任意姿态机载 PD 雷达通用杂波算法研究.doc

精品论文任意姿态机载 pd 雷达通用杂波算法研究李艳玲1, 杨建宇2, 崔国龙21四川邮电职业技术学院 成都 6100672电子科技大学电子工程学院 成都 610054e-mail: 摘要：在载机和天线处于任意姿态的情况下，本文采用距离环地面散射单元划分方法，推导了计算机载 pd 雷达距离-多普勒单元地物杂波的通用封闭表达式，并着重分析了载机和天线在任意姿态下方位角变 化对机载 pd 雷达杂波功率谱的影响，做出了不同姿态情况下的距离多普勒二维杂波图。仿真结果与理论 分析吻合较好，证明了该算法的有效性。关键词：机载 pd 雷达；杂波；距离多普勒1.引言地面杂波对采用下视工作方式的机载 pd 雷达的目标检测和识别具有重要影响，由于 “机载”和“下视”环境下的特殊性，机载 pd 雷达杂波建模的主要工作是杂波功率谱的计 算方法。机载 pd 雷达的杂波谱是多普勒频率和距离的函数，由于机载下视雷达与地面之间存在 相对运动，再加上雷达天线方向图的影响，使机载雷达地面杂波的频谱发生了显著变化，需 认真研究，以便采用有效的系统设计和信号处理方法，提高雷达整体性能，近年来国内外许 多专家学者对机载 pd 雷达杂波建模进行了大量研究13。文献4提出一种适用于机载 pd 雷达的杂波谱的快速计算方法，但任意姿态下机载雷达杂波模型及算法的研究却少有提 及。文献5研究了任意姿态下机载雷达杂波功率模型，但主要是对地形的研究，没有给出 杂波功率谱的具体计算方法。文献6 研究了任意姿态下机载雷达相干杂波模型，但该模型 实现较为困难，缺乏通用性。本文在此基础上推导了任意姿态机载 pd 雷达通用杂波算法， 并对此算法进行仿真，验证了算法的有效性。2.机载 pd 雷达杂波的主要特点地面散射单元的划分通常采用距离-多普勒地面单元划分法，即将地面按等距离环和等 多普勒线划分为若干个杂波单元(见图 1)，将每一个杂波单元视做一个面目标，假设杂波是 均匀的，即来自不同散射单元的反向散射信号是统计独立的，在空间上没有相干性，对所有 距离环的杂波单元做功率元的积分后再求和，则可计算出杂波的功率谱。c- 5 -距离分辨率和多普勒分辨率分别为：r =f = prf / n fft2不模糊距离和不模糊频率表示为： ru=c2prffu = prfrm = r0 + mru；m = 0 , 1 , 2 fn = f0 + nfu； n = 0 , 1 , 2 r0 , f0 为回波对应距离门和多普勒频移，在同一距离门和多普勒带宽内满足距离模糊和 频率模糊 的目标和 地面单元 应满足如 下距离和 多普勒频 率条 件 ：rm r rm + r fn f fn + f图 1 机载雷达与地面杂波源的几何关图 2 惯性参考坐标系、载体坐标系、天线坐标系及地面散射单元的空间关系对单基地雷达来说，对给定的杂波类型、信号频率、极化，后向散射系数 0 与入射角有关。对于机载环境，存在天线旁瓣波束近似垂直入射形成的高度线杂波，杂波后向散射系数计算应该采用修正的地面散射模型1od 0 = sin s + os e (90d s )2 / 2 od 、 os 和 适于散射有关的参量， s 是擦地角。右边第一项是漫反射分量，第二项是镜面反射分量，即构成机载雷达的高度线回波。3.任意姿态机载 pd 雷达杂波功率的计算3.1 单个散射单元参数确定由于载机处于任意姿态，因此涉及到多个坐标系7，包括：惯性参考坐标系、载体坐 标系、天线坐标系等，如图 2 所示。惯性参考坐标系原点为载机质心，og zg 轴指向地心，og x g轴指向正东，og x g轴指向正北；惯性参考坐标系依次绕 og zg 、og x g 、og x g 轴分别作逆时针旋转偏航角p 、倾斜角 p 、滚动角 p ，得到载体坐标系，且 op x p 轴与载机速度 矢量方向一致；载体坐标系依次绕 op z p 、 opyp 轴作逆时针旋转偏航角a ，倾斜角 a ，得到天线坐标系， oa x a 轴与天线波束指向一致。若杂波散射单元在惯性参考坐标系中的方位角为 、俯仰角为 ，则根据天线坐标系 和惯性坐标系的转换关系可以确定该散射单元在天线坐标系中的方位角t 和俯仰角t 。cos t cost cos cos t t y a z a x p y p y p 且 cos sin = r ( ) r ( ) r ( ) r ( ) r ( ) cos sin sin tcossin 0sin cos 0 - sin rz ( ) = sin cos 0 ry ( ) = 0 1 0 0 0 1sin0 cos精品论文1 0 0 rx ( ) = 0 cos0 -sinsin cos 式中：p 、 p 、 p 分别为载机的偏航角、俯仰角和横滚角； a 、 a 为天线的偏航角和俯仰角。假上式右边列向量可表示：a a a t ，则散射单元在天线坐标系下的方位角 和俯仰角t 表示如下1 2 3 t同理2 2t = arctan(a2 / a1 )t = arctan(a3 /a2 + a1 ) a = arccos(cos p cos p cos cos + cos p sin p cos sin sin p sin )3.2 距离-多普勒杂波功率谱闭合计算算法距离-多普勒单元与坐标系定义如图 1 所示，定义水平方向矢量与飞机高度线所在平 面为 xz 平面，飞机速度方向与 x 轴夹角定义为俯冲角 ，飞行高度为 h ，飞行速度为均速v 。散射单元在坐标系中的方位角和俯仰角分别为 和 ，其余飞机速度矢量方向的夹角为来自距离 r0 距离波门杂波回波信号在频率 f0 的功率谱密度 c (r0 , f0 ) 等于满足距离模糊和多普勒模糊多个距离-多普勒单元的功率谱密度之和。p 2 c (r0 , f0 ) =g (tn ,tm ) + g (tn ,) d(r, f )r 22(4 )3 lfm n1 0tm m n2 rd(rm , fn ) = 4 darm r rm + r;fn f f0 + fpr 为平均发射功率； 为发射波长； g(t ,t ) 为天线增益；t 、t 为杂波散射单元在天线 坐标下的方位角和俯仰角； l 为系统损耗； 0 为杂波后向散射系数。 0为计算 d(rm , fn ) ，定义 c(r, ) 为：c(r, ) = adah r r; f r4其物理含义为内层的灯多普勒曲线与外层的距离圆所相交的面积，如图 所示。 d(r , f ) = 1 c (r+ r, f ) c (r, f ) c (r+ r, f+ f ) + c (r , f+ f )m n 2m n m n m n m n文献5利用平面直角坐标系 ( x ,y , z ) 与球坐标系 (r, , ) 之间的转换关系,对公式进行推导给出了关于 的一维积分形式闭合解：rl( ) = 0 cos sin sin 1 cos2 cos1 cos (sin sin( ) (sin( + ) sin ) 22 cos cos+ sin sin 2 cos1 sin sin cos cos sin 从而 c(r, ) 为 l( a ) l(r ) 的结果。即可得杂波功率谱的闭合解。4.程序实现及仿真结果分析用 matlab 程序实现任意姿态机载 pd 雷达通用杂波闭合算法的仿真，仿真主要参数设定 雷达参数发射功率、入射波长、收发综合损耗、发射脉宽、脉冲重复周期、fft 滤波器组字长、距离波门个数载机参数载机高度、载机速度大小、载机偏航角、载机俯仰角、载机横滚角天线模型天线最大电压增益、3db 功率点波束宽度、天线偏航角、天线俯仰角地面散射模型参数采用修正的地面散射模型图 3俯仰角对杂波功率谱的影响频率不模糊时，雷达照射地面的最远距离为 r = h / sin(t 3db / 2) 而t 与天线的俯仰角 a 、载机的俯仰角 p 、以及散射单元的俯仰角 有关，当角度较大时距离小，不会产生距离模糊。如图 3（1）所示可清晰分出主瓣杂波、旁瓣杂波和高度线杂波。随着角度减小，距离越大出现部分模糊，如图 3（2）所示。当角度接近 3db 波束宽度时，主波束照射范围 内完全距离模糊，如图 3（3）所示，每个距离波门内杂波功率都基本一致，都存在主波束 杂波功率。图 4偏航角和方位角对杂波功率谱的影响天线偏航角 a 、载机偏航角 p 、和散射单元方位角 的变化会引起主瓣杂波位置的变dd化，主瓣杂波中心频率 f0 = (2v / ) (cos p cost sin t + sin p sin t ) 图 4 给出 a = 5 ； a = 5 、d d p = 5 ； = 5 时的仿真图，杂波主瓣杂波中心频率由原来的 0khz 变为-23khz；-46khz；23khz。从仿真图可以看出符合理论结果因此，无论是频率维上还是距离维上，仿真结果都与理论分析一致。参考文献1米切尔，rl。雷达系统模拟，北京，科学出版社。19822 范海菊,李景文,基于起伏 rcs 模型的机载 pd 雷达地杂波模拟.雷达科学与技术,2005,3(1).3 帅明,张林让.机载 pd 雷达通用杂波的建模与仿真.火控雷达技术,2005,34.4efficient closed-form computation of airborne pulse doppler radar clutter jao j.k ,goggins w.b a. northern virginia section and ieee aess ,ieee international radar conferencec.new york: the institute of electrical and electronics engineers, inc, 1985 ,17-22.5 康士峰,罗贤云,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).6 刘建成,王雪松,等.机载相干杂波算模型研究.系统工程与电子技术,2005,27(7).7szabo a p.a theoretical analysis of target tracking in ground clutter by airborne pulse doppler radars r. technical report ,1996, 6.study on algorithm of general clutter for airborne pd radar with arbitrary posturesli yanling1, yang jianyu2, cui guolong21 jingkan road , chengdu, sichuan, chinaabstractthis paper has deduced a closed-form expression for effectively computing distance-doppler clutter of airborne pd radar with arbitrary airborne and antenna attitude, and emphasized the effects of azimuth angle change on cluster power spectrum. distance-doppler