基于混響室的雷達雜波頻譜特性模擬系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于混響室的雷達雜波頻譜特性模擬系統(tǒng)及方法，涉及采用無線電波的反射或再輻射的定位或存在檢測方法技術領域。所述方法包括如下步驟：采用Allpole模型對低海情的海雜波頻譜進行數(shù)學建模，并采用組合Exponential模型對高海情下的海雜波頻譜進行數(shù)學建模；改變攪拌器速率并重復采集若干組兩個頻譜模型的單次采樣信號Ssample；對得到的單次采樣數(shù)據(jù)作傅里葉變換和歸一化處理，分析其頻譜特性。所述方法對雷達雜波的頻譜特性模擬刻畫更加精細、準確。
【專利說明】
基于混響室的雷達雜波頻譜特性模擬系統(tǒng)及方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及采用無線電波的反射或再輻射的定位或存在檢測方法技術領域，尤其 涉及一種基于混響室的雷達雜波頻譜特性模擬系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002] 現(xiàn)代戰(zhàn)爭是多維一體的空間聯(lián)合信息化作戰(zhàn)，隨著"電磁"維的加入，戰(zhàn)爭維度得 以提升，戰(zhàn)爭形式更加隱秘，作戰(zhàn)內(nèi)容更加豐富，使得原本殘酷的軍事斗爭變得更加激烈。 信息化作戰(zhàn)裝備在戰(zhàn)場空間輻射形成戰(zhàn)場電磁環(huán)境，戰(zhàn)場電磁環(huán)境表現(xiàn)出顯著的復雜性， 由時域、頻域、空域和能域上分布密集、數(shù)量繁多、樣式復雜、動態(tài)隨機的多種電磁信號和輻 射源實體交疊而成，復雜電磁環(huán)境越來越成為電子設備可靠運行的巨大挑戰(zhàn)，對作戰(zhàn)指揮 和戰(zhàn)斗力發(fā)揮產(chǎn)生直接影響。因此，認清復雜電磁環(huán)境在未來戰(zhàn)場占據(jù)的重要地位，尋找研 究它的內(nèi)在規(guī)律，防患它對武器裝備帶來的影響危害，利用它獲得戰(zhàn)場主動權有著重大意 義。
[0003] 雷達運用于現(xiàn)代戰(zhàn)爭以后，雷達輻射產(chǎn)生的各種信號隨即成為戰(zhàn)場電磁環(huán)境的重 要組成部分。受所處電磁環(huán)境總體態(tài)勢的影響，雷達受到的來自電磁環(huán)境地考驗也更加嚴 峻。復雜電磁環(huán)境影響雷達對目標地實時跟蹤、預警發(fā)現(xiàn)、方位鎖定、威脅判斷等，直接制約 雷達各項性能地發(fā)揮。
[0004] 雜波在雷達電磁環(huán)境中有著重要的地位，它既是雷達電磁環(huán)境的重要組成部分， 又是造成雷達電磁環(huán)境不同于其他戰(zhàn)場電磁環(huán)境的重要因素。與其他武器裝備不同，雜波 信號對雷達設備地干擾尤為突出。雜波信號伴隨著目標回波信號一同進入雷達接收裝置， 難以被分離抑制，一直都是雷達信號處理領域的熱點和難點。雷達在進行接收處理的時候 直接受雜波本身的特性影響，比如雜波的幅度起伏特性與雷達的恒虛警檢測率檢測處理器 性能有關;雜波信號的功率譜特性與雷達的動目標顯示濾波器性能有關;雜波的空間幅度 特性與雷達雜波相消前的信噪比測試有關。因此，能否實現(xiàn)雷達雜波的全面模擬是構建雷 達戰(zhàn)場電磁環(huán)境的關鍵。
[0005] 在雜波模擬中，傳統(tǒng)方法包括:基于實裝的戰(zhàn)場雜波環(huán)境復現(xiàn)、基于計算機軟件的 雜波電磁特性仿真和基于實物或半實物的雷達雜波模擬器。混響室作為大型空間電磁測試 腔室，在傳統(tǒng)的電磁兼容測試功能基礎上，用作雜波模擬器有著其獨特的優(yōu)勢。將混響室用 于雜波模擬，既能快速、高效、低成本地模擬出符合受試需求的雷達雜波，又能立體全面地 呈現(xiàn)雜波時、頻、空等多域信息，在大型密閉空間中形成"全向輻照"立體逼真的雷達雜波環(huán) 境。
[0006] 海情通常用于表征海面運動狀態(tài)和海浪澎湃程度，它與浪高和風速兩個參量息息 相關。海水在重力、氣流、溫差等因素影響下運動狀態(tài)實時起伏就對應不同海情。不同海情 對應不同的海面粗糙程度，引入均方浪高和相關函數(shù)對其進行描述。
[0007] 均方浪高定義為：
[0009] 式（1)中，h(r)表示浪高函數(shù);p(h)表示浪高分布;<>s表示沿被測海表取均值，h表 不浪尚。
[0010] 相關函數(shù)定義為：
[0012] 式(2)中，R表示海表兩點距離。
[0013] 在低海情海況下，海面平靜，表面顛簸程度平緩，對應的均方浪高值低，相關函數(shù) 隨R增大衰減緩慢;相反，在高海情海況下，海浪翻滾程度加劇，對應的均方浪高值高，相關 函數(shù)隨R增大衰減迅速。
[0014] 異海情海雜波特性
[0015] 不同海情，其海表起伏程度不同，尤其在高海情條件下，海面翻滾劇烈，海面形態(tài) 隨時間變化尺度大，產(chǎn)生出許多復雜的海水細節(jié)結構，導致海表數(shù)學模型更加復雜多變。雷 達波束作用在不同結構的海表上，其回波散射特性也有很大差異，圖1和圖2分別為IPIX雷 達實測海雜波數(shù)據(jù)在不同海情下得到的時、頻域特性圖：
[0016] 時域上，低海情時，波濤起伏小，均方浪高小，多徑效應不顯著，大幅值回波所占 比例較大，幅值分布較均勻；高海情時，波濤起伏大，均方浪高大，多徑效應顯著，小幅值回 波所占比重增大，幅度分布向小幅值部分集中。
[0017] 頻域上，低海情時，海面風速低，雜波頻域能量較為集中，多普勒展寬不明顯，兩側 拖尾長，譜線呈銳利的"人字形"。高海情時，海面風速高，雜波頻域能量有所分散，多普勒展 寬顯著，低頻側和高頻側譜線下降速率不一致，譜線呈展寬的"入字形"。
[0018] 海雜波功率譜模型
[0019] 常用的海雜波功率譜模型有高斯型(Gaussian )、指數(shù)型(Exponential)和全極點 型(Allpole) Xaussian模型在海雜波功率譜模型中運用最為廣泛，其良好的對稱性以及雙 參數(shù)調(diào)節(jié)的便利性，能夠清楚地刻畫雷達海雜波的多普勒頻移及展寬：
[0021] 式(3)中，Po表示平均功率;fd表示平均多普勒頻率;σ表示標準差。
[0022] Allpole模型伴隨著雷達精度增加而產(chǎn)生，當雷達波束以低俯仰角作用于海面，回 波的功率譜特性可以用Allpole模型進行更精確地刻畫，其概率密度函數(shù)為：
[0024] 式(4)中，fc表示截止頻率。
[0025] Exponential模型運用較少，通常不適合于描述雷達在平靜狀態(tài)下雜波功率譜特 性，但是由于exp函數(shù)特有的性質(zhì)，在描述高海情雜波功率譜時有其自身的優(yōu)勢，其概率密 度函數(shù)為：
[0027]如圖3是三種典型海雜波功率譜模型曲線圖：
[0028] 針對以上涉及的兩種典型海情下海雜波的功率譜，Gaussian型都不能很好地進行 刻畫。在低海情時，Gaussian譜雖然可以刻畫頻譜中心的多普勒展寬，但尖峰兩側下降速率 較慢，兩邊拖尾長度也不夠;高海情時，Gaussian譜良好的對稱性反而成為刻畫此類非對 稱譜線的瓶頸。Allpole模型不僅能夠很好地擬合低海情雜波功率譜的尖峰值，其長拖尾特 性也更好地與低海情情形相契合，但是其不適合于高海情。而單一參數(shù)的Exponential模型 不能完整地描述高海情雜波頻譜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0029] 本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種基于混響室的雷達雜波頻譜特性模擬系 統(tǒng)及方法，所述方法對雷達雜波的頻譜特性模擬刻畫更加精細、準確。
[0030] 為解決上述技術問題，本發(fā)明所采取的技術方案是：一種基于混響室的雷達雜波 頻譜特性模擬系統(tǒng)，其特征在于:包括組合信號發(fā)生模塊、射頻放大模塊、機械攪拌混響室 和輸出信號采集模塊，所述組合信號發(fā)生模塊的信號輸出端與射頻方法模塊的信號輸入端 連接，所述射頻放大模塊的信號輸出端與所述機械攪拌混響室的信號接收天線進行信號的 傳輸，經(jīng)過機械攪拌混響室的信號通過所述混響室內(nèi)的發(fā)射天線與所述輸出信號采集模塊 的信號輸入端連接。
[0031] 進一步的技術方案在于:所述信號發(fā)生模塊包括任意波形發(fā)生器和模擬信號發(fā)生 器，所述任意波形發(fā)生器中寫入低頻信號So,將低頻信號So作為調(diào)制信號饋入模擬信號發(fā)生 器，模擬信號發(fā)生器經(jīng)過調(diào)制生成已調(diào)信號Su
[0032] 進一步的技術方案在于：所述射頻放大模塊包括AR功率放大器和低損耗同軸線 纜，已調(diào)信號Si經(jīng)過AR功率放大器有效放大最終形成射頻輸入信號S input，適當調(diào)節(jié)功放的 放大倍數(shù)，使得射頻輸入信號S_Ut信號既滿足混響室工作要求，又使得經(jīng)攪拌形成的Soutput 信號不毀傷輸出采集設備。
[0033] 進一步的技術方案在于:所述機械攪拌混響室包括腔室、攪拌器、接收天線和發(fā)射 天線，攪拌器、接收天線和發(fā)射天線位于所述腔室內(nèi)，通過改變攪拌器的轉速來實現(xiàn)不同類 型下最大多普勒頻移f dmax的模擬，接收天線選擇對數(shù)周期天線作為輸入，保持其位置固定， 對準混響室某一角落，發(fā)射天線選擇喇叭天線，同樣保持位置固定，射頻輸入信號S in_經(jīng)攪 拌后形成射頻輸出信號s?tput向下級模塊傳輸。
[0034] 進一步的技術方案在于:所述輸出信號采集模塊包括同軸衰減器和示波器，經(jīng)過 混響室后的射頻輸出信號SQUtput經(jīng)過同軸衰減器降低功率，得到信號S lOT，最后再由示波器 對輸出信號進行采集，得到單次采樣信號Ssam咖。
[0035] 本發(fā)明還公開了一種基于混響室的雷達雜波頻譜特性模擬方法，其特征在于包括 如下步驟：
[0036]采用Allpole模型對低海情的海雜波頻譜進行數(shù)學建模，并采用組合Exponential 模型對高海情下的海雜波頻譜進行數(shù)學建模；
[0037] 對上述建好的頻譜模型作逆傅里葉變換，得到相應的時域數(shù)據(jù)，選擇不同類型的 單周期時域波形作為輸入，并將上述時域數(shù)據(jù)分別存儲于任意信號發(fā)生器中備用；
[0038] 將單周期時域波形作為輸入送至模擬信號發(fā)生器中進行載波信號幅度調(diào)制，完成 幅度調(diào)制信號的生成，再由射頻放大模塊進行適度放大，最終形成射頻輸入信號；
[0039] 射頻輸入信號準備完畢后，對機械攪拌混響室內(nèi)部進行設置，固定收發(fā)天線位置 不變，并設置攪拌器的電機控制程序，讓混響室工作于連續(xù)模式，攪拌器的攪拌速率設置為 一定值；
[0040] 通過輸出信號采集模塊對機械攪拌混響室的輸出信號進行采樣，得到單次采樣信 號Ssample，兩個頻譜模型的單次采樣信號&_ 1(3各收錄為一個數(shù)據(jù)單元，保持輸入信號不變， 重復上述過程，每個單元測若干組數(shù)據(jù)；
[0041] 改變攪拌器速率并重復采集若干組兩個頻譜模型的單次采樣信號Ssample;
[0042] 對得到的單次采樣數(shù)據(jù)作傅里葉變換和歸一化處理，分析其頻譜特性。
[0043] 進一步的技術方案在于:所述方法還包括對機械攪拌混響室進行校準的步驟，采 用空載形式對所述混響室的腔室進行校準，校準結束后對所述模擬系統(tǒng)進行設置并準確連 線。
[0044] 進一步的技術方案在于:所述的Allpole模型的概率密度函數(shù)為：
[0046] 其中，PQ表示平均功率;fd表示平均多普勒頻率;fc表示截止頻率，f表示頻率， n表 示正整數(shù)。
[0047]進一步的技術方案在于:所述的組合Exponential模型通過以下方法得出：
[0048] 通過控制兩個單一Exponential模型的截止頻率fc，選擇不同的exp函數(shù)曲線分別 描述高海情時高、低頻下降沿部分，最終將兩個exponential模型的高、低頻下降沿部分組 合，完成組合Exponential模型的建模，從而完成高海情雜波功率譜曲線的建模。
[0049]進一步的技術方案在于:所述的單一 Exponential模型的概率密度函數(shù)為：
[0051 ] 其中，PQ表示平均功率;匕表示截止頻率，f表示頻率。
[0052]采用上述技術方案所產(chǎn)生的有益效果在于：所述方法運用Allpole函數(shù)和組合 Exponential函數(shù)建立數(shù)學模型，以實測雷達海雜波為參考，在混響室中進行了雜波頻譜特 性地模擬再現(xiàn)，得到以下結論：
[0053] (1)采用IPIX雷達的海雜波數(shù)據(jù)，得到兩種典型海情下雷達海雜波頻譜特性。低海 情時，海雜波譜線呈銳利的"人字形"，滿足Allpole模型；高海情時，高、低頻兩側譜線下降 速率不一致，呈展寬的"入字形"，滿足組合Exponential模型。通過所述方法構建的模型克 服了Gaussian型頻譜模型的局限，對雷達雜波頻譜特性模擬刻畫更加精細、準確。
[0054] (2)理想條件下，混響室選頻特性良好，只在諧振頻率時有響應輸出，可以等效為 梳狀濾波器;非理想條件下，混響室選頻特性下降，其他頻率分量被激發(fā)，可以等效為高通 濾波器。本方法所用的混響室具有非理想特性，不影響注入的窄帶信號順利通過。
[0055] (3)將模擬重點放在海雜波頻譜的模型和最大多普勒頻移fdmax上，以實測雷達海 雜波頻譜特性為參考，通過不斷改變攪拌器轉速來實現(xiàn)不同類型下最大多普勒頻移f dmax的 模擬。
[0056] (4)從模擬結果來看，模擬出的混響室輸出頻譜特性與實測結果一致，頻譜模型與 輸入模型一致，不隨攪拌速率改變而發(fā)生變化;最大多普勒頻移fdmax只受攪拌速率影響，而 與輸入模型無關，最大多普勒頻移fdmax隨攪拌速率增大而增大。
【附圖說明】
[0057] 圖1是低海情下海雜波的時域波形圖；
[0058] 圖2是高海情下海雜波的時域波形圖；
[0059] 圖3是低海情下海雜波的功率譜密度圖；
[0060] 圖4是高海情下海雜波的功率譜密度圖；
[0061 ] 圖5是Gaussian型海雜波功率譜密度曲線；
[0062]圖6是Allpole型海雜波功率譜密度曲線；
[0063]圖7是單一參數(shù)的Exponential型海雜波功率譜密度曲線；
[0064]圖8是理想條件下混響室在工作頻率為1GHz附近的諧振頻率值譜線圖；
[0065]圖9是非理想條件下混響室幅頻響應圖；
[0066]圖10是不規(guī)則攪拌器的結構示意圖；
[0067]圖11是本發(fā)明中所述系統(tǒng)的原理框圖；
[0068]圖12是Allpole模型模擬的海雜波功率譜數(shù)學模型；
[0069]圖13是組合Exponential模型模擬的海雜波功率譜數(shù)學模型；
[0070] 圖14-15為攪拌速率一下Allpole模型模擬雜波功率譜密度曲線圖；
[0071] 圖16-17為攪拌速率二下Allpole模型模擬雜波功率譜密度曲線圖；
[0072]圖18-19為攪拌速率三下Allpole模型模擬雜波功率譜密度曲線圖；
[0073]圖20-21為攪拌速率一下組合Exponential模型模擬雜波功率譜密度曲線圖；
[0074]圖22-23為攪拌速率二下組合Exponential模型模擬雜波功率譜密度曲線圖；
[0075]圖24-25為攪拌速率三下組合Exponential模型模擬雜波功率譜密度曲線圖。
【具體實施方式】
[0076] 下面結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；?本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其 他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0077] 在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以 采用其他不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的 情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施例的限制。
[0078] 本發(fā)明公開了一種基于混響室的雷達雜波頻譜特性模擬系統(tǒng)及方法，所述方法使 用所述模擬系統(tǒng)進行，下面對本發(fā)明的相關理論進行說明：
[0079] 理想條件下混響室幅頻特性：
[0080]將諧振腔理論運用于混響室，從整體結構入手，忽略內(nèi)部一些非線性因素對幅頻 特性的影響，腔室主體可以視為一個規(guī)則的矩形結構，理想狀態(tài)下混響室諧振頻率為：
[0082] 其中：L表示混響室的長度，W表示混響室的寬度，Η表示混響室的寬度，c ο表示光 速，n、m、p為非負正整數(shù)且不同時為0。
[0083] 利用表1混響室相關參數(shù)：
[0084] 表1混響室基本參數(shù)
[0085] Table 1Parameters of reverberation chamber
[0086]
[0087] 經(jīng)計算，在工作頻率為1GHz附近的諧振頻率值譜線如圖8所示：
[0088] 從圖8可知，在忽略腔室損耗等影響條件下，理想狀態(tài)下的混響室諧振頻率是一根 根孤立的間斷譜線，隨著頻率地不斷升高，譜線密度增大。理論上，只有當輸入頻率等于諧 振頻率的信號才能通過。因此，理想混響室具有良好的選頻特性，可以視為理想的梳狀濾波 器。
[0089]非理想條件下混響室幅頻特性
[0090]品質(zhì)因數(shù)Q表征腔室損耗的能力，Q的倒數(shù)可以視為腔室中各種損耗分別取倒的疊 加。計算公式如下：
[0092] 式(7)中，ητχ為發(fā)射天線效率;為接收天線效率;p表示功率均值;Pi為接收功 率;Ρ?η為發(fā)射功率。
[0093] 品質(zhì)因數(shù)Q的值隨工作頻率升高呈上升趨勢，當混響室工作在1GHz左右時，理論Q 值在1〇5量級，Q值變化對腔室理想化程度造成影響。品質(zhì)因數(shù)Q的提出使得混響室損耗大小 有了一個具體的衡量指標，損耗的存在使得腔室理想化程度下降，隨之帶來的影響體現(xiàn)在 幅頻特性上就是諧振頻率地改變。為便于分析損耗影響(僅考慮電介質(zhì)損耗）：
[0095] 式(8)中，βη為本征值;an為本征函數(shù)。
[0096] 令電導率為〇,于是得到：
[0098]式(9)中，ε。表示復電容系數(shù)。
[0101] 進而得到：
[0103] 令：
[0104] JE · andT = Ane_jMt (12)
[0105] 式(12)中An為常數(shù)；ω = ω i+j ω 2，于是得：
[0113]式（16)表明，由于損耗原因使得原本在理想混響室中作無阻尼振蕩的電磁波出現(xiàn) 了阻尼振蕩現(xiàn)象，從阻尼振蕩的角度出發(fā)，可以將式(16)寫為積分式：
[0115]結合逆傅里葉變換將其中的所有頻率成分表示出來：
[0117]式（18)表明，要使得某一頻率成分下的場強值Ε(ω)得以凸顯，必須使」（ωη-ω)-c〇n/2Q?0,當品質(zhì)因數(shù)Q>>1時，就要求〇一 ω。
[0118]由以上理論分析并結合仿真，當混響室工作在1GHz時，其幅頻響應如圖9所示：
[0119] 由圖9可知，當輸入工作頻率較大時，混響室處于過模狀態(tài)，腔室內(nèi)包含的獨立諧 振頻率多，模式密度大。如果注入一個中心頻率較高的寬帶雷達信號，此時輸出信號的頻譜 分量由孤立的頻點擴充至連續(xù)的頻帶。而由式（18)可以看出，非理想條件下，混響室選頻特 性變差，諧振頻率周圍會激發(fā)出大量其他的頻率分量，并且隨著品質(zhì)因數(shù)Q的增大，諧振頻 率周圍的頻率分量也不斷增大。最終可以將混響室視為一個高通濾波器。
[0120] 本申請所用的混響室為非理想型，因此，在輸入一定帶寬的窄帶信號時可以順利 通過而不被抑制。
[0121 ]混響室雷達雜波頻譜特性模擬原理
[0122]波瀾起伏的海面可以視為雷達波發(fā)射接收之間的主要傳輸信道，由于海面起伏不 定，散射表體形狀各異，再加上海浪相互作用產(chǎn)生了豐富的細微結構，使得傳輸信道的形狀 實時變化，信道特性復雜多樣，導致回波多徑效應顯著。為了模仿海洋自然環(huán)境引起的時變 傳輸特性，混響室在結構設計上引入攪拌器與之相適應。攪拌器的存在使得原本簡單規(guī)則 的矩形腔室內(nèi)部結構變得復雜多變，本文所采用的混響室攪拌器除了形狀規(guī)則的主攪拌器 外，還有不規(guī)則的副攪拌器，由于副攪拌器獨特的鋸齒開口結構（如圖10所示)增加了腔室 結構的復雜性。
[0123]攪拌器的存在不僅增加了混響室?guī)缀谓Y構的復雜性，其連續(xù)轉動的過程還會引起 輸出響應的多普勒展寬。在真實的雷達雜波環(huán)境中，海雜波多普勒展寬主要是由于海浪在 風力、重力等的作用下作相對運動，其沿雷達入射波徑向方向的速度不為零造成的。同樣 地，在混響室雜波模擬系統(tǒng)中，攪拌器的連續(xù)轉動可以類比于海浪的翻滾，最終也會使得輸 出響應在頻譜上出現(xiàn)多普勒效應。旋轉的矩形良導體導致的多普勒頻移公式為：
[0125] 式（19)中，fo表示載頻;爐表示源與導體板夾角;r表示導體旋轉半徑；〇3表示導體 的旋轉角速度。
[0126] 進入腔室內(nèi)的電磁波在金屬腔壁和攪拌器之間來回反射，在連續(xù)攪拌模式下，電 磁波的傳播路徑隨機時變，形成一個時變多徑調(diào)制信道。因此，混響室的連續(xù)攪拌過程可以 視為時變Nakagami多徑衰落信道的生成過程。
[0127] 在這樣的多徑衰落信道中，平穩(wěn)窄帶復信號可以表示為：
[0128] S(/) = ^(/)cxp[- />(/)] (20)
[0129] 式(20)中A(t)和舛?)分別是信號的包絡和相位函數(shù)。
[0130] 定義S(t)的自協(xié)方差函數(shù)為：
[0131] 2Bs(x)=E[S*(t)S(t+T)]-|E[S(t)] |2 (21)
[0132] 式(21)中#(t)表示S(t)的共輒。因此，η階譜矩bn可以定義為：
[0136]式(23)中bo表示0階譜矩;1〇( ·)表示0階修正貝塞爾函數(shù);fdmax表示最大多普勒頻 移;1〇2〇4已[-：11，：11)。進一步推得1、2階譜矩131、&2分別為：
[0139] 式(24)和(25)中IK ·)和12( ·)分別表示1階和2階修正貝塞爾函數(shù)。
[0140] 式（19)給出了規(guī)則矩形導體薄板繞徑向旋轉所引起的多普勒頻移的一般表達式， 但是并沒有針對混響室中金屬攪拌器連續(xù)旋轉的情形，不能直接用于混響室中多普勒現(xiàn)象 的定量計算。引入N(P)(電平通過率），在各向同性散射模型中，κ = 〇，Ιη、?32可以簡化為b1 = 〇,62 =42疋2乂：^ ,N(P)可以表示為：
[0142]表示歸一化包絡電平。因此，混響室中最大多普勒頻移可以表 示為：

[0144] N(P)可以通過在混響室中設置實驗測量S21參數(shù)得到，而Nakagami形狀參數(shù)m無法 直接求得，但m與萊斯因子K有如下關系：
[0146] Rice因子K可以通過實驗測得，計算公式如下：
[0148] 式(29)中Pd表示轉移函數(shù)S21均值的功率;Ps表示轉移函數(shù)521的方差。
[0149] 由式(27)-(29)就可以求得fdmax定量解，但是求解過程較為復雜，尤其是m參數(shù)還 需要通過實驗間接求得，由于實驗誤差的存在，計算結果精度較低。因此，引入混響室中功 率譜密度計算的經(jīng)驗公式來簡化計算，在混響室中，接受區(qū)域的功率譜密度可以表示為：
[0151 ]式(30)中5(fd)表示Dirichlet函數(shù);Sin(fd)表示直接親合部分的接收頻譜。
[0152] 當對接收區(qū)域的頻譜采用其最大值進行歸一化處理，實驗結果與經(jīng)驗模型有很好 的擬合程度，采用指數(shù)型延遲表示為：
[0153] S(fd)=a · exp(-b | fd |-1) (31)
[0154] 式(31)中，a為常數(shù);b由混響室內(nèi)部配置和載頻共同決定，可以用b = i^進行計算。 其中λ是工作波長;β是形狀參數(shù)，其值依賴于攪拌器速率。
[0155] 如圖11所示，本發(fā)明公開了一種基于混響室的雷達雜波頻譜特性模擬系統(tǒng)，其特 征在于:包括組合信號發(fā)生模塊、射頻放大模塊、機械攪拌混響室和輸出信號采集模塊，所 述組合信號發(fā)生模塊的信號輸出端與射頻方法模塊的信號輸入端連接，所述射頻放大模塊 的信號輸出端與所述機械攪拌混響室的信號接收天線進行信號的傳輸，經(jīng)過機械攪拌混響 室的信號通過所述混響室內(nèi)的發(fā)射天線與所述輸出信號采集模塊的信號輸入端連接。
[0156] 采用模塊化形式對數(shù)據(jù)流進行傳輸處理，按照圖11所示搭建模擬系統(tǒng)并對實驗設 備進行相關設置。采用組合信號發(fā)生模塊-射頻放大模塊-機械攪拌混響室-輸出信號采集 模塊，四級結構完成對信號流的傳遞處理。將組合信號發(fā)生源生成的波形注入混響室，再對 輸出響應作傅里葉變換，觀察不同攪拌速率對輸出響應頻譜特性中多普勒展寬的影響。
[0157] (1)組合信號發(fā)生模塊。第一級為組合信號發(fā)生模塊，它主要由Agilent 33250Α任 意波形發(fā)生器和Agilent 8257D模擬信號發(fā)生器組合而成，在33250A中寫入低頻信號So，將 So作為調(diào)制信號饋入8257D中，經(jīng)過AM調(diào)制生成已調(diào)信號Si。由于8257D產(chǎn)生的信號功率過 低，無法滿足混響室輸入信號的功率要求，需要加入次級放大模塊對一級信號進行功率放 大。
[0158] (2)射頻放大模塊。第二級為射頻放大模塊，它主要由AR功率放大器（以下簡稱功 放)和低損耗同軸線纜組成。已調(diào)信號&經(jīng)過有效放大最終形成射頻輸入信號Sinput，適當調(diào) 節(jié)功放的放大倍數(shù)，使得射頻輸入信號Sinput既滿足混響室工作要求，又使得經(jīng)攪拌形成的 射頻輸出信號Soutput不毀傷輸出米集設備。
[0159] (3)機械攪拌混響室。第三極為機械攪拌混響室，包括腔室、攪拌器、接收天線和發(fā) 射天線，攪拌器、接收天線和發(fā)射天線位于所述腔室內(nèi)。選擇對數(shù)周期天線作為輸入，保持 其位置固定，對準混響室某一角落，發(fā)射天線選擇喇叭天線，同樣保持位置固定，射頻輸入 信號S lnput經(jīng)攪拌后形成射頻輸出信號Soutput向下級模塊傳輸。
[0160] (4)輸出信號采集模塊。第四級為輸出采集模塊，主要包括同軸衰減器和 Tektronix DP0 7254示波器。由于信號經(jīng)混響室后會有一個放大作用，一般射頻輸出信號 3__功率較大，不滿足示波器的工作要求，因此，先經(jīng)過20dB同軸衰減器降低功率，得到信 號S lOT，最后再由DP07254示波器對輸出信號進行采集，得到單次采樣信號S_ple。
[0161] 本發(fā)明還公開了一種基于混響室的雷達雜波頻譜特性模擬方法，包括如下步驟：
[0162] (1)采用Allpole模型對低海情的海雜波頻譜進行數(shù)學建模，如圖12所示，并采用 組合Exponential模型對高海情下的海雜波頻譜進行數(shù)學建模，如圖13所示；
[0163] 所述的Allpole模型的概率密度函數(shù)為：
[0165] 其中，PQ表示平均功率;fd表示平均多普勒頻率;f c表示截止頻率，f表示頻率，n表 示正整數(shù)。
[0166] 所述的組合Exponential模型通過以下方法得出：通過控制兩個單一Exponential 模型的截止頻率f。，選擇不同的exp函數(shù)曲線分別描述高海情時高、低頻下降沿部分，最終 將兩個exponential模型的高、低頻下降沿部分組合，完成組合Exponential模型的建模，從 而完成高海情雜波功率譜曲線的建模。
[0167] 所述的單一Exponential模型的概率密度函數(shù)為：
[0169] 其中，Ρο表示平均功率;f。表示截止頻率，f表示表示頻率。
[0170] (2)對建好的頻譜模型作逆傅里葉變換，得到其時域數(shù)據(jù)，選擇任意波形發(fā)生器 33250A中的"Arb"模式，將時域數(shù)據(jù)分別寫入并存儲于33250A的"Stored Wform"中備用；
[0171] (3)對混響室進行校準，由于本方法不涉及帶載情況，腔室內(nèi)無其他明顯影響電磁 波折反射的幾何物體，因此采用空載形式對腔體進行校準，校準結束后按照四級模塊化方 式對實驗裝置進行設置并準確連線。
[0172] (4)由于33250A型任意波形發(fā)生器產(chǎn)生的信號最高頻率不能超過80MHz(不滿足混 響室fl * 79.83MHz要求，其中fl表示混響室最低可用頻率，fl = 3*f〇，其中f〇由公式(6)當m = l、n = 〇、P = 〇得到。），故將低頻信號作為輸入送至8257D型模擬信號發(fā)生器中進行載波信號 幅度調(diào)制。將8257D設置到"AM"模式，輸入載波頻率為1GHz，選擇調(diào)制輸入端口為"0UT1"，完 成幅度調(diào)制信號的生成，再由功率放大器進行適度放大，最終形成射頻輸入。
[0173] (5)射頻輸入信號準備完畢后，對混響室內(nèi)部進行設置，固定收/發(fā)天線位置不變， 發(fā)射天線俯仰角約為60°，接收天線保持水平，設置攪拌器的電機控制程序，讓混響室工作 于連續(xù)模式，攪拌速率設置為〇. 314rad/s (攪拌速率一）。
[0174] (6)對輸出信號進行采樣，單次采樣樣本數(shù)為100000,用帶通采樣定理取示波器采 樣頻率f s = 5KHz，得到單次采樣信號Ssample。兩個頻譜模型各收錄為一個數(shù)據(jù)單元，保持輸 入信號不變，重復上述過程，每個單元測50組數(shù)據(jù)。
[0175] (7)改變攪拌器速率為0.628rad/s (攪拌速率二）、0.942rad/s (攪拌速率三），重復 步驟(6)。
[0176] 在雷達雜波頻譜特性模擬方法中有兩個頻譜模型，三種攪拌速率，共計6個數(shù)據(jù)單 元，300組數(shù)據(jù)。
[0177] 對得到的單次采樣數(shù)據(jù)作傅里葉變換和歸一化處理，分析其頻譜特性，圖14-19、 圖20-25分別是不同轉速下，以兩種模型為輸入得到的混響室輸出響應頻譜曲線：
[0178] 將不同轉速下，高、低海情模型得到的最大多普勒展寬fdmax列表2:
[0179] 表2不同速率下最大多普勒展寬fdmax
[0181] fdmax 單位：（Hz)
[0182] 結果表明：當輸入信號由傳統(tǒng)單頻信號改變?yōu)榫哂幸欢◣挼膶拵盘柡螅軌?在混響室中形成有效輸出，不影響其整體的頻譜特性，這與以上理論分析的非理想條件下 混響室可以視為一個高通濾波器的理論相一致。從圖14-25可以看出，經(jīng)過混響室攪拌后， 兩種模型得到的輸出其整體形狀與輸入時保持一致，只在最大多普勒展寬f dmajJ：有所不 同。另外，最大多普勒展寬fdmax隨攪拌器旋轉速率的增加而增大，增減程度與輸入模型無 關。
[0183] 所述方法運用Allpole函數(shù)和組合Exponential函數(shù)建立數(shù)學模型，以實測雷達海 雜波為參考，在混響室中進行了雜波頻譜特性地模擬再現(xiàn)，得到以下結論：
[0184] (1)采用IPIX雷達的海雜波數(shù)據(jù)，得到兩種典型海情下雷達海雜波頻譜特性。低海 情時，海雜波譜線呈銳利的"人字形"，滿足Allpole模型；高海情時，高、低頻兩側譜線下降 速率不一致，呈展寬的"入字形"，滿足組合Exponential模型。通過所述方法構建的模型克 服了Gaussian型頻譜模型的局限，對雷達雜波頻譜特性模擬刻畫更加精細、準確。
[0185] (2)理想條件下，混響室選頻特性良好，只在諧振頻率時有響應輸出，可以等效為 梳狀濾波器;非理想條件下，混響室選頻特性下降，其他頻率分量被激發(fā)，可以等效為高通 濾波器。本方法所用的混響室具有非理想特性，不影響注入的窄帶信號順利通過。
[0186] (3)將模擬重點放在海雜波頻譜的模型和最大多普勒頻移fdmax上，以實測雷達雜 波頻譜特性為參考，通過不斷改變攪拌器轉速來實現(xiàn)不同類型下最大多普勒頻移fdmax的模 擬。
[0187] (4)從模擬結果來看，模擬出的混響室輸出頻譜特性與實測結果一致，頻譜模型 與輸入模型一致，不隨攪拌速率改變而發(fā)生變化;最大多普勒頻移fdmax只受攪拌速率影響， 而與輸入模型無關，最大多普勒頻移fdmax隨攪拌速率增大而增大。
【主權項】
1. 一種基于混響室的雷達雜波頻譜特性模擬系統(tǒng)，其特征在于:包括組合信號發(fā)生模 塊、射頻放大模塊、機械攪拌混響室和輸出信號采集模塊，所述組合信號發(fā)生模塊的信號輸 出端與射頻方法模塊的信號輸入端連接，所述射頻放大模塊的信號輸出端與所述機械攪拌 混響室的信號接收天線進行信號的傳輸，經(jīng)過機械攪拌混響室的信號通過所述混響室內(nèi)的 發(fā)射天線與所述輸出信號采集模塊的信號輸入端連接。2. 如權利要求1所述的基于混響室的雷達雜波頻譜特性模擬系統(tǒng)，其特征在于:所述信 號發(fā)生模塊包括任意波形發(fā)生器和模擬信號發(fā)生器，所述任意波形發(fā)生器中寫入低頻信號 So,將低頻信號So作為調(diào)制信號饋入模擬信號發(fā)生器，模擬信號發(fā)生器經(jīng)過調(diào)制生成已調(diào)信 號Si。3. 如權利要求1所述的基于混響室的雷達雜波頻譜特性模擬系統(tǒng)，其特征在于:所述射 頻放大模塊包括AR功率放大器和低損耗同軸線纜，已調(diào)信號Si經(jīng)過AR功率放大器有效放大 最終形成射頻輸入信號S_ ut，適當調(diào)節(jié)功放的放大倍數(shù)，使得射頻輸入信號Sinput信號既滿 足混響室工作要求，又使得經(jīng)攪拌形成的S? t_信號不毀傷輸出采集設備。4. 如權利要求1所述的基于混響室的雷達雜波頻譜特性模擬系統(tǒng)，其特征在于:所述機 械攪拌混響室包括腔室、攪拌器、接收天線和發(fā)射天線，攪拌器、接收天線和發(fā)射天線位于 所述腔室內(nèi)，通過改變攪拌器的轉速來實現(xiàn)不同類型下最大多普勒頻移f dmax的模擬，接收 天線選擇對數(shù)周期天線作為輸入，保持其位置固定，對準混響室某一角落，發(fā)射天線選擇喇 叭天線，同樣保持位置固定，射頻輸入信號S in_經(jīng)攪拌后形成射頻輸出信號下級模 塊傳輸。5. 如權利要求1所述的基于混響室的雷達雜波頻譜特性模擬系統(tǒng)，其特征在于:所述輸 出信號采集模塊包括同軸衰減器和示波器，經(jīng)過混響室后的射頻輸出信號Soutputg過同軸 衰減器降低功率，得到信號S lOT，最后再由示波器對輸出信號進行采集，得到單次采樣信號 Ssample 〇6. -種基于混響室的雷達雜波頻譜特性模擬方法，其特征在于包括如下步驟： 采用Allpole模型對低海情的海雜波頻譜進行數(shù)學建模，并采用組合Exponential模型 對高海情下的海雜波頻譜進行數(shù)學建模； 對上述建好的頻譜模型作逆傅里葉變換，得到相應的時域數(shù)據(jù)，選擇不同類型的單周 期時域波形作為輸入，并將上述時域數(shù)據(jù)分別存儲于任意信號發(fā)生器中備用； 將單周期時域波形作為輸入送至模擬信號發(fā)生器中進行載波信號幅度調(diào)制，完成幅度 調(diào)制信號的生成，再由射頻放大模塊進行適度放大，最終形成射頻輸入信號； 射頻輸入信號準備完畢后，對機械攪拌混響室內(nèi)部進行設置，固定收發(fā)天線位置不變， 并設置攪拌器的電機控制程序，讓混響室工作于連續(xù)模式，攪拌器的攪拌速率設置為一定 值； 通過輸出信號采集模塊對機械攪拌混響室的輸出信號進行采樣，得到單次采樣信號 Ssampl(3，兩個頻譜模型的單次采樣信號&_1(3各收錄為一個數(shù)據(jù)單元，保持輸入信號不變，重 復上述過程，每個單元測若干組數(shù)據(jù)； 改變攪拌器速率并重復采集若干組兩個頻譜模型的單次采樣信號Ss_le; 對得到的單次采樣數(shù)據(jù)作傅里葉變換和歸一化處理，分析其頻譜特性。7. 如權利要求6所述的基于混響室的雷達雜波頻譜特性模擬方法，其特征在于所述方 法還包括對機械攪拌混響室進行校準的步驟，采用空載形式對所述混響室的腔室進行校 準，校準結束后對所述模擬系統(tǒng)進行設置并準確連線。8. 如權利要求6所述的基于混響室的雷達雜波頻譜特性模擬方法，其特征在于所述的 Allpole模型的概率密度函數(shù)為：其中，Ρο表示平均功率;fd表示平均多普勒頻率;f。表示截止頻率，f表示頻率，η表示正 整數(shù)。9. 如權利要求6所述的基于混響室的雷達雜波頻譜特性模擬方法，其特征在于所述的 組合Exponential模型通過以下方法得出： 通過控制兩個單一Exponential模型的截止頻率f。，選擇不同的exp函數(shù)曲線分別描述 高海情時高、低頻下降沿部分，最終將兩個exponential模型的高、低頻下降沿部分組合，完 成組合Exponential模型的建模，從而完成高海情雜波功率譜曲線的建模。10. 如權利要求9所述的基于混響室的雷達雜波頻譜特性模擬方法，其特征在于所述的 單一Exponential模型的概率密度尿丨救為.其中，Ρο表示平均功率;fc表示截止頻卒，f表不頻卒。
【文檔編號】G01S7/02GK105866743SQ201610221233
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月11日
【發(fā)明人】韓壯志, 梁玉英, 涂鵬, 孟亞峰, 呂貴洲
【申請人】中國人民解放軍軍械工程學院