基于海尖峰空时变特性的海尖峰模拟方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，更进一步涉及雷达海杂波技术领域中的一种基于海尖峰空时变特性的海尖峰模拟方法。本发明可用于模拟高分辨海杂波中的海尖峰，以及评估海杂波背景下的小目标检测器的性能。

背景技术

当海面雷达工作在高分辨、小擦地角模式时，在一个扫描周期内，海尖峰和目标回波在功率、持续时间等方面类似，容易形成虚警点。为了保证全场景恒虚警率，以及临界可观测目标的检测概率，海尖峰模拟方法的研究具有重要意义。目前，海尖峰的模拟方法主要是根据海尖峰的统计特性以及特性指标来进行模拟，虽然简单易行，但无法体现海尖峰在时间维与空间维的变化特性。

Greco,Stinco等人在其发表的论文“Identification and analysis of searadar clutter spikes”(IET Radar Sonar Navigation,2010,4(2):239-250)中公开了一种海尖峰模拟方法。该方法首先通过对实测海尖峰的发生数量进行统计分析，继而得到了海尖峰服从泊松分布的统计特性，并使用泊松分布模拟海尖峰在海面的发生概率，然后依据通过分析大量实测海尖峰的尖峰幅度，宽度以及尖峰间隔得出的海尖峰的特性设定模拟海尖峰的尖峰幅度，宽度以及尖峰之间的间隔，完成海尖峰模拟。该方法虽然符合海尖峰统计特性并设定了相关特性，但是，该方法仍然存在的不足之处是：未能体现在时间维上海尖峰的幅度从较小发展到峰值，平稳一段时间后逐渐衰落，幅度逐渐降低，直至消亡的过程。

Jin等人在其发表的论文“Fast scan-to-scan integration algoritnm forsmall target in sea clutter”(Electronics Letters,2017,53(15):1070-1071)中公开了一种海尖峰模拟方法。该方法首先通过对实测海尖峰数据中海尖峰持续时间进行统计分析，得到了海尖峰持续时间符合的指数分布，然后在上述方法的基础上，将海尖峰的持续时间设定为符合指数分布的随机量，完成海尖峰模拟。该方法虽然考虑到了海尖峰的持续时间在宏观上的统计特性，但是，该方法仍然存在的不足之处是：未能在模拟过程中体现真实海尖峰在空间维上的移动速度与物理海面的关系以及相应的相位速度。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于海尖峰空时变特性的海尖峰模拟方法，用于解决现有技术在海尖峰模拟方法中无法体现海尖峰的幅度与相位速度随时间与空间位置变化而变化的特性，因而无法贴近真实海尖峰的问题。

实现本发明目的的思路是：在高分辨雷达回波的脉冲时间-距离平面中，采用梯形包络对初始海尖峰在脉冲时间维进行幅度调制，体现出了在时间维上海尖峰的幅度从较小发展到峰值，平稳一段时间后逐渐衰落，幅度逐渐降低，直至消亡的过程，采用样条分布对脉冲维幅度调制后的初始海尖峰在距离维进行幅度调制，并结合物理海面特性设定距离维幅度调制后初始海尖峰的相位速度，得到贴近真实海尖峰的具有空时变特性的模拟海尖峰。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案包括如下：

(1)设定初始海尖峰的初始空间位置：

(1a)将提取的高分辨雷达回波的脉冲时间-距离平面中的脉冲时间维数与距离单元维数作为泊松分布函数的参数，得到一个与高分辨雷达回波的脉冲时间-距离平面大小相同的矩阵，矩阵中的一个非零元素所在位置的行数与列数分别代表对应高分辨雷达回波的脉冲时间-距离平面相应位置的一个初始海尖峰所占的脉冲时间的初始位置n

(1b)用每个初始海尖峰的持续时间除以高分辨雷达回波的单个脉冲时间，得到初始海尖峰在高分辨雷达回波的脉冲时间-距离平面中占据的脉冲总数，用每个初始海尖峰在高分辨雷达回波的脉冲时间-距离平面占据的距离除以高分辨雷达回波的一个距离单元的宽度，得到初始海尖峰在脉冲时间-距离平面中占据的距离单元总数，其中，初始海尖峰的持续时间符合指数分布，初始海尖峰在高分辨雷达回波的脉冲时间-距离平面占据的距离单元数符合样条分布；

(1c)根据每个初始海尖峰的初始位置与其相应的初始海尖峰所占据的脉冲总数与距离单元总数，设定每个初始海尖峰在高分辨雷达回波的脉冲时间-距离平面中的空间位置；

(2)对初始海尖峰在脉冲时间维进行幅度调制：

(2a)从M个初始海尖峰中随机选取一个未调制的初始海尖峰，将

(2b)用如下梯形包络对所选初始海尖峰在脉冲时间维的幅度进行调制：

其中，f(n)表示所选初始海尖峰占据的高分辨雷达回波的脉冲总数的第n个脉冲位置的幅度，N表示所选初始海尖峰占据的高分辨雷达回波的脉冲总数，α

(3)对脉冲维幅度调制后的初始海尖峰在距离维进行幅度调制：

(3a)用m个服从标准均匀分布的随机变量产生相应的样条分布，m≥100；

(3b)对样条分布在[0,1]范围内等间隔分段后再对每段进行积分；

(3c)将所有积分值中最大值的倒数作为比例系数，将每个积分值分别乘以比例系数，得到更新后的积分值；

(3d)利用α

(4)按照下式，设置距离维幅度调制后初始海尖峰占据的每个脉冲相位速度：

其中，

(5)生成具有空时变特性的海尖峰：

利用

(6)判断是否选完所有未调制过的初始海尖峰，若是，则执行步骤(7)，否则，执行步骤(2)；

(7)得到高分辨雷达回波的脉冲时间-距离平面中的具有空时变特性的所有海尖峰。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明采用梯形包络对初始海尖峰在脉冲时间维的幅度进行调制，克服了现有技术中未能体现在时间维上海尖峰的幅度从较小发展到峰值，平稳一段时间后逐渐衰落，幅度逐渐降低，直至消亡的过程的缺点，使得本发明在时间维模拟海尖峰幅度更加贴近真实海尖峰。

第二，由于本发明采用样条分布对脉冲维幅度调制后的初始海尖峰在距离维进行幅度调制，并设置距离维幅度调制后初始海尖峰占据的每个脉冲相位速度，克服了现有技术中未能在模拟过程中体现真实海尖峰在空间维上的移动速度与物理海面的关系以及相应的相位速度的缺点，使得本发明模拟距离维海尖峰幅度，以及模拟海尖峰相位速度更加贴近真实海尖峰。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为本发明仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

参照附图1，对本发明的实现步骤做进一步的描述。

步骤1，设定初始海尖峰的初始空间位置。

将提取的高分辨雷达回波的脉冲时间-距离平面中的脉冲时间维数与距离单元维数作为泊松分布函数的参数，得到一个与高分辨雷达回波的脉冲时间-距离平面大小相同的矩阵，矩阵中的一个非零元素所在位置的行数与列数分别代表对应高分辨雷达回波的脉冲时间-距离平面相应位置的一个初始海尖峰所占的脉冲时间的初始位置n

用每个初始海尖峰的持续时间除以高分辨雷达回波的单个脉冲时间，得到初始海尖峰在高分辨雷达回波的脉冲时间-距离平面中占据的脉冲总数，用每个初始海尖峰在高分辨雷达回波的脉冲时间-距离平面占据的距离除以高分辨雷达回波的一个距离单元的宽度，得到初始海尖峰在脉冲时间-距离平面中占据的距离单元总数，其中，初始海尖峰的持续时间符合指数分布，初始海尖峰在高分辨雷达回波的脉冲时间-距离平面占据的距离单元数符合样条分布；

根据每个初始海尖峰的初始位置与其相应的初始海尖峰所占据的脉冲总数与距离单元总数，设定每个初始海尖峰在高分辨雷达回波的脉冲时间-距离平面中的空间位置；

步骤2，对初始海尖峰在脉冲时间维进行幅度调制。

从M个初始海尖峰中随机选取一个未调制的初始海尖峰，将

用如下梯形包络对所选初始海尖峰在脉冲时间维的幅度进行调制：

其中，f(n)表示所选初始海尖峰占据的高分辨雷达回波的脉冲总数的第n个脉冲位置的幅度，N表示所选初始海尖峰占据的高分辨雷达回波的脉冲总数，α

步骤3，对脉冲维幅度调制后的初始海尖峰在距离维进行幅度调制。

用m个服从标准均匀分布的随机变量产生相应的样条分布，m≥100。

对样条分布在[0,1]范围内等间隔分段后再按照下式对每段进行积分：

其中，h(r)表示第r段的积分值，r＝1,2,...,R，R表示等间隔分割后段的总数，g(x)表示样条分布的概率密度函数。

将所有积分值中最大值的倒数作为比例系数，将每个积分值分别乘以比例系数，得到更新后的积分值。

利用α

步骤4，按照下式，设置距离维幅度调制后初始海尖峰占据的每个脉冲相位速度：

其中，

所述距离维幅度调制后初始海尖峰的径向速度是按如下方法得到的：

距离维幅度调制后初始海尖峰的径向速度v

其中，v

步骤5，生成具有空时变特性的海尖峰。

利用

所述具有空时变特性的海尖峰随脉冲时间移动的距离单元数由下式得出：

其中，[·]表示取整操作，T

步骤6，判断是否选完所有未调制过的初始海尖峰，若是，则执行步骤7，否则，执行步骤2。

步骤7，得到高分辨雷达回波的脉冲时间-距离平面中的具有空时变特性的所有海尖峰。

下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步描述。

1.仿真条件：

本发明的仿真实验运行的系统为Intel(R)Core(TM)i7-6700 CPU@3.40GHz，64位Windows操作系统，仿真软件采用MATLAB R(2017a)。

2.仿真内容与结果分析：

本发明仿真实验分别使用本发明与现有技术(基于实测海尖峰统计特性的海尖峰仿真方法)分别对海尖峰进行仿真。

在仿真实验中，采用的现有技术是指：

现有技术基于实测海尖峰统计特性的仿真方法是指，Jin等人在其发表的论文“Fast scan-to-scan integration algoritnm for small target in sea clutter”(Electronics Letters,2017,53(15):1070-1071)中提出的一种海尖峰模拟方法，简称基于实测海尖峰统计特性的海尖峰仿真方法。

下面结合图2的仿真图对本发明的效果做进一步的描述。

图2(a)为本发明仿真实验中设定雷达脉冲重复频率为2000Hz，距离单元宽度为3m得到的具有空时变特性的模拟海尖峰的脉冲时间-距离图，其中，x轴表示海尖峰存在的距离单元，y轴表示海尖峰存在的脉冲时间，z轴表示海尖峰的幅度。

图2(b)为由现有技术仿真实验得到的具有基于实测海尖峰统计特性的模拟海尖峰的海杂波仿真图，其中，横坐标表示高分辨雷达回波平面的距离单元，纵坐标表示高分辨雷达回波平面的脉冲时间。图2(b)中高亮的点迹即为模拟海尖峰。

由图2(a)可以看出，本发明的模拟海尖峰的幅度在高分辨雷达回波的脉冲时间-距离平面中具有随脉冲时间与距离单元变化而变化的特性，海尖峰从产生到发展最后消亡的过程是动态的。

由图2(b)可以看出，传统的海尖峰模拟方法仿真的模拟海尖峰仅在海杂波仿真图中为点迹存在，无法体现海尖峰在高分辨雷达回波的脉冲时间-距离平面中随脉冲时间与距离单元变化而变化的动态发展过程。

对比图2(a)和图2(b)可以看出，本发明相较于传统的海尖峰模拟方法更能体现海尖峰的空时变特性，更能贴近真实的海尖峰。