雷達(dá)測速與測距

1、雷達(dá)測速與測距 GZH 2016/3/29系統(tǒng)流程圖模塊分析1 脈沖壓縮1.1 原理分析雷達(dá)的基本功能是利用目標(biāo)對電磁波的散射而發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并測定目標(biāo)的空間位置。雷達(dá)分辨力是雷達(dá)的主要性能參數(shù)之一。所謂雷達(dá)分辨力是指在各種目標(biāo)環(huán)境下區(qū)分兩個(gè)或兩個(gè)以上的鄰近目標(biāo)的能力。一般說來目標(biāo)距離不同、方位角不同、高度不同以及速度不同等因素都可用來分辨目標(biāo)，而與信號波形緊密聯(lián)系的則是距離分辨力和速度(徑向)分辨力。兩個(gè)目標(biāo)在同一角度但處在不同距離上，其最小可區(qū)分的距離稱為距離分辨力，雷達(dá)的距離分辨力取決于信號帶寬。對于給定的雷達(dá)系統(tǒng)，可達(dá)到的距離分辨力為 r=c2B （1.1）其中c為光速，B=f為發(fā)射波形帶

2、寬。雷達(dá)的速度分辨率可用速度分辨常數(shù)表征，信號在時(shí)域上的持續(xù)寬度越大，在頻域上的分辨率能力就越好，即速度分辨率越好。對于簡單的脈沖雷達(dá)，B=f=1/，此處，為發(fā)射脈沖寬度。因此，對于簡單的脈沖雷達(dá)系統(tǒng)，將有r=c2 （1.2）在普通脈沖雷達(dá)中，由于信號的時(shí)寬帶寬積為一常數(shù)（約為1），因此不能兼顧距離分辨力和速度分辨力兩項(xiàng)指標(biāo)。雷達(dá)對目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)觀測的空域叫做雷達(dá)的探測范圍，也是雷達(dá)的重要性能數(shù)，它決定于雷達(dá)的最小可測距離和最大作用距離，仰角和方位角的探測范圍。而發(fā)射功率的大小影響作用距離，功率大則作用距離大。發(fā)射功率分脈沖功率和平均功率。雷達(dá)在發(fā)射脈沖信號期間t內(nèi)所輸出的功率稱脈沖功率，用Pt

3、表示；平均功率是指一個(gè)重復(fù)周期Tr內(nèi)發(fā)射機(jī)輸出功率的平均值，用Pav表示。它們的關(guān)系為Pt=PavTr （1.3）脈沖壓縮（PC）雷達(dá)體制在雷達(dá)脈沖峰值受限的情況下，通過發(fā)射寬脈沖而獲得高的發(fā)能量，以保證足夠的最大作用距離，而在接收時(shí)則采用相應(yīng)的脈沖壓縮法獲得窄脈沖，以提高距離分辨力，因而能較好地解決作用距離與分辨能力之間的矛盾。在脈沖壓縮系統(tǒng)中，發(fā)射波形往往在相位上或頻域上進(jìn)行調(diào)制，接收時(shí)將回波信號加以壓縮，使其等效帶寬B滿足B=f1/。令0=1/B,則r=c20 （1.4）（1.4）式中，0表示經(jīng)脈沖壓縮后的有效脈寬。因此脈沖壓縮雷達(dá)可用寬度的發(fā)射脈沖來獲得相當(dāng)于發(fā)射有效寬度為0的簡單脈沖

4、系統(tǒng)的距離分辨力。發(fā)射脈沖寬度跟系統(tǒng)有效（經(jīng)壓縮的）脈沖寬度0的比值便成為脈沖壓縮比，即D=0 （1.5）則D=B* （1.6）輸入信號形式為st=A*recttT*ej2f0t+jt22 （1.7）其中recttT矩形函數(shù)，當(dāng)|tT|12時(shí)為1其他情況為0。實(shí)踐中st=recttT*ejt22 （1.8）系統(tǒng)采用匹配濾波ht=s*(t0-t) （1.9）輸出為so(t)=h(t)s(t) （1.10）1.2 仿真結(jié)果雷達(dá)發(fā)射信號為LFM信號，脈沖寬度為Tp=10e-6，信號帶寬為B=4e6，脈沖重復(fù)周期為T=100e-6，因此脈沖占空比為0.1，采樣頻率為fs=5e6。時(shí)寬帶寬積為D=Tp*

5、B。發(fā)射信號波形如下：圖1.1 LFM信號時(shí)域波形和頻譜圖1.2 chirp信號發(fā)射信號為16個(gè)脈沖，在經(jīng)過延時(shí)和加入噪聲后得到回波信號如下：圖1.3 完整回波信號從圖中可看出，回波信號在每個(gè)脈沖重復(fù)周期中有3個(gè)脈沖，表示目標(biāo)個(gè)數(shù)為3。圖1.4 回波信號的一個(gè)周期在仿真過程中，給回波加入一定的高斯噪聲，使仿真更接近實(shí)際。圖1.5 噪聲信號圖1.6 一個(gè)周期回波信號加噪聲在接收到回波后，用Hamming窗進(jìn)行濾波，然后再進(jìn)行匹配濾波。這樣可濾除部分雜波信號。圖1.7（a） 脈壓后輸出波形圖1.7（b） 脈壓后輸出波形 從圖中可明顯看到3個(gè)尖峰，每個(gè)尖峰代表一個(gè)目標(biāo)回波。2 三脈沖非遞歸MTI2.

6、1 原理分析當(dāng)雜波和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波在雷達(dá)顯示器上同時(shí)顯示時(shí)，會(huì)使目標(biāo)的觀察變得很困難。如果目標(biāo)處在強(qiáng)雜波背景內(nèi)，弱的目標(biāo)淹沒在強(qiáng)雜波中，特別是當(dāng)強(qiáng)雜波使接收機(jī)發(fā)生過載時(shí)，將很難發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。目標(biāo)回波和雜波在時(shí)間域上難以區(qū)分，但由于目標(biāo)的速度遠(yuǎn)大于背景的速度，目標(biāo)回波的多普勒頻移遠(yuǎn)大于背景的多普勒頻移，從而可在頻域上區(qū)分目標(biāo)與雜波。動(dòng)目標(biāo)顯示濾波器（MTI）利用運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波和雜波在頻譜上的區(qū)別，有效地抑制雜波而提取信號。在雷達(dá)上加裝MTI濾波器，大大的改善了雷達(dá)在強(qiáng)雜波背景中檢測運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的能力。在相位檢波器輸出端，固定目標(biāo)的回波是一串振幅不變的脈沖，而運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波是一串振幅調(diào)制的脈沖。在把回波信號送

7、到終端顯示器前，必須先消除固定目標(biāo)回波。最直接的方法是將相鄰重復(fù)周期的回波信號相減，則固定目標(biāo)回波由于振幅不變而互相抵消，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波相減后剩下相鄰重復(fù)周期振幅變化的部分。傳統(tǒng)的MTI濾波器有兩種形式：非遞歸形和遞歸形。這里介紹非遞歸形。不帶反饋的濾波器稱為非遞歸型濾波器。下面以一次對消器為例進(jìn)行說明。一次對消器，即二脈沖對消。其結(jié)構(gòu)圖如圖2.1（a），對消器的輸入X(z)相位檢波器的輸出信號。它是一個(gè)單零點(diǎn)系統(tǒng)，零點(diǎn)位置在，令，即在Z平面上是單位圓。由相位檢波器輸出的脈沖包絡(luò)為 （2.1）為回波與基準(zhǔn)電壓之間的相位差 （2.2）回波信號按重復(fù)周期出現(xiàn)，將回波信號延遲一周期后，其包絡(luò)是 （2.

8、3） （2.4）輸出包絡(luò)為一多普勒頻率的正弦信號，其頻率為 （2.5）為多普勒頻率的函數(shù)。當(dāng)（n=1,2,3,）時(shí)，輸出振幅為零。這時(shí)的目標(biāo)速度正相當(dāng)于盲速，盲速是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波在相位檢波器的輸出端與固定目標(biāo)回波相同，因而經(jīng)對消設(shè)備后輸出為零。下面從頻率域來說明對消器的工作原理。對消器的輸出為 （2.6）對消器的頻率響應(yīng)特性為 （2.7）圖2.2 對消器的頻率響應(yīng)對消器等效于一個(gè)梳狀濾波器，其頻率特性在各點(diǎn)處均為零。固定目標(biāo)頻譜的特點(diǎn)是它的譜線位于點(diǎn)上，因而在理想情況下，通過對消器后輸出為零。當(dāng)目標(biāo)的多普勒頻率為重復(fù)頻率的整數(shù)倍時(shí)，其頻譜結(jié)構(gòu)也有相同的特點(diǎn)，故通過上述梳狀濾波器后無輸出。2.2

9、仿真結(jié)果本次仿真用的是三脈沖非遞歸MTI，其頻響和二脈沖非遞歸MTI類似，三脈沖對消相比二脈沖對消能明顯改善零多普勒附近的凹口寬度。在進(jìn)過三脈沖對消后，固定目標(biāo)多普勒頻率為零，將被濾除圖2.3（a） MTI輸出圖2.3（b） MTI輸出在參數(shù)設(shè)定時(shí)，設(shè)定有三個(gè)目標(biāo)，距離分別為4000米、8000米、12000米，其對應(yīng)的徑向速度為0、35m/s、85m/s。所以經(jīng)過MTI后，4000出目標(biāo)回波被濾除，仿真結(jié)果與理論分析一致。3 MTD3.1 原理分析早期的動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)性能不高，其改善因子一般在20dB左右。隨著在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)的改進(jìn)、數(shù)字技術(shù)的提高，主要依靠信號處理的潛在能力，MTI雷達(dá)

10、的性能還將進(jìn)一步的改善和提高：增大信號處理的線性動(dòng)態(tài)范圍；增加一組多普勒濾波器，使之更接近于最佳濾波，提高改善因子；能抑制地雜波（其平均多普勒頻移通常為零）且能同時(shí)抑制運(yùn)動(dòng)雜波（如云雨、鳥群、箔條等）；增加一個(gè)或多個(gè)雜波圖，可有幫助檢測切向飛行大目標(biāo)等作用；做了上述改進(jìn)的系統(tǒng)稱之為動(dòng)目標(biāo)檢測（MTD）系統(tǒng)。這里介紹的多普勒濾波器組就是一種MTD濾波器。根據(jù)最佳濾波理論，當(dāng)雜波功率譜和信號頻譜已知時(shí)，最佳濾波器的頻響是： （3.1）式中，是使濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)而附加的延遲時(shí)間，式(3.1)的濾波器可分成兩個(gè)級聯(lián)的濾波器和其傳遞函數(shù)形式為： （3.2）式中，為單個(gè)脈沖的匹配濾波器，通常在接收機(jī)中放實(shí)現(xiàn)

11、，是對相參脈沖串進(jìn)行匹配，它利用了回波脈沖串的相參性進(jìn)行相參積累。是梳齒形濾波器，齒的間隔為脈沖重復(fù)頻率，如圖3.1(b)中0號濾波器；齒的位置取決于回波信號的多普勒頻移，而齒的寬度應(yīng)和回波譜線的寬度一致。由于實(shí)際中不能預(yù)知，因此要用一組鄉(xiāng)里且部分重疊的濾波器組(如圖3.1(b)中0-7號濾波器)，覆蓋整個(gè)多普勒頻率范圍，這就是多普勒濾波器組所要完成的功效。輸入N個(gè)脈沖的橫向?yàn)V波器組有N-1根延遲線，每根延遲時(shí)間，經(jīng)過各脈沖不同的加權(quán)并求和后，可以做成N個(gè)相鄰的窄帶濾波器組，頻率覆蓋0到。如果要同時(shí)得到N個(gè)濾波器的響應(yīng)，則在圖3.2中橫向?yàn)V波器的每一抽頭應(yīng)該有N個(gè)分開的輸出并相應(yīng)的加權(quán)。 設(shè)加

12、在第k個(gè)濾波器的第i個(gè)輸出端頭的加權(quán)值為： （3.3）k表示標(biāo)號從0到N-1的濾波器,每一個(gè)k值對應(yīng)一組不同的加權(quán)值，相應(yīng)地對應(yīng)一個(gè)不同的多普勒濾波器響應(yīng)。圖3.1(b)中所示濾波器響應(yīng)是N=8時(shí)按式(3.3)加權(quán)所得各標(biāo)記k的濾波器頻率響應(yīng)，k取0-7。第2個(gè)濾波器，即當(dāng)k=1時(shí)，峰值響應(yīng)產(chǎn)生在,以及， k取其他值，可以此類推。可寫出橫向?yàn)V波器按式(6.5.38)加權(quán)時(shí)的脈沖響應(yīng)及其頻響函數(shù)： (3.4) (3.5)濾波器振幅特性: (3.6)濾波器峰值產(chǎn)生于。0號濾波器的中心位置在零頻以及重復(fù)頻率的整數(shù)倍處，通過沒有多普勒頻移的雜波，因此對地雜波沒有抑制能力。所以MTD濾波器常常和MTI濾

13、波器配合使用。 用橫向?yàn)V波器實(shí)現(xiàn)窄帶濾波器可不采用式(3.3)所示的權(quán)值，而是根據(jù)特定的需要靈活地選用不同的加權(quán)矢量，可以根據(jù)不同頻率處設(shè)置特性相異的濾波器。每個(gè)濾波器都有一定的副瓣，幅瓣的大小決定著雜波抑制能力的大小。為了壓低副瓣，一般都需要對數(shù)據(jù)做加窗處理。目前常用的窗函數(shù)有矩形窗、三角形窗、Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗、Gaussian窗、Kaiser窗、Bartlett窗。3.2 仿真結(jié)果圖3.3 MTD輸出由圖3.3得出，在地5通道和第12通道有輸出，對應(yīng)的通道中心徑向速度為:38m/s, 91m/s。實(shí)際速度為35m/s、85m/s。4 恒虛警率檢測4.1 原理分析在現(xiàn)代雷達(dá)信號處理中，為了提高雷達(dá)的性能，首先需要提高檢測器輸入端的信噪比及信干比，其措施是降低接收機(jī)的噪聲系數(shù)，采用各種抑制雜波和抗干擾的措施等。但是即使采用了上述方法，檢測器輸入端還會(huì)有噪聲、雜波和干擾