DSP多普勒雷達測速測距(精)

1、DSP實驗課大作業(yè)設(shè)計一實驗?zāi)康脑贒SP上實現(xiàn)線性調(diào)頻信號的脈沖壓縮、動目標顯示（MTI）和動目標檢測（MTD）,并將結(jié)果與MATLAB上的結(jié)果進行誤差仿真。二實驗內(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MATLAB產(chǎn)生16個脈沖的LFM,每個脈沖有4個目標（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2.1.316個脈沖到齊后，做MTD,輸出16個多普勒通道2.2 DSP實現(xiàn)將MATLAB產(chǎn)生的信號，在visualdsp中做脈壓，MTI、MTD，并將結(jié)果與MATLAB作比較。三實驗原理3.1脈沖壓縮原理及線性調(diào)頻信號雷達中的

2、顯著矛盾是：雷達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。雷達的距離分辨率取決于信號帶寬。在普通脈沖雷達中，雷達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指標。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（包括幅度譜和相位譜）實現(xiàn)完全

3、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驗采用的是線性調(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)頻信號作為雷達系統(tǒng)中一種常用的脈沖壓縮信號。接收機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，同時實現(xiàn)了寬脈沖的能量和窄脈沖的分辨能力。解決了雷達發(fā)射能量及分辨率之間的矛

4、盾。匹配濾波器是指輸出信噪比最大準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：*S其中，K為幅度歸一化常數(shù)，為信號的復(fù)共軛。傳輸特性還可用它_、。h（t）的沖激響應(yīng)來表示（時域表示）：3.2MTI（動目標顯示）原理在雷達終端的顯示器，當雜波與運動的目標在顯示器上同時出現(xiàn)時，觀察將會變得困難，特別是在強雜波時，弱的目標信號將會完全被淹沒。由于目標回波的多普勒頻移遠大于雜波的多普勒頻移，從而可在頻域上區(qū)分目標與雜波。MTI的設(shè)計主要是合理的選擇濾波器，動目標顯示濾波器（MTI）利用運動目標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）：圖3

5、.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，而運動目標產(chǎn)生多普勒頻移。對連續(xù)脈沖對的回波進行相減，就可以完全對消雜波分量，而目標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隔的離散時間序列x（n）。其時域方程為：，傳輸函數(shù)為：，在Z=1處有單零點，頻率響應(yīng)為：.其在零頻有一凹口，如圖所示：務(wù)晉勒謔波觀11頻率響應(yīng)111、-Fv0Fr九圖3.3多普勒濾波器頻響此濾波器能夠用來抑制噪聲

6、。但同時把靜態(tài)目標也給對消掉，也使得運動目標的譜分量有部分的衰減，因此用MTI次相消器檢測不出靜止目標。3.3MTD（動目標檢測）原理MTD與MTI同屬雷達信號處理的頻域處理范疇，但一般意義上來說，MTD是MTI的改進或更有效的頻域處理技術(shù)。廣義上地講，MTD處理又是多普勒處理的一種特殊形式與傳統(tǒng)的MTI相比，MTD改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；能夠檢測強地物雜波的低速目標甚至切向飛行的大目標。MTD的核心是線性MTI加窄帶多普勒濾波器組。根據(jù)最佳線性濾波理論，在雜波背景下檢測運動目標回波，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，實際工

7、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個脈沖的橫向濾波器組的實現(xiàn)是由N個輸出的橫向濾波器（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。其實現(xiàn)方法下圖所示：圖3.4橫向濾波器圖3.5N=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力的影響，會相對雷達而動，其頻譜中心不是固定在0頻附近，而是在某個頻率區(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。四實驗步驟以下是該實驗中設(shè)定的幾個參數(shù)B

8、andWidth=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=30008025802525600目標距離TargetVelocity=50-1000283目標速度%其中X=0;Y=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，噪聲為高斯隨機噪聲。4.1在MATLAB中產(chǎn)生線性調(diào)頻信號。4.2根據(jù)目標距離得出目標回波在時域的延遲量，根據(jù)目標速度得出多普勒相移，從而在MATLAB中產(chǎn)生4個目標的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)于目標回波的濾波系數(shù)

9、（脈壓系數(shù)），在時域中做線性卷積，實現(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,點乘后作逆FFT,實現(xiàn)頻域脈壓。兩者進行比較，討論其差別。4.4對16個去暫態(tài)點后的脈沖串按接收順序進行排列，用一次相消器（一種濾波方式）實現(xiàn)MTI。4.5做16通道的FFT，實現(xiàn)MTD。4.6在DSP中對MATLAB產(chǎn)生的回波數(shù)據(jù)和脈壓系數(shù)進行處理，實現(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)入DSP的時域回波數(shù)據(jù)進行一次FFT變換到頻域，然后將其與頻域脈壓系數(shù)進行點積，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_fl

10、p32.asm。該子程序可實現(xiàn)8192點復(fù)數(shù)的FFT功能。由于C語言中無法實現(xiàn)復(fù)數(shù)運算，因此，對8192個復(fù)數(shù)按照實部虛部交替的順序進行重排列，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)進行處理，才能達到這一目的。4.7對脈壓后的數(shù)據(jù)按照脈沖號重排，相鄰序列的數(shù)據(jù)相減(滑動對消)，實現(xiàn)MTI。4.8調(diào)用子程序fft_16.asm，做16通道FFT，實現(xiàn)MTD。入口參數(shù)為16通道的脈壓數(shù)據(jù)。五實驗結(jié)果及討論本部分將詳細分析實驗得到的數(shù)據(jù)、

11、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。5.1MATLAB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，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點時域離散信號與N點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，一_如果A(k),B(k)的長度，貝I?；夭〝?shù)據(jù)echo長為7680點，脈壓系數(shù)coef

12、f長為84點，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2259768。設(shè)兩個卷積的序列長度分別為M和N，且N>M，則卷積所用的復(fù)乘數(shù)為NxM，而N點FFT的運算NlogN2Nlog2N次復(fù)數(shù)加法運算。當序列長度N、M很大時，量為次復(fù)數(shù)乘法運算和頻域的總運算量將大大低于時域的運算量。在本實驗中，回波數(shù)據(jù)的長度N=7680，脈壓系數(shù)長度M=84，時域脈壓的運算量為NxM=7680x84+83=645203次復(fù)數(shù)加法運算和645

13、036次復(fù)數(shù)乘法運算。由于L>N+M-1,將x(n),h(n)分別補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FFT,點積后再做逆FFT,可以實現(xiàn)頻域脈壓。頻域脈壓的8192點FFT和IFFT的運算量為2x0.5x8192x乘法運算和0.5x2x8192xlog28192=106496次復(fù)數(shù)log28192=106496次復(fù)數(shù)加法運算?？梢钥闯?，用頻域脈壓節(jié)省了很大的的運算量，當序列長度很大時，用FFT進行運算的優(yōu)勢更明顯。5.2 MATLAB與DSP的結(jié)果比較：毗.零汁勧甲無1005.2MATLAB與DSP處理結(jié)果比較由圖5.2可以看出，M

14、ATLAB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數(shù)量級上，MTI、MTD絕對誤差范圍分別在10和10上。由于兩種工具處理數(shù)據(jù)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)。-4-4-3六、實驗思考題及心得6.1脈沖壓縮分析脈沖壓縮提高了雷達分辨率，從信號幅度上分析，第一個目標由于距離比較近，雷達發(fā)射與接收是分開進行的，當回波到達是雷達還處于發(fā)射狀態(tài)，雷達處于閉鎖期不能接收回波，從而第一個目標的回波幅度很小。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

15、旁瓣變大。第二與第四個目標的距離相同，在時域上兩個信號的回波進行疊加，所以回波幅度比較強，但是由于兩個目標回波相位上存在角度，第四個目標存在多普勒頻移，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。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中不同速度目標幅度有變化是因為有不同的多普勒頻移，可以說目標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，當采用連續(xù)波雷達測速時經(jīng)過差頻處理后獲得的

16、信號是一個以多普勒頻移為中心頻率的單載頻信號，當采用脈沖信號時，相當于是以PRF為采樣頻率對單載頻信號進行一個采樣，幅度自然就會產(chǎn)生變化。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。當目標速度產(chǎn)生的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，其他通道不匹配則無輸出，測速分辨力，,，假設(shè)目標速度都是正的時候，當信號處在第n通道時（通道數(shù)為116），其速度為。實際上目標的速度有正負的時候多普勒頻移時在0頻兩側(cè)的，測速范圍為。）在一個重復(fù)周期內(nèi)，根據(jù)目標處在的采樣點數(shù)n可以得出目標的距離為。2Fs距離分辨力。2Fs第一個目標X=37,Y=2

17、,則：距離=2775m，速度=49.76m/s第二個目標X=107,Y=-4,則：距離=8025m，速度=99.52m/s第三個目標X=107，Y=0,則：距離=8025m，速度=0m/s第四個目標X=341，Y=-5，貝I：距離=25575m，速度=124.4m/s與設(shè)定的參數(shù)進行對比：TargetDistance=28508025802525600目標距離TargetVelocity=50-1000283目標速度對比可知，第一、二、三個目標在測量的分辨力內(nèi)達到了準確探測目標的作用，而第四個目標能準備探測到距離，但速度出現(xiàn)了模糊。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

18、以脈沖周期為的間隔采集目標物回波信號，在兩次采樣之間目標物相對雷達運動造成信號中相位的變化超過±180。時，雷達無法確認其準確的相位變化量，也無法確定其準確的多普勒速度的現(xiàn)象。因此，限制了測速及測距的范圍。雷達可測的有效的最大距離為_米，可測的有效的最大速度為米/秒，但本實驗中為了方便觀察負向宿舍，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)了速度模糊。6.4.2解速度模糊工程上通常用多重頻的方法來解模糊，即用兩個不同的脈沖重復(fù)頻率的信號來測量目標的速度。假設(shè)這兩個不同的重頻分別為PTF1和PTF2，測得的目標的多普勒頻率為Fdl,Fd2，目標實際的多普勒頻率為Fd，則m=0,1,2.n=0,1,2.可知，F(xiàn)d與m,n都是線性關(guān)系，在坐標圖中分別將其表示出來，兩直線交點即為該目標的真實多普勒頻率。6.5頻譜泄漏由于進行DFT運算是存在頻譜泄漏的問題，所以進過MTD處理之后第四個目標存在速度泄漏的問題。泄漏的原因是在進行DFT處理的過程中在時域是采用截斷函數(shù)，若用N點DFT對一復(fù)數(shù)序列進行變換，則只有當該序列頻率等于DFT頻率間隔的1/(NTR)的整數(shù)倍時，