雷达测速与测距

雷达速度和测距GZH2016/3/29系统流程图模块分析1脉冲压缩1.1原理分析所述雷达的基本功能是利用目标相对于电磁波的散射来发现目标并测量目标的空间位置。 雷达分辨率是雷达的主要性能参数之一。 雷达分辨率是在各种目标环境下区分两个以上相邻目标的能力。 通常，诸如目标距离、方位角、高度、速度等的要素可以用于识别目标，而与信号波形密切相关联的是距离和速度(径向)分辨率。 两个目标是相同角度但处于不同距离，其最小可区分的距离称为距离分辨率，并且雷达的距离分辨率取决于信号带宽。 对于给定的雷达系统能达到的距离分辨率r=c2B (1.1 )其中，c是光速，b=f是传输波形带宽。雷达的速度分辨率可以用速度分辨率常数来表现，信号在时域的持续宽度越大，在频域的分辨率能力越好，即速度分辨率越好。对于简单脉冲雷达，B=f=1/，其中为发射脉冲宽度。 因此，在简单的脉冲雷达系统中r=c2 (1.2 )在普通脉冲雷达中，信号时的宽带面积恒定(约为1 )，因此不能兼顾距离分辨率和速度分辨率这两个指标。雷达连续观测目标的空间区域称为雷达探测范围，也是雷达的重要性能数，由雷达的最小可测距离和最大作用距离、仰角和方位角探测范围决定。 发送功率的大小影响作用距离，功率大时作用距离变大。 发射功率分脉冲功率和平均功率。 在雷达发送脉冲信号的时段t期间输出的功率称为脉冲功率，由Pt表示的平均功率是一个重复时段Tr内的发射机输出功率的平均值，并由Pav表示。 他们之间的关系Pt=PavTr (1.3 )脉冲压缩(PC )雷达体制在雷达脉冲峰值受到限制的情况下，通过发射宽脉冲获得高能量，确保充分的最大作用距离，接收时采用相应的脉冲压缩法获得窄脉冲，提高距离分辨率，因此能够很好地解决作用距离和分辨率之间的矛盾。在脉冲压缩系统中，经常在相位或频域上调制发射波形，并在接收时对回波信号进行压缩，以使其等效带宽b满足B=f1/。 设0=1/B时r=c20 (1.4 )在方程(1.4)中，0表示脉冲压缩的有效脉冲宽度。 因此，脉冲压缩雷达利用宽度的发送脉冲，能够得到与发送有效宽度0相当的简单的脉冲系数的距离分辨率。 发射脉冲宽度与系统有效(压缩)脉冲宽度0的比率由脉冲压缩比，即D=0 (1.5 )则D=B* (1.6 )输入信号形式为st=A*recttT*ej2f0t jt22 (1.7 )这里，recttT矩形函数在|tT|12的情况下是1，否则是0。 实践中st=recttT*ejt22 (1.8 )系统采用匹配滤波ht=s*(t0-t) (1.9)输出为so(t)=h(t)s(t) (1.10 )1.2模拟结果由于雷达发送信号是LFM信号，脉冲宽度是Tp=10e-6，信号带宽是B=4e6，脉冲重复周期是T=100e-6，所以脉冲占空比是0.1，采样频率是fs=5e6。时宽带面积是D=Tp*B。 发送信号的波形如下所示图1.1 LFM信号的时域波形和频谱图1.2 chirp信号当所发送的信号具有16个脉冲时，延迟与噪声相加以产生以下回波信号图1.3完全回波信号如图所示，回波信号表示每脉冲的重复周期有3个脉冲，目标个数为3。图1.4回波信号的一个周期在仿真过程中，回波加上一定的高斯噪声，使仿真更加接近现实。图1.5噪声信号图1.6周期回波信号加上噪声回声接收后，在Hamming窗口中进行滤波，然后进行匹配滤波。 因此，可以去除一部分噪声信号。图1.7(a )脉冲后的输出波形图1.7(b )脉冲后的输出波形从图中可见三个峰值，其中每个峰值表示目标回波。2三脉冲非递归MTI2.1原理分析如果噪声和运动目标回波同时显示在雷达监视器上，则目标的观察变得困难。 如果目标处于强噪声的背景下，那么弱目标将埋没于强噪声中，且特别地，如果在接收器中出现强噪声的情况下，那么难以发现目标。 虽然在时域中难以区分目标回波和噪声，但是目标回波的多普勒移位远大于背景的多普勒移位，使得可以在频域中区分目标和噪声。 移动目标显示滤波器(MTI )利用运动目标回声与噪声的频谱差异来有效地抑制噪声并提取信号。 雷达上安装MTI滤波器，大大改善了雷达在强噪声背景下检测运动目标的能力。在相位检测器的输出侧，固定目标的回波是振幅恒定的脉冲，运动目标的回波是振幅调制后的脉冲。 向终端显示器发送回波信号之前必须先消去固定目标回波。 最直接的方法是对相邻重复周期的回波信号进行减法，由于固定目标回波的振幅不变化，所以相互抵消，减去运动目标回波后相邻重复周期的振幅变化的部分残留。传统的MTI滤波器有两种形式：非递归波形和递归波形。 在此介绍非递归形式。 没有反馈的滤波器称为非递归滤波器。 一次以消化器官为例进行说明。一次对消器，即二脉冲对消。 如图2.1(a所示，其结构图是到消除器的输入X(z )相位检测器的输出信号。 这是一个单零点系统，零点的位置是指令，即z平面上的单位圆。从相位检波器输出的脉冲包络(2.1 )回波与基准电压的相位差(2.2 )回波信号以重复周期出现，使回波信号延迟一个周期后，其包络线为(2.3 )(2.4 )输出包络是多普勒频率的正弦信号，其频率为(2.5 )多普勒频率的函数。 当(n=1、2、3、)时，输出振幅为零。 此时的目标速度恰好相当于盲点速度，盲点速度因为运动目标回波在相位检波器的输出端与固定目标回波相同，所以经由消除设备输出到零。接着，从频域说明抵消器的工作原理。 对消化系统的输出(2.6 )对消除器的频率响应特性(2.7 )图2.2对消除器的频率响应消除器等效于梳状滤波器，其频率特性在各点为零。 固定目标频谱的特征是频谱在点上，理想的是在通过消化器后输出为零。 当目标多普勒频率是重复频率的整数倍时，其频谱结构也是具有相同特征的，并且即使通过梳状滤波器也不能输出。2.2模拟结果本次模拟采用三脉冲非递归MTI，其频率与双脉冲非递归MTI类似，三脉冲对消与双脉冲对消相比明显改善了零多普勒附近的凹口宽度。 在三脉冲对消除之后，该固定目标多普勒频率变为零并被滤波图2.3(a) MTI输出图2.3(b) MTI输出在设定参数时，分别设定了4000米、8000米、12000米这3个目标，与其对应的径向速度为0、35m/s、85m/s。 经MTI后，4000次目标回声被去除，模拟结果与理论分析一致。3 MTD3.1原理分析初始目标表明雷达性能不高，其改进因子通常为20dB左右。 随着系统设计和实现技术的改进，数字技术的提高，主要依赖于信号处理的潜在能力，MTI雷达的性能也将进一步提高增大信号处理的线性动态范围增加一组多普勒滤波器，接近最佳滤波器，提高改善因子；能够抑制地噪声(其平均多普勒频率通常为零)，同时抑制运动噪声(云雨、鸟群、箔条等)添加一个或多个噪声图有助于检测切线飞行的大目标等进行上述改进的系统被称为移动目标检测(MTD )系统。 这里介绍的多普勒滤波器组是MTD滤波器。根据最佳滤波器理论，如果噪声的功率谱和信号谱是已知的，那么最佳滤波器的频率响应如下(3.1 )式中，是为了实现滤波器而附加延迟时间，式(3.1 )的滤波器可以分为两个级联滤波器及其传递函数形式(3.2 )在该方案中，单脉冲匹配滤波器通常在接收机中实现，匹配相位参考脉冲序列，并利用回波脉冲序列的相位参考进行相位参考累积。 对于梳齿滤波器，齿的间隔是脉冲重复频率，并且如图3.1(b )所示，作为第零滤波器的齿的位置取决于回波信号的多普勒移位，齿的宽度必须与频谱线的宽度一致。 由于实际上无法预测，所以使用在家乡部分重叠的滤波器组(图3.1(b )的0-7号滤波器)复盖多普勒频率范围整体是完成多普勒滤波器组的效果。输入n个脉冲的横向滤波器组可以有N-1条延迟线，针对每个延迟时间在经过各脉冲的不同加权后相加，从而构成n个相邻的窄带滤波器组，频率从0开始。 假设同时获得n个滤波器的响应，图3.2中的横向滤波器的每个抽头将具有n个不同的输出和相应的权重。加到第k个滤波器的第I个输出端的加权值如下所示(3.3 )k表示标记为从0到n-1的滤波器，其中k对应于每个k值的不同加权值的集合并且相应于不同的多普勒滤波器响应。 如果图3.1(b )所示的滤波响应是N=8，则由公式(3.3)对各标记k的滤波频率响应进行加权，k取0-7。 当第二滤波器发生峰值响应时，即，当k=1时，发生峰值响应，k取其他值，依此类推。可导出通过公式(6.5.38 )加权横向滤波器时的脉冲响应及其频率响应函数(3.4 )(3.5 )滤波器振幅特性：(3.6 )过滤器的峰值是。 由于第零滤波器的中心位置经过无多普勒移位的杂波，所以其在零频率和重复频率的整数倍下不能抑制地杂波。 因此，MTD滤波器通常与MTI滤波器一起使用。由横向滤波器实现的窄带滤波器可以根据特定的需求灵活地选择不同的加权向量，而不是由方程式(3.3)表示的加权值，并且可以设置根据频率而特性不同的滤波器。每个滤波器具有恒定的副瓣，并且幅度阀的幅度确定噪声抑制能力的幅度。 为了降低副瓣，一般需要对数据进行加窗处理。 现在常用的窗函数有矩形窗、三角形窗、Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗、Gaussian窗、Kaiser窗、Bartlett窗。3.2模拟结果图3.3 MTD输出从图3.3可以看出，在地面5信道和第12信道有输出，对应信道的中心径向速度为：38m/s、91m/s。 实际速度为35m/s、85m/s。4定虚警率检测4.1原理分析在现代雷达信号处理中，为了提高雷达的性能，首先需要提高检测器的输入侧的信噪比和信噪比，其对策是降低接收器的噪声系数，抑制噪声和噪声等。 然而，可以按照上述方式在检测器的输入