申请/专利权人：武汉大学

申请日：2022-05-11

公开（公告）日：2024-04-26

公开（公告）号：CN114814774B

主分类号：G01S7/41

分类号：G01S7/41

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.26#授权;2022.08.16#实质审查的生效;2022.07.29#公开

摘要：本发明公开了一种高频雷达探测船尾波的信号建模方法，应用Wigley船体模型，通过仿真舰船Kelvin尾波波高图，得到其波高谱。Kelvin尾波波高谱与海浪谱相加得到叠加谱，代入高频雷达海面后向散射模型进行海洋回波多普勒谱的仿真。对结果加窗平滑，并添加噪声后，最终仿真得到了高频雷达船尾波信号。首次完成了该信号的仿真工作，验证了在海况相对平静，船体尺寸较大，船速较快的前提下，高频雷达在海杂波叠加下探测船尾波是可行的。

主权项：1.一种高频雷达探测船尾波的信号建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，Kelvin尾波波高图仿真；以船体吃水线所在平面中心点为原点，原点指向船尾为x轴正方向，垂直于吃水线平面向上为z轴正方向建立右手坐标系；兼顾计算复杂度和贴近实际的要求，选定仿真所用船体几何模型为Wigley椭圆船型；根据船尾波的特征，选定船尾一个边长为L的正方形区域作为仿真区域；仿真区域四个角分别为O,±L2和L,±L2；步骤1.1，给定仿真参数；即船体几何参数和船速U；由船速可算得纯横断波波数k0＝gU2，g是重力加速度；步骤1.2，在参数选定后，进行离散化操作；首先，给定离散化点数，对仿真区域x轴数值区间和y轴数值区间进行离散化得到两个行向量和其次，给定离散化点数，对船体中心平面长度方向x轴数值区间和吃水深度方向z轴数值区间进行离散化得到两个行向量和最后，给定离散化点数，离散波传播角数值区间得到行向量步骤1.3，仿真计算；根据Kelvin尾波波高公式，先通过对船体中心平面的双重积分得到舰船自由波谱，再对波传播角进行积分得到仿真区域离散点的波高；最终计算得到二维矩阵ζ，即Kelvin尾迹波高图；步骤2，Kelvin尾波波高谱仿真；对步骤1所得二维矩阵ζ做二维离散傅里叶变换得到二维矩阵ζk；ζk取模的平方再除以L2得到二维矩阵Swake，即Kelvin尾迹波高谱；步骤3，高频雷达海面回波谱仿真；选择散射模型为Barrick根据微扰法建立的单基地高频雷达海面后向散射模型，仿真输入的有向海浪谱由PM谱和Longuet-Higgins方向因子组成；步骤3.1，参数赋值；包括海浪谱参数和雷达参数；步骤3.2，参数归一化；给出归一化波矢量、归一化多普勒频率、归一化耦合系数、归一化海浪谱和归一化回波谱的定义；步骤3.3，离散化；给定离散化点数，离散归一化频率区间得到行向量将海浪谱离散化得到Swave矩阵，并与步骤2得到的Swake矩阵相加，得到叠加谱矩阵S；步骤3.4，归一化一阶谱计算；根据狄利克雷函数限制条件得出一阶谱值不为零的归一化频率点；通过查表S计算得到对应点的一阶谱数值；最终得到的一阶谱向量记为σ1；步骤3.5，归一化二阶谱计算；二阶谱狄利克雷函数限制较为复杂，需要进一步拆解计算；步骤3.5.1，降重积分；通过定义新变量，将二阶谱计算的双重积分变为单重积分；步骤3.5.2，对于每一个归一化频率值，得出积分限，离散积分变量，通过解方程和查表得到对应点二阶谱数值；最终得到二阶谱向量记为σ2；步骤3.6，加窗加噪；归一化一阶谱与二阶谱相加得到归一化回波谱，进一步得到高频雷达海面回波多普勒谱σf；而为了仿真更接近实测；要对σf加窗进行平滑以拓宽一阶峰，以及按照指定信噪比SNR添加噪声，最终得到仿真结果σE；步骤1所述船体几何模型如下： 其中l是半船长，b是半船宽，D是吃水深度，x,z是船体中心平面坐标点，Yx,z是对应坐标点的船体偏移量；步骤1.2，离散化得到两个行向量和如下： 其中，仿真区域x轴数值区间是[0,L]，y轴数值区间是[-L2,L2]，M和N是离散点数；离散化得到的行向量和如下： 其中，船体中心平面长度方向x轴数值区间是[-l,l]，船体中心平面吃水深度方向z轴数值区间是[-D,0]，Nx和Nz是离散点数；离散化得到的行向量如下： 其中，波传播角θ的数值范围是[-π2,π2]，Nθ是离散点数；步骤1.3，对每一个点xi,yii＝0,1,...,M,j＝0,1,...,N，波高为： 其中，对每一个θkk＝0,1,...,Nθ，有 Aθ也称自由波谱，是船的特有属性；其中 而对每一个x′pp＝0,1,...,Nx有 步骤3，根据单基地高频雷达海面后向散射模型，一阶谱和二阶谱如下： 其中，ω是多普勒角频率，k0是雷达波数，是雷达波矢量，ωB是布拉格角频率，ΓL是耦合系数，m,m′是多普勒频移标志，和是海浪波矢量，和是有向海浪谱；p和q分别是平行和垂直于雷达波束方向的波矢量平面坐标；当雷达工作频率为f0，角频率ω0＝2πf0，波数c是光速；布拉格频率布拉格角频率ωB＝2πfB；耦合系数ΓL＝ΓH+ΓEM，ΓH和ΓEM分别是流体力学耦合系数和电磁耦合系数；有向海浪谱公式如下： 其中，fk是无向海浪谱，gθ是扩散函数；仿真中使用的无向海浪谱模型PM谱公式如下： 其中，k是海浪波波数，是截止波数，g是重力加速度，U19.5是距离海面19.5m高度处的风速；仿真中使用的扩散函数Longuet-Higgins方向因子公式如下： 其中，θ是海浪波与雷达波束的夹角，s是扩展因子，是主浪向；步骤3.2，归一化波矢量定义为： 归一化多普勒频率：η＝ωωB归一化耦合系数： γL＝γH+γEM归一化海浪谱：FK＝2k04fk归一化方向谱： 归一化一阶谱： 归一化二阶谱： 步骤3.3，离散化得到的行向量如下： 其中，归一化频率η的数值范围是[-ηlim,ηlim]，离散点数为Nη；步骤3.4，当ηa＝1,对矩阵S查表得到又有 步骤3.5.1，定义如下变量： 则二阶谱可重新表示为： 其中，由给出；步骤3.5.2，对每一个ηaa＝0,1,...,Nη，有积分限 离散化得到的行向量如下： 其中，角θ的数值范围是[-θL,θL]，离散点数为Nθ； 对每一个θbb＝0,1,...,Nθ，解如下方程： 可求出进而求出： θ′b＝sin-1KbsinθbK′b+π又有海浪谱公式： 其中，和可查表S可得到；归一化耦合系数计算公式如下： 至此，计算 步骤3.6，由归一化操作，有ση＝ωBσf即

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