雷達(dá)模擬器中海雜波模擬的一種新方法

迅速而準(zhǔn)確地模擬雷達(dá)雜波的方法對雷達(dá)系統(tǒng)模擬及雷達(dá)信號處理來說十分重要[1]。目前海雜波建模主要有三種方式：散射機理建模、雜波統(tǒng)計建模和雜波非線性建模，其中雜波統(tǒng)計建模是最常用的方式[2]。產(chǎn)生具有一定概率分布的隨機序列的方法主要有：球不變隨機過程法(SIRP)和零記憶非線性變換法(ZMNL)[3]。海雜波在模擬中有著非常重要的地位，如何將建模得到的海雜波快速逼真地反應(yīng)在模擬器的光柵顯示器上顯得尤為重要。本文采用經(jīng)典的海雜波模型，通過ZMNL來產(chǎn)生海雜波序列，再進(jìn)行距離和近程增益調(diào)制，可以快速逼真地模擬海雜波。
1 常見的海雜波模型
　較為經(jīng)典的海雜波模型有：
　(1)瑞利分布[4]：

　
　(2)對數(shù)正態(tài)分布[5]：

　式中，x為海雜波幅度瞬時值，eu+σ/2為雜波幅度的均方值。在分辨力提高或高海情下，海雜波的后向散射特性偏離了瑞利分布，尾部較長，適合于用對數(shù)正態(tài)分布模擬。
　(3)韋布爾分布[6]：

　式中，p為比例參數(shù)，若p=2就成為瑞利分布；若p=1就是指數(shù)概率密度函數(shù)。q為形狀參數(shù)，根據(jù)不同海情，一般在1.4~2之間變化。 海雜波幅度起伏較均勻，在高分辨力和低入射角的情況下Weibull分布更為合理，雜波嚴(yán)重的情況下能更好地擬合海雜波尾部拉長的情況。
　(4)K分布[7]：

　對高分辨雷達(dá)在低視角工作時獲得的雜波回波包絡(luò)模型的研究表明，用K分布不僅可以在很寬的范圍內(nèi)很好地與觀測雜波數(shù)據(jù)的幅度分布匹配，而且還可以正確地模擬雜波回波脈沖間的相關(guān)特性。
2 用ZMNL產(chǎn)生相應(yīng)的海雜波序列
　ZMNL法和SIRP法從兩種不同的途徑實現(xiàn)同時滿足一定幅度分布和一定相關(guān)條件的隨機數(shù)的產(chǎn)生，它們各有優(yōu)缺點[8]。ZMNL法優(yōu)點是計算量小，易形成快速算法。但是需要進(jìn)行非線性變換，而且該方法推導(dǎo)非線性變換前后相關(guān)之間的關(guān)系比較困難。SIRP法的優(yōu)點是由于實現(xiàn)PDF相關(guān)特性可以獨立控制、容易推廣，實現(xiàn)相干建模也比較容易。SIRP甚至能由低階的PDF導(dǎo)出高階PDF，這一點對于精度建模尤其重要。但其缺點也很明顯，受所求序列的階數(shù)及自相關(guān)函數(shù)的限制，計算量大、不易形成快速算法。
　對于產(chǎn)生具有一定概率分布的隨機序列的方法，采用零記憶非線性變換法(ZMNL)，主要原因是此方法相比SIRP法其優(yōu)點是計算量小、易形成快速算法。對于模擬器來說，其實時性要求比較高，要實時產(chǎn)生海雜波客觀上需要快速計算的方法。ZMNL主要方法是從獨立的高斯過程出發(fā)，得到相關(guān)高斯過程后經(jīng)過非線性變化再得到所需的非高斯過程。其步驟如下[6]：
　(1)產(chǎn)生高斯白噪聲序列ni；
　(2)將高斯白噪聲序列ni通過一個線性濾波器H(Z)，得到高斯色噪聲序列xi，即使xi各個時間點上的隨機變量具有某種相關(guān)性；
　(3)對相關(guān)高斯色噪聲序列xi進(jìn)行線性變換，得到具有某種概率分布的相關(guān)序列zi。以韋布爾分布為例，韋布爾分布隨機變量x可以用兩個正態(tài)分布的隨機變量w1和w2表示，即：
　

3 海雜波的調(diào)制及模擬流程
　對于模擬的海雜波，要能逼真地反應(yīng)在模擬器的光柵顯示器上，必須進(jìn)行距離衰減和近程增益控制的調(diào)制。
　(1)海雜波的距離衰減
　任何雷達(dá)都有一定的作用距離，雷達(dá)方程則是描述距離衰減的最簡單有效的方式之一[9]。假設(shè)為理想無耗、自由空間傳播時單基雷達(dá)方程：

　式中，Pr為雷達(dá)接收的回波功率，Pt為雷達(dá)發(fā)射功率，Gt、Gr分別為發(fā)射天線和接收天線的增益，σ為目標(biāo)截面積，λ為波長，R為雷達(dá)到目標(biāo)的距離。雷達(dá)接收的回波功率與距離R的四次方成反比，即與R-4成正比，隨著R的增大，回波功率衰減得很快。因此要逼真地模擬海雜波，必須對模擬出的海雜波進(jìn)行距離上的衰減，由上式可知，距離衰減模型可以選擇如上的指數(shù)模型，即在模擬的雜波序列上按距離乘以一個指數(shù)衰減的因子。
　(2)海雜波的近程增益控制
　近程增益控制(STC)基本是每部雷達(dá)里都采用的處理措施，也稱為“時間增益控制”或是“靈敏度時間控制”。它主要用來防止近程雜波干擾使中頻放大器發(fā)生過載，對近區(qū)海域調(diào)低增益，對遠(yuǎn)區(qū)海域則調(diào)高增益[10]。
　近程增益控制的基本原理是每次發(fā)射脈沖后，產(chǎn)生一個負(fù)極性隨時間漸趨于零的控制電壓，供給被控的中放級，使接收機的增益按此規(guī)定電壓的形狀發(fā)生變化，如圖2所示。它實際上是一個接收機靈敏度隨時間變化的調(diào)整電路。由于海浪反射的功率與R呈指數(shù)的衰減形式，因此接收機的靈敏度同樣按這個形式變化，如圖3所示。

　由上述可知，經(jīng)過靈敏度時間控制電路后，調(diào)節(jié)了不同距離的海雜波在P顯上的亮度，因此STC的模擬也可以采用合適的指數(shù)模型，即在模擬得到的雜波序列上按距離乘以一個指數(shù)型的STC控制因子。
　(3)海雜波的模擬流程
　對海雜波的模擬，首先要產(chǎn)生一個相關(guān)的雜波序列。根據(jù)ZMNL原理，以韋布爾分布序列為例，當(dāng)選擇p=2.5，q=2時可得到韋布爾雜波序列仿真結(jié)果如圖4所示。