（信号与信息处理专业论文）三坐标雷达信号处理系统仿真研究.pdf

摘要 利用e d a 软件平台对雷达系统的建模、仿真和设计方法进行研究，并建立 一套相对完整的、具有统框架的雷达系统软件库，可以为高效率地完成雷达系 统的方案论证和性能评估，以及新的算法研究提出新的思路，并提供了一条有效 的途径，使雷达系统设计人员避免了重复劳动，可以将更大的精力投入到新课题 的研究中去，从而实现系统设计的方便、高效和优化。本文基于工作站硬件平台 和s p w 软件平台环境，在已有研究成果的基础上，对某三坐标雷达信号处理系 统进行了建模与仿真。依照s p w 建模的软件规范，本文在第四章讲述创建该雷 达信号处理功能模块的相关工作，并对每一个模块的工作原理、测试结果给出了 详细的说明；第五章建立了该雷达一个波束信号处理器的仿真系统，并绘出了某 次仿真过程中的部分结果，证明我们所建立的仿真系统在原理上是j 下确的，是可 行的。本文的工作进一步完善了雷达系统软件库，为今后的雷达系统的建模、仿 真和算法研究提供了方便并积累了经验，并为进一步对该雷达的深入研究和性能 改善奠定了基础。 关键词：s p w 建模与仿真模块雷达信号处理系统 a b s t r a c t t h ec o n s t r u c t i o no ta ni n t e g r a t e ds o f t w a r el i b r a r yo fr a d a rs y s t e mw i t hu n i t i v ef r a m e p r o v i d e san e wi d e aa n da ne f f e c t i v ew a yi nr e a l i z i n gt h er e a s o n i n go fp r o j e c ta n dt h e p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h er a d a rs y s t e md e s i g n e r sc a nb ef r e ef r o mh a r d m a n u a lp r o g r a m m i n ga n dr e p e a t e dw o r ks ot h a tm o r em a n p o w e rc a nb ed e v o t e dt on e w r e s e a r c h i tw i l la c h i e v es u c h a d v a n t a g e s a st h ec o n v e n i e n c e ，h i g h e f f i c i e n c ya n d o p t i m i z a t i o ni n t h ed e s i g no fr a d a rs y s t e m a d o p t i n gw o r k s t a t i o na st h eh a r d w a r e p l a t f o r ma n ds p wa st h es o f t w a r ep l a t f o r m ，a n db a s e do nt h ea c h i e v e m e n tt h a th a v e b e e na c k n o w l e d g e d ，t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h es i m u l a t i o nr e s e a r c ho ns o m e t h r e e d i m e n s i o n a lr a d a rs i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m c h a p t e r4i sm a i n l yc o n c e r n e dw i t h t h ec r e a t i o no ft h ef u n c t i o nb l o c k sf o rt h er a d a r e a c hb l o c k so p e r a t i n gp r i n c i p l ea n d t e s tr e s u l t sa l ed e s c r i b e di nd e t a i l sa l s oi nt h i sc h a p t e r c h a p t e r5c o n s t r u c t sas i m u l a t i o n m o d e lf o ro n eb e a ms i g n a lp r o c e s s o ro ft h er a d a r , i n c l u d i n gs o m es i m u l a t i o nr e s u l t s w h i c hp r o v et h em o d e l sv a l i d i t ya n df e a s i b l e n e s s t h ew o r ko ft h ep a p e re x t e n d e da n d p e r f e c t e dt h es o f t w a r el i b r a r yo fr a d a rs y s t e m ，p r o v i d e de x p e r i e n c ea n dc o n v e n i e n c e t o f u r t h e rs t u d i e si nt h em o d e l l i n ga n ds i m u l a t i o no ft h er a d a rs y s t e m ，a n dl a i d as o l i d f o u n d a t i o nf o r t h er a d a r sf u r t h e rd i s c u s s i o na n dp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：s p wm o d e l l i n ga n ds i m u l a t i o n b l o c kr a d a rs i g n a lp r o c e s s i n g s y s t e m 独创性( 或创新性) 声明 本人声明艨星交豹论文是我个人在粤魉指姆“f 避褥的域究工传及取褥的研 究戏采。尽我瓣躲，豫? 交中特剐船以橱 耋器致淤中艨罗列豹内察以黔，论文 中不包念其缝人已经发表或撰霹过豹磷究贼果；瞧不包食为获得瑙安电予科技 大学或其它教商擞糖豹学锭或诞书嚣搜用过豹耱糕。与我国工俸的鄹意对本 识笋掰擞敬任何贾燃均巴农论文中做了明确的说明并表示了谢意。 审请学位论文与资料羲寿不实之处，本人承掇切相关责任。 本人签名： 关予论文使用授权的说明 本人究全了解西安电子科技大学裔关傈鼙鞠经角举穗论文的规定，群；薪 究生在校敬读学位期间论文工作的知识产权单位脯西蜜忘子科技穴掌。本入舔 证毕业离校后，发表论文或使弼论文( 与学位论文相关) 工露裁采器重簧名萃使 仍然为西安电子科技大学。学校商权保留送交论文静簸印俘，允许蛮阅释偌蔫 论文：学校可隘公布论文静全裸躐帮分两容，哿蕊兔诲采瘸影印、缩印戏其京 复制手段保存论文。( 保密的论文在解密焉遵守诧瓶定) 季誓铆参蝽多谋密，袭委暑掰凝霭莲麓军描扭芗 爨鬻未趱缮i 墓2 璺 溜期融 墨2 第一章绪论 1 1 论文研究的背景和目的 随着电子信息技术的飞速发展，电子系统设计的复杂度与日俱增，这给设计 人员提出了更大更多的困难，尤其进入九十年代以来，电子信息类产品的开发更 加明显地出现了两个特点：一是开发产品的复杂程度加深，要求将更多的功能、 更高的性能和更丰富的技术含量集成于所开发的电子系统中；另一个特点是开发 的时限性，要求尽可能缩短产品推向市场的时间。这使得用传统的分析方法来设 计和评估系统变的越来越困难，很多时候是不可能的。这样的电子系统的设计和 性能的评估只有依靠以实际硬件系统为基础的实验方法或以软件为基础的计算机 仿真来完成。而无论是系统的规划与设计，还是系统体制的探索与研究，都会遇 到冗长繁杂的计算。此外，为了验证其性能是否符合要求，还需反复进行实验与 测试。如果每次都直接用实际系统进行实验，不仅耗资昂贵，费时费工，有时甚 至很难找到问题症结。而电子设计自动化( e d a ) 产品的形成和推广使用满足了 电子系统开发的复杂性和时限性的要求，为电子开发人员提供了先进的设计工 具。 电子设计自动化( e d a ) 是指以计算机为工作平台，融合了电子技术、计算 机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子c a d 通用软件包。进入九十年代 以来，e d a 技术已经发展到电子系统设计自动化( e s d a ) 阶段，e d a 工具开始 向系统级设计迈进。e s d a 是当今电子系统设计技术的新的发展方向，这种高层 次设计给我们提供了一种“自顶而下”( t o p d o w n ) 的全新的设计方法。这种设 计方法首先从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计，在方框 图一级进行仿真、测试和验证，然后完成系统的综合、优化和验证，并用硬件描 述语言对系统行为进行描述，最后用综合优化工具生成具体门电路的网表，其对 应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。由于设计的主要仿真和调试 过程是在高层次上完成的，这有利于设计者尽早的发现结构设计上的错误，避免 了设计工作的浪费，而且在系统级可以对设计进行更彰的综合心车夺，纠寻求满足 功能和性能要求的最优化设计。 同时，系统仿真是近二十年来发展起来的一门的新兴技术学科。系统仿真技 术是以计算机技术、相似原理和系统理论为基础，对实际的或设想的系统建立模 型进行实验研究的一门综合技术。随着现代计算机软件技术的飞速发展以及仿真 理论的日益完善，电子系统的计算机仿真设计越来越受到人们的关注。电子系统 的设计人员可以从系统总体需求出发，在统一的框架下建立相对完整的系统仿真 2 三坐标磊达僖号娃瑾系统俦囊研究 软件库和数据库，可以利用它来实现所需系统的建模、仿真和设计方法的研究。 采用计算机仿真熟有以下特点：一是缀济性：系统仿真模烈建立在数学模型的基 础上，不涉及实物，可以通过反复仿舆秘修改模型及模型参数，在设计实际硬件 之蓑薅系绞弯全瑟鹣了解，姨嚣降低秘究费霞，绩短疆铡躅期；二是灵活瞧：裂 孀计算机的高速运算能力，通过调熬备个模型静参数确定系统的最佳工俸状态， 而且仿真结果的处理准确、迅速，便于憋理和保存；三是w 移植性：采用模块化、 图形化的系统仿真方法建立的模型可以被其他系统重复使用。 在选择系统建模与仿真研究的主体平台e d a 工具的时候，主要考虑了以下 足令方嚣戆因素：骚选择鹣e d a 工麓楚餐具骞秀敦夔终稳特注；是否具蠢娥壤 复杂系统的能力：憝否与其它使嗣较广的e d a 工其之闯肖可行静接口方法等等。 目前国内使用较多的e d a 软件，如c a d e n c e 公司的s p w 、s y n o p s y s 公司的c o s s a p 和m e n t o r 公司的d s ps t a t i o n 等都怒功能强大的系统设计和仿真工具，都可以作 为雷达信号处理系统建模与仿真研究的主体平台。本课题嫩择的是c a d e n c e 公司 翦s p w ( 痿号憝壤王 筝系绞) 俘为软傍警窘。 本课题的磅究舞鲍是在工作滔硬伟平台帮e d a 较佟平台的环境辛，遴移菜 三坐标雷达信母处理系统的建模与仿囊研究，主要任务燃进一步完善和扩充系统 软件库，完成雷达信号处理系统的算、挟实现和结构设计。并给出性能评估。本文 所做的工作为高散率的进行雷达信号处理系统设计和性能评估提供了有力的支 掩，为进一步豹雾法掰究提供了方便。 1 , 2 国内外研究状况 进入九十年代以来，利用仿真技术进行系统设计验证已成为e d a 中最藏爱 豹环节。尤其是丸十年代出现豹以豫微米工艺的d s pc o r e 和嵌入式c p u 为核心 豹集残系统麴竣谤方法，它采爱数擐滚瓣方式进行雾法设诗，宠戒系统行楚楼遴， 并由高层次综合确定系统设计结构，使设计由面向系统缩构转向系统行为。e d a 仿真工具大大提商了系统设计的可靠蚀，并且缩短了设计周期，降低了开发成本。 已有的e d a 软件功能强大，在系统设计的各个阶段e d a 工具为设计者提供 了全过程的设计仿真支持，并将仿襄掰嚣的工具和数据集成子一个统一的环境 孛，其中龟援交纛式豹久毒趸器瑟、餐缝纯豹债寞攘受秘逡器、蠹动程序生戏爨、 图形化鲍分析验诞工具、仿真数据和文件管理工具等。此外，e d a 工具提供了丰 富的设计库作为设计支持，设计者可以利用库内已有的横块构造出所设计系统的 大体框图。e d a 技术的系统设计思想，以及模块化、集成化、标准化的设计风格 已逐步被广泛的采用和推广，并且影响着各个领域设计手段的更薪。 全臻著名豹e d a 厂巍，妇c a d e n c e 、s y n o p s y s 、m e n t o r 等公司都攘出了功缝 第一章绪论 强大的系统设计与仿真工具，以及丰富的设计模型库。为进一步适应专业系统设 计的需要，这些厂商开发出各自的专业模型库，如c a d e n c e 公司的通信库和雷达 库，s y n o p s y s 公司的信号处理库和m e n t o r 公司的d s ps t a t i o n 库等。但是这些库 仍然不能满足现代电子系统设计和仿真的需要。因此，利用e d a 软件进行雷达 信号处理系统设计仍需要专业设计人员长时间的努力工作和经验积累。 在国内，雷达系统建模与仿真研究开始不久，雷达信号处理重点实验室和一 些研究所便做了一些尝试，在雷达库模块的建立、扩充和系统仿真等方面做了大 量的工作，取得了一定的成果。现在，雷达信号处理重点实验室所做的雷达系统 仿真研究主要是基于s p w 平台而进行的，s p w 具有以下特点： 具有强大的系统设计能力。s p w 提供了个能进行完整电子系统的构成、仿 真、分析及实现的工作环境，是e s d a 理念的提出者和实践者。 具有丰富的d s p 库、通信库，具有独一无二的雷达库，研究者可以从更高的 起点开始雷达系统建模与仿真的研究工作。 具有直观的用户界面和清晰的设计流程，具有多种清晰的软硬件实现路径， 如a s i c f p g a ，定点通用d s p 芯片，浮点通用d s p 芯片等。它所产生的e d i f 网表或v h d l 语言可以使用自己的或第三家e d a 厂商的逻辑综合工具。 可以方便地建立用户编码模块，完成新的信号处理功能，研究者只需负责编 写完成模块功能的源程序代码，s p w 自动生成所需的数据库。 具有完备的系统分层设计功能，可以充分利用现存的或以前设计完成的模块 及设计结果，产生新的模块或系统设计。 雷达信号信号处理实验室对专业库模块的扩充、测试和仿真等方面的工作都 取得了一定的成果，但离实际的要求还有一定的距离，这需要在e d a 技术的广 泛应用以及系统设计人员共同的经验积累和相互交流中得以完善。此外，扩大系 统软件库的使用范围以及研究不同e d a 平台系统模型的可移植性技术对今后 e d a 技术的推广应用将会有着重要的意义。 1 3 本文的主要工作 本文的主要工作如下： 1 在s p w 软件平台上，依照s p w 建模的软件规范，进一步完善了雷达信 号处理库，作为雷达设计仿真类库的重要组成部分。主要建立了某三坐标雷达系 统功能模块，例如：线性调频信号脉冲压缩、参差变周期线性调频信号产生、自 适应动目标显示( a m t i ) 滤波器等模块。 2 在s p w 软件平台上，建立了某三坐标雷达的系统框图，并进行了仿真， 给出了一定的分析。这一工作对今后不同体制、不同类型雷达系统模型的建立及 坐标露这信蛩处理系统仿囊研究 其性能分析和评估有着煎要意义。 本文内容豹章节安撵魏下：第二章麓攀奔绥本文王穆掰震瓣较髂平台：第三 窝对要仿真的三坐标雷达信号处理系统的组成给出了简单的介绍：第四章主要讲 述了此三坐标雷达系统功能模块静程s p w 下的实蕊蘸瑗，著给出每个模浃的灏 试结聚；第轰章泠鞋 了菜三嫩瓠雷达倍琴娃臻系统翡王程蜜瑗藤理，莠奁致纂礁 二建立起软件平台下豹仿真攥图，绘出傍真结累。 第二章s p w 软件平台简介 2 1 概述 目前国内使用较多的e d a 软件有c a d e n c e 公司的s p w 、s y n o p s y s 公司的 c o s s a p 和m e n t o r 公司的d s ps t a t i o n 等，这些软件包都是功能强大的系统仿真工 具，为用户提供了内容丰富的库模块和便利的测试分析工具。其中s p w 软件包 包含了丰富的雷达库，应用这一软件建立雷达专业软件库可以充分发挥其功能和 特长，避免了系统设计所需的大量功能单元模型和仿真工具软件的重复开发，并 可以将其软件资源与雷达研究人员的设计经验充分地结合起来，因此本课题的研 究选用了s p w 软件包。下面对这一e d a 软件作简要介绍。 s p w 是s i g n a lp r o c e s s i n gw o r k s t a t i o n ( 信号处理工作系统) 的缩写，它是 一个用于设计、位真和实现电子系统的，模块化的环境。s p w 是在a l t ag r o u p 的 c o n v e r g e n c e 仿真体系结构中开发出来的，该结构集d a t a p a t h 和控制逻辑的仿真 于一个统一的环境之中。该软件包可以使用户在算法、硬件和软件体系结构、h d l 等各种层面上定义、输入及仿真全系统的设计，在设计的各个阶段，最大限度地 利用已有设计，以避免重复劳动。s p w 带有丰富的程序库、处理器模型、验证环 境以及专用工具箱，这为从系统的概念到最后的实现提供了一种有效和可信的途 径。 s p w 由三个紧密相连的模块组成。它们是设计器b d e ，信号计算器和 c o n v e r g e n c e 仿真体系结构。这些使s p w 成为系统设计、仿真和实现的最通用的 系统。图2 卜1 给出s p w 整体构成和各部分的相互关系： 设计数据库 信号计算器 ( s i g c a l c ) 仿真器 ( s i m u l a t o r ) 框图 编辑器 d e s i g n e r 肋e 滤波器设计 ( f d s ) s p w 标准库 可选库 用户库 嚣剖i 黝”一( c 6 s ) 嚣m 竺翳ii 撩， 图2 1 1s p w 的整体结构及其各可选软件包的关系 其中方框图编辑器b d e 可以用来图形化地定义一个系统，可以从库中选择 6三垒稼雷逮镶母楚理系统傍赛磷突 一些预先定义好的模块，层次化地组建它们，也可将一个c 程序和一个新的符号 模型连接产生一个瓣本模块。框图编辑器支持系统的层次化设计，即用上层一个 俺单的图形符号完企表征底层的模块流程图，并且层次化设计可以无限制的嵌套 下去，这楚褥设诗入员可获滇蠹地撼逡一个葵鬻复杂懿系统浚诗。蘩号侥爽嚣 ( s i m u l a t o r ) 包括两稀类型的仿真互凝：解释鼙s p b i 帮编译型s p b - c ，它根据 系统设计描述的内秣，自动生成与志对成的可执行的仿真程序，并执行此仿岚程 序，产生仿真结果。其中另外一个王只是信号计算器( s i g c a l c ) 。它提供了备种 标准的和专用的信号以及各种分折稷j 葶，可以使设计者输入、生成、编辑和分析 镑真孛豹售号，对傍囊结栗送行透拐瑟潦骥兹褒察纛分据。滤波嚣设诗系统( f d s ) 可戳爱多秘方法设计帮分析i i r 帮f i r 数字滤波器，稠两f d s 设谤完成靛滤波器 可以方便地用予s p w 的框图编辑器中。s p w 模块库包括d s p 库、通信库、鬻运 库、交互仿真库及射频库等，用户也可将自己开发的模块拣成库并与标准库究全 样地使用。 茂终s p w 逐窍谗多选工其：代避生或系统( e g s ) 褥伉纯豹系统设诗爨 渤转亿为胃在浮焦d s p 蕊片上实瑷黪c 代弱；硬锌设诗系统( i - i d s ) 在f p g a 或a s i c 上实现系统设计；d s p 处理嚣代码生成( d s pp r o c o d e r ) 将系统设计在定 点d s p 芯片上实现；多处理器系统( m u l t i p r o x ) 可将系统设计在多c p u 或多d s p 芯片上实现。 使矮s p w 及其选馋进彳亍系统仿囊与设幸 的流程分为三个步骤：系统设计的 接述、系统竣计懿羧谖秘系统设诗懿实域。在系统设诗懿擒透除羧，s p w 中掇供 的框图编辑器和d s p 功能模块库可以使设计者根据设计黉求，从d s p 库内硪厢 户自己的编码模蜓滕内选择调用相关的模块，将之设鬻为合适的工作模式，并用 简单的连线将各模块连接成为一个系统。由于可以使用朦次化的设计，设计者兜 全可敬清濒两篱法媲接述一个菲常复杂豹系统设计。在系绫设诗盼验证酚段，我 稍霹鞋使贺s p w 豹勇癸嚣令软终惫：僖号傍奏器翻痿母计算器。在系统设谤黪 实现阶段，s p w 糖供的代码生成系统，d s p 处理器代码擞成器或硬件设计系统都 可以将系统设计谯d s p 芯片或c p u 上实现。 2 。2s p w 的设计器b d e 在设计器b d e ( 方框图编辑器) 中，我们可以通过设鬻箱连接一些表示加法 器、单位迟延、乘法器、编码器、f f t 、样本速度调节器簿等的方框图，图形化 的定义一个系统。如图2 2 1 所示，怒襁b d e 中建立一个仿真系统的实例。 在图中，我们把每个图形单元称之为“模块”。系统嘏图上方为系统或模块 掰爨要豹参数，模块定义了簸入壤翟、羧蹬鲻强、参数乏阉熬关系，反映了电子 第二章s p w 软件平台简介 系统在这样一个功能单元实际工作的过程。我们就这样用这些模块连接起来，模 拟我们所研究的整个系统。 r 仓d 臼rp u l s ec0 n p ress10 n 图2 2 1在s p w 的b d e 中定义一个仿真系统的实例 s p w 软件库为我们提供了大量可完成不同功能的模块，但是这对于雷达信号 处理系统仿真研究来说是远远不够的。我们必须自己定义一些具有一定功能的模 块。建立自定义模块有两种方法： 首先定义好模块的输入、输出端口，和所需要的主要技术参数，然后用c 、c + + 或m a t l a b 语言来描述各端口及参数之间的关系，描述实际工作系统的功 能。， 用现有的模块建立一个系统，标识出输入、输出端口的位置，再用另外一个 框图来表示它。那个用模块连接起来的系统我们称之为这个新建模块框图的 “详细模型”。 因为雷达是各种各样的，有不同的雷达体制，有不同的信号处理方法，所以， 在s p w 软件库中不可能百分之百为我们提供各种所需模块。故，我们要针对具 体的任务，将现实系统分成不同的功能块，用语言或详细模型来实现。建立很多 新的模块是必需的，这样既满足了我们自己的需要，同时也对s p w 软件库进行 了扩充，这是本文要完成的一项重要内容。 2 3s 州的信号计算器 图2 3 一i 给出的是s p w 的信号计算器( s i g c a l c ) 。 三坐标雷达信号处理系统仿真研究 7 信号计算器让我们输入、生成、编辑和分析仿真中的信号。它提供了各种各 样的和专用的信号以及各种各样的分析程序。基本波形和噪声信号可以从按钮或 下拉菜单中选择。 幽2 3 1s p w 的信号计算器 信号计算器屏幕上的计算器按钮使我们可以很方便地根据数字改变和操作信 号，对多个波形进行数学上的操作并不比使用一个掌上计算器困难。因为计算器 的按钮保持追踪输入的每一条命令，所以我们可以将几条命令存为一个宏命令， 然后只娄用一个宏命令就可以重复执行整个命令序列。 各种类型的编辑命令可以使我们改变或产生任意复杂的波形。例如：可以在 个窗口或两个窗口之间切割和粘贴，可以进行线性或非线性滤波，还可以合并 信号或对它们再取样。 信号计算器支持实数和复数的i q 信号操作。为了能和其它程序进行交换， 信号计算器还提供了一个工具，使得我们可以将信号文件在a s c i i 形式和s p w 形式之间进行转换。 第二章s p w 软件平台简介9 和生成波形一样，信号计算器还可用于分析波形。在各种常规分析工具中有 自相关和互相关、眼图、直方图、f f t 、功率谱、积分和微分、滤波等等。信号 计算器甚至能修改一个正在进行的仿真的参数并显示“在线”的结果。 后文我们在仿真中对信号进行的分析是在信号计算器里进行的，给出的部分 仿真结果也是在信号计算器里得到的。 有关s p w 更为具体的介绍请参阅参考文献【2 0 卜一 2 3 】、 3 3 一 4 0 第三章某兰坐标雷达信号处理系统组成 3 1 信号处理系统构成 某雷达是一部仰角电扫、方位机械扫的三坐标雷达，仰角电扫是通过频扫组 成的三联波束在四个仰角区上的相扫完成的。为了提高测角精度，三联波束的每 个波束又分为和、羞两个通道，并通过和差归一的方法来提高仰角测角精度。因 此，此雷达信号处理系统组成如图3 1 1 所示： 第1 波束和通道1 支路 第l 波束和通道q 支路 第1 波束差通道1 支路 第1 波束差逝道q 支路 第2 波求和通道i 史路 第2 波束年i l 通道0 支路 第2 波束差通道1 支路 第2 波束差通道q 支路 第3 波束和通道1 支路 第3 波束和通道q 支路 第3 波束差通道1 支路 第3 波束差通道q 支路 古终端 幽3 1 1 信号处理系统组成 6 路接收机送来的6 路正交双通道信号分别通过a d 变换器转换成数字的i 、 q 数据序列分别送入3 个波束信号处理器，处理结果( 包括检测结果、和支路信号 强度、杂内外标志、和差归结果和符号) 经输出端口送往终端。 图3 1 1 中3 个波束信号处理器具有完全相同的功能和结构，图3 1 2 给出了 波束信号处理器的内部结构。 每个波束信号处理器对和支路数据i ( n ) 和q ( n ) 经杂波抑制电路后，计算得 到和支路数据的幅度和相角，幅度值送c f a r 检测后，输出检测结果。差支路数 据a i ( n ) 年d a q ( n ) 经相同的杂波抑制电路后，计算得到差支路数据的幅度和相角， 和差归一电路计算和差归一的结果并判断符号。动态杂波图在雷达工作其矧存有 各方位距离单元杂波的均值，这个均值乘以一定的系数可作为门限来进行超杂波 检测。和支路信号的求模结果也作为反异步干扰电路的输入，判断有无异步干扰， 第三章菜三坐撩鬟达馕号整理系统缀簸 ， l l 发现异步干扰后将邀出异步干扰信号到检测结果合成电路，对输出结果进行抑制。 和通道1 支路 卵通道畦路 楚通道1 支路 差通道q 支路 嚣毒r 熬i 裁骓r 控测 l 一一 象誊l d 嚣 _ | 鬻 胼黼* 检 测 鞴 1 嚣l - 叫c f a r结 撞一 豢 a 叫鼻适应 成 一* 算f 一l “ 一“。一 捂j 褥| 黧 贽3 1 2 渡素镶号楚理器结 驽 3 2 系统功能 自适艘动 态帑渡嗣 捡溅蘸繁 啜魔 杂内外标志 和燕霸一 结粜 藉羲j 皤 符峙 信号处理系统包含三路釉、差通道，具肖以下主要功能： 每令逶遂黎其鸯溺嚣耘显示( m ，| ) 滤波嚣及叁逶应动藜拣显示( 脯) 滤 波器。它可叹融采摔制雷定杂波( 猿杂波) 或运动杂波( 箔条杂波、气象杂波、 海浪杂波等) ；如果地杂波与其它一种运动杂波同时存在时，杂波能得到抑制 并提取动目标储号。在不同仰角区上，工作方式是不相同的： ( 1 ) 引导l 工作方式： 耱囊 嚣，躲狰数n = 6 ，采建耍三鬻、m t i 、( m t i + a m t i ) 、超杂波捡测娥瑗； 稚角l 区，躲冲数n = 4 ，采魇亚鬻，m t | ，( m t l + a m t i ) 、超杂波捡溅处璞； 仰角i i i 区，脉冲数n = 2 ，采用正常，m t i ，超杂波检测处理； 仰角区，脉冲数n = l ，采用正常，超杂波检测处壤： ( 2 ) 引导2 工作方式： 颤角i 嚣，歉湾数n = 7 ，采蔫正露、m 髓、( m t i + a m t i ) 、超杂波检测愁璎； 牵角l l 区，躲狰数n = 3 ，采藤歪鬻，m t l ，超杂波稔溅照理； 仰角i i i 区，脉冲数n = 2 ，采用正常，m t i ，超杂波检测处理； 仰角区，脉冲数n = l ，采用厦常，超杂波检测处理： ( 3 ) 三联波束选定、单联波束选定工作方式： 骧沣数分别必7 、4 ，筠采用正常、m t i 、( m t 怂甜1 ) 、超杂波捡测处璎； 三坐标雷达信号处理系统仿真研究 ( 4 ) _ - - 联波束集中、烧穿工作方式： 脉冲数分别为l1 ，均采用正常、m t i 、( m t i + a m t i ) 、超杂波检测处理： 能与雷达重复频率参差同步工作，可将第一盲速推到三倍音速以远。 具有抑制异步干扰能力。 存霄达蘑复周期内，能对三路信号处理的输出信号( 包括、之i n ) 、三路 a 归一化信号及三路信号强度值进行对齐处理。 能对对齐后的正常通道、m t i 通道、a n t i 通道的和信号( ) 与差信号( ) 进行幅相校正，并输出和差归一化的信号( ) 的值及符号。 第四章三坐标雷达功能模块的建立 基于s p w 的雷达信号处理系统仿真研究在雷达信号处理重点实验室已经开 展四、五年的时间了，在此期间，有很多实验室工作人员付出了大量的劳动，使 得s p w 雷达库已经初具规模，并对其在工厂、研究所中推广方面作出了一定的 努力，取得了突出的成绩。但是前人所做的雷达功能模块并不是万能的，而是针 对某具体体制、某具体实施方案做出的。遇到新的任务和课题，我们仍然需要开 发一定量新的功能模块来满足要求。我针对某三坐标雷达做了些新的功能模块， 本章我对它们在s p w 下的实现及其原理给出一些必要的说明。 4 1 参差变周期线性调频信号源模块的建立 一撰述 众所周知，在等周期情况下，m t i 滤波器频率特性以重复频率f 为周期 重复在频率轴上，因此，零频凹口会出现在 f = n f , 处， n = 0 ，l ，2 ( 4 1 1 ) 如果目标速度很高，假定可达三倍音速1 0 2 0 米秒，雷达波长0 1 米，那么 目标最高多h 勒频率将达到 厶。一2 x 。1 0 ，2 0h z ：2 0 4 0 0 h z ( 4 1 2 ) u 1 当目标的速度变化或航向变化时，其多h 勒7 ：f 将在0 - - 2 0 4 0 0 h z 间变化。若 雷达的脉冲重复频率f = 3 0 0 h z ，则矗有很多频率点处于旺，目标将被m t i 滤波 器抑制，我们称之为“盲速”效应。为了避免盲速，可以采用参差变周期的方法， 即发射脉冲重复频率以某种规律变化。某三坐标雷达在不同的仰角区、不同的工 作方式下采用了不同的信号形式，下面我们以6 脉冲5 个变周期的线性调频信号 的产生为例说明在s p w 平台下这种信号的产生原理。 二s p w 下的模块和参数说明 图4 卜l 给出了在s p w 下建立的6 脉冲5 个变周期的线性调频信号产生模块。 表4 卜l 对主要参数做了说明。 表4 卜1参差变周期线性调频信号主要参数说明表 b a n d w i d t h ( h z )线性调频率信号的带宽，单位h z d u r a t i o n ( s e c ) 线性调频信号脉冲宽度，单位秒 s a m p ii n gf r e q u e n c y ( h z ) 采样频率，单位h z a v e r a g ep u l s er e p e t i t i o nt i m e ( s e c )平均脉冲重复时间，单位秒 a m p l i t u t e线性调频信号的幅度 二坐标雷达信号处理系统仿真研究 s t a 6 g e r o u t c hr p h o i d h 自i np a r r h e t e r s ： b a n d w l d h ( h z 】 d u p 8 f l o n 【s e c 】 s q m d ii n gf r e q u e n c y ( h z ) f i v e r a g ep u i ：s er e p e l i f io n t im e ( s e c a m p f i f f f u d e 3 0 日6 3 o e 一5 6 6 e 6 3 3 e - 3 1 0 图4 1 一i参著变周期线性调频信号模块及主要参数 三设计原理 s p w 的雷达库中为我们提供了一个c h i r p 模块，它能够产生复数线性调频信 号 x ( f ) ：e 皿“2 一要r 要 ( 4 1 3 ) 其中：t 为线性调频信号的持续时间，k = b i t ，b 为线性调频信号的带宽 它产生的信号波形如图4 1 2 所示，但是它产生的信号是等周期的。 圈41 2s p w 下c h i r p 模块产生的线性调频信号 ( i 面为侪。，的实部下面为信。，的虚部；横坐标为数据点，纵坐标为信号幅度。信号波形取于s p w 情呼计 算器下同) 下面我们以6 脉冲5 个变周期的线性调频信号为例，说明其在s p w 下建模的 原理，它的详细模型如图4 卜3 所示： 幽4 1 36 脉冲5 个变周删线性调频信号模块的详细模刑 第霆章三黛耩霉速臻藐模块戆建囊 1 5 因为c h i r p 模块产生的线性调频信号除了在脉冲持续时间内有值之外，其 余时刻的值为零，所以，可以用c h i r p 产生一个线性调频信号，使它的周期为 所需变周期线性调频信号平均重复周期的5 倍，然后将疑按需要进行不同周期时 麓持延，最后将几个信号叠嬲起来，鄹霹产生所需豹交蠲期线性调频信号。其缀 理如整4 1 4 鬓示： 一 i 。ll ：；| 。| l + ， ! i l 。：。辜。 ：；| 。# 。 。 + ；f = 手= = = 车； ；二 ；卜+ 一 + 一蔓卜十一一。l 。l ：垂卜一一| ：| l 二一 | | f 二一 十| e 1 6三壁舔莺运德警簸理系统谤囊疆究 图4 1 4参差变周期线性调频信号在$ p wf 实现原理图 溜。模块耱溅试缀祭 簌圈毒i - 4 实凌髹理銎，我餐霹蔽器蹬最终结巢蔗镣合癸发黪。在实舔审， 根据某三坐标雷达变周期的参差比，调熬好模块的各项参数，完全可以模拟出实 际的雷达发射信号。根据这种方法我们可以产生出该三搬栎雷达各个仰角区上的 发射信号。 模块功能豹不越之处：此模块是钤对菜三坐标雷达碟设计的，脉冲数和参麓 院不能疆塞雯藩。建议豢嚣豹工终夭瑟熬采磊编写程彦戆办法实瑷筵臻襞，谈产 生的变周期线性调频信号的脉冲数、参麓比能随实际情况谣滋行设置。 一蔗述啉l “ 在雷达研制过程中，为了检验系绫的性能，需要对雷达系统进行样机试验。 然而，有时，真实的雷达环境不易或不能取得。这时，建立符合需要的与实际霭 达环境一致的模型，进而用软件或硬件实现对雷达环境的模拟，就成为检验雷达 系统必须要做的事。杂波是构成雷达环境的重要部分，也怒影响雷达性能的鬟黉 瓣素，嚣魏，对霉遮杂波夔准磋建挨秘俊粪，对霆速懿磅筏毯关重要。 由于实际串通副的杂波，不仅仅蒸脊幅度分布特往，懑常杂波的采群点之闽 并不是独立的，而越具有某种相关性。遨就使得模拟同时满足功率谱( 或相关躐数) 和幅度分布的随机序列成为必要。高斯模型在研究雷达杂波时得到广泛应用，即 认为雷达杂波回波的幅度为瑞利分布，回波的两个正交分爨楚联合高斯分布。离 辩摸鍪戆魏毽蔹攘怒：大量懿独立豹耨溺毅敲髂夔霾波程叠麴，峦中心稷疆定溪， 胃知，其结果蔗网浚缀觚薅麓分布。零节我嚣j 所建立静杂波模块就是在幅度上服 从瑞利分布、功率谱服从高斯分布的。 ：s p w 下的模块及生要参数 图4 2 一l 绘出了褒s p w 下豹瑞铡杂波产生模块，表4 ，2 。l 、表4 。2 2 分别对泼 第四章三熊拣霉这功瑟模块熬建立 1 7 模块的主要参数年口输出端口做了说明。 r b t l e i g h 2 c l u t t e r 0 f h o i d r e s e f m a i np a r a m e t e r s ： s 辫 秘的$ 璐霹 c i g mo f 嘲k 净 0 。p p 瀚t ：h i m f 删q 阳 s f m d 删曲i e | i mp r 删o gc i 舯a 图4 2 1 瑞利杂波产生模块及其主要参数 ， 表4 2 1 瑞利杂波产生模块主要参数说明 l 戮瑶 l 。e l 附8 1 + - 日 s a m p l i n gf r e q u e n c y采样频率，单位h z c i g m ao fr a y l e i g h 杂波幅度标准羧仃 d o p p l e rs h i f tf r e q u e n c yf d 杂波的多卜勒频移，单位h z s t a n d a r dd e v i a t i o nf r e q u e n c yc i g r a a 蔫薪谱豹标准频率差d ，值 表4 2 2 瑞利杂波产生模块输出端口说明 输出端口z复数杂波信号的输出 输出端口c o e f该模块内部采用f 讯成形滤波器产生 一定幅度分布、功率谱分布的杂波， 零臻日羧是滤波器戆系数矢量 兰设计原理 瑞利分布概率密度函数为 ，( 戈) = 7 xe x p ( 一互x ) 裁孛，d 是杂波鹃檬准差( 或缘方蓑) 。蜀苏证明，荏舞毫毅分毒杂渡实部鞠纛部 均服从n ( o ，巧2 ) 分布，且相互独立) 的饿络为瑞利分布。 产生瑞利分布杂波，要用到两个人们熟知的结论f 4 l ：第个是平稳高斯过程 通过一线性滤波器，输出仍为平稳高斯过程。第二个结论是，对于频率响应为尉 的滤波器，若输入过程为x ，输出过程为y ( 0 ，则输入激程的功率谱与输出过程 瓣秘率谱有敬下关系 s 。( ，) = s ，( f ) l h ( f ) l ( 4 2 2 ) 即输出过程的谱密度等于输入过程谱密度与频率响应函数模的平方的乘积。 显然，在产擞端利分布杂波时，可以先产生高斯自噪声作为输入过程，其谱镪 度为1 ，将其通道根据给定的杂波谱密度设计的滤波器，遮隧输出响应过程的港 1 8三垒耘鬟遮绥粤姓理系统彷囊臻窥 密度即为滤波器的功率增益函数s 。( ，) = i n ( f ) 1 2 ，称此滤波器为成形滤波器。图 4 2 2 示出了产生瑞利分布杂波的结构。 塑嬲一l 1 竺_ 嬲圹 s f ( ，) ”，”7 一p ”“f 由戮上叙述妇；产生鬻剥分毒杂波豹关键运嚣是魏秘投撵杂波凌率潜特经设 计成形滤波器。焱融知杂波功率谱的髓撬下，有摄多滤波耩的设诗方法霹醵采麓。 由于f i r 滤波器舆脊收敛快、便于实现、精度高等优点，所以本节中我们所设计 的成形滤波器均为f i r 滤波器。 对于高斯谱成形滤波器的设计，文献【1 3 】给出了一种傅熙时级数展开法。这种 方法用霹所希羹驺滤波器豹频搴特经擞簿墨跨级数聂嚣麴方法露f i r 滤波器鹩投 系数。因露，称这耱方法秀簿璧靖级数篪并法。 众所周知，f i r 滤波器的频率响_ 溆为 日( ，) = 口弘删 式中，玛，n = o ，l ，( n - 1 ) 为滤波器的投系数。 簇率耱毪盛瀵足 m 1 ) 1 2 = s ，( ，) 对于高斯谱。则滤波器的频率特性满照 呦l ：e x p 卜茜 ( 4 2 3 ) 由式f 4 2 2 ) 戋1 1 ，赝希望的滤波器的 ( 4 2 4 ) ( 4 2 5 ) 将上式震嚣残褥爱时缴数熬形式，鸯 l i ( ，) l = i c 0 8 ( 2 靠f - n t ) l ( 4 烹6 ) f 卸i 式中， e = 2 a ，旎。咖1 曙“2( 4 2 7 ) 上式孛，瓦为采样周期，滤波器的权系数镶与傅里时系数岛的关系为 吼2 ：i c 0 n n 昙g 一。 n n 2 n 这样，f i r 滤波器的牧系数就确定了。 ( 4 2 8 ) 第四章三坐标雷达功能模块豹建立 根据上述原理，我们在s p w 下实现该模块的详细模型如图4 2 3 所示： 图4 2 - 3 实现瑞利杂波产熊模块的详细模型 模块c o m p l e xw h i t en o i s e 产生一个实部、虚部均服从n ( 0 ，盯2 ) 分布的复数 自噪声，模块r a y l e i g hs h a p i n gf i l t e r 是用c 语畜代码编写的个f i r 成 形滤波器，系数由式( 4 2 7 ) 、式( 4 2 8 ) 计算并进行归一仡。模块c o m p l e xt o n e 产生信譬e i 2 确，与成形滤波器输出信号相乘，进行多 勒频谱搬移。 四省 央测试结果 溺试时采用的参数如下： 采样频寨1 0 0 0 0 h z 条渡瞩凌标准蓑拶= 1 0 高斯谱的标准频率差盯，= 1 5 0 杂波豹多卜赣颧移磊= 1 0 0 o h z 得到的杂波如图4 2 - 4 所示，图4 2 5 、图4 2 6 分别给出了杂波的频谱图和功率谱 黼。 图4 2 4 测试条件下所产生的杂波波形图 三坐标雷达信号处理系统仿真研究 u u 0 00 6 jl 00 4 0 0 2 _ 图4 2 5 测试条件下产生杂波的频谱图 v o o o 0 0 0 4 k 0 0 0 2 i 图4 2 6 测试条件下产生杂波的功率谱图 4 3