（通信与信息系统专业论文）基于fpga的线性调频脉冲压缩雷达目标视频信号模拟.pdf

硕士论文基于日 毛 八 的线性调预脉冲压缩雷达目 标视频信号模拟 ab s t r s ct t 五 e dsv e l 0 p m 。 对ofm o d e rnra d 盯iscl 。 邵 】yl in k e d初thr 旧 d arsi gnals i m u l ati叽 r ad 址si gna i s i m u l at o r can g e n er at e allki n d s oftarget si gnal s and i n u n it th e s e si g n a 1 s i n t o 此 介 d 肚sy s t e md 滋c t 】 y for d e b u g g l n gltm ake s th e p r o 哪s ofd e s l g n i n g an d d e b u g gi ng o f r a dar r n u c hc o n v e n l e n c e . 丁 七 e s lm u l 颐ono f g e n e r a t i ngl in ear f r equ enc y mo d u l at i o n ( lfm) p ul se 一m p 比 s s i o n targ etsi gna 1 s fo r r a d arw i thf p g aisp re s e n 1 ed. t h e fo ll o 侧ngre s e arch worki ncl u d es: f ir s t ，p u l se 一 c o m p re s s i o nprin c i p l eof l f m pul se 一 印m p re s s i o nr 胡ar andthe c h ar a c te ti stic o f lfms l g n a l are e 却o u n d e d . the arit h m et i c fo r d i g i ta 1 m e t h o d s o f m a t ched fi l t e r inti m e d o r n a l n a n d 丘 e q u e n c y d omain are d i s cuss e d add c o m p ar ed. 5 郎o nd，山ep rojectabo ut usi n gf p g a to d e s i gn th es im u l atoro flfm p ul s e 一 co m p r e s s i o ntarg e t v i deos l g n a l sisp 以 化 侧a r d ， andtarg ets i gnal s w h e niti s s in gl e 难 江 g etorm u l t l . t a r g e t oro utsp re a d 曰 targ etare m o del ed. t 七 e w a v e fo r sp ee i 五 c t ax g et p a n 坟 n e te r 眼 s l m u 】 a t c d ， 即d m a t c h e d fi 】 t e r inl f mp u l s e 一 com p r e s si o n r adarinfr e q u e n cy d om咖 isd e si gned 明ds i m u l at e d勿 di gi tal m e th o d .肠已 y眼 ai lb as ed on t h e 叮 即m e n t a t i o n a beutthe 叭 旧 y s and m e ans o f 花 d ars i g n a 】 s i m u l at i o 几 atl as 七 th e p r o gr 山 的b y v eril o g h d l whi chs i m ul ate the fi m c t i o n and sc h e d u 1e a bou t p u l s e . com p r e s si on p art o f the s 而u 1 ator i s d e si gned g ro u n do nq u art u s i i 6 . 0 . 肠e n ， h a r d w 盯 e c l r c u i t o f t h e s i mu l a t o r i s des i 助ed. k e ywords: linearf re que n c y mo dulati on( l f 研， puls e 一 com p re ss i on， f p g a ， 妞 飞ets i gna l s fo r r a d a r ， si mu l atio n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人己经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名:年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网 公 布本学位论文的部分或全部内 容，可以向 有关部门 或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:年 .月日 硕士论文 基于门 毛 冉 的线性调频脉冲压缩留达目标视频信号模拟 1 绪论 1 . 1 雷达信号模拟技术的发展 现代雷达系统规模越来越大， 系统的调试也变得更加困难。 外场试验成本高， 而 且受到很多因素的限 制， 不能轻易进行。 雷达信号模拟以其经济、 方便、 灵活等特点 逐渐成为雷达设计、 调试等过程中不可或缺的 手段。 雷达信号模拟技术较早就出现了， 但是真正引起人们的注意并进入快速发展阶段 是最近一段时间。 一方面由于现代雷达的设计、 调试工作对雷达信号模拟设备的依赖 越来越大， 有了需求， 就有发展: 另一方面也是因为数字技术的飞速发展为雷达信号 模拟技术的发展提供了很好的硬件基础。 目 前雷达目 标视频信号模拟大多采用数字方法实现。 用数字方法实现雷达视频信 号模拟的思想是: 先对雷达视频信号进行采样并预先存储在高速存储器中， 信号产生 期间， 读出采样数据， 然后实时添加与雷达参数相关的信息， 再经数模转换及低通滤 波来产生我们所需的雷达视频目 标信号。 用数字方法实现雷达视频信号模拟时， 人们经常采用的设计方法有三种151: ( 1) 微型计算机十数字信号处理器件 ( o s p) +数模转换 (d/ a) ; (2)微型计算机十可编程逻辑器件 ( f 邢a) +数模转换 (d/ a) ; ( 3) 微型计算机+数字信号处理器 ( d s p) +可编程逻辑器件 (pp g a )+数模转 换 ( d / a )。 方案( 1) 充分利用了 数字信号处理器件 ( d s p) 的超强运算能力，比 较容易满足 系统对实时性的要求， 但由于d sp的 控制能力不强，控制部分的设计会比 较复杂。 方案 (2)中， f p g a 可以以 完全并行的方式进行运算，能够在一个时钟周期内完 成大量计算， 满足了 多目 标模拟对高 速运算的要求;同时，f p g a具有很强的 控制能 力， 设计比较灵活。 此方案的缺点是目 标信号的计算任务主要由计算机来完成的， 当 需要模拟的目 标数较多，系统将很难完全满足实时要求。 方案( 3) 中模拟信号的实时计算都是利用d sp和f p g a 进行的， 而计算机只需要 实时传送模拟参数， 这就极大地减轻了 控制计算机的负担， 使它有足够的资源对整个 模拟系统进行控制和调度， f p ga的强控制能力也得到了 充分发挥. 1 . 2( 毫米波) 线性调频脉冲压缩雷达目 标信号 毫米波通常指频率在3 o g hz3 00阳2 的电 磁波。 毫米波雷达是以它采用的电磁波 l 硕士论文基于日 招 再 的 线性调频脉冲压缩舍达目 标视频信号摸拟 波长而命名的。 它与微波雷达相比，具有如下优点191: ( 1)天线尺寸相同时， 毫米波雷达可以产生更窄的波束， 具有更高的角分辨力; ( 2 ) 信号频带宽，距离分辨力高，抗干扰性能好， 对目 标识别能力高; (3) 用多普勒效应测速时，毫米波雷达工作效率高， 产生的多普勒频移也大， 可以获得良好的速度分辨力. 脉冲压缩 ( pc) 体制已成为近代雷达广泛应用的一种体制。 脉冲压缩雷达体制采 用宽脉冲发射以提高发射的平均功率， 保证足够的最大作用距离， 而在接收时采用相 应的脉冲压缩法获得窄脉冲， 以 提高距离分辨力， 因而能较好的解决作用距离和距离 分 辨 力 之 间 的 矛 盾131 。 线性调频脉冲信号作为一种研究最早， 应用最广泛的脉冲压缩信号， 其突出优点 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够起到脉冲压缩的作用，简化了信号处理系统131。 基于以上优点， 本文主要研究线性调频脉冲压缩雷达目标视频信号的模拟， 其中 信号频率为3 5 g hz，属于毫米波范畴。 1 . 3 本文工作 本文主要研究利用f pga 来模拟产生线性调频脉冲压缩雷达目 标视频信号。 论文的主要工作包括: ( 1) 阐述了线性调频脉冲压缩雷达脉冲压缩的原理，分析了线性调频脉冲信号 及其特点， 并对频率为35洲2 ， 带宽为3 00阳2 ， 脉冲宽度为z ms的线性调频信号进行 波形仿真。 ( 2) 分析了脉冲压缩系统中匹配滤波器的特点， 探讨了匹配滤波时域实 现和频 域实现这两种数字实现算法，以及雷达杂波对目 标信号模拟的影响。 ( 3 ) 介绍了常用雷达信号模拟的几种方法， 提出基于f p ga的线性调频脉冲压缩 雷达目 标视频信号模拟器的系统设计方案。 ( 4 ) 对点目 标、多目 标和延展目 标等情况下的目 标信号进行建模， 针对设定目 标参数完成了目 标信号的波形仿真， 并完成基于频域实现方法的线性调频脉冲压缩雷 达数字匹配滤波算法的设计及仿真。 ( 5 ) 介绍了f p g a 模块设计过程， 给出了设计思路，并在quart usl l 6 . 0 平台上 进行功能和时序仿真，给出了 f p g a各个模块的时序仿真波形图。最后介绍了 fpga 硬件电路设计，探讨了若干硬件设计问题。 硕士论文基于f 戍八的线性调频脉冲压绪雷达目 标视频信号棋拟 2 线性调频脉冲压缩雷达工作原理及信号分析 2 . 1 线性调频脉冲压缩雷达脉冲压缩原理1111211 511 101 线性调频脉冲压缩体制已成为近代雷达广泛应用的一种体制。 这种体制最显著的 特点是: ( 1) 它的发射信号采用载频按一定规律变化的宽脉冲，使其脉冲宽度与有效频 谱宽 度的乘积远大于1 ， 这两个信号参数基本上是独立的， 因而可以分别加以选择来 满足我们的需求。 在发射机峰值功率受限的条件下， 它提高了发射机的平均功率， 增 强了发射信号的能量，因此扩大了探测距离。 ( 2 ) 在接收机中设置一个与发射信号频谱相匹配的压缩网络，使宽脉冲的发射 信号 ( 一般认为也是接收机输入端的回波信号) 变成窄脉冲， 因此保持了良好的距离 分辨力。这一处理过程就称之为 “ 脉冲压缩”. ( 3 )有利于提高系统的抗干扰能力。对有源噪声千扰来说，信号带宽很大，噪 声也变成宽带噪声， 从而降低了干扰的谱密度. 对回答式干扰也由于采用了复杂的脉 冲内 调制， 在信号的 延迟、 放大、 转发过程中会产生更大的畸变， 从而得到一定的抑 制。至于消极千扰，则由于提高了系统的分辨能力， 抗干扰能力也有一定的改善。 线性调频脉冲压缩体制具有对多普勒频移不敏感的优点，但脉压输出旁瓣过高， 需要进行失配处理， 导致一定信噪比的损失。 基于这种特点， 线性调频脉冲压缩体制 多使用于对发射功率限制不严，多普勒频率变化范围大的情况。 一个理想的脉冲压缩系统， 应该是一个匹配滤波系统。 它要求发射信号具有非线 性的相位谱， 并使其包络接近矩形， 还要求压缩网络的频率特性 ( 包括幅频特性和相 频特性) 与发射脉冲信号频谱 ( 包括幅度谱与相位谱) 实现完全的匹配。 根据这些要 求，可用下面的框图来描述一个理想的脉冲压缩系统，如图2 . 1 . 1 所示: 图2 . 11 理想的脉冲压缩系统 必须指出， 这是一种理想情况， 在实际实现时往往不可能得到完全的匹配， 迫使 系统工作在一定程度的“ 失配” 状态下。 3 硕士论文荃于f 代人 的 线性调预脉冲压缩雷 达目 标视频信号 模拟 j z ， 。 + 全 r ( t ) = t， t 一 ， 叹 一 2一2 ( 2 . 3 . 1 . 6 ) 式(2 3.1 . 6)中儿 为 多 普 勒 频 移。 输出信号的频谱为: 其他 将此信号送往接收机的匹配滤波器，匹配滤波器 y (t ) =皿 y 介， ，刁 df = c 。 “ ，此 产 i(j， 一 钾 * 卜 、 幼 df ( 2 . 3 . 1 . 7 ) 变换积分次序，式 (2. 3 . 1 . 7) 可改写成式 (2. 3 . 1 . 8) : ， ， ， _， _ r ， ， 、 _. ， _ 2产. 。 . y(t ) = 嵘 公“ 川 一 了 丽 j.j df “ ， ， ， _， _1 ， _ 1 、_， _ ， ， ， ， _ 、厂， = 工 汀 “ d ? 一 公“ “ 一 ” 丽 铆r ( 2 . 3 . 1 . 8) 二 ， 飞 二*二_ . _ f 十 k (t 一 幼 7 . /、扮i j七月 巨 “ = 一- - - 写 二 =二 一 ， vz k “ 一 、厂 f (t 一 r ) + 去: 2 k 则y( t) 的 表 达式可 化为 m l. _ 2 _ 厂， 1 _ 、 . k， _ 、 2 只ij u =二二 ，j妙一丢 ， 宁二 丁u一咨 ) 乙人 ， 带入式 ( 2 . 3 . 1 . 8 ) 得: : k， _ 、 2 =“ 一 u 一tj 2 ( 23 . 1 . 9 ) ， (t 卜 俪几 。” “ “ 蚤r” 二 一 “考 (一 ” 、 一 俪几 一 “ “ 圣“ 一吾 “一r” ，二 一 * = 俪鱿 尹 jr+ k，r 争 ，公 “ dud ( 2 . 3 . 1 . 1 0 ) 再 令， = 拒牙 白 ， 则式(2 . 3 . 1 . 1 0)可 化为: ， (才卜 祭二 ” “ 夸 ” 几 一 二 尸 、 ( 2 . 3 . 1 . 1 1 ) 而 公尸 = 石，卢， 则的 表 达 式 可 改 写 为 硕士论文、基于日 弋 冉 的线性调频脉冲压缩雷达目 标视频信号模拟 ， (t ) = 汤 ” “ 一菩 卜 于 跳 ，2场 ，kt )j = 2 瓜j2 一扒 呀 犷 co s2 毗十 ” 刚 ， = 砰嘿 黔 器 碧 产 一沁 匀 = 俪sin o 1二 (儿 + 拾 ): .。 ，“ 谁 。 】)号 ， ( 2 . 3 . 1 . 1 2 ) 式 (2. 3 . 1 . 1 2) 中一 t t t. 对式 ( 2 . 3 . 1 . 1 2) 的几点说明: ( 1) 由y ( t) 的输出表达式可以 看出，输出 脉冲压缩信号具有sinc函数型包络 一 4d b 主瓣宽 度为l/ b ， 第一旁瓣相 对于主 瓣的高 度为 一 13 . z d 氏 ( 2) 多 普勒频 移儿转 0 时， si nc包 络将产生 位移， 引 起测距 误差。 ( 3)频率变化规律为厂二 一 kt， 线性变化， 且 斜率为 负。 ( 4) 如果输入脉冲幅值为1 ， 匹配滤波器在通带内传输系数为1 ， 则输出脉冲幅 度 为 如 万 了 = 沥牙 = 沥 ， 即 输 出 脉 冲 振 幅 增 大 为 原 来 的 沥 倍 。 2 . 3 . 2 脉冲压缩的 数字实现11 11 脉冲压缩数字实 现有时域 ( f ir滤波器) 和频域 (f盯一 if盯) 两种实现方法。 在 时域实现时， 等效于求回波信号和匹配滤波器的卷积， 结构简单， 但运算量大; 在频 域实现时，是回波信号的f ft 结果与匹配滤波器的f ft 值相乘，然后对相乘结果作 工 fft 得到的，比时域算法运算量大大减少。 ( 1 )时域压缩法 脉 冲 压 缩 信号 输出 为y (t)二 h( t ) ， 成 t) ， 其 中 h( t) = s (t0一 0 为 匹 配 滤 波 器的 脉 冲响 应。 时 域脉 冲压缩的 过 程就 是通过 对接收的回 波 信号s( o 与匹 配滤波器脉冲响应h( t) 求卷积的 方 法实 现的. 用数字方法实 现时， 输入离散 信号为， ( n)， 其匹 配滤波器单位 脉 冲响应为h ( n)， 匹 配滤波器的 输出 就为: 5 ( k ) h ( n 一 k ) = 艺h ( k ) 5 ( n 一 k ) ( 23 . 2 . 1 ) n 为采样点。一般使用的方法采用经典横向 滤波器法，其原理如图2 . 3 . 2 ， 1 所示: 硕士论文荃于日 九 的 线 性调 频 脉冲 压 缩雷 达目 标 视 频 信 号 模 拟 最 汀冒 丁 “ 器 2一 1 h(n一 1 ) 塑h(0) 艺 y ( 冲 ) 图2 . 3 . 2 . 1 经典横向滤波器原理图 式 ( 2 . 3 ， 2 . 1) 是在实数域中 进行， 在实际应用中 往往在复数域进行滤波处理， 采用 的是正交通道滤波器，处理过程如图2 . 3 . 2 . 2 所示。 图2 . 3 . 2 . 2 正交通道滤波器原理图 ( 2 )频域脉压法 用频域方法实现数字脉压，其基本原理是先对采样信号进行快速傅立叶变换 ( f 叮) 以 求 得回 波信号频 谱s( 劝， 将s( 叼与 其匹 配滤波器频谱h ( 劝进行乘积运算， 最后对 乘 积结果进行快 速傅立叶 逆变换 ( i f 盯) 得到脉压结 果y(n)。 由 傅立叶变换的性质可知，时域里的卷积相当于频域里的相乘: f y ( t ) ) = f 5 ( t ) * h ( t ) 卜5 佃) h 佃) 5 佃) 、h ( 。 ) 分别 是5 ( t) 、h (t ) 的 频谱函数。 匹配滤波器的频谱函数为: 万 ( 口 ) = 尸 ( h ( t ) = f l s (t0一 t ) ) = 5 ( 劝 所以 可以 将输入的 离散 信号s( n)变换到频域， 与匹 配滤波器h ( n)的 频谱在频域里相 乘， 再 进行逆变换，即可得到输出。整个过程可由 下式表示: 硕士论文、 基于f 邢冉 的线性调频脉冲压缩雷达目 标视频信号模拟 y(n ) = 护不 了 【 5 ( 口 ) h( 劝 = 护华 了 尸 石 了 【 5 ( n)1 月门， 【 h ( n ) ) 频 域 脉 压 法 原 理 图 如 图2 . 3 . 2 . 3 . 图 中 ， 51 ( n)、 凡 ( n) 分 别 为 雷 达 回 波 信 号 经 过 解调处理后的1 、q 正交支路信号。 图2 . 3 . 2 . 3 脉冲压缩频域实现 ( f ft一 ifft) 只读存储器中存储着对应波形的频谱共扼函数， 所以可以存在几套不同的匹配系 数库， 选择不同的匹配系数库进行滤波处理， 可以利用同一数字系统实现多种波形的 匹配滤波。 2 . 4 雷达杂波1，6 1 雷达杂波是由 各种散射体反射的回波形成的， 如地物杂波、 气象杂波、 海杂波等。 地杂波包括点杂波和分布杂波， 其中点杂波一般是指由 地面的 孤立目 标， 如建筑 物、 水塔等反射的较强回波， 在雷达显示屏上表现为一些亮点. 它们是个别、 静止的。 常用的 地杂波幅度统计模型有瑞利分布、 l o 9 一 norma l 分布、 w e i b u n分布及k 分布等。 一般情况下， 对均匀地杂波， 采用瑞利分布; 对存在单个强反射点的均匀地杂波， 采 用k 分布;对城市地区和山 脉， 采用w eib ull 分布或l og一 nor . a l 分布。由于地物杂 波的多 普勒频率为零， 只要利用固定 权系数的淤工 滤波器就有良 好的抑制效果。 气象杂波则比 较复杂， 不但由于径向 速度的存在使它具有平均多普勒频率， 而且 由 于反 射回波的大量独立单元具有相对运动也使得运动杂波谱极大地展宽， 此外天线 扫描也 会引 起杂波谱展宽。 气象杂波可以 看成来自 大量独立点目 标反射体的回波信号 的 总 和， 气 象杂 波每 个点目 标的 雷 达 截面 积为ao v( v 表 示 采 样单 元的 体 积) 因为点目 标回波信号的幅度和相位是随机的，因此合成后杂波的幅度是一个随机变 盆。 气象杂波的统计特性一般有瑞利分布、 l og一 n or服1 分布、 w eib ull 分布等。 海杂波较地杂波、 气象杂波更加复杂， 它不仅取决于浪高、 风速、 持续时间、 风 的行程、 海情、 当地气候环境以及海浪相对于雷达波束的方向 和可能影响表面张力的 污染的存在，而且还取决于某些雷达的自 身参数，诸如频率、脉宽、脉冲重复频率、 擦地角 ( 波束入射余角)、极化方式，以 及平台速度、 平台高度， 在一定程度上还取 硕士论文基于f p c a 的线性调频脉冲压缩雷达目 标视频信号模拟 决于照射面的大小。 传统上， 人们将海杂波作为一种纯随机过程来研究和处理， 对海 杂波的 建模多采用随机分布模型， 如瑞利分布、 log 一 n 。 饰al分布、 w e i b ull 分布和k 分布. 对高分辨力雷达在低视角工作时获得的海杂波回波包络模型的研究表明， 用k 分布不仅可以在很宽的范围内 很好地与观测的杂波数据的幅度分布相匹配， 而且还可 以正确地模拟杂波回波的脉间相关特性。 从功率谱角度考虑， 对杂波功率谱的模拟通常有三种: 高斯谱型、 柯西谱型、 全 极谱型。 (1 ) 高 斯 谱 型 : p( 力 二 exp代 f 一 儿 ) ， / 2 弓 1 其 中 儿 为 多 普 勒 频 率 ， a，是 杂 波 谱 分 布 的 标 准 差 . ( 2) 柯西谱型:p(f ) 二 l 卜汀一 儿 ) ， / fc 其 中 几为 多 普勒 频 率， 关 是3 分 贝 谱 宽。 (3) 全极谱型:p(了 ) 二 l 1 + i f 一 儿 ” /fc 其中 儿为 多 普勒 频率， 关是3 分贝 谱宽，n 的 取 值是2 至5 . 在分辨力不太高的情况下， 可以 认为雷达杂波的幅度服从瑞利分布， 回波的两个 正交分量是联合高斯分布， 功率谱属于高斯谱型。 这是因为杂波是由大量独立的散射 点组成的， 根据中心极限定理， 这种分布自 然地被认为是高斯分布。 对于高分辨率雷 达， 杂波幅度概率分布呈现如下两个特点: 一是在高概率区域有一个较长的拖尾: 二 是有一个较大的标准偏差与平均值的比 值。因此可以 用 l og一 n orm al 分布、w eib ull 分布和 k分布来解释和描述非瑞利杂波的概率分布，功率谱属于柯西谱型或全极谱 型。 硕士论文墓于f 此a 的线性调频脉冲压缩雷达目 标视频信号模拟 3 线性调频脉冲压缩雷达目 标信号模拟 3 . 1 雷达仿真技术lll 雷达仿真技术的 基本方法为: 数学仿真， 实物仿真( 物理仿真) 和半实物仿真( 半 物理仿真)。 通常在雷达研制的方案论证和设计阶段，主要进行数学仿真工作，以选取参数， 确定方案。 而在完成初步设计的基础上， 为了验证和鉴定系统性能， 往往需要进行实 物或半实物模拟。 3 . 1 . 1 数学仿真 数学仿真， 又称计算机仿真， 是借助计算机系统解算某一系统， 分析其结果， 从 而实现其仿真目的，包括模拟机仿真、混合机仿真、数字机仿真。 数学仿真的三项基本要素是: 系统、 模型、 计算机。 联系三项要素的三项基本活 动是: 模型建立、仿真模型建立、仿真试验。 首先， 通过对系统的观察分析来建立系统的数学模型。 第二步是建立系统仿真模 型， 主要任务是设计方法， 并转换为计算机的程序， 使系统数学模型能被计算机接受 并能在计算机上运行. 第三步仿真试验， 是对模型的运转。 为了进行仿真试验必须设 计合理的试验工作程序和拥有便于系统研究的试验软件。 根据试验结果情况， 进一步 修正系统模型和系统仿真模型。 数学仿真流程一般分为下述六个阶段: ( 1) 系统定义阶段: 根据仿真的目 的， 规定所仿真系统的边界、 约束条件。 (2) 建模阶段: 根据系统实验知识、仿真目 的和试验数据来确定系统数学模型 的框架、 结构和参数; 模型的简繁程度应与仿真目 的相匹配; 确保模型的有效性和仿 真的经济性。 (3) 模型变换阶段:根据数学模型的形式，计算机的类型以及仿真目 的将数学 模型变成适合于计算机处理的形式，即仿真模型，并进行模型变换正确性验证。 “) 模型装载阶段: 利用仿真软件将仿真模型输入计算机， 设定试验条件及记 录变量。 ( 5 )仿真试验阶段:根据仿真目的在模型上进行试验。 (6) 结果分析阶段: 根据实验要求对结果作分析、整理及文档化;根据分析的 结果修正数学模型、仿真模型、仿真程序，并进行新的试验。 硕士论文基于日 毛 再 的线性调频脉冲压缩雷达目 标视频信号模拟 3 . 1 . 2 实物仿真 实物仿真， 又称物理效应仿真， 是指在仿真环境相似的条件下， 测试某一被试验 的实际系统的性能，使之可重现系统的各种状态，而不必采用昂贵的原型。 3 . 1 . 3 半实物仿真 半实物仿真准确的含义是回路中 含实物的仿真。 它是把部分数学模型和部分物理 模型和实际设备联系在一起运转，组成仿真系统，同时在系统中进行的仿真试验. 半实物仿真比数学仿真逼真， 仿真精度高.由于雷达系统非常复杂， 它们的许多 部分不可能完全、 准确地用数学模型来描述它们的物理方程， 而在半实物仿真中， 这 些部分可以用实物直接参与仿真， 从而避免了建模的困难及建模带来的仿真误差， 解 决了用数学仿真解决不了的问题， 并且在互相补充的情况下更充分的发挥数学仿真的 作用。 半实物仿真系统一般由 下列五大部分组成: ( 1) 仿真设备 ( 2 )参试设备和产品 ( 3 ) 各种接口 设备 ( 4 ) 试验控制台 (5)支持服务系统 ( 包括显示、记录、文档和通讯等) 3 . 2 线性调频脉冲压缩雷达视频目 标信号模拟系统设计 本次模拟设计按模拟频带分属于视频模拟， 按模拟对象分属于目 标模拟， 按信号 输出方式分属于注入式信号模拟。 雷达接收机接收到高频回波信号后， 首先对信号进 行降频处理， 将频率降至中频。 对于雷达数字信号处理部分来说， 还需把中频信号降 至视频模式才能进行数字信号处理。 而本次设计便是直接模拟产生雷达目 标回波视频 信号， 绕开雷达前端处理等过程， 直接注入雷达数字处理部分来对这部分进行功能测 试。 系统实 现中， 软件方面， 我们运用数学仿真技术对整个仿真系统进行计算机仿真: 在计算机上利用椒t l ab软件对线性调频脉冲压缩雷达的发射信号进行模拟:再对目 标回波进行建模并模拟， 并对发射信号和回波信号模拟产生的数据进行存储: 对回波 信号匹配压缩过程的数字实现方法进行仿真。硬件方面，对f 邢a 进行模块设计并设 计以f 咫a 为 核心的 硬件电路来实 现信号匹配压缩的功能， 对从计算机上获得的信号 数据进行压缩处理， 输出 压缩后的数字信号。 f pga输出的压缩信号便是我们需要的 l 4 硕士论文 签于日 毛 几 的线性调频脉冲压缩雷达目 标视频信号模拟 视频信号，可以直接用来注入雷达数字信号处理部分。 雷达目 标视频信号的模拟产生原理框图如图3 . 2 . 1 。 模拟信号输出 d a t a o /a d 八 t 人 ijsb 芯片 日七人 控制 信 号 数字信号输出 计算机( 汽)数字电路板 图3 . 2 . 1 系统原理框图 首先， 利用计算机对某假定条件下的线性调频脉冲发射信号和回波信号进行视频 模拟， 把模拟数据存储在计算机中。当系统上电启动后， 计算机将储存的数据经过计 算机u sb接口 下载到数字电路板上. 数据经过u sb芯片，传输到fpga 内 部的存储器 中，接着f pga 对下载数据进行匹配压缩处理。f pga 对数据压缩处理完以后，就可以 输出压缩运算结果。 运算结果直接输出， 即为数字信号输出; 如果我们需要的是模拟 信号，则在输出 端连接一个模数转换器 ( dac )， 经过d ac输出即为模拟信号。 f p ga内部逻辑功能设计是硬件设计的核心部分。 基于f pga 的脉冲压缩数字实现 方案如图3 . 2 . 2 。 硕士论文基于日 枯 八 的线性调频脉冲压缩雷达目 标视频信号棋拟 c l k 徽机接 口 . “ ” 下” “ ! 一 ” 一 一 ” . ; 元 天 ” u s b 总线控制模块 回 健川回遗1 ! 1蔫祺 发 射信日发射信 号1 支阳 ! 号q 支足 卜 1 团3p i f 0 4 f pt i 卜 卜， 1 2 求共扼 复数乘法 i f pl l f i p05f i f 伪 求模输出 一 图3 . 2 . zf p ga 内部逻辑原理图 usb总线控制模块实时地从微机 u sb 接口 提前若干毫秒读取数据，存储到 f pga 的内 部缓冲存储器f i f 01 后， fipo 停止接收u sb 、 pif02 、 f i p03 、 f i f 0 4 中。 待到4 个fifo 中的数据皆满之 总线的数据，在同步时钟控制信号作用下，开始读操作， 将 数据同时读出，分别输入到2 个f 盯的实部虚部接收端。待到fifo数据读空，又继 续从u sb总线下载数据到fipo。 与此同时， 2 个f ft模块接收到一定数据， 便开始进 行f 卿运算。 i 6 硕士论文垂 于呱 的 线 性 调 频 脉 冲 压 缩 雷 达 目 标 视 频 信 号 模 拟 将f 盯2 运算出来的结果进行共扼运算，再将f 盯1 运算结果和f 曰2 共扼输出结 果进行复数乘法运算。 此部分完成的功能即为回波信号与发射信号在频域上相乘， 也 即为回 波信号与发射信号在时域上做卷积处理。将经过复数乘法模块处理输出的 2 路数据输入至i f 盯模块， 进行i f 阿运算， 完成频域到时域的转换， 同样输出2 路数 据， 分别为脉冲压缩信号的实部和虚部。 将这2 路数据进行存储。 此时可以 直接输出 这两路数据， 也可对此两路数据进行求模处理。 求模输出数据即为脉冲压缩信号时域 数据。至此，f pga 便完成了回波信号的脉冲压缩功能。 3 . 3 回波信号建模 3 . 3 . 1 点目 标 考虑一固定位置的发射/ 接收机以及一个以速度v( 远离雷达为正) 运动的目 标， 若假设目 标与雷达间的距离呈线性变化，则在某时刻t 二者的距离可表示为: r ( t ) = 凡+ vt( 33 . 1 . 1 ) 式(3 . 3 . 1 . 1) 中，凡为t = 0 时 刻目 标与雷达间的距离。 现在该发射机发射信号f(o ， 速度c ， 经目 标发射后经过r 时间于t 时刻被接收， 得 到回 波 信号g( t) ， 则可以 知道， 该 信号于卜: 时刻发 射， 射，因此有: 而 于 ， 一 尽 时 刻 被 目 标 反 z 二 f( t) = 2 及 (t - 三 : (业 ) = 2 凡 + z v ( 一 三 兰 旦 、 2 “2 ( 3 . 3 . 1 ， 2 ) r ，( t ) = 2 v2 凡 一，+ c十 vc+ v ( 3 . 3 . 1 . 3 ) 接 收 到 的 回 波 信 号 。 (t ) 与 一 尽 时 亥 。 入 射 目 标 的 信 号 成 比 例 ，即有: 9 (t ) = a.f ( t 一 r ，(t )= a.f 卢 2 ， 一 2 生 ) = 。 .f(s(t 一 r ( 3 . 3 . 1 . 4 ) c十vc+v 式 (3. 3 . 1 . 4) 中:a 为与信号能量有关的系数:， = 间 伸 缩 因 子 ; r = 三 压称 为 平 移 因 子 或 者 时 间 延 迟 . 亡一v 一， 心+ v 为多普勒伸缩因子或者时 c+ v 在以后的分析中，假设忽略传播过程中的衰变，且将信号能量归一化，则有: 卜 皿 9 (t )!2* = 一 皿 ， (卜 )12 * = 誓 二 1(，。1 ，= 子 ( 3 . 3 . 1 . 5 ) 显然， 要 求 有a = 石， 即 得回 波信号: 硕士论文羞于日 毛 a 的线性调频脉冲压缩，达目 标视频信号模拟 3 . 3 . 3延展目标 延展目 标的回波是目 标体各组成部分对入射信号反向散射贡献的总和。 由于宽带 信号的高分辨力( 本设计中线性调频脉冲信号距离分辨力达到0 . 5 米) ， 可以把延展 体目 标根据信号分辨单元大小分解成多个点目 标， 并与多目 标等同看待。 这样， 延展 体目 标就可以看成是由多个具有不同 距离和速度的点目 标组成的运动目 标群。 将各个 点目 标回波信号综合，即可以 得到延展目 标的回波模型。 ( 1) 距离一 速度联合分布密度函数 假设将雷达照射区域沿距离方向 划分为多个有限空间角的锥形球壳区。 理想情况 下， 目 标的横向运动效应对单个脉冲回波的信号影响可以 忽略， 因此可以简化为只考 虑距离和径向速度的二维情况。 设t 时刻， 在距离为弓 的锥形球壳中，具有径向速度为， 的 概率分布函 数为 p(v ， rl ， t) 。 则 在该球壳中， 具有径向 速度， 的点目 标个数可表示为: g ( v，弓 ， t ) = m( 叮 ， t ) p ( v，弓 ， t )( 3 . 3 . 3 . 1 ) 当 球壳 厚 度份足够 小， 而 点目 标 足 够密时 ，g (v ， 弓 ， 0 可以 理 解为t 时 刻 距离， 处、以速度v 运动的点目 标密度，可以 称为距离一 速度联合分布密度函数。由于探测 脉冲作用的时间通常很短， 因此当目 标运动加速度满足宽带限制条件时， 在脉冲作用 期间 可以 认为距离 一 速度联合分 布密度函 数是 不随时间 变化的， 记为g 伽 ， ) 。 (2) 时延一 时间伸缩联合分布密度函数 如 果用9 ， (t ) 表示第1 个球壳内 所有运动目 标产生的总回 波信号， 并引 入距离 一 速 度联合分布密度函数，则由 ( 3 ， 3 . 3 . 1) 式可得: 9 (t ) = 夕 (v， : ) 石 f (5 ( 一 : ) dy 3 3 3 2 ， 则总目 标回波即为在波束照射空间所有球壳内目 标回波信号之和，即: 。 (t ) = 艺9 ，( ) 夕 = 艺 乡 (v， = 加(v， ) : ) 石 f( s(t一 气 ) dy 五厂 ( 5 ( t 一 : ) ) 动 如 酥 ( 3 . 3 . 33 ) 由 ( 3 . 3 . 1 . 4 )式可有: c: r=华 1+ 了 ( 3 . 3 . 3 . 4 ) 则 (3. 3 . 3 . 3) 式可整理为 g(t 卜ijn(s，。 石 f 。 (t 一 动 ( 3 . 3 . 3 . 5 ) 式 ( 3 . 3 . 3 . 5 )中， 硕士论文墓 于f 邢 八 的 线 性 调 频 脉 冲 压 缩 雷 达目 标 视 频 信号 模 拟 一 一 、， 一c z s 、 夕l s ，了 ) =吸 丁 尸 ， 气 下 ) 气 1 +5 1 ( 3 . 3 . 3 . 6 ) d(s ，公 ) 是g ( v ， r ) 经 过 ( 3 . 3 . 3 . 4 ) 式 所示的由(v， r ) 到( 5 ，r ) 的 坐标变换得来的. 潞)是 坐 标 变 换 的 雅 “ 比 擂 为了与定义在(v， r)上的距离一 速度联合分布函数g (v， r)相区别，可以把 d (s ， 灼称为 时 延一 时间 伸缩 联合分 布密度函 数. 时延 一 时间 伸缩联 合分 布密度函数d ( 5 ， 约的 导出是 一 个重要概 念. 它与 距离一 速 度联 合分布函 数g (v， r) 并不相同， 但密切相关。 式 (3. 3 . 3 . 3) 和式 (3. 3 . 3 . 5) 表 明， 运动目 标对回波信号的贡献， 并不仅仅取决于它的速度或者位置， 而是取决于这 两者的相互作用，即表现在运动目 标对入射信号所施加的时间伸缩和时间平移作用。 因此， 在进行目 标宽带回波信号建模及其分析算法研究时， 研究具有相同时间 伸缩和 时间 平移的 运动目 标群的分布密度d ( ， ，约，比 研究具有相同 速度和位置的运动目 标 群的分布密度g (v ， r)更重要， 也更方便。 从另外的 角 度来 说，g (v， r) 体现了 运动目 标群在场中的 物理 分布， 它与目 标实 际空间尺寸的对应， 具有明显的物理意义和直观性。 对于雷达成像等应用来说，目 的 就是要得到g (v ， r)， 并 进而求得目 标的空间坐标。g (v ， 日是研究的目 的， 而通过 d (s ， 约则能 简化 研究 方法. 利用二者的 关系， 可以由 其中 一个导出 另一个. ( 3 ) 延展目 标宽带回波信号模型 根据上述分析， 当发射信号被多个目 标反射或单个有尺度分布的目 标反射时， 接 收信号不能单纯表示为点目标的回波形式，而要表示为他们的加权积分，即式 (3. 3 . 3 . 5) 的形式。 式(3 . 3 . 3 . 5) 中 权函 数d (s ，约代表了目 标是如何按， ，: 分 布的， 即5 ，r 联合分布密度。 对单个点散射目 标， 其时延一 时间伸缩联合分布函数为 占 函 数， 即d ( sr ) = 占 (s 一 1 ”(1 ) . nlj式( 3 . 3 . 3 . 5 ) 变为 式( 3 . 3 . 1 . 6 )。 有下面几点值得注意: ( 1) 导出该延展目 标宽带回波模型时，只是对目 标的运动加速度做出了一定 的限 制， 其他没要求， 因 此这是一个通用模型， 既可以 用于窄带信号目 标低速运动情 况，也可以用于宽带信号目 标高速情况。 ( 2 )导出该模型时没有考虑信道衰减，随机散射等情况。从建模过程及宽带处 理的适用性看， 即使对于非平稳相关散射，目 标的回波也可以用该模型表征， 并且不 影响其物理意义和后续处理. 因此， 所有信道及散射过程的影响均可以 纳入该模型的 目 标时延一 时间伸缩联合分布密度函数之中。 硕士论文 基于日 ( 几 的线性调顺脉冲压缩雷达目 标视预信号模拟 3 . 4 匹配滤波算法模拟 由 第二章第三节知， 对于n 点长度的输入信号， 在时域用横向 滤波器来实现数字 脉压，与采用频域快速卷积法实现数字脉压，复数的乘法次数对比如下: 时域卷积法复数乘法次数:n z ; 频 域 快 速 卷积 法复 数 乘 法次 数:n 十 n le g z n. 所以说对于大时宽带宽积的信号的脉压处理，频域法比时域法计算复杂度低得 多。 一般而言， 对于小时宽带宽积的信号， 用时域脉冲压缩方法比 较好; 但对于大时 宽带宽 积的信号， 用频域脉冲压缩方法比 较好。 基于频域处理的这种优点， 本文采用 频域处理算法。 观察图23 . 2 . 3 后. 我们还可以 考虑在系统同步脉冲作用下， 对匹配滤波器的系 数进行实时的运算， 即利用f ft模块对输入信号进行f ft运算， 再对f ft输出信号进 行求共扼处理， 共扼输出后便是匹配滤波器的系数。 这样硬件实现上可以去掉用来存 储共扼频谱或加权后的系数库的存储器， 虽硬件逻辑单元有所增加， 但节省了大量的 存储器资源。其原理如图3 . 4 . 1 。 图3 . 41 匹配滤波频域实 现原理图 图 3. 4. 1 中 ， 月 ( n) 、 凡 ( 的 分 别 为 雷 达 发 射 信 号 经 过 解 调 后 的1 、 q 正 交 支 路 信 号. 我们对图3 . 4 . 1 所示的频域实现方案进行模拟仿真. 假设现在在雷达探测范围内 有5 个目 标， 在零时刻距离雷达分别为s km、4 km、3 km、 zkm 、i km，分别以20腼/s 的速度远离雷达做径向 运动， 回波信号时域波形如图3 . 3 . 2 . 1 所示。 对此回波信号进 行频域脉压处理仿真， 仿真结果为图3 .