專利名稱：無線電探測器的動態場景回波仿真方法
無線電探測器的動態場景回波仿真方法技術領域
本發明屬于無線電探測器的回波仿真技術，主要涉及空間工作場景的構造、動態場景的實現方法、以及相應的動態場景回波仿真技術。
背景技術：
無線電探測器是一種短距離回波探測器，具有和雷達相似的工作原理和技術，但其有效的探測范圍、天線波束寬度、數據處理方法等與雷達具有很大的不同，無法用目標的雷達截面積(RCS)計算其回波信號的強度，實際中的目標回波信號與目標的形狀、距離及其與探測器的相對方位有關。然而，目標的回波信號對探測器研制過程中的系統設計及測試至關重要，而實物仿真獲得的回波數據，受實際仿真目標的精度和環境影響較大，實用性較差。因此，本發明給出了一種利用當前的計算機技術實現無線電探測器動態場景下的回波仿真方法，以解決當前回波仿真方法中精度差、通用性不高及計算量大的問題。發明內容
本發明結合無線電探測器的實際工作過程，給出利用空間建模軟件構造無線電探測器工作場景的方法及技術要求，提出了一種動態場景的實現方法及其相應的零中頻回波信號仿真方法，實現了無線電探測器的動態場景回波仿真。
本發明的整體技術創新體現在以下幾個方面
1.根據無線電探測器的工作頻率、目標與探測器的相對距離、回波仿真精度，確定了場景物體基本散射單元的大小，給出了場景物體的構造方法及其散射單元的劃分方法；
2.本發明將由空間建模軟件構造的工作場景模型轉換了相應的數據模型與顯示模型，其中數據模型用于回波仿真計算，而顯示模型用于動態的場景顯示。通過給定每個仿真時刻的物體位置信息，并該信息及時更新到數據模型與顯示模型的相應物體，實現了無線電探測器回波仿真中的動態場景。
3.通過建立無線電探測器發射機與接收機間的差頻信號模型，本發明綜合考慮無線電探測器工作的所有工作體制，提出了一種通用性較強的零中頻回波信號仿真方法。
圖1是無線電探測器的工作過程。
圖2是基本散射單元。
圖3是動態場景回波仿真方法流程圖。
圖4是動態場景回波仿真系統的實現框圖。
具體實施方式
無線電探測器的工作過程為調制信號對高頻本振信號調制，獲得高頻振蕩電信號，經過射頻電路后通過天線發射電磁波，遇到目標發生后向散射，并由探測器接收天線接收并激發相應的高頻電信號，再由高頻本振信號混頻，經過濾波得到差頻信號，而差頻信號正是所需要仿真的信號。因此，無線電探測器的回波信號仿真實質上為對其接收差頻信號的仿真，其中需要涉及發射信號、高頻電流、電磁波等的仿真，如圖1所示。而其相應的高頻信號仿真過程為由高頻電流的瞬時功率和天線方向圖，得到空間散射點的能量密度，再由物體的后向散射特性得到每個散射點在接收天線上的能量密度，根據接收天線的面積及天線方向圖計算接收機接收到每個散射點的回波能量，最后將這些散射點的回波能量疊加在一起，獲得接收機接收到的能量，進而將接收到的能量轉換為相應的高頻電流。實際上，由于高頻信號頻率過高導致其離散化的數字仿真實現起來很困難。為了降低回波仿真的難度，本發明建立了發射機調制信號和接收機差頻信號之間的信號關系，提出了無線電探測器回波仿真的零中頻信號仿真方法，從而避免了高頻電流信號的仿真，減少了無線電探測器的回波仿真計算量。然而，無線電探測器的回波仿真僅僅考慮發射機與接收機之間的信號關系是不足的，實際還涉及到探測器與工作場景目標間的相對運動位置關系。因此，無線電探測器的回波仿真需要實現的是探測器在實際工作場景中的回波信號仿真，即動態場景的回波仿真。 接下來，本發明先給出了空間場景模型的構造方法及其散射單元劃分方法、動態場景實現方法、無線電探測器的零中頻回波仿真方法，最后給出無線電探測器的動態場景回波仿真方法。(1)空間場景建模及散射單元劃分方法利用常用空間建模軟件構造無線電探測器的工作場景，是本發明實現動態場景回波仿真的重要環節。場景模型的構造過程需要設置場景物體的散射單元劃分精度、材質電參數、后向散射特性、對象類型、是否活動物體等諸多方面的信息，這些信息均是回波仿真方法實現時所需要的，缺一不可。而場景物體的散射單元劃分方法，直接涉及到其實際目標的建模精度，影響到無線電探測器回波仿真的精確度，是場景建模的重要參數。根據無線電探測器的相關理論，目標物體可看作由于大量的基本散射單元組成， 這些基本散射單元可當作點目標來處理。實際中，常用空間建模軟件(如3ds MAX)將物體的表面建模成大量的三角形面片。本發明將組成場景物體模型的三角形面片看作該物體的散射單元，并將三角形面片的內接圓半徑作為衡量三角形面片的幾何大小。在場景物體建模時，最大三角形面片的幾何尺度決定最終建模的精度，其大小需依據目標與探測器的距離、工作頻率及仿真精度等來確定，則空間散射單元的最大尺寸可由下面的確定方法給出。如圖2所示，設發射機0到散射單元重心點C的距離為r，C為線段AB的中點，AC
的長度為X，OA和OB的長度分別為^和r2，貝丨= + 0，而ZOC4 = 沒，并且電
磁波入射方向和平面法線的夾角9，滿足0< θ ^ π/2。根據三角形的余弦定理，可得OA 和OB之間的路徑差為Ar = \r2 - r|t = ^r2 + χ2 - 2rx cos (π/2 + 0) - ^jr2 +χ2 -Irxcos^ / 2-θ)(1)同時，假設電磁波的頻率為f，電磁波在媒質中的相位常數為β，對于由波源0到 OA和OB的前向波來說，當電磁波傳播分別到達OA和OB時，兩者之間的波相位差為
Αφ = β-Ar(2)
其中β=2π/λ且λ為電磁波的波長。
根據電磁波散射理論的Rayleigh準則，若兩條反射線之間的相位差小于π/2， 可認為該表面是光滑的。由此，若三角形面片上兩點反射波達到接收機的波程相位差小于 JI /2，則可將這兩個點看作同一個反射點。從上述幾何關系中，若將A和B看作同一個散射點，則有
權利要求
1.一種無線電探測器動態場景回波仿真方法，包括(1)工作場景建模及散射單元劃分，包括利用空間建模軟件構造探測器的工作場景 s，設定場景對象的對象類型、是否存在活動物體、其材質的電導率、磁導率、介電常數和后向散射系數參數、以及場景建模面片的外接圓最大尺度1，由下式給定I < min< — ,rs >J其中λ為探測器工作波段的波長，r是探測器的最短探測距離，ε是使兩個點輻射源可看作一個點源時的探測器最小夾角弧度，算子min ( ·)表示兩個數值的最小值；(2)工作場景的格式轉換將場景模型s轉換成相應的空間數據場景si及相應的虛擬現實場景s2，前者si用于計算回波信號強度，后者s2用于動態場景的顯示；(3)散射單元功率計算工作場景散射單元的總數量為N，則在時間t，探測器與散射單元i間的距離為rji = 1,2,…，N)、探測信號在散射單元i平面上的入射角為Φρ探測器的發射功率為Prad，其數值等于探測發射強度x(t)的平方，由下面公式計算探測器收到該散射單元i的散射功率已(i)，即S1 cos^PradG(θ,,φ,)其中,釣；)為散射單元i所在天線方位⑷，vO的增益，Si為散射單元i的面積，θ i為散射單元i與天線水平坐標平面之間的夾角，釣為散射單元i與天線垂直坐標平面之間的夾角；(4)高頻電流幅度計算根據探測器收發天線的增益G、輸入電阻Iiin、輻射電阻Rrad、 損耗電參數，計算場景散射單元i的回波功率pji)在天線上激發的高頻電流強度 I(i)；(5)由探測器接收到散射單元i的回波信號強度I(i)，根據下面的公式計算該散射單元i的回波信號v。(t，i)，即1 L \ c Jc其中fpm(t)是發射機的調相信號，ffffl(t)是調頻信號，r(t)是探測器和目標的距離，c 是電磁波的波速，t' =t-2r(t)/Co最后，將所有散射單元的回波信號ν。(t，i)疊加起來， 獲得探測器在時間t時接收到回波信號V。(t)；(6)在時間t+Δ t時刻，根據探測器和場景物體的運動參數，給定其空間數據場景si和顯示場景s2中的位置，實現場景si與場景s2的同步，再按步驟3-5計算探測器在t+At 時刻的回波信號ν。(t+At)；(7)最后，將步驟3-6按仿真時間隔At持續下去，實現動態場景的回波仿真，具有動態場景顯示和回波信號顯示功能。
2.根據權利要求1所述的無線電探測器動態場景回波仿真方法步驟1中，用散射單元的最小外接圓直徑1作為散射單元劃分精度的指標；散射單元劃分的形狀沒有限制，可劃分成三角形、四邊形或其他多邊形；其最小外接圓直接徑1的大小，需要考慮到探測器的工作頻率、目標與探測器的相對距離、信號仿真精度因素，將所有散射單元當作點目標處理。
3.根據權利要求1所述的無線電探測器動態場景回波仿真方法步驟2可分兩個步驟實施(1)由場景模型s的物體對象及其空間幾何數據在空間立體建模軟件中的組織結構，將整個場景中的物體對象及其空間幾何數據、坐標系統及相應的坐標變換矩陣導出，獲得空間數據場景sl，該場景用于計算每個仿真時刻的回波信號；( 由空間建模軟件的虛擬現實導出工具，直接將工作場景轉換為虛擬顯示的場景s2，該場景可由大多的虛擬現實瀏覽器查看。
4.根據權利要求1所述的無線電探測器動態場景回波仿真方法，其中回波信號計算是一種零中頻的回波計算，具體為(1)將無線電探測器的發射信號看作由三種fam(t)、 fpm(t)和ffm(t)調制信號構成，即幅度調制信號fam(t)、相位調制信號fpm(t)和頻率調制信號ffm(t)，實際探測器發射功率是由幅度調制信號fam(t)確定，而相位調制信號fpm(t)和頻率調制信號ffm(t)僅影響發射信號的相位；( 該公式由探測器收發信號間的函數關系得到，考慮了調制發射信號上變頻和接收信號下頻的實現過程C3)考慮了探測信號的工作場景中傳播過程，是具體場景的信號仿真計算。
全文摘要
本發明公開了一種無線電探測器的動態場景回波仿真方法。該方法利用三維物體建模軟件構造無線電探測器的工作場景，根據無線電探測器的零中頻回波信號仿真方法，設定場景中各物體的動態狀態或軌跡，實現無線電探測器在動態場景情況下的回波信號仿真。本發明的突出特點是具有很好的通用性，利用空間建模軟件可構造任意復雜度的工作場景和目標，無線電探測器的零中頻回波仿真方法綜合考慮了探測器所有可能的工作體制，僅需要設定其工作頻率、天線參數、場景物體表面的電參數及其運動參數，即實現無線電探測器的動態場景回波仿真系統。同時，本發明所給出的動態場景回波仿真方法，具有仿真計算量小、執行速度快的優點。
文檔編號G01S7/41GK102495401SQ20111040470
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月28日 優先權日2011年11月28日
發明者盧照敢, 康國磊, 張亞東, 張永麗, 李淑紅, 楊少勇, 袁潤明, 趙太飛, 魏慶 申請人:河南財經政法大學, 西安理工大學, 鄭州輕工業學院