海杂波的建模与仿真
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摘要
海杂波的建模与仿真是雷达目标模拟中环境模拟的重要部分。仿真得到的海杂波数据良好与否是雷达最优化设计及雷达信号处理的关键。对海杂波的研究迄今已有50多年，但其实验数据和理论远不能令人满意，还不可能对海面回波的电平(作为雷达参数和海面状态参数的函数)做出高度准确的预测。对雷达波来说，海面是极其复杂的反射体，关键是找出一些合适的参数，以便建立一个描述海浪一回波依从关系的数学模型。
本文在海杂波统计特性的基础上，通过详细分析雷达波长、海情、入射余角以及极化方式对海杂波特性的影响，得出近海距离、严重杂波情况下的海杂波信号特性，然后在现有雷达地杂波设备的基础上，分别采用零记忆非线性变换法及基于独立采样的方法对海杂波进行建模与仿真，并比较了两种方法得到的仿真信号的特性。对仿真信号的特性验证表明：产生的海杂波数据能够很好的满足幅度分布特性和谱特性要求。仿真结果与和理论模型的结论符合较好，说明用这两种方法产生海杂波信号是可行的。通过对多次的实验数据进行比较发现：相比于零记忆非线性变换(ZMNL)法，基于独立采样的方法得到的仿真数据在功率谱特性方面更为稳定。
仿真得到的数据可以作为产生多重独立杂波的信号输入。叠加热噪声信号和目标回波信号后对射频信号进行调制即得完整的检波前的雷达海面回波信号。
The performance of microwave radars operating over the sea is often limited by unwanted returns(sea clutter) from the sea surface. The properties of microwave sea echo have consequently been the subject of a large number of investigations since the second world war, but the experimental data doesn't accord with the theory perfectly.
The modeling and simulation of sea clutter is very important in radar system simulation. The data obtained from simulation is the key of radar signal processing and optimization of radar system design.
Progress, though steady, has been slowly, due largely to difficulties inherent in attempts to characterize a random natural phenomenon in terms of a limited set of parameters. For many years, various non-Gaussian probability distributions have been offered as models for the amplitude of sea clutter. This paper contains a useful smmary of log normal distribution, weibull distribution and the K-distribution. The weibull distribution may well extend to phenomena other than radar including radiation scattered from turbulent or rough surface. The modeling and simulating of sea clutter (weibull distribution) with its parameters and ranges of applicability is introduced in this paper. The generated signal can be used in the simulation of the Radar system.
本文在海杂波统计特性的基础上，通过详细分析雷达波长、海情、入射余角以及极化方式对海杂波特性的影响，得出近海距离、严重杂波情况下的海杂波信号特性，然后在现有雷达地杂波设备的基础上，分别采用零记忆非线性变换法及基于独立采样的方法对海杂波进行建模与仿真，并比较了两种方法得到的仿真信号的特性。对仿真信号的特性验证表明：产生的海杂波数据能够很好的满足幅度分布特性和谱特性要求。仿真结果与和理论模型的结论符合较好，说明用这两种方法产生海杂波信号是可行的。通过对多次的实验数据进行比较发现：相比于零记忆非线性变换(ZMNL)法，基于独立采样的方法得到的仿真数据在功率谱特性方面更为稳定。
仿真得到的数据可以作为产生多重独立杂波的信号输入。叠加热噪声信号和目标回波信号后对射频信号进行调制即得完整的检波前的雷达海面回波信号。
The performance of microwave radars operating over the sea is often limited by unwanted returns(sea clutter) from the sea surface. The properties of microwave sea echo have consequently been the subject of a large number of investigations since the second world war, but the experimental data doesn't accord with the theory perfectly.
The modeling and simulation of sea clutter is very important in radar system simulation. The data obtained from simulation is the key of radar signal processing and optimization of radar system design.
Progress, though steady, has been slowly, due largely to difficulties inherent in attempts to characterize a random natural phenomenon in terms of a limited set of parameters. For many years, various non-Gaussian probability distributions have been offered as models for the amplitude of sea clutter. This paper contains a useful smmary of log normal distribution, weibull distribution and the K-distribution. The weibull distribution may well extend to phenomena other than radar including radiation scattered from turbulent or rough surface. The modeling and simulating of sea clutter (weibull distribution) with its parameters and ranges of applicability is introduced in this paper. The generated signal can be used in the simulation of the Radar system.
引文
[1] 康士峰 葛德彪 罗贤云等《多波段多极化海杂波特性的实验研究》微波学报工6卷5期463-468
[2] Oliver C. J. Representation of radar sea clutter IEE Proceedings, 135, Pt. F, 6(Dec,1988), 497-500
[3] Watts, S. and Ward, K. D Spatial correlation in K-distributed sea clutter IEE Proceedings, 134, Pt. F, 6(Oct,1987), 526-532
[4] 冀振元孟宪德周和秘《高频地波超视距雷达海杂波信号分析》系统工程与电子技术第22卷第5期 12-16
[5] M. R. Cowper, B. Mulgrew and C. P. Unsworth Investigation into the use of nonlinear predictor networks to the performance of maritime surveillance radar target detectors, IEE Proc-Radar, Sonar Navig. Vo1.148, No.3, June 2001, 103-111
[6] Jake man E, Pusey PN. A model for non-Rayley sea clutter. IEEE Trans. on A.P, 1976:806-814.
[7] Oliver C J. Correlated K-distributed clutter Models [J]. Optica Acta, 1985,32(12): 1515-1547.
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[9] James L, Marier. Correlated K-Distributed Clutter Generation for Radar Detection and Track[J]. IEEE Trans. on E. S,1995,31(2): 568-580
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[11] Ward K D, Watts S. Radar sea clutter [J]. Microwave Journal,1985:109-118.
[12] Watts S, Ward K D. Spatial Correlation in K-distributed sea clutter. IEEE Proc-F,1987,134(6):526-532.
[13] 茅于海．频率便捷雷达．北京：国防工业出版社，1981：135-146．
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[19] 邵旭《空时二维海杂波的模拟与信号检测》[D]．西安：西安电子科技大学，1999。
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[23] 陆大 编著《随机过程及其应用》清华大学出版社 1986
[24] 王树勋《数字信号处理基础及实验》 机械工业出版社1992年
[25] 杨杰 卢凌 陆济湘 《海杂波概率密度分布函数分析方法的研究》武汉交通大学学报第22卷第工期51-54
[26] 张长隆 李纲 周良柱《通用地面雷达杂波模拟器的设计与实现》《现代雷达》2003年7月14-16
[27] 邵旭 张守宏《空时二维海杂波的模拟》西安电子科技大学学报(自然科学版)第27卷第2期219-222
[28] 冀振元 孟宪德 袁业术《高频地波OTH雷达二阶海杂波分析及模拟》《现代雷达》2003年4月4-7
[29] 邢诒存《数控非相参自适应频率捷变雷达抑制海杂波性能的分析》海南大学学报(自然科学版)1996年03期2工9-223
[30] 马晓岩 黄晓斌 张贤达《海杂波中基于混沌预测的目标检测方法改进》电子学报3工卷第6期907-910
[31] 方有培《海杂波特性研究》上海航天2002年第5期31—35
[32] [美]Merrill I.Skolnik主编，王军林强米慈中等译《雷达手册》第二版电子工业出版社 2003年
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[37] 陈振邦《舰载超视距雷达发展研究》雷达与对抗1997年第1期1-8
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[41] Fred E. Nathanson等著《雷达设计原理—信号处理与环境》，电子工业38所1993
[42] 丁鹭飞 耿富录《雷达原理》西安电子科技大学出版社 1984
[43] 伊利 布鲁克纳主编 薛锋 李鹏飞 施德骥等译《雷达技术》国防工业出版社 1984
[44] 复旦大学编著《概率论》第三册随机过程人民教育出版社 1981
[45] Maurice W. Long Radar Reflectivity of Land and Sea Third Edition Artech House
[46] 凡俊梅 焦培南 肖景明《海洋杂波对高频雷达检测海面上低速目标的影响》电波科学学报第工2卷第2期205-210
[47] 宋承龄王章德《系统仿真》国防工业出版社
[48] 郭云芳 欧阳玲 刘继美《计算机仿真技术》北京航空航天大学出版社
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[52] 张智星著《MATLAB程序设计与应用》清华大学出版社2002年
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