雷達波形模糊圖2013專業(yè)訓(xùn)練課設(shè)報告

1、專業(yè)綜合課程設(shè)計報告課設(shè)題目：雷達波形模糊圖學(xué) 院：信息與電氣工程學(xué)院專 業(yè)：電子信息工程班 級：姓 名：學(xué) 號：指導(dǎo)教師：哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）2013年11月28日一、 設(shè)計任務(wù)模糊函數(shù)是對雷達信號進行分析研究和波形設(shè)計的有效工具, 是雷達信號理論中極為重要的一個概念。模糊函數(shù)最初是在研究雷達分辨力問題時提出的, 并從衡量兩個不同距離和不同徑向速度目標(biāo)的分辨度出發(fā)提出了模糊函數(shù)的定義。但模糊函數(shù)不僅可以說明分辨力, 還可以說明測量精度、測量模糊度以及抗干擾狀況等問題。雷達信號的模糊函數(shù)與雷達信息的提取緊密相關(guān), 它不僅涉及了雷達的精度, 還涉及了雷達的抗干擾、自適應(yīng)以及雷達信號的處理方式。

2、本次課程設(shè)計目標(biāo)是：畫出某線性調(diào)頻和相位編碼信號的模糊圖；根據(jù)模糊圖分析多普勒頻移對匹配濾波的影響；產(chǎn)生雷達回波數(shù)據(jù)并匹配濾波，根據(jù)仿真結(jié)果分析各參數(shù)對匹配濾波結(jié)果的影響。二、 方案設(shè)計2.1設(shè)計某線性調(diào)頻和相位編碼信號線性調(diào)頻波形的定義為 （1）使用復(fù)數(shù)表達式，有 （2）該波形的瞬時頻率是相位函數(shù)的微分 （3）假設(shè)，在的脈寬內(nèi)線性地掃過了整個帶寬。當(dāng)=50時，就是一個線性調(diào)頻波。2.2畫出其模糊圖并分析模糊圖的特征模糊函數(shù)是波形設(shè)計與分析的工具，它可以方便地刻畫波形與對應(yīng)匹配濾波器的特征。模糊函數(shù)在分析分辨率、副瓣性能，以及多普勒和距離模糊方面非常有用，另外也可以用于對距離-多普勒耦合的分析

3、?？紤]當(dāng)輸入為多普勒頻移響應(yīng)想時波形的匹配濾波器輸出。同時，假設(shè)濾波器具有單位增益（），并且設(shè)計為在時達到峰值。這僅僅意味著濾波器輸出端的時間軸與目標(biāo)距離期望的峰值輸出時間相關(guān)。濾波器的輸出為 （4）將其定義為復(fù)模糊函數(shù)，即的幅度函數(shù)，即 （5）它是二變量函數(shù)：一個是相對于期望匹配濾波峰值輸出的時延，另一個是為濾波器設(shè)計的多普勒頻移與實際接收的回波的多普勒頻移之間的失配。雷達信號的時間頻率二維模糊函數(shù)定義為： （6）上式不是模糊函數(shù)的唯一形式，為了分析方便，模糊函數(shù)還可以寫成卷積形式，即： （7）在程序中用上式計算雷達信號的模糊函數(shù)。模糊函數(shù)的模值平方稱為模糊圖函數(shù)，將模糊圖函數(shù)筑在平方上得到

4、的立體圖形稱為模糊圖。模糊度圖是在三維立體模糊圖最大值以下-6dB的地方，作一個與平面平行的平面，這個平面與模糊圖的交跡在投影到平面上所構(gòu)成的投影圖。模糊度圖的用途如下：它是以一個目標(biāo)作為參考，此目標(biāo)位于原點，另一個目標(biāo)的作為變量而繪制的。因此，對于能量歸一化的信號，如果另一目標(biāo)的相對值落入陰影區(qū)域外，則認(rèn)為兩個目標(biāo)可以分辨。一般圖釘形模糊函數(shù)認(rèn)為是最好的模糊函數(shù)，其特征是具有單一的中心峰值，而其他的能量則均勻分布于延時多普勒平面。狹窄的中心峰值意味著具有很高的距離或者多普勒模糊。均勻的平坦區(qū)域說明具有低的，并且均勻的旁瓣，從而可以使遮擋效應(yīng)最小化。對于為獲得距離和多普勒高分辨率，或為成像而設(shè)

5、計的系統(tǒng)來說，以上所有的特征是非常有益的。另一方面，為進行目標(biāo)搜索而采用的波形最好能允許更大的多普勒失配，從而使未知速度目標(biāo)的多普勒頻移不會由于匹配濾波器輸出響應(yīng)而過于微弱，從而影響到雷達的檢測。因此，模糊函數(shù)是否“理想”取決于波形的用途。2.3 目標(biāo)回波信號目標(biāo)是雷達檢測的物體,或者是所感興趣的對象。在對目標(biāo)回波信號進行模擬時,可以簡單地將目標(biāo)看作是點目標(biāo)。假設(shè)雷達發(fā)射的信號表示為： （8）上式中：為脈沖重復(fù)周期，為脈沖寬度，為載波頻率，為載波初相。為矩形函數(shù)。則經(jīng)目標(biāo)反射的回波信號為: （9）式(9)中: 表示目標(biāo)反射引起的相移。為目標(biāo)信號雙程延時。它的表達式為： （10）設(shè)對應(yīng)于時雷達與

6、目標(biāo)的初始距離，則。連同（10）式代入（9）式得 （11）式中：。在時間內(nèi)，目標(biāo)移動的距離，因此脈沖被展寬或壓縮量為。由于實際雷達發(fā)射的脈沖信號多為窄脈沖信號，脈沖被展寬或壓縮可以忽略。第n個脈沖對應(yīng)時刻，相應(yīng)距離記為，則第n個發(fā)射脈沖經(jīng)過目標(biāo)的往返時間近似為： （12）代入式（11），則經(jīng)目標(biāo)反射的信號形式為： （13）式(13)也即信號模擬器要模擬的目標(biāo)回波信號。2.4 匹配濾波器到目前為止，總是默認(rèn)地假設(shè)雷達接收機總的頻率響應(yīng)具有帶通特性，其帶寬大于或等于發(fā)射信號的帶寬。也就是說，一旦載波被解調(diào)，有效頻率響應(yīng)是一個帶寬與復(fù)包絡(luò)信號帶寬相等的低通濾波器。雷達的探測性能隨信噪比的提高而改善。

7、因此，我們就要考慮什么樣的接收機頻率響應(yīng)會得到最大的信噪比-SNR。考慮在特定的時刻使SNR最大，則在該時刻輸出信號分量的功率為： （14）為了計算輸出的噪聲功率，考慮白噪聲干擾，其功率譜密度為 W/Hz。那么，接收機輸出端的噪聲功率譜密度為 W/Hz，總的輸出噪聲功率為： （15）在時刻的SNR為： （16）很明顯，取決于接收機的頻率響應(yīng)。通過施瓦茲不等式可以確定使最大化的。計算通過匹配濾波器獲得的最大SNR是很有意義的，將代入式（17），有 （17）由式（17）可以計算出在SNR最大的情況下匹配濾波器。 三、 結(jié)果及分析實驗結(jié)果：圖1線性調(diào)頻信號圖2模糊函數(shù)圖3模糊函數(shù)等高線圖4時間速度模

8、糊函數(shù)對比圖5匹配濾波器輸出圖6多普勒頻移和時延對匹配濾波器輸出的影響圖7靈敏度四、 結(jié)論多普勒頻率可由下式計算： （18）式中：為目標(biāo)相對雷達的徑向速度；為發(fā)射脈沖頻率；m/s。由圖5可知：多普勒頻率為正值（目標(biāo)接近雷達），回?fù)芫坝谡鎸嵞繕?biāo)，若多普勒頻率為負(fù)值（目標(biāo)遠(yuǎn)離雷達），則回波將滯后于真實目標(biāo)。顯然，這種時間上的錯位隨著多普勒速度的增大而增大。此時雷達距離跟蹤誤差已經(jīng)很大，不滿足要求。此外，有以上各圖可見隨著多普勒速度的增大，脈沖壓縮后的信噪比逐漸降低。模糊函數(shù)在雷達中有著舉足輕重的作用，它有以下特點：作用于模糊度函數(shù)相同，信號模糊圖的峰值表征信號的能量，將其歸一化為1，信號模糊圖

9、的尖銳程度決定相關(guān)器能否分辨這兩個目標(biāo)，模糊度函數(shù)主峰的寬度既能表征分辨動目標(biāo)的能力，即多普勒分辨力又能表征單一相關(guān)器檢測動目標(biāo)的能力，即多普勒容限。多普勒失配不僅會降低峰值幅度，而且當(dāng)失配嚴(yán)重時，它將完全改變匹配濾波器距離響應(yīng)。五、 參考文獻1Matlab Simulations for Radar Systems Design, Mahafza, 20042基于MATLAB7.x的系統(tǒng)分析與設(shè)計信號處理,樓順天3雷達原理，丁鷺飛4雷達信號處理基礎(chǔ)，刑孟道等譯六、 程序附錄%- - - - 模糊函數(shù) - - -function x=lfm_ambg(taup,b,up_down)% taup

10、 脈沖寬度; % b 帶寬;%up_down=-1正斜率， up_down=1負(fù)斜率eps=0.0000001;i=0;mu=up_down*b/2./taup;for tau=-1.1*taup:.01:1.1*taup i=i+1; j=0; for fd=-b:.01:b j=j+1; val1=1-abs(tau)/taup; val2=pi*taup*(1-abs(tau)/taup); val3=(fd+mu*tau); val=val2*val3+eps; x(j,i)=abs(val1*sin(val)/val); endend %clc;sclear all;t=0:0.01

11、*pi:2*pi;x=sin(pi*0.5*(t.2);plot(t,x)axis(0 2*pi -1 1)clear allclcclftaup=1; %脈沖寬度 100usb=10; %帶寬 up_down=-1; %up_down=-1正斜率， up_down=1負(fù)斜率x=lfm_ambg(taup,b,up_down); %計算模糊函數(shù) taux=-1.1*taup:.01:1.1*taup;fdy=-b:.01:b;figure(1) mesh(100*taux,fdy./10,x) %畫模糊函數(shù)xlabel('Delay - mus')ylabel('Dop

12、pler - MHz')zlabel('| chi ( tau,fd) |')title('模糊函數(shù)')figure(2)contour(100.*taux,fdy./10,x) %畫等高線xlabel('Delay - mus')ylabel('Doppler - MHz')title('模糊函數(shù)等高線')grid onN_fd_0=(length(fdy)+1)/2; % fd=0 的位置x_tau=x(N_fd_0,:); % 時間模糊函數(shù)figure(3)plot(100*taux,x_tau)ax

13、is(-110 110 0 1)xlabel('Delay - mus')ylabel('| chi ( tau,0) |')title(' 時間模糊函數(shù)')grid onN_tau_0=(length(taux)+1)/2; % tau=0 的位置x_fd=x(:,N_tau_0); % 速度模糊函數(shù)figure(4)plot(fdy./10,x_fd)xlabel('Doppler - MHz')ylabel('| chi ( 0,fd) |')title(' 速度模糊函數(shù)')grid onx_

14、db=20*log10(x+eps);I,J=find(abs(x_db+6)<0.09); %取6db點的位置I=(I-b/.01)/(1/.01); %Doppler維 坐標(biāo)變換J=(J-1.1*taup/.01)/(1/.01); %時間維 坐標(biāo)變換grid on%=產(chǎn)生LFM信號-分析其頻譜=% clc;clear all;close all;warning off; snr=0; % 信噪比 fc=1e10; % 載波頻率; f0=fc;c=3e8; % 真空光速; fd=1.6e6; % DOPPLOR 頻率 td=2e-6; % 時間延遲s Tp=1e-5; % LFM調(diào)制

15、脈沖寬度s； B=1.5e7; % LFM調(diào)制脈沖帶寬10兆； fs=3*B; % LFM采樣頻率； U=0.5;% P_points =Tp*fs; %一個脈沖內(nèi)LFM點的個數(shù)% T_points=P_points/U; % 一個周期 點個數(shù) % Z_points=T_points-P_points; % 0點個數(shù)t=-Tp/2:1/fs:Tp/2;N=length(t); mu= 2* pi * B/Tp;Ichannal = cos(mu * t.2 / 2+2*pi*f0.*t); % Real partQchannal = sin(mu * t.2 / 2+2*pi*f0.*t);

16、% Imaginary Part%lfm = 10(snr/10)*(Ichannal + sqrt(-1) .* Qchannal); % complex signalbacklfm=10(snr/10)*exp(j*2*pi*(fc*(t-td)+0.5*B/Tp*(t-td).2).*exp(-j*2*pi*fd*t); %？回波信號for i=1:6; t1=-Tp/2+1/fs:1/fs:Tp/2; t1= t1+i*Tp;Ichannal1 = cos(mu .*(t1-i*Tp).2 / 2+2*pi*f0*(t1-i*Tp); % Real partQchannal1 = si

17、n(mu .*(t1-i*Tp).2 / 2+2*pi*f0*(t1-i*Tp); % Imaginary Partbacklfm1=10(snr/10)*exp(j*2*pi*(fc*(t1-i*Tp-td)+0.5*B/Tp*(t1-i*Tp-td).2).*exp(-j*2*pi*fd*t1-i*Tp);backlfm=backlfm,backlfm1;%LFM1 = Ichannal + sqrt(-1) .* Qchannal; % complex signalIchannal=Ichannal,Ichannal1;Qchannal=Qchannal,Qchannal1;%LFM=L

18、FM,LFM1;t=t,t1;end%data=1 1 1 -1 -1 1 -1; % 7位巴克碼y=ones(1,N);for i=2:7 y1=data(i)*ones(1,N-1); y=y,y1;end%plot(t*1e6,Ichannal,'k') I=Ichannal.*y; % 實部與巴克碼相乘 Q=Qchannal.*y; % 虛部與巴克碼相乘 backlfm=backlfm.*y; t2=(6.5*Tp+1/fs):1/fs:(7*Tp/U); t=t,t2; % 加上脈沖序列間隙 zero=zeros(1,length(t2); % 脈沖序列間隙用0來補上

19、 I=I,zero; Q=Q,zero; backlfm=backlfm,zero; t=t,t+length(t)*1/fs,t+length(t)*2/fs; % 發(fā)三個脈沖 I=I,I,I; Q=Q,Q,Q; backlfm=backlfm,backlfm,backlfm; lfm=I+sqrt(-1).* Q; % complex signal LFM_Back=backlfm;%lfm = 10(snr/10)*(Ichannal + sqrt(-1) .* Qchannal);%lfm=10(snr/10)*exp(j*2*pi*(fc*t+0.5*B/Tp*t.2); %線性調(diào)頻

20、信號%*%*fft_lfm=fftshift(fft(lfm,N); % LFM_Back=10(snr/10)*exp(j*2*pi*(fc*(t-td)+0.5*B/Tp*(t-td).2).*exp(-j*2*pi*fd*t); %？回波信號out_mat=fftshift(ifft(fft(LFM_Back).*conj(fft(lfm); figure(1) %subplot(2,1,1),plot(-Tp/2:1/fs:Tp/2,20*log10(abs(out_mat)/max(abs(out_mat);title('匹配輸出LFM');axis(-Tp/2,Tp

21、/2,-200,0);plot(t,20*log10(abs(out_mat)/max(abs(out_mat);title('匹配濾波匹配輸出LFM');axis(-Tp/2,Tp/2+6*Tp,-200,0); % 頻域匹配濾波 % 放大可查看半功率寬度=1/B , 加窗 out_mat=fftshift(ifft(fft(LFM_Back).*conj(fft(lfm.*hamming(length(t)') ; figure(2) plot(t,20*log10(abs(out_mat)/max(abs(out_mat);title('頻域匹配濾波“加窗

22、”匹配輸出LFM');axis(-Tp/2,Tp/2+6*Tp,-200,0);% 頻域匹配濾波 % 放大可查看半功率寬度=1/B , 加窗 out_mat=fftshift(ifft(fft(LFM_Back).*conj(fft(lfm.*hamming(length(t)') ; %figure(1)%plot(t,20*log10(abs(out_mat)/max(abs(out_mat);title('頻域匹配濾波“加窗”匹配輸出LFM');axis(-Tp/2,Tp/2+6*Tp,-200,0);%subplot(2,1,2),plot(t,20*l

23、og10(abs(out_mat)/max(abs(out_mat);title('頻域匹配濾波“加窗”匹配輸出LFM');axis(-Tp/2,Tp/2+6*Tp,-200,0); % 時域匹配濾波 matcher=conj(fliplr(lfm); % 時域匹配濾波 weight=conj(fliplr(lfm.*hamming(length(t)'); % 時域匹配濾波 加窗 out_matcher=conv(LFM_Back,matcher); out_weight=conv(LFM_Back,weight); var1=20*log10(abs(out_mat

24、cher)/max(abs(out_matcher); var2=20*log10(abs(out_weight)/max(abs(out_weight); % 頻率時間聯(lián)合估計 fdd=(B/Tp)*Tp; ii=0; NN=40;% 頻域采樣數(shù)目 out_mat=; for fdx=-fdd:fdd/NN:fdd; ii=ii+1; matcher=conj(fliplr(lfm).*exp(-j*2*pi*fdx*t); out_mat(ii,:)=conv(LFM_Back,matcher); %ffff=conv(LFM_Back,matcher); endF,T=meshgrid(

25、t,max(t)+1/fs:1/fs:max(t)+(length(t)-1)/fs,-fdd:fdd/NN:fdd);contour(F,T,abs(out_mat),40);figure(2) subplot(2,1,1);plot(-fdd:fdd/NN:fdd,abs(out_mat(:,N);title('|X(0,fd)| 多普勒頻移估計');xlabel('多普勒頻移fd (Hz)');ylabel('|x(0,fd)|');grid on;%axis(-fdd,fdd,min(abs(out_mat(:,N),max(abs(out_mat(:,N); subplot(2,1,2);plot(t,max(t)+1/fs:1/fs:max(t)+(length(t)-1)/fs,abs(out_mat(NN+1,:);title('|X(td,0)| 延遲估計 ');xlabel('時延td (s)');ylabel('|x(td,0)|'