[发明专利]一种船舶导航雷达信号仿真方法

摘要

本发明属于民用船舶导航技术领域，涉及一种船舶导航雷达信号仿真方法。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软件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。本发明提供了与真实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样本库，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。

主权项

1.一种船舶导航雷达信号仿真方法，其特征包括如下步骤，（1）建立船舶目标的三维CAD模型；（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软件的照射频率，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，利用电磁计算软件得到不同点频下目标的雷达散射截面积，然后使用逆傅里叶变换得到该姿态角下的一维距离像；（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；G(θ)表示天线方向图函数，近似为常数，记作G；θ_x,y为坐标(x,y)与天线波束中心的夹角，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；sr(n,t)=G2∫-LnLn[∫-DnDnσ(x,y)dx]rect(t-τ0-τy+nTTp)ej2πf0(-τ0-τy)dy]]>其中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，雷达回波认为是发射信号与一维距离像的卷积过程；对于平时海情等级不高的情况，加入高斯杂波模型；当杂波的载波角频率为ω₀时，随机杂波过程表示为：c(t)=x(t)cos(ω₀t)+y(t)sin(ω₀t)式中，x(t)、y(t)均为均值为零，方差为σ²的独立高斯过程，其包络|c(t)|=x2(t)+y2(t)]]>具有瑞利概率密度函数f(r)=rσ2exp(-r22σ2),r≥0,]]>其中σ为高斯分布的均方根值。对于雨、雪、雾这种海情等级较高的情况，加入对数-正态杂波模型；海杂波的包络服从对数-正态分布，意味着线性包络检波器的输出v有一维概率密度函数：f(v)=12πσvvexp(-(lnv/vm)22σ2),v≥0;]]>其中σ_v为标准正态分布的标准差；v_m为对数-正态分布的中值；再考虑雷达距离方差引入的衰减系数α=PrPt=G2λ02L21(4πr2Lm)2σ,]]>其中Pr为接收机输入端功率，单位瓦特；Pt为发射机功率；Gt为天线增益；L、Lm分别为发射机内馈线与发射天线到目标传播途径的损耗；σ为雷达目标散射截面积；r为发射天线和接收天线到目标的距离；λ₀为雷达工作波长；考虑到运动目标引入的多普勒频移因子cosθ=cosαcosβ，α为方位角，β为俯仰角；利用电磁计算方法计算得到的一维距离像模板库和雷达发射信号进行卷积，加上高斯杂波模型或者对数-正态杂波模型，经过低通滤波器，再乘以雷达距离方程引入的衰减系数得到最后的雷达目标仿真回波；（5）仿真回波有效性校验，具体步骤为：从仿真回波与真实回波多个特征空间的相容性来进行判别步骤1：首先得到仿真回波Y的m个特征样本，Y_i={y_i(1),y_i(2),...,y_i(n)}^T，i=1,2，...,m。步骤2：由均值Y‾=1m(Σi=1mYi)]]>和协方差S=1m-1Σi=1m(Yi-Y‾)(Yi-Y-)T,]]>可以计算得到实测回波特征样本X与仿真值之间的平均马氏距离D(X,Y‾)=1n(X-Y‾)TS-1(X-Y‾).]]>步骤3：然后得仿真回波Y的m^*个特征样本Yi*={yi*(1),yi*(2),...,yi*(n)}T,i=1,2,...,m]]>步骤4：由下式计算第二步仿真特征样本与第一步仿真特征样本均值之间的平均马氏距离D(Yi*,Y‾)=1n(Yi*-Y‾)TS-1(Yi*-Y‾)]]>步骤5：设d^*为中满足下式的的个数：D(Yi*,Y‾)≥D(X,Y‾)]]>步骤6：对于给定的显著性水平α。若α^*＝d^*/m^*≤α，则可以断定实测样本X与仿真值存在显著性差异，仿真回波不可以用来补充真实回波。