[發(fā)明專利]一種船舶導(dǎo)航雷達信號仿真方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310043778.6
• 申請日: 2013-02-03
• 公開（公告）號: CN103093057A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 邱天爽;朱勇;于松濤;孔慶田;劉璇;李小兵;劉惠;唐洪;劉蓉;馬征
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于民用船舶導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，其利用雷達技術(shù)、信號處理、計算機輔助設(shè)計技術(shù)、高頻電磁計算技術(shù)和計算機仿真技術(shù)等實現(xiàn)仿真多種船舶導(dǎo)航雷達系統(tǒng)、不同結(jié)構(gòu)船舶、不同航行海情等級時船舶目標(biāo)的回波，仿真的船舶目標(biāo)回波信號能夠逼真地反映對象雷達的散射環(huán)境。

背景技術(shù)

船舶導(dǎo)航雷達，通常安裝在港口船舶交通管理系統(tǒng)（VTS）中和船舶上，可以用于航行避讓、船舶定位、狹水道引航等目的，在能見度低時能夠為航海人員提供良好的觀察手段。盡管目前大多數(shù)船舶都安裝了先進的通信、導(dǎo)航、助航設(shè)備，但是各種各樣的事故仍然層出不窮。分析表明，大多數(shù)事故是由航海人員的人為因素和設(shè)備局限性所導(dǎo)致的。因此，如何培養(yǎng)出優(yōu)秀的航海人才成為航運界普遍關(guān)注的問題。傳統(tǒng)的方法是通過大量的外場出海訓(xùn)練讓航海人員實踐掌握航行技能，但是這種途徑周期長、費用高、風(fēng)險大。

隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，航海雷達模擬器越來越受到人們的重視，它以其靈活、通用、高效和低成本等特點，顯著提高了航海人員的雷達導(dǎo)航能力，有效地減少了航海事故的發(fā)生，成為航海雷達研究的一個新的熱點。

船舶導(dǎo)航雷達模擬器的核心組成部分是船舶導(dǎo)航雷達信號模擬器。以往的船舶導(dǎo)航雷達信號模擬器通常是通過理論分析得到雷達回波信號的數(shù)學(xué)模型，進而模擬雷達回波，經(jīng)由這種仿真方法得到的雷達回波并不能表示出目標(biāo)的散射、結(jié)構(gòu)、方位以及距離特性，所提供的雷達回波與真實回波存在較大差異，對航海人員的訓(xùn)練產(chǎn)生較大的影響。針對這一問題，研究了能夠提供真實反映目標(biāo)特性以及雜波模型的船舶導(dǎo)航雷達信號模擬器。

相關(guān)文獻請參閱：

沈良.船舶導(dǎo)航雷達回波信號仿真研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2007

周雪峰.船舶導(dǎo)航雷達的回波研究與模擬[D].大連：大連海事大學(xué)，2008

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明能夠仿真出適用于船舶航行水域環(huán)境和船舶導(dǎo)航雷達實際工作環(huán)境下的雷達回波信號，生成不同體制船舶導(dǎo)航雷達、不同船舶結(jié)構(gòu)、不同運動狀態(tài)、不同距離以及不同方位角條件下所對應(yīng)的雷達回波信號，建立海上目標(biāo)樣本庫，為船舶導(dǎo)航模擬器提供仿真雷達回波信號，為航海人員的教學(xué)和培訓(xùn)提供豐富、真實、可靠的雷達回波信號源。

雷達目標(biāo)回波反映了目標(biāo)的物理結(jié)構(gòu)、材料特性，是確定目標(biāo)身份和屬性的重要依據(jù)之一。計算機仿真模擬了目標(biāo)的物理結(jié)構(gòu)、電磁散射特性以及雷達的信號處理系統(tǒng)，所得回波準(zhǔn)確反映了目標(biāo)的物理結(jié)構(gòu)等特性。

為了實現(xiàn)船舶導(dǎo)航雷達信號模擬器，首先采用計算機輔助設(shè)計技術(shù)，建立海上船舶目標(biāo)的三維CAD模型，然后利用高頻電磁計算方法對目標(biāo)的雷達散射截面積進行預(yù)估，再對散射截面積進行處理得到目標(biāo)的一維距離像，最后對雷達發(fā)射波形及得到的目標(biāo)一維距離像進行卷積；根據(jù)目標(biāo)運動的狀態(tài)，引入多普勒頻移因子；根據(jù)目標(biāo)所處位置，引入距離衰減因子；加上海雜波模型，進行低通濾波得到最終得到船舶導(dǎo)航雷達仿真回波。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

（1）建立船舶目標(biāo)的三維CAD模型

采用計算機輔助設(shè)計技術(shù)，建立船舶模型庫。首先需要搜集關(guān)于所建模型的詳細的幾何結(jié)構(gòu)信息，可以通過相關(guān)專業(yè)船舶雜志和網(wǎng)絡(luò)資源提供的船舶設(shè)計線圖以及現(xiàn)場實拍等方式獲取船舶的真實圖片。根據(jù)所獲取的目標(biāo)模型的線圖等比例的繪制模型，模型只需要反應(yīng)船舶目標(biāo)的大致結(jié)構(gòu)不需要太精細。

（2）建立船舶目標(biāo)的一維距離像模板庫

使用高頻電磁計算方法，依據(jù)雷達發(fā)射信號的頻率和帶寬設(shè)定高頻電磁計算方法的照射頻率，在每個姿態(tài)角下使用寬帶信號對建立的船舶目標(biāo)三維CAD模型進行照射，利用電磁計算方法得到不同點頻下目標(biāo)的頻域響應(yīng)，然后使用逆傅里葉變換得到該姿態(tài)角下的一維距離像。一維距離像依賴于姿態(tài)角的變化，如果目標(biāo)相對雷達的方向發(fā)生變化，所得一維距離像也將隨之改變，因此建立目標(biāo)全姿態(tài)角的一維距離像模板庫，以此來獲得目標(biāo)各個角度的雷達回波。

（3）建立船舶目標(biāo)的仿真回波樣本庫

假設(shè)分別用2D_n和2L_n表示目標(biāo)在坐標(biāo)系中的橫向尺寸與縱向尺寸，用σ(x,y)表示目標(biāo)在坐標(biāo)(x,y)處的散射強度。根據(jù)目標(biāo)散射的特點，第n個脈沖相對于發(fā)射功率和距離的歸一化目標(biāo)回波為：