p)·exp(j2πf0ti,p) (10)
步骤4仿真目标涡旋雷达散射回波时间序列。
定义涡旋雷达发射激励信号形式为sr(t),考虑涡旋雷达采样点延迟和多普勒处理后的信号与散射特性时间序列进行卷积计算,即可得到带有目标散射特性的涡旋雷达目标回波信号s0(t),即。
上式中,τi为第i组角度序列采样的延迟,Ri表示目标地心坐标(x1,y1,z1)和涡旋雷达系统地心坐标(x0,y0,z0)的距离。
步骤5:回波信号脉压处理获取系统分辨率性能。
通过脉冲压缩处理得到回波信号匹配滤波后的脉压结果,根据3dB带宽结果获取仿真分辨率,验证涡旋雷达系统性能。
下面通过仿真数据对本发明的效果做进一步说明。
首先定量分析给定模态涡旋雷达远场目标散射特性。如图2中的(a)所示,目标位置处为简单平板,机载涡旋雷达系统运动航迹为平飞,飞行高度为1000m,飞行速度为20m/s,期间飞行距离为2000m,目标处于航迹正中间,则角度信息序列变化范围是俯仰角θ=45~90度,方位角为0和180度,如图2中的(b)所示,目标涡旋散射始终为后向散射。涡旋雷达中心频率为10GHz,带宽600MHz,发射模态1的涡旋电磁波;涡旋雷达系统入射场为图3所示,采用物理光学法仿真平板目标远场RCS,粗采样按照频率间隔0.01MHz,针对每组/>进行目标涡旋散射特性数据仿真,则涡旋雷达照射平板目标散射特性数据序列如图4所示。对数据插值后的时间序列进行卷积计算,即可得到目标回波模拟信号,如图5所示。对回波信号脉压处理后得距离向剖面,如图6所示,根据仿真设置的参数可以计算得到系统分辨率为0.252m,与系统带宽600MHz设计值一致。
仿真分析结论:对于涡旋雷达回波模拟,利用本发明方法可获得更趋近于真实场景的目标远场散射接收回波,并验证仿真系统性能。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。
Claims (8)
1.一种机载涡旋雷达系统目标散射回波模拟方法,其特征在于包括:
根据提前试验规划的机载涡旋雷达系统的运动航迹,按照机载涡旋雷达系统的飞行速度,解算出待测目标相对于涡旋雷达系统的角度信息序列;
根据机载涡旋雷达系统的频率、带宽以及所述角度信息序列,仿真得到基于角谱理论的目标涡旋散射系数时域序列;
对所述目标涡旋散射系数时域序列进行插值扩充处理,得到目标涡旋散射系数时域拓展序列;
根据所述目标涡旋散射系数时域拓展序列,仿真得到带有目标散射特性的机载涡旋雷达系统目标回波信号。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述获取目标相对于机载涡旋雷达系统的角度信息序列包括:
根据提前试验规划的机载涡旋雷达系统的运动航迹,按照机载涡旋雷达系统的飞行速度,确定每个时刻涡旋雷达系统的地理坐标(l0,la,h),根据机载涡旋雷达系统的地理坐标(l0,la,h)确定机载涡旋雷达系统的地心坐标(x0,y0,z0);
根据待测地面静止目标地理坐标(l0m,lam,hm)确定目标地心坐标(x1,y1,z1),结合目标的经纬度,确定目标的北天东坐标(x2,y2,z2);
根据目标的北天东坐标(x2,y2,z2)确定目标雷达天线阵面坐标(x3,y3,z3);
根据目标雷达天线阵面坐标(x3,y3,z3)确定目标在极坐标下相对于雷达的方位角和俯仰角θ,进而得到角度信息序列。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述仿真得到基于角谱理论的目标涡旋散射系数时域序列包括:
假设仿真数据采样频率间隔为Δf,由于fi,1=f0-Bw/2为起始频率,fi,N=f0+Bw/2为终止频率,则仿真频率组数N=Bw/Δf+1;Bw为涡旋雷达的带宽,f0为涡旋雷达工作中心频率;
采用步骤1给出的角度信息序列其中,T与涡旋雷达系统运动距离Lrange和运动速度V相关,T=Lrange/V;
针对第i组角度信息,求解频率fi,p|p=1,2,3,...N条件下目标散射系数,获得T*N组散射系数时域序列Htemp(fi,p)。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:所述仿真数据采样频率间隔为Δf≥0.01GHz。
5.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:所述的插值扩充处理按采样率Nw≥nBw的采样点数扩充目标涡旋散射系数时域序列,n≥2。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:插值扩充后的散射系数时域序列定义为H0(fi,p),对扩充后的散射系数时域序列进行逆快速傅里叶变换,获得目标涡旋散射系数时域模型数据序列,记为h0(ti,p),即,针对每组角度信息扩充后的每组目标涡旋散射系数系数时序序列所在的时刻ti,p=(p-(Nw-1)/2-1)·Δt,扩充后的时域间隔Δt=2/(Nw-1);则针对每组/>目标涡旋散射系数时域拓展序列为:
h(ti,p)=h0(ti,p)·exp(j2πf0ti,p)
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述根据所述目标涡旋散射系数时域拓展序列,仿真得到带有目标散射特性的涡旋雷达目标回波信号包括:
根据雷达与目标之间的距离确定第i组角度序列采样的延迟;
利用所述延迟结合目标涡旋散射系数时域拓展序列得到带有目标散射特性的涡旋雷达目标回波信号。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:根据得到的带有目标散射特性的涡旋雷达目标回波信号,通过脉冲压缩处理得到回波信号匹配滤波后的脉压结果,获取仿真分辨率验证涡旋雷达系统性能。
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CN119229479A (zh) * | 2024-12-03 | 2024-12-31 | 杭州电子科技大学 | 一种基于射频热图数据增强的人体姿态估计方法 |
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- 2023-12-28 CN CN202311849709.4A patent/CN117907950A/zh active Pending
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