一种基于属性散射中心近场修正模型的回波生成方法

技术领域

本发明涉及雷达电磁仿真技术领域，特别涉及一种基于属性散射中心近场修正模型的回波生成方法。

背景技术

雷达对目标进行观测时，若雷达的距离足够远，则雷达发射的电磁波可视为均匀平面波，目标的散射回波表现出远场的散射特性。但许多场景中，雷达的观测距离有限，雷达发射的电磁波为非均匀球面波，此时目标的散射回波表现出近场下的散射特性。目标在近场条件下的回波特性与远场下的有明显差异，并存在随雷达距离变化的动态特性。因此目标在近场条件下的散射回波的精确仿真是电磁计算领域中被持续关注的热点问题，具有较高的学术价值和应用前景。

在现有的研究工作中，全波方法和高频近似方法均被用于目标的近场电磁散射计算，全波方法计算结果精确但时间成本很高，高频方法计算效率高，精度较好，但仍然需要一定的计算时间。然而目标近场散射仿真的主要应用场景包括弹载雷达对目标的跟踪以及车载雷达的实时预警等，这类场景要求对目标的近场散射仿真即时完成，上述方法不能够完全满足工程应用的需求。例如在弹载雷达探测中，雷达快速接近目标，回波表现出近场散射特性并动态变化。因此需要解决目标近场散射的实时仿真问题，才能预知目标近场散射特征的变化，为弹载雷达弹目交会时目标识别与跟踪提供支持。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于属性散射中心近场修正模型的回波生成方法，以解决电大尺寸目标在近场条件下的散射回波快速仿真的问题，在保证精度的前提下，降低了仿真计算成本、提高了仿真计算效率，并具有宽角度优势，能够用于弹载雷达的目标跟踪识别、车载雷达的预警。

为了达到上述目的，本发明提供一种基于属性散射中心近场修正模型的回波生成方法，电大尺寸目标具有多个局部型散射中心和多个分布型散射中心，所述方法包含步骤：

S1、输入电大尺寸目标的属性散射中心远场模型的参数；

S2、输入雷达在近场时的雷达参数；获取所述局部型散射中心与雷达之间的位置关系，基于该位置关系修正局部型散射中心的远场散射场幅度、相位为对应的近场散射场幅度、相位，得到局部型散射中心近场修正模型；

S3、划分分布型散射中心为多个分段；搜索各个雷达视线角度下，分布型散射中心被雷达观测到的所有分段，所述所有分段构成分布型散射中心在该雷达视线角度下的被观测区域；

S4、通过阶跃响应函数，修正分布型散射中心的远场散射场幅度为对应的近场散射场幅度；

S5、基于对应雷达视线角度下，分布型散射中心对应被观测区域的中心点与雷达之间的位置关系，修正该雷达视线角度下，分布型散射中心远场散射场的相位为对应近场散射场的相位；基于各雷达视线角度下，分布型散射中心近场散射场的幅度、相位和被观测到的分段的数量，得到分布型散射中心近场修正模型；

S6、将所述局部型散射中心近场修正模型、分布型散射中心近场修正模型累加，得到属性散射中心近场修正模型；基于所述属性散射中心近场修正模型得到电大尺寸目标在当前雷达位置下的近场散射回波；改变雷达位置，重复S2至S6，获取不同雷达位置下的近场散射回波。

可选的，属性散射中心远场模型包含：局部型散射中心远场模型E

其中，i表示第i个局部型散射中心，Num_LSC表示局部型散射中心的总个数，A

局部型散射中心远场模型的输入参数包含：A

其中，m表示第m个分布型散射中心，Num_DSC表示分布型散射中心的总个数，B

分布型散射中心远场模型的输入参数包含：B

可选的，所述雷达参数包括：雷达相对于电大尺寸目标的俯仰角、方位角，雷达与电大尺寸目标的中心的直线距离，雷达天线方向图数据，雷达频率。

可选的，步骤S2中第i个局部型散射中心近场散射场的幅度记为A

第i个局部型散射中心近场散射场的相位为

局部型散射中心近场修正模型E

可选的，步骤S3中划分分布型散射中心得到L

可选的，雷达视线矢量与分段中点处法向矢量的夹角若小于1.25°，则该分段能够被雷达观测到。

可选的，步骤S4中所述阶跃响应函数为：

B

其中，a＝0.992B′

可选的，步骤S5包含：

S51、计算第m个分布型散射中心在全雷达视线角度下的近场散射场E

其中，p表示第p个雷达视线角度；Num_angle为雷达视线角度的总个数；d

S52、分布型散射中心近场修正模型E

可选的，步骤S6中的属性散射中心近场修正模型E

与现有技术相比，本发明的基于属性散射中心近场修正模型的回波生成方法的有益效果在于：

1)发明首次提出了对电大尺寸目标的属性散射中心远场模型进行近场修正，并基于修正的模型生成目标的近场回波。相比于现有技术中基于点散射中心模型计算目标近场回波具有宽角度优势，可以更好地刻画目标的散射特征。

2)本发明在保证精度的前提下，避免了大量仿真计算过程，可以即时获得近场回波仿真结果。因此可以用于弹目交会场景下的近程雷达探测，能够满足弹载雷达的目标跟踪识别、车载雷达的预警等实际需求。因此相对传统方法，本发明具有更高的工程应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为本发明实施例中的电大尺寸目标的几何模型图；

图2为本发明的基于属性散射中心近场修正模型的回波生成方法流程图；

图3为本发明实施例中，近场条件下目标的照亮区域示意图；

图4为本发明实施例中，使用FEKO、属性散射中心近场修正模型的近场仿真结果对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

利用散射中心模型进行目标散射仿真的理论基础来源于高频近似方法。当目标符合高频近似条件时，目标的散射场可视为若干个独立散射中心的回波的线性叠加。使用参数化的散射中心模型，将目标的散射场近似为一组具有物理意义的函数式，散射中心模型的参数与雷达频率、方位等物理量相关，可以用于仿真目标的散射回波，并具有较高的精度。

目前的散射中心模型方法主要应用于远场条件下的目标散射仿真。有文献通过SBR(shooting and bouncing ray射线弹跳法)计算结果，获得目标的远场散射中心，并用来预测目标的近场散射结果。有文献通过目标的近场ISAR(Inverse Synthetic ApertureRadar逆合成孔径雷达)成像，获得了目标的二维、三维点散射中心模型。有文献对真空中的电大尺度非均匀等离子体RCS(Radar Cross section雷达散射截面)测试的问题，通过近场ISAR图像，利用CLEAN方法获得散射中心模型，并外推至远场结果。有文献通过近场数据获得散射中心，来外推至远场结果。也有文献通过弹跳射线法获得目标散射中心，并基于点散射中心的近场重构公式生成近场动态回波。

上述现有技术中使用的均为点散射中心模型，目标探测范围小，计算方法复杂，耗时较多，不能够满足弹载雷达目标跟踪识别、车载雷达预警等场景的需求。

电尺寸是指目标最大尺寸与入射电磁波波长的比，当电尺寸大于10时，可认为是电大尺寸目标。图1为本发明实施例中的电大尺寸目标的几何模型图。本实施例的电大尺寸目标为金属立方体，尺寸为1m×1m×0.2m。电大尺寸目标具有多个局部型散射中心和多个分布型散射中心。根据属性散射中心建模方法(此为现有技术，在此不做赘述)，本实施例中的电大尺寸目标有4个局部型散射中心和3个分布型散射中心。需要说明的是局部型散射中心和分布型散射中心均具有一定长度。

本发明提供一种基于属性散射中心近场修正模型的回波生成方法，如图2所示，包含步骤：

S1、输入电大尺寸目标的属性散射中心远场模型的参数；属性散射中心远场模型包含：局部型散射中心远场模型E

其中，i表示第i个局部型散射中心，Num_LSC表示局部型散射中心的总个数，A

局部型散射中心远场模型的参数包含：A

表1

其中，m表示第m个分布型散射中心，Num_DSC表示分布型散射中心的总个数，B

分布型散射中心远场模型的参数包含：B

表2

S2、输入雷达在近场时的雷达参数；获取所述局部型散射中心与雷达之间的位置关系，基于该位置关系修正局部型散射中心的远场散射场幅度、相位为对应的近场散射场幅度、相位，得到局部型散射中心近场修正模型；

所述雷达参数包括：雷达相对于电大尺寸目标的俯仰角、方位角，雷达与电大尺寸目标的中心的直线距离，雷达天线方向图数据，雷达频率。如图3所示，本实施例中使用理想电源产生的均匀天线方向图。

本实施例中，雷达频率为5GHz，雷达单站观测角度为θ＝90°，

步骤S2中第i个局部型散射中心近场散射场的幅度记为A

由于LSC的位置固定在目标的几何结构不连续处，不论是远场还是近场条件下都不改变，只考虑在近场下雷达发射波由平面波变为球面波。第i个局部型散射中心近场散射场的相位修正为

局部型散射中心近场修正模型E

表3为本实施例中，局部型散射中心近场修正模型E

表3

将表3中的参数代入公式(3)，即可获得目标局部型散射中心的近场散射场。本实施例在近场条件下，R设置为5m，天线使用理想点源，因此G(φ)一项可忽略。

S3、划分分布型散射中心为L

当雷达视线矢量(即雷达发射的电磁波的传播方向)与分段中点处法向矢量的夹角若小于1.25°，则该分段能够被雷达观测到。该夹角的计算过程核心是两个矢量的点乘，是简单的几何图形计算(现有技术)。

S4、通过阶跃响应函数，修正分布型散射中心的远场散射场幅度为对应的近场散射场幅度。

由于在近场条件下，DSC的幅度除了与目标反射面积相关外，还与雷达距离相关，本发明中采用阶跃响应函数来进行修正。步骤S4中所述阶跃响应函数为：

B

其中，a＝0.992B′

S5、基于对应雷达视线角度下，分布型散射中心对应被观测区域的中心点与雷达之间的位置关系，修正该雷达视线角度下，分布型散射中心远场散射场的相位为对应近场散射场的相位；基于各雷达视线角度下，分布型散射中心近场散射场的幅度、相位和被观测到的分段的数量，得到分布型散射中心近场修正模型。

步骤S5包含：

S51、计算第m个分布型散射中心在全雷达视线角度下的近场散射场E

其中，p表示第p个雷达视线角度；Num_angle为雷达视线角度的总个数；d

S52、分布型散射中心近场修正模型E

本实施例中，分布型散射中心近场修正模型E

表4

S6、将所述局部型散射中心近场修正模型、分布型散射中心近场修正模型累加，得到属性散射中心近场修正模型；基于所述属性散射中心近场修正模型得到电大尺寸目标在当前雷达位置下的近场散射回波；改变雷达位置，重复S2至S6，获取不同雷达位置下的近场散射回波。属性散射中心近场修正模型E

通过与商业电磁仿真软件FEKO的结果比较，可以本发明属性散射中心近场修正模型的准确性。两者RCS结果如图4所示。

本发明通过对电大尺寸目标的属性散射中心远场模型进行近场修正，在弹目交会时，能够快速获得属性散射中心近场修正模型，并基于获得的近场修正模型生成近场散射回波，避免了耗时较大的计算过程。本发明的方法具有较高的精度，适用于目标的快速近场回波仿真，可以应用于弹载雷达的目标跟踪识别，车载雷达的预警等场景。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。