海事雷达海面回波建模

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这个例子将引入一个海上监视雷达海面回波模拟系统。这个例子首先讨论与海洋相关的物理性质。接下来,它讨论了海洋表面的反射率,调查海况的影响,频率、极化和掠射角。最后,这个例子计算clutter-to-noise比率(CNR)海上监视雷达系统,考虑到传播路径和天气影响。

概述海洋国家

在描述海杂波,重要的是首先建立海洋表面的物理性质。在对雷达海面回波建模,有三个重要参数:

$σ_{h}$ 波高的标准偏差。波高被定义为波峰之间的垂直距离和相邻波谷。
$β_{0}$ 波的斜率。
$v_{w}$ 是风的速度。

由于不规则波,海洋的物理属性常常被描述的海洋国家。道格拉斯·海国家号码是一种广泛使用的规模代表广泛的物理海洋性质如海浪的高度和风速度有关。的低端,0代表一个平静的海面状况,玻璃海状态。然后规模收益略波及海状态1到海上风大浪急的海面高浪高5。在海上的浪高8可以大于9米或更多。

使用searoughness大海的属性函数,绘制状态1到5。注意慢波增加的斜率 $β_{0}$ 与海的状态。这是由于波长和波高与风速增加,尽管不同的因素。

%分析海州1到5党卫军= 1:5;%海州%初始化输出numSeaStates =元素个数(ss);numSeaStates hgtsd = 0 (1);numSeaStates beta0 = 0 (1);大众= 0 (1、numSeaStates);%获得海洋状态属性为= 1:numSeaStates [hgtsd(是),beta0(是)、大众()]= searoughness (ss(是));结束%绘制结果helperPlotSeaRoughness(党卫军,hgtsd beta0,大众);

$图包含3轴对象。坐标轴对象1标题海浪粗糙度,ylabel波高\ sigma_h (m)包含一个类型的对象。坐标轴对象2 ylabel波斜率\ beta_0(度)包含一个对象类型的线。轴对象3包含海洋国家,ylabel风速v_w (m / s)包含一个类型的对象。$

你介绍的物理性质是在发展中一个重要组成部分的几何和环境海上的场景。此外,正如您将看到的,从海面雷达返回海面状况表现出很强的依赖。

反射率

水的海面由平均盐度大约35‰部分。海水接近的反射系数 $- - - - - -$ 1微波频率和低放牧角度。

光滑的海洋,波高很小,与海无限,平坦的导电板与巴特后向散射。作为海洋国家增加数量和波高增加,表面粗糙度增加。这将导致增加定向依赖的散射。此外,反射率展品强烈的比例对波高的依赖和依赖风速频率的增加而增加。

研究海洋表面反射率和各种海洋状态使用频率seareflectivity函数。设置掠射角等于0.5度,并考虑频率500 MHz到35 GHz的范围。

grazAng = 0.5;%掠射角(度)频率= linspace (0.5 e9 35 e9,100);%频率(赫兹)波尔=“H”;%水平极化%初始化反射率输出numFreq =元素个数(频率);nrcsH = 0 (numFreq numSeaStates);%计算反射率为= 1:numSeaStates nrcsH (:,) = seareflectivity (ss(是),grazAng,频率,“极化”波尔);结束%绘制反射率grazAng helperPlotSeaReflectivity (ss,频率,nrcsH,波尔);

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题海况反射率σindexOf 0基线,包含频率(GHz), ylabel反射率σindexOf 0基线空白(d B)包含5线类型的对象。这些对象代表党卫军1 H,党卫军2 H,党卫军3 H,党卫军4 H,党卫军5 H。

图中显示,海洋表面反射率与频率成正比。此外,作为海洋国家数量增加,对应增加粗糙度、反射率也增加。

极化效应

接下来,考虑极化对海洋表面反射率的影响。保持同样的掠射角和频率由之前的部分。

波尔=“V”;%垂直极化%初始化反射率输出numFreq =元素个数(频率);nrcsV = 0 (numFreq numSeaStates);%计算反射率为= 1:numSeaStates nrcsV (:,) = seareflectivity (ss(是),grazAng,频率,“极化”波尔);结束%绘制反射率hax = helperPlotSeaReflectivity (ss、grazAng频率,nrcsH,“H”);grazAng helperPlotSeaReflectivity (ss,频率,nrcsV,“V”,hax);

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题海况反射率σindexOf 0基线,包含频率(GHz), ylabel反射率σindexOf 0基线空白(d B)包含10线类型的对象。这些对象代表党卫军1 H,党卫军2 H,党卫军3 H,党卫军4 H,党卫军5 H,党卫军1,V,党卫军2,V,党卫军3 V,党卫军4 V,党卫军5 V。

图显示有一个明显的基于极化对反射率的影响。请注意,水平和垂直偏振的区别是在较低的频率大于在更高的频率。作为海洋国家数量增加,水平和垂直偏振减少之间的区别。因此,有一个减少依赖极化越来越频繁。

掠射角的影响

考虑掠射角的影响。计算大海反射率的范围0.1 - 60度的l波段1.5 GHz的频率。

grazAng = linspace (0.1, 60100);%掠射角(度)频率= 1.5 e9;% l波段频率(赫兹)%初始化反射率输出numGrazAng =元素个数(grazAng);nrcsH = 0 (numGrazAng numSeaStates);nrcsV = 0 (numGrazAng numSeaStates);%计算反射率为= 1:numSeaStates nrcsH (:,) = seareflectivity (ss(是),grazAng,频率,“极化”,“H”);nrcsV (:,) = seareflectivity (ss(是),grazAng,频率,“极化”,“V”);结束%绘制反射率hax = helperPlotSeaReflectivity (ss、grazAng频率,nrcsH,“H”);grazAng helperPlotSeaReflectivity (ss,频率,nrcsV,“V”,hax);ylim (hax (-60 -10));

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题海况反射率σindexOf 0基线,包含掠射角(度),ylabel反射率σindexOf 0基线空白(d B)包含10线类型的对象。这些对象代表党卫军1 H,党卫军2 H,党卫军3 H,党卫军4 H,党卫军5 H,党卫军1,V,党卫军2,V,党卫军3 V,党卫军4 V,党卫军5 V。

从图,注意,有更多的变化在海里反射率较低放牧角度,以及垂直和水平极化之间存在差异。图中显示,依赖掠射角减少随着掠射角的增加。此外,反射率为水平极化信号小于垂直偏振信号相同的海况对放牧的范围角度考虑。

海上监视雷达的例子

计算Clutter-to-Noise比率

考虑一个水平极化海上监视雷达系统操作6 GHz (c波段)。定义雷达系统。

%雷达参数频率= 6 e9;% c波段频率(赫兹)anht = 20;%的高度(米)ppow = 200年e3;%峰值功率(W)τ= 200 e-6;%脉冲宽度(sec)脉冲重复频率= 300;%脉冲重复频率(赫兹)azbw = 10;%半功率方位波束宽度(度)elbw = 30;%海拔半功率波束宽度(度)Gt = 22;%传输增益(dB)Gr = 10;%接收增益(dB)nf = 3;%噪声图(dB)Ts = systemp (nf);%系统温度(K)

接下来,模拟一个操作环境,大海状态是2。计算并绘制海洋表面反射率的放牧角度定义几何。

%的海洋参数党卫军= 2;%海况%计算表面状态[hgtsd, beta0] = searoughness (ss);%设置几何anht = anht + 2 * hgtsd;%的平均高度混乱(m)surfht = 3 * hgtsd;%表面高度(米)%计算模拟最大射程Rua = time2range(1 /脉冲重复频率);%最大明确的范围(米)Rhoriz = horizonrange (anht,“SurfaceHeight”,surfht);%视野范围(米)征求= min (Rua Rhoriz);%最大模拟范围(米)%为模拟生成向量的范围征求Rm = linspace(100年,1000年);%范围(米)Rkm = Rm * 1 e - 3;%范围(公里)%计算海面回波反射率。暂时允许之外的值%海军海反射率模型掠射角范围0.1 - 60度。%,这是允许放牧角度小于0.1的分析%接近地平线的度。grazAng = grazingang (anht, Rm,“TargetHeight”,surfht);警告(“关闭”,“雷达:雷达:outsideValidityRegion”);%许可值外模式nrc = seareflectivity (ss、grazAng频率);警告(“上”,“雷达:雷达:outsideValidityRegion”);%将警告grazAng helperPlotSeaReflectivity (ss,频率,美国核管理委员会,“H”);

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题海况反射率σindexOf 0基线,包含掠射角(度),ylabel反射率σindexOf 0基线空白(d B)包含一个类型的对象。这个对象表示党卫军2,H。

接下来,计算雷达截面(RCS)的混乱使用clutterSurfaceRCS函数。注意减少杂波雷达RCS的视野范围。

%计算杂乱RCSrcs = clutterSurfaceRCS (elbw, nrc, Rm, azbw grazAng(:),τ);rcsdB = pow2db (rcs);%转换为策划分贝hax = helperPlot (Rkm rcsdB,RCS的,“杂乱RCS (dBsm)”,“杂波雷达截面(RCS)的);helperAddHorizLine (hax Rhoriz);

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题杂波雷达截面(RCS),包含范围(公里),ylabel杂乱RCS (dBsm)包含2线类型的对象,constantline。这些对象代表RCS,视野范围。

计算clutter-to-noise比率(CNR)使用radareqsnr函数。再次,注意下降在中国北车模拟雷达视野范围的方法。计算范围的混乱低于噪音。

%转换频率的波长λ= freq2wavelen(频率);%计算和绘制clutter-to-noise比率中国北车= radareqsnr(λ,Rm (:), ppowτ,…“获得”(Gt Gr),rcs的rcs,“t”、Ts);% dBhax = helperPlot (Rkm、中国北车、“中国北车”,“中国北车(dB)”,“Clutter-to-Noise比率(CNR)”);ylim (hax (-80 100));helperAddHorizLine (hax Rhoriz);helperAddBelowClutterPatch (hax);

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题Clutter-to-Noise比率(CNR),包含范围(公里),ylabel CNR (dB)包含3补丁类型的对象,线,constantline。下面这些对象代表杂波噪声、中国北车、视野范围。

%范围当杂乱低于噪音helperFindClutterBelowNoise (Rkm cnr);

范围的混乱低于噪声(公里)= 18.04

考虑到传播路径

当雷达和混乱之间的路径偏离自由空间条件,包括杂波传播因子和大气路径损失。你可以计算使用的杂波传播因素radarpropfactor函数。

%计算雷达杂波的传播因素Fc = radarpropfactor (Rm,频率、anht surfht,…“SurfaceHeightStandardDeviation”hgtsd,…“SurfaceSlope”beta0,…“ElevationBeamwidth”,elbw);helperPlot (Rkm Fc,“传播因素”,…“传播因素(dB)”,…“单向F_C杂波传播因素”);

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象标题O n e - W y F_C杂波传播因素,包含范围(公里),ylabel传播因素(dB)包含一个类型的对象。该对象代表传播的因素。

在上面的图中,可以看到两个传播区域:

干扰地区:这是地区直接射线反射干扰。这是表现出在哪里有天线波束的控制范围。
中间区域:这是该地区之间的干涉和衍射,衍射的区域被定义为一个影子区域之外的地平线。中间区域,在这个例子发生在曲线的扭结约1.5公里,通常是由一个插值估计之间的干涉和衍射区域。

通常,与海杂波传播因素反射率相结合的产品 $σ_{C} F_{C}^{4}$ ,因为表面反射率的测量通常是产品而不是反射率的测量 $σ_{C}$ 。计算这个产品和策划的结果。

%将杂波反射率和杂波传播的因素FcLinear = db2mag (Fc);%转换为线性单元combinedFactor = nrc。* FcLinear。^ 2;combinedFactordB = pow2db (combinedFactor);helperPlot (Rkm combinedFactordB,“\ sigma_CF_C”,…' \ sigma_CF_C (dB) ',…单向的海杂波传播因子和反射率);

$图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题单向海杂波传播因子和反射率,包含范围(公里),ylabelσindexOf C基线F indexOf C基线空白(d B)包含一个类型的对象。该对象代表\ sigma_CF_C。$

接下来,计算大气损失使用斜射线的路径tropopl函数。使用默认的标准大气模型计算。

%计算单向损失与大气elAng = height2el (surfht anht, Rm);%仰角(度)元素个数=元素个数(elAng);躺= 0(元素个数,1);为ie = 1:元素个数躺(即:)= tropopl (Rm (ie),频率,anht, elAng (ie));结束helperPlot (Rkm躺,“大气损失”,“损失(dB)”,“单向大气损失”);

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题单向大气损失,包含范围(公里),ylabel损失(dB)包含一个类型的对象。这个对象表示大气损失。

中国北车重新计算。包括传播因子和大气损失的计算。注意中国北车的形状的变化曲线。杂乱的点低于噪音更近的范围包括这些因素。

%计算中国北车包括雷达传播因子和大气的损失中国北车= radareqsnr(λ,Rm (:), ppowτ,…“获得”(Gt Gr),rcs的rcs,“t”Ts,…“PropagationFactor”足球俱乐部,…“AtmosphericLoss”,躺);% dBhelperAddPlot (Rkm、中国北车、“中国北车+传播因素+大气损失”,hax);

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题Clutter-to-Noise比率(CNR),包含范围(公里),ylabel CNR (dB)包含4块类型的对象,线,constantline。下面这些对象代表杂波噪声、中国北车、视野范围内,中国北车+传播因素+大气损失。

%范围当杂乱低于噪音helperFindClutterBelowNoise (Rkm cnr);

范围的混乱低于噪声(公里)= 10.44

了解天气效果

就像大气影响的检测目标,天气也会影响检测的混乱。在模拟的范围考虑降雨的影响。首先计算雨衰减。

%计算单向损失与雨有关rr = 50;%雨速度(毫米/小时)polAng = 0;%极化倾角(水平0度)elAng = height2el (surfht anht, Rm);%仰角(度)元素个数=元素个数(elAng);Lrain = 0(元素个数,1);为ie = 1:元素个数Lrain(即:)= cranerainpl (Rm (ie),频率,rr, elAng (ie), polAng);结束helperPlot (Rkm Lrain,“雨损失”,“损失(dB)”,“单向雨损失”);

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题单向雨损失,包含范围(公里),ylabel损失(dB)包含一个类型的对象。该对象代表雨损失。

中国北车重新计算。包括传播路径和雨的损失。请注意,只有轻微下降,中国北车由于雨的存在。

%计算中国北车包括雷达传播因素,大气损失,%和雨损失中国北车= radareqsnr(λ,Rm (:), ppowτ,…“获得”(Gt Gr),rcs的rcs,“t”Ts,…“PropagationFactor”足球俱乐部,…“AtmosphericLoss”躺+ Lrain);% dBhelperAddPlot (Rkm、中国北车、“中国北车+传播因素+大气损失+雨',hax);

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题Clutter-to-Noise比率(CNR),包含范围(公里),ylabel CNR (dB)包含5块类型的对象,线,constantline。下面这些对象代表杂波噪声、中国北车、视野范围内,中国北车+传播因素+大气损失,中国北车+ +大气损失+雨传播因素。

%范围当杂乱低于噪音helperFindClutterBelowNoise (Rkm cnr);

范围的混乱低于噪声(公里)= 9.61

总结

这个示例介绍了关于海洋表面的模拟概念。大海反射率展品以下属性:

强大的海洋国家的依赖
按比例对频率的依赖
一个依赖极化随频率增大而减小
强烈的依赖以低放牧掠射角角度

这个例子还讨论了如何使用海国家物理性质和反射率的计算clutter-to-noise比海上监视雷达系统。此外,这个例子解释了提高传播路径的模拟方法。

引用

巴顿,大卫·诺克斯。现代雷达的雷达方程。Artech房子雷达系列。波士顿、质量:Artech房子,2013。
布莱克,l . V。机绘制雷达垂直平面的覆盖图。海军研究实验室的报告,7098年,海军研究实验室,1970年。
Gregers-Hansen, V。,r·米塔尔。一种改进的雷达海面回波反射率的经验模型。海军研究实验室/先生,5310-12-9346,海军研究实验室,2012年4月27日。
理查兹,m·A。,Jim Scheer, William A. Holm, and William L. Melvin, eds.现代雷达原理。罗利数控:科技酒吧,2010。

函数helperPlotSeaRoughness (ss、hgtsd beta0,大众)%创建3 x1的海面粗糙度输出%创建图图%情节标准差的海浪高度次要情节(1,1)情节(ss、hgtsd“o”,“线宽”,1.5)ylabel ([sprintf (“波\ nHeight”)' \ sigma_h (m) '])标题(“海浪粗糙度”网格)在;%的阴谋海浪斜率次要情节(3、1、2)情节(ss、beta0“o”,“线宽”,1.5)ylabel ([sprintf (“波\ nSlope”)“\ beta_0(度)])网格在;%绘制风速次要情节(3,1,3)情节(ss,大众,“o”,“线宽”(1.5)包含“海洋国家”)ylabel ([sprintf (“风\ nVelocity”)“v_w(米/秒)])网格在;结束函数hax = helperPlotSeaReflectivity (ss、grazAng频率,nrc,波尔,hax)%的阴谋海反射率%创建图和新轴如果轴不通过newFigure = false;如果输入参数个数< 6图();甘氨胆酸hax =;newFigure = true;结束%得到极化字符串开关低(pol)情况下“h”线型=“- - -”;否则线型=“——”;结束%的阴谋如果元素个数(grazAng) = = 1线= semilogx (hax,频率(:),* 1 e-9 pow2db (nrc)线型,“线宽”,1.5);包含(“频率(GHz)”)其他的线=情节(hax grazAng (:), pow2db (nrc)线型,“线宽”,1.5);包含(掠射角(度))结束%设置显示名称numLines =大小(nrc, 2);为2 = 1:numLines线(ii)。DisplayName = sprintf (党卫军% d %年代”ss (ii),波尔);如果newFigure线(ii)。Color = brighten(hLine(ii).Color,0.5);结束结束%更新标签和轴ylabel (的反射率\ sigma_0 (dB)”)标题(“海洋国家反射率\ sigma_0”网格)在轴紧持有在;%添加传奇传奇(“位置”,“southoutside”,“NumColumns”5,“定位”,“水平”);结束函数varargout = helperPlot (Rkm y displayName, ylabelStr, titleName)%用于中国北车的分析%创建图hFig =图;hax =轴(hFig);%的阴谋情节(Rkm hax, y,“线宽”,1.5,“DisplayName的”displayName);网格(hax,“上”);持有(hax“上”);包含(hax的距离(公里))ylabel (hax ylabelStr);标题(hax titleName);轴(hax“紧”);%添加传奇传奇(hax“位置”,“最佳”)%输出轴如果nargout ~ = 0 varargout {1} = hax;结束结束函数helperAddPlot (Rkm y displayName, hax)%用于中国北车的分析%的阴谋ylimsIn =得到(hax,“Ylim”);情节(Rkm hax, y,“线宽”,1.5,“DisplayName的”displayName);轴(hax“紧”);ylimsNew =得到(hax,“Ylim”);集(hax,“Ylim”,(ylimsIn (1) ylimsNew (2)));结束函数helperAddHorizLine (hax Rhoriz)%添加垂直线显示视野范围参照线(Rhoriz。e - 3 * 1,“——”,“DisplayName的”,的视野范围,“线宽”,1.5);xlims =得到(hax,“XLim”);xlim ([xlims (1) Rhoriz。* 1 e - 3 * (1.05)]);结束函数helperAddBelowClutterPatch (hax)%添加补丁表明当杂乱低于噪音xlims =得到(hax,“Xlim”);ylims =得到(hax,“Ylim”);x = [xlims (1) xlims (1) xlims (2) xlims (2) xlims (1)];y = [ylims (1) 0 0 ylims (1) ylims (1)];惠普=补丁(hax, x, y, (0.8 0.8 0.8),…“FaceAlpha”,0.3,“EdgeColor”,“没有”,“DisplayName的”,“下面的杂波噪声”);uistack(惠普、“底”);结束函数helperFindClutterBelowNoise (Rkm cnr)%的杂乱低于噪声点idxNotNegInf = ~ isinf (cnr);Rclutterbelow = interp1 (cnr (idxNotNegInf) Rkm (idxNotNegInf), 0);流(范围的混乱低于噪声(公里)= % .2f \ n 'Rclutterbelow)结束