海洋雷达杂波仿真

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本例将介绍一个海上监视雷达系统的海杂波仿真。本例首先讨论与海况相关的物理属性。其次，讨论了海况、频率、偏振和掠射角对海面反射率的影响。最后，算例计算了海洋监视雷达系统的杂波噪声比(CNR)，考虑了传播路径和天气影响。

海国概况

在描述海杂波时，首先要确定海面的物理性质。在雷达海杂波建模中，有三个重要参数:

${σ.}_{h}$ 为波高的标准差。波高定义为波峰与相邻波谷之间的垂直距离。
$β_{0}$ 是波浪的坡度。
$v_{w}$ 是风速。

由于波浪的不规则性，海水的物理性质常常用海况来描述。道格拉斯海况数是一个广泛使用的尺度，它代表了广泛的物理海洋特性，如海浪高度和相关的风速。在刻度的低端，海洋状态为0表示平静的、玻璃般的海洋状态。然后，规模从轻微的波纹的海况1到大浪高的海况5。海况为8时，浪高可大于9米或更高。

使用searoughness函数，绘制海况1到5的海况属性。注意波浪坡度的缓慢增加 $β_{0}$ 海州。这是波长和波浪高度随着风速而增加的结果，尽管具有不同的因素。

%分析海况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);%获取海况属性为= 1: numsestatates [hgtsd(is)，beta0(is)，vw(is)] = searoug粗糙度(ss(is)); / / / / / / / / /结束%绘制结果helperPlotSeaRoughness(党卫军,hgtsd beta0,大众);

图中包含3个轴对象。标题为“海浪粗糙度”的轴对象1包含一个类型线对象。axis对象2包含一个类型为line的对象。axis对象3包含一个类型为line的对象。

你所介绍的物理性质是开发海洋场景的几何和环境的一个重要部分。此外，正如您将看到的，雷达从海面返回显示出对海况的强烈依赖性。

反思率

海水表面是由平均盐度约为千分之三十五的水组成的。海水的反射系数接近 $-$ 1为微波频率和低掠角。

对于光滑的海面，波浪高度很小，海面看起来就像一个无限大、平坦的导电板，背散射很小甚至没有。随着海况数的增加和浪高的增加，表面粗糙度增大。这导致增加的散射是方向相关的。此外，反射率对波浪高度有很强的比例依赖性，对风速的依赖性随频率的增加而增加。

研究海洋表面反射率与频率为各种海况使用seareflectivity函数。将掠角设置为0.5度，并考虑500mhz至35ghz范围内的频率。

grazAng = 0.5;％放牧角度（DEG）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(:，is) = sereflectivity (ss(is)，grazAng,freq，“极化”波尔);结束%绘制反射率grazAng helperPlotSeaReflectivity (ss,频率,nrcsH,波尔);

图中包含一个轴对象。带有标题的轴对象是空白的s t a空白r e f l e c t i v i t y空白sigma indexof 0基线包含5型对象的类型。这些对象代表SS 1，H，SS 2，H，SS 3，H，SS 4，H，SS 5，H.

从图中可以看出，海面反射率与频率成正比。此外，随着海况数的增加，对应粗糙度的增加，反射率也增加。

极化效应

接下来，考虑偏振对海面反射率的影响。保持与上一节相同的掠射角度和频率跨度。

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);%计算反射率为是= 1：numseastates nrcsv（：，是）= seareflectivity（ss（是），grazang，freq，“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);

图中包含一个轴对象。标题为S e空白S t e空白R e e e e ect i v ty空白sigma指数的0基线的轴对象包含10个类型线的对象。这些物体代表SS 1, H, SS 2, H, SS 3, H, SS 4, H, SS 5, H, SS 1, V, SS 2, V, SS 3, V, SS 4, V, SS 5, V。

从图中可以看出，偏振对反射率有明显的影响。请注意，水平和垂直极化之间的差异在较低的频率比在较高的频率更大。随着海况数的增加，水平极化和垂直极化的差异减小。因此，极化对频率的依赖性随频率的增加而减小。

掠射角的影响

考虑掠角的影响。计算在1.5 GHz的l波段频率范围内0.1到60度的海洋反射率。

grazAng = linspace (0.1, 60100);％放牧角度（DEG）频率= 1.5 e9;l波段频率(Hz)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(:，is) = sereflectivity (ss(is)，grazAng,freq，“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));

从图中可以看出，在较低掠入射角下，海洋反射率变化较大，垂直偏振和水平偏振存在差异。由图可知，随着掠角的增大，对掠角的依赖性减小。此外，在考虑掠入射角的范围内，相同海况下水平极化信号的反射率要小于垂直极化信号。

海上监控雷达例

计算Clutter-to-Noise比率

考虑一个工作在6ghz (c波段)的水平极化海上监视雷达系统。定义雷达系统。

%雷达参数频率= 6 e9;％C波段频率（Hz）anht = 20;%的高度(米)ppow = 200年e3;峰值功率(W)τ= 200 e-6;脉冲宽度(秒)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(deg)elbw = 30;％半功率高度波束宽度（DEG）Gt = 22;发射增益(dB)gr = 10;接收增益(dB)nf = 3;%噪声系数(dB)Ts = systemp (nf);系统温度(K)

接下来，模拟一个海况为2的操作环境。计算和绘图的海面反射率为掠角的定义几何。

%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;杂波上方平均高度(m)surfht = 3 * hgtsd;%表面高度(m)%计算模拟的最大范围Rua = time2range(1 /脉冲重复频率);％最大明确范围（m）Rhoriz = horizonrange (anht,“SurfaceHeight”, surfht);%水平距离(m)rmax = min（Rua，Rhoriz）;最大模拟范围(m)%生成用于模拟的范围向量征求Rm = linspace(100年,1000年);%范围(米)Rkm = Rm * 1 e - 3;%范围(公里)计算海杂波反射率grazAng = grazingang (anht, Rm,“TargetHeight”, surfht);nrc = seareflectivity (ss、grazAng频率);grazAng helperPlotSeaReflectivity (ss,频率,美国核管理委员会,“H”）;

图中包含一个轴对象。带有标题的轴对象是空白的s t a空白r e f l e c t i v i t y空白sigma indexof 0基线包含类型线的对象。该对象代表SS 2，H.

接下来，计算使用的杂波的雷达横截面（RCS）clutterSurfaceRCS函数。注意当雷达到达地平线范围时杂波RCS的下降。

％计算Clutter RCSrcs = clutterSurfaceRCS (elbw, nrc, Rm, azbw grazAng(:),τ);rcsdB = pow2db (rcs);%转换为分贝标绘hax = helperPlot (Rkm rcsdB,RCS的，'Clutter RCS（DBSM）'，杂波雷达截面(RCS)）;helperAddHorizLine (hax Rhoriz);

图中包含一个轴对象。以“杂波雷达截面(RCS)”为标题的轴对象包含两个类型为线、常线的对象。这些物体代表RCS，地平线范围。

计算杂波噪声比(CNR)使用radareqsnr函数。再次注意，当模拟距离接近雷达视界时CNR的下降。计算杂波低于噪声的范围。

将频率转换为波长λ= freq2wavelen(频率);计算并绘制杂讯比中国北车= radareqsnr(λ,Rm (:), ppowτ,．..“获得”(Gt Gr),rcs的rcs,'ts'、Ts);% dBhax = helperPlot (Rkm、中国北车、“中国北车”，'CNR（DB）'，'杂乱对噪声比（CNR）'）;ylim (hax (-80 100));helperAddHorizLine (hax Rhoriz);helperAddBelowClutterPatch (hax);

图中包含一个轴对象。以杂讯比(CNR)为标题的轴对象包含3个类型为patch、line、constantline的对象。这些对象代表杂波低于噪声，CNR，地平线范围。

当杂波低于噪声时的范围helperFindClutterBelowNoise (Rkm cnr);

杂波低于噪声的距离(公里)= 18.04

考虑传播路径

当雷达和杂波之间的路径偏离自由空间条件时，包括杂波传播因子和路径上的大气损失。可以使用radarpropfactor函数。

计算雷达杂波传播因子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)”，．..'单向杂波传播因子F_C'）;

图中包含一个轴对象。该轴对象与标题O e - W y空白C l u t t e r r空白P r g i O空白F C t r r空白F索引的C基线包含一个类型线的对象。这个对象表示传播因子。

在上面的图中，两个传播区域可见：

干涉区:这是反射与直射光线干涉的区域。这在有垂叶的范围内表现出来。
中间区域:这是干涉区和衍射区之间的区域，其中衍射区被定义为地平线以外的阴影区。中间区域，在这个例子中发生在曲线的扭结处约1.5 km，通常是由干涉和衍射区域之间的插值估计的。

一般情况下，杂波传播因子和海洋反射率结合为产物 ${σ.}_{C} F_{C}^{4}$ ，因为表面反射率的测量通常是对产品的测量，而不仅仅是反射率 ${σ.}_{C}$ ．计算此产品并绘制结果。

综合杂波反射率和杂波传播因子FcLinear = db2mag (Fc);%转换为线性单位combinedFactor = nrc。* FcLinear。^ 2;combinedFactordB = pow2db (combinedFactor);helperPlot (Rkm combinedFactordB,“\ sigma_CF_C”，．..' \ sigma_CF_C (dB) '，．..“单向海杂波传播因子和反射率”）;

$图中包含一个轴对象。标题为“单向海杂波传播因子和反射率”的轴对象包含一个类型为线的对象。这个对象表示\sigma_CF_C。$

接下来，使用斜路径计算路径上的大气损失tropopl函数。使用默认的标准大气模型进行计算。

％计算与大气相关的单向损失elAng = height2el (surfht anht, Rm);%仰角(deg)元素个数=元素个数(elAng);拉丁美斯=零（Numel，1）;为ie = 1:numEl Latmos(ie，:) = tropopl(Rm(ie)，freq,anht,elAng(ie));结束helperPlot (Rkm躺,“大气损失”，“损失(dB)”，“单向大气损失”）;

图中包含一个轴对象。标题为单向大气损失的轴对象包含一个类型为line的对象。这个对象表示大气损失。

中国北车重新计算。计算中包括传播因子和大气损耗。注意CNR曲线形状的变化。当你考虑这些因素时，杂波低于噪声的点在范围内会更接近。

重新计算CNR，包括雷达传播因子和大气损失中国北车= radareqsnr(λ,Rm (:), ppowτ,．..“获得”(Gt Gr),rcs的rcs,'ts'Ts,．..“PropagationFactor”足球俱乐部,．..“AtmosphericLoss”，拉丁美洲）;% dBhelperAddPlot (Rkm、中国北车、“CNR +传播因子+大气损耗”, hax);

图中包含一个轴对象。以杂讯比(CNR)为标题的轴对象包含4个类型为patch、line、constantline的对象。这些目标分别表示噪声下杂波、CNR、视距、CNR +传播因子+大气损耗。

当杂波低于噪声时的范围helperFindClutterBelowNoise (Rkm cnr);

杂波低于噪声(km) = 10.44的距离

了解天气效果

正如大气影响目标的检测，天气也影响杂波的检测。考虑在模拟范围内降雨的影响。首先计算降雨衰减。

％计算与下雨相关的单向损失rr = 50;雨率(mm/h)polAng = 0;%极化倾斜角(水平为0度)elAng = height2el (surfht anht, Rm);%仰角(deg)元素个数=元素个数(elAng);Lrain = 0(元素个数,1);为ie = 1:numEl Lrain(ie，:) = cranerainpl(Rm(ie)，freq,rr,elAng(ie)，polAng);结束helperPlot (Rkm Lrain,“雨损失”，“损失(dB)”，“单行雨量”）;

图中包含一个轴对象。标题为单向雨损的轴对象包含一个类型为line的对象。这个对象表示雨损失。

中国北车重新计算。包括传播路径和降雨损失。请注意，由于降雨的存在，CNR只有轻微的下降。

％重新计算CNR，包括雷达传播系数，大气损耗，％和雨量损失中国北车= radareqsnr(λ,Rm (:), ppowτ,．..“获得”(Gt Gr),rcs的rcs,'ts'Ts,．..“PropagationFactor”足球俱乐部,．..“AtmosphericLoss”躺+ Lrain);% dBhelperAddPlot (Rkm、中国北车、‘CNR +传播因子+大气损失+降雨’, hax);

图中包含一个轴对象。以杂波噪声比(CNR)为标题的轴对象包含5个类型为patch、line、constantline的对象。这些目标分别代表杂波噪声、CNR、地平线距离、CNR +传播因子+大气损失、CNR +传播因子+大气损失+降雨。

当杂波低于噪声时的范围helperFindClutterBelowNoise (Rkm cnr);

杂波低于噪声的距离(km) = 9.61

概括

这个例子介绍了关于海面模拟的概念。海洋反射率具有以下特性:

高度依赖海况
与频率成比例相关
随频率增加而减小的对极化的依赖性
在低掠角时，掠角对掠角有很强的依赖性

该算例还讨论了如何利用海况物理特性和反射率来计算海上监视雷达系统的杂波噪声比。此外，该示例还解释了改进传播路径模拟的方法。

参考

巴顿,大卫·诺克斯。现代雷达的雷达方程．Artech House雷达系列。马萨诸塞州波士顿:Artech House, 2013年。
布莱克,l . V。雷达垂直平面覆盖图的机器绘图．NRL报告，1970年海军研究实验室7098。
V. Gregers-Hansen和R. Mittal。雷达海杂波反射率的改进经验模型．海军研究实验室，2012年4月27日。
理查兹硕士，吉姆·希尔，威廉·霍尔姆和威廉·梅尔文主编。现代雷达原理．北卡罗来纳州罗利:SciTech Pub, 2010。

函数helperPlotSeaRoughness (ss、hgtsd beta0,大众)%创建3x1海面粗糙度输出图%创建图数字%绘制海浪高度标准差图次要情节(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；％绘图海波坡次要情节(3、1、2)情节(ss、beta0“o”，“线宽”, 1.5) ylabel ([sprintf ('wave \ nslope'）“\ beta_0(度)])网格在；图风速次要情节(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)%绘制海洋反射率图%如果没有传入坐标轴，创建图形和新的坐标轴newFigure = false;如果Nargin < 6图();甘氨胆酸hax =;newFigure = true;结束得到极化串开关低(pol)情况下“h”线型=“- - -”；除此以外线型=“——”；结束%的阴谋如果hLine = semilogx(hax,freq(:).*1e-9,pow2db(nrcs)，lineStyle)，“线宽”, 1.5);Xlabel（“频率(GHz)”）其他的线=情节(hax grazAng (:), pow2db (nrc)线型,“线宽”, 1.5);Xlabel（掠射角(度)）结束设置显示名称numLines =大小(nrc, 2);为ii = 1:numLines hLine(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('海况反射率\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CNR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CNR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)添加指示水平距离的垂线参照线(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)当杂波低于杂色时添加补丁xlims =得到(hax,'xlim'）;ylims = get（haxes，“Ylim”）;X = [xlims(1) xlims(1) xlims(2) xlims(2) xlims(1)];Y = [ylims(1) 0 0 ylims(1)];hP = patch(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)找出杂波低于杂波的点idxNotNegInf = ~ isinf (cnr);Rclutterbelow = interp1 (cnr (idxNotNegInf) Rkm (idxNotNegInf), 0);流(“杂波低于噪声的范围(km) = %.2f\n”Rclutterbelow)结束

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