[发明专利]一种高频雷达探测船尾波的信号建模方法

说明书

本发明公开了一种高频雷达探测船尾波的信号建模方法，应用Wigley船体模型，通过仿真舰船Kelvin尾波波高图，得到其波高谱。Kelvin尾波波高谱与海浪谱相加得到叠加谱，代入高频雷达海面后向散射模型进行海洋回波多普勒谱的仿真。对结果加窗平滑，并添加噪声后，最终仿真得到了高频雷达船尾波信号。首次完成了该信号的仿真工作，验证了在海况相对平静，船体尺寸较大，船速较快的前提下，高频雷达在海杂波叠加下探测船尾波是可行的。

技术领域

本发明属于海洋遥感领域，尤其涉及一种高频雷达探测船尾波的信号建模方法。

背景技术

船只在海洋中航行会产生船尾波，探测船尾波对于船只航行管理和海洋环境监测都具有重要的意义，最近受到了广泛关注。

船尾波的特殊性在于，无论舰船使用何种动力，只要在行进中，船体都会与水体发生相互作用，在船尾产生扇形区域的波动。同时，通过大量的观测和实验测量，人们发现船尾波具有范围大、持续时间长的特点。船尾波探测不仅可以弥补雷达传统探测方法的局限不足，而且可能获得有助于目标分类的信息以及给未来舰船的设计提供参考。

海洋雷达探测船尾波的研究一直不曾间断，不过绝大部分是基于微波合成孔径雷达，关于高频雷达船尾波探测的工作很少。综上所述，研究高频雷达船尾波探测是有意义的，而高频雷达船尾波信号的建模方法也缺乏系统的研究。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种高频雷达探测船尾波的信号建模方法。该方法的提出填补了船尾波探测研究的一个空白。

本发明的技术方案为一种高频雷达探测船尾波的信号建模方法，包含以下步骤：

步骤1，Kelvin尾波波高图仿真。以船体吃水线所在平面中心点为原点，原点指向船尾为x轴正方向，垂直于吃水线平面向上为z轴正方向建立右手坐标系。兼顾计算复杂度和贴近实际的要求，选定仿真所用船体几何模型为Wigley椭圆船型。根据船尾波的特征，选定船尾一个边长为L的正方形区域作为仿真区域。仿真区域四个角分别为(O,±L/2)和(L,±L/2)。

步骤1.1，给定仿真参数。即船体几何参数和船速U。由船速可算得纯横断波波数k₀＝g/U²，g是重力加速度。

步骤1.2，在参数选定后，进行离散化操作。首先，给定离散化点数，对仿真区域x轴数值区间和y轴数值区间进行离散化得到两个行向量和其次，给定离散化点数，对船体中心平面长度方向x轴数值区间和吃水深度方向z轴数值区间进行离散化得到两个行向量和最后，给定离散化点数，离散波传播角数值区间得到行向量

步骤1.3，仿真计算。根据Kelvin尾波波高公式，先通过对船体中心平面的双重积分得到舰船自由波谱，再对波传播角进行积分得到仿真区域离散点的波高。最终计算得到二维矩阵ζ，即Kelvin尾迹波高图。

步骤2，Kelvin尾波波高谱仿真。对步骤1所得二维矩阵ζ做二维离散傅里叶变换得到二维矩阵ζ_k。ζ_k取模的平方再除以L²得到二维矩阵S_wake，即Kelvin尾迹波高谱。

步骤3，高频雷达海面回波谱仿真。选择散射模型为Barrick根据微扰法建立的单基地高频雷达海面后向散射模型，仿真输入的有向海浪谱由PM谱和Longuet-Higgins方向因子组成。

步骤3.1，参数赋值。包括海浪谱参数和雷达参数。

步骤3.2，参数归一化。给出归一化波矢量、归一化多普勒频率、归一化耦合系数、归一化海浪谱和归一化回波谱的定义。

步骤3.3，离散化。给定离散化点数，离散归一化频率区间得到行向量将海浪谱离散化得到S_wave矩阵，并与步骤2得到的S_wake矩阵相加，得到叠加谱矩阵S。