【導(dǎo)航雷達(dá)回波識別的探究11000字（論文）】

導(dǎo)航雷達(dá)回波識別的研究摘要隨著雷達(dá)技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)的逐步結(jié)合，雷達(dá)的性能更加完善，應(yīng)用也更加廣泛。目前，雷達(dá)己經(jīng)普遍應(yīng)用到軍用、民用領(lǐng)域，尤其是在船舶交通管理系統(tǒng)中，雷達(dá)在船舶導(dǎo)航、避碰等方面發(fā)揮著巨大的作用，成為了導(dǎo)航系統(tǒng)中必不可少的設(shè)備。正因為船舶導(dǎo)航雷達(dá)如此重要，研究人員也逐漸開始研究雷達(dá)回波信號。雷達(dá)回波是指雷達(dá)發(fā)射的電磁波在傳播過程中被物體所反射，而后被雷達(dá)接收機(jī)接收到的電磁波。本文的主要內(nèi)容就是通過已經(jīng)記錄的雷達(dá)視頻信號來分析雷達(dá)回波信號的特征。通過對雷達(dá)視頻信號的詳細(xì)分析，可以準(zhǔn)確地掌握船舶導(dǎo)航雷達(dá)的實際工作環(huán)境，并為自動雷達(dá)標(biāo)繪儀(ARPA-AutomaticRadarPlottingAids)和船舶交通管理(VTS-VesselTrafticService)系統(tǒng)的研究、教學(xué)提供實驗基礎(chǔ);同時，也使得人為模擬產(chǎn)生目標(biāo)更加容易、準(zhǔn)確，更加接近實際情況，并能夠為實驗提供信號源，供雷達(dá)信號處理算法的研究和開發(fā)使用，方便了對一該領(lǐng)域及其他相關(guān)領(lǐng)域的研究;最重要的是通過分析目標(biāo)不同特征的統(tǒng)計特性以及雜波特性，能夠清楚地認(rèn)識雷達(dá)信號，使得對雷達(dá)信號的處理(目標(biāo)檢測、識別、跟蹤等)更加迅速、精準(zhǔn)，提高目標(biāo)檢測、跟蹤性能，保證航行的安個性。關(guān)鍵詞：導(dǎo)航；雷達(dá)目標(biāo)檢測；回波識別目錄TOC\o"1-3"\h\u262601緒論 緒論1.1研究背景在雷達(dá)技術(shù)研究、教學(xué)和培訓(xùn)工作中，都離不開對雷達(dá)性能和指標(biāo)的測試，如果全部采用外場測試，將耗費大量的人力、物力、財力，且易受天氣狀況影響，延長研制周期。仿真技術(shù)是利用模型對系統(tǒng)(已有的或設(shè)想的)進(jìn)行研究、分析、評估、決策或參與系統(tǒng)運行的一門多學(xué)科的綜合性技術(shù)。利用現(xiàn)代仿真技術(shù)和數(shù)字電路技術(shù)的雷達(dá)信號模擬器，以其經(jīng)濟(jì)、靈活和可重復(fù)性等優(yōu)點，己成為雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)、測試、教學(xué)和培訓(xùn)中不可缺少的重要組成部分。船舶導(dǎo)航雷達(dá)大量應(yīng)用在船舶和VTS系統(tǒng)中。我國海岸線長，岸線及周邊水域情況復(fù)雜多樣。近幾年，我國VTS建設(shè)項目劇增，其速度居亞洲之首;我國又是航運大國，船舶數(shù)量眾多。所以船舶導(dǎo)航雷達(dá)有著廣闊的市場，其相關(guān)的研究和分析也有著重要的應(yīng)用意義和經(jīng)濟(jì)價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前，雷達(dá)模擬器主要分為只產(chǎn)生雷達(dá)信號的雷達(dá)信號模擬器和完整的虛擬雷達(dá)模擬，前者主要用于雷達(dá)的測試，后者主要用于雷達(dá)操作的演示和訓(xùn)練。美國KORElectronics公司，是全球著名的雷達(dá)模擬器產(chǎn)品制造商之一。該公司的產(chǎn)品大多以數(shù)字射頻存儲器或DSP合成器為基礎(chǔ)，并用幾種不同的信號處理技術(shù)，以便適應(yīng)不同型號的雷達(dá)測試。其輸出信號可以為射頻，中頻，視頻，可以應(yīng)用于整個雷達(dá)生產(chǎn)和測試的各個階段，通用性很強(qiáng)。同時，模擬器也能夠產(chǎn)生大量的實時傳輸?shù)母弑普娑饶繕?biāo)和包括噪聲和雜波在內(nèi)的干擾信息，并附加如多普勒調(diào)制，振幅控制，目標(biāo)截面積等控制功能。英國QinetiQ公司也是雷達(dá)模擬器廠商之一。2007年，該公司為英國國防研制的雷達(dá)回波模擬器，旨在模擬來自導(dǎo)彈、飛機(jī)、小型水面艦船和潛艇潛望鏡等目標(biāo)的真實雷達(dá)回波，同時，該系統(tǒng)也評估英國新型雷達(dá)研究目標(biāo)發(fā)生器(RRTG)與英國先進(jìn)雷達(dá)技術(shù)集成系統(tǒng)試驗床(ARTIST)之間的交互情況。近幾年，我國的雷達(dá)模擬器訓(xùn)練系統(tǒng)也有了長足的發(fā)展。2001年由國防科技大學(xué)研制的某新型雷達(dá)訓(xùn)練模擬器，填補新型雷達(dá)訓(xùn)練無靶標(biāo)和無法進(jìn)行電子對抗訓(xùn)練的國內(nèi)空白。這種新型雷達(dá)訓(xùn)練模擬器，由模擬操作系統(tǒng)、訓(xùn)練指導(dǎo)系統(tǒng)和空襲模擬系統(tǒng)組成。它采用分布交互仿真技術(shù)、電子對抗技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等先進(jìn)手段，通過模擬器實現(xiàn)真實態(tài)勢和場景顯示進(jìn)行操作訓(xùn)練。既可采用聯(lián)網(wǎng)形式進(jìn)行雷達(dá)訓(xùn)練與考核評估，又可在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境下，進(jìn)行搜索和跟蹤目標(biāo)訓(xùn)練、抗電子干擾訓(xùn)練和協(xié)同訓(xùn)練，更適合開展網(wǎng)上練兵訓(xùn)練。訓(xùn)練的操作和動態(tài)顯示過程如同實戰(zhàn)，操作和顯示的真實程度幾乎達(dá)到以假亂真，使防空兵分隊訓(xùn)練無靶標(biāo)和無法進(jìn)行電子對抗訓(xùn)練的難題得以解決。但是我國在民用雷達(dá)測試，包括系統(tǒng)驗收和鑒定階段的應(yīng)用，較之發(fā)達(dá)國家還有一定的差距。1.3研究意義近年來，雷達(dá)模擬器越來越受到人們的重視，它以其靈活、通用、高效、低成本的優(yōu)點，逐漸取代原有的雷達(dá)測試和訓(xùn)練體制，成為雷達(dá)研究的一個新的熱點。船舶導(dǎo)航雷達(dá)，主要安裝在港口VTS系統(tǒng)中和船舶上，它對海雜波中船舶的識別有著較高要求，但并不要求對船舶進(jìn)行形狀識別，海雜波的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和船舶目標(biāo)起伏模型的分析，對船舶導(dǎo)航雷達(dá)有著重要的意義。2目標(biāo)信號模擬研究2.1目標(biāo)信號模型研究2.1.1雷達(dá)方程對于一個全方位輻射天線的雷達(dá)而言，它在空間的輻射模式是呈球狀散射的，因此該雷達(dá)在空間中任意一點的功率密度(PD)可以表示為:顯然，在距離雷達(dá)所在位置R處的雷達(dá)功率密度(PD)可以表示為:PD是雷達(dá)功率密度，P1是雷達(dá)發(fā)射功率，是距離雷達(dá)點R處的圓面積。實際上，雷達(dá)系統(tǒng)往往利用方向性天線來增加雷達(dá)在某一方向上的功率密度。天線的方向性強(qiáng)弱，通常用天線的增益和天線的有效孔徑來衡量，二者的關(guān)系是:其中Ae是天線的有效孔徑，G是天線的增益。因此公式(2.3)式應(yīng)表示為:當(dāng)雷達(dá)所發(fā)射的電磁波遇到目標(biāo)之后，目標(biāo)會把電磁波向各個方向反射出去，反射出去的電磁波與目標(biāo)尺寸、反射方向、物理形狀、目標(biāo)材質(zhì)都有關(guān)系，將這些因素全部考慮進(jìn)去，就引入了一個特別的參數(shù):目標(biāo)對雷達(dá)的散射截面積(RadarCrossSection)，簡稱雷達(dá)截面積，英文簡寫為RCS，通常用符號表示，用公式(2.5)定義:其中，PR是經(jīng)目標(biāo)反射后電磁波的功率，PD是雷達(dá)功率密度。如果把目標(biāo)反射的電磁波看成一個新的輻射源，那么距離該輻射源R處的電磁波功率密度PRD應(yīng)表示為:如果雷達(dá)的接受天線有效孔徑是Ae，則雷達(dá)接收機(jī)所接收的該目標(biāo)反射電磁波功率Pr應(yīng)定義為:將公式(2.5)，(2.6)，(2.7)依次帶入可得：整理得：上式就是著名的雷達(dá)方程。理論上如果雷達(dá)天線接收到的電磁功率Pr大于雷達(dá)接收機(jī)靈敏度Smin，則雷達(dá)就可以識別該目標(biāo)，而雷達(dá)接收機(jī)靈敏度(即最小可檢測信號)所對應(yīng)的距離R，應(yīng)是雷達(dá)的最大作用距離Rmax。綜上所述，雷達(dá)方程式可寫成如下形式:其中，Rmax是雷達(dá)的最大作用距離，P1是雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率，G是雷達(dá)天線的增益，兄是雷達(dá)所發(fā)射的電磁波的波長，Q是目標(biāo)的RCS端是雷達(dá)接收機(jī)靈敏度。公式(2.10)是雷達(dá)作用距離的基本形式，它僅僅表明了雷達(dá)的作用距離和雷達(dá)參數(shù)以及目標(biāo)間的基本關(guān)系。然而，雷達(dá)方程并未考慮各種實際環(huán)境和電磁損耗，而且目標(biāo)的RCS、天線增益、雷達(dá)接收機(jī)靈敏度往往是復(fù)雜的函數(shù)而并非簡單的某個值，因此，公式(2.9)和公式(2.10)常常用來做估算使用的。2.1.2雷達(dá)中頻信號模型從公式(2.10)可知，雷達(dá)發(fā)射功率和雷達(dá)接收功率之間的關(guān)系，而雷達(dá)信號與雷達(dá)功率之間是呈開平方的關(guān)系，所以得到雷達(dá)接收信號的表達(dá)式:如上一節(jié)所述，目標(biāo)的RCS、天線的增益、雷達(dá)的接收機(jī)靈敏度是函數(shù)形式，而并非某個值，因此公式(2.11)更應(yīng)表示為:其中，S1(r)是雷達(dá)發(fā)射的中頻信號，G(t)是目標(biāo)方向上雷達(dá)天線的單程功率增益，y(t)是目標(biāo)的復(fù)散射系數(shù)。從以下四個方面，進(jìn)一步分析公式(2.12)，可知:當(dāng)電磁波照射到一個運動物體而反射回來之后，電磁波的頻率將發(fā)生改變，在原來的頻率基礎(chǔ)上有一個頻率的偏移，這就是多普勒定理。因此雷達(dá)接收的中頻信號還應(yīng)包含一個多普勒偏移，并假定這個多普勒頻率是常數(shù)，表示為fd。雷達(dá)天線的增益，是一個和時間t無關(guān)，而是與a和β有關(guān)的函數(shù)，其中a是目標(biāo)偏離雷達(dá)天線主瓣軸線的水平方向的夾角，β是目標(biāo)偏離雷達(dá)天線主瓣軸線的垂直平方向的夾角。即可將G(t)表示為G()。目標(biāo)的復(fù)散射系數(shù)函數(shù)僅僅具有一個理論上的意義，實際上無法得到一個目標(biāo)的精確散射表達(dá)式，尤其當(dāng)這個目標(biāo)是不規(guī)則形狀時，所以，這里假設(shè)在一個脈沖周期內(nèi)保持不變，可將近似為:其中是目標(biāo)的RCS是目標(biāo)反射引起的相移，此相移用來研究多點散射之間的相干現(xiàn)象的，對于單點反射沒有實質(zhì)意義，可以忽略。因此，可以把復(fù)反射系數(shù)函數(shù)的概念，理解成目標(biāo)幅度的起伏函數(shù)，用符號A（t）表示。(4)雷達(dá)天線發(fā)射電磁波，照射到目標(biāo)之后，反射回來被雷達(dá)天線再次接收，所以接收到的信號相對發(fā)射信號存在著一個時間延遲。綜上，可將公式(2.12)表示為:雷達(dá)發(fā)射信號是連續(xù)的脈沖信號，因此可將表示為:其中，Tr是雷達(dá)發(fā)射脈沖重復(fù)頻率，Tp是發(fā)射脈沖寬度，f0是調(diào)制信號的頻率，是調(diào)制信號的初始相位。Rect(x)是矩形函數(shù)，其可定義為:雷達(dá)發(fā)射信號的調(diào)制方式有四種:常規(guī)脈沖、線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻、相位編碼，但是它們的包絡(luò)都是一樣的，恒為矩形包絡(luò)。所以，用恒包絡(luò)來替代矩形函數(shù)加權(quán)，并用實部來表示接收信號，則雷達(dá)接收到的中頻信號最終表達(dá)式為:其中，為常數(shù)，為恒包絡(luò)信號，為雷達(dá)天線增益，R為雷達(dá)到目標(biāo)的距離，A為目標(biāo)的起伏幅度，f0為調(diào)制信號頻率，fd為多普勒頻移，為調(diào)制信號初始相位。2.1.3雷達(dá)視頻信號模型雷達(dá)視頻信號，是雷達(dá)中頻信號經(jīng)過包絡(luò)檢波后得到的，雷達(dá)回波中頻信號如上公式所示，將其包絡(luò)檢波之后，得:由上式可知，有四個參數(shù)是不斷變化的，必須用函數(shù)求解，而不能簡單的代數(shù)，它們分別是:雷達(dá)到目標(biāo)的距離(R)，天線增益(G)，目標(biāo)的起伏幅度(A)，多普勒頻移(fd)。只要求解除這四個變換的參數(shù)，就可以生成雷達(dá)視頻信號了。2.2視頻回波的參數(shù)提取2.2.1目標(biāo)距離模型如果目標(biāo)和雷達(dá)之間的距離是R，則目標(biāo)到雷達(dá)的距離實際上是通過雷達(dá)發(fā)射的脈沖到達(dá)目標(biāo)，然后反射回來的延遲來確定的，即這里，C是光速，是時間延遲，之所以除2，因為距離是個單程的概念，而時間延遲卻是往返都計算在內(nèi)的。通常來說，一個雷達(dá)在某個方向上，會在極短的時間內(nèi)，發(fā)射接收無數(shù)的脈沖，對目標(biāo)的判決也是對這些脈沖回波累積判決之后的結(jié)果，發(fā)射脈沖和接收脈沖的示意圖，如圖2.1所示。圖2.1雷達(dá)發(fā)射接收脈沖示意圖理論上講，雷達(dá)天線方向上，只要一個脈沖，就包含了該方向上所有的目標(biāo)信息，因此，多脈沖回波就會出現(xiàn)一個叫做距離模糊的現(xiàn)象。我們可以把接收到的第一個脈沖回波認(rèn)為是發(fā)射的第一個脈沖被反射回來，但是，對于第二個脈沖回波，我們既可以把它認(rèn)為是發(fā)射的第二個脈沖被反射回來，也可以認(rèn)為是第一個回波脈沖，在更遠(yuǎn)的距離上被反射回來，而此時，第二個脈沖己經(jīng)發(fā)射了。距離模糊的示意圖，如圖2.2所示。其中，PRI(pulserepeatinterval)是脈沖重復(fù)周期，是脈沖重復(fù)頻率，PRI與二者互為倒數(shù)關(guān)系。圖2.2距離模糊示意圖顯然，距離模糊是與第二個回波有關(guān)的。因此，雷達(dá)一旦發(fā)射了第一個脈沖之后，必須等到最遠(yuǎn)距離的脈沖回來了，才能發(fā)射第二個脈沖，否則會無法分清楚目標(biāo)回波到底是那一個脈沖的反射的結(jié)果。最大模糊距離與脈沖重復(fù)頻率的關(guān)系是:在提取距離參數(shù)的時候，除了要考慮距離模糊的問題之外，還要考慮距離分辨率的問題。本文距離分辨率用表示，該參數(shù)用來表征雷達(dá)區(qū)分相近的兩個目標(biāo)的能力。對于一個雷達(dá)系統(tǒng)而言，在設(shè)計之初就定義了一個最大作用距離Rmax和最小作用距離Rmin,在Rmax和Rmin之間，被分成M等份，每一份的距離是，則M和的關(guān)系是:現(xiàn)在問題歸結(jié)為時間應(yīng)該滿足什么條件，才能使雷達(dá)在距離上區(qū)分出兩個目標(biāo)，即最小的值是多少。圖2.3雷達(dá)無法在距離上區(qū)分兩個目標(biāo)示意圖首先，假設(shè)兩個目標(biāo)之間的距離是，是雷達(dá)發(fā)射脈沖寬度。目標(biāo)1在目標(biāo)2的前面，當(dāng)脈沖后沿碰到目標(biāo)2的時候，脈沖前沿因目標(biāo)1的反射了，也僅僅傳播了這么遠(yuǎn)的距離了，返回的脈沖，實際上是目標(biāo)1和目標(biāo)2共同發(fā)射的結(jié)果，這種情況下，從距離上無法區(qū)分兩個目標(biāo)。示意圖如圖2.3所示，陰影部分是目標(biāo)1和目標(biāo)2共同反射的疊力口。但是，如果假設(shè)兩個目標(biāo)之間的距離是，那么當(dāng)脈沖后沿被目標(biāo)1反射回來的時候，脈沖前沿剛好碰到目標(biāo)2，這就保證了兩個反射脈沖能夠被獨立的區(qū)分出來，示意圖如圖2.4所示。由此可見，應(yīng)該至少大于等于時，雷達(dá)才能從距離上區(qū)分出兩個目標(biāo)。因為雷達(dá)帶寬B等于，所以圖2.4雷達(dá)可以在距離上區(qū)分兩個目標(biāo)示意圖綜上，在模擬雷達(dá)目標(biāo)回波的時候，要綜合考慮距離模糊和距離分辨率的問題，進(jìn)而保證雷達(dá)模擬效果的逼真程度。對于距離模糊問題，在模擬雷達(dá)目標(biāo)信號時，既要避免在凡范圍之外的目標(biāo)信號被加到回波信號中去，也要設(shè)置合理的脈沖重復(fù)頻率。對于距離分辨率問題，由公式(2.23)可知，對于不同的雷達(dá)帶寬距離分辨率是不同的，在模擬出的雷達(dá)目標(biāo)回波信號也是不同的，同時，帶寬還間接影響了雷達(dá)的發(fā)射功率，因此還要將雷達(dá)的功率因素也綜合考慮進(jìn)去，才可以模擬出最逼真的雷達(dá)目標(biāo)回波信號。2.2.2天線增益模型船舶導(dǎo)航雷達(dá)，一般采用波導(dǎo)隙縫天線，該天線的優(yōu)點是:容易實現(xiàn)理想的振幅分布，方向性圖較好;頻帶較寬;風(fēng)阻較小，轉(zhuǎn)速均勻，驅(qū)動功率低。缺點是:天線長度受到波導(dǎo)中脈沖信號過度特性的限制，在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)極化轉(zhuǎn)換困難。本文著重討論這種天線的增益模型。通常天線的水平波束和垂直波束均為扇形波形，水平波束寬度為:其中k為與旁瓣電平有關(guān)的系數(shù)，為發(fā)射波長，LA為天線的有效長度。同樣的方法，也可以計算天線的垂直波束寬度。對于波導(dǎo)隙縫天線，其水平波束寬度約為，垂直波束寬度一般為，其子午面(與大地垂直)方向性函數(shù)為近似余割平方函數(shù)。對船舶導(dǎo)航雷達(dá)而言，其架設(shè)高度一般是lOm~100m，檢測距離至少在lkm以上，天線的仰角很小，可以忽略不計，即忽略對天線增益的影響，只有水平波束對天線增益起作用。設(shè)水平面為X-Y平面，正北方向為Y軸正方向，正東方向為X軸正方向，天線的當(dāng)前轉(zhuǎn)向為，因為忽略了參數(shù)，所以借助與二維坐標(biāo)求出參數(shù)的值即可。若目標(biāo)當(dāng)前坐標(biāo)為(x，y)，則目標(biāo)相對X軸的夾角為:目標(biāo)相對天線軸線方向的水平夾角為:將帶入余割平方函數(shù)中，就可以求出天線的增益了。2.2.3目標(biāo)起伏模型由公式(2.18)可知，當(dāng)雷達(dá)確定以后，回波信號的強(qiáng)度只和目標(biāo)的RCS有關(guān)了。一個目標(biāo)RCS的大小，直接影響該目標(biāo)對電磁波的反射強(qiáng)度。一般來說，除了極少數(shù)具有規(guī)則幾何形狀的金屬目標(biāo)可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式精確描述之外，絕大多數(shù)目標(biāo)的RCS都是起伏不定的，它與目標(biāo)的形狀、材質(zhì)、雷達(dá)的工作波長、入射角度等都有關(guān)系，其變化范圍可達(dá)20dB~30dB，故復(fù)反射系數(shù)是一個隨機(jī)變量。因此，要描述目標(biāo)的復(fù)反射系數(shù)函數(shù)或者目標(biāo)的起伏幅度函數(shù)必須知道它的概率密度函數(shù)和相關(guān)函數(shù)，二者都很難用精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式說明。一般工程上是用目標(biāo)的RCS起伏數(shù)學(xué)模型來近似求解目標(biāo)的起伏幅度函數(shù)，最常用的目標(biāo)起伏模型是Swerling模型。SwerlingI型:目標(biāo)慢起伏，指在雷達(dá)照射目標(biāo)時，一次掃描的脈沖之間目標(biāo)的幅度彼此完全相關(guān)，即目標(biāo)幅度保持不變，而兩次掃描之間目標(biāo)的幅度完全獨立，稱之為掃描到掃描起伏。目標(biāo)的RCS的概率密度函數(shù)滿足指數(shù)分布:其中，Q是目標(biāo)的RCS,是目標(biāo)的平均RCS值，是一個常數(shù)。由雷達(dá)方程可知，雷達(dá)接收功率和目標(biāo)的RCS成正比，因此雷達(dá)的接收功率也是呈指數(shù)分布的。由公式((2.13)可知，，所以目標(biāo)幅度起伏的概率密度函數(shù)滿足Rayleigh分布:與公式(2.27)對照，上式中，。SwerlingII型:其概率密度函數(shù)和SwerlingI型的概率密度函數(shù)是一樣的，區(qū)別在于:雷達(dá)某個掃描角度上的多個脈沖之間，彼此也是完全不相關(guān)的，即是獨立分布的。因此，該模型屬于目標(biāo)快起伏，稱之為脈沖到脈沖起伏。SwerlingIII型:與SwerlingI同屬于掃描到掃描起伏，不過該模型的目標(biāo)RCS的概率密度函數(shù)與I型不同，該模型的概率密度函數(shù)為:同SwerlingI型中所述，可得目標(biāo)的幅度起伏的概率密度函數(shù)為:與公式(2.29)對照，上式中，。SwerlingIV型:目標(biāo)起伏與SwerlingII型相同，都屬于快起伏，脈沖到脈沖起伏，但概率密度函數(shù)與SwerlingIII型相同。一般來說，SwerlingI和SwerlingII型應(yīng)用在雷達(dá)照射區(qū)域內(nèi)有大量散射體的環(huán)境下，每一個散射體彼此獨立，互相之間不起作用，單個散射體的RCS只與該散射體本身有關(guān)，而不受其他散射體的影響，如海面上的船舶就是屬于這種起伏模型。SwerlingIII和SwerlingN型應(yīng)用在雷達(dá)照射區(qū)域內(nèi)存在這主要散射體，它周邊的散射體與主要散射體的RCS相比較，可以忽略不計，該散射體與其他散射體合成信號的統(tǒng)計特征基本上就由該散射體決定，如大片陸地或者湖泊就屬于這種起伏模型。在某些應(yīng)用中，2m自由度的分布是一個較好的模型。分布的概率密度函數(shù)為其中，2m為其自由度，通常為正整數(shù)。Swerling的目標(biāo)起伏模型是2m自由度分布中的兩個特例當(dāng)m=1時，公式(2.31)化簡為指數(shù)分布如公式(2.27)，相當(dāng)于SwerlingI和SwerlingII型的目標(biāo)分布;當(dāng)m=2時，公式(2.31)化簡為公式(2.29)，代表SwerlingIII和SwerlingN型的分布。分布時，雷達(dá)截面積方差和平均值的比值等于，即m值越大，起伏分量越受限制，當(dāng)m趨于無窮大時，相當(dāng)于非起伏目標(biāo)。目標(biāo)截面積的另一類起伏是Rice分布。在理論上它是由一個占支配地位的非起伏成分和許多較小的隨機(jī)成分組成的多散射體模型所產(chǎn)生的。Ric。起伏模型的概率密度函數(shù)為:為零階修正Bessel函數(shù)，S是非起伏成分的功率與隨機(jī)成分總功率之比值。當(dāng)參數(shù)選擇合適時，Rice分布和分布會十分接近，可用族的結(jié)果，對Rice分布起伏時的性能進(jìn)行估算。本文目標(biāo)主要涉及船舶，所以起伏模型只采用Swerling模型。對于不同的目標(biāo)，從不同的角度照射可以得到一個平均的RCS，也就是公式(2.27)和公式(2.29)中的廳，對于船舶導(dǎo)航雷達(dá)而言，船舶是其主要目標(biāo)對象，常見船舶的RCS平均值如表2.1所示，此表大多數(shù)數(shù)據(jù)是針對民用船舶的，對于軍用艦船，也可以用經(jīng)驗公式(2.33)來近似求解。公式(2.33)中，f為雷達(dá)頻率(單位為GHz),D為船舶的排水量(單位為kt)。表2.1常見船舶的平均值用計算機(jī)模擬目標(biāo)復(fù)反射系數(shù)，實際上就是產(chǎn)生一組分布的隨機(jī)序列，讓這個序列滿足公式(2.28)和公式(2.30)，這個序列實際上是兩個分布函數(shù)的概率值。對于公式(2.28)屬于Rayleigh分布，對于公式(2.30)屬于n=2的分布，均可采用查表的方法得到其對應(yīng)的變量值，將這個變量值稍加變化，就可以得到對應(yīng)的幅度值。對于掃描到掃描的起伏模型，可以在每次掃描周期開始的時候更新隨機(jī)種子數(shù)，保證一次掃面的脈沖之間完全相關(guān)，而掃描之間彼此獨立。對于脈沖到脈沖的起伏模型，在每個脈沖發(fā)射之前都要更新隨機(jī)種子數(shù)，保證一次掃描的脈沖與脈沖之間彼此獨立。2.2.4多普勒頻移模型雷達(dá)利用多普勒頻移獲得目標(biāo)的徑向速度，以此來區(qū)分移動目標(biāo)和靜止目標(biāo)或者雜波。多普勒頻移描述了因為目標(biāo)的移動而導(dǎo)致的一個入射波的頻率相對與源發(fā)射波的中心頻率發(fā)生的改變。因目標(biāo)的移動方向的不同，多普勒頻移可能為正也可能為負(fù)。照射到目標(biāo)上的入射波，以波長為間距，被分成多個等相位波前。一個接近的目標(biāo)會引起等相位波前的反射，而使得反射波彼此更加接近，相當(dāng)于波長變小了。相反，一個遠(yuǎn)離雷達(dá)的目標(biāo)，會使反射的等相位波前彼此更加分散，相當(dāng)于波長邊長了。如圖2.5所示。假設(shè)一個目標(biāo)以速度，向雷達(dá)靠近，雷達(dá)的入射脈沖寬度是，如圖2.6所示。定義d為脈沖前沿碰到目標(biāo)后，目標(biāo)在時間內(nèi)走過的距離，顯然:這里，等于從脈沖前沿碰到目標(biāo)到脈沖后沿碰到目標(biāo)這段時間，因為脈沖以光速運動，所以后沿移動的距離是c-d，設(shè)雷達(dá)反射脈沖寬度是，則:圖2.6運動目標(biāo)對雷達(dá)單脈沖的影響公式(2.36)比公式(2.35)可得:對公式(2.37)進(jìn)行約分可得到入射脈沖寬度和反射脈沖寬度之間的關(guān)系:實際上，被成為時間膨脹因素，這個定義與狹義相對論中“時間變慢流逝效應(yīng)”的概念是一致的。注意，如果v=0，那么。目標(biāo)遠(yuǎn)離雷達(dá)的情況與目標(biāo)靠近雷達(dá)相類似，入射脈沖寬度和反射脈沖寬度的關(guān)系是:圖2.7運動目標(biāo)對雷達(dá)多脈沖的影響3雷達(dá)回波信號3.1船舶導(dǎo)航雷達(dá)回波信號分析3.1.1雷達(dá)回波信號組成及模型對于船舶導(dǎo)航雷達(dá)，雷達(dá)回波信號進(jìn)入接收機(jī)，經(jīng)過高頻設(shè)備、中頻設(shè)備處理，在視頻檢波模塊輸出的是視頻包絡(luò)信號。目標(biāo)模型包括船舶的距離、船舶回波幅度、幅度起伏等。假設(shè)雷達(dá)回波信號由三部分構(gòu)成:目標(biāo)回波信號、噪聲信號和雜波信號。因此，雷達(dá)回波可理想化地描述為以下形式:s(t)表示目標(biāo)回波信號;n(t)表示噪聲信號;c(t)表示雜波信號。目標(biāo)是雷達(dá)檢測的物體，或者是所感興趣的對象。雜波和噪聲一般來說是無用的信息(也有例外)。假設(shè)雷達(dá)發(fā)射的信號表示為:式(4.2)中:Tr為脈沖重復(fù)周期，Tp為脈沖寬度，f0為載波頻率，為載波切向，為矩形函數(shù)。則經(jīng)目標(biāo)反射的回波信號為:為目標(biāo)反射引起的相移，為目標(biāo)信號雙程延遲時間，它的表達(dá)式為：設(shè)R0為對應(yīng)于t=0時雷達(dá)與目標(biāo)的初始距離，則。3.1.2導(dǎo)航雷達(dá)回波信號模型對于船舶導(dǎo)航雷達(dá)，根據(jù)信號具體形式、工作條件和工作模式的特點可以將上式(4.9)進(jìn)行適當(dāng)簡化，下面具體分析回波方程式(4.9)的簡化條件。掃描天線在目標(biāo)方向上的增益作為常數(shù)的條件?，F(xiàn)在假定天線在掃描平面內(nèi)的分辨率為。如果天線以角速度必進(jìn)行掃描，則在時間T內(nèi)天線掃過的角度為。當(dāng)角度比天線掃描角度分辨率小得多時，或者說的大小滿足:則在這種條件下，可以將方程式(4.9)中的看作常數(shù)G。因為船舶導(dǎo)航雷達(dá)收發(fā)天線共用，所以，其實對于單基地雷達(dá)都滿足的關(guān)系。所以方程式(4.9)中的可以用G2代替。不考慮多普勒頻移的條件。一般情況下雷達(dá)目標(biāo)的多普勒頻移可由下式計算:式中，fd是運動目標(biāo)的多普勒頻移，v是目標(biāo)相對雷達(dá)的徑向運動速度，是載波的波長。因為船舶導(dǎo)航雷達(dá)的主要探測目標(biāo)是船舶，船舶的相對速度較小，所以船舶導(dǎo)航雷達(dá)可以不考慮多普勒頻移。(3)忽略信號相位信息船舶導(dǎo)航雷達(dá)是一種非相參雷達(dá)，視頻包絡(luò)信號就是主要模擬對象，它不再包含相位信息。因此，本文將不在回波信號相位信息相互作用方面上進(jìn)行研究。本研究主要針對船舶導(dǎo)航雷達(dá)，所以將雷達(dá)目標(biāo)簡化為各類船舶，目標(biāo)范圍限制為運動中或靜止中的船舶。通過以上簡化可得出船舶導(dǎo)航雷達(dá)回波信號表達(dá)式:3.2目標(biāo)特性3.2.1目標(biāo)的距離和方位一般說來，目標(biāo)船回波可用船舶的距離、方位等基本特征來描述。在雷達(dá)接收機(jī)顯示器上，目標(biāo)的位置通常是以極坐標(biāo)方式來確定的，即目標(biāo)回波用矢量的方法來表示。矢量包括距離和方位角這兩個要素。因為運動或是靜止中的船舶在地理空間中的位置是確定的，也就是說目標(biāo)船舶與雷達(dá)的距離和方位關(guān)系是可以測定出來的，所以目標(biāo)船回波位置模型屬于確定性模型，可以直接使用確定的數(shù)值來描述目標(biāo)的距離和方位。前面已經(jīng)提到了目標(biāo)的位置是用矢量來描述，即用距離和方位角這兩個要素來確定。目標(biāo)距離需要根據(jù)目標(biāo)運動的速度和方向以及雷達(dá)工作時間的變化計算產(chǎn)生。雷達(dá)測距原理是模擬生成雷達(dá)目標(biāo)距離這一要素的理論根據(jù)。雷達(dá)電磁波定向原理則是模擬生成雷達(dá)目標(biāo)方位角的理論依據(jù)。因為運動目標(biāo)和雷達(dá)的位置關(guān)系時刻在發(fā)生變化，所以目標(biāo)距離和方位角必須按照雷達(dá)天線掃描周期進(jìn)行更新。這就要求在每一次模擬雷達(dá)天線電磁波掃描到目標(biāo)的時候，我們必須根據(jù)目標(biāo)運動的速度和方向運用矢量疊加的方法重新計算距離和方位角。只有這樣才能夠真實、動態(tài)地模擬目標(biāo)。3.2.2目標(biāo)的回波幅度目標(biāo)船的回波幅度應(yīng)由船舶的雷達(dá)截面積來決定，而雷達(dá)截面積可在實驗中測量得到確定的數(shù)值，因此幅度模型也屬于確定性的模型。式(4.7)中，表示目標(biāo)回波信號的幅度變化。根據(jù)導(dǎo)航雷達(dá)信號簡化條件得到簡化的幅度A1:G目標(biāo)方向雷達(dá)天線增益。G反映了目標(biāo)與天線的幾何關(guān)系，不同雷達(dá)天線有著各自的天線方向性幾何關(guān)系。要獲得目標(biāo)相對雷達(dá)天線波束方向圖的角度，那么首先必須將在實際空間里表示的目標(biāo)轉(zhuǎn)換到雷達(dá)空間。對于地基雷達(dá)，轉(zhuǎn)換比較簡單，雷達(dá)處在直角坐標(biāo)系的原點，x-y是水平面，方位角是從y軸開始算起，仰角是從x-y平面開始算起，如果目標(biāo)處于(x,y,z)則目標(biāo)到雷達(dá)的距離、方位角和仰角分別為:如果天線方向圖是旋轉(zhuǎn)對稱的，那么可以求出目標(biāo)與天線軸線的夾角直接帶入中。由于有:，因此目標(biāo)與天線夾角船舶導(dǎo)航雷達(dá)一般采用隙縫天線;水平波束寬度左右，垂直波束寬度，采用近似余割平方形狀。針對船舶導(dǎo)航雷達(dá)特點，海區(qū)雷達(dá)高度一般在100m左右，最小監(jiān)控距離一般在1km以上，所以仰角很小，仰角的變化可以忽略不計;方位角限制在水平波束內(nèi)，根據(jù)導(dǎo)航雷達(dá)特性，水平方向天線增益作唯一值考慮。船舶導(dǎo)航雷達(dá)發(fā)射功率一般為25kW;工作波長X波段3cm;LS可以由資料查表獲得。對于船舶這類目標(biāo)來說，因為它們的尺寸大于雷達(dá)波長很多，所以它們的雷達(dá)截面積與波長的關(guān)系變化不大。它們的雷達(dá)截面積主要由船只的大小、形狀、表面結(jié)構(gòu)、材質(zhì)來決定，并且可從實際測量中得到確定數(shù)值。表3-1給出了幾種海上常見的船只的雷達(dá)截面積。在實際應(yīng)用中，一般認(rèn)為回波幅度主要由目標(biāo)的雷達(dá)截面積來確定。船舶的回波強(qiáng)度取決與船舶的視角、形狀、大小及暴露于雷達(dá)波束照射范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)和材料。一般來說，正橫方向的回波強(qiáng)度大于首尾方向的，大船的回波強(qiáng)度大于小船的，空載時大于滿載時的，鋼鐵結(jié)構(gòu)的大于木質(zhì)結(jié)構(gòu)的。表3.1各種艦船雷達(dá)截面積目標(biāo)雷達(dá)截面積（m2）目標(biāo)雷達(dá)截面積（m2）小型貨船1400潛艇（在水面）37~140中型貨船7400小運輸艦150大型貨船15000中型運輸艦7500拖網(wǎng)漁船750大型運輸艦15000快艇100巡洋艦140003.2.3目標(biāo)的運動目標(biāo)的運動引起目標(biāo)與雷達(dá)間距離的變化以及多普勒頻率的變化，在給定天線方向圖的條件下，目標(biāo)位置與雷達(dá)的波束指向還確定了目標(biāo)受天線調(diào)制的大小，因此，建立合理的目標(biāo)運動模型，并獲得動態(tài)的目標(biāo)位置與速度矢量也是目標(biāo)模擬的重要因素。（一）直線運動設(shè)目標(biāo)運動加速度隨時間變化為a(t)，對于直線運動a(t)在運動過程中方向不變，目標(biāo)在to時刻的運動速度為v0，則t時刻的運動速度為:又若目標(biāo)在時刻的位置矢量為ro，則t時刻目標(biāo)的位置矢量r(t)為:因此，根據(jù)目標(biāo)起始位置、起始運動速度和加速度就可以建立目標(biāo)直線運動的數(shù)學(xué)模型。曲線運動由于圓周運動是曲線運動的一個重要特例，也是一種常見的曲線運動，因此在這里首先討論圓周運動，由此可以得出一般曲線運動模型。設(shè)作圓周運動的目標(biāo)某時刻的速率為V,則該時刻的速度大小為V，方向是圓周的切線方向，根據(jù)物體運動的有關(guān)理論，目標(biāo)沿圓周半徑指向圓心的法向加速度大小為:r為圓周半徑。對v求時間導(dǎo)數(shù)得到其切向加速度的大小為:切向加速度的方向是目標(biāo)所在位置的圓周切線方向。因此，目標(biāo)的作圓周運動的加速度a可以由切向加速度和法向加速度矢量合成得到為:要描述目標(biāo)在空間作圓周運動，還需要建立平面方程以確定圓周軌跡所在平面。因此，根據(jù)目標(biāo)運動速率、運動半徑以及圓周運動所在的平面方程就可以建立目標(biāo)圓周運動的數(shù)學(xué)模型。由高等數(shù)學(xué)理論可知曲線上任一無限小線元可以用無限小圓弧代替，無限小圓弧所在的圓稱為曲率圓，其圓心稱為曲率中心，其半徑稱為曲率半徑。這樣，目標(biāo)在瞬時經(jīng)過軌跡任意無限小線元都相當(dāng)于經(jīng)過曲線圓上與之吻合的無限小圓弧。因此理論上可以用圓周運動合成任何復(fù)雜的曲線運動。建立更加逼真的目標(biāo)運動模型還需要目標(biāo)在空間飛行的有關(guān)運動參數(shù)。當(dāng)然，根據(jù)仿真目的的不同，也可以對上述模型作一定的簡化。3.3回波信號綜合仿真分別建立目標(biāo)距離和方位、目標(biāo)回波幅度、截面積起伏模型、目標(biāo)運動模型后，根據(jù)相關(guān)雷達(dá)參數(shù)可以得到目標(biāo)的距離電壓系數(shù)。對目標(biāo)進(jìn)行雷達(dá)波形的調(diào)制，就可以得到點目標(biāo)的相干視頻回波模擬信號。根據(jù)前面章節(jié)仿真的雜波及噪聲信號，通過式(4.1），可以仿真具有目標(biāo)和雜波雷達(dá)回波信號。s(t