基于simulink的高速平台雷达回波信号模拟系统的制作方法

本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种雷达回波信号模拟系统，可用于雷达系统设计、sar系统性能的验证与评估。

背景技术：

合成孔径雷达sar是一种现代高分辨的微波成像雷达，已被广泛应用于各个领域，而在sar系统的研发过程中，雷达回波数据对于成像算法的研究、雷达系统参数的设计、sar系统性能的验证与评估具有极其重要的作用。但是sar系统十分复杂，在实际应用时将会面临各种已知、复杂甚至未知、极端的情况和外界条件，因而，在整个系统的研发与研制阶段需要结合大量的回波数据对各个系统参数进行设计、修正，对算法进行优化、改进。如此巨大的回波数据量如果仅依靠将sar挂载到实际的飞行装置，如飞机、卫星进行实测来获取，成本和安全性都是很大的问题，且容易出现误差。而sar回波仿真模拟技术的出现与发展，为sar系统的研发与研制带来很大的便利。

回波模拟技术的应用，极大的降低了sar系统的研发成本，在sar的研发过程中，随时都可以对各个模块进行测试与调试，而不用等到整机制成后进行挂载测试，而且，通过回波模拟技术能得到各种各样的场景雷达回波，能在很大程度上提高sar的可靠性。

目前，国内外sar回波模拟已取得很多成果，有纯理论模型、半实物模拟系统、计算机软件模拟、纯硬件平台实现fpga和dps。但是不同模型、系统都存在不足之处，或计算量过大尤其是针对大场景，或硬件系统过于庞大，且对自然场景的回波模拟支持较差。

1978年，堪萨斯大学的v.h.kaupp和j.c.holtaman等人研制出一种名叫ris的ku雷达模拟器，该模拟器基于点散射模型，能模拟出多种不同类型的场景，但因后向散射系数数据受限，并未广泛使用。

2004年，mori等人提出一种基于时域算法的多工作模式sar回波模拟器，能模拟出多种非理想情况下的原始回波信号，但在场景过大的情况下，计算量较大。

2006年，清华大学的于明成等人提出一种基于逆波数域算法的sar原始回波信号模拟方法，该方法通过对光学图像处理，得到场景后向散射系数，然后通过波数域算法反演得出原始回波信号，该方法的仿真效率虽说较高，但是在平台抖动、运动轨迹偏移这些非理想情况下，模拟精度较低。

2010年，美国公司mistral研制出一款新的sar回波模拟器rts-rf，系统功能多样，人机交互便捷，但是硬件系统过于庞大，且对自然场景的回波模拟支持较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述雷达回波模拟技术存在的不足，提出一种基于simulink的高速平台雷达回波信号模拟系统，以模拟出不同雷达工作模式、不同外界环境、不同目标场景下的雷达回波信号，且在保证精度的前提下，摆脱庞大的硬件系统，减少计算量，提高回波模拟的效率。

为实现上述目的，本发明的技术方案是通过simulink生成不同模块，其特征在于，所生成的模块包括：

prt同步模块,用于完成同步脉冲产生，并输出到各个模块，对整个系统的时钟进行同步；

雷达脉冲信号发射模块，用于接收prt同步脉冲输入，生成雷达脉冲发射信号，并将该雷达脉冲发射信号输出至回波生成模块；

雷达轨迹导入模块，用于在prt同步脉冲的控制下，读取雷达轨迹文件信息，并将读取的雷达轨迹信息分别输出至波束中心计算模块、子场景截取模块、天线方向图计算模块和系统函数计算模块；

波束中心计算模块，用于在prt同步脉冲的控制下，根据输入的雷达和当前模式标示位，更新波束中心在场景图中的像素点坐标信息，并将波束中心坐标信息分别输出至子场景截取模块、天线方向图计算模块和系统函数计算模块；

子场景截取模块，用于在prt同步脉冲的控制下，根据雷达不同模式的不同波束照射方式和输入的波束中心坐标、雷达轨迹信息，从导入的大场景中截取成像的子场景，并将该子场景的数据分别输出至天线方向图计算模块和系统函数计算模块；

天线方向图计算模块，用于在prt同步脉冲的控制下，根据输入的雷达轨迹信息、波束中心坐标信息、子场景大小、接收波束偏置角度、距离向及方位向分辨率、天线波束宽度，计算子场景中各点的天线增益，并将结果输出至系统函数计算模块；

系统函数计算模块，用于在prt同步脉冲的控制下，根据输入的雷达位置、波束中心坐标、子场景数据、天线方向图、回波的起始距离门信息，利用同心圆算法，计算回波的系统函数，并将该系统函数输出至回波生成模块；

回波生成模块，用于将雷达脉冲发射信号与系统函数进行卷积，并在prt同步脉冲的控制下，生成原始回波信号，并将结果输出至延时和距离门选通模块；

延时和距离门选通模块，用于在prt同步脉冲的控制下，使回波数据以“流”的方式输出，从而更好地模拟雷达回波信号流。

本发明具有如下优点：

1.本发明由于是基于simulink进行模块化、层次化设计，系统构建相对简单，且功能庞大，即可根据输入的sar模式标识符、导入的雷达轨迹信息文件和目标场景，方便灵活地模拟出不同雷达工作模式、不同外界环境、不同目标场景下的雷达回波信号；

2.本发明由于采用同心圆算法计算回波的系统函数，可在保证精度的前提下，摆脱庞大的硬件系统，减少计算量，有较高的回波模拟效率。

附图说明

图1是雷达回波信号模拟系统框图；

图2是在simulink中生成雷达回波信号模拟系统的流程图；

图3是使用本发明系统模拟雷达回波信号的流程图；

图4是正侧视下利用成像算法进行点目标成像的示意图；

图5是本发明中系统函数计算模块利用同心圆算法生成回波系统函数的几何模型。

具体实施方式

以下参照附图对本发明作进一步详细描述：

目前，国内外sar回波模拟已取得很多成果，有纯理论模型、半实物模拟系统、计算机软件模拟、纯硬件平台实现fpga和dps。本发明是利用simulink对雷达回波信号模拟系统进行模块化设计。

simulink作为matlab中一个可视化仿真工具，它提供的动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，无需编写冗长的程序，通过简单直观的界面操作就能构造出复杂的系统，被广泛用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。

本发明利用simulink进行系统构建的流程如图2所示。首先，通过m脚本定义导引头系统所需要的基本参数，然后在simulink中构建各个模块的模型，设置输入、输出端口，实现各个模块的功能，再调用s函数对各个模块进行封装，生成参数设置界面，最后将各个模块中对应的输入、输出端口相连接，生成雷达回波信号模拟系统，如图1所示。

参照图1，本发明利用simulink生成的雷达回波信号模拟系统，包括prt同步模块1、雷达脉冲信号发射模块2、雷达轨迹导入模块3、波束中心计算模块4、子场景截取模块5、天线方向图计算模块6、系统函数计算模块7、回波生成模块8以及延时和距离门选通模块9，其中：

prt同步模块1,用于完成同步脉冲产生，并输出到各个模块，对整个系统的时钟进行同步；

雷达脉冲信号发射模块2，用于接收prt同步脉冲输入，生成雷达脉冲发射信号，并将该雷达脉冲发射信号输出至回波生成模块8；

雷达轨迹导入模块3，用于在prt同步脉冲的控制下，读取雷达轨迹文件信息，并将读取的雷达轨迹信息分别输出至波束中心计算模块4、子场景截取模块5、天线方向图计算模块6和系统函数计算模块7；

波束中心计算模块4，用于在prt同步脉冲的控制下，根据输入的雷达和当前模式标示位，更新波束中心在场景图中的像素点坐标信息，并将波束中心坐标信息输出至子场景截取模块5、天线方向图计算模块6和系统函数计算模块7；

子场景截取模块5，用于在prt同步脉冲的控制下，根据雷达不同模式的不同波束照射方式和输入的波束中心坐标、雷达轨迹信息，从导入的大场景中截取成像的子场景，并将该子场景的数据输出至天线方向图计算模块6和系统函数计算模块7；

天线方向图计算模块6，用于在prt同步脉冲的控制下，根据输入的雷达轨迹信息、波束中心坐标信息、子场景大小、接收波束偏置角度、距离向及方位向分辨率、天线波束宽度，计算子场景中各点的天线增益，并将结果输出至系统函数计算模块7；

系统函数计算模块7，用于在prt同步脉冲的控制下，根据输入的雷达位置、波束中心坐标、子场景数据、天线方向图、回波的起始距离门信息，利用同心圆算法，计算回波的系统函数，并将该系统函数输出至回波生成模块8；

回波生成模块8，用于将雷达脉冲发射信号与系统函数进行卷积，并在prt同步脉冲的控制下，生成原始回波信号，并将结果输出至延时和距离门选通模块9；

延时和距离门选通模块9，用于在prt同步脉冲的控制下，使回波数据以“流”的方式输出，从而更好地模拟雷达回波信号流。

参照图3，使用本发明系统模拟雷达回波信号的过程如下：

过程1，prt同步模块1从仿真交互界面读取各种模式下的雷达工作频率、采样频率、发射信号脉宽、发射信号带宽、脉冲重复时间及发射脉冲个数，输出prt同步信号prttrigger至各个模块，并将雷达工作模式的标示符frametrigger输出至波束中心计算模块。

过程2，雷达脉冲信号发射模块2接收prt同步脉冲输入，检测上升沿，当上升沿来临时，生成基带线性调频信号lfm，并按照脉冲重复周期prt输出na个lfm脉冲信号至回波生成模块8；

所述生成基带线性调频信号lfm表达式如下：

其中，t为快时间，tm为慢时间，tp为lfm信号脉宽，fc为载波频率，kr为线性调频率；

过程3，雷达轨迹导入模块3接收prt同步脉冲输入触发，检测上升沿，当上升沿来临时，读取轨迹文件信息，更新雷达位置、速度、加速度、入射角、速度矢量与波束在地面投影夹角以及带误差的雷达位置信息，并将结果输出至波束中心计算模块4、子场景截取模块5、天线方向图计算模块6和系统函数计算模块7。

过程4，波束中心计算模块4接收prt同步脉冲输入触发，检测上升沿，当上升沿来临时，输入雷达的位置、速度、目标位置坐标、当前模式标示位，计算波束中心在场景图中的像素点坐标信息，并将结果输出至子场景截取模块5、天线方向图计算模块6和系统函数计算模块7。

过程5，子场景截取模块5根据雷达不同模式的不同波束照射方式，输入波束中心坐标、雷达位置坐标，并由prt同步触发，从导入的大场景中截取出成像的子场景，再将数据输出至天线方向图计算模块6和系统函数计算模块7。

过程6，天线方向图计算模块6输入雷达位置信息、波束中心在大场景中的像素点坐标信息、子场景大小、接收波束偏置角度、距离向及方位向分辨率、天线波束宽度，并接收prt同步脉冲输入触发，检测上升沿，当上升沿来临时，计算子场景中各点的天线增益，并将结果输出至系统函数计算模块7。

所述计算子场景中各点的天线增益，有两种模式：

第一种是在sar成像模式下，使用单根天线的方向图且接收天线偏置角为0进行计算，即先根据输入的雷达位置信息、波束中心在场景中心像素点的坐标，得到波束中心的方位角αc和俯仰角βc，目标相对雷达的方位角αrt和俯仰角βrt；再计算经过发射天线方向图调制后的天线增益rcs1：

rcs1＝abs((sinc(αrt-αc))*(sinc(βrt-βc)))<2>

其中，abs为求绝对值函数，*表示相乘，

第二种是在单脉冲模式下，使用四个单根天线，并设置相应的接收偏置角组成四天线方向图进行计算，即先根据输入的雷达位置信息、波束中心在场景中心像素点的坐标以及子波束相对和波束的方位偏差角度±δα、俯仰偏差角度±δβ，得到波束中心的方位角αc和俯仰角βc，目标相对雷达的方位角αrt和俯仰角βrt；再分别计算经过不同偏置的发射天线方向图调制后的天线增益rcs21、rcs22、rcs23、rcs24：

rcs21＝abs((sinc(αrt+δα-αc))*(sinc(βrt+δβ-βc)))<3>

rcs22＝abs((sinc(αrt+δα-αc))*(sinc(βrt-δβ-βc)))<4>

rcs23＝abs((sinc(αrt-δα-αc))*(sinc(βrt+δβ-βc)))<5>

rcs24＝abs((sinc(αrt-δα-αc))*(sinc(βrt-δβ-βc)))<6>

总的天线增益rcs2为：

rcs2＝rcs21*rcs22*rcs23*rcs24<7>

其中，rcs21是子波束相对和波束的方位偏差角度为δα、俯仰偏差角度为δβ的天线增益，rcs22是子波束相对和波束的方位偏差角度为δα、俯仰偏差角度为-δβ的天线增益，rcs23是子波束相对和波束的方位偏差角度为-δα、俯仰偏差角度为δβ的天线增益，rcs24是子波束相对和波束的方位偏差角度为-δα、俯仰偏差角度为-δβ的天线增益。

过程7，系统函数计算模块7输入雷达的位置、波束中心坐标、子场景数据、天线方向图、回波的起始距离门信息，并接收prt同步脉冲输入触发，检测上升沿，当上升沿来临时，利用同心圆算法，计算回波的系统函数，并将结果输出至回波生成模块8；

所述同心圆算法原理如下：

在不考虑波前弯曲的情况下，以正侧视为例，点目标的回波在二维平面上的分布如图4第一幅所示的矩形阵，经过距离向脉冲压缩后会变成第二幅图的结果，这是由于雷达运动产生了弯曲。在校正过弯曲后，该点目标的能量分布会在相同的距离单元内，如4中第三幅图所示，这时就可以沿方位向对目标进行方位成像，得到该点目标的成像结果，如4最后一个图所示。

可见，不同的点目标，由于到雷达的距离不同，它们将分布在不同的距离单元内，这是因为不同的目标点到雷达平台的距离不同，造成了延迟时间的不同，以距离采样频率fs对目标点的距离延迟进行采样，采样单元的间隔为c/2fs，c为光速，各个目标点的回波分布是按采样单元的间隔为整数倍关系分布开的；在不同的方位时刻对于场景中到达雷达作用距离相同的目标点而言，他们的采样单元整数倍关系相同，因此，他们复数回波将累加在相同的距离单元内，不难想象，在某一个方位时刻，分布在以雷达平台为原点的相同的同心圆上的点目标由于到雷达的作用距离相同，他们的能量应该累加的分布在相同的距离单元内。

由此，为了快速得到回波系统函数，以满足实时回波信号产生的要求，同时要保持回波信号的计算精度，考虑到距离雷达相同长度的点位于同一个距离单元上，首先将场景中的点沿着以雷达为圆心的同心圆进行累加，得到雷达的一维距离像，然后利用fft在频域快速实现回波系统函数的生成，这样可以同时对多点进行处理，减少运算量。

根据以上思想，计算回波系统函数的具体方法如下：

在每一个方位时刻，首先要计算场景内所有的点目标到雷达的距离r(k)，并把该距离同距离采样单元进行比较，得到所有同心圆上点的分布情况，即

式<8>中，nk表示距离单元的位置，即该点分布在第几个同心圆上，δr为距离单元大小，且

如图5所示，在得到同心圆的分布情况之后，波束照射范围内，某个同心圆上共有p个点目标，根据式<9>可以知道，这p个散射点应该分布在相同的距离单元内，他们可以统一产生回波信号，而由于回波信号的方位相位信息比距离包络信息更加敏感，所以，要保证方位相位信息的完整性，即不能像距离包络一样，用式<9>进行距离近似计算，所以，各点的方位相位信号s(mt；rb)需独立计算：

其中，σ为点目标的灰度值,mt是tm的离散形式，rb是雷达到目标的最近距离，λ为雷达工作波长，r(mt；r)是mt时刻雷达到散射点的距离，exp表示指数函数。

之后，对式<10>进行求和得到相同同心圆上的点目标方位相位信号s2：

其中，σi为相同同心圆上第i个点目标的灰度值。

对式<11>求和，得到整个时刻所有距离单元数据s3：

式<12>中，δ为冲击响应函数，k表示落在第几个距离单元内，pn表示第n个距离单元内的点目标数。不同的距离单元内其地面散射点的个数不一样，累加过程的难度也不相同。对式<12>进行傅里叶变换fft把它变到频域乘以距离向的调频项，再利用逆傅里叶变换ifft变回到时域就可以得到回波的系统函数s4(k,mt；rb)：

其中，fr表示距离向频率。

过程8，回波产生模块8输入系统函数以及基带线性调频信号lfm，进行卷积运算，生成原始回波信号，并接收prt同步脉冲输入触发，检测上升沿，当上升沿来临时，将结果输出至延时和距离门选通模块9。

过程9，延时和距离门选通模块9在prt同步脉冲的控制下，将输入的原始回波信号以“流”的方式进行输出。

综上，本文提出的基于simulink的高速平台雷达回波信号模拟系统，具有模块化、层次化的设计，能方便灵活地模拟出不同雷达工作模式、不同外界环境、不同目标场景下的雷达回波信号，帮助科研人员摆脱雷达设备条件的限制，不需要依靠昂贵的雷达设备获取相关雷达回波数据，比传统的实测数据方式更加高效、便捷。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，显然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。