雷達(dá)測速與測距(同名22976)

雷達(dá)測速與測距GZH2016/3/29系統(tǒng)流程圖模塊分析1脈沖壓縮1.1原理分析雷達(dá)的基本功能是利用目標(biāo)對電磁波的散射而發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并測定目標(biāo)的空間位置。雷達(dá)分辨力是雷達(dá)的主要性能參數(shù)之一。所謂雷達(dá)分辨力是指在各種目標(biāo)環(huán)境下區(qū)分兩個或兩個以上的鄰近目標(biāo)的能力。一般說來目標(biāo)距離不同、方位角不同、高度不同以及速度不同等因素都可用來分辨目標(biāo)，而與信號波形緊密聯(lián)系的則是距離分辨力和速度(徑向)分辨力。兩個目標(biāo)在同一角度但處在不同距離上，其最小可區(qū)分的距離稱為距離分辨力，雷達(dá)的距離分辨力取決于信號帶寬。對于給定的雷達(dá)系統(tǒng)，可達(dá)到的距離分辨力為δr其中c為光速，B=?f雷達(dá)的速度分辨率可用速度分辨常數(shù)表征，信號在時域上的持續(xù)寬度越大，在頻域上的分辨率能力就越好，即速度分辨率越好。對于簡單的脈沖雷達(dá)，B=?f=1/τ，此處，τδr=c2在普通脈沖雷達(dá)中，由于信號的時寬帶寬積為一常數(shù)（約為1），因此不能兼顧距離分辨力和速度分辨力兩項指標(biāo)。1.2仿真結(jié)果雷達(dá)發(fā)射信號為LFM信號，脈沖寬度為Tp=10e-6，信號帶寬為B=4e6，脈沖重復(fù)周期為T=100e-6，因此脈沖占空比為0.1，采樣頻率為fs=5e6。時寬帶寬積為D=Tp*B。發(fā)射信號波形如下：圖1.1LFM信號時域波形和頻譜圖1.2chirp信號發(fā)射信號為16個脈沖，在經(jīng)過延時和加入噪聲后得到回波信號如下：圖1.3完整回波信號從圖中可看出，回波信號在每個脈沖重復(fù)周期中有3個脈沖，表示目標(biāo)個數(shù)為3。圖1.4回波信號的一個周期在仿真過程中，給回波加入一定的高斯噪聲，使仿真更接近實際。圖1.5噪聲信號圖1.6一個周期回波信號加噪聲在接收到回波后，用Hamming窗進(jìn)行濾波，然后再進(jìn)行匹配濾波。這樣可濾除部分雜波信號。圖1.7（a）脈壓后輸出波形圖1.7（b）脈壓后輸出波形從圖中可明顯看到3個尖峰，每個尖峰代表一個目標(biāo)回波。2三脈沖非遞歸MTI2.1原理分析當(dāng)雜波和運動目標(biāo)回波在雷達(dá)顯示器上同時顯示時，會使目標(biāo)的觀察變得很困難。如果目標(biāo)處在強雜波背景內(nèi)，弱的目標(biāo)淹沒在強雜波中，特別是當(dāng)強雜波使接收機發(fā)生過載時，將很難發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。目標(biāo)回波和雜波在時間域上難以區(qū)分，但由于目標(biāo)的速度遠(yuǎn)大于背景的速度，目標(biāo)回波的多普勒頻移遠(yuǎn)大于背景的多普勒頻移，從而可在頻域上區(qū)分目標(biāo)與雜波。動目標(biāo)顯示濾波器（MTI）利用運動目標(biāo)回波和雜波在頻譜上的區(qū)別，有效地抑制雜波而提取信號。在雷達(dá)上加裝MTI濾波器，大大的改善了雷達(dá)在強雜波背景中檢測運動目標(biāo)的能力。在相位檢波器輸出端，固定目標(biāo)的回波是一串振幅不變的脈沖，而運動目標(biāo)的回波是一串振幅調(diào)制的脈沖。在把回波信號送到終端顯示器前，必須先消除固定目標(biāo)回波。最直接的方法是將相鄰重復(fù)周期的回波信號相減，則固定目標(biāo)回波由于振幅不變而互相抵消，運動目標(biāo)回波相減后剩下相鄰重復(fù)周期振幅變化的部分。傳統(tǒng)的MTI濾波器有兩種形式：非遞歸形和遞歸形。這里介紹非遞歸形。不帶反饋的濾波器稱為非遞歸型濾波器。下面以一次對消器為例進(jìn)行說明。一次對消器，即二脈沖對消。其結(jié)構(gòu)圖如圖2.1（a），對消器的輸入X(z)相位檢波器的輸出信號。它是一個單零點系統(tǒng)，零點位置在，令，即在Z平面上是單位圓。由相位檢波器輸出的脈沖包絡(luò)為（2.1）為回波與基準(zhǔn)電壓之間的相位差（2.2）回波信號按重復(fù)周期出現(xiàn)，將回波信號延遲一周期后，其包絡(luò)是（2.3）（2.4）輸出包絡(luò)為一多普勒頻率的正弦信號，其頻率為（2.5）為多普勒頻率的函數(shù)。當(dāng)（n=1,2,3,…）時，輸出振幅為零。這時的目標(biāo)速度正相當(dāng)于盲速，盲速是運動目標(biāo)回波在相位檢波器的輸出端與固定目標(biāo)回波相同，因而經(jīng)對消設(shè)備后輸出為零。下面從頻率域來說明對消器的工作原理。對消器的輸出為（2.6）對消器的頻率響應(yīng)特性為（2.7）圖2.2對消器的頻率響應(yīng)對消器等效于一個梳狀濾波器，其頻率特性在各點處均為零。固定目標(biāo)頻譜的特點是它的譜線位于點上，因而在理想情況下，通過對消器后輸出為零。當(dāng)目標(biāo)的多普勒頻率為重復(fù)頻率的整數(shù)倍時，其頻譜結(jié)構(gòu)也有相同的特點，故通過上述梳狀濾波器后無輸出。2.2仿真結(jié)果本次仿真用的是三脈沖非遞歸MTI，其頻響和二脈沖非遞歸MTI類似，三脈沖對消相比二脈沖對消能明顯改善零多普勒附近的凹口寬度。在進(jìn)過三脈沖對消后，固定目標(biāo)多普勒頻率為零，將被濾除圖2.3（a）MTI輸出圖2.3（b）MTI輸出在參數(shù)設(shè)定時，設(shè)定有三個目標(biāo)，距離分別為4000米、8000米、12000米，其對應(yīng)的徑向速度為0、35m/s、85m/s。所以經(jīng)過MTI后，4000出目標(biāo)回波被濾除，仿真結(jié)果與理論分析一致。3MTD3.1原理分析早期的動目標(biāo)顯示雷達(dá)性能不高，其改善因子一般在20dB左右。隨著在系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)的改進(jìn)、數(shù)字技術(shù)的提高，主要依靠信號處理的潛在能力，MTI雷達(dá)的性能還將進(jìn)一步的改善和提高：①增大信號處理的線性動態(tài)范圍；②增加一組多普勒濾波器，使之更接近于最佳濾波，提高改善因子；③能抑制地雜波（其平均多普勒頻移通常為零）且能同時抑制運動雜波（如云雨、鳥群、箔條等）；④增加一個或多個雜波圖，可有幫助檢測切向飛行大目標(biāo)等作用；做了上述改進(jìn)的系統(tǒng)稱之為動目標(biāo)檢測（MTD）系統(tǒng)。這里介紹的多普勒濾波器組就是一種MTD濾波器。根據(jù)最佳濾波理論，當(dāng)雜波功率譜和信號頻譜已知時，最佳濾波器的頻響是：（3.1）式中，是使濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)而附加的延遲時間，式(3.1)的濾波器可分成兩個級聯(lián)的濾波器和其傳遞函數(shù)形式為：（3.2）式中，為單個脈沖的匹配濾波器，通常在接收機中放實現(xiàn)，是對相參脈沖串進(jìn)行匹配，它利用了回波脈沖串的相參性進(jìn)行相參積累。是梳齒形濾波器，齒的間隔為脈沖重復(fù)頻率，如圖3.1(b)中0號濾波器；齒的位置取決于回波信號的多普勒頻移，而齒的寬度應(yīng)和回波譜線的寬度一致。由于實際中不能預(yù)知，因此要用一組鄉(xiāng)里且部分重疊的濾波器組(如圖3.1(b)中0-7號濾波器)，覆蓋整個多普勒頻率范圍，這就是多普勒濾波器組所要完成的功效。輸入N個脈沖的橫向濾波器組有N-1根延遲線，每根延遲時間，經(jīng)過各脈沖不同的加權(quán)并求和后，可以做成N個相鄰的窄帶濾波器組，頻率覆蓋0到。如果要同時得到N個濾波器的響應(yīng)，則在圖3.2中橫向濾波器的每一抽頭應(yīng)該有N個分開的輸出并相應(yīng)的加權(quán)。設(shè)加在第k個濾波器的第i個輸出端頭的加權(quán)值為： （3.3）k表示標(biāo)號從0到N-1的濾波器,每一個k值對應(yīng)一組不同的加權(quán)值，相應(yīng)地對應(yīng)一個不同的多普勒濾波器響應(yīng)。圖3.1(b)中所示濾波器響應(yīng)是N=8時按式(3.3)加權(quán)所得各標(biāo)記k的濾波器頻率響應(yīng)，k取0-7。第2個濾波器，即當(dāng)k=1時，峰值響應(yīng)產(chǎn)生在,以及，…k取其他值，可以此類推?？蓪懗鰴M向濾波器按式(6.5.38)加權(quán)時的脈沖響應(yīng)及其頻響函數(shù)：(3.4)(3.5)濾波器振幅特性:(3.6)濾波器峰值產(chǎn)生于。0號濾波器的中心位置在零頻以及重復(fù)頻率的整數(shù)倍處，通過沒有多普勒頻移的雜波，因此對地雜波沒有抑制能力。所以MTD濾波器常常和MTI濾波器配合使用。用橫向濾波器實現(xiàn)窄帶濾波器可不采用式(3.3)所示的權(quán)值，而是根據(jù)特定的需要靈活地選用不同的加權(quán)矢量，可以根據(jù)不同頻率處設(shè)置特性相異的濾波器。每個濾波器都有一定的副瓣，幅瓣的大小決定著雜波抑制能力的大小。為了壓低副瓣，一般都需要對數(shù)據(jù)做加窗處理。目前常用的窗函數(shù)有矩形窗、三角形窗、Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗、Gaussian窗、Kaiser窗、Bartlett窗。3.2仿真結(jié)果圖3.3MTD輸出由圖3.3得出，在地5通道和第12通道有輸出，對應(yīng)的通道中心徑向速度為:38m/s,91m/s。實際速度為35m/s、85m/s。4恒虛警率檢測4.1原理分析在現(xiàn)代雷達(dá)信號處理中，為了提高雷達(dá)的性能，首先需要提高檢測器輸入端的信噪比及信干比，其措施是降低接收機的噪聲系數(shù)，采用各種抑制雜波和抗干擾的措施等。但是即使采用了上述方法，檢測器輸入端還會有噪聲、雜波和干擾的剩余分量。由于