7第五章(回波模型2)

XIDIAN University雷达系统仿真与性能评估2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P2第一章：系统仿真技术；第二章：雷达发射机建模与仿真；第三章：雷达天线建模与仿真；第四章：雷达接收机建模与仿真；第五章：雷达回波建模与仿真；——回波模型2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P3第六章：雷达信号处理建模与仿真；第七章：雷达数据处理建模与仿真；第八章：雷达系统建模与性能评估；2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P4收发转换开关天线发射的电磁波散射的电磁波目标雷达接收机信号处理机数据处理机终端显示雷达发射机雷达回波建模与仿真－回波模型视频回波信号2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P5雷达回波建模与仿真－回波模型雷达回波信号的统一数学模型：()()()()()expexp2()atcrtPAtjtjfthtwtφπ⎡⎤⎡⎤=⋅⋅⋅⊗+⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦inout2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P6雷达回波建模与仿真－回波模型雷达回波信号的统一数学模型：()()(){}()()expexp2()exp2tccPAtjtjfthtjftntφππ⎡⎤⎡⎤=⋅⋅⋅⊗⋅−+⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦inout()()()(){}()()()expexp2()exp2tccrtPAtjtjfthtwtjftntφππ⎡⎤⎡⎤=⋅⋅⋅⊗+⋅−⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦+2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P7雷达回波建模与仿真－回波模型雷达回波信号的统一数学模型：(),,1()MtmmmrmPmhtGttGLδτσ=⎡⎤=⋅−Δ⋅⋅⋅⎢⎥⎣⎦∑发射电磁波传播响应函数：()2mmtRCτΔ=()()2mmmtRvtCτΔ=−静止目标：运动目标：2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P8雷达回波建模与仿真－回波模型雷达回波信号的统一数学模型：()()()(){}()()()expexp2exp2tccrtPAtjtjfthtjftntφππ⎡⎤⎡⎤=⋅⋅⋅⊗⋅−+⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦()()()()()1,,expexp2MtmmcmmmtmrmPPAttjttjftGGLntτφτπτσ=⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⋅−Δ⋅−Δ⋅−Δ⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⋅⋅⋅⋅+∑()()exp2exp4cmmmjftjRvtπτπλ⎡⎤⎡⎤−Δ=−−⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P9雷达回波建模与仿真－回波模型雷达回波信号的统一数学模型：(),,1()MtmmmrmPmhtGttGLδτσ=⎡⎤=⋅−Δ⋅⋅⋅⎢⎥⎣⎦∑发射电磁波传播响应函数：天线增益目标后向散射截面积传播衰减2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P10雷达回波建模与仿真－回波模型雷达回波信号的统一数学模型：max24eAGπλ=天线主瓣最大增益:天线主瓣半功率波束宽度:3dBDλθξ=⋅天线功率方向图:()()()2maxsin2sin2rrdBadBGGccθθθθθ=⋅⋅2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P11雷达回波建模与仿真－回波模型雷达回波信号的统一数学模型：低旁瓣天线功率方向图仿真:幅度加权密度加权()22211(sin)max00()sin2NNjkdkrdBkkGEEeGcπβϕλθθθ−−−=====⋅∑∑22211(sin)00()NNjkdkkkkkGWEEWeπβϕλθ−−−===⋅=⋅∑∑2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P12雷达回波建模与仿真－回波模型雷达回波信号的统一数学模型：传播衰减:大气损耗:功率稀释:频率越高损耗越大频率较低的频段不予考虑(3GHz以下可忽略)频率较高的频段选择性的考虑214onewayLRπ−=()2414twowayLRπ−=ALPAtwowayLLL−=⋅2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P13雷达回波建模与仿真－回波模型雷达回波信号的统一数学模型：决定目标后向散射截面积RCS的因素：目标表面材料介电常数雷达波长（工作频率）目标外形雷达极化方式视角2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P14雷达回波建模与仿真－回波模型雷达回波信号的统一数学模型：2rπλ4λ−气象颗粒大部分雷达2rπλ反隐身雷达2rπ金属球RCS与波长间的关系2rπλ≈5.6dB2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P15雷达回波建模与仿真－回波模型雷达回波信号的统一数学模型：复杂目标RCS模型目标RCS随随空间和时间变化而起伏尺寸较大（光学区），结构复杂（可分解为许多独立散射体）飞机、舰船等绝大部分雷达探测目标[]2exp2kckkjfσσπτ=⋅−Δ∑2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P16雷达回波建模与仿真－回波模型雷达回波信号的统一数学模型：复杂目标RCS模型目标RCS随空间视角变化而起伏运动目标RCS随时间推移而起伏散射截面积的概率密度函数2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P17雷达回波建模与仿真－回波模型雷达回波信号的统一数学模型：目标RCS起伏模型Swerling-I模型:假定目标的RCS在一个扫描周期或相干处理周期内是恒定的，而在不同的扫描周期或相干处理周期目标的RCS是不相关的。（慢起伏）()1expPσσσσ⎛⎞⎟⎜=−⎟⎜⎟⎟⎜⎝⎠2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P18雷达回波建模与仿真－回波模型雷达回波信号的统一数学模型：目标RCS起伏模型Swerling-II模型:假定目标的RCS在不同的脉冲重复周期之间是不相关的。（快起伏）()1expPσσσσ⎛⎞⎟⎜=−⎟⎜⎟⎟⎜⎝⎠2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P19雷达回波建模与仿真－回波模型雷达回波信号的统一数学模型：目标RCS起伏模型Swerling-III模型:()242expPσσσσσ⎛⎞⎟⎜=−⎟⎜⎟⎟⎜⎝⎠假定目标的RCS在一个扫描周期或相干处理周期内是恒定的，而在不同的扫描周期或相干处理周期目标的RCS是不相关的。（慢起伏）2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P20雷达回波建模与仿真－回波模型雷达回波信号的统一数学模型：目标RCS起伏模型Swerling-IV模型:()242expPσσσσσ⎛⎞⎟⎜=−⎟⎜⎟⎟⎜⎝⎠假定目标的RCS在不同的脉冲重复周期之间是不相关的。（快起伏）2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P21雷达回波建模与仿真－回波模型雷达回波信号的统一数学模型：目标RCS起伏模型大量近似相等的散射体Swerling-I模型一个强散射体和若干小散射体Swerling-II模型Swerling-III模型Swerling-IV模型高速目标/低PRF低速目标/高PRF2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P22雷达回波建模与仿真－回波模型雷达回波信号的统一数学模型：复杂目标RCS仿真通常为了估算雷达的作用距离，采用目标在各个方向上的RCS的均值或者中值来作为其散射截面积。为了仿真目标回波强弱对信号处理的影响，需根据目标在各个方向上的RCS的均值或者中值代入相应的目标起伏模型中，生成一族随时间变化的RCS值。功能级仿真信号级仿真2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P23雷达回波建模与仿真－回波模型雷达回波信号的统一数学模型：地面RCS模型()02Dσσθ=⋅Ω2DraρρΩ=⋅aaRρθ=⋅地面散射系数模型雷达的波长、极化地面的高度起伏、介电常数等波束入射角入射角越大散射系数越小0σβ平面散射布拉格散射布拉格散射模型2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P24雷达回波建模与仿真－回波模型雷达回波信号的统一数学模型：海面RCS模型0sinσγφ=101010log610log64BKγλ=−−海面后向散射系数模型雷达的波长海况()02Dσσθ=⋅Ω2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P25雷达回波建模与仿真－回波模型矩形窄带脉冲串()Re()ctrPnstPrecttnTT+∞=−∞⎡⎤=⋅−⋅⎢⎥⎣⎦∑()()[]{},1()2MtmtmrmPmmrmPnrtPGGLrecttnTRCTσθθ=+∞=−∞=⋅⋅⋅⋅⋅−⋅−∑∑()()[]{}[](),1()2exp4exp22MtmtmrmPmmrmPmnrtPGGLrecttnTRCTjRjvtσθθπλπλ=+∞=−∞=⋅⋅⋅⋅⋅⎡⎤−⋅−⋅−⋅⋅⎢⎥⎣⎦∑∑v2dfvλ=[]exp4mjRπλ⋅−静止目标运动目标2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P26雷达回波建模与仿真－回波模型线性调频脉冲串()(),1()MtmtmrmPmmrtPGGLσθθ==⋅⋅⋅⋅∑()()[]{}()()[](),12()2exp22exp4exp22MtmtmrmPmrmPmnPmmmrtPGGLrecttnTRCTjKtTRvtCjRjvtσθθππλπλ+∞==−∞=⋅⋅⋅⋅⋅−⋅−⎡⎤⎡⎤⋅−−−⋅−⋅⋅⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦∑∑()()2()exp2LFMrPPnstrecttnTTjKtTπ+∞=−∞⎡⎤⎡⎤=−⋅⋅−⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦∑[]{}()[]22exp22exp4rmPPmnmrecttnTRCTjKtTRCjRππλ+∞=−∞⎡⎤⋅−⋅−⋅−−⎢⎥⎣⎦⋅−∑静止目标运动目标2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P27雷达回波建模与仿真－回波模型三角波调频连续波()2(1)()exp(0.5)rnrnrtnTstrectjKtnTTπ+∞=−∞⎡⎤−−⋅⎡⎤⎢⎥=⋅−−⋅⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦∑;;rnrBTnoddKBTneven⎧=⎪⎪=⎨⎪−=⎪⎩()()()[],12(1)()exp(0.5)2exp4MrtmtmrmPmmnrnrmmtnTrtPGGLrectTjKtnTRCjRσθθππλ+∞==−∞⎡⎤−−⋅⎢⎥=⋅⋅⋅⋅⋅⎢⎥⎣⎦⎡⎤⋅−−⋅−⋅−⎢⎥⎣⎦∑∑()()()[](),12(1)()exp(0.5)2exp4exp22MrtmtmrmPmmnrnrmmtnTrtPGGLrectTjKtnTRCjRjvtσθθππλπλ+∞==−∞⎡⎤−−⋅⎢⎥=⋅⋅⋅⋅⋅⎢⎥⎣⎦⎡⎤⋅−−⋅−⋅−⎢⎥⎣⎦⎡⎤⋅⋅⎢⎥⎣⎦∑∑静止目标运动目标2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P28雷达回波建模与仿真－回波模型目标分类：空中目标地面目标海面目标雷达分类：地面雷达机载/星载雷达舰载雷达2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P29雷达回波建模与仿真－回波模型地面雷达空中目标（1）主瓣回波:地杂波目标（2）旁瓣回波：地杂波接收回波构成：2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P30雷达回波建模与仿真－回波模型空中目标地面雷达接收回波模型：()()()()rtstctnt=++()()()()()()1,()expexp2MtmmcmmmtmrmPmstPAttjttjftGGLτφτπτσθθ=⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⋅−Δ⋅−Δ⋅−Δ⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⋅⋅⋅⋅∑目标杂波噪声()0()0,nntNkBTF⋅⋅⋅∼2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P31雷达回波建模与仿真－回波模型空中目标地面雷达接收回波模型：()()()()()()1,()expexp2MtmmcmmmtmrmPmctPAttjttjftGGLτφτπτσθθ′=⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⋅−Δ⋅−Δ⋅−Δ⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⋅⋅⋅⋅∑地杂波信号模型一个雷达分辨单元内的地面可以分解为大量幅度和相位均独立的随机散射体地杂波概率模型2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P32雷达回波建模与仿真－回波模型地面雷达接收回波模型：地杂波概率模型1.瑞利分布模型2002()()()expctctfctcc⎛⎞−⎟⎜⎟⎡⎤⎜=⎟⎜⎢⎥⎟⎣⎦⎜⎟⎟⎜⎝⎠()002trDcGGσθ=⋅⋅⋅Ω2DraρρΩ=⋅aaRρθ=⋅0