專利名稱：星載雙基地雷達的雜波基帶模擬信號產(chǎn)生方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雷達雜波信號的產(chǎn)生方法，特別是涉及星載雙基地雷達雜波信號的產(chǎn)生方法。
背景技術(shù)：
星載雙基地雷達(bistatic space based radar，BSBR)是最近國際上提出的一種新的雷達系統(tǒng)概念，它主要用于地面或空中軍事運動目標的檢測。該雷達系統(tǒng)的發(fā)射機和接收機分別放置在兩顆不同的衛(wèi)星上，由于衛(wèi)星高度很高，該雷達系統(tǒng)的覆蓋范圍很大，能夠不受國界的約束提供更大范圍和更及時的預(yù)警，在國防中起到非常重要的作用。
星載雷達是從衛(wèi)星向地面照射的，發(fā)射機發(fā)射脈沖串，接收機除了接收到有用的運動目標回波信號，還將接收到大量來自地球表面反射的回波，稱為地雜波。星載雙基地雷達進行動目標檢測的難點在于，該雷達系統(tǒng)進行信號處理時的干擾信號不僅僅是噪聲，還存在大量幅度很強的雜波信號，使得目標可能淹沒在雜波信號中而無法被檢測到。通常，我們必須首先采用合理的算法去除雜波信號，才能進行后續(xù)的目標信號的檢測。而雜波環(huán)境又通常隨雷達系統(tǒng)參數(shù)和收發(fā)機相對位置關(guān)系的改變而改變，因此在不同的情況下還應(yīng)采用不同的雜波抑制算法，動目標檢測結(jié)果的好壞很大程度上取決于雜波抑制算法的選擇。在星載雷達的信號處理系統(tǒng)中，合理的雜波抑制算法的選擇和雜波抑制算法的改進對提高雷達最終檢測性能是至關(guān)重要的。本文針對這一問題提出雜波基帶模擬數(shù)據(jù)的產(chǎn)生方法，使之用于后續(xù)星載雷達信號處理系統(tǒng)的雜波抑制算法的驗證、選擇或改進。
用于動目標檢測的星載雷達系統(tǒng)是一個新的概念，現(xiàn)在各國都剛剛開始研究，因此尚未在公開資料上看見針對該雷達系統(tǒng)的雜波模擬數(shù)據(jù)的產(chǎn)生方法。J.Ward(參見文獻[1]J.Ward，“space-time adaptive processing for airborne radar”，London，1994)敘述了機載雷達系統(tǒng)(雷達放置在飛機上)下的雜波模擬信號的產(chǎn)生方法，但它與星載雙基地雷達系統(tǒng)下的雜波信號的產(chǎn)生方法在某些關(guān)鍵地方有很大不同，區(qū)別有兩點。第一，機載情況下，地面可以近似認為是平面，而在星載情況下，地球表面必須認為是球面的。第二，星載情況下，地球自轉(zhuǎn)的因素不能忽略，使得地面表面產(chǎn)生一個新的運動速度，而在機載情況下，地面可以認為是靜止的。因此，應(yīng)用已有的機載雷達系統(tǒng)的雜波模擬信號的產(chǎn)生方法將無法獲得星載雷達系統(tǒng)的雜波特性。
雜波模擬信號產(chǎn)生方法的主要思想是先產(chǎn)生雜波協(xié)方差陣，然后將該陣開方后乘以高斯白噪聲。協(xié)方差陣的計算關(guān)鍵是三個參數(shù)的求解雜波等距離環(huán)，雜波單元時間頻率和空間頻率的計算。雜波等距離環(huán)是指在一個雷達雙基地距離門內(nèi)雜波反射單元在地面的軌跡，該環(huán)可以劃分為若干小的雜波單元，且每個雜波單元到發(fā)射機和接收機的距離之和相等，因此接收機在某一時刻接收到雜波信號為該環(huán)上所有雜波單元的反射信號之和。雜波等距離環(huán)的形狀在不同的雷達系統(tǒng)模式下是不同的。機載雙基地雷達系統(tǒng)的雜波等距離環(huán)為平面內(nèi)的一個橢圓，并且機載雷達一般進行遠程檢測，很多物理條件可以近似，使得橢圓的焦點可以直接認為是發(fā)射機和接收機在地面的投影(參見文獻[2]王成，胡衛(wèi)東，空基雙基地雷達地雜波建模及特性分析現(xiàn)代雷達，Vol.26，No.9，PP.33-37，2004)，大大簡化了求取橢圓方程的復(fù)雜度。星載情況下的地球表面必須認為是球面而不能再近似認為是平面，這使得雜波等距離環(huán)就需要在曲面上而不是在平面內(nèi)求解，因此機載雷達雜波信號產(chǎn)生方法中的雜波等距離環(huán)模型不再適用。同時以往的機載雷達系統(tǒng)都是假設(shè)所有雜波單元的回波信號都能被雷達接收到，即雜波信號是從所有方向來的(不考慮天線調(diào)制和后向抑制)。但在星載雷達情況下，雜波環(huán)上的某些雜波單元可能超出了發(fā)射機和接收機的覆蓋范圍而變成無效的，因此應(yīng)用已有的機載雷達的雜波信號產(chǎn)生方法無法對星載雷達雜波單元的有效性作出判斷。
雜波單元的時間頻率是指雜波單元相對于雷達平臺產(chǎn)生的歸一化多普勒頻率，它是由雜波單元與雷達平臺的相對運動產(chǎn)生的。如果雜波單元與雷達的相對運動速度發(fā)生了改變，時間頻率也將改變。因此，由于地球自轉(zhuǎn)的影響，應(yīng)用機載雷達的雜波信號產(chǎn)生方法無法計算出星載情況下的雜波時間頻率。
總之，為了獲得星載雙基地雷達系統(tǒng)的雜波特性，產(chǎn)生星載雙基地雷達系統(tǒng)的雜波模擬信號是非常必要的。該雷達系統(tǒng)模式下的雜波信號產(chǎn)生方法克服了已有的機載雷達系統(tǒng)雜波信號產(chǎn)生方法的不足，建立了星載情況下的雜波等距離環(huán)模型，對星載情況下的雜波單元的有效性進行了判斷，同時計算了星載情況下的雜波時間頻率，為后續(xù)星載雷達信號處理系統(tǒng)的雜波抑制算法的驗證、選擇或改進提供了基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提出一種新的雷達系統(tǒng)(星載雙基地雷達系統(tǒng))下的基帶雜波模擬信號產(chǎn)生方法，使產(chǎn)生的信號用于后續(xù)星載雷達信號處理系統(tǒng)的雜波抑制算法的驗證、選擇或改進。
為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出的雜波基帶模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生方法，通常采用附圖1所示的系統(tǒng)平臺實現(xiàn)。該系統(tǒng)平臺由計算機和數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備組成，其中，計算機提供硬件平臺和軟件操作系統(tǒng)，本發(fā)明的方法基于該環(huán)境，通過軟件編程實現(xiàn)，產(chǎn)生的基帶雜波模擬信號通過數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備，發(fā)送給后續(xù)的星載雷達信號處理系統(tǒng)。
對于不同的雷達系統(tǒng)參數(shù)，雜波信號的統(tǒng)計特性是不同的，因此產(chǎn)生的雜波信號也將不同。本發(fā)明提出的方法將有一個初始參數(shù)設(shè)置，當輸入不同的雷達參數(shù)后，就會產(chǎn)生針對該雷達配置的雜波信號。方法具體步驟如下第一步輸入星載雙基地雷達參數(shù)作為該方法的初始條件根據(jù)雷達參數(shù)設(shè)置該方法的初始參數(shù)。需要設(shè)定的參數(shù)主要包括三部分，即雷達裝置參數(shù)、放置雷達的衛(wèi)星平臺參數(shù)和目標參數(shù)。
雷達裝置參數(shù)發(fā)射信號波長λ，發(fā)射機天線陣元數(shù)目Q，接收機天線陣元數(shù)目G，接收機天線陣元間距和發(fā)射機天線陣元間距相等，記為d，發(fā)射機脈沖重復(fù)頻率fr。
衛(wèi)星平臺參數(shù)雷達發(fā)射機所在衛(wèi)星平臺高度Ht，接收機所在衛(wèi)星平臺的軌道高度Hr，發(fā)射機衛(wèi)星軌道傾角θt，接收機衛(wèi)星軌道傾角θr，發(fā)射機衛(wèi)星軌道升交點的經(jīng)度t，接收機衛(wèi)星軌道升交點經(jīng)度r，發(fā)射機衛(wèi)星星下點經(jīng)度ρt，接收機衛(wèi)星星下點經(jīng)度ρr。
衛(wèi)星平臺的星下點緯度ξt和ξr不用給出，因為它可以由θt，t，ρt和θr，r，ρr直接算出，公式如下 目標參數(shù)地球上待檢測點D的經(jīng)緯度(ρd，ξd)。
第二步星載雙基地雷達雜波等距離環(huán)的建立地球經(jīng)緯度坐標系以北極為Zu軸，赤道平面為XuOYu平面，零度經(jīng)線方向為Xu軸，接收機，發(fā)射機和待檢測點D在地球經(jīng)緯度直角坐標系的位置分別為 上標u表示該坐標是以經(jīng)緯度坐標系為參考的，符號 表示向量。Tu→=(Txu,Tyu,Tzu),]]>其中Txu，Tyu，Tzu分別為發(fā)射機在地球經(jīng)緯度直角坐標系下x，y，z軸的坐標分量；Ru→=(Rxu,Ryu,Rzu),]]>其中Rxu，Ryu，Rzu分別為接收機在地球經(jīng)緯度直角坐標系下x，y，z軸的坐標分量；Du→=D(Dxu,Dyu,Dzu),]]>其中(Dxu，Dyu，Dzu)分別為D點在地球經(jīng)緯度直角坐標系下x，y，z軸的坐標分量；利用步驟一中發(fā)射機經(jīng)緯度(ρr，ξt)和接收機經(jīng)緯度(ρr，ξr)，待檢測單元的經(jīng)緯度(ρd，ξd)，分別計算出它們在地球經(jīng)緯度坐標系的位置坐標。
Rxu=(Hr+Re)cosξrcosρrRyu=(Hr+Re)cosξrsinρrRzu=(Hr+Re)sinξr---(2)]]>Txu=(Ht+Re)cosξtcosρtTyu=(Ht+Re)cosξtsinρtTzu=(Ht+Re)sinξt---(3)]]>Du=RecosξdcosρdDyu=RecosξdsinρdDzu=Resinξd---(4)]]>其中，Re表示地球半徑。
雜波等距離環(huán)的軌跡是由若干小的雜波單元組成的，求取雜波等距離軌跡的目的是求得該環(huán)上每個小雜波單元的位置坐標。可以用每個雜波單元的中心點來代表該雜波單元的坐標。
為了更簡單的求得該軌跡的解析解，建立新坐標系。如附圖3所示，建立直角坐標系O-XYZ，設(shè)接收機和發(fā)射機分別用R和T代替，在O-XYZ直角坐標系中的位置分別為 和 O為地球球心， 為Z軸，與Z軸垂直且過球心的平面為XOY平面，X軸為 在XOY平面上的投影， 與 的夾角為α。定義T→=(Tx,Ty,Tz)]]>為發(fā)射機在O-XYZ直角坐標系中的位置矢量，其中Tx，，Ty，Tz分別為發(fā)射機在O-XYZ直角坐標系下x，y，z軸的坐標分量，R→=(Rx,Ry,Rz)]]>為接收機在O-XYZ直角坐標系中的位置矢量，其中Rx，Ry，Rz分別為接收機在O-XYZ直角坐標系下x，y，z軸的坐標分量，D→=(Dx,Dy,Dz)]]>為待測目標在O-XYZ直角坐標系中的位置矢量，其中Dx，Dy，Dz分別為待測目標在O-XYZ直角坐標系下x，y，z軸的分量。
因此，在O-XYZ坐標系下，接收機和發(fā)射機的新坐標如下Rx=0Ry=0Rz=Hr+Re---(5)]]>Tx=(Ht+Re)sinαTy=0Tz=(Hr+Re)cosα---(6)]]>其中，α=(Re+Hr)2+(Re+Ht)2+(Rxu-Txu)2+(Ryu-Tyu)2+(Ryu-Tyu)2-2(Re+Ht)(Re+Ht)]]>在雙基地雷達系統(tǒng)中，由待檢測點D到R和T的距離之和稱為雙基地距離和，記為g。
g=(Txu-Dxu)2+(Tyu-Dyu)2+(Tzu-Dzu)2+(Rxu-Dxu)2+(Ryu-Dyu)2+(Rzu-Dzu)2---(7)]]>由于雜波等距離環(huán)上的每個雜波單元到接收機和發(fā)射機的距離之和相等，由立體幾何知識可知，該距離環(huán)上的所有雜波單元的位置一定在一個以R和T為焦點，長軸為g/2的旋轉(zhuǎn)橢球面上。同時，雜波等距離環(huán)上的每點在地球球面上，它應(yīng)該滿足球面方程。因此，雜波等距離環(huán)應(yīng)為橢球面與地球球面的交線。我們下面將分別求取旋轉(zhuǎn)橢球面方程和地球球面方程，并將兩式聯(lián)立求解，就可以解出等距離環(huán)的軌跡。
旋轉(zhuǎn)橢球面方程為[(x-Rx+Tx2)cosβ+(z-Rz+Tz2)sinβ]2a2+y2+[-(x-Rx+Tx2)sinβ+(z-Rz+Tz2)cosβ]2b2=1---(8)]]>其中，β=tan-1(Tz-RzTx-Rx),a=g2,b=a2-12(Rx-Tx)2+(Ry-Ty)2+(Rz-Tz)2]]>化解得到
b2(xcosβ+zsinβ-εx)2+a2y2+a2(-xsinβ+zcosβ-εz)2＝a2b2(9)其中，ϵx=Rx+Tx2cosβ+Rz+Tz2sinβ,ϵz=-Rx+Tx2sinβ+Rz+Tz2cosβ]]>再寫出雜波等距離環(huán)滿足的在O-XYZ直角坐標系中的球面參數(shù)方程x=Resinηcosφy=Resinηsinφz=Recosη---(10)]]>其中φ，η分別為球面坐標系的方位角和俯仰角η∈
，φ∈
，如附圖3所示。
將(9)和(10)聯(lián)立求解，可求出雜波等距離環(huán)上每點即雜波單元方位角φ和俯仰角η的關(guān)系[(b2-a2)Re2sin2ηcos2β]cos2φ+(E1Re2sinηcosφ+E2Resinη)cosφ+(a2Re2sin2η+E3Recosη+E4+E5Re2cos2η)＝0(11)其中E1＝2(b2-a2)cosβsinβE2＝2a2εzsinβ-2b2εxcosβE3＝-(2b2εxsinβ+2a2εzcosβ)E4=b2ϵx2+a2ϵz2-a2b2]]>E5＝b2sin2β+a2cos2βA1＝(b2-a2)Re2sin2ηcos2β令A(yù)2＝E1Re2sinηcosη+E2ResinηA3＝a2Re2sin2η+E3Recosη+E4+E5Re2cos2η得到等距離環(huán)方程為A1cos2φ+A2cosφ+A3＝0(12)
該環(huán)上每個雜波單元的俯仰角η和方位角余弦cosφ滿足一元二次方程，η∈
，φ∈
。設(shè)第i個雜波單元對應(yīng)的η，φ為ηi，φi。掃描ηi，ηi∈
，就可以求出相應(yīng)的cosφi，cosφi=-A2±A22-4A1A32A1,]]>最后求得φi=cos-1(-A2±A22-4A1A32A1),]]>再由公式(10)求出第i個雜波單元在O-XYZ坐標系中的坐標Ci。
第三步星載雙基地雷達雜波單元有效性判斷由于地球是球面，衛(wèi)星對地面的覆蓋范圍是有限的。在覆蓋范圍之外的雜波單元的回波信號是接收不到的。如附圖4所示，A′表示衛(wèi)星，B′點表示該衛(wèi)星的作用范圍的邊界點。設(shè)A′B′之間的距離為衛(wèi)星到覆蓋范圍內(nèi)的最遠點的距離，用Imax表示。
當接收機和發(fā)射機的高度為Hr和Ht時，可以分別求出他們到覆蓋范圍內(nèi)的最遠點距離為IRmax，ITmaxIRmax=Hr2+2*Re*Hr]]>
再計算所有雜波單元分別到接收機和發(fā)射機的距離LRCi，LTCi，i表示第i個雜波單元。
LRCi=(xi-Rx)2+(yi-Ry)2+(zi-Rz)2]]>LTCi=(xi-Tx)2+(yi-Ty)2+(zi-Tz)2---(14)]]>只有同時滿足LRCi<IRmax]]>和LTCi<ITmax]]>的雜波單元才在發(fā)射機和接收機的共同覆蓋范圍內(nèi)，是有效雜波單元，得到有效雜波單元數(shù)目為Na。
第四步星載雙基地雷達雜波單元的時間頻率和空間頻率的計算在星載雷達情況下，地球自轉(zhuǎn)的因素不能忽略。因此雜波單元時間頻率的計算與接收機和發(fā)射機的運動矢量以及每個雜波單元由于地球自轉(zhuǎn)引起的運動矢量都有關(guān)。下面先詳細介紹這幾個運動矢量的計算方法。
4.1每個雜波單元速度矢量的計算由于要考慮地球自轉(zhuǎn)的影響，所以需要計算地面上雜波等距離環(huán)上每個有效雜波單元的運動大小和方向，這就需要知道每個單元對應(yīng)的經(jīng)度和緯度。上述的O-XYZ坐標建立方法可以比較容易的求出等距離環(huán)上每個雜波單元在O-XYZ坐標系中的位置，但卻求不出每點的經(jīng)度和緯度，因此考慮坐標旋轉(zhuǎn)，將O-XYZ坐標系轉(zhuǎn)換到地球經(jīng)緯度直角坐標系O-XuyuZu上去。
坐標轉(zhuǎn)換比較復(fù)雜，分三步進行，如附圖5所示，設(shè)R所在的經(jīng)線方向為X′軸(1)將平面ORT沿Z軸逆時針旋轉(zhuǎn)γ1角度到OX’Z平面，使得R與T在同一經(jīng)線圈上。
(2)在OX’Zu平面內(nèi)將OZ軸逆時針旋轉(zhuǎn)γ2角度到OZu軸，指向正北方。
(3)將OX’Zu平面繞Zu軸順時針旋轉(zhuǎn)γ3角度到零度經(jīng)線平面OXZu。
上述3個步驟，后兩步的旋轉(zhuǎn)角度γ2和γ3的計算比較容易，分別由R所在的經(jīng)緯度決定，γ2=π2-ξR,]]>γ3＝ρR。其中，ρR和ξR分別為R的經(jīng)度和緯度，緯度的取值為赤道為零，北緯為正，南緯為負。但γ1的計算比較復(fù)雜，下面講述γ1的計算。
過T點向OZ軸作垂線，垂足為點S，過點S向OZu軸作垂線，垂足為點J，則γ1′為ROT平面和ROZu平面形成的二面角。γ1＝π-γ1′.
令B1＝∠ROZ，B2＝∠TOZ，B3＝∠TOR(0到180度)，OT＝r得到OS=rcosB3TS=rsinB3OJ=rcosB3secB1JS=rcosB3tanB1]]>因為cosγ1′=JS2+TS2-TJ22JS·TS]]>又有JT2＝OT2+OJ2-2OT·OJ·cosB2，代入上式化簡得到γ1′=cos-1(sinξt-cosαsinξrsinαcosξr)---(15)]]>然后根據(jù)γ1＝π-γ1′算出γ1.在這里，γ1的旋轉(zhuǎn)度數(shù)為-180到180度。分兩種情況，當接收機的經(jīng)度大于發(fā)射機的經(jīng)度時，γ1為0～180度，當接收機的經(jīng)度小于發(fā)射機的經(jīng)度時，γ1為-180～0度。因此，注意這里需要判斷，當接收機的經(jīng)度小于發(fā)射機的經(jīng)度時，計算出的γ1要取負。
最后得到從O-XYZ坐標系旋轉(zhuǎn)到經(jīng)緯度坐標系O-XuYuZu的坐標變換公式為
xu=(cosγ1sinξrcosρr+sinγ1sinρr)x+(sinγ1sinξrcosρr-cosγ1sinρr)y+cosξrcosρrzyu=(cosγ1sinξrsinρr-sinγ1cosρr)x+(sinγ1sinξrsinρr+cosγ1cosρr)y+cosξrsinρrzzu=-cosγ1cosξrx-sinγ1cosξry+sinξrz---(16)]]>(xu，yu，zu)中的上標u代表該點位于經(jīng)緯度坐標系中的新坐標。通過坐標旋轉(zhuǎn)，得到第i個雜波單元在地球經(jīng)緯坐標系的坐標Ciu→,Ciu→=(xiu,yiu,ziu),i=1,···,Na,]]>再將它們轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的緯度ξCi和經(jīng)度ρCi，ξCi=sin-1(ziu/Re),ρCi=sin-1(yiuRecosξCi),]]>ξCi范圍為-π/2到π/2，ρCi范圍為-π到π。
于是位于(ρCi，ξCi)的雜波單元由于地球自轉(zhuǎn)引起的運動矢量在經(jīng)緯坐標系中表示為下式，單位為m/sVCi→=-459sinρCicosξCi459cosρCicosξCi0---(17)]]>其中，459m/s為地球赤道上的點由于自轉(zhuǎn)引起的速度大小。
4.2雷達發(fā)射機和接收機速度矢量的計算雷達發(fā)射機和接收機速度矢量的計算方法相同，這里先介紹接收機速度矢量的計算方法。由于雷達接收機放置在衛(wèi)星上，雷達的運動方向與衛(wèi)星一致。如附圖6，采用經(jīng)緯度直角坐標系，假設(shè)接收機所在的衛(wèi)星軌道傾角θr，該軌道的升交點N的經(jīng)度r，衛(wèi)星星下點的經(jīng)緯度坐標(ρr，ξr)都已經(jīng)在步驟一中已知。
假設(shè) 為軌道平面的法向量，記為 衛(wèi)星位置矢量為 歸一后的單位矢量記為 衛(wèi)星速度向量為 這些矢量加上右下標x，y，z分別表示它們在x，y，z軸上的分量。因為這三個向量之間兩兩正交，所以利用叉積公式就可以求出 表達如下VR→=aVR(FR→×PR→)---(18)]]>其中，aVR為接收機衛(wèi)星的速度大小，是一個標量，aVR=629575/(Hr+Re)/1000.]]> 在x，y，z軸上的三個分量為VRx=aVRFRyFRzPRyPRzVRy=aVRFRzFRxPRzPRxVRz=aVRFRxFRyPRxPRy,]]>
其中，|·|表示行列式。我們只需求出 和 就可以求得 其中，PR→=(cosξrcosρr,cosξrsinρr,sinξr),]]>法向量 的計算如下N為升交點，單位向量 又由于F→R⊥ON→,]]>可以寫出方程 解出法向量 為順行軌道 逆行軌道 順行軌道的特征是軌道傾角即軌道平面與地球赤道平面的夾角小于90度。逆行軌道的特征是軌道傾角即軌道平面與地球赤道平面的夾角大于90度小于180度。
同理求解發(fā)射機機速度矢量。 為雷達發(fā)射機在地球經(jīng)緯度直角坐標系中的速度矢量，發(fā)射機所在軌道平面的法向量為 記為 發(fā)射機的位置矢量為 歸一化后的單位向量記為 則VT→=aVR(FT→×PT→)---(22)]]>其中，aVT為發(fā)射機衛(wèi)星的速度大小，是一個標量,aVT=629575/(Ht+Re)/1000.]]> 在x，y，z軸上的三個分量為VTx=aVTFTyFTzPTyPTzVTy=aVTFTzFTxPTzPTxVTz=aVTFTxFTyPTxPTy,]]>我們只需求出 和 就可以求得 其中，PT→=(cosξtcosρt,cosξtsinρt,sinξt),]]>法向量 的計算如下N為發(fā)射機軌道的升交點，單位向量 又由于F→t⊥ON→,]]>可以寫出方程
解出法向量 為順行軌道 逆行軌道 4.3星載雙基地雷達雜波單元的時間頻率的計算最后，第i個雜波單元的時間頻率的計算由四項組成fin=1λ(VT→·TuCiu→||TuCiu→||+VCi→·CiuTu→||CiuTu→||+VR→·RuCiu→||RuCiu→||+VCi→·CiuRu→||CiuTu→||)---(26)]]>其中， 分別為發(fā)射機，接收機在經(jīng)緯度坐標系中的速度矢量。 為第i個雜波單元由于地球自轉(zhuǎn)引起的速度矢量。Ciu為第i個雜波單元在地球經(jīng)緯度直角坐標系的坐標，Ciu=(xiu,yiu,ziu),i=1,···,Na.]]> 分別為地球經(jīng)緯度坐標系中發(fā)射機位置和接收機位置到第i個雜波單元的矢量。 分別為地球經(jīng)緯度坐標系中第i個雜波單元到發(fā)射機位置和接收機位置的矢量，矢量長度如下計算；||TuCiu→||=||CiuTu→||=(xiu-Txu)2+(yiu-Tyu)2+(ziu-Tzu)2,]]>||RuCiu→||=||CiuRu→||=(xiu-Rxu)2+(yiu-Ryu)2+(ziu-Rzu)2.]]>第i個雜波單元相對于接收機的空間角頻率為fsi=dλVR→·RuCiu→||VR→||||RuCiu→||---(27)]]>其中，d為陣元間距。
第五步星載雙基地雷達雜波協(xié)方差矩陣的計算
雷達接收機和發(fā)射機都采標準線性陣列，且采用正側(cè)面式放置，即天線長軸與衛(wèi)星飛行方向一致。發(fā)射機天線陣列采用均勻加權(quán)，接收機陣列進行全向接收。第i個雜波單元相對于發(fā)射機陣列放置方向的錐角余弦cosΦTi為cosΦTi=dλVT→·TuCiu→||VT→||||TuCiu→||---(28)]]>待檢測點D相對于發(fā)射機陣列放置方向的錐角余弦cosΦT0為cosΦT0=dλVT→·TuCu→||VT→||||TuCu→||---(29)]]>ΦT0為發(fā)射機天線的主波束指向。其中， 為從發(fā)射機位置到待檢測點位置的矢量。
||TuCu→||=(Dxu-Rxu)2+(Dyu-Ryu)2+(Dzu-Rzu)2]]>發(fā)射機陣列有Q個陣元，第i個雜波單元上的發(fā)射天線增益為Wi=Σn=1Qexp{j2πdλ(n-1)(cosΦT1-cosΦT0)}---(30)]]>將等距離環(huán)分成Nc個雜波單元，判斷有效雜波單元數(shù)為Na.則第i個雜波單元相對于接收機的空間角頻率為ωsi＝2πfsi，時間角頻率為ωti＝2πfti，fti，fsi由式(26)(27)可得。
分別定義pi＝[1，exp(jωsi)，exp(j2ωsi)，…exp(j(G-1)ωsi]T為空域傅立葉導引矢量，qi＝[1，exp(jωti)，exp(j2ωti)，…，exp(j(K-1)ωti)]T為時域傅立葉導引矢量，其中G，K分別為接收機的陣元數(shù)目和一個相參處理間隔內(nèi)的脈沖數(shù)。雷達的工作原理是在一段時間內(nèi)發(fā)射多個脈沖，下一段時間間隔內(nèi)又發(fā)送另一串脈沖。相參處理間隔指的是在該時間間隔內(nèi)，這多個脈沖信號的相位關(guān)系固定，可以進行聯(lián)合處理。二維傅立葉導引矢量Si即定義為矢量pi和qi的Kronecker積，即ki＝piqi，ki為GK×1維。
該距離環(huán)的雜波空時二維協(xié)方差矩陣Uc為Uc=Σi=1NaζikikiH---(31)]]>其中，上標H表示共軛轉(zhuǎn)置。Uc為GK×GK維。ζi為第i個雜波單元信號的平均功率。ζi由下式求得，這里采用簡化的雷達方程，主要關(guān)注距離和天線增益帶來的影響
ζi=Wi||TuCiu→||2||RuCiu→||2---(32)]]>第六步產(chǎn)生服從該協(xié)方差陣統(tǒng)計特性的雜波模擬數(shù)據(jù)w。
雜波模擬數(shù)據(jù)的產(chǎn)生方法是用Uc1/2和高斯白噪聲相乘，即w=Uc1/2·μ,]]>其中μ為GK×1維的高斯白噪聲。
至此，星載雙基地雷達的雜波基帶模擬信號產(chǎn)生完成。
本發(fā)明針對一種新的雷達系統(tǒng)即星載雙基地雷達系統(tǒng)提出了雜波模擬信號的產(chǎn)生方法。通過該方法，我們可以將產(chǎn)生的雜波數(shù)據(jù)進行用于后續(xù)星載雷達信號處理系統(tǒng)的雜波抑制算法的驗證、選擇或改進。


圖1星載雙基地雷達雜波基帶信號產(chǎn)生系統(tǒng)框圖；圖2雜波模擬基帶信號產(chǎn)生方法流程圖；圖3雜波等距離環(huán)建立方法模型Cr表示雜波等距離環(huán)；圖4衛(wèi)星覆蓋范圍示意圖；圖5O-XYZ到地球經(jīng)緯度直角坐標系旋轉(zhuǎn)圖；圖6衛(wèi)星速度定義；圖7一種星載雙基地雷達配置下的雜波空時二維譜；圖8一種星載雙基地雷達配置下的雜波空時二維譜俯視圖；圖9多種雜波抑制算法性能比較 FA， APD， PSPD， JDL， DBPD。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進一步詳細描述。
本發(fā)明的方法可以分為6個步驟，具體流程如附圖2所示。根據(jù)該流程設(shè)定星載雙基地雷達參數(shù)，采用附圖1所示的系統(tǒng)框圖實現(xiàn)。附圖1的系統(tǒng)采用高性能的服務(wù)器為硬件平臺，在windows操作系統(tǒng)下開發(fā)星載雙基地雷達雜波仿真信號軟件，運行相應(yīng)的流程，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)產(chǎn)生星載雷達的基帶模擬數(shù)據(jù)，存入服務(wù)器內(nèi)存中，然后由標準PCI總線輸出板卡根據(jù)傳輸協(xié)議，將數(shù)據(jù)發(fā)送給星載基雷達信號處理系統(tǒng)。因為不同的雷達系統(tǒng)參數(shù)配置下的雜波信號特性不同，信號處理系統(tǒng)將針對不同的雷達系統(tǒng)參數(shù)采用不同的雜波抑制算法。
因此，我們需要根據(jù)具體的雷達參數(shù)進行雜波抑制算法選擇，更好的抑制掉雜波信號，從而提高后續(xù)的動目標檢測性能。下面將給出通過仿真實驗產(chǎn)生的雜波模擬信號和采用多種雜波抑制算法對該信號進行處理后的性能圖，以說明其在進行雜波抑制算法選擇時所起的作用，仿真時采用的雷達系統(tǒng)參數(shù)由表一所示。

表一雷達系統(tǒng)參數(shù)按照設(shè)定的雷達參數(shù)產(chǎn)生出模擬雜波信號，給出該信號對應(yīng)的空時二維譜如附圖7所示，附圖8為該譜的俯視圖?？梢钥闯鲈谛禽d雷達情況下，雜波的多普勒模糊非常嚴重。
接下來我們考慮采用多種雜波抑制算法對產(chǎn)生的雜波模擬信號進行處理并選出一種最好的算法。現(xiàn)在的雜波抑制算法一般考慮降維STAP，它的種類很多，下面只列舉其中的幾種(1)Full Adaptive(FA)(2)Adjancent-bin-Post Doppler(APD)(3)PRI-Staggered-Post Doppler(PSPD)(4)Joint DomainLocalized(JDL)(5)Displaced-filter Beamspace Post-Doppler(DBPD)其中，前3種方法，由于采用了全部陣元的自由度和部分時域脈沖的自由度，因此叫做陣元域的自適應(yīng)處理。而后兩種算法只采用了部分陣元和部分脈沖做自適應(yīng)處理，叫做波束域的自適應(yīng)處理。在陣元域，PSPD比APD的運算量大。在波束域，DBPD比JDL運算量大。AMP算法是所有算法中運算量最大的。
采用上面的提到的五種降維STAP算法對雜波數(shù)據(jù)進行處理，附圖9是采用五種算法對雜波模擬數(shù)據(jù)進行處理后的性能比較。Lsinr是SINR損失，一般我們認為Lsinr的-5dB處對應(yīng)的凹口寬度為動目標的最小可檢測速度(MDV)，如果目標速度落在該凹口范圍內(nèi)，則無法檢測。因此，凹口越窄，可以檢測的動目標速度范圍越大，性能相應(yīng)就越好?？梢钥闯?，波束域的DBPD和JDL算法性能優(yōu)于陣元域的FA，APD和PSPD，再結(jié)合運算量的考慮，在該雙基地配置參數(shù)下應(yīng)該選擇JDL算法。
可見，產(chǎn)生的雙基地雷達模擬信號可以用于信號處理系統(tǒng)對雜波抑制算法進行選擇。
權(quán)利要求
1.星載雙基地雷達雜波基帶模擬信號的產(chǎn)生方法，其特征在于，它依次含有以下步驟步驟(1)在計算機上輸入星載雙基地雷達系統(tǒng)參數(shù)作為該方法的初始條件雷達系統(tǒng)參數(shù)包括三部分，即雷達裝置參數(shù)、放置雷達的衛(wèi)星平臺參數(shù)和目標參數(shù)；雷達裝置參數(shù)發(fā)射信號波長λ，發(fā)射機天線陣元數(shù)目Q，接收機天線陣元數(shù)目G，接收機天線陣元間距和發(fā)射機天線陣元間距相等，記為d，發(fā)射機脈沖重復(fù)頻率fr；衛(wèi)星平臺參數(shù)雷達發(fā)射機所在衛(wèi)星平臺高度Ht，接收機所在衛(wèi)星平臺的軌道高度Hr，發(fā)射機衛(wèi)星軌道傾角θt，接收機衛(wèi)星軌道傾角θr，發(fā)射機衛(wèi)星軌道升交點的經(jīng)度t，接收機衛(wèi)星軌道升交點經(jīng)度r，發(fā)射機衛(wèi)星星下點經(jīng)度ρt，接收機衛(wèi)星星下點經(jīng)度ρr；由θt，t，ρt得到發(fā)射機星下點緯度ξt， 由θr，r，ρr得到接收機星下點緯度ξr， 目標參數(shù)地面上待檢測單元D的坐標(ρd，ξd)，ρd表示經(jīng)度，ξd表示緯度步驟(2)在計算機上依次按以下步驟建立星載雙基地雷達雜波等距離環(huán)步驟(2.1)地球經(jīng)緯度直角坐標系以北極為Zu軸，赤道平面為XuOYu平面，零度經(jīng)線方向為Xu軸；接收機，發(fā)射機和待檢測點D在地球經(jīng)緯度直角坐標系的位置分別為 上標u表示該坐標是以經(jīng)緯度坐標系為參考的，符號 表示向量；Tu→=(Txu,Tyu,Tzu),]]>其中Txu，Tyu，Tzu分別為發(fā)射機在地球經(jīng)緯度直角坐標系下x，y，z軸的坐標分量；Ru→=(Rxu,Ryu,Rzu),]]>其中Rxu，Ryu，Rzu分別為接收機在地球經(jīng)緯度直角坐標系下x，y，z軸的坐標分量；Du→=(Dxu,Dyu,Dzu),]]>其中(Dxu，Dyu，Dzu)分別為D點在地球經(jīng)緯度直角坐標系下x，y，z軸的坐標分量；步驟(2.2)建立直角坐標系O-XYZ，設(shè)接收機和發(fā)射機在O-XYZ直角坐標系中的位置分別用R和T表示，待檢測點的位置用D表示，O為地球球心，則 為Z軸，與Z軸垂直且過球心的平面為XOY平面；定義T→=(Tx,Ty,Tz)]]>為發(fā)射機在O-XYZ直角坐標系中的位置矢量，其中Tx，Ty，Tz分別為發(fā)射機在O-XYZ直角坐標系下x，y，z軸的坐標分量；定義R→=(Rx,Ry,Rz)]]>為接收機在O-XYZ直角坐標系中的位置矢量，其中Rx，Ry，Rz分別為接收機在O-XYZ直角坐標系下x，y，z軸的坐標分量；定義D→=(Dx,Dy,Dz)]]>為待測目標在O-XYZ直角坐標系中的位置矢量；g為雙基地距離和，等于待測點D到R和T的距離之和；設(shè)雜波等距離環(huán)上的點即雜波單元在O-XYZ直角坐標系中的坐標為(x，y，z)，滿足在O-XYZ直角坐標系中以接收機和發(fā)射機的位置為焦點的橢球方程b2(xcosβ+zsinβ-εx)2+a2y2+a2(-xsinβ+zcosβ-εz)2＝a2b2(1)其中，a=g2,b=a2-14((Rx-Tx)2+(Ry-Ty)2+(Rz-Tz)2),β=tan-1(Tz-RzTx-Rx),]]>ϵx=Rx+Tx2cosβ+Rz+Tz2sinβ,ϵz=-Rx+Tx2sinβ+Rz+Tz2cosβ;]]>步驟(2.3)雜波單元同時又在地球表面上，滿足球面參數(shù)方程x=Resinηcosφy=Resinηsinφz=Recosη---(2)]]>其中φ，η分別為球面坐標系中任意一點的方位角和俯仰角，η∈
，φ∈
，Re為地球半徑；步驟(2.4)將(1)與(2)聯(lián)立求解，獲得雜波單元的俯仰角和方位角的關(guān)系[(b2-a2)Re2sin2ηcos2β]cos2φ+(E1Re2sinηcosφ+E2Resinη)cosφ+(a2Re2sin2η+E3Recosη+E4+E5Re2cos2η)＝0(3)其中，E1＝2(b2-a2)cosβsinβ，E2＝2a2εzsinβ-2b2εxcosβE3＝-(2b2εxsinβ+2a2εzcosβ)，E4=b2ϵx2+a2ϵz2-a2b2,E5=b2sin2β+a2cos2β;]]>步驟(2.5)式(3)是一個關(guān)于η和cosφ的一元二次方程，設(shè)每個雜波單元i對應(yīng)的η，φ為ηi，φi，通過從Z軸正方向0到π掃描ηi來求出φi=cos-1(-A2±A22-4A1A32A1);]]>A1＝(b2-a2)Re2sin2ηcos2β其中A2＝E1Re2sinηcosη+E2ResinηA3＝a2Re2sin2η+E3Recosη+E4+E5Re2cos2η步驟(2.6)，根據(jù)ηi，φi，利用式(2)求出雜波等距離環(huán)上每個雜波單元在O-XYZ直角坐標系下的坐標；步驟(3)在計算機中進行星載雙基地雷達雜波單元有效性判斷步驟(3.1)，設(shè)分別載有接收機和發(fā)射機的兩個衛(wèi)星到雷達系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)的最遠點的距離為IRmax，ITmax則IRmax=Hr2+2*Re*Hr]]>ITmax=Ht2+2*Re*Ht]]>步驟(3.2)，在O-XYZ直角坐標系中計算所有雜波單元分別到接收機和發(fā)射機的距離LRCi，LTCi，下標i表示第i個雜波單元LRCi=(xi-Rx)2+(yi-Ry)2+(zi-Rz)2]]>LTCi=(xi-Tx)2+(yi-Ty)2+(zi-Tz)2]]>步驟(3.3)將LRCi與IRmax，LTCi與ITmax進行比較，只有同時滿足LRCi＜IRmax和LTCi＜ITmax的雜波單元才在發(fā)射機和接收機的共同覆蓋范圍內(nèi)，為有效雜波單元，得到有效雜波單元數(shù)目為Na；步驟(4)在計算機中進行每個雜波單元對應(yīng)的時間頻率和空間頻率計算步驟(4.1)每個雜波單元速度矢量 的計算將Na個雜波單元的坐標從O-XYZ直角坐標系旋轉(zhuǎn)到地球經(jīng)緯度直角坐標系O-XuYuZu，坐標旋轉(zhuǎn)公式為xu=(cosγ1sinξrcosρr+sinγ1sinρr)x+(sinγ1sinξrcosρr-cosγ1sinρr)y+cosξrcosρrzyu=(cosγ1sinξrsinρr-sinγ1cosρr)x+(sinγ1sinξrsinρr+cosγ1cosρr)y+cosξrsinzu=-cosγ1cosξrx-sinγ1cosξry+sinξrzρrz]]>其中，γ1為ROT平面和ROZ平面形成的二面角的補角，(xu，yu，zu)為雜波單元在地球經(jīng)緯度直角坐標系中的坐標值；γ1＝π-γ1′，γ1′為ROT平面和ROZu平面形成的二面角，γ1′=cos-1(sinξt-cosαsinξrsinαcosξr)]]>其中，α=(Re+Hr)2+(Re+Ht)2+(Rxu-Txu)2+(Ryu-Tyu)2+(Ryu-Tyu)2-2(Re+Hr)(Re+Ht)]]>通過坐標旋轉(zhuǎn)，得到第i個雜波單元在地球經(jīng)緯坐標系的坐標Ciu→=(xiu,yiu,ziu),]]>i＝1，…，Na，再將 轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的緯度ξCi和經(jīng)度ρCi，ξCi=sin-1(ziu/Re),]]>ρCi=sin-1(yiuRecosξCi),]]>ξCi范圍為-π/2到π/2，ρCi范圍為-π到π；進一步求出第i個雜波單元由于地球自轉(zhuǎn)引起的速度矢量 VCi→=(-459sinρCicosξCi,459cosρCicosξCi,0);]]>步驟(4.2)，雷達接收機速度矢量 計算 為雷達接收機在地球經(jīng)緯度直角坐標系中的速度矢量，接收機所在軌道平面的法向量為 記為 接收機的位置的單位矢量為 這些矢量名稱加上右下標x，y，z分別表示它們在x，y，z軸上的分量，則VR→=aVR(FR→×PR→)]]>其中，aVR為標量，表示接收機衛(wèi)星的速度大小，aVR=629575/(Hr+Re)/1000;]]>由接收機的經(jīng)緯度坐標求得接收機的位置的單位矢量PR→=(cosξrcosρr,cosξrsinρrsinξr);]]> 由接收機軌道傾角θr即軌道平面與地球赤道平面的夾角大小和接收機軌道升交點經(jīng)度r確定順行軌道即軌道傾角小于π/2時 逆行軌道即軌道傾角大于π/2度小于π (4.3)，雷達發(fā)射機的速度矢量 計算 為雷達發(fā)射機在地球經(jīng)緯度直角坐標系中的速度矢量，發(fā)射機所在軌道平面的法向量為 記為 發(fā)射機的位置單位矢量 VT→=aVT(FT→×PT→),]]>由發(fā)射機的經(jīng)緯度坐標求得接收機的位置的單位矢量，PT→=(cosξtcosρt,cosξtsinρt,sinξt);]]> 由發(fā)射機軌道傾角大小θt和發(fā)射機軌道升交點經(jīng)度t確定，順行軌道 逆行軌道 (4.4)，求解星載雙基地雷達雜波等距離環(huán)第i個單元的時間頻率ftifti=1λ(VT→·TuCiu→||TuCiu→||+VCi→·CiuTu→||CiuTu→||+VR→·RuCiu→||RuCiu→||+VCi→·VCi→·CiuRu→||CiuRu→||)]]>其中， 分別為發(fā)射機，接收機在經(jīng)緯度直角坐標系中的速度矢量， 為第i個雜波單元由于地球自轉(zhuǎn)引起的速度矢量，Ciu為第i個雜波單元在地球經(jīng)緯度直角坐標系中的位置， 分別為地球經(jīng)緯度直角坐標系中發(fā)射機和接收機到第i個雜波單元位置的矢量， 分別為地球經(jīng)緯度直角坐標系中第i個雜波單元位置到發(fā)射機和接收機的矢量，矢量長度計算如下||TuCiu→||=||CiuTu→||=(xiu-Txu)2+(yiu-Tyu)2+(ziu-Tzu)2,]]>||RuCiu→||=||CiuRu→||=(xiu-Rxu)2+(yiu-Ryu)2+(ziu-Rzu)2;]]>(4.5)，求解星載雙基地雷達雜波等距離環(huán)第i個單元的空間頻率fsifsi=dλVR→·RuCiu→||VR→||||RuCiu→||]]>步驟(5)在計算機中進行雜波協(xié)方差矩陣Uc的計算步驟(5.1)，第i個雜波單元相對于接收機的空間角頻率為ωsi＝2πfsi，時間角頻率為ωti＝2πfti，分別定義pi＝[1，exp(jωsi)，exp(j2ωsi)，…exp(j(G-1)ωsi]T為空域傅立葉導引矢量，qi＝[1，exp(jωti)，exp(j2ωti)，…，exp(j(K-1)ωti)]T為時域傅立葉導引矢量，其中G，K分別為接收機的陣元數(shù)目和一個相參處理間隔內(nèi)的脈沖數(shù)；二維傅立葉導引矢量ki即定義為矢量pi和qi的Kronecker積，即ki＝piqi，ki為GK×1維；第i個雜波單元相對于發(fā)射機陣列放置方向的錐角余弦cosΦTi為cosΦTi=VT→·TuCiu→||VT→||||TuCiu→||]]>待檢測點D相對于發(fā)射機陣列放置方向的錐角余弦cosΦT0為cosΦT0=VT→·TuDu→||VT→||||TuDu→||]]>ΦT0為發(fā)射機天線的主波束指向；其中，其中， 為從發(fā)射機位置到待檢測點位置的矢量；||TuDu→||=(Dxu-Rxu)2+(Dyu-Ryu)2+(Dzu-Rzu)2]]>第i個雜波單元上的發(fā)射天線增益為Wi=Σn=1Qexp{j2πdλ(n-1)(cosΦTi-cosΦT0)}]]>其中Q為發(fā)射機陣元數(shù)目；步驟(5.2)，該距離環(huán)的雜波空時二維自相關(guān)矩陣為Uc=Σi=1NaζikikiH]]>其中，上標H表示將向量ki共軛轉(zhuǎn)置；ζi為第i個雜波單元信號的平均功率，由下式求得ζi=Wi||TuCiu→||2||RuCiu→||2]]>步驟(6)在計算機中產(chǎn)生服從Uc統(tǒng)計特性的雜波基帶模擬數(shù)據(jù)w雜波模擬數(shù)據(jù)的產(chǎn)生方法是用Uc1/2和高斯白噪聲相乘，即w=Uc1/2·μ,]]>其中μ為GK×1維的高斯白噪聲；步驟(7)將該模擬數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備發(fā)送給后續(xù)星載雷達信號處理系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及星載雙基地雷達雜波基帶信號的產(chǎn)生方法，它包括幾個步驟根據(jù)星載雙基地雷達系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定初始條件，建立星載雙基地雷達雜波等距離環(huán)模型，判斷環(huán)上雜波單元的有效性，計算每個有效雜波單元由于地球自轉(zhuǎn)引起的運動矢量。然后根據(jù)衛(wèi)星位置和軌道參數(shù)計算衛(wèi)星速度矢量，計算出有效雜波單元對應(yīng)的時間頻率和空間頻率。進一步，將所有有效雜波單元的空時二維快拍求和，最后求出雜波協(xié)方差矩陣和產(chǎn)生服從該統(tǒng)計分布的雜波數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)可以用于后續(xù)星載雷達信號處理系統(tǒng)的雜波抑制算法的驗證、選擇或改進。
文檔編號G01S7/285GK1928589SQ200610113459
公開日2007年3月14日 申請日期2006年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月29日
發(fā)明者李華, 湯俊, 嚴軍, 彭應(yīng)寧, 張衛(wèi)杰 申請人:清華大學