雷達(dá)海雜波與氣象雜波模擬方法研究

黃向清，林新黨

(1.海軍92932部隊(duì)，廣東 湛江 524016； 2.海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室，南京 210003)

雷達(dá)海雜波與氣象雜波模擬方法研究

黃向清1，林新黨2

(1.海軍92932部隊(duì)，廣東 湛江 524016； 2.海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室，南京 210003)

雷達(dá)海雜波和氣象雜波可采用多種仿真數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生，但其信號模擬逼真度不高，難以滿足雷達(dá)操作使用人員在近于實(shí)際海洋環(huán)境中的訓(xùn)練要求。利用海上試驗(yàn)和訓(xùn)練中采集的實(shí)際雷達(dá)雜波數(shù)據(jù)，按照預(yù)先設(shè)定的海洋自然環(huán)境條件，采用電磁波傳播模型和自然環(huán)境模型對雜波回波數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制處理以更加逼真地產(chǎn)生所需要的雜波回波信號，使雷達(dá)顯現(xiàn)的雜波回波信號的強(qiáng)度和變化規(guī)律符合預(yù)設(shè)場景要求，提高訓(xùn)練效果，提升雷達(dá)操作使用人員在不同海上環(huán)境條件下的應(yīng)對處理能力。

訓(xùn)練模擬;真實(shí)雷達(dá)回波; 海雜波;氣象雜波

Abstract: Radar sea and weather clutters can be generated through various mathematical simulation models. However, the fidelity of the simulated signals is not good enough for the radar operator's training in the approximately actual marine environment. By using the real radar clutter data collected in the sea trial and training, according to the preset marine natural environment conditions, the clutter echo data are modulated through the electromagnetic wave propagation model and the natural environment model to generate the required clutter echo signals more realistically, making the strength and the change rules of the clutter echo signals satisfy the requirement of the preset scenario, improving the training effect, and strengthening the radar operator's coping capacity in different marine environment conditions.

Keywords: training simulation; real radar echo; sea clutter; weather clutter

0 引 言

雷達(dá)操作使用人員的實(shí)裝訓(xùn)練受到各種自然或人為因素的制約，如天氣的好壞、裝備訓(xùn)練磨損程度,以及訓(xùn)練過程中訓(xùn)練人員的安全、物資供應(yīng)、經(jīng)費(fèi)投入等。此外，其他維護(hù)和調(diào)試測試工作的開展也會對雷達(dá)訓(xùn)練產(chǎn)生一定程度的影響。這使得雷達(dá)訓(xùn)練場地和訓(xùn)練時間都受到限制。雷達(dá)訓(xùn)練模擬系統(tǒng)是解決上述問題的有效途徑。除了可以解決上述因素的制約外，雷達(dá)訓(xùn)練模擬系統(tǒng)還可以防止雷達(dá)發(fā)射頻率、脈沖重復(fù)周期、功率等重要參數(shù)的泄露，保證雷達(dá)操作訓(xùn)練的安全性。[1-2]

有經(jīng)驗(yàn)的雷達(dá)操作員善于從原始回波中區(qū)分目標(biāo)和雜波，并從雜波背景下識別出目標(biāo)。因此，雷達(dá)訓(xùn)練模擬系統(tǒng)能否逼真地模擬出海雜波和氣象雜波數(shù)據(jù)，對于訓(xùn)練操作員對雜波中目標(biāo)的正確檢測和跟蹤具有十分重要的意義。[3-4]本文研究了利用各種試驗(yàn)和演習(xí)訓(xùn)練中采集到的真實(shí)海雜波和云雨雜波數(shù)據(jù)，根據(jù)訓(xùn)練態(tài)勢中設(shè)定的天氣、海況等自然條件對雜波數(shù)據(jù)的方位和強(qiáng)度進(jìn)行處理，從而產(chǎn)生與訓(xùn)練設(shè)定態(tài)勢一致的海雜波和氣象雜波模擬信號的方法。

1 海雜波和氣象雜波的數(shù)學(xué)模型及模擬效果

1.1 海雜波

海雜波回波強(qiáng)度與雷達(dá)的工作波長、極化方式、電波入射角有關(guān)，同時還受到洋流、涌波、海表面溫度等各種因素影響，其幅度概率分布帶有較長的拖尾。[5-7]概率密度函數(shù)可采用對數(shù)正態(tài)(Log-Normal)分布、韋布爾(Weibull)分布和K分布等非高斯模型近似表示。

(1) 對數(shù)正態(tài)分布

在雷達(dá)的分辨力較高或高海況條件下，雜波的尾部較長，后向散射特性偏離了瑞利分布，比較符合對數(shù)正態(tài)分布的振幅分布[8]，對數(shù)正態(tài)分布的概率密度函數(shù)為

(1)

式中，xm是尺度參數(shù)，表示分布的中位數(shù)；σc是形狀參數(shù)，為lnx2的標(biāo)準(zhǔn)偏差，表明分布的偏斜度。在雷達(dá)的分辨力較高或高海況條件下，海雜波的后向散射特性偏離了瑞利分布，其尾部較長，可用對數(shù)正態(tài)分布與之?dāng)M合，這里應(yīng)根據(jù)測量數(shù)據(jù)估計(jì)σc。對數(shù)正態(tài)分布的均值與方差分別為

(2)

(3)

形狀參數(shù)σc越大，對數(shù)正態(tài)分布曲線的拖尾則越長。

(2) 韋布爾分布

在近距離或雜波干擾嚴(yán)重的情況下，韋布爾分布的不對稱小于對數(shù)正態(tài)分布的不對稱性。所以，對海雜波幅度起伏較為均勻的情況，選用韋布爾分布更為合適。[9]韋布爾分布的概率密度函數(shù)為

(4)

式中，p為形狀參數(shù)，q為尺度參數(shù)。韋布爾分布的均值和方差分別為

μ=E[x]=qΓ[1+p-1]

(5)

(6)

式中Γ[·]是伽馬函數(shù)。當(dāng)p=1時，韋布爾函數(shù)退化為指數(shù)分布；當(dāng)p=2時，韋布爾函數(shù)退化為瑞利分布。調(diào)整韋布爾分布的參數(shù)，可以使韋布爾分布模型更好地與實(shí)際雜波數(shù)據(jù)匹配。韋布爾分布是一種適應(yīng)范圍較寬的雜波概率分布模型。

(3) K分布

前述各種雜波模型都是基于單一點(diǎn)統(tǒng)計(jì)量，僅僅適合于單個脈沖檢測的情況，缺乏模擬雜波的時間和空間相關(guān)性。考慮到脈間的相關(guān)性，近年來提出了相關(guān)K分布。在這種模型中，海雜波回波的幅度被描述為兩個因子的乘積。第1部分是斑點(diǎn)分量(即快變化分量)，它由大量散射體的反射進(jìn)行相參疊加而成的，符合瑞利分布。第2部分是基本幅度調(diào)制分量(即慢變化)，它反映了與海面大面積結(jié)構(gòu)有關(guān)的散射束在空間變化的平均電平，具有長相關(guān)時間。[10-11]K分布的概率密度函數(shù)為

(7)

式中，v為形狀參數(shù)，當(dāng)v→0時概率分布曲線有長的拖尾，表示雜波有尖峰出現(xiàn)，而當(dāng)v→∞時概率分布曲線接近瑞利分布；a為尺度參數(shù)，與雜波的均值大小有關(guān)；Γ[·]為伽馬函數(shù)；Kv[·]是修正的v階貝塞爾函數(shù)。K分布的均值與方差分別為

(8)

K分布可以在很寬的范圍內(nèi)表征高分辨率雷達(dá)在低入射角情況下海雜波的幅度概率分布。

1.2 氣象雜波

云、雨和雪的散射回波稱為氣象雜波。氣象雜波是一種體雜波，其強(qiáng)度與天線波束照射的體積、信號的距離分辨率以及散射體的性質(zhì)有關(guān)。根據(jù)散射體的性質(zhì)不同，非降雨的云強(qiáng)度最小，從小雨、中雨到大雨，氣象雜波逐漸增大。氣象雜波是有大量微粒的散射形成的，所以雜波幅度分布一般符合高斯分布。氣象雜波的功率譜也符合高斯分布模型。由于風(fēng)的作用，其功率譜中含有一個與風(fēng)向和風(fēng)速有關(guān)的平均多普勒頻率。[12-13]

(10)

式中，fd是其平均多普勒頻率，與風(fēng)速風(fēng)向有關(guān)；σf是其功率譜的標(biāo)準(zhǔn)離差，對于云雨來說，σf可由式(11)得到。

(11)

1.3 海雜波和氣象雜波數(shù)學(xué)模型的模擬結(jié)果

根據(jù)海雜波和氣象雜波的數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生的模擬信號在雷達(dá)終端的顯示分別如圖1和圖2所示。實(shí)際雷達(dá)海雜波和氣象雜波如圖3和圖4所示。

圖1 模擬海雜波 圖2 模擬氣象雜波

圖3 真實(shí)海雜波 圖4 真實(shí)氣象雜波

由圖1～圖4可以看出，由數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生的海雜波和氣象雜波信號跟真實(shí)的海雜波和氣象雜波存在較大的差異。真實(shí)的海雜波近區(qū)回波較強(qiáng)且連續(xù)，在遠(yuǎn)區(qū)隨機(jī)出現(xiàn)且存在邊緣霧化現(xiàn)象，而模擬海雜波在近區(qū)比較離散并且邊緣霧化現(xiàn)象不明顯。真實(shí)的氣象雜波中心亮度很強(qiáng)，邊緣連續(xù)且存在霧化現(xiàn)象，而模擬的氣象雜波中心強(qiáng)度不夠且過于離散，邊緣也不存在霧化現(xiàn)象。

模擬雜波信號與真實(shí)雜波信號的差異在訓(xùn)練中會影響到雷達(dá)操作員對海雜波和氣象雜波的感觀認(rèn)識，從而影響到實(shí)際使用過程中雷達(dá)操作員對海雜波和氣象雜波的判斷及對目標(biāo)的檢測、跟蹤和處理，使雷達(dá)操作員的訓(xùn)練效果大打折扣。

2 海雜波和氣象雜波模擬方法與實(shí)現(xiàn)

為了模擬出跟真實(shí)雜波非常相近的回波，本文將采用對外場試驗(yàn)中采集到的真實(shí)海雜波和氣象雜波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法，來產(chǎn)生滿足戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練使用逼真度要求的海雜波和氣象雜波信號。

2.1 海雜波模擬方法與實(shí)現(xiàn)

為了能模擬出各種自然環(huán)境下海雜波的回波，本文使用的實(shí)采海雜波數(shù)據(jù)為30 km以內(nèi)全方位海雜波一次回波數(shù)據(jù)。設(shè)模擬自然環(huán)境中風(fēng)向?yàn)棣誻ind，風(fēng)速為vwind(m/s)。首先對采集到海雜波數(shù)據(jù)作偏轉(zhuǎn)運(yùn)算，使得采集海雜波數(shù)據(jù)的風(fēng)向與φwind一致，然后求出該自然環(huán)境下海雜波平均回波信號強(qiáng)度Pavi。用該強(qiáng)度去調(diào)制偏轉(zhuǎn)后的海雜波數(shù)據(jù)，就可以產(chǎn)生滿足要求的海雜波模擬信號。

在已知海雜波分辨單元的平均RCS條件下，根據(jù)雷達(dá)方程求得[14]：

(12)

式中σavi為海雜波分辨單元的平均RCS。設(shè)風(fēng)速為vwind(m/s)時平均浪高為havi，風(fēng)速因子為Aw，粗糙度因子為σφ，風(fēng)向因子為Au，海浪干涉因子為Ai。雷達(dá)天線為水平極化方式時σavi可按照如下經(jīng)驗(yàn)公式求解。[7-8]

σavi=10ln(3.9·10-6λψ0.4AiAuAw)

(13)

(14)

(15)

(16)

Au=exp[0.2cosφ(1-2.8ψ)(λ+0.02)-0.4]

(17)

(18)

其中，ψ為波束擦地角，φ為雷達(dá)天線軸與逆風(fēng)向間的夾角。

由上述方法得到的海雜波模擬信號如圖5～圖7所示。圖8為模擬海雜波信號在雷達(dá)終端的顯示圖像。

圖5 20 μs時間片內(nèi)模擬海雜波信號 圖6 2 ms內(nèi)海雜波模擬信號

圖7 90°范圍內(nèi)海雜波模擬信號 圖8 模擬海雜波在雷達(dá)終端的顯示

2.2 氣象雜波方法與實(shí)現(xiàn)

氣象雜波信號產(chǎn)生的原理與海雜波的一致，區(qū)別在于平均反射截面積σavi的求解上。氣象雜波反射截面積跟距離R處的距離分辨單元Vc有關(guān)。[15-16]

σavi=ηVc

(19)

其中

(20)

(21)

其中，θB，φB分別為天線波束水平和俯仰半功率波束寬度；Z為雷達(dá)反射率因子，大小取決于降雨率(降雪率)r(mm/h)。

Z=200r1.6

(22)

模擬得到氣象雜波信號如圖9～圖11。圖12為模擬氣象雜波在雷達(dá)顯示終端的顯示圖像。

圖9 2 ms氣象雜波回波信號 圖10 14 ms氣象雜波回波模擬信號

圖11 氣象雜波模擬信號 圖12 氣象雜波在雷達(dá)訓(xùn)練模擬系統(tǒng)上的顯示

3 結(jié)束語

本文利用各種外場試驗(yàn)和演習(xí)訓(xùn)練中采集的海雜波和氣象雜波數(shù)據(jù)，利用模型和算法對其進(jìn)行方位分布和強(qiáng)度起伏處理，產(chǎn)生逼真的海雜波和氣象雜波模擬信號。經(jīng)多型雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中應(yīng)用表明，利用該方法模擬的雜波信號在雷達(dá)顯示終端的顯示效果與雷達(dá)實(shí)裝基本一致，具有“形似”和“神似”效果，可滿足雷達(dá)操作員的訓(xùn)練要求，提高訓(xùn)練效果，提升雷達(dá)操作使用人員在復(fù)雜海戰(zhàn)場雜波背景條件的應(yīng)對處理能力。

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Research on simulation methods of radar sea and weather clutters

HUANG Xiang-qing1, LIN Xin-dang2

(1. Unit 92932 of the PLA Navy, Zhanjiang 524016, China; 2. Military Representatives Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003)

TN955.3

A

1009-0401(2017)03-0005-05

2017-05-20;

2017-05-26

黃向清，男，高級工程師，研究方向：雷達(dá)工程；林新黨，男，高級工程師，研究方向：雷達(dá)工程。