脉冲多普勒雷达测速仿真讲解.docx

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脉冲多普勒雷达测速仿真讲解

任务书

雷达进行PD测速主要是利用了目标回波中携带的多普勒信息，在频域实现目标和杂波的分离，它可以把位于特定距离上、具有特定多普勒频移的目标回波检测出来，而把其他的杂波和干扰滤除。

因此要求雷达必须具备很强的抑制杂波的能力，能在较强的杂波背景中分辨出运动目标的回波。

如今，不管是在军用还是民用上，雷达都在发挥着它很早重要的作用，与早期雷达采用距离微分方法测速相比，基于脉冲多普勒理论的雷达测速技术具有实时性好、精度高等优点。

特别是现代相控阵技术在雷达领域的应用，实现了波束的无惯性扫描和工作方式的快速切换，更便于应用脉冲多普勒技术进行雷达测速。

本篇课程设计目的在于介绍脉冲多普勒雷达测速的原理，并对这种技术进行介绍和仿真。

摘要

脉冲多普勒（PD）雷达以其卓越的杂波抑制性能受到世人瞩目。

现代飞行器性能的改进和导航手段的加强，使其能在低空和超低空飞行，因此防御低空入侵己成重要问题，由此要求机载雷达，包括预警机雷达和机载火控雷达具有下视能力，即要求能在强的地杂波背景中发现微弱的目标信号，所以现代的预警机雷达和机载火控雷达皆采用PD体制。

脉冲多普勒雷达包含了连续波雷达和脉冲雷达两方面的优点，它具有较高的速度分辨能力，从而可以更有效地解决抑制极强的地杂波干扰问题;此外，脉冲多普勒雷达能够同时敏感地测定距离和速度信息;能够利用多普勒处理技术实现高分辨率的合成孔径图像;而且亦具有良好的抗消极干扰能力和抗积极干扰能力。

本文介绍了脉冲多普勒雷达测速的原理，信号处理。

并用matlab简单的仿真了雷达系统对信号的处理.

关键词：

脉冲多普勒雷达恒虚警脉冲压缩线性调频

Abstact

PulseDoppler（PD）radarisfamousforit`soutsdandingcluttersuppression.Modernaircraft`sfunctionandGPShasbeenstrengthen.now.itmakestheaircraftcanflylowerandlower.So.nowadays,Defensing.Lowaltitudeinvasionhasbeenanimportantproblem.sowerequireairborneradar.Earlywarningradarandairbornefirecontrolradarhavetheabilitytolookdown.Thatistosay.TheradarisberequiredtheabilitytofindWeaktargetsignalinthestrongGroungclutter.So.ThemodernairborneearlywarningradarandairbornefirecontrolradarusethePDsystem.PulseDoppler（PD）radarconcludestwoadervantagesofContinuouswaveradarandimpulseradar.Ithasahighervelocityresolution.thusitcaneffectively.soveingtheproblemofstronggroundclutter.what`smore.PulseDppler（PD）radarcanSensitivetexttheDistanceandspeedonthesametime.ItcanuseDopplerprocessingtechnologytorealiseSyntheticapertureimageswithhighresolution.

ThisarticlesinplyintroducedprincipleofpulseDopplerradarandsignalprocessing.UsingmatlabtosimulationThesignalprocessingofradarsystem.Linearfrequencymodulation.

Keywords:

PulseDoppler（PD）radar.Constantfalsealarmrate.pulsecompression.

1．脉冲多普雷达简介··········································1

1,多普勒效应··············································1

二、多普勒测速原理············································2

三、多普勒雷达简介············································4

4、多普勒雷达工作原理········································6

5、PD雷达信号处理仿真·······································8

5.1、正交双通道处理·······································9

5.2、脉冲压缩·············································10

5.3、线性调频信号的脉冲压缩·······························12

5.4、巴克码信号的脉冲压缩·································14

5.5、恒虚警处理···········································14

5.5.1、单元平均恒虚警处理（CA-CFAR）····················16

5.5.2、平均选大恒虚警处理（GO-CFAR）····················16

5.6、动目标检测（MTD）模型··································19

六、总结与展望················································20

参考文献······················································21

二、脉冲多普雷达简介

1,多普勒效应

多普勒效应是指当发射源和接收者之间有相对径向运动时，接收到的信号将发生变化。

这一物理现象首先由奥地利物理学家多普勒于1842年发现的。

多普勒雷达的工作原理是以多普勒效应为基础的，多普勒效应不仅仅适用于声波，它也适用于所有类型的波，包括光波、电磁波。

当无线电波在行进的过程中碰到物体时，该无线电波会反弹，而且反弹回来的波其频率以及振幅会随着碰撞物体的运动状态而变化。

若无线电波是固定不动的，那么反弹回来的电波频率是不会发生改变的，然而，若物体是朝着无线电发射的方向前进，此时所反弹回来的电波会被压缩，因此该电波的频率也会随之增加。

反之，若远离波源运动时，接收到的频率较波源的实际频率降低。

频率升高或者降低的数值为多普勒频率，多普勒效应的数学推理如下:

设某一波源的频率为f，波长为入，它们与波的传播速度的关系为:

（1.1）

若波源以速度W向静止的接收物体运动时，在接收物体处所接收到的频率为:

（1.2）

若波源以速度W背向静止的接收物体运动时，在接收物体处所接收到的频率为:

（1.3）

同理，当波源不动时，若物体以速度W向波源运动时，在接收物体处所接收到的频率为:

（1.4）

当波源不动时，若物体以速度W背向波源运动时，在接收物体处所接收到的频率为：

（1.5）

由上述的数学分析可知，若波源与接收物体之间存在相对运动时，接收的频率就不同与发射的频率。

即两者之间的距离缩短（相向运动）时，接收频率高于发射频率;两者之间的距离增大时（反向运动），接收频率低于发射频率。

这种由于相对运动引起的频率变化，称为“多普勒效应”。

二、多普勒测速原理

假若有一个运动目标，利用多普勒效应，在天线场的有效范围内，如图2.1所示:

图2.1多普勒运动信号模型

天线1发射电磁波到运动物体上，发射频率为f0，速度为光速C，运动物体的速度为V，则运动物体实际接收到的频率为:

（2.1）

同理，由多普勒效应知，电磁波从运动物体反射回来，天线2所接收到的频率为:

（2.2）

所以，天线2接收到的频率与发射频率之间的关系如下:

（2.3）

式（2.3）说明:

由发射天线1发射的频率为fo的电磁波，相对天线以径向速度V作离向动，由于多普勒效应，接收天线2接收到的电磁波的频率将是发生两次多普勒效应后的频率，即变为f2。

将相对运动所引起的接收频率与发射频率之间的差频称为多普勒频率，用fa表示，则:

（2.4）

由式（（2.4）分析得知，多普勒频率与相对天线的径向速度成正比，只要能测出fd就可以求出V，这就是多普勒测速雷达测速的基本原理。

根据前面的分析与推导，可以对多普勒频率作出这样的定义:

（2.5）

式中:

fd：

多普勒频率

Vr：

运动目标的速度

C：

光速

f0：

发射波频率

由式（2.5）我们可以得到:

（2.6）

从式（2.6）可以看到其它变量都是己知的，只要我们测出fd了，就可以计算出被测目标的速度。

下面来分析当雷达与目标有相对运动时，雷达接收信号的特征。

在这里我们设目标为理想“点”目标，即目标尺寸远小于雷达分辨单元。

三、多普勒雷达简介

脉冲多普勒雷达的应用和发展是雷达理论与技术的发展，特别是新型电子器件和数字信号处理技术发展的结果。

目标环境变化，以及下视，下射，反低空突防任务的迫切需要，以及为了获得优良的抑制严重的杂波干扰的性能，对脉冲多普勒雷达信号源的稳定度，寄生调制提出了极高的要求，对其天线旁瓣电平提出甚严的限制，同时还要求具有高速运算能力和大存储空间的处理机。

一部实际的脉冲多普勒雷达几乎包含了现代雷达的主要波形、测角体制和先进的信号处理技术，采用了各种现代优化的设计思想。

因此，研制脉冲多普勒雷达是一个较为艰巨的工作。

那么为了更好且更经济地研究其技术、战术性能和抗干扰性能，采用计算机仿真方式进行研究是最为合理地，因此，对脉冲多普勒雷达的计算机仿真成为一项迫切的任务。

关于PD雷达的精确定义，1970年M.I.斯科尔尼克曾以三点特征进行描述：

1）具有足够高的脉冲重复频率（PRF），以致不论杂波或所观测的目标都没有速度模糊;

2）能实现对脉冲串频谱单根谱线的多普勒滤波，即频域滤波;

3）由于PRF很高，通常对所观测的目标产生距离模糊。

上述定义仅适用于高PRF的PD雷达，随着PD雷达技术的发展，对PD雷达的定义有所延伸。

一些PD雷达的设计允许工作在低、中高频上来满足不同的需要。

目前关于PD雷达的定义为:

能实现对信号脉冲串频谱的单根谱线滤波，具有对目标进行速度分辨力的雷达称为PD雷达。

根据PD雷达的系统重复频率不同，可以对其进行分类，令雷达与目标的距离为RT，雷达与目标的相对速度为从，最大不模糊距离为Rman，最大不模糊速度为Vmah，

则可将PD雷达分为高、中、低PRF三类脉冲雷达:

图3.1脉冲多普勒雷达分类

可以看到，低PRF雷达无距离模糊，有速度模糊;中PFR既有距离模糊，也有速度模糊，高PRF无速度模糊，但有距离模糊。

对于PD雷达，选择合适的PRF是一个十分重要的问题，需要考虑实际的应用和设备的复杂性。

PD雷达采用相参技术从相参到非相参，这是雷达技术的飞跃。

相参，是从光学领域引申而来的术语，在雷达中的含义是指目标回波信号与发射信号之间应保持严格的相位关系，并用以提取目标的有关信息。

早期的普通脉冲雷达都是非相参结构，它们只是利用发射脉冲与回波脉冲之间的时间差提取目标的距离信息，当与目标相等距离上，存在着大量的干扰物体的反射波（地物和海浪杂波，云雨气象杂波以及投放物金属箔条杂波等）时，微弱的目标回波淹没在其中，而使雷达失效。

非相参的普通脉冲体制的雷达，无论架设在地面，舰船或是飞机上都无法对付这些来自低空的袭击。

在光学中早己为人们所熟知的相参概念，此刻却为雷达技术带来了生机。

当用时间差无法区别目标与背景干扰时，速度差却很容易把它们区别开来。

对于地面假设的雷达，与周围地物不存在相对运动，因此从这些地物来的雷达回波信号的频率与反射信号的频率相同;而从运动目标来的回波信号频率，则有别于发射信号，而且这种差别额大小正比于目标的速度。

对于机载雷达，地物背景与雷达虽然存在着相对运动，但是这种相对运动的速度和方向是可知的，并有别于机载雷达和空中运动目标的相对速度。

以雷达载机同运动目标和地物的速度差为基础发现运动目标的技术途径是可行的。

但是要具体实现这种发射信号和回波信号的有效相参并不十分容易。

它要求发射信号具有很高的稳定性，否则微小的回波频率变化是无法察觉的。

主振放大式发射机就是目前广泛用来获得高功率、高稳定的发射信号的主要设备，尽管其成本高，构造复杂，但这是雷达实现全相参所必须的。

雷达实现了全相参，它的性能和应用领域可能大为扩展。

四、多普勒雷达工作原理

由于目标和干扰物相对于雷达的径向速度不同，回波信号也有不同的多普勒频率，可用频域滤波的方法选出目标的多普勒频率谱线，滤除干扰杂波的谱线，使雷达从强杂波中分离和检测出目标信号。

为实现这一目的，一方面PD雷达的发射脉冲信号必须有稳定的相参性能，通常采用主振放大式发射机，另一方面在接收机的信号处理中，把每一脉冲重复周期分成若干个距离门，再用多普勒频率范围内的窄带滤波器组对信号和杂波进行过滤。

下面先扼要讲述PD雷达信号工作的基本原理，其中信号处理模块、几种典型的干扰，数据处理模块中的解模糊算法，滤波算法是本论文重点讲述的内容，典型PD雷达原理方框图4.1为例:

图中只画出了一个接收通道。

为了连续跟踪一个目标，还包括速度跟踪、距离和角度跟踪设施。

PD雷达可以把位于特定距离上，具有特定多普勒频移的目标回波检测出来，把其它的杂波和干扰滤除。

主振放大式相参发射机:

这种发射机信号质量高，可以满足PD雷达对发射信号的频率稳定度和频谱纯度的要求。

影响PD雷达性能的主要因素是信号的短期不稳定性，PD雷达的频率稳定度要达到很高的程度才能达到相参测速的要求。

距离门电路完成距离选通，雷达可以有多个距离通道。

单边带滤波器是一个带宽近似等于脉冲重复频率的带通滤波器，主要作用是从回波频谱中只滤出一根谱线和它所对应的多普勒频移分量，使后面的各种滤波处理在单根谱线上进行，通常单边带滤波设置在中频，选取回波频谱的中心谱线。

主杂波抑制电路对干扰很强的主瓣杂波进行抑制;机载PD雷达的高度杂波是由地面的垂直反射所形成的杂波，通常可以采用单独的固定频率抑制滤波器（零频率滤波器）来滤除它。

信号处理机:

PD雷同常规脉冲雷达的主要区别在于PD雷达利用了目标回波中携带的多普勒信息，在频域内实现目标和杂波的分离，从而可以从很强的地物杂波背景中检测出动目标，并对其精确测速。

简而言之，PD雷达信号处理机的核心。

就是一个窄带滤波器组，它滤除了各种干扰及杂波，保留了所需的目标信号。

由于雷达从天线到视频的全部过程都是线性的，运动目标信息在接收机中无畸变地保存到视频级，因此多普勒滤波器可以在视频（零中频）实现。

由于视频滤波比中频滤波易于实现，数字处理在视频进行量化也比在中频容易，所以多普勒滤波将变得更加简单可靠。

这是因为，数字式滤波器具有高可靠性、抗干扰性和灵活性等优点，精度也好。

基本的数字滤波器的原理是利用快速傅立叶变换求取信号频谱，从而为下一步的处理提供回波信号的频谱分布信息。

数据处理机:

数据处理机的主要功能，一个是对工作方式、扫描图形的产生、脉冲重复频率的选择、杂波频潜的预测进行控制;另一个功能是对数据相关和滤波、距离跟踪、角度跟踪、雷达罩和天线角度误差修正进行数据处理;再一个功能是对系统进行性能监视和机内自检。

PD雷达必须采取恒虚警率（（CFAR）处理技术以便防止干扰增大时虚警概率过高，努力使得当噪声、杂波和干扰功率或其他参数发生变化时，输出端的虚警概率保持恒定;速度、距离和角度跟踪系统实现对目标的有效跟踪。

PD雷达系统中的很多理论己经是比较成熟的理论，在本文中主要进行雷达回波信号、信号处理中相关算法、数据处理相关算法、及PD雷达几种主要干扰技术的建模仿真，本文主要做PD雷达测距、测速的研究。

多普勒雷达工作原理框图如图4.1:

图4.1典型脉冲多普勒雷达工作原理框图

五、PD雷达信号处理仿真

PD雷达信号处理模块的主要框图:

图5,1雷达信号处理框图

信号处理器主要是用来监测目标并利用一定的方法来抑制各种杂波和人为干扰所产生的不希望有的信号，处理后的视频输出信号再与某个门限比较。

若信号超过监测门限，便判断为“发现目标”，然后把目标信号输送下一级处理器进行监测，以便测量出目标的距离，角度，径向速度和其它一些目标特性。

下面对于其主要模块进行仿真。

5.1、正交双通道处理

为将中频信号转换为视频信号进行数字处理，采用低通滤波法进行相干检波，低通滤波法是一种完全仿照传统的模拟正交采样的实现方法，只是将频移放在了A/D变换之后。

这样混频和滤波都是由数字系统来实现的，其原理框图如图5.2所示。

图5.2正交双通道处理框图

首先将中频输出信号进行数字混频，这样就将正频谱的中心移到了零频，时域信号也应的分解为实部和虚部，再让混频后的信号经过低通滤波器，滤除高频分量，即可得到所需的基带正交双路信号。

图5.3对信号滤波处理后

5.2、脉冲压缩

匹配滤波器是以输出最大信噪比为准则的最佳线性滤波器。

当滤波器的频率响应H（f）为信号频谱S（f）的复共扼时，称之为信号的匹配滤波。

根据匹配滤波器理论，在白噪声背景下，滤波器输出端信号噪声功率比的最大峰值为2ElNo，即当噪声功率谱密度给定后，决定雷达检测能力的是信号能量E。

使用简单矩形脉冲信号，可以用增大脉冲宽度了来提高信号能量，但是这样使得距离分辨力降低。

因此，提高雷达的探测能力和保证必需的距离分辨力这对矛盾很难解决，有必要去寻找和采用较为复杂的信号形式。

匹配滤波器输出信号是波形的自相关函数，它是信号功率谱的傅里叶反变换。

由于脉宽和频谱宽度之间成反比关系，因此B越大，距离分辨力越好，距离分辨力取决于所用信号的带宽B。

对于简单矩形脉冲，信号带宽B与其脉冲宽度:

满足Bt约等于1的关系，因此用宽脉冲时必然降低其距离分辨力。

如果在宽脉冲内采用附加的幅度或相位调制，以增加信号带宽B，那么当接收时用匹配滤波器进行处理，可将长脉冲压缩到1/B宽度，这样既可使雷达用长的脉冲去获得大的能量，同时又可以得到短脉冲所具备的距离分辨力。

这种信号称为脉冲压缩信号或大时宽带宽信号，这种方法称为脉冲压缩。

因为脉冲内有附加调制，其脉宽:

和带宽B的乘积大于1，压缩比

，一般采用BT约等于1.

幅度调制会降低发射信号的平均功率，不能最大程度地利用发射管的效能，使雷达威力下降。

相位调制是常用的宽带信号产生方法，常用的相位调制信号有线性调频信号和二相编码信号，下面具体分析对这两种信号的脉冲压缩。

脉冲压缩滤波器是雷达视频信号的匹配滤波器，是在时间轴上进行的，可以针对一个脉冲重复周期或整个脉冲压缩处理。

匹配滤波器的实现是脉冲压缩处理的核心部分，主要分别可以通过时域卷积或频域相乘实现。

所谓匹配滤波器就是这样一种最佳线形滤波器，在输入为确知信号加白噪声的情况下，所得输出信噪比达到最大。

匹配滤波器的冲激响应函数为:

要实现数字脉冲压缩，需先对模拟的线性调频信号进行A/D变换，经过采样量化后的信号简记为s（n）。

频域处理公式为y（n）=IFFT（S（f）H（f））=IFFT（FFT（s（n））FFT（h（n）））。

通常情况下，基于FFT算法特有的高速性，频域实现比直接时域卷积运算要快。

用快速傅立叶变换实现的脉冲压缩频域处理过程如图5.4。

图5.4脉冲压缩频域处理

图5.5脉冲压缩频域处理

5.3、线性调频信号的脉冲压缩

线性调频信号的数字脉冲压缩处理可在时域，也可在频域进行。

由于高速A/D变换器、大规模集成电路技术以及FFT的应用，使宽带信号的实时处理成为可能，采用DSP处理的频域数字脉冲压缩具有处理速度高、工作稳定、重复性好、灵活性高的优点。

所以，在仿真中对于线性调频信号在频域进行压缩。

线性调频信号脉冲压缩后的旁瓣较高，最大旁瓣为13.2dB，一般不能满足系统要求，常采取窗函数抑制旁瓣，可根据对旁瓣和主瓣宽度的要求选择窗函数，其中海明窗较为常用。

加窗处理同样可在时域进行也可在频域进行，对于时宽带宽积较大的信号时域和频域加窗效果接近，但时宽带宽积较小的信号时域加窗的效果优于频域加窗，所以仿真中采用时域加窗频域压缩的方法。

图5.6为线性调频信号脉冲压缩处理的流程框图。

图5.6线性调频信号脉压处理框图

由于线性信号存在距离速度祸合，当目标回波中存在多普勒频率时，经脉冲压缩后会产生距离误差。

多普勒频率大于零时脉冲压缩后的主瓣向左偏移，即距离变小，多普勒频率小于零时脉冲压缩后的主瓣向右偏移，即距离变大。

在精密跟踪雷达中需进行误差补偿，用于补偿由于目标的运动引起的测距误差。

误差补偿模型仅适用于单目标环境，而且仅是在雷达工作在跟踪状态时才做误差补偿，雷达工作在搜索状态时不做误差补偿处理。

图5.7线性调频信号脉冲压缩处理结果

5.4、巴克码信号的脉冲压缩

巴克码脉冲压缩器采用和线性调频脉冲压缩相同的方法，时域加窗频域压缩。

当不存在多普勒失谐时，巴克码经过相关处理后输出的主瓣高度等于码长N，旁瓣高度为1，即主副瓣比为N。

当采用最大长度13时，主副瓣比约为22.3dB需要抑制旁瓣以提高目标检测能力。

如果回波信号有多普勒频移，主瓣幅度下降，旁瓣幅度上升，应设法克服由多普勒失谐带来的影响。

图5.8巴克码处理过的信号

5.5、恒虚警处理

PD雷达用于机载下视或类似的条件下，由不同的地物回波所形成的杂波的强度和分布情况极为复杂。

为了在复杂的杂波环境中检测出所关心的运动目标回波，要求PD雷达必须采用某种恒虚警率（（ConstFalseAlarmRate,CFAR）处理技术，以便在杂波环境变化时，防止雷达的虚警概率发生太大的变化，同时保证一定的检测概率。

同常规脉冲雷达不同，PD雷达一般是在经过多普勒滤波后在频域进行检测，因此PD雷达所采用的CFAR处理方式也有所不同。

参量法CFAR处理是基于数理统计中的参数估计理论，它的前提是要知道杂波幅度分布的类型，未知的只是分布函数中的参数。

对于不同的杂波分布类型，实现CFAR处理的方法也不同，但他们的基本思想是一样的，即在假设检测单元附近各背景单元的杂波输出为独立同分布的前提下，通过处理各背景单元的输出而对杂波分布中的参数进行估计，然后构造一个分布不依赖杂波强度的新的统计量去与门限比较，从而达到CFAR的目的。

图5.9恒虚警处理结果

雷达杂波可以看作是来自大量独立反射体的回波信号的总和。

这些回波信号的幅度和相位都是随机的，因此合成后杂波的幅度是一个随机变量，其统计特性随杂波环境的不同而变化。

若粗糙地面的散射单元是均匀的，则根据中心极限定理，合成后的杂波近似服从高斯分布，