matlab仿真脉冲多卜勒雷达的信号处理

1、matlab 仿真脉冲多卜勒雷达的信号处理25 / 26目录目 录 - 1第一章 绪论- 31.1 雷达起源 31.2 雷达的发展历程 4第二章 原理分析 - 62.1 匹配滤波器原理 62.2 线性调频信号（ LFM） 82.3 LFM 信号的脉冲压缩 10第三章 多目标线性调频信号的脉冲压缩 14第四章 仿真结果分析 - 164.1 时域图分析 164.2 回波信号频域图分析 174.3 压缩信号图分析 194.4 多目标压缩信号图分析 21第五章 问题回答 - 23第六章 致谢与总结 - 24附录（ Matlab 程序） 25第一章 绪论1.1 雷达起源雷达的出现，是由于二战期间当时英国

2、和德国交战时，英国急需一种 能探测空中金属物体的雷达（技术）能在反空袭战中帮助搜寻德国飞机。 二战期间，雷达就已经出现了地对空、空对地（搜索）轰炸、空对空（截 击）火控、敌我识别功能的雷达技术。二战以后，雷达发展了单脉冲角度跟踪、脉冲多普勒信号处理、合成 孔径和脉冲压缩的高分辨率、结合敌我识别的组合系统、结合计算机的自 动火控系统、地形回避和地形跟随、无源或有源的相位阵列、频率捷变、 多目标探测与跟踪等新的雷达体制。后来随着微电子等各个领域科学进步，雷达技术的不断发展，其内涵 和研究内容都在不断地拓展。目前，雷达的探测手段已经由从前的只有雷 达一种探测器发展到了雷达、红外光、紫外光、激光以及其

3、他光学探测手 段融合协作。当代雷达的同时多功能的能力使得战场指挥员在各种不同的搜索 /跟 踪模式下对目标进行扫描，并对干扰误差进行自动修正，而且大多数的控 制功能是在系统内部完成的。自动目标识别则可使武器系统最大限度地发 挥作用，空中预警机和 JSTARS 这样的具有战场敌我识别能力的综合雷达 系统实际上已经成为了未来战场上的信息指挥中心。雷达（Radar）是英文 “Radio Detection and Ranging”缩写的译音 ,意思 是无线电检测和定位。 近年来更广义的 Radar 的定义为 :利用电磁波对目标 检测/定位/跟踪 /成像 /识别。雷达是战争中关键的侦察系统之一 ,它提供

4、的信 息是决策的主要基础。 雷达可用于战区侦察 ,也可用于战场侦察。 装有雷达 导引头的导弹、灵巧炸弹能精确地、有效地杀伤目标。在反洲际弹道导弹 系统，反战术弹道导弹系统中，雷达是主要的探测器。雷达技术在导航、 海洋、气象、环境、农业、森林、资源勘测、走私检查等方面都起到了重 要作用。1.2 雷达的发展历程雷达技术首先在美国应用成功。美国在 1922 年利用连续波干涉雷达 检测到木船， 1933 年 6月利用连续波干涉雷达首次检测到飞机。 该种雷达 不能测距。 1934 年美国海军开始发展脉冲雷达。英国于 1935 年开始研究 脉冲雷达， 1937 年 4 月成功验证了 CH( Chain H

5、ome)雷达站， 1938 年大 量的 CH 雷达站投入运行。英国于 1939 年发展飞机截击雷达。 1940 年由 英国设计的 10cm 波长的磁控管由美国生产。磁控管的发展是实现微波雷 达的最重要的贡献。 1940 年 11 月，美国开发微波雷达，在二次世界大战 末期生产出了 10cm 的 SCR-584 炮瞄雷达，使高射炮命中率提高了十倍。 二战中，俄、法、德、意、日等国都独立发展了雷达技术。但除美国、英 国外，雷达频率都不超过 600MHz 。二战中，由于雷达的很大作用，产生 了对雷达的电子对抗。研制了大量的对雷达的电子侦察与干扰设备，并成 立了反雷达特种部队。 二战后，特别是五、六十

6、年代，由于航空航天技术 的飞速发展， 用雷达探测飞机、 导弹、 卫星、以及反洲际弹道导弹的需要， 对雷达提出了远距离、高精度、高分辨率及多目标测量的要求，雷达进入 蓬勃发展阶段，解决了一系列关键性问题：脉冲压缩技术、单脉冲雷达技 术、微波高功率管、脉冲多卜勒雷达、微波接收机低噪声放大器(低噪声行波管、量子、参量、隧首二极管放大器等） 、相控阵雷达。七十至九十 年代，由于发展反弹道导弹、空间卫星探测与监视、军用对地侦察、民用 环境和资源勘测等的需要，推动了雷达的发展。出现了合成孔径雷达 （SAR），高频超视距雷达（ OTHR ），双/多基地雷达，超宽带（ UWB ）雷 达，逆合成孔径雷达（ IS

7、AR ），干涉仪合成孔径雷达（ InSAR ），综合脉冲 与孔径雷达等新技术新体制。早期的雷达天线是固定的、无方向的阵列，只有距离信息。天线在一 定的时间间隔内发射射频脉冲，将接收到的回波放大，并在示波器的 CRT 上显示（即常称的 A 显示），产生一个与目标位置对应的水平线，供雷达 操作员识别目标的大致距离。但由于当时所用的射频电波频率较低，为了有效地发射和接收射频信 号，雷达系统需要一个很大的天线，这种天线不能迁移或者改变方向，而 且只能探测到大目标，且距离信息的精度也很低。到二战结束时，雷达系 统中那些现在熟悉的特征微波频率、抛物面天线和 PPI 显示，已建立起 来。第二章 原理分析2.

8、1 匹配滤波器原理在输入为确知加白噪声的情况下， 所得输出信噪比最大的线性滤波器就是匹配滤波器，设一线性滤波器的输入信号为x(t) ：x(t) s(t) n(t)其中： s(t) 为确知信号， n(t)为均值为零的平稳白噪声，其功率谱密度为 No/2。设线性滤波器系统的冲击响应为 h(t ) ，其频率响应为 H( ) ，其输出响应：y(t)so(t)no(t)输入信号能量：E(s)2s2(t)dt输入、输出信号频谱函数：S( )s(t)e j tdt()H ( )S( )so (t)H(jt)S( )e d输出噪声的平均功率：Eno2(t)Pno()d1221H 2( )Pn( )dSNRo1

9、212H()S( )ej to d2H( ) Pn( )d( )利用 Schwarz 不等式得：为：SNRo上式取等号时，滤波器输出功率信噪比H(当滤波器输入功率谱密度是 Pn( )H(k 为常数 1 ，波器的传输函数SPn()2dSNRo 最大取等号条件：S*( ) j tePn ( )/2 的白噪声时，MF 的系统函数kS*( )e j to, k2 NoS* ( )为输入函数频谱的复共轭，S*( ) S( ) ，也是滤H( )。Es为输入信号SNRo 2Eso Nos(t)的能量，白噪声 n(t)的功率谱为 No /2SNRo只输入信号 s(t) 的能量 Es和白噪声功率谱密度有关。白噪

10、声条件下，匹配滤波器的脉冲响应：h(t) ks* (to t)如果输入信号为实函数，则与 s(t) 匹配的匹配滤波器的脉冲响应为：h(t) ks(to t)k 为滤波器的相对放大量，一般 k 1 。匹配滤波器的输出信号：so(t) so(t)* h(t) kR(t to)匹配滤波器的输出波形是输入信号的自相关函数的 k 倍，因此匹配滤波器可以看成是一个计算输入信号自相关函数的相关器，通常k =12.2 线性调频信号( LFM)LFM 信号 ( 也称 Chirp 信号 ) 的数学表达式为：s(t) rect ( t )e( fct0,2.1)式中 fc为载波频率， rect (Tt ) 为矩形信

11、号，tK TB ，是调频斜率，于是，信号的瞬时频率为c Kt ( T 2 t T 2) ，将 2.1 式中的 up-chirp 信号重写为：T elsewises(t) S(t)e j2当 TB>1时， LFM信号特征表达式如下：2.2)t j Kt 2S(t) rect ( )e j Kt(2.3) 对于一个理想的脉冲压缩系统，要求发射信号具有非线性的相位谱，并使其包络接近矩形；其中 S(t)就是信号 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已。因此， Matlab 仿真时，只需考虑 S(t) 。以下 Matlab 程序产

12、生 2.3 式的 chirp 信号，并作出其时域波形和 幅频特性，如图：图 2： LFM 信号的时域波形和幅频特性2.3 LFM 信号的脉冲压缩窄脉冲具有宽频谱带宽，如果对宽脉冲进行频率、相位调制，它就可 以具有和窄脉冲相同的带宽，假设 LFM信号的脉冲宽度为 T，由匹配滤波 器的压缩后，带宽就变为 ，且 T D 1，这个过程就是脉冲压缩。信号 s(t) 的匹配滤波器的时域脉冲响应为：h(t) s*(to 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)将 3.1 式代入 2.1 式得 :t j Kt 2 j2 fct

13、h(t) rect( )e e cT (3.2 )图 3 LFM 信号的匹配滤波如图 3, s(t) 经过系统 h(t )得输出信号 so(t)so(t) s(t)* h(t) 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， 这是因为压缩网络的频谱特性与发射信号频谱实现了“相位共轭匹配” ， 消除了色散；当 t T 时，包络近似为辛克( sinc )函数。s(u)h(t u)duh(u)s(t u)due j Ku rect(Tu)ej2fcuej K(t u)rect(t u)ej2 fc(t u)du T3.3)当0 t T 时,s0(t)T2ej t

14、T 2Kt2ej2 KtuduT2j2 Kt t T 2 sin K(T t)t j2 fct ecej Kt2j2 Ktu eej2fctKt3.4)当 T t 0时 ,s0(t)t T 2ejT2Kt 2 j 2 Ktue dut T 2 j2 Kt T2 sin K(T t)t j2 fctecej Kt2j2 Ktu eej2fctKt3.5)合并 3.4 和 3.5 两式：sins0(t) TtTt)tKTtKT(1rect( t )ej 2 fct3.6)S0(t) TSa( KTt )rect ( t ) TSa( Bt)rect( t )0 2T 2T (3.7 )图 4 匹配

15、滤波的输出信号如图 4，当 Bt 时， t 1 为其第一零点坐标；当 Bt 时， B2 t 1 ，习惯上，将此时的脉冲宽度定义为压缩脉冲宽度。2B111 2 1 ( 3.8 )2B BLFM信号的压缩前脉冲宽度 T 和压缩后的脉冲宽度 之比通常称为压缩比 DD T TB 1(3.9)3.9 式表明，压缩比也就是 LFM信号的时宽 - 带宽积。s(t),h(t),so(t) 均为复信号形式， Matab 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 5 所示的过程 . 仿 真结果如下 :图5 Chirp 信号的匹配滤波图 5 中，时间轴进行了

16、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 。 B压缩后的脉冲宽度近似为 1（ 1 ），此时相对幅度 -4dB, 这理论分析（图B 2B3.2 ）一致。如果输入脉冲幅度为 1，且匹配滤波器在通带内传输系数为 1，则输出脉冲幅度为 kT2 TBD ，即输出脉冲峰值功率Po比输入脉冲峰值功率 P 增大了 D倍第三章 多目标线性调频信号的脉冲压缩本章我们分析在多目标情况下，线性调频信号的脉冲压缩过程。所谓 多目标，就是不同距离的目标相加在一起，然后对其进行时域、频域以及 脉冲压缩的分析。与单目标相同，

17、发射信号的时域表达式为(3.1)3.2)s(t) rect( t ) exp( j Kt2)通过驻定相位原理得到频域表达式为(这里直接给出)ff 2s(f ) rect( )exp( j )KTK上一章节中已经对线性调频信号的时域和频域进行了分析，在这里就 不再次分析了 在多目标的情况下，多个目标回波信号可分别表示为sr0(t)rect(0 T) exp jk(tt0)2(3.3)sr1(t)rect ( tt1T)exp jk(tt1)2(3.4)sr2(t)rect ( tt2T) exp jk(tt2)2(3.5)srn(t)rect ( ttn T)exp jk(ttn)2(3.6)、

18、t2t2rn、tn，2r 2r其中，时延可分别表示为 t0 2Cr0 、t1 2Cr1C 表示光速， rn 表示雷达到目标之间的距离。 根据 FFT 移位特性可得到多目标回波信号的频域表达式为 ff 23.7)3.8)sr0(f ) rect( )exp( j )exp( j2 ft0) KTKff 2sr1( f ) rect( )exp( j )exp( j2 ft1)KTKsr2(f)rect(KT)exp( jK )exp(j2 ft2)3.9)srn(f)frect( )exp( jKTfK )exp( j2 ftn )K3.10 )为了能消除多目标回波信号频域表达式中的二次相位，则

19、其匹配滤波函数ff 2H(f ) rect( )exp( j )( 3.11 )KTK匹配滤波后的信号频谱分别为sout0( f )sr0(f)H(f)rect( )exp( KTj2 ft0)(3.12 )sout1( f )sr1(f)H(f)rect( f )exp( KTj2 ft1)( 3.13 )sout2( f)sr2(f)H(f)rect( f )exp( KTj2 ft2)(3.14 )soutn ( f)srn(f)H(f)rect( f )exp( j2 ftn)KT(3.15 )所以最后得到压缩信号为sout (t)sout0 (t) sout1(t) sout2 (t

20、)对s (f )进行傅里叶逆变换，得到压缩信号分别为 outnsout 0(t)sincKT(tt0)(3.16 )sout1(t)sincKT(tt1)( 3.17 )sout 2(t)sin c KT (tt2)( 3.18 )soutn(t)sincKT(ttn)( 3.19 )soutn (t) (3.20 )第四章 仿真结果分析4.1 时域图分析1）当 r=0 时，发射信号时域图为：图 4.1.1 发射信号时域图2）当 r=400 时，目标回波信号时域图为：图 4.1.2 r=400 时目标回波信号时域图3）当 r=600 时，目标回波信号时域图为：图 4.1.3 r=600 时目标

21、回波信号时域图4）当 r=800 时，目标回波信号时域图：比较上述四幅图可知：目标回波信号时域图是发射信号时域图的一个平移的过程，平移的距离为 t0 2r ，即传播过程中的时延。 在 r=400 或 r=600 0C的时候，信号没有出现丢失；但是当 r=800 的时候，信号出现了丢失。 由此可以得出结论：当距离比较小时，信号基本上没有丢失；当距离 过大的时候，信号会出现丢失，这也是我们在实验过程中需要解决的一个 问题。4.2 回波信号频域图分析(1) 当 r=0 时，发射信号频域图为：图 4.2.1 r=0 时发射信号频域图2)当 r=400 时，目标回波信号频域图为：3)当 r=600 时，

22、目标回波信号频域图为：4)当 r=800 时，目标回波信号频域图为：目标回波信号频域图与发射信号频域图之间相差了 e( j2 ft0) 项，t0 即为传播过程中的时延。 比较上述四幅图可知： 在 r=400 或 r=600 的时候， 信号频谱是比较完整的，即时域中信号没有出现丢失，但是当 r=800 的时 候，信号频谱是不完整的，信号出现了丢失。4.3 压缩信号图分析(1) 当 r=400 时，压缩信号图为：3）当 r=600 时，压缩信号图为：图 4.3.3 r=600 时压缩信号图4）当 r=800 时，压缩信号图为：图 4.3.4 r=800 时压缩信号图由上面四幅图可以看出，随着目标距

23、离的增大，脉冲压缩后得到的能 量在不断减少，出现了能量损耗。4.4 多目标压缩信号图分析为了解决在多目标情况下，距离过大而产生信号丢失的问题，我们可以采取这样的方法。对发射信号做 FFT变换得到ff 2s(f) rect( )exp( j )KTK乘以e( j2 ft0 ) ，其中t0 2*C800，可得s(f)rect( )exp(KTfK )exp( j2 ft0)K(1) 当雷达距离目标 r=200,r=400,r=600 时，三者回波信号在时域的图为：图 4.4.1(2) 当雷达距离目标 r=200,r=400,r=600 时，三者回波信号在频域的图为图 4.4.2（ 3）对回波信号做

24、 IFFT 可得到目标回波信号表达式，经脉冲压缩后得到 多目标压缩信号图为：第五章 问题回答问题： 在雷达数字信号处理中，为什么采用 LFM信号？与传统 脉冲雷达信号相比， LFM信号的主要优势有哪些？请根据自己的 理解回答。回答： 线性调频脉冲压缩信号的突出优点是匹配滤波器对回波信号的多 普勒频移不敏感 , 即使回波信号有较大的多普勒频移 , 原来的匹配滤波器 仍能起到脉压的作用。不足之处是线性调频脉冲压缩信号匹配滤波器输出 响应的旁瓣较高 , 为了压低旁瓣 ,常采用加权处理 , 加权实际上是一种失配 处理, 是以主瓣展宽和信噪比降低为代价的。线性调频信号是典型的脉冲 压缩扩谱信号，采用这种

25、信号形式，可以扩展雷达信号的频谱，很容易获 得较大的信号处理增益，从而降低了雷达发射信号峰值功率，是一种十分 有效的低截获概率雷达信号，在抗干扰性方面，只要干扰信号和匹配滤波 器之间存在失配，则干扰输出损失就大，因此，是一种具有良好的抗干扰 性能的信号形式。LFM 信号在脉冲压缩体制雷达中广泛应用； 利用线性调频信号具有大 带宽、长脉冲的特点，宽脉冲发射已提高发射的平均功率保证足够的作用 距离；而接受时采用相应的脉冲压缩算法获得窄脉冲已提高距离分辨率， 较好的解决了雷达作用距离和距离分辨率之间的矛盾； 。而利用脉冲压缩 技术除了可以改善雷达系统的分辨力和检测能力，还增强了抗干扰能力、 灵活性，

26、能满足雷达多功能、多模式的需要。第六章 致谢与总结这次“ matlab 仿真脉冲多卜勒雷达的信号处理”课程设计收获很多。 首先感谢学院为我们提供做课程设计的场地，感谢周老师指导我们完成课 程设计，并为我们一一解答问题。同时感谢各位同学在 10 天的课程设计 中对我的帮助，不厌其烦的协助我解决问题，感谢你们。这次课设是一次理论与实践的结合，之前在学信号系统或者数字 信号处理的时候不知道这两门课怎么在实际中应用，但是通过这次的课 设，我对这两门课程的应用有了一个初步的了解。雷达测距对我来说还是 一个很新鲜的事物，通过这次课设也提升了我对这两门课程的兴趣。当然，在此次课设中也发现了自己很多不足的地方， 之前学过的 Matlab 现在用起来都不熟练，在运用 Matlab 软件上用掉了许多时间。由于信 号系统和数字信号处理学的不扎实，对傅里叶变换、快速傅里叶变 换理解不深，所以在理解原理上也很吃力。最后还是很感谢这次课设， 让我认识到自己许多不足， 加强了对基础知 识的理解。感谢老师对我们的帮助。附录（ Matlab 程序）C=3e8;%光速Tp=4e-6;%脉冲时宽B=80e6;%发射信号带宽Fs=100e6; %采样频率