雷达信号的MATlab仿真 ..docx

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雷达信号Matlab仿真

XXX，物理与电子信息学院

摘要:

运用数字信号处理理论和Matlab软件研究的脉冲压缩多普勒雷达的

信号处理仿真问题,提出了一个仿真模型,该模型能够仿真雷达信号、系统噪声与杂波的产生和脉冲压缩多普勒雷达系统中信号的动态处理过程,最后结合MIMO雷达信号特点,显示了使用Matlab仿真雷达信号处理系统方便快捷的特点。

简单说明仿真达到了什么要求，说明了什么问题

关键词:

MIMO;模糊图；脉冲压缩

Matlabsimulationofradarsignals

NiuHui,Collegeofphysicsandelectronicinformation

Abstract:

TheuseofdigitalsignalprocessingtheoryandMatlabsoftwareresearch

Dopplerradarpulsecompressionsignalprocessingsimulation,asimulationmodeltosimulationofradarsignals,thesystemnoiseandclutterofthegenerationandpulsecompressionDopplerradarsystemDynamicsignalprocessing,thefinalcombinationofthecharacteristicsofMIMOradarsignal,indicatingtheuseofMatlabsimulationoftheradarsignalprocessingsystemcharacterizedbyconvenientandefficient.

Keywords:

MIMO;FuzzyGraph;pulsecompression

雷达的基本原理

1.1雷达的原理

雷达（radar）原是“无线电探测与定位”的英文缩写。

雷达的基本任务是探测感兴趣的目标，测定有关目标的距离、方问、速度等状态参数。

雷达主要由天线、发射机、接收机（包括信号处理机）和显示器等部分组成。

雷达发射机产生足够的电磁能量，经过收发转换开关传送给天线。

天线将这些电磁能量辐射至大气中，集中在某一个很窄的方向上形成波束，向前传播。

电磁波遇到波束内的目标后，将沿着各个方向产生反射，其中的一部分电磁能量反射回雷达的方向，被雷达天线获取。

天线获取的能量经过收发转换开关送到接收机，形成雷达的回波信号。

由于在传播过程中电磁波会随着传播距离而衰减，雷达回波信号非常微弱，几乎被噪声所淹没。

接收机放大微弱的回波信号，经过信号处理机处理，提取出包含在回波中的信息，送到显示器，显示出目标的距离、方向、速度等。

为了测定目标的距离，雷达准确测量从电磁波发射时刻到接收到回波时刻的延迟时间，这个延迟时间是电磁波从发射机到目标，再由目标返回雷达接收机的传播时间。

根据电磁波的传播速度，可以确定目标的距离为：

S=CT/2其中S：

目标距离；T：

电磁波从雷达到目标的往返传播时间；C：

光速。

雷达测定目标的方向是利用天线的方向性来实现的。

通过机械和电气上的组合作用，雷达把天线的小事指向雷达要探测的方向，一旦发现目标，雷达读出些时天线小事的指向角，就是目标的方向角。

两坐标雷达只能测定目标的方位角，三坐标雷达可以测定方位角和俯仰角。

测定目标的运动速度是雷达的一个重要功能，—雷达测速利用了物理学中的多普勒原理．当目标和雷达之间存在着相对位置运动时，目标回波的频率就会发生改变，频率的改变量称为多普勒频移，用于确定目标的相对径向速度，通常，具有测速能力的雷达，例如脉冲多普勒雷达，要比一般雷达复杂得多。

其中，作用距离是指雷达刚好能够可靠发现目标的距离。

它取决于雷达的发射功率与天线口径的乘积，并与目标本身反射雷达电磁波的能力（雷达散射截面积的大小）等因素有关。

威力范围指由最大作用距离、最小作用距离、最大仰角、最小仰角及方位角范围确定的区域。

雷达的技术指标与参数很多，而且与雷达的体制有关，这里仅仅讨论那些与电子对抗关系密切的主要参数。

根据波形来区分，雷达主要分为脉冲雷达和连续波雷达两大类。

当前常用的雷达大多数是脉冲雷达。

常规脉冲雷达周期性地发射高频脉冲。

相关的参数为脉冲重复周期（脉冲重复频率）、脉冲宽度以及载波频

率。

载波频率是在一个脉冲内信号的高频振荡频率，也称为雷达的工作频率。

雷达天线对电磁能量在方向上的聚集能力用波束宽度来描述，波束越窄，天线的方向性越好。

但是在设计和制造过程中，雷达天线不可能把所有能量全部集中在理想的波束之内，在其它方向上在在着泄漏能量的问题。

能量集中在主波束中，我们常常形象地把主波束称为主瓣，其它方向上由泄漏形成旁瓣。

为了覆盖宽广的空间，需要通过天线的机械转动或电子控制，使雷达波束在探测区域内扫描。

概括起来，雷达的技术参数主要包括工作频率（波长）、脉冲重复频率、脉冲宽度、发射功率、天线波束宽度、天线波束扫描方式、接收机灵敏度等。

技术参数是根据雷达的战术性能与指标要求来选择和设计的，因此它们的数值在某种程度上反映了雷达具有的功能。

例如，为提高远距离发现目标能力，预警雷达采用比较低的工作频率和脉冲重复频率，而机载雷达则为减小体积、重量等目的，使用比较高的工作频率和脉冲重复频率。

这说明，如果知道了雷达的技术参数，就可在一定程度上识别出雷达的种类。

1.2雷达的用途

雷达的用途广泛，种类繁多，分类的方法也非常复杂。

通常可以按照雷达的用途分类，如预警雷达、搜索警戒雷达、无线电测高雷达、气象雷达、航管雷达、引导雷达、炮瞄雷达、雷达引信、战场监视雷达、机载截击雷达、导航雷达以及防撞和敌我识别雷达等。

除了按用途分，还可以从工作体制对雷达进行区分。

1.3论文的基本内容

脉冲压缩基本原理

2.1引言

现代雷达是一个十分复杂的工程系统,雷达系统的设计研究也是一项十分复杂的技术,人们越来越重视采用计算机仿真技术进行系统的分析和设计。

利用计算机仿真技术进行雷达系统的建模与仿真,可以高效地完成系统的方案论证和性能评估,将雷达系统设计人员从繁重的设计工作中解脱出来,使雷达系统的设计更加方便、高效和优化,能够大大提高设计的可靠性,并可缩短设计周期,降低开发成本,所以它是当前和未来雷达与电子对抗领域研究中的一种重要手段。

在雷达信号处理系统中,系统级仿真占有极其重要的地位。

经过系统级仿真,能够确保产品在高层次上的设计正确性。

利用系统仿真这一方法,可以找出系统各参数的最佳值来保证所设计的产品获得最佳性能。

本文提出了一个脉冲压缩多普勒雷达信号处理系统的仿真模型,并利用Matlab提供的强大仿真平台对该信号处理系统进行了仿真。

2.2线性调频（LFM）脉冲压缩雷达仿真

2.2.1雷达工作原理

雷达是Radar（RadioDetectionAndRanging）的音译词，意为“无线电检测和测距”，即利用无线电波来检测目标并测定目标的位置，这也是雷达设备在最初阶段的功能。

典型的雷达系统如图1.1，它主要由发射机，天线，接收机，数据处理，定时控制，显示等设备组成。

利用雷达可以获知目标的有无，目标斜距，目标角位置，目标相对速度等。

现代高分辨雷达扩展了原始雷达概念，使它具有对运动目标（飞机，导弹等）和区域目标（地面等）成像和识别的能力。

雷达的应用越来越广泛。

图1.1简单脉冲雷达系统框图

雷达发射机的任务是产生符合要求的雷达波形（RadarWaveform），然后经馈线和收发开关由发射天线辐射出去，遇到目标后，电磁波一部分反射，经接收天线和收发开关由接收机接收，对雷达回波信号做适当的处理就可以获知目标的相关信息。

假设理想点目标与雷达的相对距离为R，为了探测这个目标，雷达发射信号

s（t）,电磁波以光速C向四周传播，经过时间R后电磁波到达目标，照射到目标

上的电磁波可写成：

s（t-R）。

电磁波与目标相互作用，一部分电磁波被目标散

射，被反射的电磁波为s×s（t-R），其中s为目标雷达散射截面（RadarCross

Section,简称RCS），反映目标对电磁波的散射能力。

再经过时间R后，被雷达

接收天线接收的信号为s×s（t-2R）。

如果将雷达天线和目标看作一个系统，便得到如图1.2的等效，而且这是一

个LTI（线性时不变）系统。

图1.2：

雷达等效于LTI系统等效LTI系统的冲击响应可写成:

h（t）=åsid（t-ti）

i=1

（1.1）

M表示目标的个数，si为目标散射特性，ti是光速在雷达与目标之间往返一次的时间：

t=2Ri

（1.2）

i c

式中，Ri为第i个目标与雷达的相对距离。

雷达发射信号s（t）经过该LTI系统，得输出信号（即雷达的回波信号）

sr（t）：

M M

sr（t）=s（t）*h（t）=s（t）*åsid（t-ti）=åsis（t-ti）

（1.3）

i=1 i=1

那么，怎样从雷达回波信号sr（t）提取出表征目标特性的ti

（表征相对距离）

和si（表征目标反射特性）呢？

常用的方法是让sr（t）通过雷达发射信号s（t）的匹

配滤波器，如图1.3。

图1.3：

雷达回波信号处理

s（t）的匹配滤波器hr（t）为：

hr（t）=s*（-t）

（1.4）

于是，

s（t）=s（t）*h（t）=s（t）*s*（-t）*h（t）

（1.5）

o r r

对上式进行傅立叶变换：

S（jw）=S（jw）S*（jw）H（jw）

=|S（jw）|2H（jw）

（1.6）

如果选取合适的s（t），使它的幅频特性|S（jw）|为常数，那么1.6式可写为：

So（jw）=kH（jw）

（1.7）

傅里叶变换为：

so（t）=kh（t）=kåsid（t-ti）

i=1

（1.8）

so（t）中包含目标的特征信息ti和si。

从so（t）中可以得到目标的个数M和每个目

标相对雷达的距离：

=tc

（1.9）

i i2

这也是线性调频（LFM）脉冲压缩雷达的工作原理。

2.2.2线性调频（LFM）信号

脉冲压缩雷达能同时提高雷达的作用距离和距离分辨率。

这种体制采用宽脉冲发射以提高发射的平均功率，保证足够大的作用距离；而接受时采用相应的脉冲压缩算法获得窄脉冲，以提高距离分辨率，较好的解决雷达作用距离与距离分辨率之间的矛盾。

脉冲压缩雷达最常见的调制信号是线性调频（LinearFrequencyModulation）信号,接收时采用匹配滤波器（MatchedFilter）压缩脉冲。

LFM信号（也称Chirp信号）的数学表达式为：

t j2p（ft±Kt2）

s（t）=rect（T）e 2

fc t

（2.1）

式中为载波频率，rect（）为矩形信号，

t ï1,

t£1

rect（T）=í

î0,

elsewise

（2.2）

K=B，是调频斜率，于是，信号的瞬时频率为fT c

±Kt

（-T

2£t£T2

），如图2.1

图2.1典型的chirp信号（a）up-chirp（b）down-chirp将2.1式中的up-chirp信号重写为：

s（t）=S（t）ej2pfct

（2.3）

式中，

S（t）=

rect（）eT

jpKt2

（2.4）

是信号s（t）的复包络。

由傅立叶变换性质，S（t）与s（t）具有相同的幅频特性，只是中心频率不同而以，因此，Matlab仿真时，只需产生S（t）。

以下Matlab

程序产生2.4式的chirp信号，并作出其时域波形和幅频特性，如图2.2。

T=10e-6; %发射脉宽10us

B=30e6; %调频带宽30MHz

K=B/T; %频率调制斜率

Fs=2.5*B;Ts=1/Fs; %计算机仿真的采样频率和采样周期

N=T/Ts; %采样点数

t=linspace（-T/2,T/2,N）;

St=exp（j*pi*K*t.^2）; %产生线性调频信号

subplot（211）plot（t*1e6,real（St））;

xlabel（'\fontsize{9}时间（us）'）;title（'\fontsize{9}LFM脉冲的时域波形'）;

gridon;axistight;subplot（212）

freq=linspace（-Fs/2,Fs/2,N）;plot（freq*1e-6,fftshift（abs（fft（St））））;

xlabel（'\fontsize{9}频率（MHz）'）;title（'\fontsize{9}LFM脉冲的幅频特性'）;

gridon;axistight;

仿真结果显示：

图2.2：

LFM信号的时域波形和幅频特性

2.2.3LFM脉冲的匹配滤波

信号s（t）的匹配滤波器的时域脉冲响应为：

h（t）=s*（t-t）

（3.1）

t0是使滤波器物理可实现所附加的时延。

理论分析时，可令t0＝0，重写3.1式，

h（t）=s*（-t）

（3.2）

将2.1式代入3.2式得:

h（t）=

t -jpKt2

j2pfct

rect（）e ´e

（3.3）

图3.1：

LFM信号的匹配滤波

如图3.1,

s（t）经过系统h（t）得输出信号so（t），

so（t）=s（t）*h（t）

¥ ¥

=òs（u）h（t-u）du=òh（u）s（t-u）du

-¥ -¥

=òe-jpKu2rect（u）ej2pfcu´ejpK（t-u）2rect（t-u）ej2pfc（t-u）du

-¥ T T

当0£t£T时,

s0（t）=

t-T2

ejpKt2e-j2pKtudu

-j2pKtuT

=ejpKt2e

2 ´ej2pfct

-j2pKtt-T2

=sinpK（T-t）tej2pfct

pKt

（3.4）

当-T£t£0时,

s0（t）=

t+T2

-T2

ejpKt2e-j2pKtudu

=ejpKt2

e-j2pKtu

-j2pKt

t+T2´e

-T2

j2pfct

=sinpK（T+t）tej2pfct

pKt

（3.5）

合并3.4和3.5两式：

sinpKT（1-t）t

s（t）=T T rect（t

）ej2pfct

0 pKTt 2T

（3.6）

3.6式即为LFM脉冲信号经匹配滤波器得输出,它是一固定载频fc的信号。

当

t£T时，包络近似为辛克（sinc）函数。

S0（t）=TSa（pKTt）rect（2T

）=TSa（pBt）rect（t）

（3.7）

图3.2：

匹配滤波的输出信号

如图3.2，当pBt=±p时，t=±1为其第一零点坐标；当pBt=±p时，t=±1，

习惯上，将此时的脉冲宽度定义为压缩脉冲宽度。

2 2B

t=1´2=1

2B B

（3.8）

LFM信号的压缩前脉冲宽度T和压缩后的脉冲宽度t之比通常称为压缩比D，

D=T

=TB

（3.9）

3.9式表明，压缩比也就是LFM信号的时宽频宽积。

由2.1,3.3,3.6式，s（t）,h（t）,so（t）均为复信号形式，Matlab仿真时，只需考虑它们的复包络

S（t）,H（t）,So（t）。

以下Matlab程序段仿真了图3.1所示的过程，并将仿真结果和理论进行对照。

T=10e-6; %发射脉宽10us

B=30e6; %调频带宽30MHz

K=B/T; %频率调制斜率

Fs=10*B;Ts=1/Fs; %计算机仿真的采样频率和采样周期

N=T/Ts;

t=linspace（-T/2,T/2,N）;

St=exp（j*pi*K*t.^2）; %产生线性调频信号

Ht=exp（-j*pi*K*t.^2）; %匹配滤波器单位冲激响应

Sot=conv（St,Ht）; %匹配滤波输出

figure

（1）L=2*N-1;

t1=linspace（-T,T,L）;

Z=abs（Sot）;Z=Z/max（Z）; %仿真信号对数归一化Z=20*log10（Z+1e-6）;

Z1=abs（sinc（B.*t1））; %产生理伦输出信号并归一化Z1=20*log10（Z1+1e-6）;

t1=t1*B; %时间轴与1/B归一化

plot（t1,Z,t1,Z1,'r.'）;

axis（[-15,15,-50,inf]）;gridon;legend（'\fontsize{9}仿真结果','理论结果'）;xlabel（'\fontsize{9}时间\times\itB （s）'）;

ylabel（'\fontsize{9}相对幅度dB'）;title（'\fontsize{9}脉冲压缩后的回波（归一化后）'）;

figure

（2） %仿真结果局部放大

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]）;gridon;

set（gca,'Ytick',[-13.4,-4,0],'Xtick',[-3,-2,-1,-0.5,0,0.5,1,2,3]）;

legend（'\fontsize{9}仿真结果','理论结果'）;xlabel（'\fontsize{9}时间\times\itB （s）'）;ylabel（'\fontsize{9}相对幅度dB'）;

title（'\fontsize{9}脉冲压缩后的回波（归一化后局部图）'）;仿真结果如图3.3，3 .4。

图3.3：

脉冲压缩后的回波

图3.4：

脉冲压缩后的回波（局部图）

图3.4中，时间轴进行了归一化，（t/（1/B）=t´B）。

图中反映出理论与仿真结果吻合良好。

第一零点出现在±1（即±1）处，此时相对幅度-13.4dB。

压缩后

的脉冲宽度近似为1（±1

B 2B

），此时相对幅度-4dB,这理论分析（图3.2）一致。

上面只是对各个信号复包络的仿真，实际雷达系统中，LFM脉冲的处理过程如图2.4。

图3.5：

LFM信号的接收处理过程

雷达回波信号sr（t）（1.4式）经过正交解调后，得到基带信号，再经过匹配滤波

脉冲压缩后就可以作出判决。

正交解调原理如图3.6，雷达回波信号经正交解调后得两路相互正交的信号I（t）和Q（t）。

一种数字方法处理的的匹配滤波原理如图3.7。

图3.6：

正交解调原理

图3.7：

一种脉冲压缩雷达的数字处理方式

2.2.4Matlab仿真结果

（1）任务：

对以下雷达系统仿真。

雷达发射信号参数：

幅度：

1.0

信号波形：

线性调频信号

频带宽度：

30兆赫兹（30MHz）脉冲宽度：

10微妙（20us）

中心频率：

1GHz（109Hz）雷达接收方式：

正交解调接收

距离门：

10Km~15Km目标：

Tar1：

10.5KmTar2：

11KmTar3：

12KmTar4：

12Km＋5mTar5：

13KmTar6：

13Km＋2m

（2）系统模型：

结合以上分析，用Matlab仿真雷达发射信号，回波信号，和压缩后的信号的复包络特性，其载频不予考虑（实际中需加调制和正交解调环节），仿真信号与系统模型如图4.1。

图4.1：

雷达仿真等效信号与系统模型

functionLFM_radar（T,B,Rmin,Rmax,R,RCS）ifnargin==0

T=10e-6; %发射脉宽

B=30e6; %调频带宽

Rmin=10000;Rmax=15000; %距离门R=[10500,11000,12000,12005,13000,13002]; %目标位置向量，相对于雷达

RCS=[111111]; %目标相对有效反射面

end

%参数设置

R=R-Rmin; %目标位置向量，相对

距离门下限Rmin

C=3e8; %光速

K=B/T; %调频斜率

Rrec=Rmax-Rmin; %接收门宽/m

Trec=2*Rrec/C; %接收门宽/s

Fs=5*B;Ts=1/Fs; %计算机仿真的采样频率和周期

N0=ceil（T/Ts）; %发射脉宽对应的采样

点数

N=ceil（Trec/Ts）; %接收窗对应的采样点数

%产生高采样率chirp信号Rate=10;t1=linspace（0,T,Rate*N0）;

Chirp=exp（j*pi*K*t1.^2）;

%产生回波

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