[發明專利]一種掃描雷達回波計算方法

有效

• 申請號: 201810081287.3
• 申請日: 2018-01-26
• 公開（公告）號: CN108226891B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 查月波;李武;蘭天鴿;沙祥
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第三十八研究所
• 主分類號: G01S7/41
• 分類號: G01S7/41
• 代理公司: 合肥市浩智運專利代理事務所(普通合伙) 34124
• 代理人: 丁瑞瑞

1.一種掃描雷達回波計算方法，其特征在于，包括下述步驟：

首先根據雷達系統工作參數，獲得天線主瓣采樣向量，并使用該向量構造卷積矩陣；

然后，根據成像扇區邊緣目標反射率函數對回波數據的影響，分別對天線主瓣采樣序列構建的卷積矩陣進行結構變換；

最后，將變換后的卷積矩陣與成像扇區邊緣目標反射率函數沿方位向采樣向量進行乘積，并對乘積的結果疊加噪聲向量，從而得到掃描雷達成像扇區回波數據；

包括以下具體的步驟：

步驟一：掃描雷達回波獲??；

步驟二：回波數據距離向脈沖壓縮；

步驟三：距離走動校正；

步驟四：掃描雷達方位向回波的數學表征；

步驟五：掃描雷達方位向回波計算；

步驟一：掃描雷達回波獲取具體包括：

假設雷達平臺速度為V；雷達天線的掃描速度為ω；波束俯仰角為θ；目標方位角為發射信號的載頻為f_c，脈沖重復時間為PRI；場景中目標到雷達天線的初始斜距記為R₀，經過時間t，雷達平臺與場景中位于(x，y)點處目標的距離R(x，y，t)表示為

為了保證理論與實際驗證情況相符，對距離向和方位向進行離散處理，假設場景回波距離向采樣點數記為N_r；方位向采樣點數記為N_a，掃描雷達成像區域的方位向時間向量記為T_a＝[-PRI·N_a/2，-PRI·(N_a/2-1)，…，PRI·(N_a/2-1)]；距離向時間向量記為T_r＝[-1/f_s·N_r/2，-1/f_s·(N_r/2-1)，…，1/f_s·(N_r/2-1)]，其中f_s表示距離向采樣率；

假設雷達發射線性調頻信號其中表示矩形信號，T_p為發射脈沖持續時間，k為調頻斜率，τ為快時間，對于成像區域Ω，回波表示為發射信號與目標的卷積疊加噪聲的結果，即，

其中，(x，y)表示場景Ω中，目標的位置；f(x，y)為點(x，y)處目標的散射函數；ω_a為慢時間域的窗函數，表示天線方向圖函數在方位向的調制；為天線方位角初始時刻；T_β是目標在3dB天線波束寬度的駐留時間；c為電磁波傳播速度；W₁(τ，η)表示回波中的噪聲；

在操作時采用(2)的離散形式：

其中，W₂(τ，η)為W₁(τ，η)的離散化形式；

所述步驟二：回波數據距離向脈沖壓縮具體包括：

構造距離向脈沖壓縮處理的參考信號其中，τ_ref表示成像區域距離向的參考時間，k表示線性調頻信號的調頻斜率；將s_ref與回波數據g₂(τ，η)進行最大自相關運算，完成回波信號沿距離向脈沖壓縮處理，脈沖壓縮后的信號表示為：

其中，B為發射信號帶寬，W₃(τ，η)為g₂(τ，η)在進行脈沖壓縮操作后引入系統的噪聲；

步驟三：距離走動校正具體包括：

從步驟一的分析可知，成像場景區域Ω中的點(x，y)在時刻t與雷達平臺之間的斜距歷史為由于距離R(x，y，t)是關于時間t的變量，本步驟目的是消除時間變量t對雷達平臺與目標距離函數R(x，y，t)的影響；

首先，對斜距歷史R(x，y，t)在t＝0處進行泰勒級數展開，展開結果表示為：

在實際應用時，由于雷達作用距離遠、成像扇區小、掃描速度快，斜距歷史近似表示為：

又因為θ與較小，導致cosθ≈1，因此，雷達與目標的距離函數近似表示為：

R(x，y，t)≈R₀-Vt (7)其中，雷達平臺速度V和時間t，通過雷達平臺的慣導設備獲??；

在此基礎上，對數據g₃(τ，η)進行尺度變換，消除距離走動后的回波信號在數據平面內的表達式為：

其中，W₄(τ，η)為g₃(τ，η)進行距離走動校正操作后引入的總噪聲；

步驟四：掃描雷達方位向回波的數學表征具體包括：在步驟三的基礎上，將回波g₄(τ，η)依次按距離向表示成天線波束采樣點構建的卷積矩陣與成像扇區邊緣目標反射率函數沿方位向采樣序列的數學運算形式

將掃描雷達前視成像回波建模為天線波束采樣序列與成像扇區邊緣目標反射率函數沿方位向采樣蓄力卷積并疊加噪聲的結果，在此假設下，(8)表示為

g＝Hf+W (9)

的形式，其中g表示回波數據距離徙動校正后方位向數據向量；H表示天線波束采樣序列構建的卷積矩陣；f表示成像區域方位向目標散射稀系數向量；W表示噪聲向量，為了便于描述，本發明中將(9)表示成矩陣-向量的形式，假設天線主瓣采樣序列為

h＝[…，0，0，h_-m，h_-m-1，…，h₀，…，h_m-1，h_m，0，0，…] (10)

成像扇區邊緣目標反射率函數沿方位向采樣向量為

其中，h_i(i＝-m，…，0，…，m)表示天線波束采樣點；f_i(i＝-m+1，…，0，…n+m)表示成像扇區邊緣目標反射率函數的采樣點，因此，(9)的矩陣-向量形式為

其中，g_i(i＝1，2，…，n)表示回波數據采樣點，w_i(i＝1，…，n)表示噪聲元素；

為了在構建卷積矩陣時，定量表示成像扇區邊緣散射系數對回波數據的影響，將(12)表示成

g＝H_leftf_left+H_centerf_center+H_rightf_right+W (13)

其中，

步驟五：掃描雷達方位向回波計算具體包括：

在步驟四的基礎上，針對成像扇區邊緣目標反射率函數對成像扇區回波數據影響的差異，分別給出兩種不同的卷積矩陣變換方法：

卷積矩陣變換方法的情形一：

在掃描雷達前視成像回波建模時，若忽略成像扇區邊緣目標反射率函數對回波數據的影響，那么，掃描成像扇區邊緣目標反射率函數沿方位向采樣向量中f_left＝0，f_right＝0，其中f_left、f_right如(14)和(16)定義，這里的0表示與向量f_left、f_right長度相等、元素全為零的向量；也就是說，

在此情形下，(12)表示為

卷積矩陣變換方法的情形二：

在掃描雷達前視成像回波建模時，若考慮成像扇區邊緣目標反射率函數對成像扇區回波數據的影響，需對天線波束采樣序列構造的卷積矩陣進行重新構造，根據成像扇區邊緣目標反射率函數的空間連續性，而掃描雷達成像只對連續的成像場景中的一部分進行成像，此時則需要考慮成像扇區邊緣目標反射率函數對目標回波具有疊加效應的影響；

成像扇區邊緣目標反射率函數沿方位向采樣序列如(11)所示，對于目標反射率函數的連續性，在數學上表示為

此時，(12)中的卷積矩陣表示為(0|H_left)J+H+(H_right|0)J，其中J表示反轉矩陣，對應的回波數據獲取表示為