一维距离像扩展目标模拟方法研究.pdf

总第2 3 3 期 2 0 1 3 年第1 1 期 舰船电子工程 S h i pE l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g V o L3 3N o 1 1 4 3 一维距离像扩展目标模拟方法研究。 孔令峰张坤峰 ( 中国船舶重工集团公司第七二三研究所扬州 2 2 5 0 0 1 ) 摘要针对高分辨率雷达一维距离像扩展目标，分析了回波信号的形成原理，建立了回波信号数学仿真模型，给出了目标R C S 调制 因子的解算方法，并进行了模拟仿真验证。仿真结果表明，采用论文所述的方法进行一维距离像扩展目标的模拟仿真，能够较为真实的反映 高距离分辨率雷达的回波信号特性。 关键词一维距离像；扩展目标；模拟仿真 中图分类号T N 9 5D O I ：1 0 3 9 6 9 j i s s n l 6 7 2 9 7 2 2 2 0 1 3 1 1 0 1 6 S i m u l a t i o nM e t h o do fO n e - D i m e n s i o n a lR a n g eP r o f i l eE x t e n d e dT a r g e t K O N G L i n g f e n g Z H A N GK u n f e n g ( N o 7 2 3R e s e a r c hI n s t i t u t e ，C h i n aS h i p b u i l d i n gI n d u s t r yC o r p o r a t i o n ，Y a n g z h o u2 2 5 0 0 1 ) 脚a s t m g tF o rt h eo n e - d i m e n s i o n a lr a n g ep r o f i l ee x t e n d e dt a r g e to fh i g hr a n g er e s o l u t i o nr a d a r ，t h ep r i n c i p l eo ft h ee c h oo fr a n g ee x t e n d e dt a r g e tc o m e si n t ob e i n gi sa n a l y s e d ，t h em a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d ，t h es o l u t i o nm e t h o do ft h eR C Sm o d u l a t i o nf a c t o ri sp r o v i d e d 。a n da sw e l la st h es i m u l a i t o nt h e o r yi sv a l i d a t e d T h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o wt h a ts i m u l a t i n gt h eo n e - d i m e n s i o n a lr a n g ep r o f i l e e x t e n d e dt a r g e tm a k i n gu s eo ft h et e c h n i q u ei nt h ep a p e r ，t h ec h a r a c t e ro fh i g hr a n g er e s o l u t i o nr a d a re c h oc a nb er e f l e c t e da c t u a l l y K e yW o r d so n e - d i m e n s i o n a lr a n g ep r o f i l e ，e x t e n d e dt a r g e t ，s i m u l a t i o n C I a s sN n 由e rT N 9 5 1引言 早期雷达系统的目的仅仅是用来确定目标是否存在， 并测定它们在空间的位置，其距离分辨率取决于脉冲宽 度 1 ，称为低分辨率雷达。通常认为实际的目标回波与发 射信号具有相同的形式。 随着雷达技术的发展及在军事、科技等领域中发挥的 巨大作用，人们对雷达功能提出越来越高的要求，希望能够 从目标回波中获得尽可能多的目标信息，现代雷达不仅能 够高精度地测量目标距离、速度、角度等位置信息，还可以 对目标进行成像与识别，其距离分辨率从百米量级提高至 米级甚至是分米级。在高分辨率雷达信号的照射下，目标 回波与发射信号不再具有相同的形式，目标后向电磁散射 在时域上呈现出很多尖锋和低谷 2 ，常规的“点目标”回波 模拟方法已不能满足现代越来越多高分辨率雷达目标回波 的模拟要求。本文针对现代高距离分辨率雷达，通过理论 分析和仿真计算，探讨了一维距离像扩展目标的模拟方法。 2 一维距离像扩展目标回波信号的形成原理 根据多散射中心理论：光学区复杂目标的后向散射回 波可以等效为目标物体上所有散射中心回波的合成 3 ，可 以将距离扩展目标的回波近似为距离像上多个强散射中心 对应的点目标回波信号的矢量合成。目标多散射中心及其 回波信号能量在径向距离轴上的投影分布称为目标的一维 距离像 4 ，反映了目标的长度、几何结构等重要特征。 一维距离像扩展目标回波形成过程如图1 所示。 lt l 南壁! 棚嘲网 一 州r I ) 计譬1 ： “堂i ：! 唧阙嘲嗍 舯自帖，l 卜肌 “鱼垂i。册闻 惫笪望i 黑黑_ _旦鎏i 黑黑 一一一一一一i 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 一十忙女斤缸I H 。1 堡望豳嘲删嗍 图1一维距离像扩展目标回波形成原理示意图 3 一维距离像扩展目标回波信号数学模型 基于一维距离像扩展目标回波信号的形成原理，每个分 辨单元可以看作是一个独立的点目标，其回波的持续时间为 脉宽加，相邻分辨单元的回波时延为r = 2 z a r c ，z S r 为雷达 距离分辨单元，C 为电磁波在自由空间中的传播速度。 雷达发射信号的复数形式为 s ( ) = 口( ) e x p D 9 ( ) ( 1 ) 设 E l 、r 、0 和 依次为第i 个目标分辨单元的回波时 + 收稿日期：2 0 1 3 年5 月7 日，修回日期：2 0 1 3 年6 月2 7 日 作者简介：孔令峰，男，工程师，研究方向：雷达电子战仿真。张坤峰，男，高级工程师，研究方向：雷达电子战仿真。 万方数据 4 4 孔令峰等：一维距离像扩展目标模拟方法研究总第2 3 3 期 延、径向距离、R C S 和多普勒频率，G 为发射天线增益，A 为 波长，则第i 个目标分辨单元的回波信号为 s ，( i ，) = 口( 一r 1 ) f ( G 4 丌2 ) z 3 a 万i e x p j 2 机t - q - P ( t - - r i ) ) ( 2 ) 总回波信号为 “沪势m，一要4-1口(t-r1)40磊再 “沪“m ) 一口糯 f =i = 0 7 l e x p j 2 叽t + 9 ( t - - r i ) ) ( 3 ) 考虑以下因素：1 ) 雷达发射信号功率在脉冲内保持不 变；2 ) 目标尺寸相对于雷达到目标的距离很小，各目标分 辨单元由于距离造成的衰减差别可忽略不计，可统一按距 离r o 计算；3 ) 目标尺寸相对于雷达到目标的距离很小，且 为径向排布，各目标分辨单元的多普勒频率近似相同。 回波信号可以写为 趴( 。+ ，、 V _ ( 4 p , G 2 a 2 习嘶2 确霎石 e x p 9 ( t - - r i ) ( 4 ) 将矗考 岛记为幅度调制因子，e x p ( j 2 砒t ) 为多普勒调制因子，石e x p j 妒( 一t ) 记为目标 R C S 调制因子。其中，P 。为雷达发射功率，r o 为目标到雷达 的径向距离，厶为多普勒频率。 可采用对数正态( L o g - N o r m a l ) 模型、C h i - 平方分布 ( C h i S q u a r e ) 模型和莱斯分布( r i c e ) 模型描述目标分辨单元 的R C S 特性 引。 4 目标R C S 调制因子的解算 从扩展目标回波形成的物理过程出发，可通过延迟相 加的方法来产生扩展目标回波信号，延迟相加法的实现过 程如图2 所示。 采样 图2 延迟相加法原理图 从目标R C S 调制因子公式芝：石e x p j 9 0 - - r 1 ) 。i 。= 0 以及数字卷积运算公式y ( n ) 一z ( 卵) * ( 行) 一 ：z ( m ) h 卅罱。 ( 行一m ) ( 式中* 表示卷积运算) 6 ，可以看出，目标R C S 调 制因子的解算过程实质为目标R C s 的电压量厄与雷达发 射采样信号e x p j 妒( ) 的线性卷积过程，因此，我们也可 以用时域卷积法进行解算。 z ( 以) 与 ( 玎) 的线性卷积结果y ( 订) 的点数为L = N + M 一1 点。若将z ( 挖) 前面补充L N M 一1 个0 点，将 ( 玎) 后面补充L M 三N 一1 个0 点，则线性卷积和圆周卷积有 相同的计算结果。根据圆周卷积存在时域卷积对应频域乘 积的性质，即D F T x ( 行) * h ( 行) 一D F T x ( 理) D F T h ( 起) 一X ( 挖) H ( 起) ，因此，可通过频域变换法计算线性卷积， 称为快速卷积川。 频域变换法的计算框图如图3 所示。 图3 频域变换法原理框图 若L 为2 的幂次方，则可通过F F T 和I F F T 进行计算， 进一步加快计算速度。 采用频域变换法实现线性卷积运算需要分别对X ( 行) 和 ( 订) 进行补零处理，配成长度为L = N + M 一1 的两等长 序列。在实际应用中经常遇到两个序列的长度相差很大的 情况，用上述快速卷积计算线性卷积，要求对短序列补很多 0 ，长序列必须全部输人后才能进行快速计算，因此要求存 储容量大，运算时间长，并行处理延时很大，很难实时处理。 可采用长序列分段方法进行计算，典型的分段计算方法有 重叠相加法和重叠保留法。重叠保留法是在重叠相加法基 础上提出来的，其基本思想是：在每段的前端保留原来的输 入序列值，用D F T 实现圆周卷积，将每段变换结果舍掉重 叠部分后的值拼接起来，得到与长序列线性卷积的相同结 果L 8 j 。为了不造成输出信号的遗漏，对z ( n ) 分段时，就需 使相邻两段有M 一1 个点的重叠。第一段z ( ，z ) 由于没有前 一段保留信号，则在其前补充M 一1 个零点值。 5 仿真验证 最常用的四种高距离分辨雷达体制为：线性调频 ( L F M ) 连续波雷达、线性调频脉冲压缩雷达、步进频率雷达 ( S F R ) 和线性调频兼步进频率的调频步进雷达 9 。本文分 别对线性调频脉冲压缩雷达和步进频率雷达的回波信号进 行了仿真验证。 1 ) 线性调频脉冲压缩雷达 线性调频脉冲压缩雷达信号的数学表达式为 1 们 s ( t ) = r e c t ( ) c o s ( 2 确+ 叩等)产一譬( 5 ) 设一距离扩展目标尺寸为0 5 肛s ，相对于雷达的距离 为5 肚s ，其分辨单元R C S 依次为1 、2 、5 、3 、3 ，如图4 所示。 图4 距离扩展目标R C S 分布图 仿真结果如图5 图6 所示。仿真结果显示，采用本文 所述模拟方法产生的扩展目标回波信号，经雷达信号处理 后能够形成扩展目标的一维距离像图形。 M H 2 b ) 发射信号频谱 万方数据 2 0 1 3 年第1 1 期舰船电子工程 4 5 -J p 1 2468 时间t l S c 】回波信号时域波 图5 发射信号与回波信号的时域和频域波形 2 ) 频率步进雷达 频率步进雷达信号是由一串载频线性跳变的雷达脉冲