第一篇：大作業(yè)-雷達線性調(diào)頻脈沖壓縮的原理及其MATLAB仿真(DOC)

LFM脈沖壓縮雷達仿真

西安電子科技大學(xué)

線性調(diào)頻（LFM）脈沖壓縮雷達仿真

概述：雷達工作原理

雷達是Radar（RAdio Detection And Ranging）的音譯詞，意為“無線電檢測和測距”，即利用無線電波來檢測目標(biāo)并測定目標(biāo)的位置，這也是雷達設(shè)備在最初階段的功能。它是通過發(fā)射電磁波并接收回波信號，在后端經(jīng)過信號處理將目標(biāo)的各種特性分析出來的一個復(fù)雜的系統(tǒng)。其中，雷達回波中的可用信息包括目標(biāo)斜距,角位置，相對速度以及目標(biāo)的尺寸形狀等。典型的雷達系統(tǒng)如圖1.1，它主要由發(fā)射機，天線，接收機，數(shù)據(jù)處理，定時控制，顯示等設(shè)備組成。利用雷達可以獲知目標(biāo)的有無，目標(biāo)斜距，目標(biāo)角位置，目標(biāo)相對速度等?，F(xiàn)代高分辨雷達擴展了原始雷達概念，使它具有對運動目標(biāo)(飛機，導(dǎo)彈等)和區(qū)域目標(biāo)(地面等)成像和識別的能力。雷達的應(yīng)用越來越廣泛。

圖1.1：簡單脈沖雷達系統(tǒng)框圖

一． 線性調(diào)頻（LFM）脈沖壓縮雷達原理

雷達發(fā)射機的任務(wù)是產(chǎn)生符合要求的雷達波形（Radar Waveform），然后經(jīng)饋線和收發(fā)開關(guān)由發(fā)射天線輻射出去，遇到目標(biāo)后，電磁波一部分反射，經(jīng)接收天線和收發(fā)開關(guān)由接收機接收，對雷達回波信號做適當(dāng)?shù)奶幚砭涂梢垣@知目標(biāo)的相關(guān)信息。

假設(shè)理想點目標(biāo)與雷達的相對距離為R，為了探測這個目標(biāo)，雷達發(fā)射信號s(t),電磁波以光速C向四周傳播，經(jīng)過時間RC后電磁波到達目標(biāo)，照射到目標(biāo)上的電磁波可寫成：R)。電磁波與目標(biāo)相互作用，一部分電磁波被目標(biāo)散射，被反射的電磁波為CR??s(t?)，其中?為目標(biāo)的雷達散射截面（Radar Cross Section ,簡稱RCS），反映目標(biāo)對CR電磁波的散射能力。再經(jīng)過時間RC后，被雷達接收天線接收的信號為??s(t?2)。

Cs(t?如果將雷達天線和目標(biāo)看作一個系統(tǒng)，便得到如圖1.2的等效，而且這是一個LTI（線性時不變）系統(tǒng)。

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雷達的距離：

Ri??ic

（1.9）2

這也是線性調(diào)頻（LFM）脈沖壓縮雷達的工作原理。二． 線性調(diào)頻（LFM）信號

脈沖壓縮雷達能同時提高雷達的作用距離和距離分辨率。這種體制采用寬脈沖發(fā)射以提高發(fā)射的平均功率，保證足夠大的作用距離；而接收時采用相應(yīng)的脈沖壓縮算法獲得窄脈沖，以提高距離分辨率，較好的解決雷達作用距離與距離分辨率之間的矛盾。

脈沖壓縮雷達最常見的調(diào)制信號是線性調(diào)頻（Linear Frequency Modulation）信號,接收時采用匹配濾波器（Matched Filter）壓縮脈沖。

LFM信號(也稱Chirp 信號)的數(shù)學(xué)表達式為：

tj2?(fct?Kt2)2s(t)?rect()e

(2.1)

T式中fc為載波頻率，rect()為矩形信號，tT?tt?1????????????1

（2.2）

rect()??TT?0???,??????elsewise?K?B，是調(diào)頻斜率，于是，信號的瞬時頻率為fc?Kt??(?T?t?T)，如圖2.1

22T

圖2.1 典型的chirp信號（a）up-chirp(K>0)（b）down-chirp(K<0)將2.1式中的up-chirp信號重寫為：

s(t)?S(t)e式中，j2?fct

（2.3）

tj?Kt2S(t)?rect()e

（2.4）

T

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是信號s(t)的復(fù)包絡(luò)。由傅立葉變換性質(zhì)，S(t)與s(t)具有相同的幅頻特性，只是中心頻率不同而以，因此，Matlab仿真時，只需考慮S(t)。以下Matlab程序產(chǎn)生2.4式的chirp信號，并作出其時域波形和幅頻特性，如圖2.2。>> %%線性調(diào)頻信號的程序 T=10e-6;B=30e6;K=B/T;

Fs=2*B;Ts=1/Fs;N=T/Ts;t=linspace(-T/2,T/2,N);St=exp(j*pi*K*t.^2);線性調(diào)頻信號 subplot(211)plot(t*1e6,real(St));xlabel('Time in u sec');title('Real part of chirp signal');grid on;axis tight;subplot(212)freq=linspace(-Fs/2,Fs/2,N);plot(freq*1e-6,fftshift(abs(fft(St))));xlabel('Frequency in MHz');title('Magnitude spectrum of chirp signal');grid on;axis tight;>> 仿真結(jié)果顯示：

圖2.2：LFM信號的時域波形和幅頻特性

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L=2*N-1;t1=linspace(-T,T,L);Z=abs(Sot);Z=Z/max(Z);

歸一化處理 Z=20*log10(Z+1e-6);Z1=abs(sinc(B.*t1));

辛克函數(shù)（理論波形）Z1=20*log10(Z1+1e-6);t1=t1*B;

plot(t1,Z,t1,Z1,'r.');axis([-15,15,-50,inf]);grid on;legend('emulational','sinc');xlabel('Time in sec timesitB');ylabel('Amplitude,dB');title('Chirp signal after matched filter');subplot(212)

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('Time in sec timesitB');ylabel('Amplitude,dB');title('Chirp signal after matched filter(Zoom)');仿真結(jié)果如圖3.3：

圖3.3：Chirp信號的匹配濾波

圖3.3中，時間軸進行了歸一化，（t/(1/B)?t?B）。圖中反映出理論與仿真結(jié)果吻合良好。

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第一零點出現(xiàn)在?1（即?（?11）處，此時相對幅度-13.4dB。壓縮后的脈沖寬度近似為BB1），此時相對幅度-4dB,這理論分析（圖3.2）一致。2B

上面只是對各個信號復(fù)包絡(luò)的仿真，實際雷達系統(tǒng)中，LFM脈沖的處理過程如圖3.4。

圖3.4： LFM信號的接收處理過程

雷達回波信號sr(t)（1.4式）經(jīng)過正交解調(diào)后，得到基帶信號，再經(jīng)過匹配濾波脈沖壓縮后就可以作出判決。正交解調(diào)原理如圖3.5，雷達回波信號經(jīng)正交解調(diào)后得兩路相互正交的信號I(t)和Q(t)。一種數(shù)字方法處理的的匹配濾波原理如圖3.6。

圖3.5：正交解調(diào)原理

圖3.6：一種脈沖壓縮雷達的數(shù)字處理方式

四：Matlab仿真結(jié)果

（1）任務(wù)：對以下雷達系統(tǒng)仿真。

雷達發(fā)射信號參數(shù)： 幅度：1.0 信號波形：線性調(diào)頻信號

頻帶寬度：30兆赫茲（30MHz）脈沖寬度：10微妙（20us）中心頻率：1GHz（109Hz）雷達接收方式： 正交解調(diào)接收

距離門：10Km~15Km 目標(biāo)：

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Tar1：10.5Km Tar2：11Km Tar3：12Km Tar4：12Km＋10m Tar5：13Km Tar6：13Km＋25m（2）系統(tǒng)模型：

結(jié)合以上分析，用Matlab仿真雷達發(fā)射信號，回波信號，和壓縮后的信號的復(fù)包絡(luò)特性，其載頻不予考慮（實際中需加調(diào)制和正交解調(diào)環(huán)節(jié)），仿真信號與系統(tǒng)模型如圖4.1。

圖4.1：雷達仿真等效信號與系統(tǒng)模型（3）線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達仿真程序LFM_radar

仿真程序模擬產(chǎn)生理想點目標(biāo)的回波，并采用頻域相關(guān)方法（以便利用FFT）實現(xiàn)脈沖壓縮。函數(shù)LFM_radar的參數(shù)意義如下： T：chirp信號的持續(xù)脈寬； B：chirp信號的調(diào)頻帶寬；

Rmin：觀測目標(biāo)距雷達的最近位置； Rmax：觀測目標(biāo)距雷達的最遠(yuǎn)位置；

R：一維數(shù)組，數(shù)組值表示每個目標(biāo)相對雷達的斜距； RCS：一維數(shù)組，數(shù)組值表示每個目標(biāo)的雷達散射截面。在Matlab指令窗中鍵入：

LFM_radar(10e-6,30e6,10000,15000,[10500,11000,12000,12010,13000,13025],[1,1,1,1,1,1])得到的仿真結(jié)果如圖4.2。

圖4.2：仿真