雷达训练模拟器中气象杂波图像生成算法研究

徐晓晗，古华栋

(海军研究院，北京 100161)

0 引 言

仿真的气象杂波图像直接影响雷达操作员对气象杂波的直观认识。如果气象杂波逼真度不高，则会影响操作员在实际使用中对雷达目标和干扰的判断，导致操作失误。因此，快速、逼真地对气象杂波进行仿真具有重要意义。

目前，雷达训练模拟器中气象杂波图像仿真主要有两种方法：第1种方法是将实装气象杂波视频或图片预先存入存储器中，在训练过程中进行回放[1-3]。但是，该方法画面比较单一，预设气象杂波数据、视频或图片样本数少，在训练过程中无法满足不同训练条件下的多样性要求；第2种方法是根据气象杂波幅度分布模型产生符合某种概率密度的随机信号，在不同区域产生不同密度的随机点[4-5]。该方法往往用稀疏的点代替气象杂波，形状过于规则，逼真度较差。气象杂波图像仿真之所以效果不佳，主要有两方面原因：(1)气象杂波形状不规则，(2)气象杂波运动规律不确定。针对这两个问题，本文分析了气象杂波的成因、分布特性和图像特点，提出了一种气象杂波图像生成算法，能较好地仿真气象杂波图像。

1 气象杂波特性分析

气象杂波是由云、雨和雪等散射体的雷达回波矢量叠加而成的，是一种典型的体杂波。它不仅受天线增益、雷达波长等雷达参数影响，而且与风速、风向等因素密切相关[6]。

在雷达分辨单元内的每个雨滴、悬浮水粒、冰雹或者雪花都属于一个散射体。在空间一定范围内，这些散射体可以看成是均匀随机分布的，而且相互独立[7]。由于受到重力和风的影响，它们之间产生相互独立的随机运动。每个散射体的散射方向不断发生改变，导致雷达接收到的回波强度和相位也是不断随机变化的。不论雷达的分辨力或高或低，在雷达照射单元的范围内都聚集大量的散射体，并且其中任意一个散射体的作用都不是主导的，即总回波的两个正交分量的幅值总是满足中心极限定理的条件，服从正态分布规律，合成振幅服从瑞利分布[8]，其均值与云雨随机运动的速度、形式、雷达波长和极化现象有关，其分布规律可用下式表示。

式中，σ为高斯分布的均方根值。

气象杂波的功率谱符合高斯分布模型，由于风的作用，其功率谱中含有一个与风向和风速有关的平均多普勒频移。

其中，σν为杂波速度的均方根值，λ为雷达工作波长。

图1为文章[9]中根据气象杂波分布特性生成的气象杂波图像。图2为真实气象杂波图像。从图2可以看出，真实气象杂波中心区域回波强度较高，呈团状或块状，形状不规则，边缘为离散随机点状分布。图1模拟的气象杂波中心区域亮度不高，形状过于规则，逼真度并不高。对于训练模拟器来说，更关注的是气象杂波图像的逼真度而不是统计特性。为此，本文弱化气象杂波的统计模型，而提出一种快速、逼真的气象杂波图像生成算法。

2 气象杂波图像生成算法与实现

2.1 气象杂波不规则形状仿真

作为一种典型的体杂波，气象杂波的强度与天线波束照射的体积、信号的距离分辨率以及散射体的性质有关。由于散射体在空间的分布是不规则的，其反射的回波在雷达终端形成的杂波强度也是不均匀的，通常大雨回波强度较强，中雨和小雨逐步减弱；同时，云雨块中心区域强度较大，而边缘和非降雨区强度较小。这就导致气象杂波在显示终端的形状很随机难以模拟。

根据实际气象杂波图像的特点，本文利用随机数来产生气象杂波的形状模板，在模板的基础上叠加均匀分布的随机数来产生气象杂波的视频数据。该方法不仅能产生形状随机、边缘不规则的气象杂波图像，而且计算简单速度快，其步骤如下：

(1) 设定气象区域的大小为m×n，m代表气象区域的方位向单元个数，n代表气象区域的距离向单元个数。

(2) 产生一个大小为p×q的二维正态分布随机数，其中p=m/k，q=n/k，k为缩放因子。对p×q的二维数据进行k倍的插值处理，使其放大到m×n大小。该过程用来产生大的云雨块，取正值后如图3(a)所示。

(3) 为了产生小的云雨块，同时增加大云雨块之间的连通性，同理改变缩放因子的大小为r(r

(4) 对大云雨块和小云雨块以一定的比例系数α叠加便得到云雨块的形状模板。

(5) 在形状模板的基础上叠加均值为μ的m×n大小的二维均匀分布随机数，得到气象杂波的仿真数据，如图3(d)所示。

对气象杂波数据进行归一化处理，得到的气象杂波数据的灰度图如图4所示。从图中可以看出，气象区域形状不规则，中心幅值较高，向四周逐渐减小，没有出现突变的边沿。将其幅值调整到0～255亮度区间内，输入到雷达终端显示如图5，可以看出中心区域呈块状亮度较高，边缘区域呈现离散点状，与真实气象杂波非常接近。

本文算法不仅能通过设置气象区域和缩放因子的大小控制气象杂波的形状，而且通过调整比例系数α和均匀分布随机数的均值μ可以改变气象杂波的幅值。

2.2 气象杂波变化效果模拟方法

对于复杂目标，当雷达观测方向或散射体的运动发生稍许改变，其矢量和就会发生相应的变化，从而形成起伏的回波。气象杂波起伏速度受云内粒子相态、含水量、风速等因素影响，在脉冲与脉冲之间具有强烈的相关性，在扫描与扫描之间气象杂波强度变化缓慢，区域形状整体变化不大，但细节上变化明显。为了更加逼真地模拟气象杂波动态变化过程，本文算法在每次扫描期间形状模板保持不变，只是改变每次叠加的随机数，这样便可实现气象杂波扫描与扫描之间动态变化的过程。图6为本文算法在连续3次扫描间形成的气象杂波数据的灰度图。从图中可以看出，气象区域整体形状不变，但局部幅值发生明显改变。

3 结束语

本文对气象杂波的形成、散射特性、分布特性进行了分析，对真实的气象杂波图像特点进行了深入的挖掘。为了更逼真地模拟气象杂波图像，本文提出了一种用随机数生成气象杂波不规则形状的方法，通过叠加不同的随机数，实现了气象杂波变化效果显示，在雷达显示终端形成了逼真的气象杂波干扰画面，为气象杂波图像的仿真提供了一种快速、有效的方法。