海上雷达海杂波仿真

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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。

海国概览

在描述海杂波时，重要的是首先确定海面的物理特性。在为雷达建模海杂波时，有三个重要参数：

$σ_{H}$ 是波高的标准偏差。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 $β_{0}$ 与海的状态。这是波长和波高随风速增加而增加的结果，尽管有不同的因素。

海区1到5的％分析党卫军= 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);%获取海洋状态属性对于是= 1：numseastates [hgtsd（是），beta0（是），Vw（是）] =灼热（ss（是））;终止％绘图结果helperPlotSeaRoughness(党卫军,hgtsd beta0,大众);

图包含3个轴对象。轴对象1具有标题海波粗糙度包含类型的对象。轴对象2包含类型线的对象。轴对象3包含类型线的对象。

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。

反射率

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适用于微波频率和低掠射角。

对于平滑的海洋，波高很小，海洋看起来像一个无限大的、平坦的导电板，几乎没有后向散射。随着海况数的增加和波高的增加，表面粗糙度增加。这导致散射增加，这与方向有关。此外，反射率表现出强烈的反射与波高成正比，与风速成正比，随频率增加而增加。

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;掠角(deg)freq=linspace（0.5e9,35e9100）；%频率（Hz）波尔=“H”;%水平极化初始化反射率输出numFreq =元素个数(频率);nrcsh = zeros（numfreq，numsealate）;%计算反射率对于是= 1：numseastates nrcsh（：，是）= seareflectivity（ss（是），grazang，freq，“极化”，Pol）;终止％绘图反射率HelperPlotsReflective（ss、grazAng、freq、nrcsH、pol）；

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0基线的轴对象包含5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。

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);%计算反射率对于is = 1: numsestatates nrcsV(:，is) = sereflectivity (ss(is)，grazAng,freq，“极化”，Pol）;终止％绘图反射率Haxes = HelperplotseAleflectivity（SS，Grazang，Freq，NRCSH，“H”）;HelperplotseAleflexectivity（SS，Grazang，Freq，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。

该图表明基于极化的反射率存在明显的影响。请注意，水平和垂直偏振之间的差异在较低频率下较低的频率更大。随着海区数量的增加，水平和垂直偏振之间的差异降低。因此，随着频率的增加，对偏振的依赖性降低。

放牧角度效果

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（0.160100）；掠角(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);%计算反射率对于是= 1：numseastates nrcsh（：，是）= seareflectivity（ss（是），grazang，freq，“极化”,“H”)nrcsV（：，is）=自反射系数（ss（is），格拉桑，频率，“极化”,“V”）;终止％绘图反射率Haxes = HelperplotseAleflectivity（SS，Grazang，Freq，NRCSH，“H”）;HelperplotseAleflexectivity（SS，Grazang，Freq，NRCSV，“V”，hAxes）；ylim（hAxes，[-60-10]）；

从图中，注意，在较低的放牧角度下海反射率有更多的变化，垂直和水平极化之间存在差异。该图表明，随着放牧角度的增加，对放牧角度的依赖性降低。此外，水平极化信号的反射率小于在考虑的放牧角度范围内的相同海区的垂直偏振信号。

海上监视雷达实例

计算杂波对噪声比

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=6e9；c波段频率(Hz)anht = 20;%高度（米）ppow = 200年e3;峰值功率(W)τ= 200 e-6;％脉冲宽度（秒）prf=300；%脉冲重复频率(赫兹)AZBW = 10;半功率方位波束宽度(deg)elbw = 30;%半功率仰角波束宽度(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]=粗糙度（ss）；%设置几何Anht = Anht + 2*hgtsd;%杂波上方的平均高度（m）surfht=3*hgtsd；%表面高度(m)%计算模拟的最大范围Rua=时间2范围（1/prf）；最大无歧义范围(m)rhoriz = horialongrange（anht，“浮力”，surfht）;%水平距离(m)征求= min (Rua Rhoriz);％最大仿真范围（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 * 1E-3;%范围(公里)％计算海杂波反射率grazAng = grazingang (anht, Rm,“TargetHeight”，surfht）;nrcs = seareflectivity（ss，grazang，freq）;HelperplotseAleflexectivity（SS，Grazang，Freq，NRC，“H”）;

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 ect i v it y空白西格玛索引0基线的轴对象包含一个类型为线的对象。这个对象代表ss2h。

然后，利用该方法计算杂波的雷达截面(RCS)杂波器功能。注意到达雷达视距时杂波RCS的下降。

计算杂波RCSrcs = clutterSurfaceRCS (elbw, nrc, Rm, azbw grazAng(:),τ);rcsdB = pow2db (rcs);%转换为分贝进行绘图hAxes=帮助程序包（Rkm、rcsdB、，'rcs',“杂乱RCS (dBsm)”,'杂乱雷达横截面（RCS）'）;Helperaddhorizline（Haxes，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。

计算使用该杂乱对噪声比（CNR）雷达信噪比函数。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=频率2小波（频率）；计算并绘制杂讯比中国北车= radareqsnr(λ,Rm (:), ppowτ,......“收益”，[Gt Gr]，'rcs'，rcs，“t”，Ts）；％ D bhax = helperPlot (Rkm、中国北车、'CNR',“中国北车(dB)”,“Clutter-to-Noise比率(CNR)”)；ylim（hAxes，[-80100]）；helperAddHorizLine（hAxes，Rhoriz）；helperAddBelowClutterPatch（hAxes）；

图中包含一个轴对象。具有标题杂波对噪声比（CNR）的轴对象包含3个类型的贴片物体，线路，矩形。这些对象表示噪声低于噪声，CNR，地平线范围。

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

杂波低于噪声的范围（km）=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。可以使用雷达反射因子函数。

计算雷达杂波传播因子Fc=雷达反射系数（Rm、freq、anht、surfht、，......“表面重量标准偏差”hgtsd,......“SurfaceSlope”beta0,......''海面曝光'，elbw）;螺杆（RKM，FC，“传播因素”,......'传播因子（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。

在上图中，可以看到两个传播区域:

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。

通常，杂波传播因子和海洋反射率组合为乘积 $σ_{C} F_{C}^{4.}$ ，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 $σ_{C}$ ．计算这个乘积并绘制结果。

％结合杂波反射率和杂波繁殖因子fclinear = db2mag（Fc）;%转换为线性单位组合物= NRC。* FClinear。^ 2;组合性表达B = POW2DB（组合物）;Helperplot（RKM，ComplofFactordB，“\sigma\u CF\u C”,......'\ sigma_cf_c（db）',......“单向海杂波传播因子和反射率”）;

$图中包含一个轴对象。具有标题单向海杂波传播系数和反射率的轴对象包含了类型线的对象。此对象表示\ sigma_cf_c。$

接下来，使用倾斜路径计算路径上的大气损耗对流层函数。使用默认的标准大气模型进行计算。

计算与大气有关的单向损失elAng = height2el (surfht anht, Rm);％仰角（DEG）元素个数=元素个数(elAng);躺= 0(元素个数,1);对于IE = 1：Numel Latmos（即：）= Tropotl（RM（即），频率，Anht，elang（IE））;终止helperPlot (Rkm躺,'大气损失','损失（DB）','单程大气损失'）;

图中包含一个轴对象。具有标题单向大气损耗的轴对象包含类型线的对象。该对象代表大气损失。

重新计算CNR。在计算中包括传播因子和大气损耗。注意CNR曲线形状的变化。当包括这些因子时，杂波落在噪声之下的点的范围更近。

%重新计算CNR，包括雷达传播因子和大气损耗中国北车= radareqsnr(λ,Rm (:), ppowτ,......“收益”，[Gt Gr]，'rcs'，rcs，“t”Ts,......“PropagationFactor”足球俱乐部,......“大气损耗”,躺);％ D bhelperAddPlot（Rkm、cnr、，“CNR +传播因子+大气损耗”, hax);

图中包含一个Axis对象。标题为杂波噪声比（CNR）的Axis对象包含4个patch、line、constantline类型的对象。这些对象表示低于噪波、CNR、地平线范围、CNR+传播因子+大气损耗的杂波。

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

杂波低于噪声的范围（km）=10.44

了解天气效果

正如大气影响到目标的检测一样，天气也会影响杂波的检测。考虑雨对模拟范围的影响。首先计算雨衰减。

计算与雨有关的单向损失rr = 50;雨率％（mm / h）波朗=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);对于ie = 1:numEl Lrain(ie，:) = cranerainpl(Rm(ie)，freq,rr,elAng(ie)，polAng);终止helperPlot（Rkm、爱尔兰、，“降雨损失”,'损失（DB）',“单向雨损失”）;

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，包括雷达传播因子，大气损失，%及雨损中国北车= radareqsnr(λ,Rm (:), ppowτ,......“收益”，[Gt Gr]，'rcs'，rcs，“t”Ts,......“PropagationFactor”足球俱乐部,......“大气损耗”，拉丁美斯+ lrain）;％ D bhelperAddPlot（Rkm、cnr、，'CNR +传播系数+大气损失+雨', hax);

图中包含一个Axis对象。标题为杂波噪声比（CNR）的Axis对象包含5个patch、line、constantline类型的对象。这些对象表示低于噪声的杂波、CNR、地平线范围、CNR+传播因子+大气损耗、CNR+传播因子+大气损耗+雨水。

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

总结

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
对频率的比例依赖性
对频率的增加降低的偏振依赖性
低掠射角下对掠射角的强烈依赖性

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。

参考文献

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，7098，海军研究实验室，1970年。
Gregers-Hansen，V.和R. Mittal。雷达海杂波反射率的改进经验模型．NRL / MR，2012年4月27日海军研究实验室5310-12-9346。
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HelperPlotseRoughness（ss、hgtsd、beta0、vw）%创建3x1海面粗糙度输出图％创建数字数字海波高度的％绘制标准偏差次要情节(1,1)情节(ss、hgtsd“-o”,“线宽”，1.5）ylabel（[Sprintf（“波\ nHeight”)“\sigma_h（m）”])头衔(“海浪粗糙度”网格)在;绘制海浪坡度图子地块（3,1,2）地块（ss、beta0、，“-o”,“线宽”，1.5）ylabel（[Sprintf（“波\ nSlope”)“\ beta_0(度)])网格在;图风速子图（3,1,3）绘图（SS，VW，“-o”,“线宽”，1.5）xlabel(“海国”ylabel（[Sprintf（“风\n位置”)“v_w(米/秒)])网格在;终止函数hax = helperPlotSeaReflectivity (ss、grazAng频率,nrc,波尔,hax)％情节海反射活动%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 figure（）；hAxes=gca；newFigure=true；终止%获得极化串开关低(pol)情况下“h”线型='-';否则线型='--';终止%密谋如果hLine = semilogx(hax,freq(:).*1e-9,pow2db(nrcs)，lineStyle)，“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))终止％设置显示名称numLines =大小(nrc, 2);对于ii = 1:numLines hLine(ii)。DisplayName = sprintf ('SS%d，%s'ss (ii),波尔);如果newFigure hLine（ii）.Color=亮度（hLine（ii）.Color，0.5）；终止终止%更新标签和轴ylabel (的反射率\ sigma_0 (dB)”)标题('海州反射率\ sigma_0'网格)在轴紧持有在;%添加传奇传奇（“位置”,'southoutside',“NumColumns”5,“定位”,'水平的'）;终止函数varargout = helperPlot (Rkm y displayName, ylabelStr, titleName)%用于CNR分析％创建数字hFig =图;hax =轴(hFig);%密谋绘图（哈克斯、Rkm、y、，“线宽”,1.5,'显示名称'displayName);网格(hax,“开”)；保持（哈克斯，“开”)；xlabel（hAxes，的距离(公里)) ylabel (hax ylabelStr);标题(hax titleName);轴(hax“紧”）;%添加传奇传说（哈克斯，“位置”,“最好的”)％输出轴如果nargout~=0 varargout{1}=hAxes；终止终止函数helperAddPlot (Rkm y displayName, hax)%用于CNR分析%密谋ylimsIn=get（hAxes，“Ylim”）;绘图（哈克斯、Rkm、y、，“线宽”,1.5,'显示名称'，显示名称）；轴（哈克斯，“紧”)；ylimsNew=get（hax，“Ylim”）;集(hax,“Ylim”，[ylimsin（1）ylimsnew（2）]）;终止函数helperAddHorizLine（哈克斯、罗兹）添加指示水平距离的垂线Xline（Rhoriz。* 1E-3，'--','显示名称','地平线范围',“线宽”, 1.5);xlims =得到(hax,“XLim”); xlim（[xlims（1）Rhoriz.*1e-3*（1.05）]；终止函数helperAddBelowClutterPatch (hax)当杂波低于杂色时添加补丁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)];hP = patch(hax,x,y，[0.8 0.8 0.8])，......'Facealpha', 0.3,“EdgeColor”,“没有”,'显示名称',“噪音下的杂乱”）;uistack(惠普、'底部'）;终止函数HelperfindclutterBelownoise（RKM，CNR）％找到了杂乱的点低于噪音idxnotneginf =〜isinf（cnr）;rclutterbelow = Interp1（CNR（IDXNOTNEGINF），RKM（IDXNOTNEGINF），0）;FPRINTF（'杂乱的范围低于噪音（km）=％.2f \ n'Rclutterbelow)终止

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