雷達信號處理和數據處理

1、脈沖壓縮雷達的仿真 脈沖壓縮雷達與匹配濾波的 MATLAB 仿真 姓名：- 學號：- 2014-10-28 西安電子科技大學 信息對抗技術 . . 一、 雷達工作原理 雷達，是英文 Radar 的音譯，源于 radio detection and ranging 的縮寫，原意為無線 電探測和測距，即用無線電的方法發(fā)現目標并測定它們的空間位置。因此，雷達也被稱 為“無線電定位” 。利用電磁波探測目標的電子設備。發(fā)射電磁波對目標進行照射并接收 其回波，由此獲得目標至電磁波發(fā)射點的距離、距離變化率（徑向速度） 、方位、高度等 信息。 雷達發(fā)射機的任務是產生符合要求的雷達波形（Radar Wavefo

2、rm） ，然后經饋線和收 發(fā)開關由發(fā)射天線輻射出去，遇到目標后，電磁波一部分反射，經接收天線和收發(fā)開關 由接收機接收，對雷達回波信號做適當的處理就可以獲知目標的相關信息。 但是因為普通脈沖在雷達作用距離與距離分辨率上存在自我矛盾，為了解決這個矛 盾，我們采用脈沖壓縮技術，即使用線性調頻信號。 二、 線性調頻（LFM）信號 脈沖壓縮雷達能同時提高雷達的作用距離和距離分辨率。這種體制采用寬脈沖發(fā)射 以提高發(fā)射的平均功率，保證足夠大的作用距離；而接受時采用相應的脈沖壓縮算法獲 得窄脈沖，以提高距離分辨率，較好的解決雷達作用距離與距離分辨率之間的矛盾。 脈沖壓縮雷達最常見的調制信號是線性調頻（Line

3、ar Frequency Modulation）信號,接 收時采用匹配濾波器（Matched Filter）壓縮脈沖。 LFM 信號的數學表達式： （2.1） . . 其中為載波頻率，為矩形信號： c f() t rect T （2.2） 其中是調頻斜率，信號的瞬時頻率為，如圖 B K T () 22 c TT fKtt （圖 2.1.典型的 LFM 信號（a）up-LFM(K0)（b）down-LFM(K0)） 將式 1 改寫為： （2.3） 其中 （2.4） 是信號 s(t)的復包絡。由傅立葉變換性質，S(t)與 s(t)具有相同的幅頻特性，只是中 心頻率不同而以，因此，Matlab 仿真

4、時，只需考慮 S(t)。以下 Matlab 程序產生(2.4）的 . . LFM 信號，并作出其時域波形和幅頻特性。 %線性調頻信號的產生 T=10e-6; %持續(xù)時間是 10us B=30e6; %調頻調制帶寬為 30MHz K=B/T; %調頻斜率 Fs=2*B;Ts=1/Fs; %采樣頻率和采樣間隔 N=T/Ts; N=T/Ts; t=linspace(-T/2,T/2,N); St=exp(j*pi*K*t.2); %產生線性調頻信號 subplot(211) plot(t*1e6,real(St); xlabel(時間/us); title(LFM 的時域波形); grid on;a

5、xis tight; subplot(212) freq=linspace(-Fs/2,Fs/2,N); plot(freq*1e-6,fftshift(abs(fft(St); xlabel(頻率/MHz); title(LFM 的頻域特性); grid on;axis tight; . . -5-4-3-2-1012345 -1 -0.5 0 0.5 仿 仿 /us LFM仿 仿 仿 仿 仿 -30-20-100102030 0 20 40 60 仿 仿 /MHz LFM仿 仿 仿 仿 仿 （圖 2.2：LFM 信號的時域波形和頻域特性） 三、 壓縮脈沖的匹配濾波 信號的匹配濾波器的時域脈

6、沖響應為：( )s t (3.1) 是使濾波器物理可實現所附加的時延。理論分析時，可令0，重寫 3.1 式， 0 t 0 t (3.2) 將 2.1 式代入 3.2 式得: (3.3) . . 圖 3.1：LFM 信號的匹配濾波 如圖 3.1,經過系統(tǒng)得輸出信號，( )s t( )h t( ) o s t (3.4) 當時,0tT (3.5) 當時,0Tt (3.6) 合并 3.5 和 3.6 兩式： (3.7) . . 3.7 式即為 LFM 脈沖信號經匹配濾波器得輸出,它是一固定載頻的信號。當時，包 c ftT 絡近似為辛克（sinc）函數。 (3.8) 圖 3.2：匹配濾波的輸出信號 如

7、圖 3.2，當 Bt= 時， t=1/B 為其第一零點坐標；當 Bt=/2 時，t=1/2B，習慣上， 將此時的脈沖寬度定義為壓縮脈沖寬度。 (3.9) LFM 信號的壓縮前脈沖寬度 T 和壓縮后的脈沖寬度之比通常稱為壓縮比 D， (3.10) 式 3.10 表明，壓縮比也就是 LFM 信號的時寬頻寬積。 由 2.1,3.3,3.7 式，s(t),h(t),so(t)均為復信號形式，Matab 仿真時，只需考慮它們的復包絡 S(t), H(t),So(t)。 以下 Matlab 程序段仿真了圖 3.1 所示的過程，并將仿真結果和理論進行對照。 %線性調頻信號的匹配濾波 T=10e-6; B=3

8、0e6; K=B/T; . . Fs=10*B;Ts=1/Fs; N=T/Ts; t=linspace(-T/2,T/2,N); St=exp(j*pi*K*t.2); %產生線性調頻信號 Ht=exp(-j*pi*K*t.2); %匹配濾波器 Sot=conv(St,Ht); %線性調頻信號經過匹配濾波器 subplot(211) L=2*N-1; t1=linspace(-T,T,L); Z=abs(Sot);Z=Z/max(Z); %歸一化 Z=20*log10(Z+1e-6); Z1=abs(sinc(B.*t1); %sinc 函數 Z1=20*log10(Z1+1e-6); t1=

9、t1*B; plot(t1,Z,t1,Z1,r.); axis(-15,15,-50,inf);grid on; legend(仿真,sinc); xlabel(時間 sec timesitB); ylabel(振幅,dB); title(線性調頻信號經過匹配濾波器); subplot(212) %放大 N0=3*Fs/B; t2=-N0*Ts:Ts:N0*Ts; t2=B*t2; plot(t2,Z(N-N0:N+N0),t2,Z1(N-N0:N+N0),r.); . . axis(-inf,inf,-50,inf);grid on; set(gca,Ytick,-13.4,-4,0,Xti

10、ck,-3,-2,-1,-0.5,0,0.5,1,2,3); xlabel(時間 sec timesitB); ylabel(振幅,dB); title(線性調頻信號經過匹配濾波器（放大）); 結果： -15-10-5051015 -40 -20 0 仿 仿 sec B 仿 仿 ,dB 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 sinc -3-2-1-0.500.5123 -13.4 -4 0 仿 仿 sec B 仿 仿 ,dB 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 圖 3.3：線性調頻信號的匹配濾波 上圖中，時間軸進行了歸一化， （t/(1/B

11、)=t x B） 。圖中反映出理論與仿真結果吻合 良好。第一零點出現在1（即1/B）處，此時相對幅度-13.4dB。壓縮后的脈沖寬度 近似為 1/B（1/2B） ，此時相對幅度-4dB,這理論分析（圖 3.2）一致。 四、 Matlab 仿真 1. 任務：對以下雷達系統(tǒng)仿真。 雷達發(fā)射信號參數：雷達發(fā)射信號參數： . . 幅度：1.0 信號波形： 線性調頻信號 頻帶寬度： 30MHz 脈沖寬度： 10us 中心頻率： 1GHzHz 雷達接收方式：雷達接收方式： 正交解調接收 距離門：10Km15Km 目標：目標： Tar1：10.5Km Tar2：11Km Tar3：12Km Tar4：12K

12、m5m Tar5：13Km Tar6：13Km2m 2. 系統(tǒng)模型： 結合以上分析，用 Matlab 仿真雷達發(fā)射信號，回波信號，和壓縮后的信號的復包絡特 性，其載頻不予考慮（實際中需加調制和正交解調環(huán)節(jié)） ，仿真信號與系統(tǒng)模型如下圖。 圖 4.1：雷達仿真等效信號與系統(tǒng)模型 3. 線性調頻脈沖壓縮雷達仿真程序 LFM_radar . . 仿真程序模擬產生理想點目標的回波，并采用頻域相關方法（以便利用 FFT）實現脈沖 壓縮。函數 LFM_radar 的參數意義如下： T：LFM 信號的持續(xù)脈寬； B：LFM 信號的頻帶寬度； Rmin：觀測目標距雷達的最近位置； Rmax：觀測目標距雷達的最

13、遠位置； R：一維數組，數組值表示每個目標相對雷達的距離； RCS：一維數組，數組值表示每個目標的雷達散射截面。 在 Matlab 指令窗中輸入： LFM_radar(10e-6,30e6,10000,15000,10500,11000,12000,12005,13000,13002,1,1,1,1,1,1) 得到的仿真結果如下圖。 707580859095100 -2 0 2 仿 仿 /s 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 11.051.11.151.21.251.31.351.41.451.5 x 10 4 -60 -40 -20 0 仿 仿 /m 仿 仿 / dB 仿 仿 仿 仿

14、仿 仿 仿 仿 . . 五、 心得 通過這次使用 Matlab 對脈沖壓縮雷達的仿真，讓我充分理解到了脈沖壓縮雷達的工作 原理，以及脈沖壓縮雷達與普通脈沖雷達的差異，這讓我對與雷達原理這門課有了更 加深入的理解，對于匹配濾波的深入了解，使得在課堂中沒有充分理解的地方清晰的 展現在眼前。這次實驗不僅僅會促進我雷達原理課程的學習，也為我以后學習雷達專 業(yè)提供了一種可靠的方法。 . . 六、 附錄 MatlabMatlab 代碼（代碼（LFM_radar.mLFM_radar.m） %脈沖壓縮雷達仿真 function LFM_radar(T,B,Rmin,Rmax,R,RCS) if nargin

15、=0 T=10e-6; %脈沖持續(xù)時間 10us B=30e6; %頻帶寬度 30MHz Rmin=10000;Rmax=15000; %作用范圍 R=10500,11000,12000,12008,13000,13002; %目標位置 RCS=1 1 1 1 1 1; %雷達散射面 end %參數設定 C=3e8; %設定速度為光速 K=B/T; %調頻斜率 Rwid=Rmax-Rmin; %距離 Twid=2*Rwid/C; %時間 Fs=5*B;Ts=1/Fs; %采樣頻率和采樣間隔 Nwid=ceil(Twid/Ts); %回波 t=linspace(2*Rmin/C,2*Rmax/C

16、,Nwid); %接收范圍(2*Rmin/C t 2*Rmax/C) . . M=length(R); %目標數量 td=ones(M,1)*t-2*R/C*ones(1,Nwid); Srt=RCS*(exp(j*pi*K*td.2).*(abs(td)T/2); %雷達回波 %利用 FFT 和 IFFT 進行數字信號處理 Nchirp=ceil(T/Ts); %多脈沖持續(xù)時間 Nfft=2nextpow2(Nwid+Nwid-1); Srw=fft(Srt,Nfft); %雷達回波的 fft 計算 t0=linspace(-T/2,T/2,Nchirp); St=exp(j*pi*K*t0.2); %線性調頻信號 Sw=fft(St,Nfft); %線性調頻信號的 fft 計算 Sot=fftshift(ifft(Srw.*conj(Sw); %脈沖壓縮后的信號 N0=Nfft/2-Nch