[发明专利]一种船舶导航雷达信号仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于民用船舶导航技术领域，其利用雷达技术、信号处理、计算机辅助设计技术、高频电磁计算技术和计算机仿真技术等实现仿真多种船舶导航雷达系统、不同结构船舶、不同航行海情等级时船舶目标的回波，仿真的船舶目标回波信号能够逼真地反映对象雷达的散射环境。

背景技术

船舶导航雷达，通常安装在港口船舶交通管理系统（VTS）中和船舶上，可以用于航行避让、船舶定位、狭水道引航等目的，在能见度低时能够为航海人员提供良好的观察手段。尽管目前大多数船舶都安装了先进的通信、导航、助航设备，但是各种各样的事故仍然层出不穷。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所导致的。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，航海雷达模拟器越来越受到人们的重视，它以其灵活、通用、高效和低成本等特点，显著提高了航海人员的雷达导航能力，有效地减少了航海事故的发生，成为航海雷达研究的一个新的热点。

船舶导航雷达模拟器的核心组成部分是船舶导航雷达信号模拟器。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，研究了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。

相关文献请参阅：

沈良.船舶导航雷达回波信号仿真研究[D].大连：大连海事大学，2007

周雪峰.船舶导航雷达的回波研究与模拟[D].大连：大连海事大学，2008

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回波信号，生成不同体制船舶导航雷达、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，建立海上目标样本库，为船舶导航模拟器提供仿真雷达回波信号，为航海人员的教学和培训提供丰富、真实、可靠的雷达回波信号源。

雷达目标回波反映了目标的物理结构、材料特性，是确定目标身份和属性的重要依据之一。计算机仿真模拟了目标的物理结构、电磁散射特性以及雷达的信号处理系统，所得回波准确反映了目标的物理结构等特性。

为了实现船舶导航雷达信号模拟器，首先采用计算机辅助设计技术，建立海上船舶目标的三维CAD模型，然后利用高频电磁计算方法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，最后对雷达发射波形及得到的目标一维距离像进行卷积；根据目标运动的状态，引入多普勒频移因子；根据目标所处位置，引入距离衰减因子；加上海杂波模型，进行低通滤波得到最终得到船舶导航雷达仿真回波。

本发明采用的技术方案如下：

（1）建立船舶目标的三维CAD模型

采用计算机辅助设计技术，建立船舶模型库。首先需要搜集关于所建模型的详细的几何结构信息，可以通过相关专业船舶杂志和网络资源提供的船舶设计线图以及现场实拍等方式获取船舶的真实图片。根据所获取的目标模型的线图等比例的绘制模型，模型只需要反应船舶目标的大致结构不需要太精细。

（2）建立船舶目标的一维距离像模板库

使用高频电磁计算方法，依据雷达发射信号的频率和带宽设定高频电磁计算方法的照射频率，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，利用电磁计算方法得到不同点频下目标的频域响应，然后使用逆傅里叶变换得到该姿态角下的一维距离像。一维距离像依赖于姿态角的变化，如果目标相对雷达的方向发生变化，所得一维距离像也将随之改变，因此建立目标全姿态角的一维距离像模板库，以此来获得目标各个角度的雷达回波。

（3）建立船舶目标的仿真回波样本库

假设分别用2D_n和2L_n表示目标在坐标系中的横向尺寸与纵向尺寸，用σ(x,y)表示目标在坐标(x,y)处的散射强度。根据目标散射的特点，第n个脉冲相对于发射功率和距离的归一化目标回波为：