具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现方法及装置与流程

1.本申请属于雷达目标特性与目标识别技术领域，具体涉及一种具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现方法及装置。


背景技术：

2.考核雷达对特定目标的识别、跟踪能力，最可靠的办法就是采用真实目标作为靶标来实测雷达性能。由于很多真实目标(例如敌方的飞机、舰船)难以获取，且按真实物理结构按一比一的比例进行仿制，其成本和周期也是难以承受的。因此，需要用替代办法来模拟真实雷达目标，通常采用金属物制作雷达靶标，以考核雷达导引武器的发现、跟踪、命中性能。传统上制作雷达靶标时，将被模拟的真实目标视为点目标，只要求靶标的rcs(radar cross section，雷达散射截面)与真实目标rcs的统计规律相同，可以称这样的靶标为点目标靶标。而在高分辨雷达成像中，舰船、飞机等复杂目标由于散射机制会形成局部的、离散的散射中心，理论计算也表明高频区目标电磁散射主要由局部几何位置上的散射中心贡献，散射中心构成了雷达成像的主要散射特征。这种点目标靶标，不能反映真实目标的多散射中心所导致的角闪烁效应，难以满足高分辨雷达的试验鉴定需求，并且目前没有有效的高分辨雷达目标复现方法。


技术实现要素：

3.为至少在一定程度上克服点目标靶标，不能反映真实目标的多散射中心所导致的角闪烁效应，难以满足高分辨雷达的试验鉴定需求，并且目前没有有效的高分辨雷达目标复现方法的问题，本申请提供一种具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现方法及装置。
4.第一方面，本申请提供一种具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现方法，包括：
5.获取高分辨雷达目标散射特性；
6.根据所述散射特征提取目标散射中心参数；
7.将提取的目标散射中心参数映射到预设的原始缩比模型；
8.结合原始缩比模型进行基本散射类型结构与尺寸解算以复现高分辨雷达目标。
9.进一步的，所述根据所述散射特征提取目标散射中心参数，包括：
10.构建二维散射中心模型；
11.根据二维散射中心模型进行散射中心数目估计；
12.根据二维散射中心模型进行散射中心关键参数估计，所述关键参数包括幅度、位置、类型中的一种或多种。
13.进一步的，所述根据二维散射中心模型进行散射中心数目估计，包括：
14.根据预设条件获取散射参数，所述预设条件包括角度条件和频率范围；
15.使用盖氏圆盘算法提取散射中心数目。
16.进一步的，所述根据二维散射中心模型进行散射中心关键参数估计，包括：
17.使用修正矩阵束算法和最小二乘法提取散射中心关键参数。
18.进一步的，所述二维散射中心模型为二维gtd散射中心模型。
19.进一步的，所述将提取的目标散射中心参数映射到预设的原始缩比模型，包括：
20.通过预设的散射中心参数与典型几何结构尺寸之间的定量关系，获取散射中心对应的几何结构体；
21.将所述几何结构体进行组合以等效重构高分辨雷达目标。
22.进一步的，还包括：
23.根据目标散射中心参数标注出原始缩比模型相应的强散射中心结构和非强散射中心结构；
24.保留强散射中心结构；
25.对非强散射中心结构进行平滑简化处理。
26.进一步的，所述获取高分辨雷达目标散射特性，包括：
27.通过调用第三方软件程序或者微波暗室实际测试获取高分辨雷达目标散射特性。
28.进一步的，若关键参数为位置，还包括：
29.在x轴、y轴平面上标记出散射中心位置；
30.做沿z轴的垂线使其与目标结构相交，将相交区域为非连续且具有散射中心特征的位置作为三维散射中心位置。
31.第二方面，本申请提供一种具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现装置，包括：
32.获取模块，用于获取高分辨雷达目标散射特性；
33.提取模块，用于根据所述散射特征提取目标散射中心参数；
34.映射模块，用于将提取的目标散射中心参数映射到预设的原始缩比模型；
35.复现模块，用于结合原始缩比模型进行基本散射类型结构与尺寸解算以复现高分辨雷达目标。
36.本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
37.本发明实施例提供的具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现方法及装置，通过获取高分辨雷达目标散射特性，根据散射特征提取目标散射中心参数，将提取的目标散射中心参数映射到预设的原始缩比模型，结合原始缩比模型进行基本散射类型结构与尺寸解算以复现高分辨雷达目标，可以实现具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现，为雷达制导武器靶标建设提供理论支撑和技术支持。
38.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
39.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
40.图1为本申请一个实施例提供的一种具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现方法的流程图。
41.图2为本申请另一个实施例提供的一种具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现方法的流程图。
42.图3为本申请一个实施例提供的一种雷达坐标与目标坐标关系示意图。
43.图4为本申请一个实施例提供的一种模型结构尺寸图。
44.图5为本申请一个实施例提供的一种真实模型的散射中心映射关系图。
45.图6为本申请一个实施例提供的一种几何体组合等效简化模型图。
46.图7为本申请一个实施例提供的一种具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现装置的功能结构图。
具体实施方式
47.为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本申请所保护的范围。
48.图1为本申请一个实施例提供的具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现方法的流程图，如图1所示，该具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现方法，包括：
49.s11：获取高分辨雷达目标散射特性；
50.一些实施例中，获取高分辨雷达目标散射特性，包括：
51.通过调用第三方软件程序获取高分辨雷达目标散射特性，例如在仿真系统中调用商用软件feko获取。也可通过微波暗室实际测试获取。
52.s12：根据散射特征提取目标散射中心参数；
53.s13：将提取的目标散射中心参数映射到预设的原始缩比模型；
54.s14：结合原始缩比模型进行基本散射类型结构与尺寸解算以复现高分辨雷达目标。
55.传统上制作雷达靶标时，将被模拟的真实目标视为点目标，只要求靶标的rcs(radar cross section，雷达散射截面)与真实目标rcs的统计规律相同，可以称这样的靶标为点目标靶标。而在高分辨雷达成像中，舰船、飞机等复杂目标由于散射机制会形成局部的、离散的散射中心，理论计算也表明高频区目标电磁散射主要由局部几何位置上的散射中心贡献，散射中心构成了雷达成像的主要散射特征。这种点目标靶标，不能反映真实目标的多散射中心所导致的角闪烁效应，难以满足高分辨雷达的试验鉴定需求，并且目前没有有效的高分辨雷达目标复现方法。
56.本实施例中，通过获取高分辨雷达目标散射特性，根据散射特征提取目标散射中心参数，将提取的目标散射中心参数映射到预设的原始缩比模型，结合原始缩比模型进行基本散射类型结构与尺寸解算以复现高分辨雷达目标，可以实现具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现，为雷达制导武器靶标建设提供理论支撑和技术支持。
57.图2为本申请另一个实施例提供的一种具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现方法的流程图，如图2所示，该具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现方法，包括：
58.s21：构建二维散射中心模型；
59.一些实施例中，二维散射中心模型为二维gtd(geometrical theory ofdiffraction，几何绕射理论)散射中心模型。
60.s22：根据二维散射中心模型进行散射中心数目估计；
61.一些实施例中，根据二维散射中心模型进行散射中心数目估计，包括：
62.s221：根据预设条件获取散射参数，所述预设条件包括角度条件和频率范围；
63.s222：使用盖氏圆盘算法提取散射中心数目。
64.例如，在一定小角度与频率范围的散射参数获取后，目标的散射中心通过使用盖氏圆盘算法提取散射中心个数，如图3所示，在二维情况下，用x，y表示目标自身的坐标系，u，v表示雷达坐标系。为目标相对于雷达的转角。其中，两个坐标系的关系为：
[0065][0066][0067]
二维目标的后向散射场的频率响应如下：
[0068][0069]
式中，i为散射中心数目，a
i
代表散射强度系，f
m
＝f0 m
·
δf,m＝0,1,2
…
,m
‑
1；f
m
为雷达照射频率，f0为频率的起始值，m
·
δf为雷达扫频变化值。为为雷达与目标的方位夹角，为起始方位角，为目标相对雷达方位上的小转角。x
i
，y
i
分别表示第i个散射中心在雷达目标参考坐标系内距相位零点的横向距离和纵向距离。α
i
表示第i个散射中心的类型。
[0070]
设有一个p
×
p维矩阵r，其第i行第j列的元素为r
ij
，令
[0071][0072]
定义第i个盖氏圆盘o
i
上的点在复平面上的集合用下式表示：
[0073]
|z
‑
r
ii
|<r
i
[0074]
其中，圆盘的中心位于r
ii
处，半径为r
i
(盖氏半径)，则矩阵r的特征值包含在圆盘o
i
的并区间内。
[0075]
盖氏圆盘算法的思想是基于信号的圆盘半径较大，而噪声的圆盘半径较小。然而直接采用盖氏圆盘定理估计散射点数目时，常会出现信号和噪声的盖氏圆重叠的情况，使得该方法失效。可以先对信号的协方差矩阵r进行酉变换，该方法能将信号和噪声的圆盘分得更开，达到更好的估计效果。先将r进行分块
[0076][0077]
r
pp
为r中最后一行最后一列元素，r和r”分别为列向量和行向量，r1为子矩阵。对r1进行特征分解后，构造如下的酉变换矩阵：
[0078][0079]
u1为r1的特征向量矩阵。进行酉变换r
t
＝u
h
ru，可得：
[0080][0081]
λ1′
≥λ2′
≥...≥λ
p
‑1′
为r1的特征值根据盖氏圆盘定理，可知r
i
＝|ρ
i
|。理想情况下，噪声的盖氏半径为零，而信号的盖氏半径大于零，这样就可以得到散射点数目的盖氏圆盘的估计准则：
[0082][0083]
k在1到p
‑
1的范围变化，d(n)为与样本数有关的调节因子，在0到1之间取值。当n
→
∞时，d(n)
→
0。对于距离像而言，由于目标距离像分辨单元一般不多，d(n)的取值以取接近1为宜。当k由小变大，当k＝k0时，gde(k)第一次出现非正值，则散射点数目的估计为d＝k0‑
1。
[0084]
s23：根据二维散射中心模型进行散射中心关键参数估计，所述关键参数包括幅度、位置、类型中的一种或多种。
[0085]
一些实施例中，根据二维散射中心模型进行散射中心关键参数估计，包括：
[0086]
用修正矩阵束法算法提取散射中心位置信息和类型信息，克服了传统矩阵束算法(memp)计算量大、距离坐标配对等问题。传统的二维矩阵束算法需分别对多个大矩阵进行奇异值或特征值分解，求取含有雷达与目标的纵向距离与横向距离信息的p1、p2。配对方法需要逐一计算p1,p2的二维频率谱表达式，匹配出同一散射点的起始纵向距离及横向距离。当纵向距离及横向距离中均出现重复值或相近时，会发生配对错误。修正的矩阵束算法(mmemp)可以避免以上问题。针对纵向距离或横向距离中出现重复相近的部分，修正方法单独进行计算，使其仍能精确估算出配对正确的p1和p2，且无需额外过程。
[0087]
通过已提取散射中心的位置及类型参数，通过最小二乘法估计散射中心的散射强度信息。
[0088]
进一步的，若关键参数为位置，还包括：
[0089]
s231：在x轴、y轴平面上标记出散射中心位置；
[0090]
s232：做沿z轴的垂线使其与目标结构相交，将相交区域为非连续且具有散射中心特征的位置作为三维散射中心位置。
[0091]
结合原始缩比模型中强散射中心标记与基本结构尺寸确定后，原始缩比模型的其他的结构可以相应的简化，以减少缩比模型的加工难度。使用过度平滑表面代替原始结构，最终简化为基本的几何体相连的基本结构组合体。需要注意的是：该方法可以保留原始结构的强散射中心，最大程度地保留原始结构外形尺寸结构，从而使得其基本的相似程度最大限度一致。
[0092]
s24：将提取的目标散射中心参数映射到预设的原始缩比模型；
[0093]
一些实施例中，将提取的目标散射中心参数映射到预设的原始缩比模型，包括：
[0094]
s241：通过预设的散射中心参数与典型几何结构尺寸之间的定量关系，获取散射中心对应的几何结构体；
[0095]
s242：将几何结构体进行组合以等效重构高分辨雷达目标。
[0096]
用简单目标的组合体去等效重构原目标，因为简单目标的散射中心参数和几何结构尺寸之间的关系是确定并且量化的如表1所示。首先对非合作雷达目标进行电磁仿真以获取其散射场数据，然后提取散射中心，通过散射中心参数与典型几何结构尺寸之间的定量关系，获取散射中心对应的几何结构，最后将这些结构组合起来实现对靶标的等效重构。
[0097]
表1散射体设计准则
[0098]
[0099][0100]
一些实施例中，还包括：
[0101]
s2411：根据目标散射中心参数标注出原始缩比模型相应的强散射中心结构和非强散射中心结构；
[0102]
s2412：保留强散射中心结构；
[0103]
s2413：对非强散射中心结构进行平滑简化处理。
[0104]
s25：结合原始缩比模型进行基本散射类型结构与尺寸解算以复现高分辨雷达目标。
[0105]
例如，通过调用feko软件对原目标网格进行电磁计算得到高分辨雷达目标散射特
性数据，利用散射中心提取算法对散射特性数据分析处理获取目标的散射中心数目、类型、位置、幅度等参数，构造出简化散射体目标参考模型；使用cad软件根据参考模型构建得到简化模型及其网格后，进行仿真计算，对比评估重构目标与原雷达目标电磁散射特性的差异；重复上述过程，可以对散射体结构和尺寸参数进行优化，最终得到满足精度要求的高分辨雷达目标的等效重构。
[0106]
如图4所示，真实高分辨雷达目标模型几何参数为：翼展41.40米，机长36.88米，机高11.16米，缩小比例尺度为25，缩比后的模型大小为1.65m
×
1.47m
×
0.45m。
[0107]
通过在一定的小角度范围内，例如选择
‑
10
°
～10
°
范围，且在频率范围9.0ghz～10.0ghz内，频率间隔为80mhz，获取目标的回波信号，通过盖氏圆盘算法获取散射中心的个数为23，然后通过修正矩阵束算法、最小二乘法可以得到真实模型的散射中心，映射回原始缩比模型，结果如图5所示。基本散射体类型尺寸解算数据如表2所示。
[0108]
表2散射中心对应基本散射体相关数据
[0109]
[0110][0111]
结合原始缩比模型，标注出相应的缩比模型上强散射中心的位置，通过保留强散射中心结构，平滑与简化其余的结构，可以得到目标结构尺寸图如图6所示，最后整体的尺寸为1.52m
×
1.28m
×
0.44m。
[0112]
将仿真数据与测试数据在
‑
180
°
～180
°
范围内做对比可以实现复现，并且复现结果具有较好的符合度。
[0113]
本实施例中，通过建立二维gtd散射中心模型，采用盖氏圆盘算法、修正矩阵束算法和最小二乘法提取散射中心特征参数，通过结合原始缩比模型标记实现模拟靶标结构尺寸解算，构建高分辨雷达目标电磁散射特性模拟仿真系统，实现了具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现，并且该方法可以扩展应用到其他雷达扩展目标，为雷达制导武器靶标建设提供理论支撑和技术支持。
[0114]
本发明实施例提供一种线上具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现装置，如图7所示的功能结构图，该具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现装置包括：
[0115]
获取模块71，用于获取高分辨雷达目标散射特性；
[0116]
提取模块72，用于根据所述散射特征提取目标散射中心参数；
[0117]
映射模块73，用于将提取的目标散射中心参数映射到预设的原始缩比模型；
[0118]
复现模块74，用于结合原始缩比模型进行基本散射类型结构与尺寸解算以复现高分辨雷达目标。
[0119]
本实施例中，通过获取模块获取高分辨雷达目标散射特性，提取模块根据所述散射特征提取目标散射中心参数，映射模块将提取的目标散射中心参数映射到预设的原始缩比模型，复现模块对结合原始缩比模型进行基本散射类型结构与尺寸解算以复现高分辨雷达目标，可以实现具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现，为雷达制导武器靶标建设提供理论支撑和技术支持。
[0120]
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
[0121]
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
[0122]
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0123]
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0124]
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
[0125]
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能组件的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能组件的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
[0126]
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0127]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0128]
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例
性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
[0129]
需要说明的是，本发明不局限于上述最佳实施方式，本领域技术人员在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现方法，其特征在于，包括：获取高分辨雷达目标散射特性；根据所述散射特征提取目标散射中心参数；将提取的目标散射中心参数映射到预设的原始缩比模型；结合原始缩比模型进行基本散射类型结构与尺寸解算以复现高分辨雷达目标。2.根据权利要求1所述的具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现方法，其特征在于，所述根据所述散射特征提取目标散射中心参数，包括：构建二维散射中心模型；根据二维散射中心模型进行散射中心数目估计；根据二维散射中心模型进行散射中心关键参数估计，所述关键参数包括幅度、位置、类型中的一种或多种。3.根据权利要求2所述的具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现方法，其特征在于，所述根据二维散射中心模型进行散射中心数目估计，包括：根据预设条件获取散射参数，所述预设条件包括角度条件和频率范围；使用盖氏圆盘算法提取散射中心数目。4.根据权利要求2所述的具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现方法，其特征在于，所述根据二维散射中心模型进行散射中心关键参数估计，包括：使用修正矩阵束算法和最小二乘法提取散射中心关键参数。5.根据权利要求2所述的具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现方法，其特征在于，所述二维散射中心模型为二维gtd散射中心模型。6.根据权利要求1所述的具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现方法，其特征在于，所述将提取的目标散射中心参数映射到预设的原始缩比模型，包括：通过预设的散射中心参数与典型几何结构尺寸之间的定量关系，获取散射中心对应的几何结构体；将所述几何结构体进行组合以等效重构高分辨雷达目标。7.根据权利要求6所述的具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现方法，其特征在于，还包括：根据目标散射中心参数标注出原始缩比模型相应的强散射中心结构和非强散射中心结构；保留强散射中心结构；对非强散射中心结构进行平滑简化处理。8.根据权利要求1所述的具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现方法，其特征在于，所述获取高分辨雷达目标散射特性，包括：通过调用第三方软件程序或者微波暗室实际测试获取高分辨雷达目标散射特性。9.根据权利要求2所述的具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现方法，其特征在于，若关键参数为位置，还包括：在x轴、y轴平面上标记出散射中心位置；做沿z轴的垂线使其与目标结构相交，将相交区域为非连续且具有散射中心特征的位置作为三维散射中心位置。
10.一种具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现装置，其特征在于，包括：获取模块，用于获取高分辨雷达目标散射特性；提取模块，用于根据所述散射特征提取目标散射中心参数；映射模块，用于将提取的目标散射中心参数映射到预设的原始缩比模型；复现模块，用于结合原始缩比模型进行基本散射类型结构与尺寸解算以复现高分辨雷达目标。
技术总结
本申请涉及一种具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现方法及装置，具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现方法包括通过获取高分辨雷达目标散射特性，根据散射特征提取目标散射中心参数，将提取的目标散射中心参数映射到预设的原始缩比模型，结合原始缩比模型进行基本散射类型结构与尺寸解算以复现高分辨雷达目标。本申请可以实现具有电磁散射特性的高分辨雷达目标复现，为雷达制导武器靶标建设提供理论支撑和技术支持。理论支撑和技术支持。理论支撑和技术支持。


技术研发人员：刘颖 孙志成 董兴佳 李昂 陈柏言 张军 马丽丽 何金叡 王磊 安巧静
受保护的技术使用者：中国人民解放军63861部队
技术研发日：2021.03.03
技术公布日：2021/6/29