雷达测速与测距.docx

1、雷达测速与测距GZH 2016/3/29系统流程图噪 声+ 杂 波延 时 多 普 勒频 移输 入chirp信 号匹 配 滤 波 3脉 冲 非 递 MTD CFAR检 测模块分析1 脉冲压缩1.1 原理分析雷 达 的 基 本 功 能 是 利 用 目 标 对 电 磁 波 的 散 射 而 发 现 目 标 ， 并 测 定 目 标 的 空间 位 置 。 雷 达 分 辨 力 是 雷 达 的 主 要 性 能 参 数 之 一 。 所 谓 雷 达 分 辨 力 是 指 在 各种 目 标 环 境 下 区 分 两 个 或 两 个 以 上 的 邻 近 目 标 的 能 力 。 一 般 说 来 目 标 距 离 不同 、 方

2、 位 角 不 同 、 高 度 不 同 以 及 速 度 不 同 等 因 素 都 可 用 来 分 辨 目 标 ， 而 与 信号 波 形 紧 密 联 系 的 则 是 距 离 分 辨 力 和 速 度 (径 向 )分 辨 力 。 两 个 目 标 在 同 一 角度 但 处 在 不 同 距 离 上 ， 其 最 小 可 区 分 的 距 离 称 为 距 离 分 辨 力 ， 雷 达 的 距 离 分辨 力 取 决 于 信 号 带 宽 。 对 于 给 定 的 雷 达 系 统 ， 可 达 到 的 距 离 分 辨 力 为（ 1.1）=2其 中 c 为 光 速 ， 为 发 射 波 形 带 宽 。=雷 达 的 速 度 分 辨

3、 率 可 用 速 度 分 辨 常 数 表 征 ， 信 号 在 时 域 上 的 持 续 宽 度 越 大 ，在 频 域 上 的 分 辨 率 能 力 就 越 好 ， 即 速 度 分 辨 率 越 好 。对 于 简 单 的 脉 冲 雷 达 ， ， 此 处 ， 为 发 射 脉 冲 宽 度 。 因 此 ， 对=1/ 于 简 单 的 脉 冲 雷 达 系 统 ， 将 有（ 1.2）=2在 普 通 脉 冲 雷 达 中 ， 由 于 信 号 的 时 宽 带 宽 积 为 一 常 数 （ 约 为 1） ， 因 此 不能 兼 顾 距 离 分 辨 力 和 速 度 分 辨 力 两 项 指 标 。雷 达 对 目 标 进 行 连

4、续 观 测 的 空 域 叫 做 雷 达 的 探 测 范 围 ， 也 是 雷 达 的 重 要性 能 数 ， 它 决 定 于 雷 达 的 最 小 可 测 距 离 和 最 大 作 用 距 离 ， 仰 角 和 方 位 角 的 探测 范 围 。 而 发 射 功 率 的 大 小 影 响 作 用 距 离 ， 功 率 大 则 作 用 距 离 大 。 发 射 功 率分 脉 冲 功 率 和 平 均 功 率 。 雷 达 在 发 射 脉 冲 信 号 期 间 内 所 输 出 的 功 率 称 脉 冲 功率 ， 用 Pt 表 示 ； 平 均 功 率 是 指 一 个 重 复 周 期 Tr 内 发 射 机 输 出 功 率 的

5、平 均 值 ，用 Pav 表 示 。 它 们 的 关 系 为（ 1.3）=脉 冲 压 缩 （ PC） 雷 达 体 制 在 雷 达 脉 冲 峰 值 受 限 的 情 况 下 ， 通 过 发 射 宽 脉冲 而 获 得 高 的 发 能 量 ， 以 保 证 足 够 的 最 大 作 用 距 离 ， 而 在 接 收 时 则 采 用 相 应的 脉 冲 压 缩 法 获 得 窄 脉 冲 ， 以提高 距 离 分 辨 力 ， 因 而 能 较 好 地 解 决 作 用 距 离与 分 辨 能 力 之 间 的 矛 盾 。在 脉 冲 压 缩 系 统 中 ， 发 射 波 形 往 往 在 相 位 上 或 频 域 上 进 行 调 制

6、 ， 接 收 时将 回 波 信 号 加 以 压 缩 ， 使 其 等 效 带 宽 B 满 足 。 令 ,则=1/ 0=1/（ 1.4）=20（ 1.4） 式 中 ， 表 示 经 脉 冲 压 缩 后 的 有 效 脉 宽 。 因 此 脉 冲 压 缩 雷 达 可 用0宽 度 的 发 射 脉 冲 来 获 得 相 当 于 发 射 有 效 宽 度 为 的 简 单 脉 冲 系 统 的 距 离 分 辨 0力 。 发 射 脉 冲 宽 度 跟 系 统 有 效 （ 经 压 缩 的 ） 脉 冲 宽 度 的 比 值 便 成 为 脉 冲 压 0缩 比 ， 即（ 1.5）=0则（ 1.6）=输 入 信 号 形 式 为（ 1.

7、7）()=（） *20+22其 中 矩 形 函 数 ， 当 时 为 1 其 他 情 况 为 0。 实 践 中（） |12（ 1.8）()=（） *22系 统 采 用 匹 配 滤 波（ 1.9）()=*(0-)输 出 为（ 1.10）()=()()1.2 仿真结果雷 达 发 射 信 号 为 LFM 信 号 ， 脉 冲 宽 度 为 Tp=10e-6， 信 号 带 宽 为B=4e6， 脉 冲 重 复 周 期 为 T=100e-6， 因 此 脉 冲 占 空 比 为 0.1， 采 样 频 率 为fs=5e6。时 宽 带 宽 积 为 D=Tp*B。 发 射 信 号 波 形 如 下 ：图 1.1 LFM 信

8、 号 时 域 波 形 和 频 谱图 1.2 chirp 信 号发 射 信 号 为 16 个 脉 冲 ， 在 经 过 延 时 和 加 入 噪 声 后 得 到 回 波 信 号 如 下 ：图 1.3 完 整 回 波 信 号从 图 中 可 看 出 ， 回 波 信 号 在 每 个 脉 冲 重 复 周 期 中 有 3 个 脉 冲 ， 表 示目 标 个 数 为 3。图 1.4 回 波 信 号 的 一 个 周 期在 仿 真 过 程 中 ， 给 回 波 加 入 一 定 的 高 斯 噪 声 ， 使 仿 真 更 接 近 实 际 。图 1.5 噪 声 信 号图 1.6 一 个 周 期 回 波 信 号 加 噪 声在 接

9、 收 到 回 波 后 ， 用 Hamming 窗 进 行 滤 波 ， 然 后 再 进 行 匹 配 滤 波 。这 样 可 滤 除 部 分 杂 波 信 号 。图 1.7（ a） 脉 压 后 输 出 波 形图 1.7（ b） 脉 压 后 输 出 波 形 从 图 中 可 明 显 看 到 3 个 尖 峰 ， 每 个 尖 峰 代 表 一 个 目 标 回 波 。2 三脉冲非递归 MTI2.1 原理分析当 杂 波 和 运 动 目 标 回 波 在 雷 达 显 示 器 上 同 时 显 示 时 ， 会 使 目 标 的 观 察 变 得很 困 难 。 如 果 目 标 处 在 强 杂 波 背 景 内 ， 弱 的 目 标

10、淹 没 在 强 杂 波 中 ， 特 别 是 当强 杂 波 使 接 收 机 发 生 过 载 时 ， 将 很 难 发 现 目 标 。 目 标 回 波 和 杂 波 在 时 间 域 上难 以 区 分 ， 但 由 于 目 标 的 速 度 远 大 于 背 景 的 速 度 ， 目 标 回 波 的 多 普 勒 频 移 远大 于 背 景 的 多 普 勒 频 移 ， 从 而 可 在 频 域 上 区 分 目 标 与 杂 波 。 动 目 标 显 示 滤 波器 （ MTI） 利 用 运 动 目 标 回 波 和 杂 波 在 频 谱 上 的 区 别 ， 有 效 地 抑 制 杂 波 而 提 取信 号 。 在 雷 达 上 加

11、装 MTI 滤 波 器 ， 大 大 的 改 善 了 雷 达 在 强 杂 波 背 景 中 检 测 运动 目 标 的 能 力 。在 相 位 检 波 器 输 出 端 ， 固 定 目 标 的 回 波 是 一 串 振 幅 不 变 的 脉 冲 ， 而 运 动 目标 的 回 波 是 一 串 振 幅 调 制 的 脉 冲 。 在 把 回 波 信 号 送 到 终 端 显 示 器 前 ， 必 须 先消 除 固 定 目 标 回 波 。 最 直 接 的 方 法 是 将 相 邻 重 复 周 期 的 回 波 信 号 相 减 ， 则 固定 目 标 回 波 由 于 振 幅 不 变 而 互 相 抵 消 ， 运 动 目 标 回 波

12、 相 减 后 剩 下 相 邻 重 复 周期 振 幅 变 化 的 部 分 。传 统 的 MTI 滤 波 器 有 两 种 形 式 ： 非 递 归 形 和 递 归 形 。 这 里 介 绍 非 递 归 形 。不 带 反 馈 的 滤 波 器 称 为 非 递 归 型 滤 波 器 。 下 面 以 一 次 对 消 器 为 例 进 行 说 明 。一 次 对 消 器 ， 即 二 脉 冲 对 消 。 其 结 构 图 如 图 2.1（ a） ， 对 消 器 的 输 入X(z)相 位 检 波 器 的 输 出 信 号 。 它 是 一 个 单 零 点 系 统 ， 零 点 位 置 在 ， 令1z， 即 在 Z 平 面 上 是

13、 单 位 圆 。sjjTe由 相 位 检 波 器 输 出 的 脉 冲 包 络 为)(cos)(0tUtu（ 2.1）为 回 波 与 基 准 电 压 之 间 的 相 位 差000)(2)( tcvRtt drr（ 2.2）回 波 信 号 按 重 复 周 期 出 现 ， 将 回 波 信 号 延 迟 一 周 期 后 ， 其 包 络 是rT（2.3）)(cos)(00 rdTtUtu（2.4）0 2in2sirdu输 出 包 络 为 一 多 普 勒 频 率 的 正 弦 信 号 ， 其 频 率 为（2.5）2sin0rdTU为 多 普 勒 频 率 的 函 数 。 当 （ n=1,2,3,） 时 ， 输

14、出 振 幅 为 零 。rd这 时 的 目 标 速 度 正 相 当 于 盲 速 ， 盲 速 是 运 动 目 标 回 波 在 相 位 检 波 器 的 输 出 端与 固 定 目 标 回 波 相 同 ， 因 而 经 对 消 设 备 后 输 出 为 零 。下 面 从 频 率 域 来 说 明 对 消 器 的 工 作 原 理 。 对 消 器 的 输 出 为)1(0rTjieu（2.6）对 消 器 的 频 率 响 应 特 性 为（2.7）)2(0 sinsi)co1()( rr fTjrrTji efTjeujH 图 2.2 对 消 器 的 频 率 响 应对 消 器 等 效 于 一 个 梳 状 滤 波 器 ，

15、 其 频 率 特 性 在 各 点 处 均 为 零 。 固rnf定 目 标 频 谱 的 特 点 是 它 的 谱 线 位 于 点 上 ， 因 而 在 理 想 情 况 下 ， 通 过 对 消 器rnf后 输 出 为 零 。 当 目 标 的 多 普 勒 频 率 为 重 复 频 率 的 整 数 倍 时 ， 其 频 谱 结 构 也 有相 同 的 特 点 ， 故 通 过 上 述 梳 状 滤 波 器 后 无 输 出 。2.2 仿真结果本 次 仿 真 用 的 是 三 脉 冲 非 递 归 MTI， 其 频 响 和 二 脉 冲 非 递 归 MTI 类 似 ， 三脉 冲 对 消 相 比 二 脉 冲 对 消 能 明 显

16、 改 善 零 多 普 勒 附 近 的 凹 口 宽 度 。 在 进 过 三 脉冲 对 消 后 ， 固 定 目 标 多 普 勒 频 率 为 零 ， 将 被 滤 除图 2.3（ a） MTI 输 出图 2.3（ b） MTI 输 出在 参 数 设 定 时 ， 设 定 有 三 个 目 标 ， 距 离 分 别 为 4000 米 、 8000 米 、 12000米 ， 其 对 应 的 径 向 速 度 为 0、 35m/s、 85m/s。 所 以 经 过 MTI 后 ， 4000 出 目 标回 波 被 滤 除 ， 仿 真 结 果 与 理 论 分 析 一 致 。3 MTD3.1 原理分析早 期 的 动 目 标

17、 显 示 雷 达 性 能 不 高 ， 其 改 善 因 子 一 般 在 20dB 左 右 。 随 着 在系 统 设 计 与 实 现 技 术 的 改 进 、 数 字 技 术 的 提 高 ， 主 要 依 靠 信 号 处 理 的 潜 在 能力 ， MTI 雷 达 的 性 能 还 将 进 一 步 的 改 善 和 提 高 ： 增 大 信 号 处 理 的 线 性 动 态 范 围 ； 增 加 一 组 多 普 勒 滤 波 器 ， 使 之 更 接 近 于 最 佳 滤 波 ， 提 高 改 善 因 子 ； 能 抑 制 地 杂 波 （ 其 平 均 多 普 勒 频 移 通 常 为 零 ） 且 能 同 时 抑 制 运 动

18、杂 波（ 如 云 雨 、 鸟 群 、 箔 条 等 ） ； 增 加 一 个 或 多 个 杂 波 图 ， 可 有 帮 助 检 测 切 向 飞 行 大 目 标 等 作 用 ；做 了 上 述 改 进 的 系 统 称 之 为 动 目 标 检 测 （ MTD） 系 统 。 这 里 介 绍 的 多 普 勒滤 波 器 组 就 是 一 种 MTD 滤 波 器 。根 据 最 佳 滤 波 理 论 ， 当 杂 波 功 率 谱 和 信 号 频 谱 已 知 时 ， 最 佳 滤()Cf()Sf波 器 的 频 响 是 ：（ 3.1）-2*()sjftSeHf式 中 ， 是 使 滤 波 器 能 够 实 现 而 附 加 的 延

19、迟 时 间 ， 式 (3.1)的 滤 波 器 可 分st成 两 个 级 联 的 滤 波 器 和 其 传 递 函 数 形 式 为 ：1()f2()f（ 3.2）22f式 中 ， 为 单 个 脉 冲 的 匹 配 滤 波 器 ， 通 常 在 接 收 机 中 放 实 现 ，1()H是 对 相 参 脉 冲 串 进 行 匹 配 ， 它 利 用 了 回 波 脉 冲 串 的 相 参 性 进 行 相 参 积2()f累 。 是 梳 齿 形 滤 波 器 ， 齿 的 间 隔 为 脉 冲 重 复 频 率 ， 如 图 3.1(b)中 0rf号 滤 波 器 ； 齿 的 位 置 取 决 于 回 波 信 号 的 多 普 勒 频

20、 移 ， 而 齿 的 宽 度 应 和 回 波 谱线 的 宽 度 一 致 。 由 于 实 际 中 不 能 预 知 ， 因 此 要 用 一 组 乡 里 且 部 分 重 叠 的 滤df波 器 组 (如 图 3.1(b)中 0-7 号 滤 波 器 )， 覆 盖 整 个 多 普 勒 频 率 范 围 ， 这 就 是 多普 勒 滤 波 器 组 所 要 完 成 的 功 效 。输 入 N 个 脉 冲 的 横 向 滤 波 器 组 有 N-1 根 延 迟 线 ， 每 根 延 迟 时 间 ，1rrTf经 过 各 脉 冲 不 同 的 加 权 并 求 和 后 ， 可 以 做 成 N 个 相 邻 的 窄 带 滤 波 器 组

21、 ， 频 率覆 盖 0 到 。 如 果 要 同 时 得 到 N 个 滤 波 器 的 响 应 ， 则 在 图 3.2 中 横 向 滤 波 器rf的 每 一 抽 头 应 该 有 N 个 分 开 的 输 出 并 相 应 的 加 权 。 设 加 在 第 k 个 滤 波 器 的 第 i 个 输 出 端 头 的 加 权 值 为 ：（3.3）2(1),2,jikNikweik 表 示 标 号 从 0 到 N-1 的 滤 波 器 ,每 一 个 k 值 对 应 一 组 不 同 的 加 权 值 ， 相应 地 对 应 一 个 不 同 的 多 普 勒 滤 波 器 响 应 。 图 3.1(b)中 所 示 滤 波 器 响

22、 应 是 N=8时 按 式 (3.3)加 权 所 得 各 标 记 k 的 滤 波 器 频 率 响 应 ， k 取 0-7。 第 2 个 滤 波 器 ，即 当 k=1 时 ， 峰 值 响 应 产 生 在 ,以 及 ， k 取 其 他 值 ，8rf8rf2rf可 以 此 类 推 。可 写 出 横 向 滤 波 器 按 式 (6.5.38)加 权 时 的 脉 冲 响 应 及 其 频 响 函 数 ：(3.4)2(1)1)NjikNkihttiTe(3.5)22(1)()NjftjifTkkiHf滤 波 器 振 幅 特 性 : (3.6)2(1)sin()()NjifTkNki fkfeTN 滤 波 器

23、峰 值 产 生 于 。 0 号 滤 波 器 的 中 心 位 置 在 零 频 以sn)f及 重 复 频 率 的 整 数 倍 处 ， 通 过 没 有 多 普 勒 频 移 的 杂 波 ， 因 此 对 地 杂 波 没 有rf抑 制 能 力 。 所 以 MTD 滤 波 器 常 常 和 MTI 滤 波 器 配 合 使 用 。用 横 向 滤 波 器 实 现 窄 带 滤 波 器 可 不 采 用 式 (3.3)所 示 的 权 值 ， 而 是 根据 特 定 的 需 要 灵 活 地 选 用 不 同 的 加 权 矢 量 ， 可 以 根 据 不 同 频 率 处 设 置 特 性 相异 的 滤 波 器 。每 个 滤 波 器

24、 都 有 一 定 的 副 瓣 ， 幅 瓣 的 大 小 决 定 着 杂 波 抑 制 能 力 的 大 小 。为 了 压 低 副 瓣 ， 一 般 都 需 要 对 数 据 做 加 窗 处 理 。 目 前 常 用 的 窗 函 数 有 矩 形 窗 、三 角 形 窗 、 Hanning 窗 、 Hamming 窗 、 Blackman 窗 、 Gaussian 窗 、 Kaiser 窗 、Bartlett 窗 。3.2 仿真结果图 3.3 MTD 输 出由 图 3.3 得 出 ， 在 地 5 通 道 和 第 12 通 道 有 输 出 ， 对 应 的 通 道 中 心 径 向 速度 为 :38m/s, 91m/

25、s。 实 际 速 度 为 35m/s、 85m/s。4 恒虚警率检测4.1 原理分析在 现 代 雷 达 信 号 处 理 中 ， 为 了 提 高 雷 达 的 性 能 ， 首 先 需 要 提 高 检 测 器 输入 端 的 信 噪 比 及 信 干 比 ， 其 措 施 是 降 低 接 收 机 的 噪 声 系 数 ， 采 用 各 种 抑 制 杂波 和 抗 干 扰 的 措 施 等 。 但 是 即 使 采 用 了 上 述 方 法 ， 检 测 器 输 入 端 还 会 有 噪 声 、杂 波 和 干 扰 的 剩 余 分 量 。 由 于 接 收 机 内 部 噪 声 电 平 因 模 拟 器 件 的 影 响 而 缓 慢

26、时 变 ， 杂 波 和 干 扰 剩 余 也 是 时 变 的 ， 且 在 空 间 非 均 匀 分 布 ， 所 以 仍 需 要 采 用各 种 恒 虚 警 方 法 来 保 证 雷 达 信 号 检 测 具 有 恒 虚 警 特 性 。杂 波 在 空 间 的 分 布 是 非 同 态 的 ， 有 些 还 是 时 变 的 ， 不 同 区 间 的 杂 波 强 度也 有 大 的 区 别 。 因 而 杂 波 背 景 下 的 恒 虚 警 检 测 器 与 噪 声 背 景 下 的 恒 虚 警 检 测器 有 着 明 显 的 差 别 ， 其 杂 波 的 平 均 值 只 能 通 过 被 检 测 点 的 邻 近 单 元 计 算 得 到 。所 以 采 用 单 元 平 均 恒 虚 警 检 测 器 。4.2 仿真结果图 4.1