一種基于地表類型的地雜波快速仿真方法

一種基于地表類型的地雜波快速仿真方法摘要地雜波在雷達(dá)感知、遙感、通信等領(lǐng)域中具有阻礙算法的應(yīng)用和降低信號(hào)質(zhì)量的作用。地雜波快速仿真方法是研究這類問(wèn)題的關(guān)鍵。本文提出了一種基于地表類型的地雜波快速仿真方法。該方法通過(guò)構(gòu)造地形表面以及土地利用和地表覆蓋類型，建立地面反射模型，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，能更準(zhǔn)確、快速地生成地雜波模擬。通過(guò)仿真結(jié)果的對(duì)比與分析，我們可以得出結(jié)論：本文所提出的方法在精度和速度兩方面都較好，可以應(yīng)用于雷達(dá)感知、通信等領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：地雜波；仿真；地表類型；機(jī)器學(xué)習(xí)AbstractGroundclutterhasanegativeimpactonthequalityofradarandcommunicationsignals,andtheapplicationofalgorithms.Therefore,afastsimulationmethodforgroundclutteriscrucialtomitigatetheseeffects.Inthispaper,afastsimulationmethodforgroundclutterbasedonsurfacetypeisproposed.Themethodconstructsterrainsurfaces,landuseandlandcovertypestobuildagroundreflectionmodel.Anoptimizationofthemodelparametersiscarriedoutusingmachinelearningalgorithmswhichenablesthegenerationofagroundcluttersimulationthatismoreaccurateandfaster.Throughcomparisonsandanalysisofthesimulationresults,wecanconcludethatthemethodproposedinthispaperhasgoodperformanceinaccuracyandspeedandcanbeappliedinthefieldsofradarperceptionandcommunication.Keywords:Groundclutter,simulation,surfacetype,machinelearning1.研究背景地雜波是由于地面環(huán)境的復(fù)雜性而引起的一種誤信號(hào)[1]，它會(huì)對(duì)雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤、通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用產(chǎn)生負(fù)面影響。例如在雷達(dá)信號(hào)中，地雜波混雜在所接收到的信號(hào)中，會(huì)干擾雷達(dá)的檢測(cè)并且降低目標(biāo)信號(hào)的功率[2]，使算法的識(shí)別難度大大增加。在通信中，地雜波也會(huì)產(chǎn)生與雷達(dá)信號(hào)相似的干擾信號(hào)，從而降低接受信號(hào)的信噪比，導(dǎo)致通信質(zhì)量下降，在嚴(yán)重情況下會(huì)產(chǎn)生信號(hào)斷續(xù)或無(wú)法接收的情況[3]。因此，研究地雜波的快速仿真方法對(duì)于解決這類問(wèn)題至關(guān)重要。地雜波的產(chǎn)生是由于雷達(dá)信號(hào)經(jīng)過(guò)反射、散射和衍射等多種方式在地面產(chǎn)生的，地表類型是導(dǎo)致地雜波變化的重要因素之一。因此，利用地表類型建立地面反射模型可以快速且準(zhǔn)確地進(jìn)行地雜波仿真。2.研究?jī)?nèi)容2.1構(gòu)造地表類型地表類型是地雜波快速仿真的關(guān)鍵因素之一。為了能夠更好地模擬地雜波，需要對(duì)地表類型進(jìn)行分類，如建筑物、草地、道路、水體等。通過(guò)在地圖上標(biāo)注每個(gè)點(diǎn)的地表類型，可以得到一個(gè)地表類型分類的高分辨率數(shù)據(jù)。Figure1細(xì)節(jié)地圖紋理2.2建立地面反射模型建立地面反射模型是進(jìn)行地雜波仿真的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。地面反射模型是利用電磁波在地表反射、衍射和散射等物理過(guò)程建立而成[4]?？紤]到地面反射模型的復(fù)雜性和計(jì)算量，本文采用簡(jiǎn)化的模型。以雷達(dá)波的發(fā)射為原點(diǎn)，地表上各點(diǎn)的反射系數(shù)與角度、長(zhǎng)、寬和高度有關(guān)。反射系數(shù)可以采用近似值，即針對(duì)每個(gè)地物類型，設(shè)定一個(gè)反射系數(shù)，或者根據(jù)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)選取反射系數(shù)，考慮利用模型優(yōu)化反射系數(shù)，提高預(yù)測(cè)精度。反照率越高的物體，對(duì)雷達(dá)信號(hào)的散射、反射和衍射貢獻(xiàn)越大[5]。Figure2雷達(dá)反射過(guò)程的示意圖2.3參數(shù)優(yōu)化通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行模型參數(shù)優(yōu)化是一種有效的方法。通過(guò)使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，我們可以讓模型自動(dòng)調(diào)整參數(shù)并提高預(yù)測(cè)精度。這里采用支持向量回歸模型（SVR）進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。SVR是一種非線性回歸模型，它通過(guò)將數(shù)據(jù)映射到一個(gè)高維的空間中，在該空間中對(duì)模型進(jìn)行線性建模[6]。3.仿真實(shí)驗(yàn)3.1數(shù)據(jù)集在本實(shí)驗(yàn)中，利用高分辨率的遙感圖像構(gòu)建了真實(shí)地表類型的數(shù)據(jù)集，包括林地,建筑,道路,草地和水體。每一個(gè)類別的樣本數(shù)目高達(dá)幾十萬(wàn)個(gè)，因此，我們采用跨域?qū)W習(xí)方法來(lái)分離各個(gè)地物標(biāo)簽，如圖3所示。Figure3數(shù)據(jù)集分類3.2仿真結(jié)果我們使用了本文所提出的方法對(duì)真實(shí)地表類型數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，可以得到仿真圖像如圖4所示，其中黑色矩形代表雷達(dá)覆蓋區(qū)域。仿真圖像與真實(shí)高分辨率地圖進(jìn)行了對(duì)比，仿真結(jié)果非常接近于真實(shí)地雜波。我們還采用圖像處理方法對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行處理，分析仿真結(jié)果。Figure4所提出的地雜波仿真方法的仿真結(jié)果4.結(jié)論在本文中，我們提出了一種基于地表類型的地雜波快速仿真方法。該方法通過(guò)構(gòu)造地表類型高分辨數(shù)據(jù)，建立地面反射模型并使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，已經(jīng)取得了可接受的結(jié)果。仿真結(jié)果的驗(yàn)證表明，本文提出的方法在速度和精度方面都比較高，同時(shí)可以應(yīng)用于雷達(dá)感知和通信等各個(gè)領(lǐng)域中。未來(lái)的研究可以提高反射系數(shù)預(yù)測(cè)精度，從而提高該方法的仿真結(jié)果的精度和應(yīng)用范圍。參考文獻(xiàn)：1.Katz,F.,&Edelstein,W.N.(2016).Groundclutter.InRadarTechniquesUsingArrayAntennas(pp.185-211).ArtechHouse.2.Wang,J.,&Jiao,L.(2017).Groundcluttercancelationforairborneearlywarningradar.IETRadar,Sonar&Navigation,11(4),684-691.3.Ma,X.,Gui,X.,Yu,L.,&Zhang,L.(2019).GroundcluttersuppressionbasedonmorphologicalcomponentanalysisinTTRS-IIsystem.Sensors,19(3),658.4.Haskapoulou,I.,Tsakiridis,D.,&Drakakis,E.(2016).Afastandaccuratesimulationmodelforgroundclutterofairborneradarsensors.Sensors,16(5),684.5.Kou,H.,Jin,T.,Wu,X.,&Tao,R.(2017).Anovelgroundcluttersuppressionmethodforhigh-frequencygroundwaveover-the-horizonradar.IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing,55(5)