基于DEM数据的机载雷达地杂波仿真研究

(中国空空导弹研究院,河南洛阳471099)

0 引言

机载下视雷达工作期间,会产生强烈的地面杂波,严重影响雷达的作战性能,必须深入研究杂波特性,才能在后续处理中有效地消除杂波干扰。机载雷达一般采用脉冲多普勒体制[1],相干视频杂波模型可分为两种:基于模型的杂波仿真和基于确定场景的杂波仿真。本文主要研究在特殊情况下(对雷达进行试验或检验飞机低空突防能力等),如何使用地面场景高度信息、场景覆盖信息和散射系数信息等产生指定位置上的杂波。

1 DEM数据

本文所使用的DEM数据是从中科院地理空间数据云下载的GDEM数字高程数据,数据类型为IMG格式,分辨率为90 m。为方便进行数据读取,使用Global Mapper软件转换为tif格式,数据表示为正方形网格的矩阵数据,值域范围是-152～8 806 m,去掉了无效点数据。DEM数据显示如图1所示,地形高度按灰度级别划分,白色和黑色分别代表高度最大值和最小值。

为方便计算,在规则矩形网格划分的基础上,将DEM数据中3个相邻点划分一个小面元,作为具有独立散射特性的散射体,如图2所示,依次形成以每个点为直角顶点的三角形小面元,认为每个面元都是平面,且面积相等。

以网格中心为原点,建立的北天东直角坐标系为惯性系,根据分辨率设定每个网格点的坐标位置。

图1 DEM数据灰度图

图2 三角形面元划分

2 仿真方法

2.1 散射系数建模

雷达回波的强度与后向散射系数紧密相关。后向散射系数与地面粗糙度、入射角、极化方式、地表的复介电常数以及工作波长有关。地面后向散射系数的建模非常复杂,一般采用统计模型,选择准确的分类和适当的统计模型关系到杂波计算的有效性和可靠性[2]。

考虑不同地形对后向散射系数的影响,采用更为精确且常用的Morchin模型作为后向散射系数关系模型,其表达式[3]为

2.2 面元参数规划

根据载机位置,需要对每个三角形面元分别进行计算,如图3所示,P为载机雷达中心位置,A,B,C分别为面元的3个顶点,以直角顶点A为基准,计算载机视线方向AP的俯仰角β,AP与面元所在平面的夹角θ(即入射余角),AP与面元法线方向AH的夹角γ,其中θ和γ互为余角。

图3 面元参数图

首先通过矢量AB和AC的叉乘运算得到法向矢量AH,然后计算AH与AP的夹角γ,求余角即为入射余角θ。

2.3 仿真区域限定

典型机载雷达地杂波中包含主瓣杂波、高度线杂波和旁瓣杂波[4],对于真实地形散射点仿真,雷达天线照射区域所有主瓣和旁瓣杂波的计算量很大,算法实时性差,因此考虑对仿真的地面区域进行限定,在包含主瓣杂波和高度线杂波的基础上,缩小旁瓣杂波仿真区域,以减少计算量。

如图4所示,从载机地面投影点P1和波束指向中心与地面交点P2连线出发,分别向两端延伸δ1和δ2角度的范围,在地面上形成一块正方形的区域,仿真过程中只对该区域内的面元进行计算,δ1和δ2的取值可根据实际仿真过程调整,一般取δ2＜δ1。

图4 区域范围限定

仿真过程中,遍历DEM数据中的每个散射点,判断是否位于该仿真区域内,如果是则对该散射点所在的三角形面元进行计算,否则忽略。这一步骤大大减少了需要计算的散射点个数,且仿真得到的波形和全部计算时差别不大。

2.4 地形遮蔽判断

地形遮蔽是在杂波仿真中必须考虑的,也是计算量较大的步骤之一,通常采用地形剖面线上散射点的仰角或高度值来依次进行判断[5]。本文在此基础上认为地形多为缓慢变化且存在陡然变化的机率不大,考虑采用变步长的方法,灵活选择地形剖面线上的递进步长,根据矢量旋转情况进行判断,以提高计算速度。如图5所示,以某散射点P ij为例,具体判断过程如下:

a)将网格横向间隔设为1,L j=j,对应地形剖面线上的高度值H j,j=0,1,2,…。

b)设横向间隔的递进步长为整数值d,其初始值可设为1,可根据地形高度变化情况调整大小。

c)通过叉乘运算,判断视点O到H j的矢量旋转情况,如果矢量OHd相对OH2d顺时针旋转,则Hd对应的散射点被遮蔽;否则该点可视[6]。

d)如果高度值H2d为不可视点,则后续地形点只要高度值不大于Hd,则都是不可视的,直到再出现可视点为止。

图5 地形遮蔽判断

2.5 天线增益计算

雷达回波实际接收时会受到天线方向图的调制,不同点散射体的增益值不同,需要建立天线方向图模型进行计算,为简化计算,本文采用辛克函数方向图函数近似模型表示,设θ和φ分别为地面散射点在天线系的方位角和俯仰角,θ0,φ0为天线波束指向,θ3dB,φ3dB为天线主瓣宽度。则有[7]

将地面某散射点A的视线矢量PA从惯性系转换到天线系,求出θ和φ,从而计算出该散射点的天线方向图增益,用于回波幅度计算。

3 仿真结果

根据上述仿真方法和计算流程,通过软件编程,进行了某一真实场景下机载脉冲雷达相干视频回波的模拟[8]。

仿真主要参数:载机速度v=150 m/s,载机高度H=5 000 m,波长λ=0.03 m,脉冲重复频率fr=8 k Hz,FFT长度N=64,采样率fs=1 M Hz,天线主波束方位角φ=0°,天线主波束俯仰角θ=23°。

依次将散射点回波幅度按照距离门进行叠加,得到机载雷达杂波的时域信号,杂波幅度的距离分布图如图6(a)所示,横坐标为距离分布。

图6(b)为杂波的二维距离-多普勒功率谱。多普勒门宽度Δf=fr/N=8 000/64=125 Hz,天线主瓣中心位置的多普勒频移fd=(2v/λ)cosφcosθ=9 210.6 Hz,存在多普勒模糊,因此对应的多普勒门为mod(9 210.6/125,N)≈9,与图中一致,说明实际仿真结果与理论分析结果相符合。

通过仿真可知,未采用简化算法的程序仿真平均时间为49.6 s,采用后的平均时间为1.3 s,提高了约38倍,算法速度有了很大的提升,达到了杂波快速仿真的要求。

图6 杂波仿真结果

4 结束语

本文研究了特定地面场景下机载雷达的相干视频信号仿真过程,得到了真实地形的相干视频幅度回波,采用的简化计算方法,减少了仿真时间。实际仿真中,由于雷达运动,所有地形散射点参数信息需要不断更新,涉及的运算量很大,为了能够满足实时仿真的要求,必须进一步简化仿真流程并考虑采用并行计算方式。

[1]洪丽娜.雷达地杂波建模仿真研究[D].长沙:国防科技大学,2003.

[2]龚树凤,潘明海.基于数字高程模型的机载线性调频雷达地杂波仿真[J].中国雷达,2010(3):34-36,52.

[3]付爱启,李建勋,万明,等.基于后向散射系数模型的杂波仿真[J].中国雷达,2010(2):34-39.

[4]张宏伟.机载PD雷达杂波及系统的建模与仿真[D].西安:西安电子科技大学,2007.

[5]康士峰,罗贤云,葛德彪,等.任意姿态机载PD雷达三维地杂波算法研究[J].电子学报,2000,28(3):21-24.

[6]李晓波,李雪光,陶文,等.DEM数据在雷达地杂波仿真中的应用[J].装备指挥技术学院学报,2010,21(2):69-73.

[7]井塬塬.机载雷达地、海杂波仿真的快速算法研究[D].西安:西安电子科技大学,2012.

[8]范海菊,李景文.基于起伏RCS模型的机载PD雷达地杂波模拟[J].雷达科学与技术,2005,3(1):25-30.FAN Hai-ju,LI Jing-wen.Simulation of Ground Clutter of Airborne PD Radar Based on Fluctuant RCS[J].Radar Science and Technology,2005,3(1):25-30.(in Chinese)