一種船舶導(dǎo)航雷達信號仿真方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)屬于民用船舶導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種船舶導(dǎo)航雷達信號仿真方法。首先采用計算機輔助設(shè)計技術(shù)，建立海上船舶目標的三維CAD模型，然后利用高頻電磁計算軟件對目標的雷達散射截面積進行預(yù)估，再對散射截面積進行處理得到目標的一維距離像，最后對雷達發(fā)射波形及得到的目標一維距離像進行卷積；根據(jù)目標運動的狀態(tài)，引入多普勒頻移因子；根據(jù)目標所處位置，引入距離衰減因子；加上海雜波模型，進行低通濾波得到最終得到船舶導(dǎo)航雷達仿真回波。本發(fā)明專利技術(shù)提供了與真實雷達回波信號在多種特征空間上相似度高的導(dǎo)航雷達船舶目標回波樣本庫，能夠為導(dǎo)航雷達和航海人員的教學(xué)和培訓(xùn)提供雷達回波信號源。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于民用船舶導(dǎo)航
，其利用雷達技術(shù)、信號處理、計算機輔助設(shè)計技術(shù)、高頻電磁計算技術(shù)和計算機仿真技術(shù)等實現(xiàn)仿真多種船舶導(dǎo)航雷達系統(tǒng)、不同結(jié)構(gòu)船舶、不同航行海情等級時船舶目標的回波，仿真的船舶目標回波信號能夠逼真地反映對象雷達的散射環(huán)境。
技術(shù)介紹
船舶導(dǎo)航雷達，通常安裝在港口船舶交通管理系統(tǒng)(VTS)中和船舶上，可以用于航行避讓、船舶定位、狹水道引航等目的，在能見度低時能夠為航海人員提供良好的觀察手段。盡管目前大多數(shù)船舶都安裝了先進的通信、導(dǎo)航、助航設(shè)備，但是各種各樣的事故仍然層出不窮。分析表明，大多數(shù)事故是由航海人員的人為因素和設(shè)備局限性所導(dǎo)致的。因此，如何培養(yǎng)出優(yōu)秀的航海人才成為航運界普遍關(guān)注的問題。傳統(tǒng)的方法是通過大量的外場出海訓(xùn)練讓航海人員實踐掌握航行技能，但是這種途徑周期長、費用高、風險大。隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，航海雷達模擬器越來越受到人們的重視，它以其靈活、通用、高效和低成本等特點，顯著提高了航海人員的雷達導(dǎo)航能力，有效地減少了航海事故的發(fā)生，成為航海雷達研究的一個新的熱點。船舶導(dǎo)航雷達模擬器的核心組成部分是船舶導(dǎo)航雷達信號模擬器。以往的船舶導(dǎo)航雷達信號模擬器通常是通過理論分析得到雷達回波信號的數(shù)學(xué)模型，進而模擬雷達回波，經(jīng)由這種仿真方法得到的雷達回波并不能表示出目標的散射、結(jié)構(gòu)、方位以及距離特性，所提供的雷達回波與真實回波存在較大差異，對航海人員的訓(xùn)練產(chǎn)生較大的影響。針對這一問題，研究了能夠提供真實反映目標特性以及雜波模型的船舶導(dǎo)航雷達信號模擬器。相關(guān)文獻請參閱:沈良.船舶導(dǎo)航雷達回波信號仿真研究[D].大連:大連海事大學(xué)，2007周雪峰.船舶導(dǎo)航雷達的回波研究與模擬[D].大連:大連海事大學(xué)，2008
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)能夠仿真出適用于船舶航行水域環(huán)境和船舶導(dǎo)航雷達實際工作環(huán)境下的雷達回波信號，生成不同體制船舶導(dǎo)航雷達、不同船舶結(jié)構(gòu)、不同運動狀態(tài)、不同距離以及不同方位角條件下所對應(yīng)的雷達回波信號，建立海上目標樣本庫，為船舶導(dǎo)航模擬器提供仿真雷達回波信號，為航海人員的教學(xué)和培訓(xùn)提供豐富、真實、可靠的雷達回波信號源。雷達目標回波反映了目標的物理結(jié)構(gòu)、材料特性，是確定目標身份和屬性的重要依據(jù)之一。計算機仿真模擬了目標的物理結(jié)構(gòu)、電磁散射特性以及雷達的信號處理系統(tǒng)，所得回波準確反映了目標的物理結(jié)構(gòu)等特性。為了實現(xiàn)船舶導(dǎo)航雷達信號模擬器，首先采用計算機輔助設(shè)計技術(shù)，建立海上船舶目標的三維CAD模型，然后利用高頻電磁計算方法對目標的雷達散射截面積進行預(yù)估，再對散射截面積進行處理得到目標的一維距離像，最后對雷達發(fā)射波形及得到的目標一維距離像進行卷積；根據(jù)目標運動的狀態(tài)，引入多普勒頻移因子；根據(jù)目標所處位置，引入距離衰減因子；加上海雜波模型，進行低通濾波得到最終得到船舶導(dǎo)航雷達仿真回波。本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案如下:(I)建立船舶目標的三維CAD模型采用計算機輔助設(shè)計技術(shù)，建立船舶模型庫。首先需要搜集關(guān)于所建模型的詳細的幾何結(jié)構(gòu)信息，可以通過相關(guān)專業(yè)船舶雜志和網(wǎng)絡(luò)資源提供的船舶設(shè)計線圖以及現(xiàn)場實拍等方式獲取船舶的真實圖片。根據(jù)所獲取的目標模型的線圖等比例的繪制模型，模型只需要反應(yīng)船舶目標的大致結(jié)構(gòu)不需要太精細。(2)建立船舶目標的一維距離像模板庫使用高頻電磁計算方法，依據(jù)雷達發(fā)射信號的頻率和帶寬設(shè)定高頻電磁計算方法的照射頻率，在每個姿態(tài)角下使用寬帶信號對建立的船舶目標三維CAD模型進行照射，利用電磁計算方法得到不同點頻下目標的頻域響應(yīng)，然后使用逆傅里葉變換得到該姿態(tài)角下的一維距離像。一維距離像依賴于姿態(tài)角的變化，如果目標相對雷達的方向發(fā)生變化，所得一維距離像也將隨之改變，因此建立目標全姿態(tài)角的一維距離像模板庫，以此來獲得目標各個角度的雷達回波。(3)建立船舶目標的仿真回波樣本庫假設(shè)分別用2DjP 21^表示目標在坐標系中的橫向尺寸與縱向尺寸，用σ (x，y)表示目標在坐標(x，y)處的散射強度。根據(jù)目標散射的特點，第η個脈沖相對于發(fā)射功率和距離的歸一化目標回波為:本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種船舶導(dǎo)航雷達信號仿真方法，其特征包括如下步驟，（1）建立船舶目標的三維CAD模型；（2）建立船舶目標的一維距離像模板庫使用高頻電磁計算方法，依據(jù)雷達發(fā)射信號的頻率和帶寬設(shè)定高頻電磁計算軟件的照射頻率，在每個姿態(tài)角下使用寬帶信號對建立的船舶目標三維CAD模型進行照射，利用電磁計算軟件得到不同點頻下目標的雷達散射截面積，然后使用逆傅里葉變換得到該姿態(tài)角下的一維距離像；（3）建立船舶目標的仿真回波樣本庫假設(shè)分別用2Dn和2Ln表示目標在坐標系中的橫向尺寸與縱向尺寸，用σ(x,y)表示目標在坐標(x,y)處的散射強度；G(θ)表示天線方向圖函數(shù)，近似為常數(shù)，記作G；θx,y為坐標(x,y)與天線波束中心的夾角，τ0為目標幾何中心到雷達的雙程延遲，τy為坐標(x,y)到目標幾何中心的雙程延遲；sr(n,t)=G2∫-LnLn[∫-DnDnσ(x,y)dx]rect(t-τ0-τy+nTTp)ej2πf0(-τ0-τy)dy其中表示該方位角下目標散射函數(shù)在縱向上的投影，即目標的一維距離像，雷達回波認為是發(fā)射信號與一維距離像的卷積過程；對于平時海情等級不高的情況，加入高斯雜波模型；當雜波的載波角頻率為ω0時，隨機雜波過程表示為：c(t)=x(t)cos(ω0t)+y(t)sin(ω0t)式中，x(t)、y(t)均為均值為零，方差為σ2的獨立高斯過程，其包絡(luò)|c(t)|=x2(t)+y2(t)具有瑞利概率密度函數(shù)f(r)=rσ2exp(-r22σ2),r≥0,其中σ為高斯分布的均方根值。對于雨、雪、霧這種海情等級較高的情況，加入對數(shù)?正態(tài)雜波模型；海雜 波的包絡(luò)服從對數(shù)?正態(tài)分布，意味著線性包絡(luò)檢波器的輸出v有一維概率密度函數(shù)：f(v)=12πσvvexp(-(lnv/vm)22σ2),v≥0;其中σv為標準正態(tài)分布的標準差；vm為對數(shù)?正態(tài)分布的中值；再考慮雷達距離方差引入的衰減系數(shù)α=PrPt=G2λ02L21(4πr2Lm)2σ,其中Pr為接收機輸入端功率，單位瓦特；Pt為發(fā)射機功率；Gt為天線增益；L、Lm分別為發(fā)射機內(nèi)饋線與發(fā)射天線到目標傳播途徑的損耗；σ為雷達目標散射截面積；r為發(fā)射天線和接收天線到目標的距離；λ0為雷達工作波長；考慮到運動目標引入的多普勒頻移因子cosθ=cosαcosβ，α為方位角，β為俯仰角；利用電磁計算方法計算得到的一維距離像模板庫和雷達發(fā)射信號進行卷積，加上高斯雜波模型或者對數(shù)?正態(tài)雜波模型，經(jīng)過低通濾波器，再乘以雷達距離方程引入的衰減系數(shù)得到最后的雷達目標仿真回波；（5）仿真回波有效性校驗，具體步驟為：從仿真回波與真實回波多個特征空間的相容性來進行判別步驟1：首先得到仿真回波Y的m個特征樣本，Yi={yi(1),yi(2),...,yi(n)}T，i=1,2，...,m。步驟2：由均值Y‾=1m(Σi=1mYi)和協(xié)方差S=1m-1Σi=1m(Yi-Y‾)(Yi-Y-)T,可以計算得到實測回波特征樣本X與仿真值之間的平均馬氏距離D(X,Y‾)=1n(X-Y‾)TS-1(X-Y‾).步驟3：然后得仿真回波Y的m*個特征樣本Yi*={yi*(1),yi*(2),...,yi*(n)}T,i=1,2,...,m步驟4：由下式計算第二步仿真特征樣本與第一步仿真特征樣本均值之 間的平均馬氏距離D(Yi*,Y‾)=1n(Yi*-Y‾)TS-1(Yi*-Y‾)步驟5：設(shè)d*為中滿足下式的的個數(shù)：D(Yi*,Y‾)≥D(X,Y‾)步驟6：對于給定的顯著性水平α。若α*＝d*/m*≤α，則可以斷定實測樣本X與仿真值存在顯著性差異，仿真回波不可以用來補充真實回波。FDA00002812106800012.jpg,FDA00002812106800023.jpg,FDA00002812106800026.jpg,FDA000028121068000210.jpg,FDA00002812106800029.jpg,FDA00002812106800031.jpg,FDA00002812106800033.jpg,FDA00002812106800034.jpg,FDA00002812106800036.jpg...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種船舶導(dǎo)航雷達信號仿真方法，其特征包括如下步驟， (1)建立船舶目標的三維CAD模型； (2)建立船舶目標的一維距離像模板庫 使用高頻電磁計算方法，依據(jù)雷達發(fā)射信號的頻率和帶寬設(shè)定高頻電磁計算軟件的照射頻率，在每個姿態(tài)角下使用寬帶信號對建立的船舶目標三維CAD模型進行照射，利用電磁計算軟件得到不同點頻下目標的雷達散射截面積，然后使用逆傅里葉變換得到...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：邱天爽，朱勇，于松濤，孔慶田，劉璇，李小兵，劉惠，唐洪，劉蓉，馬征，
申請(專利權(quán))人：大連理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：