專利名稱：一種船舶導航雷達信號仿真方法
技術領域：
本發(fā)明屬于民用船舶導航技術領域，其利用雷達技術、信號處理、計算機輔助設計技術、高頻電磁計算技術和計算機仿真技術等實現(xiàn)仿真多種船舶導航雷達系統(tǒng)、不同結構船舶、不同航行海情等級時船舶目標的回波，仿真的船舶目標回波信號能夠逼真地反映對象雷達的散射環(huán)境。
背景技術：
船舶導航雷達，通常安裝在港口船舶交通管理系統(tǒng)(VTS)中和船舶上，可以用于航行避讓、船舶定位、狹水道引航等目的，在能見度低時能夠為航海人員提供良好的觀察手段。盡管目前大多數船舶都安裝了先進的通信、導航、助航設備，但是各種各樣的事故仍然層出不窮。分析表明，大多數事故是由航海人員的人為因素和設備局限性所導致的。因此，如何培養(yǎng)出優(yōu)秀的航海人才成為航運界普遍關注的問題。傳統(tǒng)的方法是通過大量的外場出海訓練讓航海人員實踐掌握航行技能，但是這種途徑周期長、費用高、風險大。隨著計算機仿真技術的發(fā)展，航海雷達模擬器越來越受到人們的重視，它以其靈活、通用、高效和低成本等特點，顯著提高了航海人員的雷達導航能力，有效地減少了航海事故的發(fā)生，成為航海雷達研究的一個新的熱點。船舶導航雷達模擬器的核心組成部分是船舶導航雷達信號模擬器。以往的船舶導航雷達信號模擬器通常是通過理論分析得到雷達回波信號的數學模型，進而模擬雷達回波，經由這種仿真方法得到的雷達回波并不能表示出目標的散射、結構、方位以及距離特性，所提供的雷達回波與真實回波存在較大差異，對航海人員的訓練產生較大的影響。針對這一問題，研究了能夠提供真實反映目標特性以及雜波模型的船舶導航雷達信號模擬器。相關文獻請參閱:沈良.船舶導航雷達回波信號仿真研究[D].大連:大連海事大學，2007周雪峰.船舶導航雷達的回波研究與模擬[D].大連:大連海事大學，2008
發(fā)明內容
本發(fā)明能夠仿真出適用于船舶航行水域環(huán)境和船舶導航雷達實際工作環(huán)境下的雷達回波信號，生成不同體制船舶導航雷達、不同船舶結構、不同運動狀態(tài)、不同距離以及不同方位角條件下所對應的雷達回波信號，建立海上目標樣本庫，為船舶導航模擬器提供仿真雷達回波信號，為航海人員的教學和培訓提供豐富、真實、可靠的雷達回波信號源。雷達目標回波反映了目標的物理結構、材料特性，是確定目標身份和屬性的重要依據之一。計算機仿真模擬了目標的物理結構、電磁散射特性以及雷達的信號處理系統(tǒng)，所得回波準確反映了目標的物理結構等特性。為了實現(xiàn)船舶導航雷達信號模擬器，首先采用計算機輔助設計技術，建立海上船舶目標的三維CAD模型，然后利用高頻電磁計算方法對目標的雷達散射截面積進行預估，再對散射截面積進行處理得到目標的一維距離像，最后對雷達發(fā)射波形及得到的目標一維距離像進行卷積；根據目標運動的狀態(tài)，引入多普勒頻移因子；根據目標所處位置，引入距離衰減因子；加上海雜波模型，進行低通濾波得到最終得到船舶導航雷達仿真回波。本發(fā)明采用的技術方案如下:(I)建立船舶目標的三維CAD模型采用計算機輔助設計技術，建立船舶模型庫。首先需要搜集關于所建模型的詳細的幾何結構信息，可以通過相關專業(yè)船舶雜志和網絡資源提供的船舶設計線圖以及現(xiàn)場實拍等方式獲取船舶的真實圖片。根據所獲取的目標模型的線圖等比例的繪制模型，模型只需要反應船舶目標的大致結構不需要太精細。(2)建立船舶目標的一維距離像模板庫使用高頻電磁計算方法，依據雷達發(fā)射信號的頻率和帶寬設定高頻電磁計算方法的照射頻率，在每個姿態(tài)角下使用寬帶信號對建立的船舶目標三維CAD模型進行照射，利用電磁計算方法得到不同點頻下目標的頻域響應，然后使用逆傅里葉變換得到該姿態(tài)角下的一維距離像。一維距離像依賴于姿態(tài)角的變化，如果目標相對雷達的方向發(fā)生變化，所得一維距離像也將隨之改變，因此建立目標全姿態(tài)角的一維距離像模板庫，以此來獲得目標各個角度的雷達回波。(3)建立船舶目標的仿真回波樣本庫假設分別用2DjP 21^表示目標在坐標系中的橫向尺寸與縱向尺寸，用σ (x，y)表示目標在坐標(x，y)處的散射強度。根據目標散射的特點，第η個脈沖相對于發(fā)射功率和距離的歸一化目標回波為:
權利要求
1.一種船舶導航雷達信號仿真方法，其特征包括如下步驟， (1)建立船舶目標的三維CAD模型； (2)建立船舶目標的一維距離像模板庫 使用高頻電磁計算方法，依據雷達發(fā)射信號的頻率和帶寬設定高頻電磁計算軟件的照射頻率，在每個姿態(tài)角下使用寬帶信號對建立的船舶目標三維CAD模型進行照射，利用電磁計算軟件得到不同點頻下目標的雷達散射截面積，然后使用逆傅里葉變換得到該姿態(tài)角下的一維距離像； (3)建立船舶目標的仿真回波樣本庫 假設分別用20 和21^表示目標在坐標系中的橫向尺寸與縱向尺寸，用σ (x，y)表示目標在坐標(X，y)處的散射強度；G(0)表示天線方向圖函數，近似為常數，記作G; 0x y為坐標(x，y)與天線波束中心的夾角，Ttl為目標幾何中心到雷達的雙程延遲，Ty為坐標(x，y)到目標幾何中心的雙程延遲；
全文摘要
本發(fā)明屬于民用船舶導航技術領域，涉及一種船舶導航雷達信號仿真方法。首先采用計算機輔助設計技術，建立海上船舶目標的三維CAD模型，然后利用高頻電磁計算軟件對目標的雷達散射截面積進行預估，再對散射截面積進行處理得到目標的一維距離像，最后對雷達發(fā)射波形及得到的目標一維距離像進行卷積；根據目標運動的狀態(tài)，引入多普勒頻移因子；根據目標所處位置，引入距離衰減因子；加上海雜波模型，進行低通濾波得到最終得到船舶導航雷達仿真回波。本發(fā)明提供了與真實雷達回波信號在多種特征空間上相似度高的導航雷達船舶目標回波樣本庫，能夠為導航雷達和航海人員的教學和培訓提供雷達回波信號源。
文檔編號G06F17/50GK103093057SQ201310043778
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月3日 優(yōu)先權日2013年2月3日
發(fā)明者邱天爽, 朱勇, 于松濤, 孔慶田, 劉璇, 李小兵, 劉惠, 唐洪, 劉蓉, 馬征 申請人:大連理工大學