脉冲压缩雷达与匹配滤波.docx
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脉冲压缩雷达与匹配滤波
脉冲压缩雷达的仿真
脉冲压缩雷达与匹配滤波的MATLAB仿真
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学号:
一、雷达工作原理
雷达,是英文Radar的音译,源于radiodetectionandranging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葩离、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(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。
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2014-10-28
乐享科技
信息对抗技术
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信号的数学表达式:
s(0=如(;)/"""产
1()
T其他
()
其中£为载波频率,如$)为矩形信号:
rect()=i
T
0.
其中K=¥是调频斜率,信号的瞬时频率为£+如图
(图.典型的LFM信号(a)up-LFM(K>0)(b)down-LFM(K<0))
将式1改写为:
s(r)=s(°R皿
其中
是信号s(t)的复包络。
由傅立叶变换性质,S(t)与s(t)具有相同的幅频特
性,只是中心频率不同而以,因此,Matlab仿真时,只需考虑S(t)o以下Matlab程序产生)的LFM信号,并作出其时域波形和幅频特性。
%%线性调频信号的产生
%持续时间是10us
%调频调制带宽为30MHz
%调频斜率
%采样频率和采样间隔N=T/Ts;
%产生线性调频信号
T二10e-6;
B=30e6;
K=B/T;
Fs二2*B;Ts二1/Fs;
N二T/Ts;
t=linspace(~T/2,T/2,N);
St二exp(j*pi*K*t.'2);subplot(211)plot(t*le6,real(St));xlabel('时间/us');title(,LFM的时域波形');
gridon;axistight:
subplot(212)
freq=linspace(-Fs/2,Fs/2,N);
plot(freq*le~6,fftshift(abs(fft(St))));
xlabel('频率/MHz');
titleCLFM的频域特性');
gridon;axistight:
(图:
LFM信号的时域波形和频域特性)
三、压缩脉冲的匹配滤波
信号S⑴的匹配滤波器的时域脉冲响应为:
g是使滤波器物理可实现所附加的时延。
理论分析时,可令e=o,重写式,
将式代入式得:
图:
LFM信号的匹配滤波
如图,$(/)经过系统〃(/)得输出信号几⑴,
s^t)=s^tyh(i)
CDCO
=[s(u)h(t-u)du=J"h@)s(t_u)dti
-®-a
当o % 认)=f护说尹曲血 5 Sill 7uKt 当-T 合并和两式: 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/ S°(r)=TSa^KTt)rect(—)=宓(咖T(丄) 图: 匹配滤波的输出信号 如图,当JiBt二土Ji时,t=±l/B为其第一零点坐标;当JiBt二土兀/2时,t=±l/2B,习惯上,将此时的脉冲宽度定义为压缩脉冲宽度。 1°1 IBB 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, T D=_=TB I 式表明,压缩比也就是LFM信号的时宽频宽积。 由,,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)o 以下Matlab程序段仿真了图所示的过程,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二10e-6; B=30e6; K=B/T; Fs=10*B;Ts=l/Fs; N=T/Ts; t=linspace(-T/2,T/2,N); St二exp2); Ht=exp(-j*pi*K*t.2); Sot=conv(St,Ht); 器 subplot(211) L=2*N-1; tl=linspace(~T,T,L); Z=abs(Sot);Z=Z/max(Z); Z=20*logl0(Z+le-6); Zl=abs(sine(B.*tl)); Zl=20*logl0(Zl+le-6); tl=tl*B; plot(tl,Z,tl,Zl,'r.'); axis([-15,15,-50,inf]): gridon; legend(*仿真',’sinc,); %产生线性调频信号 %匹配滤波器 %线性调频信号经过匹配滤波 %归一化 %sinc函数 xlabelC时间sec\times\itB');ylabel('振幅,dB'); titleC线性调频信号经过匹配滤波器'); subplot(212)%放大 N0=3*Fs/B; t2二-N0*Ts: Ts: N0*Ts; t2二B*t2; plot(t2,Z(N-N0: N+N0),t2,Z1(N-N0: N+N0),‘r.'); axis([~inf,inf,-50,inf]);gridon; set(gca,'Ytick',[,-4,0],'Xtick',[-3,-2,-1,,0,,1,2,3]); xlabel(? 时间sec\times\itB,); ylabel('振幅,dB'); titleC线性调频信号经过匹配滤波器(放大)’); 结果: 图: 线性调频信号的匹配滤波 上图中,时间轴进行了归一化,(t/(l/B)二txB)o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。 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)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: 信号波形: 线性调频信号 频带宽度: 30MHz 脉冲宽度: 10us 中心频率: lGHzHz 雷达接收方式: 正交解调接收 距离门: 10Km"15Km 目标: Tarl: 10.5Km Tar2: llKm Tar3: 12Km Tar4: 12Kni+5m Tar5: 13Km Tar6: 13Km+2m 2.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: 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,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],[1,1,1,1,1,11) 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,也为我以后学习雷达专业提供了一种可靠的方法。 六、附录 Matlab代码() %%脉冲压缩雷达仿真 functionLFM_radar(T,B,Rmin,Rmax,R,RCS) ifnargin—0 %脉冲持续时间lOus %频带宽度30MHz T二10e-6; B=30e6; R二[10500,11000,12000,12008,13000,13002];%目标位置 RCS二[111111];%雷达散射面 end %%参数设定 C二3e8; %设定速度为光速 K二B/T; %调频斜率 Rwid二Rmax-Rmin; %距离 Twid二2*Rwid/C; %时间 Fs二5*B;Ts二1/Fs; %采样频率和采样间隔 Nwid=ceil(Twid/Ts); 眺回波 t=linspace(2*Rmin/C,2*Rmax/C,Nwid);%接收范I韦I(2*Rmin/C <2*Rmax/C) M二length(R);%目标数量 td=ones(M,l)*t-2*R'/Clones(1,Nwid); Srt二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); %雷达回波的fft计 Srw=fft(Srt,Nfft); tO=linspace(-T/2,T/2,Nchirp); %线性调频信号 %线性调频信号的fft %脉冲压缩后的 St=exp(j*pi*K*tO.2); Sw=fft(St,Nfft); 计算 Sot=fftshift(ifft(Srw.*conj(Sw))); 信号 NO=Nfft/2-Nchirp/2; Z=abs(Sot(N0: N0+Nwid-l)); Z=Z/max(Z); Z=20*logl0(Z+le-6); %产生图像 subplot(211) plot(t*le6,real(Srt));axistight;xlabel(*时间/s');ylabel('振幅')titleC无压缩的雷达回波');subplot(212) plot(t*C/2,Z) axis([10000,15000,-60,0]); xlabelC距离/m*)jylabelC振幅/dB') titleC压缩后的雷达回波');
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- 关 键 词:
- 脉冲 压缩 雷达 匹配 滤波