DSP多普勒雷達(dá)測速測距

1、DSP實(shí)驗(yàn)課大作業(yè)設(shè)計一實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑贒SP上實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻信號的脈沖壓縮、動目標(biāo)顯示(MTI)和動目標(biāo)檢測(MTD),并將2果與MATLABt的結(jié)果進(jìn)行誤差仿真。二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2.1 MATLAB 仿真設(shè)定帶寬、脈寬、采樣率、脈沖重復(fù)頻率，用MATLAET生16個脈沖的LFM,每個脈沖有4個目標(biāo)(靜止，低速，高速)，依次做2.1.1 脈壓2.1.2 相鄰2脈沖做MTI,產(chǎn)生15個脈沖2.1.3 16個脈沖到齊后，做 MTD輸出16個多普勒通道2.2 DSP實(shí)現(xiàn)將MATLA聯(lián)生的信號，在 visual dsp 中做脈壓，MTI、MTD并將名吉果與 MATLAB乍比 較。三實(shí)驗(yàn)原理3.1 脈沖壓縮原理及線

2、性調(diào)頻信號雷達(dá)中的顯著矛盾是：雷達(dá)作用距離和距離分辨率之間的矛盾以及距離分辨率和速度分 辨率之間的矛盾。雷達(dá)的距離分辨率取決于信號帶寬。在普通脈沖雷達(dá)中， 雷達(dá)信號的時寬帶寬積為一常量(約為1),因此不能兼顧距離分辨率和速度分辨力兩項(xiàng)指標(biāo)。脈沖壓縮(PC)采用寬脈沖發(fā)射以提高發(fā)射的平均功率，保證足夠的最大作用距離，而在接收時則采用相應(yīng)的脈沖壓縮法獲得窄脈沖，以提高距離分辨率，因而能較好地解決作用距離和分辨能力之間 的矛盾。一個理想的脈沖壓縮系統(tǒng)，應(yīng)該是一個匹配濾波系統(tǒng)。它要求發(fā)射信號具有非線性的相 位譜，并使其包絡(luò)接近矩形；要求壓縮網(wǎng)絡(luò)的頻率特性(包括幅頻特性和相頻特性)與發(fā)射 脈沖信號頻譜(

3、包括幅度譜和相位譜)實(shí)現(xiàn)完全的匹配。脈沖壓縮按信號的調(diào)制規(guī)律(調(diào)頻或調(diào)相)分類，可分為以下四種：(1)線性調(diào)頻脈沖壓縮(2)非線性調(diào)頻脈沖壓縮(3)相位編碼脈沖壓縮(4)時間頻率編碼脈沖壓縮本實(shí)驗(yàn)采用的是線性調(diào)頻脈沖壓縮。線性調(diào)頻信號是指頻率隨時間的變化而線性改變的信號。線性調(diào)頻可以同時保留連續(xù)信號和脈沖的特性，并且可以獲得較大的壓縮比，有著良好的距離分辨率和徑向速度分辨率， 所以將線性調(diào)頻信號作為雷達(dá)系統(tǒng)中一種常用的脈沖壓縮信號。接收機(jī)輸入端的回波信號是經(jīng)過調(diào)制的寬脈沖，所以在接收機(jī)中應(yīng)該設(shè)置一個與發(fā)射信號頻率匹配的濾波器， 使回波信號變成窄脈沖， 同時實(shí)現(xiàn)了寬脈沖的能量和窄脈沖的分辨能 力

4、。解決了雷達(dá)發(fā)射能量及分辨率之間的矛盾。匹配濾波器是指輸出信噪比最大準(zhǔn)則下的最佳線性濾波器。根據(jù)匹配理論，匹配濾波器的傳輸特性：H( ) KS*( )e j t0*其中，K為幅度歸一化常數(shù)，S（）為信號S（）的復(fù)共軻。傳輸特性H（）還可用它* 一 一 的沖激響應(yīng)h（t）來表示（時域表示）：ks & t）°3.2 MTI （動目標(biāo)顯示）原理在雷達(dá)終端的顯示器，當(dāng)雜波與運(yùn)動的目標(biāo)在顯示器上同時出現(xiàn)時，觀察將會變得困難,特別是在強(qiáng)雜波時，弱的目標(biāo)信號將會完全被淹沒。由于目標(biāo)回波的多普勒頻移遠(yuǎn)大于雜波的多普勒頻移，從而可在頻域上區(qū)分目標(biāo)與雜波。MTI的設(shè)計主要是合理的選擇濾波器，動目

5、標(biāo)顯示濾波器（MTI ）利用運(yùn)動目標(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。由下圖可以看出回波信號（含雜波與目標(biāo)）：余波y（n）x（n）x（n 。，傳輸函數(shù)處有單零點(diǎn)，頻率響應(yīng)為)H(ej圖3.1回波信號雜波主要集中在0頻附近，在頻率為0處，所設(shè)計的濾波器頻率響應(yīng)應(yīng)有凹口。以使地物雜波在通過 MTI濾波器后將受到很大的抑制，對于每一個脈沖，其回波信號中的雜波分 量都基本相同，而運(yùn)動目標(biāo)產(chǎn)生多普勒頻移。對連續(xù)脈沖對的回波進(jìn)行相減，就可以完全對消雜波分量，而目標(biāo)信號由于其相位的改變，通常不會完全被對消掉。常用的MTI濾波器為一次相消器 （二脈沖對消）。在同一距離上等效一個有效的采樣間

6、 隔T 1 PRF的離散時間序列x（n） 。其時域方程為:1H 1 z ,在 Z=1此濾波器能夠用來抑制噪聲。但同時把靜態(tài)目標(biāo)也給對消掉，也使得運(yùn)動目標(biāo)的譜分量有部分的衰減，因此用 MTI 一次相消器檢測不出靜止目標(biāo)。3.3 MTD （動目標(biāo)檢測）原理MTDW MTI同屬雷達(dá)信號處理的頻域處理范疇，但一般意義上來說，MT皿 MTI的改進(jìn)或更有效的頻域處理技術(shù)。廣義上地講，MT皿理又是多普勒處理的一種特殊形式與傳統(tǒng)的MTI相比，MT/善了濾波器的頻率特性，使之更接近于最佳匹配線性濾波，以提高改善因 子；能夠檢測強(qiáng)地物雜波的低速目標(biāo)甚至切向飛行的大目標(biāo)。MTD勺核心是線性 MTI加窄帶多普勒濾波器

7、組。根據(jù)最佳線性濾波理論，在雜波背景下檢測運(yùn)動目標(biāo)回波，除了雜波抑制濾波器外，還應(yīng)串接有對脈沖串信號匹配的濾波器，實(shí)際工作中，多普勒頻移fd不能預(yù)知，需要采用一組相鄰且部分重疊的濾波器組覆蓋整個多普勒頻率范圍，這就是窄帶多普勒濾波器組。輸入N個脈沖的橫向?yàn)V波器組的實(shí)現(xiàn)是由N個輸出的橫向?yàn)V波器（N個脈沖和N-1根遲延線）經(jīng)過各脈沖不同的加權(quán)并求和后形成的。其實(shí)現(xiàn)方法下圖所示：圖3.4橫向?yàn)V波器圖3.5 N=16時濾波器頻響該濾波器的頻率覆蓋范圍為 0到fr , fr為雷達(dá)工作重復(fù)頻率。氣象雜波 （如云雨等）和箔條雜波受氣流和風(fēng)力的影響， 會相對雷達(dá)而動，其頻譜中心不是固定在 0頻附近，而是在 某

8、個頻率區(qū)間內(nèi)變化的，抑制此類雜波用普通的MTI濾波器是不行的，而 MTD濾波器則可以抑制此類雜波。四實(shí)驗(yàn)步驟以下是該實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的幾個參數(shù)BandWidth=2.0e6 帶寬TimeWidth=42.0e-6 脈寬Fs=2.0e6 采樣率PRT=240e-6 脈沖重復(fù)周期TargetDistance=3000 8025 8025 25600 目標(biāo)品巨離TargetVelocity=50 -100 0 283 目標(biāo)速度%其中X=0; 丫=8; Z=3;對應(yīng)學(xué)號1302121083的后三位假設(shè)接收到的回波數(shù)是 16個，噪聲為高斯隨機(jī)噪聲。4.1 在MATLAB產(chǎn)生線性調(diào)頻信號。4.2 根據(jù)目標(biāo)距離得

9、出目標(biāo)回波在時域的延遲量，根據(jù)目標(biāo)速度得出多普勒相移，從而在MATLA沖產(chǎn)生4個目標(biāo)的16個回波串（接收到的回波含噪聲）。4.3 由匹配濾波理論產(chǎn)生對應(yīng)于目標(biāo)回波的濾波系數(shù)（脈壓系數(shù)），在時域中做線性卷積，實(shí)現(xiàn)匹配濾波（時域脈壓）；在頻域中做回波信號和脈壓系數(shù)的FFT,點(diǎn)乘后作逆FFT,實(shí)現(xiàn)頻域脈壓。兩者進(jìn)行比較，討論其差別。4.4 對16個去暫態(tài)點(diǎn)后的脈沖串按接收順序進(jìn)行排列，用一次相消器（一種濾波方式）實(shí)現(xiàn)MTI。4.5 做16通道的FFT,實(shí)現(xiàn) MTD4.6 在DSP中對MATLAET生的回波數(shù)據(jù)和脈壓系數(shù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)頻域脈壓。導(dǎo)入DSP的回波數(shù)據(jù)為時域數(shù)據(jù)，而脈壓系數(shù)為頻域數(shù)據(jù)。將導(dǎo)

10、入DSP的時域回波數(shù)據(jù)進(jìn)行一次 FFT變換到頻域，然后將其與頻域脈壓系數(shù)進(jìn)行點(diǎn)積，得到頻域脈壓結(jié)果。 對該結(jié)果再做一次逆FFT,將頻域轉(zhuǎn)換成時域。在這一步中需要調(diào)用庫函數(shù) fft_flp32.asm 。該子程序可實(shí)現(xiàn)8192點(diǎn)復(fù)數(shù)的FFT功能。由于C語言中無法實(shí)現(xiàn)復(fù)數(shù)運(yùn)算，因此，對8192個復(fù)數(shù)按照實(shí)部虛部交替的順序進(jìn)行重排列，用長度為16384的數(shù)組來存放時域回波數(shù)據(jù)。頻域相乘后，做乘積結(jié)果的逆FFT,得到脈壓結(jié)果。做逆 FFT,仍需調(diào)用庫函數(shù)fft_flp32.asm ,此時要通過FFT 子程序?qū)崿F(xiàn)逆FFT的功能，要對頻域的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，才能達(dá)到這一目的。4.7 對脈壓后的數(shù)據(jù)按照脈沖號重

11、排，相鄰序列的數(shù)據(jù)相減(滑動對消)，實(shí)現(xiàn)MTI。4.8 調(diào)用子程序fft_16.asm ,做16通道FFT,實(shí)現(xiàn)MTD入口參數(shù)為16通道的脈壓數(shù) 據(jù)。五實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論本部分將詳細(xì)分析實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)、圖像、誤差、產(chǎn)生速度模糊的原因以及脈壓頻域、 時域執(zhí)行周期。5.1 MATLAB中時域脈壓和頻域脈壓結(jié)果的比較：圖5.1總回波信號，時域脈壓，頻域脈壓，時域脈壓和頻域脈壓的差別從圖中可以看出，時頻域脈壓結(jié)果差別很小，相對誤差停留在10-14數(shù)量級上。其實(shí)，二者結(jié)果應(yīng)該是相等的。由于MATLAB與DSP軟件處理平臺及編程函數(shù)的計算精度和中間結(jié)果處理的差異，才出現(xiàn)以上很小的誤差。由數(shù)字信號處理理論，M點(diǎn)

12、時域離散信號與 N點(diǎn)時域離散信號做線性卷積后的信號長度為N+M-1。設(shè) a(n),b(n)為數(shù)字信號，長度分別為 M 和 N ,A(k) DFT(a(n);B(k) DFT(b(n);如果 A(k),B(k)的長度 l N M 1,則a(n)*b(n) IDFT(A(k) B(k) o 回波數(shù)據(jù) echo 長為 7680 點(diǎn)，脈壓系數(shù) coeff 長為 84點(diǎn)，N+M-1=7680+84-1=7763 ,為提高FFT速度，取L=8192 ,對回波數(shù)據(jù)、脈壓系數(shù)的FFT 乘積后的結(jié)果做IFFT就可以實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮。經(jīng)統(tǒng)計，在DSP上頻域脈壓處理(從 FFT到IFFT)的時鐘數(shù)為。設(shè)兩個卷積的序列長

13、點(diǎn)FFT的運(yùn)算量為N、M很大時，頻N=7680 ,脈壓系數(shù)度分別為 M和N,且N>M ,則卷積所用的復(fù)乘數(shù)為 NXM,而N /log2 N次復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算和N log 2 N次復(fù)數(shù)加法運(yùn)算。當(dāng)序列長度 域的總運(yùn)算量將大大低于時域的運(yùn)算量。在本實(shí)驗(yàn)中，回波數(shù)據(jù)的長度長度 M=84 ,時域脈壓的運(yùn)算量為N X M=7680 X 84+83=645203次復(fù)數(shù)加法運(yùn)算和 645036次復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算。由于 L>N+M-1 ,將x(n), h(n)分別補(bǔ)L-N和L-M個零變成兩個長度均為L (8192)的序列xL(n)、hL(n),分別做L點(diǎn)FFT,點(diǎn)積后再做逆 FFT,可以實(shí)現(xiàn)頻域脈壓。頻域

14、脈壓的8192點(diǎn)FFT和IFFT的運(yùn)算量為2X 0.5X 8192X log2 8192=106496次復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算和0.5X2X8192X log2 8192=106496次復(fù)數(shù)力口法運(yùn)算?？梢钥闯?，用頻域脈壓節(jié)省了很大的的運(yùn)算量，當(dāng)序列長度很大時，用 FFT進(jìn)行運(yùn)算的優(yōu)勢更明顯。5.2 MATLAB與DSP的結(jié)果比較：誤差500多普勒單元00100-3X 1045005.2 MA TLAB 與DSP處理結(jié)果比較由圖5.2可以看出，MATLAB與DSP之間處理數(shù)據(jù)的誤差很小，脈壓結(jié)果絕對誤差范 圍在10-4數(shù)量級上，MTI、MTD絕對誤差范圍分別在 10-4和10-3上。由于兩種工具處理數(shù)據(jù)

15、的精度不一樣，MATLAB用CPU處理數(shù)據(jù)，DSP用DSP內(nèi)核處理數(shù)據(jù)。所以結(jié)果會有一 定誤差，這個誤差在可以接受的范圍內(nèi)。六、實(shí)驗(yàn)思考題及心得6.1 脈沖壓縮分析脈沖壓縮提高了雷達(dá)分辨率，從信號幅度上分析，第一個目標(biāo)由于距離比較近，雷達(dá) 發(fā)射與接收是分開進(jìn)行的，當(dāng)回波到達(dá)是雷達(dá)還處于發(fā)射狀態(tài)，雷達(dá)處于閉鎖期不能接收回波，從而第一個目標(biāo)的回波幅度很小。與此同時，由于閉鎖期的影響，回波信號的帶寬減小，而脈壓后的信號時寬帶寬積是定值，故時寬變大，導(dǎo)致旁瓣變大。第二與第四個目標(biāo)的距離相同，在時域上兩個信號的回波進(jìn)行疊加，所以回波幅度比較強(qiáng)， 但是由于兩個目標(biāo)回波相位上存在角度，第四個目標(biāo)存在多普勒頻

16、移， 在不同的脈沖重復(fù)周期內(nèi)兩個信號的角度不同， 矢量相加的結(jié)果則信號幅度也不同，所以幅度存在著波動。6.2 MTI分析根據(jù)一次相消得頻率響應(yīng)，可以知道不同頻率的幅頻響應(yīng)的差異，當(dāng)處在中間位置時 響應(yīng)最大，通過濾波器后信號幅度也就最強(qiáng)。根據(jù)頻率響應(yīng)的不同也就出現(xiàn)MTI結(jié)果圖中的三個梯度的變化。在 MTI中不同速度目標(biāo)幅度有變化是因?yàn)橛胁煌亩嗥绽疹l移，可以 說目標(biāo)的幅度被多普勒頻移信號調(diào)制了?？梢詮牧硗庖粋€角度理解，當(dāng)采用連續(xù)波雷達(dá)測速時經(jīng)過差頻處理后獲得的信號是一個以多普勒頻移為中心頻率的單載頻信號，當(dāng)采用脈沖信號時，相當(dāng)于是以PRF為采樣頻率對單載頻信號進(jìn)行一個采樣，幅度自然就會產(chǎn)生變化。

17、6.3 MTD速度/多普勒通道的含義MTD中不同的多普勒通道是匹配與不同多普勒頻移的匹配濾波器。當(dāng)目標(biāo)速度產(chǎn)生的其他通道不匹配則無輸出，測速多普勒移處在哪個通道的范圍內(nèi)是哪個通道就有信號輸出，PRF分辨力，v 24.8806m/s ,假設(shè)目標(biāo)速度都是正的時候，當(dāng)信號處在第n通2N道時(通道數(shù)為 116),其速度為v v(n 1)。實(shí)際上目標(biāo)的速度有正負(fù)的時候多普勒頻移時在0頻兩側(cè)的，測速范圍為丫(%): v(N2 1)。n 8,v v(n 1)n 8,vv(16 n 1), - cn 1在一個重復(fù)周期內(nèi)，根據(jù)目標(biāo)處在的采樣點(diǎn)數(shù)n可以得出目標(biāo)的距離為 。2Fs_ c距離分辨力R 75m。2Fs第

18、一個目標(biāo) X=37,Y=2,則：距離=2775m ,速度=49.76m/s第二個目標(biāo) X=107,Y=-4,則：距離=8025m,速度=99.52m/s第三個目標(biāo) X=107 , Y=0,則：距離=8025m ,速度=0m/s第四個目標(biāo) X=341 , Y=-5 ,貝U:距離=25575m ,速度=124.4m/s與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行對比：TargetDistance=2850 8025 8025 25600 目標(biāo)品巨離TargetVelocity=50 -100 0 283 目標(biāo)速度對比可知，第一、二、三個目標(biāo)在測量的分辨力內(nèi)達(dá)到了準(zhǔn)確探測目標(biāo)的作用，而第四個目 標(biāo)能準(zhǔn)備探測到距離，但速度出現(xiàn)了

19、模糊。6.4 速度模糊及解模糊6.4.1 速度模糊及其原因脈沖多普勒雷達(dá)以脈沖周期為2的間隔采集目標(biāo)物回波信號，在兩次采樣之間目標(biāo)物相對雷達(dá)運(yùn)動造成信號中相位的變化超過土180。時，雷達(dá)無法確認(rèn)其準(zhǔn)確的相位變化量，也無法確定其準(zhǔn)確的多普勒速度的現(xiàn)象。因此，限制了測速及測距的范圍。雷達(dá)可測的有效的最大距離為PRT c/2 =0.5X 240X 300=36000米，可測 的有效的最大速度為frc2 = 2PRT?RF =398.1250米/秒，但本實(shí)驗(yàn)中為了方便觀察負(fù)向宿舍，用fftshift 將零頻搬移到中間，故可測的速度范圍是 -199199m/s。而第四個目標(biāo)的速度為 283m/s,超出了 最大可測的速度范圍，故出現(xiàn)了速度模