一种舰船目标的内场场景构建方法与流程

1.本发明涉及电磁场景模拟技术领域，尤其涉及一种舰船目标的内场场景构建方法。


背景技术：

2.目前，采用内场模拟干扰对抗电磁场景是今后发展的方向。内场电磁场景模拟可在暗室内通过信号源等设备与雷达进行交互，模拟雷达工作中探测到的目标与假目标等回波，实现雷达内场软硬件的测试。在内场场景下，需要对内场电磁场景进行极化和距离像特性逼真模拟。
3.现有的内场电磁场景模拟方法主要是通过信号源模拟雷达探测的点目标，或通过调制目标电磁模型，模拟具有一维距离像特性的场景目标回波，但面向假目标对抗场景模拟应用，其存在以下不足：
4.1)仅能模拟单脉冲非相参体制雷达回波，对于相参体制雷达回波模拟能力欠缺，相参积累后模拟的场景回波特性失真；
5.2)在内场模拟全极化信号回波时，存在目标极化特性模拟逼真度差的问题，无法满足基于极化信息进行目标与假目标识别算法验证的需求。


技术实现要素：

6.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种舰船目标的内场场景构建方法，能够解决现有技术中内场电磁场景模拟回波特性失真以及目标极化特性模拟逼真度差的技术问题。
7.本发明公开了一种舰船目标的内场场景构建方法，包括：
8.根据内场场景的场景设置要求，从全向舰船目标特性库中选取目标散射特性模型；
9.在内场场景下，根据场景设置要求以及调取的每一模拟目标的目标散射特性模型，生成雷达模拟目标回波；
10.在生成的雷达模拟目标回波上叠加背景噪声数据，得到内场场景下的雷达模拟回波信号，完成内场场景的构建。
11.在上述方案的基础上，本发明还做出了如下改进：
12.进一步，所述舰船目标特性库包括舰船目标的舰船类型、雷达设备参数、目标参数及其对应的目标散射特性模型；其中，
13.所述目标散射特性模型由若干稳定散射点在hh、hv、vh及vv四个极化通道上的距离像位置、散射点相位及散射点幅值组成。
14.进一步，所述场景设置要求包括：
15.模拟目标的目标类型，模拟目标为1个或多个；
16.雷达设备参数，包括：雷达波段和极化状态；
17.场景环境参数，包括：海况信息、雷达设备的海拔高度、雷达-目标距离。
18.进一步，通过执行以下操作生成雷达模拟目标回波：
19.根据场景设置要求中的雷达设备参数，生成雷达发射信号；
20.基于每一模拟目标的目标散射特性模型和雷达发射信号，获得相应模拟目标的雷达模拟目标回波；
21.若场景设置要求中仅包含一个模拟目标，则将该模拟目标的雷达模拟目标回波作为内场场景下的雷达模拟目标回波；否则，则对所有模拟目标的雷达模拟目标回波进行电磁波叠加，得到内场场景下的雷达模拟目标回波。
22.进一步，通过执行以下操作获得模拟目标的雷达模拟目标回波：
23.根据调取的该模拟目标的目标散射特性模型，获得该模拟目标在各极化通道的一维距离像数据；
24.根据场景设置要求中的雷达-目标距离，将各极化通道的一维距离像数据叠加到雷达-目标距离的相应位置，组成该模拟目标的距离像目标散射点集；
25.利用雷达发射信号对该模拟目标的距离像目标散射点集进行目标特性调制，生成该模拟目标的雷达模拟目标回波。
26.进一步，从所述目标特性库中选取目标散射特性模型，包括：
27.基于模拟目标的场景环境参数，获取模拟目标的目标参数；
28.根据每一模拟目标的目标类型、雷达波段及目标参数，从目标特性库中调取匹配于各模拟目标的目标散射特性模型。
29.进一步，所述全向舰船目标特性库通过以下方式构建：
30.在外场对舰船目标进行不同入射余角下的全向数据采集试验，获取实测高速回波数据；
31.基于归一化基函数，对每一帧实测高速回波数据对应的距离-多普勒数据中的目标区域进行目标特性提取，获得对应的目标特性距离-多普勒数据；
32.在各入射余角下，基于各帧目标特性距离-多普勒数据在主极化通道的目标特性距离-多普勒数据分量，获得相应入射余角下主极化通道的全向稳定散射点序列；
33.将各入射余角下主极化通道的全向稳定散射点序列对应到其他极化通道，获取相应入射余角下其他极化通道的全向稳定散射点序列；
34.对不同入射余角下、各个极化通道的全向稳定散射点序列分别进行全向散射点建模，构建得到全向舰船目标特性库。
35.进一步，获得相应入射余角下主极化通道的全向稳定散射点序列，包括：
36.对主极化通道的各帧目标特性距离-多普勒数据分量进行解相参处理，取幅度最大的一个prt作为该帧在主极化通道下的一维距离像；
37.根据各帧在主极化通道下的一维距离像及其对应的舷向角，确定主极化通道下的垂直舷向帧区间的一维距离像序列，以及，非垂直舷向帧区间的一维距离像序列；
38.对非垂直舷向帧区间的各帧一维距离像进行目标特性关联，获取主极化通道下非垂直舷向帧区间的稳定散射点序列；
39.基于主极化通道下非垂直舷向帧区间的稳定散射点序列，获取主极化通道下垂直舷向帧区间的稳定散射点序列；
40.对主极化通道下非垂直、垂直舷向帧区间的稳定散射点序列按照帧序号进行排序，得到相应入射余角下主极化通道的全向稳定散射点序列。
41.进一步，获取主极化通道下非垂直舷向帧区间的稳定散射点序列，包括：
42.根据预设的关联片段帧数，对非垂直舷向帧区间中时序上相邻的一维距离像进行片段划分，并按照帧序号对本片段内的各帧一维距离像进行顺序拼接，得到若干个片段数据；
43.预处理每一片段数据，得到相应的稳定散射点片段数据；
44.对每一稳定散射点片段数据进行距离像主成分分析及聚类分析，输出相应片段内帧间关联的稳定散射点序列及聚类中心；
45.根据各片段内帧间关联的稳定散射点序列及聚类中心，进行片段间关联，获得主极化通道下非垂直舷向帧区间的稳定散射点序列。
46.进一步，所述目标参数包括入射余角、舷向角和径向速度；通过以下方式构建全向舰船目标特性库：
47.对不同入射余角下、各个极化通道的全向稳定散射点序列分别进行全向散射点建模，得到多极化通道下舰船全向散射点模型；
48.按照全向舰船目标特性库的结构重新组织多极化通道下舰船全向散射点模型中的数据，构建得到全向舰船目标特性库。
49.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
50.本发明提供的舰船目标的内场场景构建方法，具备如下优势：
51.1、该方法充分将预先构建好的全向舰船目标特性库与内场电磁场景的场景及参数相结合，实现对相参体制雷达回波模拟，相参积累后模拟的场景回波特性真实性高。
52.2、在内场模拟各种极化状态的信号回波中目标极化特性模拟逼真度高，能够可靠满足基于极化信息进行目标识别算法验证的需求。
53.3、本发明所提供的内场场景构建方法与现有技术相比，其更加可靠，在内场模拟舰船目标场景时的回波特性与外场采集数据特性相一致，距离像和多普勒维度特性逼真度高，能满足高分辨率雷达识别性能测试环境要求；
54.4、通过本发明中提供的全向舰船目标特性库构建方法，能够获得舰船目标的全向散射点数据，极大地方便了内场构建时的目标散射特性模型选取，有效扩展了内场场景构建的应用场景。
55.本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
56.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
57.图1为舰船目标的内场场景构建方法流程图；
58.图2为全向舰船目标特性库的构建方法流程图；
59.图3为示例中舷向角为0
°
时、第k个稳定散射点的距离像位置与当前帧中舰船目标的质心点的距离像位置的对应关系示意图；
60.图4为示例中舷向角为45
°
时、第k个稳定散射点的距离像位置与当前帧中舰船目标的质心点的距离像位置的对应关系示意图；
61.图5为示例中稳定散射点在波束方向的径向速度获取方式示意图。
62.图6为舰船全向散射点模型结构示意图。
具体实施方式
63.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
64.实施例1
65.本发明的一个具体实施例1，公开了一种舰船目标的内场场景构建方法，流程图如图1所示，内场场景构建的方法包括：
66.步骤s1：根据内场场景的场景设置要求，从全向舰船目标特性库中选取目标散射特性模型；
67.在本实施例中，基于场景试验中习惯的表征方式，设置内场场景下场景设置要求；优选地，场景设置要求包括：
68.(1)模拟目标的目标类型
69.模拟目标为1个或多个；
70.(2)雷达设备参数
71.内场场景下的雷达设备参数包括雷达波段和极化状态等；需要注意的是，由于可以根据全极化状态下的目标散射特性模型得到相应的水平极化方向和垂直极化方向上的相关数据，同时，也有效利用外场试验场景的试验条件，因此，在构建全向舰船目标特性库时，雷达的极化状态应设置为全极化；而在内场场景下，雷达的极化状态可根据场景设置要求进行限定，如水平方向极化、垂直方向极化或全极化。
72.(3)场景环境参数
73.舰船类目标的场景环境参数包括海况信息、雷达设备的海拔高度、雷达-目标距离、航向及航速。
74.步骤s11：基于模拟目标的场景环境参数，获取模拟目标的目标参数；
75.目标参数与全向舰船目标特性库中目标参数包含的内容相同，均包括入射余角、舷向角和径向速度；
76.(1)入射余角
77.基于模拟目标的场景环境参数中雷达的海拔高度以及雷达-目标距离，确定相应的入射余角；具体地，入射余角指波束方向与目标位置水平面的夹角，入射余角可以利用公式计算获取，其中，a
target
、a
radar
、d
r,t
分别表示目标的海拔高度、雷达的海拔高度、雷达-目标距离。实际应用过程中，舰船目标的海拔高度默认为0。
78.(2)舷向角
79.以左舷为负、右舷为正，通过雷达直指目标的方向和舰船的航向计算获得舷向角。
80.(3)径向速度
81.通过舰船的航向、航速计算获得径向速度。
82.步骤s12：根据每一模拟目标的目标类型、雷达波段及目标参数，从目标特性库中调取匹配于各模拟目标的目标散射特性模型。
83.在本实施例中，舰船目标特性库包括舰船目标的舰船类型、雷达设备参数、目标参数及不同舰船类型、雷达设备参数及目标参数组合下对应的目标散射特性模型；其中，所述目标散射特性模型由若干稳定散射点在hh、hv、vh及vv四个极化通道上的距离像位置、散射点相位及散射点幅值组成。
84.需要明确的是，步骤s12中的匹配是指：
85.在目标特性库中查找与模拟目标的目标类型和雷达波段一致、且目标参数满足预设的阈值偏差要求的一条目标数据，将该条目标数据中的目标散射特性模型作为该模拟目标的目标散射特性模型。
86.优选地，目标参数满足预设的阈值偏差要求，是指：将模拟目标的目标参数中的各项参量与目标特性库中的对应参量进行比较，每项参量应满足该参量的阈值偏差。
87.步骤s2：在内场场景下，根据场景设置要求以及调取的每一模拟目标的目标散射特性模型，生成雷达模拟目标回波；
88.步骤s21：根据场景设置要求中的雷达设备参数，生成雷达发射信号；
89.具体地，根据雷达设备参数中的雷达波段，确定雷达发射信号所属的波段；根据雷达设备参数中的极化状态，确定雷达发射信号的极化波；示例性地，若极化状态为水平方向极化，雷达发射信号为水平极化波；若极化状态为垂直方向极化，雷达发射信号为垂直极化波；若极化状态为全极化，雷达发射信号包括同时发射的水平极化波和垂直极化波。
90.步骤s22：基于每一模拟目标的目标散射特性模型和雷达发射信号，获得相应模拟目标的雷达模拟目标回波；
91.对于每一模拟目标，通过执行以下操作获得该模拟目标的雷达模拟目标回波：
92.步骤s221：根据调取的该模拟目标的目标散射特性模型，获得该模拟目标在各极化通道的一维距离像数据；
93.需要说明的是，根据目标散射特性模型中的信息，能够直接还原出各稳定散射点在一维距离像的信息，一维距离像中其余没有稳定散射点的位置取值为0，从而获得该模拟目标在各极化通道的一维距离像数据；
94.步骤s222：根据场景设置要求中的雷达-目标距离，将各极化通道的一维距离像数据叠加到雷达-目标距离的相应位置，组成该模拟目标的距离像目标散射点集。
95.步骤s223：利用雷达发射信号对该模拟目标的距离像目标散射点集进行目标特性调制，生成该模拟目标的雷达模拟目标回波；
96.目标特性回波调制的公式表达为：
[0097][0098][0099]
其中，s
hh
、s
hv
、s
vh
和s
vv
分别为hh、hv、vh、vv四个极化通道的距离像目标散射点集，sth为雷达发射的水平极化波，stv为雷达发射的垂直极化波，rth为调制得到的水平极化模
拟目标回波，rtv为调制得到的垂直极化模拟目标回波。
[0100]
步骤s23：若场景设置要求中仅包含一个模拟目标，则将该模拟目标的雷达模拟目标回波作为内场场景下的雷达模拟目标回波；
[0101]
否则，则对所有模拟目标的雷达模拟目标回波进行电磁波叠加，得到内场场景下的雷达模拟目标回波。
[0102]
在完成目标特性回波调制之后，即可在回波调制后的目标特性的基础上，利用电磁波的叠加性完成多目标场景的回波生成。具体地，在本实施例中，利用电磁波的叠加性，假设在雷达波束照射范围内各个目标有一定距离且没有电磁互耦情况，如舰船编队等情况的多目标场景采用单目标回波叠加的形式生成，通过选取多个目标并设置空间位置，先单独模拟单个目标，而后再根据目标距离进行时序回波叠加，多目标场景下同一时刻波束内多目标回波可表示如下：
[0103][0104]
其中，rth、rtv分别表示内场场景下的水平极化模拟目标回波、垂直极化模拟目标回波，rt
h_l
、rt
v_l
分别表示场景设置要求中第l个模拟目标的水平极化模拟目标回波、垂直极化模拟目标回波。
[0105]
步骤s3：在生成的雷达模拟目标回波上叠加背景噪声数据，得到内场场景下的雷达模拟回波信号，完成内场场景的构建。
[0106]
进一步地，在本发明中，为逼真模拟回波背景噪声，生成内场场景下的雷达模拟目标回波后，在其上叠加背景噪声，叠加后得到内场场景下的雷达模拟回波信号，表达式如下：
[0107]
rh＝rth+rnh[0108]
rv＝rtv+rnv[0109]
其中，rh、rv分别表示内场场景下的水平极化雷达模拟回波信号、垂直极化雷达模拟回波信号；rnh、rnv分别表示水平极化方向、垂直极化方向上的背景噪声数据。这里，可以根据场景设置要求中的海况信息，选取匹配于该海况的背景噪声数据。
[0110]
内场场景可以是内场暗室的情况，还可以是数字模拟形式。区别在于，在内场暗室情况下，需要实际的雷达设备通过天线方式接收雷达模拟回波信号；而数字模拟形式下，雷达设备采样数字电路形式模拟实现，无需通过天线、直接将雷达模拟回波信号直接传输至雷达的信号处理模块，以便雷达的信号处理模块基于雷达模拟回波信号和雷达发射信号执行后续的处理操作。
[0111]
综上，本实施例提供了一种舰船目标的内场场景构建方法，该方法充分将预先构建好的全向舰船目标特性库与内场电磁场景的场景及参数相结合，实现对相参体制雷达回波模拟，相参积累后模拟的场景回波特性真实性高，同时，在内场模拟各种极化状态的信号回波中目标极化特性模拟逼真度高，能够可靠满足基于极化信息进行目标识别算法验证的需求。因此，本发明所提供的内场场景构建方法与现有技术相比，其更加可靠，在内场模拟舰船目标场景时的回波特性与外场采集数据特性相一致，距离像和多普勒维度特性逼真度高。
[0112]
实施例2
[0113]
为便于本领域技术人员更好地实施本技术中的技术方案，本实施例还给出了全向舰船目标特性库的构建过程，描述如下：
[0114]
全向舰船目标特性库的构建方法流程图如图2所示，包括如下步骤：
[0115]
步骤s1：在外场对舰船目标进行不同入射余角下的全向数据采集试验，获取实测高速回波数据；
[0116]
在本实施例所搭建的外场试验场景中，每种外场试验场景中仅包含一个舰船目标；同时，搭建好外场试验场景后，通过雷达采集外场试验场景下的回波数据，作为相应的外场实测高速回波数据。入射余角是指波束方向与目标位置水平面的夹角，由于不同入射余角下的舰船目标特性不同，因此，需要对舰船目标进行不同入射余角下的全向数据采集试验，以获取不同入射余角下的、全向的实测高速回波数据。同时，由于根据全极化状态下的高速回波数据得到各极化通道上的舰船目标全向散射点特性，也为有效利用外场试验场景的试验条件，因此，在外场试验场景下，雷达的极化状态应设置为全极化。
[0117]
在全向数据采集试验过程中，舰船目标转圈运行，因此，获取的实测高速回波数据的整个时序对应0-360
°
舷向角。
[0118]
步骤s2：基于归一化基函数，对每一帧实测高速回波数据对应的距离-多普勒数据中的目标区域进行目标特性提取，获得对应的目标特性距离-多普勒数据；
[0119]
在该步骤中，通过对每一帧实测高速回波数据进行脉冲压缩和相参积累处理，获得对应的距离-多普勒数据；
[0120]
具体地，步骤s2包括：
[0121]
步骤s21：对每一帧距离-多普勒数据进行目标区域框选，并对框选出的目标区域进行目标信息标注；
[0122]
基于外场试验场景与每一帧距离-多普勒数据之间的映射关系，可以从各帧距离-多普勒数据中框选出目标区域。框选出目标区域后，即可对目标区域进行目标信息标注。在本实施例中，标注的目标信息包括：目标属性信息、目标位置信息及目标场景信息；其中，
[0123]
目标属性信息包括目标类型及舷号\型号；示例性地，目标类型包括军舰和民船，舷号\型号包括835等；
[0124]
目标位置信息指目标区域所在的距离多普勒区域范围；
[0125]
舰船目标参数信息包括：舷向角、航向、航速及船体几何结构(如长宽高)等信息；
[0126]
目标场景信息，指外场试验场景的气象信息，如天气、海况、风速、风向、洋流、洋向等。
[0127]
由于在本实施例中，需要在外场试验场景下对舰船目标进行全向数据采集，因此，每次全向数据采集试验只涉及一个舰船目标，相应地，从距离-多普勒数据中只能框选出一个目标区域。
[0128]
特殊地，若外场场景中还包含非合作目标，则剔除距离-多普勒数据中的非合作目标，用背景杂波替代；
[0129]
由于外场实测数据中会不可避免的出现非合作目标(即非预设的舰艇类目标)，例如未知小渔船，钻井平台等等；在数据标注时将其标注为非合作目标，提取舰船目标特性时需要将非合作目标抹去，此处采用背景杂波替代的方法去除非合作目标。具体地，目标区域
框选及目标信息标注操作完成后，根据当前帧距离-多普勒数据所有目标的标注信息，确定舰船目标和其他非合作目标的距离多普勒范围，剔除距离-多普勒数据中的非合作目标，用背景杂波替代。
[0130]
步骤s22：获取目标区域的距离-多普勒数据中的所有目标散射点；具体地，包括：
[0131]
步骤s221：获取目标区域的距离-多普勒数据中幅度最大的散射点；
[0132]
具体地，在步骤s221中，首次执行时，目标区域的距离-多普勒数据根据标注的目标区域的目标位置信息进行确定。非首次执行时，目标区域的距离-多普勒数据指的是步骤s222中更新后的目标区域的距离-多普勒数据。
[0133]
步骤s222：判断该散射点的幅度是否大于或等于杂波幅度阈值，
[0134]
若是，则将该散射点提取为目标散射点，并将该散射点的最大幅度与归一化基函数的乘积作为该目标散射点的特性数据；
[0135]
更新目标散射点的总数，判断目标散射点的总数是否大于或等于预设的目标散射点个数，
[0136]
若是，则结束；
[0137]
否则，在该目标区域的距离-多普勒数据中剔除该目标散射点，并更新目标区域的距离-多普勒数据，并跳转至步骤s221，即在更新后的目标区域的距离-多普勒数据中再次寻找幅度最大的散射点；
[0138]
否则，结束；
[0139]
执行完步骤s22之后(即结束之后)，即可获得所有目标散射点的特性数据。
[0140]
在步骤s222中，根据当前帧距离-多普勒数据中的杂波数据及预设的杂波概率阈值，确定对应的杂波幅度阈值；具体地，通过以下方式确定杂波幅度阈值：杂波幅度阈值β由当前帧距离-多普勒数据中的杂波数据z的累积概率分布p计算，杂波概率阈值α与杂波幅度阈值β之间的关系表达式为α＝p(z≤β)，即杂波概率阈值α为杂波z小于等于杂波幅度阈值β的概率；因此，在预先确定杂波概率阈值的情况下，可以根据当前帧距离-多普勒数据中的杂波数据确定杂波幅度阈值。α∈(0,1]，对提取的目标散射点个数限制越高，相应的杂波概率阈值的取值也越高。同时，提取的散射点幅度要大于α分位数下的杂波幅度阈值。
[0141]
需要说明的是，步骤s222中的归一化基函数通过以下方式确定：
[0142]
在外场试验场景下对舰船目标进行全向测试过程中，雷达设备参数保持不变。因此，在本实施例中，根据雷达设备参数确定基带发射信号，由基带发射信号跟自身卷积得到相应的基函数；对基函数进行相参积累并归一化处理，得到归一化基函数。示例性地，在本实施例中，雷达设备参数包括雷达工作状态、极化方式、工作频段、信号带宽和码型等信息。具体地，利用基带发射信号st跟自身做卷积，求当前帧各prt基函数集，其中，记第i个prt的基函数basei为：
[0143][0144]
其中，window为匹配滤波窗函数，i＝1,2,...,m，m为脉冲积累个数，当前帧基函数集base如下：
[0145]
base＝fft([base1；base2；...；basem])
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0146]
对基函数集进行相参积累并归一化，即可得到归一化基函数nbase。
[0147]
在步骤s222中，基于归一化基函数获取该目标散射点的特性数据，以及在该目标
区域的距离-多普勒数据中剔除该目标散射点的过程描述如下：
[0148]
按照距离-多普勒数据中目标散射点的幅值从大到小的顺序依次提取散射点。假设目标区域中第j个目标散射点的幅值为ij、坐标为(a,b)，将归一化基函数nbase进行矩阵平移(平移后多余、缺失部分首尾拼接)，平移的基准是将归一化基函数nbase的幅度最大点移动至(a,b)，移动后的基函数记为nbasej，将ij*nbasej作为当前目标区域中第j个目标散射点的特性数据，然后从目标区域中筛去ij*nbasej，以实现从目标区域的距离-多普勒数据中剔除该目标散射点。
[0149]
步骤s23：将所有目标散射点的特性数据叠加并进行雷达-目标质心距离归一化处理，得到当前帧的目标特性距离-多普勒数据。
[0150]
示例性地，第r帧的目标特性距离-多普勒数据cr表示为：
[0151][0152]dr
＝rangegate+dr.fbl
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0153]
其中，ds为目标特性归一化距离，dr表示第r帧距离-多普勒数据对应的雷达与舰船目标的质心点之间的实际距离，rangegate表示波门位置，dr表示第r帧距离-多普勒数据中舰船目标的质心点的距离像位置，fbl表示雷达的距离分辨率，n为总帧数。在目标特性距离-多普勒数据cr中，包括了构成该帧数据目标特性的所有目标散射点的数据信息，是一个二维rd复矩阵，复矩阵中包含了构成该目标特性的所有目标散射点的距离、多普勒位置及相位信息。
[0154]
步骤s3：在各入射余角下，基于各帧目标特性距离-多普勒数据在主极化通道的目标特性距离-多普勒数据分量，获得相应入射余角下主极化通道的全向稳定散射点序列；
[0155]
本实施例涉及hh、hv、vh及vv四个极化通道，在实际实施过程中，选取目标特性距离-多普勒数据信噪比最高的极化通道为主极化通道。由于同一极化通道下的数据具备相同的数据特性，为简化实现难度，可直接选取第一帧目标特性距离-多普勒数据信噪比最高的极化通道为主极化通道。
[0156]
在该步骤中，具体执行以下操作：
[0157]
步骤s31：对主极化通道的各帧目标特性距离-多普勒数据分量进行解相参处理，取幅度最大的一个prt(对应解相参数据中的一行)作为该帧在主极化通道下的一维距离像；
[0158]
步骤s32：根据各帧在主极化通道下的一维距离像及其对应的舷向角，确定主极化通道下的垂直舷向帧区间的一维距离像序列，以及，非垂直舷向帧区间的一维距离像序列；其中，所述非垂直舷向帧区间是指除垂直舷向帧区间之外的其他舷向的帧区间。
[0159]
由于在垂直舷向帧区间(正负90度左右)上，舰船径向尺寸最小，各个目标散射点会出现距离像重叠。因此，在主极化通道下，可以通过判断各舷向角对应的一维距离像是否出现距离像重叠的方式，进行垂直舷向帧区间及非垂直舷向帧区间的一维距离像的划分。同时，为解决该问题，本实施例分别对非垂直舷向帧区间及垂直舷向帧区间的目标特性距离-多普勒数据分量实行两种不同的关联技术方案。具体地，
[0160]
步骤s33：对非垂直舷向帧区间的各帧一维距离像进行目标特性关联，获取主极化
通道下非垂直舷向帧区间的稳定散射点序列；
[0161]
步骤s331：根据预设的关联片段帧数，对非垂直舷向帧区间中时序上相邻的一维距离像进行片段划分，并按照帧序号对本片段内的各帧一维距离像进行顺序拼接，得到若干个片段数据；
[0162]
步骤s332：预处理每一片段数据，得到相应的稳定散射点片段数据；
[0163]
由于散射点特性不一定在各个舷向角下均存在，提取的目标特性距离-多普勒数据分量中包含时序不连续、不稳定的若干个目标散射点，因此需要对每一片段数据进行预处理，包括离群点剔除和缺失值插补，解决目标散射点数据的时序不连续、不稳定问题。其中，
[0164]
离群点剔除：采用现有的mad算法，通过判断每一个目标散射点距离像与所有目标散射点距离像的中位值之间的偏差是否处于合理的范围内来判断该目标散射点是否为离群值；通过执行该过程，能够剔除掉不稳定的目标散射点，将剩余的目标散射点作为稳定散射点。
[0165]
缺失值插补：采用回归分析的填充方法，通过拟合回归数学模型计算缺失值，即对缺失的稳定散射点进行补齐。
[0166]
预处理完成后，即可得到稳定散射点片段数据，此时，先进行片段内帧间关联后再进行片段间关联，解决全向数据散射点跨度大难以区分的问题，有效降低关联难度，提高关联结果准确度。具体地，
[0167]
步骤s333：对每一稳定散射点片段数据进行距离像主成分分析及聚类分析，输出相应片段内帧间关联的稳定散射点序列及聚类中心；
[0168]
对于每一稳定散射点片段数据：首先，对片段内所有稳定散射点的距离像进行主成分分析，使其在距离像的区分度最大；然后，对主成分分析结果在距离像上进行k-means聚类，聚类的类别数等于稳定散射点的个数，从而得到每一稳定散射点在当前片段内帧间关联的稳定散射点子序列及其聚类中心；稳定散射点子序列中记录了该稳定散射点在各帧中的稳定散射点信息，稳定散射点信息包括：帧序号、舷向角、入射余角、径向速度、距离像位置、散射点相位及散射点幅值。其中，距离像位置、散射点相位及散射点幅值通过相应的一维距离像获取得到。其中，帧序号是指外场试验场景下采集的实测高速回波数据对应的帧数据。汇总所有稳定散射点在当前片段内帧间关联的稳定散射点子序列，形成相应片段内帧间关联的稳定散射点序列。
[0169]
步骤s334：根据各片段内帧间关联的稳定散射点序列及聚类中心，进行片段间关联，获得主极化通道下非垂直舷向帧区间的稳定散射点序列。
[0170]
所有各片段内帧间关联完成后，对于相邻的稳定散射点片段数据，根据船体几何结构、稳定散射点位置关系预测各稳定散射点片段数据的聚类中心，根据预测的各片段数据的聚类中心和聚类分析(执行步骤s333)得到的聚类中心的距离关系，确定同一稳定散射点在各稳定散射点片段数据的对应关系，根据该对应关系进行片段间关联，获得主极化通道下非垂直舷向帧区间的稳定散射点序列。具体地，片段间关联的方式为：
[0171]
对同一目标散射点，按照帧序号在不同稳定散射点片段的稳定散射点子序列进行拼接，形成非垂直舷向帧区间中该稳定散射点的稳定散射点序列；汇总非垂直舷向帧区间所有稳定散射点的稳定散射点序列，形成最终的非垂直舷向帧区间的稳定散射点序列。
[0172]
对于垂直舷向帧区间的目标特性数据分量关联，由于垂直舷向帧区间上舰船径向尺寸最小，各个目标散射点出现距离像重叠，因此需要结合频域信息进行稳定散射点的关联，具体步骤如下：
[0173]
步骤s34：基于主极化通道下非垂直舷向帧区间的稳定散射点序列，获取主极化通道下垂直舷向帧区间的稳定散射点序列；具体地，
[0174]
步骤s341：根据非垂直舷向帧区间的稳定散射点序列及船体几何结构，建立船体散射位置几何模型；具体地，
[0175]
步骤s3411：基于船体几何结构，建立船体几何模型；
[0176]
步骤s3412：对于每一稳定散射点，根据非垂直舷向帧区间的稳定散射点序列中选取若干帧稳定散射点信息，确定该稳定散射点在建立船体几何模型中的物理位置；
[0177]
在步骤s3412中，对于每一稳定散射点，每选取一帧稳定散射点信息，可以根据在该帧对应的舷向角、距离像位置与当前帧中舰船目标的质心点的距离像位置的对应关系，确定该稳定散射点在当前舷向角的直线位置；根据该稳定散射点在多个舷向角的直线位置，能够确定出该稳定散射点在船体几何模型中的物理位置；
[0178]
示例性地，对于第k个稳定散射点，假设非垂直舷向帧区间的稳定散射点序列中包含舷向角为0
°
和45
°
的稳定散射点信息；当舷向角为0
°
时，如图3所示，根据第k个稳定散射点的距离像位置与当前帧中舰船目标的质心点的距离像位置的对应关系，可以得到该稳定散射点所在径向位置，可知第k个散射点在船体中与此时波束方向相垂直的某一直线上。当舷向角为45
°
时，如图4所示，也可知第k个稳定散射点在船体中与此时波束方向相垂直的另一直线上，上述两直线的交点即为稳定散射点在船体几何模型中的物理位置。更精确地，还可以选取更多舷向角对应的稳定散射点信息，更精确地确定稳定散射点在船体几何模型中的物理位置。类似地，所有稳定散射点在船体几何模型中的物理位置都可通过该方式求得。
[0179]
步骤s3413：根据每一稳定散射点在船体几何模型中的物理位置，建立船体散射位置几何模型。
[0180]
步骤s342：根据船体散射位置几何模型、舰船目标的航速及航向，确定垂直舷向帧区间内的每一舷向角中的各个稳定散射点的稳定散射点信息；
[0181]
具体地，对于垂直舷向帧区间内的每一舷向角中的各个稳定散射点，均执行以下操作：
[0182]
步骤s3421：根据船体散射位置几何模型、舰船目标的航速及航向，计算稳定散射点在波束方向的径向速度，并将该径向速度转化为相应的多普勒通道号；
[0183]
示例：通过以下方式计算稳定散射点(如图5所示，以第k个稳定散射点为例进行说明)对应的多普勒通道号：获取该帧舰船运动状态(航速及航向)后，根据船体散射位置几何模型，对速度矢量在波束方向做投影，得到该稳定散射点在波束方向的径向速度。然后，按照下面公式将径向速度转化为相应的多普勒通道号l：
[0184][0185]
其中，v表示径向速度，prt为脉冲重复周期，n为多普勒维度，λ为载波波长。
[0186]
步骤s3422：将该多普勒通道号对应到相应帧在主极化通道下的目标特性距离-多普勒数据分量上，以确定该稳定散射点的距离向位置；从相应帧在主极化通道下的一维距
离像中定位该距离向位置对应的目标散射点作为稳定散射点，并获取定位得到的稳定散射点的稳定散射点信息。
[0187]
该过程可以解决垂直舷向帧区间的稳定散射点位置的距离像存在的重叠问题。
[0188]
步骤s343：根据获取的垂直舷向帧区间内各稳定散射点的稳定散射点信息，得到主极化通道下垂直舷向帧区间的稳定散射点序列。
[0189]
在垂直舷向帧区间中，对同一稳定散射点，按照帧序号进行稳定散射点信息的拼接，形成主极化通道下垂直舷向帧区间中该稳定散射点的稳定散射点序列；汇总垂直舷向帧区间所有稳定散射点的稳定散射点序列，形成最终的主极化通道下垂直舷向帧区间的稳定散射点序列。
[0190]
步骤s35：对主极化通道下非垂直、垂直舷向帧区间的稳定散射点序列按照帧序号进行排序，得到相应入射余角下主极化通道的全向稳定散射点序列。
[0191]
在得到的全向稳定散射点序列中，假设主极化通道为hh通道，记第k个稳定散射点的主极化通道全向稳定散射点序列为s
hh_k
，s
hh_k
可以通过以下方式表示：{s
hh_k1
,s
hh_k2
,...,s
hh_kr
,...,s
hh_kn
}；k＝1,2,...,k，k为稳定散射点的总数；其中，s
hh_kr
表示hh通道下第r帧距离-多普勒数据中第k个稳定散射点的稳定散射点信息。
[0192]
步骤s4：将各入射余角下主极化通道的全向稳定散射点序列对应到其他极化通道，获取相应入射余角下其他极化通道的全向稳定散射点序列；
[0193]
具体地，根据主极化通道的全向稳定散射点序列中各稳定散射点的距离像位置，对应到其他极化通道的一维距离像上；并通过所对应的其他极化通道的一维距离像，获得相应入射余角下其他极化通道的全向稳定散射点序列；需要说明的是，稳定散射点在不同极化通道的一维距离像上的位置相同，散射点相位及散射点幅值不同。因此，通过所对应的其他极化通道的一维距离像，可以获得各散射点在其他极化通道的散射点相位及散射点幅值，最终形成在其他极化通道的全向稳定散射点序列。
[0194]
步骤s5：对不同入射余角下、各个极化通道的全向稳定散射点序列分别进行全向散射点建模，构建得到全向舰船目标特性库；
[0195]
具体地，针对不同入射余角，在各个极化通道的全向稳定散射点序列中，相邻两帧对应的舷向角的偏差可能比较大，这种情况下，需要以舷向角为依据，对全向稳定散射点序列进行插值，拟合舷向角、距离像位置、散射点相位及散射点幅值，并调整帧序号，以实现各个极化通道的全向散射点建模，汇总各个极化通道的全向散射点建模结果，形成多极化通道下舰船目标全向散射点模型。示例性地，由网格搜索方法选择相应的拟合函数，得到各个极化通道下舰船目标各散射点的数学模型，进行相应极化通道的全向散射点建模，得到舰船方位向全角度表征模型，即，多极化通道下舰船目标全向散射点模型。模型结构示意图如图6所示。依据此模型，可根据舷向角进行目标特性重建，实现典型舰船目标样本数据的增量扩充和场景重构。
[0196]
形成多极化通道下舰船目标全向散射点模型后，即可按照全向舰船目标特性库的结构重新汇总多极化通道下舰船全向散射点模型中的数据，构建得到全向舰船目标特性库。
[0197]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所
述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
[0198]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种舰船目标的内场场景构建方法，其特征在于，包括：根据内场场景的场景设置要求，从全向舰船目标特性库中选取目标散射特性模型；在内场场景下，根据场景设置要求以及调取的每一模拟目标的目标散射特性模型，生成雷达模拟目标回波；在生成的雷达模拟目标回波上叠加背景噪声数据，得到内场场景下的雷达模拟回波信号，完成内场场景的构建。2.根据权利要求1所述的舰船目标的内场场景构建方法，其特征在于，所述舰船目标特性库包括舰船目标的舰船类型、雷达设备参数、目标参数及其对应的目标散射特性模型；其中，所述目标散射特性模型由若干稳定散射点在hh、hv、vh及vv四个极化通道上的距离像位置、散射点相位及散射点幅值组成。3.根据权利要求2所述的舰船目标的内场场景构建方法，其特征在于，所述场景设置要求包括：模拟目标的目标类型，模拟目标为1个或多个；雷达设备参数，包括：雷达波段和极化状态；场景环境参数，包括：海况信息、雷达设备的海拔高度、雷达-目标距离。4.根据权利要求3所述的舰船目标的内场场景构建方法，其特征在于，通过执行以下操作生成雷达模拟目标回波：根据场景设置要求中的雷达设备参数，生成雷达发射信号；基于每一模拟目标的目标散射特性模型和雷达发射信号，获得相应模拟目标的雷达模拟目标回波；若场景设置要求中仅包含一个模拟目标，则将该模拟目标的雷达模拟目标回波作为内场场景下的雷达模拟目标回波；否则，则对所有模拟目标的雷达模拟目标回波进行电磁波叠加，得到内场场景下的雷达模拟目标回波。5.根据权利要求4所述的舰船目标的内场场景构建方法，其特征在于，通过执行以下操作获得模拟目标的雷达模拟目标回波：根据调取的该模拟目标的目标散射特性模型，获得该模拟目标在各极化通道的一维距离像数据；根据场景设置要求中的雷达-目标距离，将各极化通道的一维距离像数据叠加到雷达-目标距离的相应位置，组成该模拟目标的距离像目标散射点集；利用雷达发射信号对该模拟目标的距离像目标散射点集进行目标特性调制，生成该模拟目标的雷达模拟目标回波。6.根据权利要求3所述的舰船目标的内场场景构建方法，其特征在于，从所述目标特性库中选取目标散射特性模型，包括：基于模拟目标的场景环境参数，获取模拟目标的目标参数；根据每一模拟目标的目标类型、雷达波段及目标参数，从目标特性库中调取匹配于各模拟目标的目标散射特性模型。7.根据权利要求2-6中任一项所述的舰船目标的内场场景构建方法，其特征在于，所述全向舰船目标特性库通过以下方式构建：
在外场对舰船目标进行不同入射余角下的全向数据采集试验，获取实测高速回波数据；基于归一化基函数，对每一帧实测高速回波数据对应的距离-多普勒数据中的目标区域进行目标特性提取，获得对应的目标特性距离-多普勒数据；在各入射余角下，基于各帧目标特性距离-多普勒数据在主极化通道的目标特性距离-多普勒数据分量，获得相应入射余角下主极化通道的全向稳定散射点序列；将各入射余角下主极化通道的全向稳定散射点序列对应到其他极化通道，获取相应入射余角下其他极化通道的全向稳定散射点序列；对不同入射余角下、各个极化通道的全向稳定散射点序列分别进行全向散射点建模，构建得到全向舰船目标特性库。8.根据权利要求7所述的舰船目标的内场场景构建方法，其特征在于，获得相应入射余角下主极化通道的全向稳定散射点序列，包括：对主极化通道的各帧目标特性距离-多普勒数据分量进行解相参处理，取幅度最大的一个prt作为该帧在主极化通道下的一维距离像；根据各帧在主极化通道下的一维距离像及其对应的舷向角，确定主极化通道下的垂直舷向帧区间的一维距离像序列，以及，非垂直舷向帧区间的一维距离像序列；对非垂直舷向帧区间的各帧一维距离像进行目标特性关联，获取主极化通道下非垂直舷向帧区间的稳定散射点序列；基于主极化通道下非垂直舷向帧区间的稳定散射点序列，获取主极化通道下垂直舷向帧区间的稳定散射点序列；对主极化通道下非垂直、垂直舷向帧区间的稳定散射点序列按照帧序号进行排序，得到相应入射余角下主极化通道的全向稳定散射点序列。9.根据权利要求8所述的舰船目标的内场场景构建方法，其特征在于，获取主极化通道下非垂直舷向帧区间的稳定散射点序列，包括：根据预设的关联片段帧数，对非垂直舷向帧区间中时序上相邻的一维距离像进行片段划分，并按照帧序号对本片段内的各帧一维距离像进行顺序拼接，得到若干个片段数据；预处理每一片段数据，得到相应的稳定散射点片段数据；对每一稳定散射点片段数据进行距离像主成分分析及聚类分析，输出相应片段内帧间关联的稳定散射点序列及聚类中心；根据各片段内帧间关联的稳定散射点序列及聚类中心，进行片段间关联，获得主极化通道下非垂直舷向帧区间的稳定散射点序列。10.根据权利要求9所述的舰船目标的内场场景构建方法，其特征在于，所述目标参数包括入射余角、舷向角和径向速度；通过以下方式构建全向舰船目标特性库：对不同入射余角下、各个极化通道的全向稳定散射点序列分别进行全向散射点建模，得到多极化通道下舰船全向散射点模型；按照全向舰船目标特性库的结构重新组织多极化通道下舰船全向散射点模型中的数据，构建得到全向舰船目标特性库。

技术总结
本发明公开了一种舰船目标的内场场景构建方法，涉及电磁场景模拟技术领域，解决了现有技术中内场电磁场景模拟回波特性失真以及目标极化特性模拟逼真度差的技术问题。该方法包括：根据内场场景的场景设置要求，从全向舰船目标特性库中选取目标散射特性模型；在内场场景下，根据场景设置要求以及调取的每一模拟目标的目标散射特性模型，生成雷达模拟目标回波；在生成的雷达模拟目标回波上叠加背景噪声数据，得到内场场景下的雷达模拟回波信号，完成内场场景的构建。该方法充分将预先构建好的全向舰船目标特性库与内场电磁场景的场景及参数相结合，实现对相参体制雷达回波模拟，相参积累后模拟的场景回波特性真实性高。参积累后模拟的场景回波特性真实性高。参积累后模拟的场景回波特性真实性高。


技术研发人员：宁立跃 杨雅婷 闵杰 赵英海
受保护的技术使用者：北京华航无线电测量研究所
技术研发日：2022.02.11
技术公布日：2023/8/24