雷达信号处理技术与系统.doc

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雷达信号处理技术与系统

设计

脉冲多普勒雷达信号处理仿真

一、雷达概述

雷达是Radar（RadioDetectionAndRanging）的音译词，意为“无线电检测和测距”，即利用无线电波来检测目标并测定目标的位置，这也是雷达设备在最初阶段的功能。

雷达的任务就是测量目标的距离、方位和仰角，还包括目标的速度，以及从目标回波中获取更多有关目标的信息。

典型的雷达系统如图1，它主要由雷达发射机、天线、雷达接收机、收发转换开关、信号处理机、数据处理机、终端显示等设备组成。

图1雷达系统框图

雷达发射机产生符合要求的雷达波形，然后经馈线和收发开关由发射天线辐射出去，遇到目标后，电磁波一部分反射，经接收天线和收发开关由雷达接收机接收，然后对雷达回波信号依次进行信号处理、数据处理，就可以获知目标的相关信息。

二、雷达信号

雷达发射信号可以分为连续信号和脉冲信号，常规雷达信号包括非相参脉冲信号、相参脉冲信号、参差变周期脉冲信号、步进频率脉冲信号、线性调频信号、非线性调频信号、相位编码信号等，这里主要介绍常用的线性调频信号，非线性调频信号，相位编码信号等。

1.线性调频信号

为了实现雷达发射能量与分辨率之间的矛盾，线性调频脉冲压缩体制的发射信号其载频在脉冲宽度内按线性规律变化即用对载频进行调制（线性调频）的方法展宽发射信号的频谱，使其相位具有色散。

LFM（LinearFrequencyModulation）信号（也称Chirp信号）的数学表达式为：

式中为载波频率，为矩形信号，即

，是调频斜率。

于是，信号的瞬时频率为，根据K的正负可以分为两种典型的chirp信号，如图2所示。

图2典型的chirp信号

（a）up-chirp（K>0）（b）down-chirp（K<0）

2.非线性调频信号

非线性调频脉冲信号是指脉内频率调制函数是非线性函数的一类信号。

可以表示为：

的调频函数：

的相位函数：

上式中，为的群时延，和分别为非线性调频信号的时宽和带宽，为傅里叶级数的系数，实际应用中只取前几项。

3.相位编码信号

相位编码信号的调制函数是离散的有限状态，属于离散编码信号。

由于相位编码采用伪随机序列，故亦成为伪随机编码信号。

伪随机相位编码信号按相移取值数目分类。

如果相移只限取0、两个数值，称之为二相码信号，如巴克码、M序列码、L序列等；如果相移可取两个以上的数值，则称之为多相码信号。

如Taylor多相码、法兰克多相码、赫夫曼序列等。

图3相位编码信号

三、目标回波仿真

l概述

雷达发射机产生线性调频信号，通过天线辐射出去，如果传播过程中遇到目标，就会反射回一部分电磁波，由雷达接收机接收。

这就是回波信号，回波信号中包含有目标的距离，速度，角度等给方面的信息。

目标信号包括期望目标和非期望目标，如图4所示。

图4目标回波产生

由于目标和雷达之间的距离和相对速度的影响，回波信号会产生一定的延迟，以及多普勒频移。

使用传播响应函数来描述目标回波产生的过程，相对发射电磁波传播响应函数如式3-1：

（3-1）

式4-2中，表示目标个数，为噪声信号，和分别为雷达天线发射幅度增益和接收幅度增益，为传播衰减，为各目标的延时时间。

各目标的延时时间满足式3-2：

（3-2）

其中，表示各个目标相对于雷达的速度。

对于雷达天线发射幅度增益和接收幅度增益，采用低旁瓣天线功率方向图进行仿真，使用函数描述天线方向图，即

（3-3）

其中，为天线最大幅度增益，为目标目标偏离雷达发射方向的角度，表示天线3dB带宽。

l传播衰减

回波信号在空气中传播，会发生一定的损耗，称之为传播衰减。

主要包括两个方面，一是大气损耗，二是功率稀释。

大气损耗是雷达工作频率、目标距离和仰角的函数。

雷达工作频率越高，大气损耗越大。

所以，在频率较低的频段（3GHz以下），大气损耗可以不予考虑，在频率较高的频段，进行选择性的考虑。

在本次实验中，雷达工作在中重频下，并没有考虑大气损耗的影响。

功率稀释是由于天线是向所有方向均匀发射能量的，也就是说天线具有球形辐射方向图，所以目标处接收到的电磁波能量的功率密度为，其中为雷达发射功率，为雷达和目标之间的距离，即单程的功率稀释为，类似的，双程的功率稀释为。

最后，传播衰减要同时考虑大气损耗和功率稀释两方面的影响，即。

l调制到中频

雷达是利用物体反射电磁波的特性来发现并确定目标参数的，雷达发射的信号应该是一个载波受到调制的大功率射频信号。

雷达工作频率是按照雷达的用途来确定的，为了调高雷达系统的工作性能和抗干扰能力，有时要求它能在几个频率上跳变工作或者同时工作。

调制到中频，就是对发射信号乘上一个载频信号，即

（3-4）

l加入噪声

在雷达接收机中，除了目标回波信号之外的任何其他信号都成为噪声。

它包括雷达系统之外的干扰信号和雷达接收机内部产生的热噪声。

热噪声（电子的热骚动）和散射效应噪声（半导体的载流子密度的变化）是雷达接收机中两种主要的内部噪声源。

在本仿真实验中，使用了简化模型，即假设加入的噪声是服从高斯分布的，模型如式（3-5）：

，（3-5）

其中，，

四、信号处理

雷达信号处理的流程如下：

接收机

正交双通道采样

匹配滤波

MTI

MTD

测距

测速

测角

下面具体介绍如下。

l正交双通道采样

正交双通道处理就是中频回波信号经过两个相似的支路分别处理，其差别仅是其基准的相参电压相位差90°，这两路称为：

同相支路（InphaseChannel）——I支路

正交支路（QuadratureChannel）——Q支路

传统方法使用的是模拟正交双通道处理，正交I、Q通道处理是将接收机输出的中频回波信号分别与正交的两路相参信号混频（采用模拟乘法器），然后进行低通滤波，从而得到I、Q两路基带信号，再通过A/D变换给出同相分量和正交分量的数字量，如图5所示：

低通滤波

低通滤波

A/D

中频带通信号

A/D

图5正交双通道采样结构图

正交双通道处理的优点（相对于单通道处理）：

Ø可区分，以确定目标相对运动方向。

Ø能消除盲相（单通道MTI时目标多普勒信号的相位取样对消导致零输出）。

l匹配滤波

脉冲压缩的目的是集中单个雷达发射信号的所有能量，获的最大输出信噪比。

方法是进行匹配滤波，在接收机中设置一个与发射信号频率相匹配的压缩网络，使经过调制的宽脉冲的回波信号变成窄脉冲，保持良好的距离分辨力。

脉冲压缩网络实际上就是一个匹配滤波器网络。

匹配滤波器是指输出信噪比最大准则下的最佳线性滤波器。

根据匹配理论，匹配滤波器的传输特性：

（4-1）

时域表示（冲激响应）为：

（4-2）

其中，K为幅度归一化常数，S（ω）是发射信号，x（t）是回波信号。

线性调频信号的匹配滤波有两种方法：

时域匹配滤波、频域匹配滤波。

时域匹配滤波：

滑动滤波器（FIR）。

运算量大，难以满足实时处理的要求。

频域匹配滤波：

傅立叶变换后频谱相乘。

可采用FFT算法大幅度降低运算量，满足实时处理的要求。

频域匹配滤波：

傅立叶变换后频谱相乘，具有简单的频域解析表达式。

可采用FFT算法大幅度降低运算量，满足实时处理的要求。

通过加窗能够获得很低的旁瓣，如图6所示。

，

图6频域匹配滤波算法

l动目标显示MTI

动目标显示（MTI）即MovingTargetIndication，是利用MTI滤波器滤除相应杂波，从而提高目标检测性能。

固定目标频谱的谱线位于脉冲重复频率的整数倍点处，而运动目标回波信号存在多普勒频移，动目标显示滤波器利用运动目标回波和杂波在频谱上的区别，有效地抑制杂波而提取信号。

最直接的方法是将相邻重复周期的回波信号相减，则固定目标回波由于振幅不变而互相抵消，运动目标回波相减后剩下相邻重复周期振幅变化的部分。

实验中用到的就是这种传统的非递归型一次对消器，即二脉冲对消。

结构如图7：

图7二脉冲对消结构图

时域方程为：

，传输函数为：

，它是一个单零点系统，零点的位置在，频率响应为：

频率响应如图8，在脉冲重复频率的整数倍点处有凹口，所以固定目标回波在通过MTI滤波器后将受到很大的抑制，理想状态下，输出为零。

图8MTI滤波器频率响应

l动目标检测MTD

MTD也就是一种相参积累和多普勒滤波的结合，相干积累的目的为：

1、集中多个脉冲重复周期/调频周期内雷达发射的所有信号所有能量，获取最大输出信噪比。

2、减小目标RCS起伏对目标检测的影响。

动目标检测（MTD）即MovingTargetDetection，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信号匹配的滤波器。

MTD利用了回波脉冲串的相参性进行相参积累。

实际工作中，采用一组相邻且部分重叠的滤波器组覆盖整个多普勒频率范围，这就是窄带多普勒滤波器组。

N个相邻的多普勒滤波器组的实现是由N个输出的横向滤波器（N个脉冲和N-1根迟延线）经过各脉冲不同的加权并求和后形成的。

结构如图9：

图9MTD滤波器组成框图图10MTD滤波器频率响应N=8

设加在第k个滤波器的第i个输出端头的加权值为：

k表示标号从0到N-1的滤波器，每一个k值对应一组不同的加权值，相应地对应一个不同的多普勒滤波器响应。

图10中所示滤波器响应是N=8时加权所得各标记k的滤波器频率响应，k取0~7。

该滤波器的频率覆盖范围为0到fr。

在仿真实验中，通常是通过快速傅里叶变换FFT来实现的。

l恒虚警检测CFAR

在对雷达回波信号作了脉冲压缩、MTI、MTD滤波后，接着就要对目标的存在进行判决：

过门限检测。

这里采用的恒虚警概率检测，即CFAR，将检测门限计算成使雷达接收机能保持恒定的预定虚警率。

检测的原则如下：

（4-3）

图11CFAR检测原理图

恒虚警检测的重点就是确定恒虚警检测的门限。

式4-4给出了门限值VT和虚警概率Pfa之间的关系：

（4-4）

其中，为噪声的功率，由于噪声的功率是一直变化的，为了保持恒定的虚警概率，必须依据噪声方差的估计连续更新门限值。

连续改变门限值以保持恒定虚警概率的过程叫做恒虚警概率（CFAR）。

在仿真实验中，假设，要计算出门限值，就要先估算出噪声的功率。

由恒定，可以推导出：

但是噪声的功率是不知道的，必须要对它进行估计。

因为目标信号的幅度值是比较大的，为了消除目标信号对噪声估计的影响，在被检测目标左右，都有保护单元，不参与对噪声功率的估计，原理图如图12所示，估计的噪声功率如式4-5：

（4-5）

图12噪声估计

l测距

雷达工作时，发射机经天线向空间发射一串重复周期一定的高频脉冲。

如果在电磁波传播的过程上有目标的存在，那么雷达就可以接受到由目标反射回来的回波。

由于回波信号往返于雷达和目标之间，它将滞后于发射脉冲一段时间，如图13所示，电磁波的能量是以光速传播的，设目标的距离为，则传播的距离为光速乘上时间间隔，即

（4-6）

式