专利名称：无线电探测器的动态场景回波仿真方法
无线电探测器的动态场景回波仿真方法技术领域
本发明属于无线电探测器的回波仿真技术，主要涉及空间工作场景的构造、动态场景的实现方法、以及相应的动态场景回波仿真技术。
背景技术：
无线电探测器是一种短距离回波探测器，具有和雷达相似的工作原理和技术，但其有效的探测范围、天线波束宽度、数据处理方法等与雷达具有很大的不同，无法用目标的雷达截面积(RCS)计算其回波信号的强度，实际中的目标回波信号与目标的形状、距离及其与探测器的相对方位有关。然而，目标的回波信号对探测器研制过程中的系统设计及测试至关重要，而实物仿真获得的回波数据，受实际仿真目标的精度和环境影响较大，实用性较差。因此，本发明给出了一种利用当前的计算机技术实现无线电探测器动态场景下的回波仿真方法，以解决当前回波仿真方法中精度差、通用性不高及计算量大的问题。发明内容
本发明结合无线电探测器的实际工作过程，给出利用空间建模软件构造无线电探测器工作场景的方法及技术要求，提出了一种动态场景的实现方法及其相应的零中频回波信号仿真方法，实现了无线电探测器的动态场景回波仿真。
本发明的整体技术创新体现在以下几个方面
1.根据无线电探测器的工作频率、目标与探测器的相对距离、回波仿真精度，确定了场景物体基本散射单元的大小，给出了场景物体的构造方法及其散射单元的划分方法；
2.本发明将由空间建模软件构造的工作场景模型转换了相应的数据模型与显示模型，其中数据模型用于回波仿真计算，而显示模型用于动态的场景显示。通过给定每个仿真时刻的物体位置信息，并该信息及时更新到数据模型与显示模型的相应物体，实现了无线电探测器回波仿真中的动态场景。
3.通过建立无线电探测器发射机与接收机间的差频信号模型，本发明综合考虑无线电探测器工作的所有工作体制，提出了一种通用性较强的零中频回波信号仿真方法。
图1是无线电探测器的工作过程。
图2是基本散射单元。
图3是动态场景回波仿真方法流程图。
图4是动态场景回波仿真系统的实现框图。
具体实施方式
无线电探测器的工作过程为调制信号对高频本振信号调制，获得高频振荡电信号，经过射频电路后通过天线发射电磁波，遇到目标发生后向散射，并由探测器接收天线接收并激发相应的高频电信号，再由高频本振信号混频，经过滤波得到差频信号，而差频信号正是所需要仿真的信号。因此，无线电探测器的回波信号仿真实质上为对其接收差频信号的仿真，其中需要涉及发射信号、高频电流、电磁波等的仿真，如图1所示。而其相应的高频信号仿真过程为由高频电流的瞬时功率和天线方向图，得到空间散射点的能量密度，再由物体的后向散射特性得到每个散射点在接收天线上的能量密度，根据接收天线的面积及天线方向图计算接收机接收到每个散射点的回波能量，最后将这些散射点的回波能量叠加在一起，获得接收机接收到的能量，进而将接收到的能量转换为相应的高频电流。实际上，由于高频信号频率过高导致其离散化的数字仿真实现起来很困难。为了降低回波仿真的难度，本发明建立了发射机调制信号和接收机差频信号之间的信号关系，提出了无线电探测器回波仿真的零中频信号仿真方法，从而避免了高频电流信号的仿真，减少了无线电探测器的回波仿真计算量。然而，无线电探测器的回波仿真仅仅考虑发射机与接收机之间的信号关系是不足的，实际还涉及到探测器与工作场景目标间的相对运动位置关系。因此，无线电探测器的回波仿真需要实现的是探测器在实际工作场景中的回波信号仿真，即动态场景的回波仿真。 接下来，本发明先给出了空间场景模型的构造方法及其散射单元划分方法、动态场景实现方法、无线电探测器的零中频回波仿真方法，最后给出无线电探测器的动态场景回波仿真方法。(1)空间场景建模及散射单元划分方法利用常用空间建模软件构造无线电探测器的工作场景，是本发明实现动态场景回波仿真的重要环节。场景模型的构造过程需要设置场景物体的散射单元划分精度、材质电参数、后向散射特性、对象类型、是否活动物体等诸多方面的信息，这些信息均是回波仿真方法实现时所需要的，缺一不可。而场景物体的散射单元划分方法，直接涉及到其实际目标的建模精度，影响到无线电探测器回波仿真的精确度，是场景建模的重要参数。根据无线电探测器的相关理论，目标物体可看作由于大量的基本散射单元组成， 这些基本散射单元可当作点目标来处理。实际中，常用空间建模软件(如3ds MAX)将物体的表面建模成大量的三角形面片。本发明将组成场景物体模型的三角形面片看作该物体的散射单元，并将三角形面片的内接圆半径作为衡量三角形面片的几何大小。在场景物体建模时，最大三角形面片的几何尺度决定最终建模的精度，其大小需依据目标与探测器的距离、工作频率及仿真精度等来确定，则空间散射单元的最大尺寸可由下面的确定方法给出。如图2所示，设发射机0到散射单元重心点C的距离为r，C为线段AB的中点，AC
的长度为X，OA和OB的长度分别为^和r2，贝丨= + 0，而ZOC4 = 没，并且电
磁波入射方向和平面法线的夹角9，满足0< θ ^ π/2。根据三角形的余弦定理，可得OA 和OB之间的路径差为Ar = \r2 - r|t = ^r2 + χ2 - 2rx cos (π/2 + 0) - ^jr2 +χ2 -Irxcos^ / 2-θ)(1)同时，假设电磁波的频率为f，电磁波在媒质中的相位常数为β，对于由波源0到 OA和OB的前向波来说，当电磁波传播分别到达OA和OB时，两者之间的波相位差为
Αφ = β-Ar(2)
其中β=2π/λ且λ为电磁波的波长。
根据电磁波散射理论的Rayleigh准则，若两条反射线之间的相位差小于π/2， 可认为该表面是光滑的。由此，若三角形面片上两点反射波达到接收机的波程相位差小于 JI /2，则可将这两个点看作同一个反射点。从上述几何关系中，若将A和B看作同一个散射点，则有
权利要求
1.一种无线电探测器动态场景回波仿真方法，包括(1)工作场景建模及散射单元划分，包括利用空间建模软件构造探测器的工作场景 s，设定场景对象的对象类型、是否存在活动物体、其材质的电导率、磁导率、介电常数和后向散射系数参数、以及场景建模面片的外接圆最大尺度1，由下式给定I < min< — ,rs >J其中λ为探测器工作波段的波长，r是探测器的最短探测距离，ε是使两个点辐射源可看作一个点源时的探测器最小夹角弧度，算子min ( ·)表示两个数值的最小值；(2)工作场景的格式转换将场景模型s转换成相应的空间数据场景si及相应的虚拟现实场景s2，前者si用于计算回波信号强度，后者s2用于动态场景的显示；(3)散射单元功率计算工作场景散射单元的总数量为N，则在时间t，探测器与散射单元i间的距离为rji = 1,2,…，N)、探测信号在散射单元i平面上的入射角为Φρ探测器的发射功率为Prad，其数值等于探测发射强度x(t)的平方，由下面公式计算探测器收到该散射单元i的散射功率已(i)，即S1 cos^PradG(θ,,φ,)其中,釣；)为散射单元i所在天线方位⑷，vO的增益，Si为散射单元i的面积，θ i为散射单元i与天线水平坐标平面之间的夹角，釣为散射单元i与天线垂直坐标平面之间的夹角；(4)高频电流幅度计算根据探测器收发天线的增益G、输入电阻Iiin、辐射电阻Rrad、 损耗电参数，计算场景散射单元i的回波功率pji)在天线上激发的高频电流强度 I(i)；(5)由探测器接收到散射单元i的回波信号强度I(i)，根据下面的公式计算该散射单元i的回波信号v。(t，i)，即1 L \ c Jc其中fpm(t)是发射机的调相信号，ffffl(t)是调频信号，r(t)是探测器和目标的距离，c 是电磁波的波速，t' =t-2r(t)/Co最后，将所有散射单元的回波信号ν。(t，i)叠加起来， 获得探测器在时间t时接收到回波信号V。(t)；(6)在时间t+Δ t时刻，根据探测器和场景物体的运动参数，给定其空间数据场景si和显示场景s2中的位置，实现场景si与场景s2的同步，再按步骤3-5计算探测器在t+At 时刻的回波信号ν。(t+At)；(7)最后，将步骤3-6按仿真时间隔At持续下去，实现动态场景的回波仿真，具有动态场景显示和回波信号显示功能。
2.根据权利要求1所述的无线电探测器动态场景回波仿真方法步骤1中，用散射单元的最小外接圆直径1作为散射单元划分精度的指标；散射单元划分的形状没有限制，可划分成三角形、四边形或其他多边形；其最小外接圆直接径1的大小，需要考虑到探测器的工作频率、目标与探测器的相对距离、信号仿真精度因素，将所有散射单元当作点目标处理。
3.根据权利要求1所述的无线电探测器动态场景回波仿真方法步骤2可分两个步骤实施(1)由场景模型s的物体对象及其空间几何数据在空间立体建模软件中的组织结构，将整个场景中的物体对象及其空间几何数据、坐标系统及相应的坐标变换矩阵导出，获得空间数据场景sl，该场景用于计算每个仿真时刻的回波信号；( 由空间建模软件的虚拟现实导出工具，直接将工作场景转换为虚拟显示的场景s2，该场景可由大多的虚拟现实浏览器查看。
4.根据权利要求1所述的无线电探测器动态场景回波仿真方法，其中回波信号计算是一种零中频的回波计算，具体为(1)将无线电探测器的发射信号看作由三种fam(t)、 fpm(t)和ffm(t)调制信号构成，即幅度调制信号fam(t)、相位调制信号fpm(t)和频率调制信号ffm(t)，实际探测器发射功率是由幅度调制信号fam(t)确定，而相位调制信号fpm(t)和频率调制信号ffm(t)仅影响发射信号的相位；( 该公式由探测器收发信号间的函数关系得到，考虑了调制发射信号上变频和接收信号下频的实现过程C3)考虑了探测信号的工作场景中传播过程，是具体场景的信号仿真计算。
全文摘要
本发明公开了一种无线电探测器的动态场景回波仿真方法。该方法利用三维物体建模软件构造无线电探测器的工作场景，根据无线电探测器的零中频回波信号仿真方法，设定场景中各物体的动态状态或轨迹，实现无线电探测器在动态场景情况下的回波信号仿真。本发明的突出特点是具有很好的通用性，利用空间建模软件可构造任意复杂度的工作场景和目标，无线电探测器的零中频回波仿真方法综合考虑了探测器所有可能的工作体制，仅需要设定其工作频率、天线参数、场景物体表面的电参数及其运动参数，即实现无线电探测器的动态场景回波仿真系统。同时，本发明所给出的动态场景回波仿真方法，具有仿真计算量小、执行速度快的优点。
文档编号G01S7/41GK102495401SQ20111040470
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月28日 优先权日2011年11月28日
发明者卢照敢, 康国磊, 张亚东, 张永丽, 李淑红, 杨少勇, 袁润明, 赵太飞, 魏庆 申请人:河南财经政法大学, 西安理工大学, 郑州轻工业学院