一种线性调频连续波合成孔径雷达视频信号的仿真方法技术

本发明专利技术提供了一种线性调频连续波合成孔径雷达视频信号的仿真方法，包括以下步骤：设置并读取仿真的合成孔径雷达系统参数信息；设置目标的信息参数；仿真时间的离散化处理；分别计算雷达平台与目标的瞬时位置，根据几何位置关系得到相位中心与目标的距离矢量；结合合成孔径雷达回波信号数学模型与雷达系统参数，得到一维的回波信号；一维信号按脉冲重复周期划分，格式成二维信号，存储完全部数据，得到了一个Ｎａ×Ｎｒ的二维信号，完成线性调频连续波合成孔径雷达视频信号的精细仿真。利用本发明专利技术可得到更准确的回波仿真信号，特别适用高速运动、远距离、雷达处于大斜视观测条件下的调频连续波信号的仿真方法，实现效率更优，具有更强的适应性和兼容性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于雷达
，特别涉及一种线性调频连续波(LFMCW)合成孔径雷达 (SAR)视频回波信号的仿真方法。
技术介绍
合成孔径雷达(SAR， Synthetic Aperture Radar)是一种高分辨率成像雷达，SAR主动 发射电磁波(从微波波段到毫米波波段)，并接收目标反射的回波信号通过复杂的信号处 理过程实现成像，具有全天时、全天候工作的能力。线性调频是合成孔径雷达常用的信号 波形，传统的SAR系统采用脉冲多普勒体制的线性调频信号，其回波模型的仿真与成像算 法相对比较成熟。线性调频连续波SAR的概念最先由英国伦敦大学提出并首先应用与飞机高度计中。线 性调频连续波SAR相对于传统脉冲多普勒体制SAR具有结构简单、体积小、重量轻、能 耗小、成本低、截获率低、抗干扰能力强等特点。LFMCWSAR具有上述的诸多优点，因此受到国内外越来越多的重视。对这一新体制 雷达的研究，在研究初期，对成像方式的原理及相应处理算法的研究需要符合条件的SAR 回波数据，应用合成孔径雷达的模拟技术可以降低雷达开发成本，縮短了开发的周期，使 雷达各个单元之间的设计和测试可以同时进行。特别是对于高速运动平台，雷达在超大前斜视条件下成像的情况，由于客观条件的限制，国内外没有相关的真实数据，此时雷达信 号的模拟可以在实际雷达系统前端不具备的条件下对雷达系统后期信号处理部分进行调 试和测试，为雷达系统的设计、分析和性能测试提供了有效的工具。雷达信号的仿真主要分为功能仿真和视频信号仿真，功能仿真通常是通过对目标和载 体运动方程的计算，预测出目标会在某个时刻某个位置被检测到，得到该时刻目标的距离 和方位数据；目标视频信号仿真包含了信号的相位信息，比功能仿真更复杂，逼真度更高。传统体制的脉冲多普勒雷达采用线性调频脉冲信号作为发射信号，由于脉冲信号的持 续时间非常短，占空比一般低于10%，可以忽略雷达从发射脉冲信号到接收到目标的回波 信号这S时间内雷达平台的运动，即认为雷达在发射与接收信号时，平台是静止不动的，这就是常用的"STOP AND GO"模型的假设。该模型对于脉冲体制雷达具有一定的合理性， 但线性调频连续波体制雷达有其特殊性。 一方面，采用线性调频连续波技术的新体制雷达 不同于脉冲体制雷达在工作时会反复的开关，它始终在不断发射信号，信号的持续时间占 据了整个脉冲重复周期，而且线性调频连续波的重复周期比较长，必须考虑脉冲周期内雷 达平台的运动；另一方面，为避免回波信号与发射信号的混叠，需要将发射天线与接收天 线分开，使雷达系统在发射的同时接收，而信号的发射与接收又是充分隔离的。因此传统 脉冲体制雷达的"STOPAND GO"模型不再适用，需要建立一种新的适用与线性调频连续 波合成孔径雷达的回波仿真方法。目前对于LFMCWSAR的回波模拟方法基本上可分为两类， 一种是延用"STOPAND G0"模型，但之后会对雷达平台连续运动带来的影响进行补偿，另一种是考虑了雷达平台 在脉冲重复周期内的运动，但在处理过程中，经过大量近似达到化简的目的。这两种方法 对于慢速平台对近距离观测(无人机与小型机平台)的情况是可行的，但应用于高速运动 平台，进行大前斜视远距观测时，会出现较大的误差；虽然在后续处理中可以进行补偿， 增加了处理过程的复杂度，也限制了仿真方法的通用性。
技术实现思路
本专利技术提供了，它具有精确、 通用性强的特点，可以方便的得到各种参数条件下雷达回波信号的仿真数据。特别是在高 速飞行、超大前斜视条件下，本专利技术仍能较快速得到准确的仿真数据。本专利技术提供了一种高速运动、远距离、雷达处于大斜视观测条件下的调频连续波信号 的仿真方法，它包括以下几个实现步骤(1) 设置并读取仿真的SAR系统参数信息，包括仿真信号、雷达运动平台和雷达波 束天线的参数信息等。信号参数选择为信号所处的波段为Ka波段，脉冲带宽 ^为百兆量级，脉冲重复周期在毫秒的数量级。雷达平台做高速运动，即速度r〉1000w〃，雷达作用距离较远，即雷达与目标的距离为l-10km。雷达处于 大斜视观测条件即是选取雷达天线波束中心与航向夹角为15° 30° 。(2) 设置目标的信息参数，包括目标的个数、运动状态、位置等。多点目标可以看 成是多个单点目标仿真信号的叠加。(3) 仿真时间的离散化处理。将模拟信号转换成离散的数字信号是通过采样来实现 的，对模拟信号进行采样的频率即为信号的采样率。将整个仿真时间划分成若干等长的时间段，每段的时间长度即采样时间的确定决定着仿真的精度，分得越细越精确，但运算量也会随之增加。鉴于调频连续波的特殊性，对信号的采样可以分为两种快采样和慢采样。以脉冲重复周期为周期对信号进行采样称 为慢采样，即方位向上的采样率，数值上与脉冲重复频率/p相等；对同一个周期内的信号进行采样称为快采样，即距离向上的采样率，用y;表示。根据抽样 定理，采样率要大于信号带宽，才能从抽样信号中恢复原连续信号。另一方面，选取的采样率越大，整个仿真过程中的数据率与计算量也会随之增加。SAR回波信号多为复数信号，因此釆样率约为信号带宽的1.1倍就能满足信号不失真的条件。信号先经过慢采样，设得到iv"个长度为r的时间段，再对每个时间段进 行快采样，则每个时间段^又被分为M^/^r个时间段，即整个仿真时间离散分为A^油.A^个长度为丄的时间段，则瞬时时刻可以表示为<formula>formula see original document page 7</formula>(4)分别计算雷达平台与目标的瞬时位置，根据其几何位置关系得到相位中心与目标的距离矢量即雷达天线中心与目标连线的长度和视线夹角。设平台的初始位置为A。 =[^。 &。 zm。f ，目标的初始位置为= &。 ^。r，平台速度和它在各个方向的分量分别为&=[rrf p":T，目标速度和它在各个方向的分量分别为&=[FCT ^ ^f，设^时刻为与快采样时间有关的瞬时时刻， 即整个仿真时间被离散化为^个时长为&的时间段，^,/ = 1、2……N时刻平台的位置为<formula>formula see original document page 7</formula>f,，z、l、2…iV时刻目标的位置为Pm、 A为雷达平台与目标的瞬时位置，时刻等效斜距为<formula>formula see original document page 7</formula> 其中r。为f, = 0时刻雷达平台与目标之间的距离，7为雷达平台相对于目标的相对运动速率。-为斜视角，即&与r之间的夹角。斜距的计算不再是传统的雷达仿真方法中仅随慢釆样时间即方位向时间变化，而是在采用了 "瞬时停走"的假设 以后，在每个快采样时间都会有相应变化。因此，本专利技术所提供的雷达信号仿真 方法比现有的雷达信号仿真方法更加精确。 (5)结合合成孔径雷达回波信号数学模型与步骤(1)中的雷达系统参数，得到一维 的回波信号。步骤(3)时间的离散化中对采样率的选择可以看出，信号的带宽 越大，采样率也会随之增大。雷达信号的带宽多在百兆的量级，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种线性调频连续波合成孔径雷达视频信号的仿真方法，其特征在于：它包括以下几个实现步骤，步骤一：设置并读取仿真的合成孔径雷达系统参数信息，包括仿真信号、雷达运动平台和雷达波束天线的参数信息；其中信号所处的波段为Ｋａ波段，脉冲带宽Ｂ↓［ｗ］为百兆量级，脉冲重复周期在毫秒的数量级，雷达平台做高速运动，即速度Ｖ＞１０００ｍ／ｓ，雷达作用距离即雷达与目标的距离为１－１０ｋｍ，雷达处于大斜视观测条件即是选取雷达天线波束中心与航向夹角为１５°～３０°；步骤二：设置目标的信息参数，包括目标的个数、运动状态、位置，多点目标看作是多个单点目标仿真信号的叠加；步骤三：仿真时间的离散化处理，对整个仿真时间进行快采样，将整个仿真时间划分成若干等长的时间段；本步骤是将模拟信号转换成离散的数字信号，对模拟信号进行采样的频率即为信号的采样率，设脉冲重复周期Ｔ，仿真时间为Ｎａ个脉冲重复周期，即仿真时间为Ｔ.Ｎａ，慢采样ｆ↓［ｐ］＝１／Ｔ，将整个仿真时间按脉冲重复周期进行划分；快采样速率为ｆ↓［ｓ］，即前面文字中的采样率，则整个仿真时间分为Ｎ＝Ｎａ.Ｔ.ｆ↓［ｓ］个长度为１／ｆ↓［ｓ］的时间段，则瞬时时刻ｔ↓［ｉ］表示为：ｔ↓［ｉ］＝－Ｎ／２ｆ↓［ｓ］＋ｉ／ｆ↓［ｓ］，ｉ＝１，２…Ｎ；步骤四：分别计算雷达平台与目标的瞬时位置，根据几何位置关系得到相位中心与目标的距离矢量即雷达天线中心与目标连线的长度和视线夹角；步骤一和步骤二已经提供了雷达平台与目标的初始位置和运动参数，只需要将步骤三中离散化后的时间ｔ↓［ｉ］代入Ｐ↓［ｍｉ］＝Ｐ↓［ｍ０］＋Ｖ↓［ｍ］ｔ↓［ｉ］，Ｐ↓［Ｔｉ］＝Ｐ↓［Ｔ０］＋Ｖ↓［Ｔ］ｔ↓［ｉ］，式中Ｐ↓［ｍ０］、Ｐ↓［Ｔ０］分别为雷达平台与目标的初始位置坐标，Ｖ↓［ｍ］、Ｖ↓［Ｔ］分别为雷达平台与目标的运动速度，ｔ↓［ｉ］为瞬时时刻，就得到相应时间雷达平台与目标的位置信息Ｐ↓［ｍｉ］、Ｐ↓［Ｔｉ］，由空间几何关系，得到雷达的斜距信息，并将斜距的值ｒ↓［ｉ］顺序存入计算机存储器中；设Ｐ↓［Ｔｉ］，ｉ＝１、２…ＮＰ↓［ｍｉ］，ｉ＝１，２…Ｎ分别为目标和雷达平台在时刻ｔ↓［ｉ］时刻的位置，平台飞行速度为Ｖ，则有＊＊＊　步骤五：结合合成孔径雷达回波信号数学模型与步骤一中的雷达系统参数，得到一维的回波信号；具体步骤如下：（ａ）雷达延时的计算雷达发射的信号是电磁波，速度为光速ｃ，假设信号在发射与接收时刻的斜距是相等的，即每个快采样的时间间隔内方位...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈杰，王莹，段世忠，杨威，李春升，李显军，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]