本發(fā)明涉及一種全極化雙基地雷達(dá)目標(biāo)動(dòng)態(tài)回波模擬方法,尤其是指一種基于極化理論、空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換理論獲得實(shí)際全極化雙基地雷達(dá)觀測(cè)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)回波,屬于雷達(dá)仿真技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
單基地雷達(dá)目標(biāo)極化特性研究已經(jīng)取得很大進(jìn)展,通過電磁計(jì)算和暗室測(cè)量數(shù)據(jù)研究目標(biāo)極化特性是一個(gè)重要手段,需要注意的是極化坐標(biāo)系與實(shí)際雷達(dá)測(cè)量之間的差異。隨著雙基地雷達(dá)逐步發(fā)展并投入實(shí)際應(yīng)用,目標(biāo)雙基地極化特性也受到關(guān)注。雙基地雷達(dá)由于收發(fā)分置,發(fā)射站和接收站的極化坐標(biāo)系存在差異,在考慮接收站動(dòng)態(tài)回波時(shí)必須同時(shí)考慮發(fā)射站和接收站的極化方式,特別是兩個(gè)站相距較遠(yuǎn)時(shí)(幾百公里以上),存在的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換也更復(fù)雜。為了結(jié)合目標(biāo)電磁計(jì)算數(shù)據(jù)分析實(shí)際雙基地雷達(dá)測(cè)量該目標(biāo)的能力以及目標(biāo)的動(dòng)態(tài)回波特性,通過靜態(tài)電磁計(jì)算數(shù)據(jù)模擬全極化雙基地雷達(dá)目標(biāo)動(dòng)態(tài)回波的問題亟待解決。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于提供一種全極化雙基地雷達(dá)目標(biāo)動(dòng)態(tài)回波模擬方法,利用靜態(tài)計(jì)算電磁散射特性數(shù)據(jù)模擬全極化雙基地雷達(dá)目標(biāo)動(dòng)態(tài)回波,為目標(biāo)動(dòng)態(tài)雙基地散射特性研究和雙基地雷達(dá)探測(cè)能力分析提供數(shù)據(jù)支撐。該方法利用目標(biāo)坐標(biāo)系、發(fā)射站直角坐標(biāo)系、接收站直角坐標(biāo)系、極化坐標(biāo)系以及目標(biāo)姿態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,先解算得到發(fā)射站和接收站在目標(biāo)坐標(biāo)系的觀測(cè)角、發(fā)射站和接收站極化相對(duì)于目標(biāo)坐標(biāo)系極化的旋轉(zhuǎn)角,然后通過查表插值與極化坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)得到雙基地接收站的動(dòng)態(tài)回波。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是,首先建立目標(biāo)坐標(biāo)系、發(fā)射站直角坐標(biāo)系、接收站直角坐標(biāo)系、極化坐標(biāo)系,然后通過發(fā)射站位置、接收站位置以及目標(biāo)位置和姿態(tài),解算發(fā)射站和接收站在目標(biāo)坐標(biāo)系的觀測(cè)角(俯仰角和方位角),然后利用目標(biāo)姿態(tài)、發(fā)射站和接收站位置以及視線角求解發(fā)射站和接收站極化相對(duì)于目標(biāo)坐標(biāo)系極化的旋轉(zhuǎn)角,最后先通過觀測(cè)角查表并插值得到目標(biāo)坐標(biāo)系中的散射矩陣,再通過極化旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)得到雙基地接收站的動(dòng)態(tài)回波。
本發(fā)明一種全極化雙基地雷達(dá)目標(biāo)動(dòng)態(tài)回波模擬方法,具體步驟如下:
步驟1、建立目標(biāo)坐標(biāo)系、發(fā)射站直角坐標(biāo)系、接收站直角坐標(biāo)系、極化坐標(biāo)系;
步驟2、設(shè)定發(fā)射站、接收站位置,設(shè)定目標(biāo)相對(duì)于發(fā)射站的位置和姿態(tài)角;
步驟3、計(jì)算發(fā)射站在目標(biāo)坐標(biāo)系的位置;
步驟4、計(jì)算電波入射俯仰角和方位角;
步驟5、計(jì)算接收站在發(fā)射站直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo);
步驟6、計(jì)算電波散射俯仰角和方位角;
步驟7、計(jì)算極化旋轉(zhuǎn)角;
步驟8、通過步驟4和步驟6獲得的入射方位角、俯仰角和散射方位角、俯仰角,通過查表和插值,獲得電磁計(jì)算結(jié)果中的散射矩陣,進(jìn)而獲得雙基地接收站測(cè)量的散射矩陣;
步驟9、改變步驟2中的參數(shù),重復(fù)步驟3~步驟8連續(xù)計(jì)算散射矩陣序列得到動(dòng)態(tài)回波。
特別的,步驟3所述的計(jì)算發(fā)射站在目標(biāo)坐標(biāo)系的位置,具體方法如下:
從雷達(dá)直角坐標(biāo)系到目標(biāo)直角坐標(biāo)系到變換矩陣Bbg,可表示如下:
則從雷達(dá)坐標(biāo)系到目標(biāo)坐標(biāo)系變換過程如下:
其中,相對(duì)于雷達(dá)發(fā)射站直角坐標(biāo)系的偏航角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角分別為(xb,yb,zb)為目標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo),(xg,yg,zg)為雷達(dá)直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo),(x0,y0,z0)為目標(biāo)在雷達(dá)直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。
其中,雷達(dá)發(fā)射站在目標(biāo)坐標(biāo)系中的位置表示為:
其中,(xbt,ybt,zbt)為雷達(dá)發(fā)射站在目標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。
特別的,步驟4所述的計(jì)算電波入射俯仰角和方位角,具體方法如下:
根據(jù)雷達(dá)發(fā)射站在目標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)計(jì)算雷達(dá)發(fā)射站相對(duì)于目標(biāo)坐標(biāo)系的方位角(0~2π)和俯仰角θt(0~π),分別表示如下:
特別的,步驟5所述的計(jì)算接收站在發(fā)射站直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo),其具體方法如下:
首先,通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以得到接收站位置在發(fā)射站直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(xgr,ygr,zgr),具體過程描述如下:將雷達(dá)發(fā)射站和接收站的經(jīng)緯高參數(shù)分別帶入式(5),則可以得到發(fā)射站和接收站的地心直角坐標(biāo)(xt0,yt0,zt0)和(xr0,yr0,zr0)。
其中,(x,y,z)為地心直角坐標(biāo),(L,B,H)對(duì)應(yīng)經(jīng)緯高,地球的長(zhǎng)半徑a=6378245m,扁率f=1/298.3,第一偏心率平方e2=0.0069342162297。
然后,將雷達(dá)接收站位置轉(zhuǎn)換到雷達(dá)發(fā)射站直角坐標(biāo)系中,公式如下:
其中,(xgr,ygr,zgr)為接收站在雷達(dá)發(fā)射站直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo),轉(zhuǎn)換矩陣記為B(Lgt,Bgt,Hgt)。
特別的,步驟6所述的計(jì)算電波散射俯仰角和方位角,具體方法如下:
首先,通過式(2)可以轉(zhuǎn)換得到接收站位置在目標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)
其中,(xbr,ybr,zbr)為接收站在目標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。
然后,計(jì)算接收站相對(duì)于目標(biāo)坐標(biāo)系的方位角和俯仰角θr,分別定義如下:
特別的,步驟7所述的計(jì)算極化旋轉(zhuǎn)角,具體方法如下:
在目標(biāo)坐標(biāo)系中,電波入射方向矢量為
其中,T表示取轉(zhuǎn)置。
電波散射方向矢量為
入射水平極化矢量表示為:
入射垂直極化矢量可表示為:
類似地,接收站散射水平極化矢量可表示為:
接收站散射垂直極化矢量可表示為:
發(fā)射站坐標(biāo)系中,電波傳播方向矢量表示為:
由此可得水平極化矢量可表示為:
根據(jù)式(2),將發(fā)射站坐標(biāo)系下的水平極化坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到目標(biāo)坐標(biāo)系,得
其中,為目標(biāo)坐標(biāo)系中的水平極化。
發(fā)射站坐標(biāo)系中,垂直極化矢量表示為:
根據(jù)式(2),將發(fā)射站坐標(biāo)系下的垂直極化坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到目標(biāo)坐標(biāo)系,得
其中,為目標(biāo)坐標(biāo)系中的垂直極化。
接收站坐標(biāo)系中,電波傳播矢量定義為:
則水平極化矢量可表示為:
垂直極化矢量表示為:
根據(jù)式(6),先將水平極化轉(zhuǎn)換到接收站地心直角坐標(biāo),再轉(zhuǎn)換到發(fā)射站直角坐標(biāo)中,再根據(jù)式(2),將發(fā)射站坐標(biāo)系下的水平極化坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到目標(biāo)坐標(biāo)系,得
其中,為目標(biāo)坐標(biāo)系中的水平極化的坐標(biāo),B-1(Lgr,Bgr,Hgr)表示矩陣B(Lgr,Bgr,Hgr)求逆,B(Lgr,Bgr,Hgr)將矩陣B(Lgt,Bgt,Hgt)參數(shù)(Lgt,Bgt,Hgt)對(duì)應(yīng)替換為(Lgr,Bgr,Hgr)。
類似地,接收站垂直極化在目標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)表示為:
其中,為目標(biāo)坐標(biāo)系中的垂直極化的坐標(biāo)。
那么對(duì)于發(fā)射站和接收站而言,在目標(biāo)坐標(biāo)系下,極化基分別繞著入射矢量和散射矢量有一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度Θt和Θr,分別計(jì)算如下:
特別的,步驟8所述的獲得雙基地接收站測(cè)量的散射矩陣,具體方法如下:
假定已經(jīng)獲得目標(biāo)全極化全空域的雙基地散射矩陣,記為PJ×K×L×M×N,其中J,K,L,M,N分別表示入射方位角、俯仰角,散射方位角、俯仰角以及極化類型。根據(jù)步驟4和步驟6獲得的入射方位角、俯仰角和散射方位角、俯仰角,查找到散射矩陣中角度最接近的值,然后利用相鄰的數(shù)據(jù)做線性插值得到對(duì)應(yīng)的散射矩陣。
假設(shè)計(jì)算得到的散射矩陣為則測(cè)量得到的散射矩陣為
其中,S2表示極化旋轉(zhuǎn)后的測(cè)量矩陣。
采用本發(fā)明可取得以下技術(shù)效果
1、本發(fā)明提供了一套動(dòng)態(tài)全極化雙基地雷達(dá)目標(biāo)動(dòng)態(tài)回波模擬方法,可用于雷達(dá)數(shù)字仿真和半實(shí)物仿真系統(tǒng)。
2、本發(fā)明可以用于各類目標(biāo)動(dòng)態(tài)雙基地散射特性研究。
3、本發(fā)明可以用于實(shí)際雷達(dá)對(duì)某些特定目標(biāo)探測(cè)能力的評(píng)估。
4、本發(fā)明同樣適用于單基地雷達(dá)。
附圖說明
圖1為本發(fā)明建立的雙基地雷達(dá)觀測(cè)坐標(biāo)系。
圖2為本發(fā)明建立的目標(biāo)坐標(biāo)系。
圖3為本發(fā)明建立的實(shí)際雷達(dá)測(cè)量使用的極化坐標(biāo)系。
圖4為本發(fā)明仿真實(shí)例中的觀測(cè)角。
圖5a為本發(fā)明仿真實(shí)例中的HH通道原始數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)。
圖5b為本發(fā)明仿真實(shí)例中的HV通道原始數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)。
圖5c為本發(fā)明仿真實(shí)例中的VH通道原始數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)。
圖5d為本發(fā)明仿真實(shí)例中的VV通道原始數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)。
圖6所示為本發(fā)明方法流程圖。
具體實(shí)施方式
為了更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案,以下結(jié)合附圖1-6對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步描述。
本發(fā)明一種全極化雙基地雷達(dá)目標(biāo)動(dòng)態(tài)回波模擬方法,如圖6所示,具體步驟如下:
步驟一、定義坐標(biāo)系
坐標(biāo)系及相關(guān)參量定義以GB/T 14410.1-2008“飛行力學(xué)概念、量和符號(hào),坐標(biāo)軸系和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變量”為依據(jù)。如圖1所示,雷達(dá)發(fā)射站直角坐標(biāo)系,原點(diǎn)Ogt在雷達(dá)發(fā)射站處,Ogtxgt向東,Ogtygt向北,Ogtzgt按右手定則確定。目標(biāo)坐標(biāo)系固定于飛機(jī)上,原點(diǎn)O位于質(zhì)心,Oxb在對(duì)稱平面內(nèi)指向前方,Oyb垂直于對(duì)稱平面向左,Ozb按右手定則確定。偏航角ψ定義為Oxb在水平面上的投影與Oxg的夾角;俯仰角θ定義為Oxb與水平面的夾角;滾轉(zhuǎn)角定義Ozb與過Oxb的鉛垂面的夾角。雷達(dá)接收站直角坐標(biāo)系,原點(diǎn)Ogr在接收站處,Ogrxgr向東,Ogrygr向北,Ogrzgr按右手定則確定。
電磁計(jì)算中,目標(biāo)坐標(biāo)系與圖1中一致,重畫如圖2所示,極化坐標(biāo)系的定義如下:入射矢量Ei與水平極化垂直極化構(gòu)成直角坐標(biāo)系,且位于入射矢量與目標(biāo)軸構(gòu)成的平面內(nèi);散射矢量Es與接收水平極化垂直極化構(gòu)成直角坐標(biāo)系,且位于散射矢量與目標(biāo)軸構(gòu)成的平面內(nèi)。
目標(biāo)電磁散射計(jì)算坐標(biāo)系約定如圖2所示,入射矢量Ei與zb軸夾角定義為俯仰角θt,取值范圍0°~180°,入射矢量在xbOyb平面內(nèi)的投影順時(shí)針方向轉(zhuǎn)到xb軸的角度為方位角取值范圍0°~360°,類似地散射矢量Es對(duì)應(yīng)的俯仰角和方位角分別為θr和
實(shí)際測(cè)量時(shí),定義發(fā)射站水平極化與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫?,垂直于入射矢量,與垂直極化構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系;定義接收站水平極化平行于當(dāng)?shù)厮矫?,垂直于散射矢量,與垂直極化構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系,如圖3所示。
步驟二、設(shè)定發(fā)射站、接收站位置,給定目標(biāo)相對(duì)于發(fā)射站的位置和姿態(tài)角
設(shè)定雷達(dá)發(fā)射站位置經(jīng)緯高為(Lgt,Bgt,Hgt),接收站位置經(jīng)緯高為(Lgr,Bgr,Hgr),目標(biāo)在發(fā)射站直角坐標(biāo)系中的位置為(x0,y0,z0),對(duì)應(yīng)的俯仰和方位角為相對(duì)于雷達(dá)發(fā)射站直角坐標(biāo)系的偏航角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角分別為目標(biāo)在接收站中的俯仰和方位為(將目標(biāo)的發(fā)射站直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)地心直角坐標(biāo),然后轉(zhuǎn)接收站直角坐標(biāo),再轉(zhuǎn)球坐標(biāo)可得)。
步驟三、計(jì)算發(fā)射站在目標(biāo)坐標(biāo)系的位置
從雷達(dá)直角坐標(biāo)系到目標(biāo)直角坐標(biāo)系到變換矩陣Bbg,可表示如下:
則從雷達(dá)坐標(biāo)系到目標(biāo)坐標(biāo)系變換過程如下:
其中,(xb,yb,zb)為目標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo),(xg,yg,zg)為雷達(dá)直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo),(x0,y0,z0)為目標(biāo)在雷達(dá)直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。
特別地,雷達(dá)發(fā)射站在目標(biāo)坐標(biāo)系中的位置表示為:
其中,(xbt,ybt,zbt)為雷達(dá)發(fā)射站在目標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。
步驟四、計(jì)算電波入射俯仰角和方位角
根據(jù)雷達(dá)發(fā)射站在目標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)計(jì)算雷達(dá)發(fā)射站相對(duì)于目標(biāo)坐標(biāo)系的方位角(0~2π)和俯仰角θt(0~π),分別表示如下:
步驟五、計(jì)算接收站在發(fā)射站直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)
首先,通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以得到接收站位置在發(fā)射站直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(xgr,ygr,zgr),具體過程描述如下:將雷達(dá)發(fā)射站和接收站的經(jīng)緯高參數(shù)分別帶入式(5),則可以得到發(fā)射站和接收站的地心直角坐標(biāo)(xt0,yt0,zt0)和(xr0,yr0,zr0)。
其中,(x,y,z)為地心直角坐標(biāo),(L,B,H)對(duì)應(yīng)經(jīng)緯高,地球的長(zhǎng)半徑a=6378245m,扁率f=1/298.3,第一偏心率平方e2=0.0069342162297。
然后,將雷達(dá)接收站位置轉(zhuǎn)換到雷達(dá)發(fā)射站直角坐標(biāo)系中,公式如下:
其中,(xgr,ygr,zgr)為接收站在雷達(dá)發(fā)射站直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo),轉(zhuǎn)換矩陣記為B(Lgt,Bgt,Hgt)。
步驟六、計(jì)算電波散射俯仰角和方位角
首先,通過式(31)可以轉(zhuǎn)換得到接收站位置在目標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)
其中,(xbr,ybr,zbr)為接收站在目標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。
然后,計(jì)算接收站相對(duì)于目標(biāo)坐標(biāo)系的方位角和俯仰角θr,分別定義如下:
步驟七、計(jì)算極化旋轉(zhuǎn)角
在目標(biāo)坐標(biāo)系中,電波入射方向矢量為
其中,T表示取轉(zhuǎn)置。
電波散射方向矢量為
入射水平極化矢量表示為:
入射垂直極化矢量可表示為:
類似地,接收站散射水平極化矢量可表示為:
接收站散射垂直極化矢量可表示為:
發(fā)射站坐標(biāo)系中,電波傳播方向矢量表示為:
由此可得水平極化矢量可表示為:
根據(jù)式(31),將發(fā)射站坐標(biāo)系下的水平極化坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到目標(biāo)坐標(biāo)系,得
其中,為目標(biāo)坐標(biāo)系中的水平極化。
發(fā)射站坐標(biāo)系中,垂直極化矢量表示為:
根據(jù)式(31),將發(fā)射站坐標(biāo)系下的垂直極化坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到目標(biāo)坐標(biāo)系,得
其中,為目標(biāo)坐標(biāo)系中的垂直極化。
接收站坐標(biāo)系中,電波傳播矢量定義為:
則水平極化矢量可表示為:
垂直極化矢量表示為:
根據(jù)式(35),先將水平極化轉(zhuǎn)換到接收站地心直角坐標(biāo),再轉(zhuǎn)換到發(fā)射站直角坐標(biāo)中,再根據(jù)式(31),將發(fā)射站坐標(biāo)系下的水平極化坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到目標(biāo)坐標(biāo)系,得
其中,為目標(biāo)坐標(biāo)系中的水平極化的坐標(biāo),B-1(Lgr,Bgr,Hgr)表示矩陣B(Lgr,Bgr,Hgr)求逆,B(Lgr,Bgr,Hgr)將矩陣B(Lgt,Bgt,Hgt)參數(shù)(Lgt,Bgt,Hgt)對(duì)應(yīng)替換為(Lgr,Bgr,Hgr)。
類似地,接收站垂直極化在目標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)表示為:
其中,為目標(biāo)坐標(biāo)系中的垂直極化的坐標(biāo)。
那么對(duì)于發(fā)射站和接收站而言,在目標(biāo)坐標(biāo)系下,極化基分別繞著入射矢量和散射矢量有一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度Θt和Θr,分別計(jì)算如下:
步驟八、通過查表和插值,獲得電磁計(jì)算結(jié)果中的散射矩陣,并通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)獲得雙基地接收站測(cè)量的散射矩陣;
假定已經(jīng)獲得目標(biāo)全極化全空域的雙基地散射矩陣,記為PJ×K×L×M×N,其中J,K,L,M,N分別表示入射方位角、俯仰角,散射方位角、俯仰角以及極化類型。根據(jù)步驟四和步驟六獲得的入射方位角、俯仰角和散射方位角、俯仰角,查找到散射矩陣中角度最接近的值,然后利用相鄰的數(shù)據(jù)做線性插值得到對(duì)應(yīng)的散射矩陣。
假設(shè)計(jì)算得到的散射矩陣為則測(cè)量得到的散射矩陣為
其中,S2表示極化旋轉(zhuǎn)后的測(cè)量矩陣。
步驟九、連續(xù)計(jì)算散射矩陣序列得到動(dòng)態(tài)回波
更新步驟二中的雷達(dá)發(fā)射站、接收站、目標(biāo)位置和姿態(tài)參數(shù),重新計(jì)算上述步驟中的參數(shù)獲得測(cè)量得到的散射矩陣,構(gòu)成連續(xù)的動(dòng)態(tài)回波序列。
本發(fā)明的效果可以通過仿真實(shí)驗(yàn)加以說明,仿真條件設(shè)置如下:雷達(dá)發(fā)射站位置經(jīng)緯高為111°,33°,100m,接收站位置經(jīng)緯高為114°,34°,100m,目標(biāo)在雷達(dá)發(fā)射站直角坐標(biāo)系中水平直飛,雷達(dá)發(fā)射站直角坐標(biāo)系中的初始位置為(200,200,20)km,俯仰角為0°,滾轉(zhuǎn)角均為10°,偏航角為固定值180°,目標(biāo)速度2121m/s,雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)率為1Hz,觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)200秒。通過計(jì)算得到的入射俯仰角和方位角,散射俯仰角和方位角如圖4所示,查表并插值所得的四個(gè)極化通道原始數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)的幅度如圖5a~圖5d一種全極化雙基地雷達(dá)目標(biāo)動(dòng)態(tài)回波模擬方法,所示,可以看到經(jīng)過極化旋轉(zhuǎn)后的測(cè)量數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)存在較大差異。