雷達測速及測距

雷達測速與測距GZH2016/3/29系統(tǒng)流程圖模塊分析1脈沖壓縮1.1原理分析雷達的根本功能是利用目標對電磁波的散射而發(fā)現(xiàn)目標，并測定目標的空間位置。雷達分辨力是雷達的主要性能參數(shù)之一。所謂雷達分辨力是指在各種目標環(huán)境下區(qū)分兩個或兩個以上的鄰近目標的能力。一般說來目標距離不同、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，而與信號波形嚴密聯(lián)系的那么是距離分辨力和速度（徑向）分辨力。兩個目標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，雷達的距離分辨力取決于信號帶寬。對于給定的雷達系統(tǒng)，可到達的距離分辨力為〔1.1〕其中C為光速，B=If為發(fā)射波形帶寬。雷達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。R=if=—對于簡單的脈沖雷達， ，此處，「為發(fā)射脈沖寬度。因此，對于簡單的脈沖雷達系統(tǒng)，將有〔1.2〕在普通脈沖雷達中，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。雷達對目標進展連續(xù)觀測的空域叫做雷達的探測圍，也是雷達的重要性能數(shù)，它決定于雷達的最小可測距離和最大作用距離，仰角和方位角的探測圍。而發(fā)射功率的大小影響作用距離，功率大那么作用距離大。發(fā)射功率分脈沖功率和平均功率。雷達在發(fā)射脈沖信號期間所輸出的功率稱脈沖功率，用Pt表示；平均功率是指一個重復(fù)周期Tr發(fā)射機輸出功率的平均值，用Pav表示。它們的關(guān)系為脈沖壓縮〔PC〕雷達體制在雷達脈沖峰值受限的情況下，通過發(fā)射寬脈沖而獲得高的發(fā)能量，以保證足夠的最大作用距離，而在接收時那么采用相應(yīng)的脈沖壓縮法獲得窄脈沖，以提高距離分辨力，因而能較好地解決作用距離與分辨能力之間的矛盾。在脈沖壓縮系統(tǒng)中，發(fā)射波形往往在相位上或頻域上進展調(diào)制，接收時1_1將回波信號加以壓縮，使其等效帶寬B滿足。令飛飛,那么[1.4]〔1.4丨式中，飛表示經(jīng)脈沖壓縮后的有效脈寬。因此脈沖壓縮雷達可用寬度-的發(fā)射脈沖來獲得相當(dāng)于發(fā)射有效寬度為飛的簡單脈沖系統(tǒng)的距離分辨力。發(fā)射脈沖寬度：跟系統(tǒng)有效〔經(jīng)壓縮的〕脈沖寬度S的比值便成為脈沖壓縮比，即〔1.5〕那么D=BII〔1.6〕輸入信號形式為_ .zs(t)=AIrectY-YI巴找吠丹詈〔1.7〕

其中矩形函數(shù)，當(dāng)時為1其他情況為0。實踐-rectY-V其中矩形函數(shù)，當(dāng)時為1其他情況為0。實踐-rectY-VIe2T〔1.8〕系統(tǒng)采用匹配濾波輸出為〔1.9〕[1.10]1.2仿真結(jié)果雷達發(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chirp信弓圖1.2chirp信號發(fā)射信號為16個脈沖，在經(jīng)過延時和參加噪聲后得到回波信號如下：-□.S-1-□.S-1?□.曰「.El.E4..2口2.4.□.□.d6□.口--□.用□.曰 1日寸i司■1.2 1A 1.GM1口蟲圖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，表示目標個數(shù)為3。0.30.60.4回涼侶號的一亍周朋0-0.2■□.S-0.S-16000距離□lszna圖1.4回波信號的一個周期在仿真過程中，給回波參加一定的高斯噪聲，使仿真更接近實際?；卣勘?.30.60.4回涼侶號的一亍周朋0-0.2■□.S-0.S-16000距離□lszna圖1.4回波信號的一個周期在仿真過程中，給回波參加一定的高斯噪聲，使仿真更接近實際。回湛倍號加離斯曰倬皆2噩°-1□.4□.5I.5圖1.5噪聲信號圖1.6—個周期回波信號加噪聲在接收到回波后，用Hamming窗進展濾波，然后再進展匹配濾波。這樣可濾除局部雜波信號。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回波。2三脈沖非遞歸MTI2.1原理分析當(dāng)雜波和運動目標回波在雷達顯示器上同時顯示時，會使目標的觀察變得很困難。如果目標處在強雜波背景，弱的目標淹沒在強雜波中，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。目標回波和雜波在時間域上難以區(qū)分，但由于目標的速度遠大于背景的速度，目標回波的多普勒頻移遠大于背景的多普勒頻移，從而可在頻域上區(qū)分目標與雜波。動目標顯示濾波器〔MTI〕利用運動目標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。在雷達上加裝MTI濾波器，大大的改善了雷達在強雜波背景中檢測運動目標的能力。在相位檢波器輸出端，固定目標的回波是一串振幅不變的脈沖，而運動目標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回波。最直接的方法是將相鄰重復(fù)周期的回波信號相減，那么固定目標回波由于振幅不變而互相抵消，運動目標回波相減后剩下相鄰重復(fù)周期振幅變化的局部。

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。不帶反應(yīng)的濾波器稱為非遞歸型濾波器。下面以一次對消器為例進展說明。一次對消器，即二脈沖對消。其構(gòu)造圖如圖2.1〔a〕，對消器的輸入X⑵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z=±1，令s=j，即z=e何在z平面上是單位圓。圖2.1⑹由相位檢波器輸出的脈沖包絡(luò)為u(t)=Ucos申(t)0[2.1]申圖2.1⑹由相位檢波器輸出的脈沖包絡(luò)為u(t)=Ucos申(t)0[2.1]申為回波與基準電壓之間的相位差甲(t)二一①t0r…2(R0-Vrt)Rt_Q0c d0〔2.2〕回波信號按重復(fù)周期Tr出現(xiàn)，將回波信號延遲一周期后，其包絡(luò)是u(t)=Ucos[w(t—T)一甲]0 d r 0〔2.3〕(①T)u'—u=2Usin d—rsin0L2丿Au=①T)①—―—Qd2 0丿〔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〕.wT〔2.5〕02為多普勒頻率的函數(shù)。當(dāng)WdTr：2="?！瞡=1,2,3,…〕時，輸出振幅為零這時的目標速度正相當(dāng)于盲速，盲速是運動目標回波在相位檢波器的輸出端與固定目標回波一樣，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u=u（1-e-j叫）〔2.6〕0i對消器的頻率響應(yīng)特性為1.5 2 25 3 36A歸一優(yōu)壩薈曲u 1.5 2 25 3 36A歸一優(yōu)壩薈曲u 工H(j?)= 叫=(1-cos?T)+jsin?T=2sin兀fTej(2-兀心〔2.7〕u r ri00B衛(wèi)2DO..O.QTb.直卷?0-20-30-500 05 1 1借2 25 3 4歸一優(yōu)頻率■術(shù)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f=nfr各點處均為零。固定目標頻譜的特點是它的譜線位于nfr點上，因而在理想情況下，通過對消器后輸出為零。當(dāng)目標的多普勒頻率為重復(fù)頻率的整數(shù)倍時，其頻譜構(gòu)造也有一樣的特點，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。在進過三

脈沖對消后，固定目標多普勒頻率為零，將被濾除Mnfelse的箱果/■V 7 1 V i 0 60QO 1WM0 16000K(mb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，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顯示雷達性能不高，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)的改良、數(shù)字技術(shù)的提高，主要依靠信號處理的潛在能力，MTI雷達的性能還將進一步的改善和提高：增大信號處理的線性動態(tài)圍;

增加一組多普勒濾波器，使之更接近于最正確濾波，提高改善因子；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〕；增加一個或多個雜波圖，可有幫助檢測切向飛行大目標等作用；做了上述改良的系統(tǒng)稱之為動目標檢測〔MTD丨系統(tǒng)。這里介紹的多普勒濾波器組就是一種MTD濾波器。根據(jù)最正確濾波理論，當(dāng)雜波功率譜C(/)和信號頻譜S(/)時，最正確濾波器的頻響是：〔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H1(f)和H2(f)其傳遞函數(shù)形式為：〔3.2〕H2(f)=H2i(f)H22(f〔3.2〕式中，H21(f)為單個脈沖的匹配濾波器，通常在接收機中放實現(xiàn)，H22(f)是對相參脈沖串進展匹配，它利用了回波脈沖串的相參性進展相參積累。H22(f)是梳齒形濾波器，齒的間隔為脈沖重復(fù)頻率fr，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fd不能預(yù)知，因此要用一組鄉(xiāng)里且局部重疊的濾波器組(如圖3.1(b)中0-7號濾波器)，覆蓋整個多普勒頻率圍，這就是多普勒濾波器組所要完成的成效。圖3.1(a)iL圖3.1(a)iL(I2j4 5(I7O'1圖3.1Cb)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Tr=1fr,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f。如果要同時得到N個濾波器的響應(yīng)，那么在圖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)。w@ ?-Q圖3.2橫向濾波器設(shè)加在第k個濾波器的第i個輸出端頭的加權(quán)值為：w=e-j[2兀(i-1)kN],i=1,2,...N〔33〕ikk表示標號從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f8，以及f+fr/8，2fr+fr…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):hk(t)=[thk(t)=[t一(i一1)T]e-j2兀(i-i)kn(3.4)i=iH(f)=e-j2兀ftkej2*(i-1)[,fT-kN](3.5)i=1濾波器振幅特性:冋(f)冋(f)仝I=1ej2*(/-1)[fT-kN]sin[兀N(fT―kN)]sin[兀(fT―kN)](3.6)濾波器峰值產(chǎn)生于sin[*(fT一k：N)]=0。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nfr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MTDraault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)代雷達信號處理中，為了提高雷達的性能，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