多目标雷达测距与检测Matlab实现课程设计报告

1、课程设计(论文渔务书信息工程学 院 物联网 专 业 2012-1 班一、课程设计(论文)题目多目标雷达检测与 Matlab实现二、课程设计(论文)工作自2014年12月22 日起至 2015年01月04日止。三、课程设计(论文)地点： 教4楼410四、课程设计(论文)内容要求：1(1) 了解雷达系统基本原理，掌握雷达数字信号处理的基本原理(2)掌握雷达测距信号处理的基本思路和方法;(3)在Matlab环境下数字信号处理算法的编程与调试；(5)提高科技论文写作能力，科技文献的查阅能力。2 .课程设计的任务及要求1)基本要求：(1)分析线性调频(LFM)信号的时域特性与频域特性；(2)对多目标回波

2、信号进行仿真，并分析该信号的时域特性与频域特性;(3) Matlab环境下，设计并编程实现多目标雷达测距与检测;(4)对测距与检测结果进行分析。2)创新要求:在基本要求达到后，可进行创新设计，如改善算法效率；分析噪声和杂波对算法影响。3)课程设计论文编写要求(1)要按照书稿的规格打印誉写论文(2)论文包括目录、绪论、正文、小结、参考文献、谢辞、附录等(3)毕业论文装订按学校的统一要求完成4)评分标准：(1)完成原理分析：25分；(2)完成设计过程：30分;(3)完成调试：25分；(4)问题回答：20分；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

3、有哪些请根据自己的理解回答。5)参考文献：(1)程佩青，数字信号处理教程，第四版，清华大学出版社(2) Ian G. Cumming等，著.洪文 等，译合成孔径雷达成像 -算法与实现电子工业出版社6内容天数构思及收集资料2图书馆设计与调试5图书馆、实验室撰写论文图书馆、实验室学生签名：学号：年 月日课程设计（论文）评审意见（1）完成原理分析（25优（)良（)）、T (）、差（）；（2）设计分析（30 分）：优（）、良（）、中（）、T (）、差（）；（3）完成调试(25 分):优（）、良（）、中（）、T (）、差（）；（5）回答问题(20 分):优（）、良（）、中（）、T (）、差（）；(6()

4、 )评阅人： 职称：年 月 日目 录 0第一章 绪论 1雷达起源 1雷达的发展历程 1第二章 原理分析 3匹配滤波器原理 3线性调频信号（LFM） 4LFM 信号的脉冲压缩 6第三章 多目标线性调频信号的脉冲压缩 10第四章 仿真结果分析 12时域图分析 12回波信号频域图分析 13压缩信号图分析 14多目标压缩信号图分析 15第五章问题回答 16第六章致谢与总结 18附录（ Matlab 程序） 19第一章第一章绪论雷达起源雷达的出现，是由于二战期间当时英国和德国交战时，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

5、）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

6、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JSTAR我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

7、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。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 Home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，

8、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

9、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（ISAR）,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。天线在一定的时问间隔内发射射频脉冲，将接收到的回波放大，并在示波器的CRT1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

10、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)

11、So(t)no (t)输入信号能量：_2E(s) s (t)dt输入、输出信号频谱函数：S( ) s(t)e j tdtSo( ) H( )S()1 c j tSo(t) H ( )S( )e d输出噪声的平均功率：2 112En.(t)Pno( )d H ( )Pn( )d2 o2SNRo1i t 2厂H()S()ej 0d2H( ) Pn( )d()利用Schwarz不等式得:SNRo上式取等号时，滤波器输出功率信噪比 SNR最大取等号条件:H(当滤波器输入功率谱密度是Pn()No/2的白噪声时,MF的系统函数为:H()kS*( )ejto,k2NoS(),也是滤波器k为常数1, S ()

12、为输入函数频谱的复共腕，S()的传输函数H ()。SNRO 羔NoEs为输入信号s(t)的能量，白噪声n的功率谱为No/2SNR只输入信号s(t)的能量Es和白噪声功率谱密度有关。白噪声条件下，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 oto)k倍，因此匹配滤波器可k =1 o匹配滤波器的输出信号:so(t)so(t)*h(t)kR(t匹配滤波器的输出波形是输入信号的自相关函数的 以看成是一个计算输入信号自相关函数的相关器，通常线性调频信号(LFMLFM信号(也

13、称Chirp信号)的数学表达式为:t j2 (fcts(t)rect()e2t2)()式中fc为载波频率，rect (1)为矩形信号,elsewiseK B,是调频斜率，于是，信号的瞬时频率为T图1Kt ( % t %)，如fre 竿 eueyBTmeCb)图1典型的chirp信号(a) 将式中的up-chirp信号重写为：up-chirp(K>0)(b) down-chirp(K<0)s(t)当TB>1时，LFM信号特征表达式如下:S(t)ej2 fct()SLFM ( f)、2 rect (-kB-)(f fc)LFM (f )一4t i Kt 2S(t) rect (-

14、)eJ()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) 下Matlab程序产生式的chirp信号，并作出其时域波形和幅频特性，如图：TiiYie in sec图2: LFM信号的时域波形和幅频特性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

15、冲压缩。信号s(t)的匹配滤波器的时域脉冲响应为：, 一 , * 一 .h(t) s (to t)()to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,重写式,*h(t) s ( t)将式代入式得：t j Kt2 j2 fct h(t) rect( )e eT ()匹配谑漉晒图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)s(u)h(t u)du h(u)s(tu)duKu2,/U、j2 fcurect( )eTK(tu)2-t u j2 fc(t u).rect(j)e du()当0 t T时,S0(t)T2ej

16、t T2Kt2 j2eKtu , duej Ktj2 Ktu eT2sinj2 Kt t /K(T t)t j2 fcteKtej2fct()当T t 0时,S0(t)t T2ejT2Kt2 j2 Ktu .e duej Ktj2 Ktu et T2j2 Kt %ej2fctsinK(T t)t eKtj2 fct()合并和两式:sin KT(1包(t) TKTtt j2 fjrect( )e2T()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 t T时，包络近似为辛克(sinc )函数。“相位共腕匹配”，消除了色散；当S0(

17、t) TSa( KTt)rect() TSa( Bt)rect()2T2T ()1旧1/S图4匹配滤波的输出信号12B，1 一.如图4,当Bt 时，t 为其第一零点坐标；当Bt 时，tB2习惯上，将此时的脉冲宽度定义为压缩脉冲宽度。112 一 )2BBLFM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D T TB 1 ()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,H,So。以下Matlab程序段仿真了图5所示的过程.仿真结果如下：傅里叶变换后的性调频信号Time in sec -<B

18、傅里叶变换后的线性调频信号亿。山）图5 Chirp信号的匹配滤波图5中，时间轴进行了归一化，（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 -）处，此时相对幅度。压缩后的脉冲宽B11度近似为一（一），此时相对幅度-4dB,这理论分析（图）一致。如果输入脉 B2B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JkT2 uTB 后,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

19、及脉冲压缩的分析。 与单目标相同，发射信号的时域表达式为s(t)rect(")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)rff 2()在这里就不再次s(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, 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Sro(t) rect(tt°)expj k(t t。)2()»i(t) rectCtexpU k(t tj2()»2(t)rect(t-t)exp j k(t t?)2()()、tnSrn(t) rect(t7TtK)exp j

20、k(t tn)2其中，时延可分别表示为t。 为、ti在、t2 21、 0 CCCc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Sr0(f)Srl( f )Sr2(f),f、，. f2、,、rect( )exp( j)e>p( j2 ft0)KIKrect(f-)ex3( jKTfrect( )exp( jKTf27)e)p( j2 fti) Kf2)exp( j2 a)K()()()()，八 ,f、，. f2、，、Srn(f) rect( )exp( j )exp( j2 ftn) KTK为了能消除多目标回波信号频域表达式中的二次相位，则其

21、匹配滤波函数为、/ f、/ f2、H (f) rect(-)exp( j -)()KTK匹配滤波后的信号频谱分别为Souto (f) Sro(f )H (f) rect(f )exp( j2 ft。)()KTSouti(f) Sri(f)H(f) rect(f )exp( j2 fti)()KTSout2 (f) Sr2(f )H(f) rect(f )exp( j2 ft2)()KTj2 ftn)()()()()S“tn(f) S-n(f)H(f) rect( f )exp( KI对Soutn ( f )进行傅里叶逆变换，得到压缩信号分别为Souto(t) SincKT(t to)Souti

22、(t) SincKT(t ti)Sout2(t) SincKT (t t2)Soutn (t)SincKT(t tn)()所以最后得到压缩信号为Sout (t)Sout0 (t)Sout1 (t)Sout2 Soutn ()时域图分析第四章仿真结果分析(1)当r=0时，发射信号时域图为:图发射信号时域图(2)当r=400时，目标回波信号时域图为:图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:0 S图r=600时目标回波信号时域图(4)当r=800时，目标回波信号时域图:图r=1000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

23、移的过程，平移的距离为t0立，即传播过程中的时延。在r=400或r=600的时候, C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。回波信号频域图分析(2)当r=400时，目标回波信号频域图为:(3)当r=600时，目标回波信号频域图为:图r=600时目标回波信号频域图目标回波信号频域图与发射信号频域图之间相差了 e( j2 fto)项，to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

24、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。压缩信号图分析当r=400时，压缩信号图为:图r=0时压缩信号图(3)当r=600时，压缩信号图为:图r=600时压缩信号图(4)当r=800时，压缩信号图为:色口口白 口白-1200图r=800时压缩信号图由上面四幅图可以看出，随着目标距离的增大，脉冲压缩后得到的能量在不 断减少，出现了能量损耗。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s(f) rect( f )exp( jKTK2)乘以e( j2 ft。)，其中b等，可得rff2s

25、(f) rect( )exp( jKIK)exp( j2fto) 当雷达距离目标r=200尸400尸600时，三者回波信号在时域的图为:图当雷达距离目标r=200尸400尸600时，三者回波信号在频域的图为(3)图对回波信号做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：图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言号与传统脉冲雷达信号相比，LFM言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

26、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

27、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，能满足雷达多功能、多模式的需要。第六章致谢与总结这次“多目标雷达检测与 Matlab 实现”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。%光速 %脉冲时宽 %发射信号带宽 %采样频率 %线性调频