基于Matlab的地基雷達(dá)設(shè)計(jì)

1、摘 要雷達(dá)是一種全天時(shí)、全天候的傳感器，可以安裝在車輛、飛機(jī)和衛(wèi)星等多種平臺(tái)上， 在軍事和民用等方面都具有重要的應(yīng)用價(jià)值，因此一直受到世界各國(guó)的高度重視。仿真 是現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的基礎(chǔ)，從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，毫無(wú)疑問(wèn)，沒(méi)有任何軟件比 matlab 更好。經(jīng)過(guò)改革開放幾十年的發(fā)展，我國(guó)在雷達(dá)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，特別是最近十幾 年，隨著國(guó)家的不斷投人，我國(guó)的雷達(dá)事業(yè)進(jìn)人了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期。x 波段地基雷 達(dá)（gbr）是美國(guó)國(guó)家導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中段防御和攔截系統(tǒng)中最主要和最有效的目標(biāo)精確 跟蹤和識(shí)別傳感器之一，它負(fù)責(zé)中段監(jiān)視和截獲、預(yù)測(cè)彈道和實(shí)測(cè)彈道的精度、識(shí)別和 目標(biāo)分類等重要功能，對(duì) gbr 的系統(tǒng)

2、分析和仿真研究，探究其工作機(jī)理和識(shí)別手段， 不但對(duì)于研究彈道導(dǎo)彈的有效突防措施和攻防對(duì)抗有著重要意義，對(duì)于發(fā)展我國(guó)自己的 空間監(jiān)測(cè)和彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)也有著重要的參考價(jià)值。本文介紹了運(yùn)用雷達(dá)技術(shù)基礎(chǔ)理論按所給要求設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的地基雷達(dá)系統(tǒng)，并介 紹所運(yùn)用的相關(guān)原理及對(duì)相關(guān)結(jié)果分析和改進(jìn)。關(guān)鍵詞:matlab；地基雷達(dá)；系統(tǒng)仿真；功率孔徑積；計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)abstractthe use of digital signal processing theory and matlab software research doppler radar pulse compression signal pro

3、cessing simulation, a simulation model to simulation of radar signals, the system noise and clutter of the generation and pulse compression doppler radar system dynamic signal processing, the final combination of the characteristics of mimo radar signal, indicating the use of matlab simulation of th

4、e radar signal processing system characterized by convenient and efficient.keywords: matlab software, image preprocessing, license plate localization, character segmentation .目錄1. 課程設(shè)計(jì)目的 . 12. 課程設(shè)計(jì)要求 . 13. 相關(guān)知識(shí) . 13.1 地基雷達(dá) . 13. 2 地基雷達(dá)的工作原理 . 24. 課程設(shè)計(jì)分析 . 44.1 地基雷達(dá)的實(shí)現(xiàn) . 44. 2 參數(shù)設(shè)置 . 45. 程序代碼 . 56. 運(yùn)

5、行結(jié)果及分析 . 67. 參考文獻(xiàn) . 8沈陽(yáng)理工大學(xué)雷達(dá)技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告基于 matlab 的地基雷達(dá)設(shè)計(jì)1.課程設(shè)計(jì)目的（1） 加深對(duì)雷達(dá)技術(shù)基本理論知識(shí)的理解。（2） 培養(yǎng)獨(dú)立開展科研的能力和編程能力。（3） 掌握簡(jiǎn)單地基雷達(dá)的組成及應(yīng)用。2.課程設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一部地基雷達(dá)，能夠檢測(cè)高度分別為 10km 和 2km 的飛機(jī)和導(dǎo)彈。對(duì)每種 目標(biāo)類型的最大探測(cè)距離是 60km。假定飛機(jī)的平均 rcs 是 6dbsm，導(dǎo)彈的平均 rcs 是-10dbm。導(dǎo)彈雷達(dá)的方位角和俯仰角搜索范圍分別是 h =360和h =10。所要求a e的掃描速率是 2s，距離分辨率是 150m。假定噪聲系數(shù) f=8d

6、b，總的損失因子是 l=10db。 使用方位波束寬度小于 3的扇形波束。snr 是 15db。3.相關(guān)知識(shí)對(duì)雷達(dá)截面積，雷達(dá)損失，靈敏度，掃描時(shí)間，檢測(cè)距離，搜索區(qū)域，功率孔徑積 等有關(guān)雷達(dá)技術(shù)的基礎(chǔ)理論及知識(shí)點(diǎn)。3.1 地基雷達(dá)由分置于不同基地的一部或多部發(fā)射機(jī)和一部或多部接收機(jī)（接收機(jī)與發(fā)射機(jī)的數(shù) 量不必相等）組成的統(tǒng)一的雷達(dá)系統(tǒng)。雙基地雷達(dá)是多基地雷達(dá)中最簡(jiǎn)單的一種。早期 的雷達(dá)主要是雙基地形式，即發(fā)射機(jī)與接收機(jī)放置在不同地點(diǎn)。1936 年，美國(guó)海軍研究 實(shí)驗(yàn)室研制成天線收發(fā)開關(guān)(見天線開關(guān)管)，單基地雷達(dá)遂逐步取代了雙基地雷達(dá)而成 為常用的雷達(dá)形式。到 50 年代初，雙基地和多基地雷達(dá)

7、系統(tǒng)重新受到人們的重視。多 基地雷達(dá)可有多種組成形式。1沈陽(yáng)理工大學(xué)雷達(dá)技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告3.2 地基雷達(dá)的工作原理雷達(dá)系統(tǒng)必須要實(shí)現(xiàn)的第一個(gè)任務(wù)是連續(xù)地掃描特定的空間區(qū)域以搜索感 興趣的目標(biāo)，一旦建立起檢測(cè)，目標(biāo)信息如距離、角位置及可能的目標(biāo)速度就可 以從雷達(dá)信號(hào)和數(shù)據(jù)處理器中提取出來(lái)。根據(jù)雷達(dá)的設(shè)計(jì)和天線的類型，可以采 用不同的搜索模式。二維（ 2 d ）扇形波形搜索模式如圖 3.1 所示。此時(shí)，俯仰方 向的波束寬度足夠?qū)?，以覆蓋沿著此坐標(biāo)的想要搜索的區(qū)域。然而，天線必須在 方位向掃描。圖 3.2 所示的是堆積波束搜索模式。這時(shí)，波束必須在方位向和俯 仰向掃描。后一種搜索模式通常被相控陣?yán)走_(dá)

8、采用。圖 3.1 2d 扇形搜索模式圖 3.2 堆積搜索模式搜索區(qū)域通常用以球面度表示的搜索立體角 來(lái)規(guī)定。定義方位向和俯仰向的雷達(dá) 搜索區(qū)域范圍為 h 和 h 。相應(yīng)地，搜索區(qū)域的計(jì)算為a ew =（h h ）/(57.296) a e2球面波 （3.3）其中，h 和 h 都以角度給出。雷達(dá)天線的 3db 波束寬度可以分別按照它的方位向 a e和俯仰向?qū)挾?qa和 q 表示。那么，天線的立體角覆蓋范圍就是qq，因此，覆蓋立體角 e a e 所要求的天線波束位置數(shù) n 為bn =bw (qq) /(57.296)a e2（3.4）為了開發(fā)搜索雷達(dá)方程，由snr =p g 2 l2s t(4p)

9、3 kt bflre4（3.5）使用關(guān)系式 t=1/ b 和 p =p t /t avt，其中 t 是 pri， t是脈沖寬度，得到snr =ttp g 2 l2st av(4p)3 kt flre4（3.6）2ia ea ei沈陽(yáng)理工大學(xué)雷達(dá)技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告將雷達(dá)掃描由立體角 定義的區(qū)域所花費(fèi)的時(shí)間定義為掃描時(shí)間 t 。那么，輻射到sc目標(biāo)的時(shí)間可以根據(jù) t 表示為sct t t = sc = sc qqn wb（3.7）假設(shè)在單次掃描期間，每個(gè) pri 每個(gè)波束只有一個(gè)波束照射到目標(biāo)，則 t =t ，所i以式（3.6）可以寫為snr =p g 2 l2s t av sc qq(4p)3 k

10、t flr 4 we（3.8）進(jìn)一步整理得p as tsnr = av sc 4pkt flr 4 we（3.9）（）式（3.9）中的值 p a 稱為功率孔徑積。實(shí)際上，功率孔徑積廣泛用于對(duì)雷達(dá)實(shí)現(xiàn)av其搜索任務(wù)的能力分類。通常，對(duì)于由 定義的給定的搜索區(qū)域，功率孔徑積的計(jì)算要 滿足預(yù)定的 snr 和雷達(dá)截面積。作為一種特殊情況，假定雷達(dá)使用直徑為 d 的圓徑孔（天線）。天線的 3db 波束寬度 q為3dbq3 dbld（3.10）當(dāng)使用錐形孔徑時(shí)q3db1.25l/ d。將（3.10）代入式（3.4），得到 d 2n =wbl2（3.11）對(duì)于這種情況，掃描時(shí)間 t 和輻射到目標(biāo)的時(shí)間的關(guān)系

11、為sct t l2t = sc = scn d 2 wb將式（3.12）代入式（3.6），得到（3.12）snr =p g 2 l2s t l2 av sc(4p)3 kt flr 4 d 2 we（3.13）可以定義圓孔徑的搜索雷達(dá)方程為p as tsnr = av sc 4pkt flr 4 we3（3.14）沈陽(yáng)理工大學(xué)雷達(dá)技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告其中，使用了關(guān)系式 a =pd2/ 4 （孔徑面積）。4.課程設(shè)計(jì)分析4.1 地基雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)距離分辨率的需求是 dr =150 m，因此通過(guò)使用式 dr =ct/ 2 =c / 2 b 計(jì)算所要求的脈沖寬度是 t=1ms，或者等效為要求帶寬是 b=1m

12、hz。問(wèn)題的陳述有助于以功率孔徑積 確定雷達(dá)的大小。為此，必須先計(jì)算出在滿足要求的檢測(cè)距離上的最大搜索區(qū)域。雷達(dá)搜索區(qū)域?yàn)?w =（h h ）/(57.296)a e2=360 10 /(57.296)2=1.097在此，準(zhǔn)備使用雷達(dá)搜索方程（3.9）計(jì)算功率孔徑積。為此。可以修改 matlab 函數(shù)“power_aperture.m ”來(lái)計(jì)算，并且畫出兩種類型的功率孔徑積。最后開發(fā)了 matlab 程序“gbr_case.m”，在第五節(jié)中給出程序代碼。使用表 5.1 中的參數(shù)作為這個(gè)程序的 輸入，注意 t =290k 是任意選擇的。e4.2 參數(shù)設(shè)置符號(hào)ssstttsigma_tgtmsig

13、ma_tgtarangemrangeatenflossaz_angleel_angle描述靈敏度 snr掃描時(shí)間 導(dǎo)彈雷達(dá)截面積 飛機(jī)雷達(dá)截面積 導(dǎo)彈檢測(cè)距離 飛機(jī)監(jiān)測(cè)距離有效溫度噪聲系數(shù)雷達(dá)損失 搜索區(qū)域的方位范圍 搜索區(qū)域的俯仰范圍單位dbsdbsmdbsmkmkmkdbdb度度值152-106606029081036010表 5.1 matlab 程序“gbr_case.m”的輸入?yún)?shù)4沈陽(yáng)理工大學(xué)雷達(dá)技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告5.程序代碼程序如下：clear allclose allsss = 15.0; % sensitivity snr in dbttt = 2.; % antenna sc

14、an time in secondssigma_tgtm = -10; % missile rcs in dbsmsigma_tgta = 6; % aircraft rcs in dbsmrange = 60.0; % sensitivity range in km,te = 290.0; % effective noise temprature in kelvinsnf = 8; % noise figure in dbloss = 10.0; % radar losses in dbaz_angle = 360.0; % search volume azimuth extent in d

15、egreesel_angle = 10.0; % search volume elevation extent in degreesc = 3.0e+8; % speed of light% compute omega in steradiansomega = (az_angle / 57.296) * (el_angle /57.296);omega_db = 10.0*log10(omega); % convert omega to dbsk_db = 10.*log10(1.38e-23);te_db = 10*log10(te);tsc_db = 10*log10(tsc);facto

16、r = 10*log10(4*pi);rangemdb = 10*log10(range * 1000.);rangeadb = 10*log10(range * 1000.);pap_missile = snr - sigma_tgtm - tsc_db + factor + 4.0 * rangemdb + . k_db + te_db + nf + loss + omega_dbpap_aircraft = snr - sigma_tgta - tsc_db + factor + 4.0 * rangeadb + . k_db + te_db + nf + loss + omega_db

17、index = 0;5沈陽(yáng)理工大學(xué)雷達(dá)技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告% vary rnage from 2km to 90 kmfor rangevar = 2 : 1 : 90index = index + 1;rangedb = 10*log10(rangevar * 1000.0);papm(index) = snr - sigma_tgtm - tsc_db + factor + 4.0 * rangedb + .k_db + te_db + nf + loss + omega_db;missile_pap(index) = pap_missile;aircraft_pap(index) = pap

18、_aircraft;papa(index) = snr - sigma_tgta - tsc_db + factor + 4.0 * rangedb + .k_db + te_db + nf + loss +omega_db;endvar = 2 : 1 : 90;figure (1)plot (var,papm,k,var,papa,k-.)legend (missile,aircraft)xxxxxx (range - km);yyyyyy (power aperture product - db);hold onplot(var,missile_pap,k:,var,aircraft_pap,k:)gridhold off6.運(yùn)行結(jié)果及分析圖 6.1 顯示了這個(gè)程序產(chǎn)生的輸出圖形。這個(gè)同樣的程序也計(jì)算了導(dǎo)彈和飛機(jī)對(duì)應(yīng) 的功率孔徑積，它們也可以從這幅圖上讀出。pap =38.53dbmissilepap =22.53dbaircraft6沈陽(yáng)理工大學(xué)雷達(dá)技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告38.5db22.5db圖 6.1 地基雷達(dá)的功率孔徑積相對(duì)檢測(cè)距離選擇更嚴(yán)格的情況作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)（即選擇導(dǎo)彈的分析結(jié)果作為功率孔徑積），得到p =7128.53 /1.