雷達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，廣東 湛江 524016； 2.海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室，南京 210003)

雷達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，廣東 湛江 524016； 2.海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室，南京 210003)

雷達海雜波和氣象雜波可采用多種仿真數學模型產生，但其信號模擬逼真度不高，難以滿足雷達操作使用人員在近于實際海洋環境中的訓練要求。利用海上試驗和訓練中采集的實際雷達雜波數據，按照預先設定的海洋自然環境條件，采用電磁波傳播模型和自然環境模型對雜波回波數據進行調制處理以更加逼真地產生所需要的雜波回波信號，使雷達顯現的雜波回波信號的強度和變化規律符合預設場景要求，提高訓練效果，提升雷達操作使用人員在不同海上環境條件下的應對處理能力。

訓練模擬;真實雷達回波; 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

雷達操作使用人員的實裝訓練受到各種自然或人為因素的制約，如天氣的好壞、裝備訓練磨損程度,以及訓練過程中訓練人員的安全、物資供應、經費投入等。此外，其他維護和調試測試工作的開展也會對雷達訓練產生一定程度的影響。這使得雷達訓練場地和訓練時間都受到限制。雷達訓練模擬系統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，雷達訓練模擬系統還可以防止雷達發射頻率、脈沖重復周期、功率等重要參數的泄露，保證雷達操作訓練的安全性。[1-2]

有經驗的雷達操作員善于從原始回波中區分目標和雜波，并從雜波背景下識別出目標。因此，雷達訓練模擬系統能否逼真地模擬出海雜波和氣象雜波數據，對于訓練操作員對雜波中目標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和演習訓練中采集到的真實海雜波和云雨雜波數據，根據訓練態勢中設定的天氣、海況等自然條件對雜波數據的方位和強度進行處理，從而產生與訓練設定態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學模型及模擬效果

1.1 海雜波

海雜波回波強度與雷達的工作波長、極化方式、電波入射角有關，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]概率密度函數可采用對數正態(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) 對數正態分布

在雷達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，比較符合對數正態分布的振幅分布[8]，對數正態分布的概率密度函數為

(1)

式中，xm是尺度參數，表示分布的中位數；σc是形狀參數，為lnx2的標準偏差，表明分布的偏斜度。在雷達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，可用對數正態分布與之擬合，這里應根據測量數據估計σc。對數正態分布的均值與方差分別為

(2)

(3)

形狀參數σc越大，對數正態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重的情況下，韋布爾分布的不對稱小于對數正態分布的不對稱性。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為

(4)

式中，p為形狀參數，q為尺度參數。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。當p=1時，韋布爾函數退化為指數分布；當p=2時，韋布爾函數退化為瑞利分布。調整韋布爾分布的參數，可以使韋布爾分布模型更好地與實際雜波數據匹配。韋布爾分布是一種適應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統計量，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性。考慮到脈間的相關性，近年來提出了相關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部分是斑點分量(即快變化分量)，它由大量散射體的反射進行相參疊加而成的，符合瑞利分布。第2部分是基本幅度調制分量(即慢變化)，它反映了與海面大面積結構有關的散射束在空間變化的平均電平，具有長相關時間。[10-11]K分布的概率密度函數為

(7)

式中，v為形狀參數，當v→0時概率分布曲線有長的拖尾，表示雜波有尖峰出現，而當v→∞時概率分布曲線接近瑞利分布；a為尺度參數，與雜波的均值大小有關；Γ[·]為伽馬函數；Kv[·]是修正的v階貝塞爾函數。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表征高分辨率雷達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有關。根據散射體的性質不同，非降雨的云強度最小，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。由于風的作用，其功率譜中含有一個與風向和風速有關的平均多普勒頻率。[12-13]

(10)

式中，fd是其平均多普勒頻率，與風速風向有關；σf是其功率譜的標準離差，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學模型的模擬結果

根據海雜波和氣象雜波的數學模型產生的模擬信號在雷達終端的顯示分別如圖1和圖2所示。實際雷達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 真實海雜波 圖4 真實氣象雜波

由圖1～圖4可以看出，由數學模型產生的海雜波和氣象雜波信號跟真實的海雜波和氣象雜波存在較大的差異。真實的海雜波近區回波較強且連續，在遠區隨機出現且存在邊緣霧化現象，而模擬海雜波在近區比較離散并且邊緣霧化現象不明顯。真實的氣象雜波中心亮度很強，邊緣連續且存在霧化現象，而模擬的氣象雜波中心強度不夠且過于離散，邊緣也不存在霧化現象。

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

2 海雜波和氣象雜波模擬方法與實現

為了模擬出跟真實雜波非常相近的回波，本文將采用對外場試驗中采集到的真實海雜波和氣象雜波數據進行處理的方法，來產生滿足戰術訓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現

為了能模擬出各種自然環境下海雜波的回波，本文使用的實采海雜波數據為30 km以內全方位海雜波一次回波數據。設模擬自然環境中風向為φwind，風速為vwind(m/s)。首先對采集到海雜波數據作偏轉運算，使得采集海雜波數據的風向與φwind一致，然后求出該自然環境下海雜波平均回波信號強度Pavi。用該強度去調制偏轉后的海雜波數據，就可以產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，根據雷達方程求得[14]：

(12)

式中σavi為海雜波分辨單元的平均RCS。設風速為vwind(m/s)時平均浪高為havi，風速因子為Aw，粗糙度因子為σφ，風向因子為Au，海浪干涉因子為Ai。雷達天線為水平極化方式時σavi可按照如下經驗公式求解。[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為雷達天線軸與逆風向間的夾角。

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終端的顯示圖像。

圖5 20 μs時間片內模擬海雜波信號 圖6 2 ms內海雜波模擬信號

圖7 90°范圍內海雜波模擬信號 圖8 模擬海雜波在雷達終端的顯示

2.2 氣象雜波方法與實現

氣象雜波信號產生的原理與海雜波的一致，區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。[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 氣象雜波在雷達訓練模擬系統上的顯示

3 結束語

本文利用各種外場試驗和演習訓練中采集的海雜波和氣象雜波數據，利用模型和算法對其進行方位分布和強度起伏處理，產生逼真的海雜波和氣象雜波模擬信號。經多型雷達模擬訓練系統中應用表明，利用該方法模擬的雜波信號在雷達顯示終端的顯示效果與雷達實裝基本一致，具有“形似”和“神似”效果，可滿足雷達操作員的訓練要求，提高訓練效果，提升雷達操作使用人員在復雜海戰場雜波背景條件的應對處理能力。

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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：雷達工程；林新黨，男，高級工程師，研究方向：雷達工程。