一種天基雷達雜波仿真方法與流程

文檔序號：11132245閱讀：853來源：國知局

本發(fā)明提出了一種天基雷達雜波仿真方法，主要涉及到天基雷達雜波仿真領域。

背景技術：

在天基雷達的研究中，雜波抑制是其最重要的關鍵技術之一，而雜波的建模與仿真是雜波特性分析的基礎，也是雜波抑制方法研究與驗證的手段。由于天基雷達軌道高度高，地球不能再按照平面模型的假設，并且地球自轉的影響也不能忽略，會引入額外的多普勒頻率，并且隨著軌道高度的升高，這種影響也越來越明顯。因此，必須研究適合于天基雷達的雜波仿真方法。

雷達系統(tǒng)的信號處理，通常都是先進行距離維的脈沖壓縮，將回波按距離單元進行劃分，然后進行雜波抑制。因此，在對雜波抑制算法進行研究與驗證時，需要能夠產(chǎn)生出相應的距離環(huán)的雜波回波。并且隨著雷達智能化的發(fā)展，天基雷達在確定的軌道上運行，通過計算出距離環(huán)的地理位置后，利用已有的遙感數(shù)據(jù)，可以獲得該雜波單元的地物特性，從而利用其回波特性如幅度大小，統(tǒng)計分布等先驗信息來進行雜波抑制等后續(xù)處理。

目前為止，從國內(nèi)外公開渠道上查到文獻看，有文獻研究了天基雷達空時二維雜波的建模和仿真方法，給出了空時雜波回波仿真公式，并討論了雜波單元的劃分、徑向速和地面位置的計算等，但是其計算是假設衛(wèi)星軌道為圓軌道，即偏心率為零時的情況，并不能推廣的橢圓軌道；有文獻計算了等距離環(huán)的位置，但是在假設場景為平面的條件下；有文獻考慮了地球自轉的影響以及距離模糊和多普勒模糊等因素，但是并不能得到距離環(huán)的地面位置；有文獻研究了天基雷達由于地球自轉使地雜波產(chǎn)生嚴重的多普勒頻移問題，以及軌道高度的影響；有文獻給出了等效地球模型時雜波等距離環(huán)上多普勒頻率的計算方法，但是沒有給出等距離環(huán)的位置如何計算；還有文獻給出了低軌衛(wèi)星的在地面的等距離線與等多普勒線，但是其計算是假設衛(wèi)星運行于赤道上空時，并不適用于衛(wèi)星于軌道任意位置的情況。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術解決問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種天基雷達雜波仿真方法，解決了在考慮地球球體模型與地球自轉條件下的天基雷達等距離環(huán)雜波仿真，并且該方法可以計算出等距離環(huán)雜波的位置。

本發(fā)明的技術解決方案是：一種天基雷達雜波仿真方法，步驟如下：

1)建立坐標系及相關位置向量

設坐標系為地球慣性坐標系ECI，坐標原點O為地心，XOY平面位于赤道平面，X軸指向春分點，Z軸為地球自轉角速度方向；地球半徑為R_e；雷達衛(wèi)星沿軌道運行，設雷達衛(wèi)星在某一時刻t運行至S(x₀,y₀,z₀)處，S(x₀,y₀,z₀)為雷達衛(wèi)星在地球慣性坐標系ECI下的坐標；S'為S在XOY平面的投影；以雷達為原點，半徑為R的等距離球面與地球在地表的交線為圓ABC，即為所感性趣的等距離雜波環(huán)ABC，A為圓心，B和C為環(huán)上的點；地心到衛(wèi)星的矢量其中θ和分別為方位角和俯仰角；地心與衛(wèi)星的距離等距離雜波環(huán)ABC所在的平面與垂直；

2)等距離雜波環(huán)ABC投影；

將等距離雜波環(huán)ABC所在的平面投影到與其平行的過球心O的平面，該平面與地球的交線為一個圓，該平面圓與地球赤道交于兩點，其中沿X軸正向逆時針旋轉最近的點定義為E；圓ABC上與E相對應的點為B；C點為B點繞軸逆時針旋轉90度得到的點，即與為兩個正交向量；令其中θ₁為與X軸正向的夾角；由于與正交，可得

cos(θ₁-θ)＝0；

3)坐標旋轉，計算等距離雜波環(huán)ABC的正交向量

其中

4)等距離環(huán)上點的位置坐標計算；

在得到等距離雜波環(huán)ABC平面內(nèi)正交的兩個向量與后，得到以ε為參數(shù)的等距離雜波環(huán)ABC上的點的位置為

其中，由余弦定理得到

其中，得到

計算得到與雷達相距R的等距離雜波環(huán)ABC上的點在地球慣性坐標系ECI下的坐標；所述地球慣性坐標系ECI繞Z軸逆時針轉過一個春分點的格林威治角就得到地球固連坐標系ECF；因此，得到等距離雜波環(huán)ABC在地球固連坐標系ECF下的坐標

其中，E_oi為由地球慣性坐標系ECI到地球固連坐標系ECF的轉換矩陣；則等距離雜波環(huán)ABC上的點的經(jīng)度和緯度分別為

5)等距離雜波環(huán)ABC上雜波點多普勒頻率計算

計算等距離雜波環(huán)ABC上某個雜波點p_c(ε)在地球慣性坐標系ECI下的速度

其中，w_e＝7.292115×10^-5rad/s為地球自轉的角速度，×表示向量叉乘；

通過衛(wèi)星的軌道六根數(shù)計算或由STK軟件得到衛(wèi)星在地球慣性坐標系ECI下的速度得到等距離雜波環(huán)ABC上的點相對于衛(wèi)星的速度

則等距離雜波環(huán)ABC上的點的多普勒頻率為

其中，λ為雷達載波頻率；

6)計算等距離雜波環(huán)ABC上的點RCS和雜波單元散射功率

根據(jù)雷達方程

其中，P_t為雷達發(fā)射峰值功率，和分別為天線發(fā)射方向圖和天線接收方向圖，λ為載波波長，L為系統(tǒng)損耗，σ₀(ε)為單位面積的雜波散射截面積，A_c(ε)為雷達雜波單元的面積；

(6a)天線二維方向圖計算

設在天線坐標系下的坐標為

其中，E_iv為地慣坐標系到軌道平面坐標系的轉換矩陣；E_vr為軌道平面坐標系到衛(wèi)星平臺坐標系的轉換矩陣；E_re為衛(wèi)星平臺坐標系到衛(wèi)星星體坐標系的轉換矩陣；E_ea為衛(wèi)星星體坐標系到天線坐標系的轉換矩陣；由此得到等距離雜波環(huán)ABC上的點對應的方位角和俯仰角為

相應的天線增益為其中為天線的二維方向圖，θ和分別為方位角和俯仰角；

(6b)計算獲得雜波單元面積

A_c(ε)＝RΔθρ_r secΨ(ε)

其中，Δθ為雜波單元的方位角寬度，c為光速，ρ_r為雷達系統(tǒng)距離分辨率，Ψ為擦地角；設等距離雜波環(huán)沿方位向均勻的劃分為N_c個雜波單元，N_c的取值應保證雜波單元內(nèi)的多普勒變化率小于雷達多普勒處理的最大分辨率；

7)產(chǎn)生雜波回波

設雷達發(fā)射信號為s(t)，則雷達接收到的第k個脈沖的等距離環(huán)雜波回波表示為

其中，T_r為脈沖重復周期，a_ki為幅度起伏系數(shù)。

步驟2)中的具體計算方法為：建立新的坐標系OX'Y'Z'，其中OZ'與OZ重合，OX'為將OX繞OZ逆時針旋轉θ₁得到；因此，坐標系OX'Y'Z'為將地球慣性坐標系ECI繞OZ逆時針旋轉θ₁得到；同理，OY'為OY繞OZ逆時針旋轉θ₁得到；由于與正交，可得

cos(θ₁-θ)＝0

由此得到并代入

步驟3)的具體方法為：

令由三角形面積公式得到

所以，向量可以表示為

將A作為坐標系原點，向量作為Z軸，向量作為X軸，向量作為Y軸，組成一個坐標系ASBC；該坐標系通過選轉可以得到ECI坐標系；具體旋轉過程為：

(a)坐標系ASBC繞其X軸旋轉

(b)將(a)的結果再繞其Z軸旋轉-θ₁；

由坐標旋轉公式得到向量在ECI坐標系中的坐標為：

其中，通過化簡得到

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比有益效果為：

1、本發(fā)明通過第1-7步，可以用于仿真任意軌道的天基雷達等距離雜波環(huán)的回波。

2、該方法通過第1-4步，考慮了地球球體模型和地球自轉的影響,可以用于計算任意軌道的天基雷達等距離雜波環(huán)在地球表面的地理位置。

3、該方法可以用于天基雷達雜波的仿真，天基雷達二維雜波譜仿真，天基雷達雜波抑制方法評估，也可以用于天基雷達軌道影響評估等。

附圖說明

圖1為本發(fā)明雜波計算幾何示意圖。

圖2為本發(fā)明方法流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明提出一種天基雷達雜波仿真方法，方法流程圖如圖2，具體實施方式如下：

(1)建立坐標系及相關的位置向量。

假設坐標系為地球慣性坐標系ECI，如圖1所示。坐標原點O為地心，XOY平面位于赤道平面，X軸指向春分點，Z軸為地球自轉角速度方向；地球半徑為R_e；雷達衛(wèi)星沿軌道運行，設雷達衛(wèi)星在某一時刻t運行至S(x₀,y₀,z₀)處，S(x₀,y₀,z₀)為測量獲得的雷達衛(wèi)星在地球慣性坐標系ECI下的坐標；S'為S在XOY平面的投影；以雷達為原點，半徑為R的等距離球面與地球在地表的交線為圓ABC，即為所感性趣的等距離雜波環(huán)ABC，A為圓心；地心到衛(wèi)星的矢量其中θ和分別為方位角和俯仰角；地心與衛(wèi)星的距離等距離雜波環(huán)ABC所在的平面與垂直。(2)等距離環(huán)投影。

(2)將等距離雜波環(huán)ABC所在的平面投影到與其平行的過球心O的平面，該平面與地球的交線為一個圓，該平面圓與地球赤道交于兩點，沿X軸正向逆時針旋轉最近的點定義為E；等距離雜波環(huán)ABC上與E相對應的點為B；C為B點繞軸逆時針旋轉90度得到，因此，與為兩個正交向量。

建立新的坐標系OX'Y'Z'，其中OZ'與OZ重合，OX'為將OX繞OZ逆時針旋轉θ₁得到。因此，坐標系OX'Y'Z'為將坐標系OXYZ繞OZ逆時針旋轉θ₁得到。同理，OY'為OY繞OZ逆時針旋轉θ₁得到。

(3)坐標旋轉，計算等距離雜波環(huán)ABC的正交向量

由于與正交，可得

cos(θ₁-θ)＝0 (1)

因此，可以得到在求得θ₁后，可以得到

令由三角形面積公式可以得到

所以，向量可以表示為

可以將A作為坐標系原點，向量作為Z軸，向量作為X軸，向量作為Y軸，組成一個坐標系ASBC。該坐標系通過選轉可以得到ECI坐標系。具體旋轉過程為：

(1)坐標系ASBC繞其X軸旋轉

(2)將(1)的結果再繞其Z軸旋轉-θ₁

因此，由坐標旋轉公式可以得到向量在ECI坐標系中的坐標為