雷达信号的MATlab仿真 Word文档格式.docx
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Keywords:
MIMO;
FuzzyGraph;
pulsecompression
雷达的基本原理
1.1雷达的原理
雷达(radar)原是“无线电探测与定位”的英文缩写。
雷达的基本任务是探测感兴趣的目标,测定有关目标的距离、方问、速度等状态参数。
雷达主要由天线、发射机、接收机(包括信号处理机)和显示器等部分组成。
雷达发射机产生足够的电磁能量,经过收发转换开关传送给天线。
天线将这些电磁能量辐射至大气中,集中在某一个很窄的方向上形成波束,向前传播。
电磁波遇到波束内的目标后,将沿着各个方向产生反射,其中的一部分电磁能量反射回雷达的方向,被雷达天线获取。
天线获取的能量经过收发转换开关送到接收机,形成雷达的回波信号。
由于在传播过程中电磁波会随着传播距离而衰减,雷达回波信号非常微弱,几乎被噪声所淹没。
接收机放大微弱的回波信号,经过信号处理机处理,提取出包含在回波中的信息,送到显示器,显示出目标的距离、方向、速度等。
为了测定目标的距离,雷达准确测量从电磁波发射时刻到接收到回波时刻的延迟时间,这个延迟时间是电磁波从发射机到目标,再由目标返回雷达接收机的传播时间。
根据电磁波的传播速度,可以确定目标的距离为:
S=CT/2其中S:
目标距离;
T:
电磁波从雷达到目标的往返传播时间;
C:
光速。
雷达测定目标的方向是利用天线的方向性来实现的。
通过机械和电气上的组合作用,雷达把天线的小事指向雷达要探测的方向,一旦发现目标,雷达读出些时天线小事的指向角,就是目标的方向角。
两坐标雷达只能测定目标的方位角,三坐标雷达可以测定方位角和俯仰角。
测定目标的运动速度是雷达的一个重要功能,—雷达测速利用了物理学中的多普勒原理.当目标和雷达之间存在着相对位置运动时,目标回波的频率就会发生改变,频率的改变量称为多普勒频移,用于确定目标的相对径向速度,通常,具有测速能力的雷达,例如脉冲多普勒雷达,要比一般雷达复杂得多。
其中,作用距离是指雷达刚好能够可靠发现目标的距离。
它取决于雷达的发射功率与天线口径的乘积,并与目标本身反射雷达电磁波的能力(雷达散射截面积的大小)等因素有关。
威力范围指由最大作用距离、最小作用距离、最大仰角、最小仰角及方位角范围确定的区域。
雷达的技术指标与参数很多,而且与雷达的体制有关,这里仅仅讨论那些与电子对抗关系密切的主要参数。
根据波形来区分,雷达主要分为脉冲雷达和连续波雷达两大类。
当前常用的雷达大多数是脉冲雷达。
常规脉冲雷达周期性地发射高频脉冲。
相关的参数为脉冲重复周期(脉冲重复频率)、脉冲宽度以及载波频
率。
载波频率是在一个脉冲内信号的高频振荡频率,也称为雷达的工作频率。
雷达天线对电磁能量在方向上的聚集能力用波束宽度来描述,波束越窄,天线的方向性越好。
但是在设计和制造过程中,雷达天线不可能把所有能量全部集中在理想的波束之内,在其它方向上在在着泄漏能量的问题。
能量集中在主波束中,我们常常形象地把主波束称为主瓣,其它方向上由泄漏形成旁瓣。
为了覆盖宽广的空间,需要通过天线的机械转动或电子控制,使雷达波束在探测区域内扫描。
概括起来,雷达的技术参数主要包括工作频率(波长)、脉冲重复频率、脉冲宽度、发射功率、天线波束宽度、天线波束扫描方式、接收机灵敏度等。
技术参数是根据雷达的战术性能与指标要求来选择和设计的,因此它们的数值在某种程度上反映了雷达具有的功能。
例如,为提高远距离发现目标能力,预警雷达采用比较低的工作频率和脉冲重复频率,而机载雷达则为减小体积、重量等目的,使用比较高的工作频率和脉冲重复频率。
这说明,如果知道了雷达的技术参数,就可在一定程度上识别出雷达的种类。
1.2雷达的用途
雷达的用途广泛,种类繁多,分类的方法也非常复杂。
通常可以按照雷达的用途分类,如预警雷达、搜索警戒雷达、无线电测高雷达、气象雷达、航管雷达、引导雷达、炮瞄雷达、雷达引信、战场监视雷达、机载截击雷达、导航雷达以及防撞和敌我识别雷达等。
除了按用途分,还可以从工作体制对雷达进行区分。
1.3论文的基本内容
脉冲压缩基本原理
2.1引言
现代雷达是一个十分复杂的工程系统,雷达系统的设计研究也是一项十分复杂的技术,人们越来越重视采用计算机仿真技术进行系统的分析和设计。
利用计算机仿真技术进行雷达系统的建模与仿真,可以高效地完成系统的方案论证和性能评估,将雷达系统设计人员从繁重的设计工作中解脱出来,使雷达系统的设计更加方便、高效和优化,能够大大提高设计的可靠性,并可缩短设计周期,降低开发成本,所以它是当前和未来雷达与电子对抗领域研究中的一种重要手段。
在雷达信号处理系统中,系统级仿真占有极其重要的地位。
经过系统级仿真,能够确保产品在高层次上的设计正确性。
利用系统仿真这一方法,可以找出系统各参数的最佳值来保证所设计的产品获得最佳性能。
本文提出了一个脉冲压缩多普勒雷达信号处理系统的仿真模型,并利用Matlab提供的强大仿真平台对该信号处理系统进行了仿真。
2.2线性调频(LFM)脉冲压缩雷达仿真
2.2.1雷达工作原理
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。
典型的雷达系统如图1.1,它主要由发射机,天线,接收机,数据处理,定时控制,显示等设备组成。
利用雷达可以获知目标的有无,目标斜距,目标角位置,目标相对速度等。
现代高分辨雷达扩展了原始雷达概念,使它具有对运动目标(飞机,导弹等)和区域目标(地面等)成像和识别的能力。
雷达的应用越来越广泛。
图1.1简单脉冲雷达系统框图
雷达发射机的任务是产生符合要求的雷达波形(RadarWaveform),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。
假设理想点目标与雷达的相对距离为R,为了探测这个目标,雷达发射信号
s(t),电磁波以光速C向四周传播,经过时间R后电磁波到达目标,照射到目标
C
上的电磁波可写成:
s(t-R)。
电磁波与目标相互作用,一部分电磁波被目标散
射,被反射的电磁波为s×
s(t-R),其中s为目标雷达散射截面(RadarCross
Section,简称RCS),反映目标对电磁波的散射能力。
再经过时间R后,被雷达
接收天线接收的信号为s×
s(t-2R)。
如果将雷达天线和目标看作一个系统,便得到如图1.2的等效,而且这是一
个LTI(线性时不变)系统。
图1.2:
雷达等效于LTI系统等效LTI系统的冲击响应可写成:
M
h(t)=å
sid(t-ti)
i=1
(1.1)
M表示目标的个数,si为目标散射特性,ti是光速在雷达与目标之间往返一次的时间:
t=2Ri
(1.2)
i c
式中,Ri为第i个目标与雷达的相对距离。
雷达发射信号s(t)经过该LTI系统,得输出信号(即雷达的回波信号)
sr(t):
M M
sr(t)=s(t)*h(t)=s(t)*å
sid(t-ti)=å
sis(t-ti)
(1.3)
i=1 i=1
那么,怎样从雷达回波信号sr(t)提取出表征目标特性的ti
(表征相对距离)
和si(表征目标反射特性)呢?
常用的方法是让sr(t)通过雷达发射信号s(t)的匹
配滤波器,如图1.3。
图1.3:
雷达回波信号处理
s(t)的匹配滤波器hr(t)为:
hr(t)=s*(-t)
(1.4)
于是,
s(t)=s(t)*h(t)=s(t)*s*(-t)*h(t)
(1.5)
o r r
对上式进行傅立叶变换:
o
S(jw)=S(jw)S*(jw)H(jw)
=|S(jw)|2H(jw)
(1.6)
如果选取合适的s(t),使它的幅频特性|S(jw)|为常数,那么1.6式可写为:
So(jw)=kH(jw)
(1.7)
傅里叶变换为:
so(t)=kh(t)=kå
(1.8)
so(t)中包含目标的特征信息ti和si。
从so(t)中可以得到目标的个数M和每个目
标相对雷达的距离:
R
=tc
(1.9)
i i2
这也是线性调频(LFM)脉冲压缩雷达的工作原理。
2.2.2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(LinearFrequencyModulation)信号,接收时采用匹配滤波器(MatchedFilter)压缩脉冲。
LFM信号(也称Chirp信号)的数学表达式为:
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