雷达信号处理和数据处理.docx

1、雷达信号处理和数据处理脉冲压缩雷达的仿真脉冲压缩雷达与匹配滤波的MATLAB仿真2014-10-28西安电子科技大学信息对抗技术姓名：- 学号：-一、 雷达工作原理雷达，是英文Radar的音译，源于radio detection and ranging的缩写，原意为无线电探测和测距，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。因此，雷达也被称为“无线电定位”。利用电磁波探测目标的电子设备。发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。雷达发射机的任务是产生符合要求的雷达波形（Radar Waveform），然后经馈线和收发开

2、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接收机接收，对雷达回波信号做适当的处理就可以获知目标的相关信息。但是因为普通脉冲在雷达作用距离与距离分辨率上存在自我矛盾，为了解决这个矛盾，我们采用脉冲压缩技术，即使用线性调频信号。二、 线性调频（LFM）信号脉冲压缩雷达能同时提高雷达的作用距离和距离分辨率。这种体制采用宽脉冲发射以提高发射的平均功率，保证足够大的作用距离；而接受时采用相应的脉冲压缩算法获得窄脉冲，以提高距离分辨率，较好的解决雷达作用距离与距离分辨率之间的矛盾。脉冲压缩雷达最常见的调制信号是线性调频（Linear Frequency Modulation

3、）信号,接收时采用匹配滤波器（Matched Filter）压缩脉冲。LFM信号的数学表达式： （2.1）其中为载波频率，为矩形信号： （2.2）其中是调频斜率，信号的瞬时频率为，如图（图2.1.典型的LFM信号（a）up-LFM(K0)（b）down-LFM(K0)）将式1改写为： （2.3）其中 （2.4）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以，因此，Matlab仿真时，只需考虑S(t)。以下Matlab程序产生(2.4）的LFM信号，并作出其时域波形和幅频特性。%线性调频信号的产生T=10e-6; %持续时间是10usB=30

4、e6; %调频调制带宽为30MHzK=B/T; %调频斜率Fs=2*B;Ts=1/Fs; %采样频率和采样间隔N=T/Ts;N=T/Ts;t=linspace(-T/2,T/2,N);St=exp(j*pi*K*t.2); %产生线性调频信号subplot(211)plot(t*1e6,real(St);xlabel(时间/us);title(LFM的时域波形);grid on;axis tight;subplot(212)freq=linspace(-Fs/2,Fs/2,N);plot(freq*1e-6,fftshift(abs(fft(St);xlabel(频率/MHz); title(

5、LFM的频域特性); grid on;axis tight;（图2.2：LFM信号的时域波形和频域特性）三、 压缩脉冲的匹配滤波信号的匹配滤波器的时域脉冲响应为： (3.1)是使滤波器物理可实现所附加的时延。理论分析时，可令0，重写3.1式， (3.2)将2.1式代入3.2式得: (3.3) 图3.1：LFM信号的匹配滤波如图3.1,经过系统得输出信号， (3.4)当时, (3.5)当时, (3.6)合并3.5和3.6两式： (3.7)3.7式即为LFM脉冲信号经匹配滤波器得输出,它是一固定载频的信号。当时，包络近似为辛克（sinc）函数。 (3.8)图3.2：匹配滤波的输出信号如图3.2，当

6、Bt=时， t=1/B为其第一零点坐标；当Bt=/2时，t=1/2B，习惯上，将此时的脉冲宽度定义为压缩脉冲宽度。 (3.9)LFM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， (3.10)式3.10表明，压缩比也就是LFM信号的时宽频宽积。由2.1,3.3,3.7式，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(t),H(t),So(t)。以下Matlab程序段仿真了图3.1所示的过程，并将仿真结果和理论进行对照。%线性调频信号的匹配滤波T=10e-6; B=30e6;K=B/T;Fs=10*B;Ts=1/Fs;N=T/Ts;t=l

7、inspace(-T/2,T/2,N);St=exp(j*pi*K*t.2); %产生线性调频信号Ht=exp(-j*pi*K*t.2); %匹配滤波器Sot=conv(St,Ht); %线性调频信号经过匹配滤波器subplot(211)L=2*N-1;t1=linspace(-T,T,L);Z=abs(Sot);Z=Z/max(Z); %归一化 Z=20*log10(Z+1e-6);Z1=abs(sinc(B.*t1); %sinc函数Z1=20*log10(Z1+1e-6);t1=t1*B; plot(t1,Z,t1,Z1,r.);axis(-15,15,-50,inf);grid on;

8、legend(仿真,sinc);xlabel(时间 sec timesitB);ylabel(振幅,dB);title(线性调频信号经过匹配滤波器);subplot(212) %放大N0=3*Fs/B;t2=-N0*Ts:Ts:N0*Ts;t2=B*t2;plot(t2,Z(N-N0:N+N0),t2,Z1(N-N0:N+N0),r.);axis(-inf,inf,-50,inf);grid on;set(gca,Ytick,-13.4,-4,0,Xtick,-3,-2,-1,-0.5,0,0.5,1,2,3);xlabel(时间 sec timesitB);ylabel(振幅,dB);tit

9、le(线性调频信号经过匹配滤波器（放大）);结果：图3.3：线性调频信号的匹配滤波上图中，时间轴进行了归一化，（t/(1/B)=t x 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1/B）处，此时相对幅度-13.4dB。压缩后的脉冲宽度近似为1/B（1/2B），此时相对幅度-4dB,这理论分析（图3.2）一致。四、 Matlab仿真1. 任务：对以下雷达系统仿真。雷达发射信号参数：幅度：1.0信号波形： 线性调频信号频带宽度： 30MHz脉冲宽度： 10us中心频率： 1GHzHz雷达接收方式：正交解调接收距离门：10Km15Km目标：Tar1：10.5KmTar2：11KmT

10、ar3：12KmTar4：12Km5mTar5：13KmTar6：13Km2m2. 系统模型：结合以上分析，用Matlab仿真雷达发射信号，回波信号，和压缩后的信号的复包络特性，其载频不予考虑（实际中需加调制和正交解调环节），仿真信号与系统模型如下图。图4.1：雷达仿真等效信号与系统模型3. 线性调频脉冲压缩雷达仿真程序LFM_radar 仿真程序模拟产生理想点目标的回波，并采用频域相关方法（以便利用FFT）实现脉冲压缩。函数LFM_radar的参数意义如下：T：LFM信号的持续脉宽；B：LFM信号的频带宽度；Rmin：观测目标距雷达的最近位置；Rmax：观测目标距雷达的最远位置；R：一维数组

11、，数组值表示每个目标相对雷达的距离；RCS：一维数组，数组值表示每个目标的雷达散射截面。在Matlab指令窗中输入：LFM_radar(10e-6,30e6,10000,15000,10500,11000,12000,12005,13000,13002,1,1,1,1,1,1)得到的仿真结果如下图。 五、 心得通过这次使用Matlab对脉冲压缩雷达的仿真，让我充分理解到了脉冲压缩雷达的工作原理，以及脉冲压缩雷达与普通脉冲雷达的差异，这让我对与雷达原理这门课有了更加深入的理解，对于匹配滤波的深入了解，使得在课堂中没有充分理解的地方清晰的展现在眼前。这次实验不仅仅会促进我雷达原理课程的学习，也为我

12、以后学习雷达专业提供了一种可靠的方法。六、 附录Matlab代码（LFM_radar.m）%脉冲压缩雷达仿真function LFM_radar(T,B,Rmin,Rmax,R,RCS)if nargin=0 T=10e-6; %脉冲持续时间 10us B=30e6; %频带宽度 30MHz Rmin=10000;Rmax=15000; %作用范围 R=10500,11000,12000,12008,13000,13002; %目标位置 RCS=1 1 1 1 1 1; %雷达散射面end%参数设定C=3e8; %设定速度为光速K=B/T; %调频斜率Rwid=Rmax-Rmin; %距离Tw

13、id=2*Rwid/C; %时间Fs=5*B;Ts=1/Fs; %采样频率和采样间隔Nwid=ceil(Twid/Ts);%回波t=linspace(2*Rmin/C,2*Rmax/C,Nwid); %接收范围(2*Rmin/C t 2*Rmax/C)M=length(R); %目标数量 td=ones(M,1)*t-2*R/C*ones(1,Nwid);Srt=RCS*(exp(j*pi*K*td.2).*(abs(td)T/2); %雷达回波 %利用FFT和IFFT进行数字信号处理Nchirp=ceil(T/Ts); %多脉冲持续时间Nfft=2nextpow2(Nwid+Nwid-1);

14、Srw=fft(Srt,Nfft); %雷达回波的fft计算t0=linspace(-T/2,T/2,Nchirp); St=exp(j*pi*K*t0.2); %线性调频信号 Sw=fft(St,Nfft); %线性调频信号的fft计算Sot=fftshift(ifft(Srw.*conj(Sw); %脉冲压缩后的信号N0=Nfft/2-Nchirp/2;Z=abs(Sot(N0:N0+Nwid-1);Z=Z/max(Z);Z=20*log10(Z+1e-6);%产生图像subplot(211)plot(t*1e6,real(Srt);axis tight;xlabel(时间/s );ylabel(振幅)title(无压缩的雷达回波);subplot(212)plot(t*C/2,Z)axis(10000,15000,-60,0);xlabel(距离/m);ylabel(振幅/ dB)title(压缩后的雷达回波);