（信号与信息处理专业论文）机载pd雷达杂波及系统的建模与仿真.pdf

捅要机载p d 雷达是一种非常重要的雷达，机载p d 雷达下视工作时仿真的核心是杂波的仿真和消除，本文主要是对机载p d 雷达下视工作时的情况进行了仿真。本文采用距离环地面散射单元的划分方法来模拟杂波，分析了波束指向对主瓣杂波中心频率的影响、波束宽度和载机速度以及发射信号波长和天线扫描对主瓣杂波宽度的影响；并分析了距离模糊和多普勒模糊以及匹配滤波器对杂波的影响，在建立的杂波模型的基础上建立了杂波对消模型。建立了某中重复频率机载p d 雷达系统信号处理部分的模型，给出了某次仿真结果，说明了系统的工作原理，通过与理论结果的比较，证实了系统的有效性和正确性。关键词：机载p d 雷达杂波杂波对消雷达系统建模与仿真a b s t r a c tt h ea i r b o m ep dr a d a r sa r eak i n do fr a d a rt h a to fg r e a ti m p o r t a n c e 。ih i sp a p e rm a i n l vd e a l sw i t ht h es i m u l a t i o no ft h ea i r b o r n ep dr a d a r si nt h ec a s eo fl o o k 。d o w nm o d ew i t hf o c u so nt h es i m u l a t i o na n dc a n c e l l a t i o no fc l u t t e r i nt h i sp a p e r , t h eg r o u n dc l u t t e ri sg e n e r a t e db yd i v i d i n gt h ei s o 。r a n g en n gi n t om a n ys c a r t e r i n gu n i t s t h ei n f l u e n c eo ft h eb e a mp o i n t i n go nt h ec e n t r a ld o p p l e rf r e q u e n c yo fm a i nl o b ea n dt h ei n f l u e n c e so ft h eb e a mw i d t h ，t h ev e l o c i t yo fp l a n e ，t h et r a n s m i t t i n gw a v e l e n g t ha n dt h es c a n n i n go fa n t e n n ao nt h ew i d t ho fm a i nl o b ec l u t t e ra 1 ea n a j v z e da l o n gw i t ht h a to ft h er a n g ea m b i g u i t y ，d o p p l e ra m b i g u i t ya n dt h em a t c h e d6 l t e r a n dt h ec l u t t e rc a n c e l l a t i o nm o d e li sp r e s e n t e db a s e do nt h ec l u t t e rm o d e ld i s c u s s e da b o v e i n “sp a p e r ，as i g n a lp r o c e s s i n gm o d e lf o ra na i r b o m ef i r ec o n t r o lr a d a rs y s l e mw i t hm p r fi sd i s c u s s e d ，a n ds o m es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e nw h i c hi l l u s t r a t i n gt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e so fs u c hs y s t e m t h ev a l i d i t yo fs u c hs y s t e mi sa p p r o v e db yc o m r l a x i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h et h e o r y k e y w o r d s ：a i r b o m ep dr a d a r , c l u t t e r , c l u t t e rc a n c e l l a t i o n ，m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no fr a d a r 西安电子科技大学学位论文独创性( 或创新性) 声明秉承学校严谨的学风和修良德科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。本人签名：毯巡日期塑! ! ：! ：至墨西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰下；的文章律署名单位为西安电子科技大学。本人签名：多艮蛳导师签名：趁磐一第一章绪论第一章绪论1 1论文研究的背景和意义在现在战争中，掌握制空权是赢得战争胜利的重要保证，机载p d 雷达、机载预警雷达等机载雷达在战场上起着举足轻重的作用，特别是在最近几次局部战争中，机载雷达显示了强大的威力，从而为更多的人所了解。二战以来，以美国为首的军事强图，率先建立了先进的雷达试验系统，并逐渐形成了完整的装备试验体系，在试验过程中的仿真实验室扮演着不可或缺的角色，以美国为首军事大国大多建设了仿真实验室，按照先进的试验模式：武器系统的试验应该在内场实验的基础上进行外场实装试验，之后进行仿真试验分析，最终得出评估标准。内场仿真试验n 2 1 是一个完整的体系，包括雷达系统仿真、通信对抗仿真、光电对抗仿真等等，就雷达系统来说，整个系统的仿真分为平台的仿真、环境的仿真、处理系统的仿真等几个方面，系统仿真是近二十年来发展起来的一门新兴的技术学科，它涉及到各相关专业理论与技术，诸如系统分析、计算方法、控制理论和计算机技术等。当在实际系统上进行试验研究比较困难，甚至无法实现时，仿真技术就成了十分重要、甚至是必不可少的工具，它在现代科研、生产和教育训练等方面发挥着重要的作用，应用十分广阔，随着数字计算机硬件和软件的发展，从2 0 世纪8 0 年代开始，我困的数字计算机仿真也迅速发展起来，数字计算机仿真的特点是精度高、重复性好、通用性强、价格便宜。系统仿真是建立在相似性理论的基础上，基于模型实验，为系统分析、研究、设计、决策等提供了强有力的理论方法和技术手段。系统模型的建立是系统仿真的基础，因此要精确的仿真一个系统，必须先逼真的建市该系统的模型，只有在建立起系统模型以后才能依据该系统模唾! 设计相应的算法，并在此基础上进行二次模型化以便使系统模型成为计算机能够接受的1 似h 序代码，然后在计算机上运行。计算机仿真作为一种研究方法和试验技术直接运用f 系统研究，是一种利用相似与类比的关系来f f i j 接研究事物的方法。系统的数学模型 。是用抽琢的数学厅 ：执述系统内部物理变量之间的关系而形成的模型，通过对系统数学模型的研究叮以揭示系统的内在运动和系统的动态性能。当问题提后，将给系统的i f - n 定义和系统的构成、边界、环境和约束等条件，然后根掳e 系统分析的结果，确j 之系统i l - 的变景，依扼变量之问的关系和约束条件，然后j j 数学符号束描述系统的数学农达式，6 i j i l 寸确定了其中的参数，即构成系统的数学模型，建立起的数模型必须足时系统的那些与研究目的有关2机载p d 雷达杂波及系统的建模与仿真的肇本特性进行抽象，即数学模型所描述的变量及作用关系必须接近j j 二真实系统，这样的数学模型j 能认为是研究系统比较真实的模型，建立了数学模型后，再考虑仿真环境的模块结构，确定各模块之问的输入和输出接口，确定仿真模型的存储方式，利用计算机语言编程来仿真。本课题研究的目的是在p c 机硬件平台和s n u l i n k 软件平台的环境中，进行某中重复频率机载p d 雷达系统及杂波的建模与仿真，主要任务是进一步完善和扩充模块库，确定目标回波模型以及完成雷达信号处理系统的算法实现和功能实现，最后利用给定的设计要求，搭建了一个完整的系统。1 2国内外研究状况1 2 1 机载雷达杂波的仿真状况当今世界机载雷达下视探测能力已经成为一项不可或缺的能力，但是在下视探测过程中必然会遇到地面回波的问题，地面回波通常非常强大，如果不加处理，大量的目标信息就会被地杂波淹没，因此必须对机载雷达杂波进行仿真。在机载雷达仿真中，杂波的仿真始终是重点和难点，而且由于杂波对检测起着举足轻重的作用，因此对杂波高精度、快速的仿真一直是机载雷达仿真的发展方向，其相关的文献非常多。g o e t z 和a l b r i g h t u 2 1 详细论述了机载p d 雷达的特性、杂波性质等基本问题。f a r r e l1 和t a y l o r n 们推导出了适合手工计算的杂波功率公式，并得到一系列简化的计算公式。f r i e d l a n d e r 和6 r e e n s t e i l l d a 则详细分析了脉冲多普勒雷达距离门中的杂波问题，采用距离多普勒坐标系进行杂波积分，对杂波问题进行了比较通用的和细致的分析，导出了在任意距离一多普勒地面网格单元中进行杂波功率计算的一般公式。但是手工的并不适合杂波功率谱计算这种大量计算量的场合，而且计算的精度也比较的低，这些都限制了这些方法的应用推广。随着计算机的广泛应用，在杂波功率计算中计算机得到越求越j “泛的应用。m 1 f i n g e l 。l 推导了适合于计算机操作的脉冲多普勒雷达的杂波力：簪汁算方法。f 1 1 此疗法需要进行大量的数值积分，这使其在工程中的心用受剑了很大的i 寝制。后柬麻省理工学院的j e nk i n gj a o 和b 6 0 9 9 i n s t 提m 一种似设犬地为i f 面时的杂波力率谱的计算方法? “。该方法利用等跑高等多普勒的概念划分地l f u 网格，f t l 妾t t lh 等拄l i 离等多普勒网格币冗的功率的闭式解。此方泫的优_ 是计算快捷， ：t 要缺陷足地甬i 网格划分未考虑天线增益，网格单元内天线增益叮能榭筹很多，导敛绵果误差较人。钏对河面的缺陷，杂波功率谱仿真的最新文献中，等趴离等多 譬勒等波束的思想破广泛接受。文献博。利用提出将大地等分成更小的网格，小阳格内4 ：仪距离和第一章绪论多普勒频移近似桐等并且天线的增益也近似相等( 等波束) ，然后利用求和代替积分得出杂波的足巨离和多普勒分布，即杂波功率谱。此方法在网格面积足够小时计算非常准确，但是此方法小网格的形状和大小与性能之间的关系不明确，实用性不高。因此本文在前人工作的基础上针对相控阵天线的特点，利用距离环地面散射单元划分方法，对地杂波进行了仿真，此时所划分的小网格内的距离和多普勒都近似相等，并且天线的增益也近似相等，相邻小网格的多普勒可以分辨，并利用p d 雷达仿真的结果，对线性调频信号时的杂波相干回波模型和杂波功率谱的计算模型进行了分析。并在建立的杂波的基础上建立了杂波对消模型，对高度杂波采用固定权的m t i 滤波器来消除，对于主瓣杂波采用自适应权的m t i 滤波器来消除。还分析了脉冲压缩对杂波的影响。1 2 2 机载p d 雷达仿真的状况，国外研究者较早就开始对机载p d 雷达进行仿真，并且取得了定的成就，形成了一些较成熟的产品，像s a f i r e ( 先进战斗机仿真器系统) ，c a s p a r “3 ( 机载雷达系统杂波产生器) 等，但是这些产品都对我国实施了禁运，或者采取高价措施。为此国内研究者也对该仿真系统作了大量工作，并取得了不少成果。我围对机载雷达系统计算机仿真的研究起步较晚，但从九十年代起越来越受重视，在雷达系统建模和仿真研究开始不久，西安电子科技大学雷达信号处理重点实验室和一些研究所作了一些尝试，基于s p w 平台下进行二次开发，在雷达模型库的建立、扩充和系统仿真方面作了大量工作，取得了一定的成果，在众多研究者的合作下，建立了一个早期机载预警雷达( e 2 一t ) 的仿真系统，但该平台对于开发环境要求较高，必须在工作站上运行，造成仿真成本的提高，不利于仿真系统的推j “。为此雷达信号处理国家重点实验室在s p w 雷达库的基础一t ，摹于s 1m 【l 。l k 进行了雷达系统仿真课题，且已取得初步成效，建立了一个简单的机找雷达系统。本文件j 甚础l ：进。步扩允和完善了雷达模璎库，并且搭建了中荸复频率机载p dj ；迓的仿真系统。存系统中加入了本文所建：、：，= 起来的杂波模型和杂波) ( 0 消模世，对杂波的淌除l 乏得了良好的效果。1 3 本文的土要工作本文的j i 要j ：作如下：1 住卜l l i l k 软件平台下，通过分析机载雷达的特点，建立了机载j 舀，达的【l j l 波梭型，爿：分1 j i 了杂波的特点，建立了杂波| i _ i j 波的模型库。2 分析j 杂波通过匹配滤波后的变化，并在s i m u l r k 平台下给出了了仿真4机载p d 雷达杂波及系统的建模与仿真结果，证明了分析的正确性。3 分析了杂波的特点，以及怎么样消除杂波水提高信杂噪比，并在s i m u l i n k下建立了杂波对消模型，进一步完善了雷达信号处理库。4 在s i i u l i n k 下台上，建立了某机载p d 雷达的系统框图，并进行了多次仿真，给出了仿真结果，这一工作对机载p d 雷达系统模型的建立及评估有着重要的意义。本文内容的章节安排如下：第二章对机载雷达所接收的回波信号进行分析，给出其建模模型；第三章主要讲述了匹配滤波对杂波谱的影响：第四章主要介绍了杂波的消除和目标的检测，第五章给出了一个完整的机载p d 雷达检测系统的实现原理框图，并在此基础上建立起软件平台下的仿真框图，给出了仿真结果。第二章机载p d 雷达杂波模剞的建立第二章机载p d 雷达杂波模型的建立在雷达系统模拟中，最重要的工作就是建立描述环境的数学模型，无论模拟中其余的工作完成如何，但从整体来看，成功与否主要取决于环境模型的建立。雷达回波主要包括目标、杂波和噪声。在某些情况下，还包括多散射效应。其它的环境现象就是衰减及法拉第旋转。对上述的这些环境现象，要建立其模型并不难，因为，这些现象在地球的大气层内往往是均匀的，通常可以把它们当作雷达距离方程中的损耗因子来处理，或者当作对雷达与目标的交会几何关系进行比例变换。通常按照散射体与雷达的分辨力来比较，通常可以分为点散射体、面散射体及体散射体三种形式，在本文中我们将目标考虑为点散射体，地杂波为面散射体。2 1 发射信号模型根据匹配滤波理论，在白噪声背景下滤波器输出端信号噪声功率比的最大值为2 e n 。，即当噪声功率谱密度给定后，决定雷达检测能力的是信号能量e 。对于早期脉冲雷达所用的信号，多是简单的脉冲信号。这时脉冲信号的能量e = p 。t ，p 。为发射信号功率，t 为脉冲宽度。当要求雷达作用距离增大的时候，就必须提高信号能量。提高信号能量有两个途径，一是增大发射机功率，但它受到发射管峰值功率及传输级功率容量等因素的限制，只能有一个固定的范围。二是在发射机平均功率允许的条件下，可以用增大脉冲宽度t 的方法来提高信号能量。但这样作会降低系统的距离分辨力。因此，脉冲压缩信号得到了f “泛的应用。本文中采用的发射信号主要为线性调频信号。在目标回波模型中，通常需要确定目标的r c s 、hf , j 酒j 7 在的距离和目标的速度。设雷达发射信号可以表示为：s o ) = r e 亨( ，) e x p ( i 2 砺, t + 矽) ( 2 一1 )式中f ( f ) 为信号的复包络厶为信号的载频为衲始棚 讧。经同标反射后的返【! j 1 的回波信号呵以表示为：s r ( ，) = k s ( t 一，) = r e k s ( t 一，) e x p ( j 2 万j ( ，一，) + ) ( 2 2 )式中，：三( 只。一v ，) ，r 。为- o 时目标的足i j 离，v ，为it ，j i 棚对j 与达的径向速度。回c波信号比起发射信号来具有的4 h f s ：差。6机载p d 雷达杂波及系统的建模与仿真= - - ( _ d o 铲勘掣该柏位差是时间t 的函数，在径向速度v ，为常数时，产生的频差为( 2 - 3 )厶= 华( 2 4 )几实现方法：在发射的线性调频信号上加入由于距离而产生的时延信息和由于相对速度而产生的多普勒信号，根据雷达方程计算回波信号的幅度，考虑到大气吸收等的影响，把它们的影响合并入系统损耗中，在计算回波信号幅度时考虑进去。2 2杂波模型2 2 1杂波简介雷达的接收机除了接收目标回波，还接收由于大地的存在，反射脉冲打地以后的反射的回波，从而产生杂波干扰，杂波的强度很大并且贯穿信号处理的整个过程，对目标的检测产生极大的影响，因此很有必要对杂波进行建模与分析。杂波是一个随机过程，在不同分辨率或者不同的工作模式下，其幅度具有不同的统计特性，常用的有瑞利分布，k 分布，对数正态分布，高斯分布等大量的实测数据发现杂波除了具有随机性以外，还具有一定的确定性，在时间上表现了一定的相关性，可以用功率谱来表示2 2 2 杂波的统计模型l高斯分布雷达信号采用复信号表示即z ( o = x ( t ) + 砂( ，)( 2 5 )则其实部、虚部分别为独菠同分布的正念随机过程，对于任一时刻时n l j t ，x ( f ) j ( ，)均为高斯分布的随机变量，以实部x ( f ) 为例，其概率密度函数为f ( x ) = 志e x p f - 譬】( 2 - 6 )乓l 1j ，仃! 分别为均值和方差2 瑞利分饰当杂波分餐服从l 一述高斯分倌时，其幅度服从瑞利分自i ，其概率密度函数为m ) = 砉e x p ( 一斋) x o( 2 _ 7 )第二章机载p d 雷达杂波模型的建立其中b 为瑞利参数，则其均值和方差分别为6 厮，! 手6 2 。图2 1 给出了不同参数b 下，瑞利分布的概率密度曲线。图2 1 瑞利分布的概翠密度曲线3 对数正态分布对数正态分布( 1 0 9 n o m a l ) 是s f g e o r g e 在1 9 6 8 年提出的，它是描述非瑞利包络杂波的一种统计模型，其概率密度函数为f ( x ) = 去州一掣) 删( 2 _ 8 )其中为l n ( x ) 的均值( 尺度参数) ，9 2 为l n ( x ) 的方差( 形状参数) ，对数正态分布的均值和：h - 差分别为e ( x ) = e x p ( a + 寻) 和烈x ) = e x p ( 2 t + 2 0 - 2 ) 一e x p ( 2 , u + 盯2 ) 图2 2给出了对数正态分布的概率密度随尺度参数和形状参数盯的变化关系曲线。图2 2对数正态分布的概率密度随尺度参数t 和形状参数仃的变化关系曲线对数j f 态分布是常见的非瑞利分布杂波中拖尾最大的一种，对于高精度霄达或者地面起伏很大的地区，运用该模型通常能取得了比较满意的匹配结果。4 韦稚尔分靠和对数正念分椎模型一样，韦布尔( w e i b u l l ) 分布模型也是描述非瑞利包络杂波的一种常用的统计模型，韦靠尔分布的概率密度表示为：8机载p d 雷达杂波及系统的缝模：j 仿真厂c x ，= 旦q ( 兰q ，e x p t 一( 丢) ，x 。，c 2 9 ，9 其中q o 为尺度参数，p o 为形状参数，p - _ i ，2 时，韦布尔分布分别退化为指数分御和瑞利分布，韦布尔分布也常常表示成如下形式厂( x ) = a b x 6 一e x p ( - a x p )x 0( 2 1 0 )其均值和方差分别为e ( x ) ：口；r ( 1 + 6 1 ) ，d ( x ) ：口；【r ( 1 + 26 - 1 ) 一r ：( 1 + 2 b 一) 】容易得到口= q - p , b = p 。图2 3 给出了韦布尔分布的概率密度随尺度参数q 和形状参数p 的变化关系曲线与瑞利分布和对数正态分布，韦布尔分布模型能在很宽的条件下很好的与实验数据相匹配，通过调整韦布尔分布模型的参数，可以实现瑞利分布曲线，这一点也是该模型被方泛应用于仿真研究的重要原因。图2 3 韦布尔分布的概率密度随尺度参数q 和形状参数p 的变化关系曲线2 2 3 地面后向散射系数分析雷达的后向散射系数与地形、擦地角、频率、极化方式等因素有关，雷达后向散射系数还与地面含水量多少以及是否有雨7 彳覆盖有关，含水量越多0o 的值越小，覆盖冰雪的地面0o 的确定更为复杂，一1 般0 “的测量平台的选择也将影响测量结果，因为地面雷达通常采用时州平均的力法，l 所机载雷达采用空间平均的方法，另外，雷达的后向散射系数随着雷达波束擦地角的变化，有很大的不同。_ 卜面给为了建。奇：，。泛的地杂波数扒跨，荚旧m 1 ，1 1 丰术弦艾验审的北美地区建立了4 2 个观测站，应用_ 扛个小1 1 4 频段进行了人 # 脱测，得出了比较准确的后向散射系数数据。由：雷达测量中很难将传输衰减j 后向敞身j 系数相分离，林肯实验室检测报告采用了参数0 “矿。观测分析报告指 l _ i ：在低视角情况f ，后向散射系数对频率第二章机载p d 雷达杂波模型的建立9的依赖性极小，可以忽略。分析统计结果见上表，表中的统计结果是不同频段在不同极化方式下以及不同的距离分辨力下得出的平均值。罾m f i ：1 t 4 t t t t ；一! ：。q 箩j i j “一s h a ox 3 t l 艉8 、2 0 口t b 0i2 _ “i i l ：- l u 筹m ( ) i j k a f n- 6- l 住岳1 7 ，i ：42 l o r e s l 1 i 1 6 l i - l l ：i j i“c r 豫! “s i o i x ，：h i g h 幽枷io h 甜，g 峨lj1 0 51 6 1：e ；：1 ej qqk i 蛳 i 嚣鞴m na ；1 娶轻l 0 2 l- ：肇si b 嚣- 2 2 h2 ，e：5 ”lo r e 譬m i ：r w 一收 ll e i h 嗨e 地p 弛张册g 峨j l ，j 42一隋7挑82 93：65妇州l 嗽瓤嚣柑妇p 曜蛳u n 鞠蝴玑批 )- 笛2勰：- 2 86j 2i一：97j o w 盘p 他翳沁n 期窖 e o 3 )- 4 3 e4 4i- 1 日- ，8 3 5 4 1 6 融c u u a j r e ，m g i l 擅e l 孵位啪湎s k 垮t 3 2 40 73 2 6 9“砧12 98a g r j c u i 翮r l o 鞯r i 苫l j e f啪嗤k 相船i yk ：, w - r d 鼬1 电雠n 面s i a p c 归纳了几种地形环境分类：上壤和岩石表面、树林，草地、灌小从、短植被、路嘶、城f i i 地区、f 雪、湿雪，并对每种分类进行了数掘统计，建，最了经验模_ j ：仃。0 = p l + p 2 木e x p ( p 3 o ) + p 4c o s ( p 5 妒+ 风) ( d b )( 21 5 )其l j ，p 至1 3 。为统计参数，巾为局部入射角，当试验地面町以进行以j ：分类时，第一：章机载p d 雷达杂波模璀的建立1 1应用这类模型比较方便。4 b a r t o n 模型o 一o l o g ( s i n ( 州o o g c o t ( 胁x p l 一篙捌) ，6 ，该模型适用于机载雷达下视工作情况，尤其适用于主波束入射角8 。1 0 。之间的情况，模型中参数的确定见参考文献。5 线性模型o = a + b 妒+ + 缈( d b )( 2 1 7 )其中a 、b 、c 、d 的值根据不同的地面特性和波束打地角而取不同的值，该模型适用于雷达俯仰角范围为1 0 。 巾 7 0 。，频率范围为1 1 g h z 等( 3 1 )似) - - 学+ 三，p 一l 了为了方便超见，呵令k 为 卜一化系数，即k = 堕 ，贝ui h ( ) 卜】以写成j 机载p d 雷达杂波及系统的建模与仿真( 2 ) 相频特性九)h ( 缈) l =1 卜郇等( 3 4 )o ，卜i 等伽) _ 哮一三嘲，p 一l b ，故输出信号的载波为e o s ( 2 n f o ( t - t o ) ) 。而信号的包络为a j - 万s i n j r b ( t - t o ) 。z r b ( t t o )波形如图3 3 所示。a 6变蟪a 石喘警掣钿盘古c o s 2 嚣f o 。f o 图3 3 线性调频信号通过匹配滤波器的输出波形由式3 - 9 和图3 3 可以看出，通过匹配滤波器输出的脉冲信号具有以下特点：瓦万oa0“。媪p dt j 哒米波厘糸缱的建模，仿真( 1 ) 输出信号包络具有辛克函数s i n x x 的形式。( 2 ) 输出脉冲的有效宽度f 比输出脉冲宽度f 缩小了d 倍，也就是输出脉冲幅度a 。经输入脉冲幅度a 增大了, d 倍，即输出脉冲峰值功率只比输入脉冲峰值功率增大了d 倍，即口= 旦= 馏= d( 31 0 )pr( 3 ) 由1 输出信号其有s i n x x 特性在主瓣( 借h 天线方向圈术语) 的两侧存在一系列旁，其中帮旁瓣，其幅度比土瓣低132 d b ，其余依次减小4 d b 且旁瓣零点的间隔均为1 邝。33 杂波通过匹配滤波器后的变化杂波是由干雷达的发射信号碰到地面后反射凹来的凹波我们发射的信号是线性调额信j ! l i 杂波必定是很多加入延迟和多蔷勒额移的线性调频信0 的矢量礼w 噘衲巾，2 薹孙m ，舯m2 愕怿模糊煳一。舞卜示每一个距离虾内仃有的散射单元个数。而匹配滤波器是个线性系统，杂波通过匹配滤波器的输出必定也等于单个散射单兀杂波信号通过匹配滤波器的输出的欠量和，田此杂波通过匹配滤波器不会列杂波暗产生影响，只会使杂波的幅度增t 人。叉f i 于匹配滤波会对输入信号造成延时所h 对应某一距离的杂波必定也将会i 打于延迟而使它现相位胃在距离r 发牛变化。圈34 和图35 别给出了匹配滤波前后杂波的时域波形和距离多普勒二维杂波谱。目34 滤波前的距离多酱勒二维谱吲35 滤波后的距离多酱勒一维谱由图34 和圈35 n 以看出，经过匹配滤波后，杂波的幅度增大了，而存频率上的位置没有变化，高度线杂波出现明显的s i n x x 形状，而且在由于匹配滤波的第三章匹配滤波对杂波的影响延迟，使高度线杂波在距离上的位置也发生了变化，这与理论分析是相符合的。证明了仿真结果的正确性。3 4小结本章对机载雷达的杂波经过匹配滤波器前后的信号在s i m u l i n k 下进行了建模，分析了杂波谱通过匹配滤波前后的变化，并且给出了模块测试的结果，验证了模块的正确性。2 6机载p d 雷达杂波及系统的建模0 仿真第四章杂波的消除与目标检测4 1概述本文第二章中建立了雷达的回波信号，其实主要包含了目标和杂波信号，雷达信号处理机的作用就是最大程度的从被杂波和噪声污染的环境中检测出信号，对噪声我们采用匹配滤波、相干积累、非相干积累的等方法。对杂波的处理方法，作为本章的重点，下面将详细介绍动目标显示和检测模块的建立。在机载雷达中，杂波主要有三种，高度线杂波、主瓣杂波和旁瓣杂波。l d t i 对消器可以对消前两种杂波。当载机水平飞行时，高度线杂波的中心频率为0 h z ，我们可以采用自适应的方法也可以采用非自适应的方法来对消。而主瓣杂波的中心频率是随着载机速度、主波束指向、和雷达发射波长的变化而变化的，这时要获得好的对消效果，就必需采取自适应的方法。机载p d 雷达m t i 滤波器要同时对消掉这两种杂波，可以通过设计两个级联的m t i 滤波器来分别对消。对消高度线杂波时，采用固定权。而在对消主瓣杂波时采用自适应的方法。4 2 高度线杂波的消除由于高度线杂波通常主要集中在0 频附近。并且以脉冲重复频率六为周期重复出现，因此用来消除这种0 频杂波的m t i 滤波器应在0 频及其周期出现点处形成凹口，一般常用的足二脉冲对消器和三脉冲对消器。下面以三脉冲以消器为例来介绍其 ：作原理。三脉冲对消器足一种常川的m t i 滤波器，由图4 1 可得三脉冲对消器的时域方程为：y ( n ) = x ( n ) 一k 半x ( n 一1 ) + x ( n 一2 )( 4 1 )其传递函数为：h ( z ) = l k z 一1 + z 一2( 4 - 2 )- - f ik = 2 时，_ i 泳冲对淌器可以等效为两个二脉冲刈0 肖器的串接，在z = l 处_ 彳双! e 零点，：二脉冲消器十对j - ：脉冲对消器提高了零频处的零点深度和凹口的宽度，改善了埘岑_ ! 6 1 杂波的抑制性能。第四章j ：被的对消与h 标斡驯憋15 一实现方法趟么圈41 二脉冲对消器的时域流程及频域响应告r 厂叫! 一r 叫- 广模块测试结果l凹42 _ 二脉冲m t i 在5 i m q j l i n k _ 卜的模，l 辫m $ 4幽43h t i 前后的求波谱载机飞行高度h - 2 5 0 0 m ，v4 0 0 m s ，此时产生了强度很大的高度线杂被，由于其频谱中心忙于0 频附近日带宦较窄，m t i 对消可以获得理想的效果，仿真结果j 【1i 溜，从忻具结祟j 分们，叫以确认此收段刖止娴任。机载p d 雷达杂波及系统的建模与仿真4 3 主瓣杂波的消除主瓣在任何时候碰到地面( 如在俯视的时候或者做低空飞行而没有仰视的时候) ，都会产生主瓣回波，当该回波是不需要的信号时，也称做主瓣杂波( m l c ) 。在很远的距离处都有可能接收到主瓣回波，即使在高空天线指向正前方时也是如此。4 3 1 频率和角度的关系将主瓣照射到的地面区域划分成许多小的独立区域，可以更好的理解主瓣回波的频谱( 图4 4 ) 。每个小区域的多普勒频率与角度l 的余弦成正比，这里l 是雷达速度方向与指向该小区域的视线之间的夹角。厶：2 v rc o s l( 4 3 )。兄式中为雷达的速度，l 为与指向地面小区域的视线之间的夹角，名为波长。对于每一个小区域角度l 是不一样的，因此，总的回波对应于一个频段。当天线指向正前方时，来自被照射区域中心附近的小区域的回波( l 0 ) ，其多普勒频率几乎等于可能的最大值：厶一= 2 勺彳。对于远离中心的小区域而言，其频率相对较小，但是当天线指向正前方时，由于到这些小区域的角度都很小，而小角度的余弦值接近于零，所以此时主瓣回波所占的带宽就很窄。图4 4 主瓣照射到的区域可以看作是由许多不同俯视角的小地面区域组成随着天线方位角和俯仰角的增加，到地面照射区域中心的小区域的角度l 的余弦值减小。与此同时，到照射区域一边的小区域的角度l 的余弦值与到另一边的角度l 的余弦值相差越来越大，这就使得主瓣回波占据带宽的增加。4 3 2 波束宽度、速度和波长的影响第四章杂波的对消与目标检测2 9假设雷达速度为，主波束指向( 秒，) ，主波束在俯仰和方位上的宽度分别为丸和s o ，波长为允，则主瓣杂波的中心频率和主瓣杂波所占据的带宽可以分别用以下两式来表示厶似，：2 v , zc o s - o c o s ( 4 4 )= 孚( c o s 伊争谢一争叫p + 扣谢+ 譬，) 汁5 )当乳= o 时( 牟s i n ( 目+ 矽) ：牟s i n ( 9 + 矽) 九( 4 - 6 )对于任一天线方位角或者俯仰角，主瓣越宽，主瓣杂波占据的频带也越宽。主瓣杂波的中心频率和带宽与雷达的速度成正比。也就是说，假定中心频率为8 k h z ，如果速度变为原来的2 倍，刚中心频率和频带边缘处的频率也将变为原来的2 倍，不仅整个频带上移了8 k h z ，而且频带宽度也增加了一倍。8多酱勒频率k h z1 6 图4 5主瓣杂波中心频率和带宽j 雷达速度的关系示意图中心频率和带宽与波k 成反比。波长越长，带宽越窄，中心频率越低，反之亦然。其他条件彳变的情况下，舀is 波段( 波长为l o c m ) 带宽仅为x 波段( 波长为3 c m ) 的3 1 0 。五=0 ( 1 1 1五= 3 c mn图4 6：i ：瓣杂波中心频j 蕾利带宽。j 雷达波k 的天系示意图3 0机载p d 雷达杂波及系统的建模与仿真4 3 3 天线扫描的影响在搜索过程中，天线方位在定的角度范围内变化，当大线从一端扫到汇前方时( 即方位角为o ) ，主瓣杂波的频谱向频率增大的方向移动，同时带宽变窄直到变成一条直线：当天线从正前方扫到另一端时，杂波频谱向频率减小的方向移动，同时带宽变宽直到达到原来的宽度。堡c o s 7 0 。五图4 7 主瓣杂波中心频率和带宽与天线于j 描关系示意陶4 3 4 主瓣杂波的消除理想的证交采样双通道增益相等，相位相差9 0 。但是在r 程实际中，由于线路误和参考信号误差，不可避免的要存在幅相不平衡误差，导致较人的镜频分量。 l j 二幅相不平衡导致的镜像电平，在多普勒信号处理中会产乍镜像慌假f 1 标，这任甫达系统中会造成虚警。通常用镜像电平与信号频率分量的功：冢比表示镜像电i f 的大小，这个量称为镜频分量。雷达接收机接收到的凹波首先通过差频变为巾频信号，此l tj l 波【 】包含了f 1 标信号的幅度信息和相位信息，为了得到幅度信息和栩 移信息，必须把这个实信号通过j l i 交采样变为复信号。如图4 1 0 所示，它义称为l 二交舣通通接收机，其特点是能检出输入信号的相位信息，它的输入信号为中频信号。可以表1 j 为：( ，) = a ( t ) c o s 0 9 ，( ，) + 缈( ，) j( 4 7 )它的输 信号为正交的两路视频信i j ，可以表示为：第四章杂波的对消与甘标椅洲，= a ( t ) c o s o ( t )q = ( ，) m p ( ，)堕卜孚卜恒圈圃；一。( 48 )( 49 )倒48中频止交采样实现原理翻通常情况下主瓣杂波要比信号强很多，通过正交采村：后，主瓣杂波的镜频分量也可能要比信号强，如果主瓣杂波的镜频分量比信号强的话，就会产生虚臀，所以要消除主瓣朵波的镜频分量。由于主瓣杂波存在多普勒频移，这时采用固定权盯i 滤波器效果撮差，无法消除主瓣杂波，一般采用的方法足将滤波器凹u 搬移到杂波中心多普勒频移处或者是将杂波r f l 心频率搬移到零频处，本文采用的是第二种方法，通过估计杂波中心频率对其进行频率补偿。杂波的镜频和杂波在频率上是关于零频对称的，所以也可以用消杂波的方法消除杂波的镜频，下边给出仿真结果图4 9 到国41 1 分别给出了主瓣杂波对消曲后的时域波形和距离一多普勒二维杂波谱及多普勒谱i i t 删t i i 1 , 1 , i 彬, i 4 , r “, , l到! 叶惭醉州瓣一一般”i槲燃嬲胤删h i i i _ g f “7 l r 。i l i t i 犏r p 蝙n图49 主瓣杂波对消前后的时域波形由图49 可以看出，由于是采用三脉冲对消主瓣杂波会有两个脉冲的剩余，由图4 1 0 ( 由于目标信号的幅度比较小，所以在图4 1 0 信号被主瓣杂波挡在了后机载p d 笛选杂波及系统的建模j j 仿真边) 41 1 ，町以看出，埘消 订，主瓣杂波的强度比信号的强度要犬很多，锌过嘲41 0 土瓣杂波对消前的距离多普勒一维谱和多普勒谱图41 1 瓣尔波对消r i 的距离# * 勃一维谱和多等勒蒋脉冲对消后，主瓣杂波被对消掉了，所咀在主瓣杂波出现的位置产q 了较深的零点。4 4 多普勒滤波器组( m t d )早期的动目标显示( m t i ) 雷达性能不高，其改善因子一般在2 0 d b 左右，这是由丁多方面的因素造成的，如锁相相参系统的高频稳定性不够，采用模拟延迟线时通常只能做次相消且其性能不稳定，这时m 1 l 滤波的抑制凹n 不能与杂波谱宽度相匹配，致使滤波器输出杂波剩余功率较大等。近2 0 多年来，动日标显示系统的性能迅速提高，这一方面是由丁低空突防或机载f 视的需要，迫切希望雷达能够从强杂波背景f 检测运动h 标的能力，亦口提高系统的改善因子；另方面，由于科学技术的发展在客观上办提供了这种町能性。第四章杂波的对消与目标榆测3 3依靠信号处理的潜住能力，再加上合理的系统配合，动同标显示( m t i ) 的性能还可以进一步提高。具体的措施有：增火信号处理的动态范围；增加一级多普勒滤波器，使之更接近于最佳滤波，提高改善因子；能抑制地杂波( 其平均多普勒频移通常为零) 且能同时抑制运动杂波( 如气象、箔条杂波等) ；增加一个或多个杂波图，可以帮助检测切向飞行大目标；增加了c f a r 检测电路。作了上述改进的系统称之为动目标检测( m t d ) 系统，以区别于只有对消器的动目标显示( m t i ) 。根据最佳线性滤波理论，在杂波背景下检测运动目标回波，除了杂波抑制滤波器外，还应串接有对脉冲串匹配的滤波器，要对回波相参脉冲串作匹配滤波，必须知道目标的多普勒频率以及天线扫描对脉冲串的调制情况( 即信号的时宽，它决定了信号的频宽) 。实际工作中，目标的多普勒频移通常是不能知道的，因此需要采用一组相邻的且部分重叠的滤波器组，覆盖整个多普勒频率范围，即窄带多普勒滤波器组。n 个相邻的滤波器组的实现是n 个输出的横向滤波器( n 个脉冲和n 一1 个延迟线) ，经过各脉冲不同的加权延迟后形成的。该滤波器的频率覆盖范围为0 到f ，f 为雷达的脉冲重复频率。图4 1 2 为滤波器的组成，横向滤波器有n 一1 根延迟线，每根延迟线的延迟时间为r = ”。设加在n 个输出端头的加权值为：i = 0 , 1 ，2 ，n 一1( 4 1 0 )输入lt rt rllt rt rlririrlrl糟彬咛蕾眠尊斟y厶图4 1 2 横向滤波器其i 1 ，i 农力j 第i 个抽头，而k 表示从0 到n l 的标i 已，每一。个k 值对应j ：+ 组f ：| l i j 的i l i l 权值，柑应地对应于一个不旧的多普勒滤波器响应。山l 二式u j 以! ；出横向滤波器加权时的脉冲响应为机载p d 雷达杂波及系统的建模与仿真滤波器的幅频响应为n l啪) = 8 ( t i l ) e 印删( 4 1 1 )j - oi ：l ，艺。e j 2 m ( f f r - l n ) l = 絮羟矧( 4 - 1 2 )图4 1 3 给出了n = 8 时按彬。= e 印蒯v ，i = 0 , 1 ，2 ，n 一1 加权所得各标记k 的滤波器频率响应。滤波器的峰值出现在s i n 防( 仃一七) 】- o 或者万( 饵一k n ) = o ，刀，2 n ；当k = 0 时，滤波器的峰值出现在f = 0 ，1 r ，2 1 r , ，即该滤波器的中心位置在零频率及重复频率的整数倍处，这个滤波器通过没有多普勒频移的杂波，因此对地杂波没有抑制能力。l 吼( 刊012345671n t rn t ，n trn trn t r n t rn trt r图4 1 ： 时横向滤波器的幅频响应当k = 1 时峰值响j 遁j 7 t - ：仟厂= 1 r ，1 瓦+ 1 j v t ，2 f + l t 等等，对k = 2时，峰值响应产乍以：厂= 2 a 丁依；久类推，因而每一个k 值决定个独立的滤波器响应，全部的滤波器响j 追覆盖了从零到厂r 的频率范围。此滤波器有时在饼达1 ：通常称为年h 参移 累滤波器，因为通过该滤波器后，它将个相参脉冲积累，使信j ，j 噪声比提高剑倍( 对f 噪声而占) 。图4 14 、4 15给出了m ，l i ) 模块的测试乡j i 果。芾叨青抽汁的对消。t 目标检测图41 4l 丌d 的输 信号41 5t i t d 的输出信号4 5 小结由于杂波对机载雷达检测性能的影响很犬，因此本章主要介绍了针对第二章所建立的模型杂波模型柬建奇杂波对消模型，和信号检测模块，并结合发射信号波形对盯i 、m t d 方法进行了较详细的说明，还详细分析了影响主瓣杂波的些因素。最后给出了模块的仿真结果，进一步证明了模型的n 确性。3 6机载p d 雷达杂波及系统的建模与仿真第五章中重复频率机载p d 雷达系统建模与仿真5 1引言在雷达信号处理系统中，系统级仿真占有极其重要的地位，经过系统级的仿真，可以保证产品在最高层次上的设计正确性，可以在产品的设计阶段便发现产品设计中存在的问题，而不至于在产品的硬件已全部完成后，在整机联调时才发现由设l 十二畏造成的致命的错误，从而导致巨大的物力、财力与时问的浪尹用系统仿真这一手段，可以找出各参数的最佳值，来保证所设计的产品获得最佳性能。总的来说，系统设计的正确，保证了产品的设计不会产生颠覆性的错误，而系统设计的正确性则需要通过仿真来验证。雷达系统的设计仿真技术是数字仿真技术与雷达技术相结合的产物。雷达系统仿真的基本方法可以分为两种，一种是没有利用信号的相位，只能描述雷达功能的功能仿真。另一种是利用信号的相位，即相干信号仿真，这是一种比功能仿真更为复杂的仿真方法。其中，功能仿真是简单的雷达系统仿真，就是根据雷达距离作用方程、系统损耗和干扰来计算发现概率和虚警概率，并由此对系统做出分析。实现这种仿真的基础是雷达作用距离方程，也可以说是对雷达作用距离的计算，功能仿真没有直接涉及具体的雷达信号波形和信号处理方法，所以在这种形式的仿真中所有的系统损耗之和体现为雷达方程中的一个损耗系数，这擘擐耗可能是由目标起伏、波束形状、天线扫描、信号处理( 相对于最佳接收机的失配)等效应引起的。因而这种仿真方法不能体现出各种损耗对整个系统的性能影响的程度。由于功能仿真忽略了信号波形，所以不可能用来仿真雷达系统中各个处理点上的具体信号，这也限制了它的应用范围。相干信号系统仿真的方法就是利用高速的数字仿真手段，逼真地复现雷达系统中信号的动态处理过程，包括信号发射、目标散射、信号接收及信号处理、结果输出的全过程。通过相干信号仿真，可以得到雷达系统中各个处理点上的具体信号形式，既包含幅度信息，又包含相位信息。相干信号仿真的精度很大程度上取决于目标模型、雷达环境模型的近似度，只要所提供的基本的目标模型和环境模型足够准确，就可以使相干视频仿真的精度很高。近几年，s i m u l i