《現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)》課件第12章

12.1雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般流程

12.2某地面制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

12.3某末制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

12.4某陣列雷達(dá)信號(hào)處理第12章雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例設(shè)計(jì)一部雷達(dá)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。本章先簡(jiǎn)單概述雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般流程，然后分別介紹某地面雷達(dá)、末制導(dǎo)雷達(dá)、陣列雷達(dá)的設(shè)計(jì)案例，在這些案例介紹過程中側(cè)重雷達(dá)信號(hào)處理方面的設(shè)計(jì)。重點(diǎn)介紹前兩個(gè)案例，最后一個(gè)案例給出了某陣列雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，具體設(shè)計(jì)過程及其計(jì)算機(jī)仿真留給讀者練習(xí)。

雷達(dá)設(shè)計(jì)首先是由需求方根據(jù)雷達(dá)的任務(wù)，確定雷達(dá)的工作頻段和工作頻率范圍；然后根據(jù)雷達(dá)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)，確定雷達(dá)的體制和主要技術(shù)；再對(duì)雷達(dá)的總體指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，確定分系統(tǒng)的性能指標(biāo)，并對(duì)分系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、測(cè)試；最后對(duì)雷達(dá)整機(jī)進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試、外場(chǎng)檢飛試驗(yàn)等。雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般流程如圖12.1所示。雷達(dá)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)在第1章已經(jīng)介紹過，各分系統(tǒng)指標(biāo)在第2章已經(jīng)介紹過，這里不再?gòu)?fù)述。下面結(jié)合案例進(jìn)行介紹。12.1雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般流程

圖12.1雷達(dá)系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)流程

設(shè)計(jì)一部地面制導(dǎo)雷達(dá)，要求檢測(cè)高度分別為7km和2km的飛機(jī)和導(dǎo)彈，對(duì)飛機(jī)和導(dǎo)彈的最大探測(cè)距離分別為50km和90km。假定飛機(jī)的平均RCS和導(dǎo)彈的平均RCS分別是6dBsm

(σa=4m2)和-10dBsm,雷達(dá)工作頻率f=3GHz。假定雷達(dá)采用拋物面天線，方位波束寬度小于3°的扇形波束，在方位維進(jìn)行12.2某地面制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)ΘA=360°的機(jī)械掃描，掃描速率是2s圈。假定噪聲系數(shù)F=6dB，總的損失因子L=8dB,檢測(cè)門限是SNR=15dB(檢測(cè)概率Pd=0.99，虛警概率Pfa=10-7)。在搜索模式下距離分辨率是75m。如圖12.2所示，要求對(duì)目標(biāo)的最小攔截距離Rmin=30km。

圖12.2雷達(dá)及其威脅的幾何關(guān)系

Step1確定脈沖重復(fù)頻率、天線的孔徑和單個(gè)脈沖的峰值功率

根據(jù)距離分辨率是ΔR=75m的要求，可以計(jì)算出所要求的帶寬B=c(2ΔR)=2MHz，發(fā)射脈沖寬度為τ=0.5μs。從圖12.2知，雷達(dá)的最大、最小仰角覆蓋為

(12.2.1)

(12.2.2)

因此，取仰角覆蓋范圍ΘE=11°，雷達(dá)的搜索區(qū)域?yàn)?/p>

(12.2.3)

天線必須具有扇形波束，所以，使用類似拋物面的矩形天線?？紤]機(jī)動(dòng)性的要求，選擇天線的有效面積為Ae=2.25m2，若孔徑效率為ρ=0.8，得到天線的物理孔徑面積為

(12.2.4)

天線的增益為

(12.2.5)

由于仰角波束寬度為θe=ΘE=11°，根據(jù)

(取k=1)，得到方位波束寬度為

(12.2.6)

為了保證至少90km的無(wú)模糊距離，最大PRF為

(12.2.7)

因此，選擇fr=1000Hz，脈沖重復(fù)周期Tr=1000μs。

單次掃描期間在一個(gè)波束寬度內(nèi)輻射到目標(biāo)上的脈沖數(shù)為

(12.2.8)

式中 為天線掃描速度，=180°。因此，可以對(duì)一個(gè)波位的7個(gè)脈沖進(jìn)行非相干積累或相干積累，以降低單個(gè)脈沖的峰值功率。若采用非相干積累，7個(gè)脈沖進(jìn)行非相干積累達(dá)到檢測(cè)所要求的SNR=15dB，利用式(8.3.15)計(jì)算，在Pd=0.99，Pfa=10-7的情況下，7個(gè)脈沖進(jìn)行非相干積累的改善因子近似為

(12.2.9)

即所要求的單個(gè)脈沖的SNR為

(12.2.10)

因此，檢測(cè)導(dǎo)彈和飛機(jī)所對(duì)應(yīng)的單個(gè)脈沖的能量分別為

(12.2.11)

(12.2.12)

因此，若脈沖寬度為0.5μs，對(duì)兩種目標(biāo)類型都滿足的單個(gè)脈沖檢測(cè)要求的峰值功率為

(12.2.13)

考慮7個(gè)脈沖進(jìn)行積累的雷達(dá)方程為

(12.2.14)

(12.2.15)圖12.3兩種目標(biāo)在積累和不積累情況下SNR與距離的關(guān)系曲線

圖12.3給出了兩種目標(biāo)在積累和不積累情況下SNR與距離的關(guān)系曲線。由圖可以看出，經(jīng)脈沖積累后，在導(dǎo)彈和飛機(jī)的最大作用距離處均可以達(dá)到SNR=15dB的要求。

Step2考慮目標(biāo)的RCS起伏效應(yīng)，若飛機(jī)和導(dǎo)彈目標(biāo)分別服從SwerlingI型和SwerlingIII型。假設(shè)在最大作用距離處要求Pd≥0.99，Pfa=10－7或更好。計(jì)算當(dāng)目標(biāo)起伏時(shí)為獲得同樣檢測(cè)性能所需的額外SNR。

Step3假定采用LFM信號(hào)，雷達(dá)在搜索模式和跟蹤模式下的分辨率ΔR分別為75m和7.5m。要求雷達(dá)的工作比小于10%，最小作用距離Rmin≥15km。設(shè)計(jì)雷達(dá)的波形參數(shù),給出其中一種波形的模糊圖。

根據(jù)最小作用距離Rmin≥15km，可得雷達(dá)的最大脈沖寬度為

(12.2.16)

由式(12.2.13)知，若采用窄脈沖，發(fā)射的峰值功率太大。若單個(gè)脈沖的峰值功率不超過20kW，則最小脈沖寬度為

(12.2.17)

因此，選取發(fā)射脈沖寬度τ=80μs，搜索和跟蹤模式的調(diào)頻帶寬分別為B=2MHz和B=20MHz，Tr=1ms，τ/Tr=0.08，滿足工作比小于10%的要求。

Step4若兩個(gè)目標(biāo)的最小距離間隔為150m，仿真驗(yàn)證對(duì)多個(gè)目標(biāo)的分辨能力。結(jié)合仿真分析脈壓對(duì)SNR的改善,設(shè)計(jì)脈沖壓縮處理方案。

假設(shè)兩個(gè)目標(biāo)的距離分別為75km和75.15km，輸入SNR均為0dB，圖12.4給出了脈壓的仿真結(jié)果，其中圖(a)給出了脈壓輸入信號(hào)的實(shí)部，圖(b)給出了脈壓匹配濾波信號(hào)的實(shí)部，圖(c)給出了脈壓輸出結(jié)果，圖(d)為圖(c)的局部放大。由此可見，雷達(dá)能夠較好地分辨這兩個(gè)目標(biāo)。脈壓處理后，兩個(gè)目標(biāo)的SNR約為24dB，脈壓對(duì)SNR的改善達(dá)24dB。

圖12.4脈壓的仿真結(jié)果在搜索工作模式，調(diào)頻帶寬為B=2MHz，若取采樣速率為4MHz，每個(gè)采樣點(diǎn)之間的距離量化間隔為37.5m。若考慮105km的距離量程，則有2800個(gè)采樣點(diǎn)，因此需進(jìn)行4096點(diǎn)的頻域脈沖壓縮處理。

Step5假設(shè)天線方向圖是高斯型，雷達(dá)的架設(shè)高度為5m，發(fā)射峰值功率為20kW，距離分辨率為75m，考慮天線的副瓣電平SL=－20dB，地雜波散射系數(shù)σ0=－15dBsm/sm，計(jì)算目標(biāo)在不同距離時(shí)進(jìn)入雷達(dá)的雜波的RCS，以及信號(hào)、雜波、噪聲的功率之比(CNR、SNR、SIR)。假設(shè)風(fēng)速的均方根值σv為0.32m/s，采用2脈沖、3脈沖或4脈沖MTI進(jìn)行雜波抑制，計(jì)算改善因子。根據(jù)式(6.2.21)可以計(jì)算得到目標(biāo)分別為導(dǎo)彈、飛機(jī)時(shí)進(jìn)入雷達(dá)的雜波RCS，如圖12.5所示?？梢?，雜波的RCS在負(fù)幾分貝到10dB/sm左右。圖12.6分別給出了導(dǎo)彈和飛機(jī)單個(gè)脈沖回波的CNR、SNR、SIR(信號(hào)與雜波加噪聲的功率之比)?？梢?，導(dǎo)彈目標(biāo)在50km處的SIR約為－10dB，要達(dá)到15dB的檢測(cè)SIR的要求，需要采取措施抑制雜波。

圖12.5雜波的RCS

圖12.6單個(gè)脈沖回波的CNR、SNR、SIR根據(jù)上面確定的雷達(dá)參數(shù)：fr=1000Hz，天線掃描速率Tscan=2s，波束寬度θa=1.33°，雜波的譜寬的均方根值為

(12.2.18)

由于天線掃描引起雜波譜的展寬為

(12.2.19)

因此，雜波譜總的均方根帶寬為

(12.2.20)

采用2脈沖、3脈沖或4脈沖MTI進(jìn)行雜波抑制，改善因子分別為

(12.2.21)

(12.2.22)

(12.2.23)

某彈載末制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)要求：不模糊探測(cè)距離為80km；工作比不超過20%；波長(zhǎng)λ=3cm；天線等效孔徑D=0.25m(直徑)；噪聲系數(shù)F=3dB；系統(tǒng)損耗L=4dB；天線波束寬度θ3dB=6°；目標(biāo)的RCS的σ=1500m2。彈目之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系如圖12.7。目標(biāo)航速Vs=15m/s，導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)速度Va=600m/s，目標(biāo)航向與彈軸方向之間的夾角為12.3某末制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)α′=30°，目標(biāo)偏離彈軸方向的角度為β=1°，則在艦船位置P，導(dǎo)彈對(duì)目標(biāo)視線與目標(biāo)航向的夾角α=α′+β。從t=0時(shí)刻開始，導(dǎo)彈從O向O′位置運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)從P向P′位置運(yùn)動(dòng),在該時(shí)刻導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)方向與目標(biāo)的夾角為βi。其接收信號(hào)處理流程如圖12.8所示。雷達(dá)采用LFM信號(hào)，在搜索和跟蹤工作模式下的波形參數(shù)見表12.1。

圖12.7彈目之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系

圖12.8接收信號(hào)處理流程表12.1在搜索和跟蹤工作模式下的波形參數(shù)

(1)采用線性調(diào)頻脈沖信號(hào)，推導(dǎo)信號(hào)的模糊函數(shù)，并給出|χ(τ，fd)|、|χ(τ，0)|、|χ(0，fd)|的圖形，|χ(τ，fd)|的-4dB切割等高線圖。

線性調(diào)頻信號(hào)的復(fù)包絡(luò)可表示為

(12.3.1)

其中a(t)=1,(|t|≤τ′/2)為矩形脈沖函數(shù)，τ′是脈沖寬度。

線性調(diào)頻信號(hào)的模糊函數(shù)為

(12.3.2)

當(dāng)fd=0時(shí)，距離模糊函數(shù)為

(12.3.3)

當(dāng)τ=0時(shí)，多普勒模糊函數(shù)為

(12.3.4)

圖12.9分別給出了這些模糊圖及其等高線圖。

圖12.9模糊圖

(2)計(jì)算天線的有效面積Ae和增益G。

(12.3.5)

(12.3.6)

(3)若接收機(jī)的帶寬B=10.3MHz，輸出中頻fIF=60MHz，線性動(dòng)態(tài)范圍DR-1=60dB，A/DC的最大輸入信號(hào)電平為2Vpp(峰峰值，50Ω負(fù)載)，①計(jì)算接收機(jī)的臨界靈敏度Smin、輸入端的最大信號(hào)功率電平、最大輸出信號(hào)功率電平、增益；②選擇合適的A/DC，估算A/D噪聲對(duì)系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響。

①接收機(jī)的臨界靈敏度為

(12.3.7)

接收機(jī)輸入端的最大信號(hào)(即1dB增益壓縮點(diǎn)輸入信號(hào))功率電平為

(12.3.8)

接收機(jī)最大輸出信號(hào)功率電平為

(12.3.9)

因此，接收機(jī)的增益為Pout－1－Pin－1=10－(－41)=51(dBm)。②接收機(jī)前端到A/D輸入端的噪聲功率為

PnR=－101dBm+51dBm=－50dBm，折算到R=50Ω的A/D輸入阻抗上的均方噪聲電壓為

(12.3.10)

A/D的均方噪聲電壓為

SNR為A/D的信噪比(可以從器件手冊(cè)上查到)。根據(jù)中頻正交采樣定理，要求A/D的采樣頻率

且大于2B。因此，取fs=48MHz?？紤]選取兩種不同位數(shù)的A/D變換器：

(i)選取12位A/D變換器AD9042時(shí)，實(shí)際A/D的SNR為62dB，則A/D的均方噪聲電壓為

(12.3.11)

(12.3.12)A/DC對(duì)系統(tǒng)噪聲系數(shù)的惡化量為ΔFA/D=10lg(M+1)－10

lg(M)=2.1165(dB),顯然ΔFA/D太大，是不能容忍的。因此，該A/DC不合適。

(ii)選取14位A/D變換器AD9244時(shí)，實(shí)際A/D的SNR為70dB，則A/D的均方噪聲電壓以及其與輸入阻抗上的均方噪聲電壓的比值M為

(12.3.13)

(12.3.14)

A/DC對(duì)系統(tǒng)噪聲系數(shù)的惡化量為ΔFA/D=0.4(dB)。

(4)若天線在±45°范圍內(nèi)搜索，掃描速度為60°/s，可積累的脈沖數(shù)N=？若要求發(fā)現(xiàn)概率Pd=90%，虛警概率Pfa=10－6，達(dá)到上述檢測(cè)性能要求的SNR＝？在搜索狀態(tài)，若采用64個(gè)脈沖相干積累，計(jì)算要求的輻射峰值功率Pt=？若取Pt=25W，計(jì)算目標(biāo)回波相干積累前、后的信噪比SNR與距離的關(guān)系曲線(考慮信號(hào)處理總的損失5dB)。①天線掃描速度v=60°/s，天線波束寬度θ3dB=6°，在每個(gè)波位駐留時(shí)間tint=θ3dB/v=6/60=0.1s，可積累脈沖數(shù)

(12.3.15)

②若要求發(fā)現(xiàn)概率Pd=90%，虛警概率Pfa=10-6，查表得到上述檢測(cè)性能要求的最小信噪比為SNRo，min＝12.5dB。

③若采用M=64個(gè)脈沖相干積累，計(jì)算要求的輻射峰值功率Pt。

根據(jù)雷達(dá)方程，單個(gè)脈沖回波信號(hào)的信噪比為 M個(gè)脈沖相干積累后的信噪比為

(12.3.16)

則要求的輻射峰值功率為

(12.3.17)

經(jīng)計(jì)算得(Pt)dB=12.4966(dBW)，即

若取Pt=25W，目標(biāo)回波相干積累前、后的信噪比SNR與距離的關(guān)系曲線如圖12.10所示。

圖12.10SNR與距離的關(guān)系曲線

(5)給出所采用信號(hào)的匹配濾波函數(shù)h(t)及其頻譜H(f)。比較加窗(主副瓣比35dB)和不加窗時(shí)的脈沖壓縮結(jié)果，分析主瓣寬度、SNR損失。

發(fā)射信號(hào)的復(fù)包絡(luò)見式(12.3.1)，則其匹配濾波函數(shù)為

(12.3.18)

當(dāng)時(shí)寬帶寬積遠(yuǎn)大于1時(shí)，h(t)的頻譜可近似表示為

(12.3.19)

匹配濾波函數(shù)h(t)如圖12.11所示。脈壓結(jié)果如圖12.12所示，可見加窗后主瓣被展寬，主瓣寬度和SNR損失見第5章的介紹。

圖12.11h(t)的實(shí)部(實(shí)線)和虛部(虛線)圖12.12脈壓結(jié)果(右圖是主瓣的局部放大)

(6)在搜索狀態(tài)，假設(shè)目標(biāo)距離為80km。假定中頻正交采樣頻率fs=2MHz。①給出目標(biāo)回波的基帶信號(hào)模型，推導(dǎo)脈壓、相干處理后的輸出信號(hào)模型。②假設(shè)在相干積累前導(dǎo)彈自身的速度進(jìn)行了補(bǔ)償，若A/D采樣時(shí)噪聲占10位，目標(biāo)回波信號(hào)幅度占8位，即噪聲和目標(biāo)回波功率分別為60dB、48dB。畫出A/D采樣的回波基帶信號(hào)、脈壓處理后的輸出信號(hào)、相干積累的輸出信號(hào)。分析每一步處理的信噪比變化。③解釋目標(biāo)所在多普勒通道對(duì)應(yīng)的頻率與實(shí)際的多普勒頻率是否相符。④對(duì)目標(biāo)所在多普勒通道進(jìn)行CFAR處理，畫出目標(biāo)所在多普勒通道信號(hào)及其CFAR的比較電平(按(4)的檢測(cè)性能)。①根據(jù)發(fā)射信號(hào)的復(fù)包絡(luò)，接收信號(hào)經(jīng)混頻至基帶的信號(hào)模型為

(12.3.20)

其中：A為接收信號(hào)幅度； 為目標(biāo)相對(duì)于發(fā)射信號(hào)的時(shí)延，v為目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)視線的徑向速度；n(t)為復(fù)高斯白噪聲。為分析簡(jiǎn)便，下面的推導(dǎo)不考慮噪聲。由于在一個(gè)波位駐留時(shí)間較短(0.1s)，假定導(dǎo)彈自身的速度進(jìn)行了補(bǔ)償，艦船目標(biāo)運(yùn)動(dòng)較慢，因此在一個(gè)波位駐留期間發(fā)射的M個(gè)脈沖不存在包絡(luò)移動(dòng)，式(12.3.20)中時(shí)間t用t′=m·Tr+t表示，第m個(gè)脈沖重復(fù)周期的回波信號(hào)可表示為

(12.3.21)

式中 為目標(biāo)的多普勒頻率； 為常數(shù)項(xiàng)，可不考慮。當(dāng)時(shí)寬帶寬積遠(yuǎn)大于1時(shí)，sm(t)的頻譜Sm(f)可近似表示為

(12.3.22)

脈沖壓縮濾波器輸出信號(hào)的頻譜So,m(f)為輸入信號(hào)頻譜Sm(f)與脈沖壓縮濾波器頻率特性H(f)的乘積，即

(12.3.23)

因此，脈沖壓縮輸出信號(hào)so,m(t)為

(12.3.24)

相干積累是對(duì)每個(gè)波位發(fā)射的M個(gè)脈沖的回波信號(hào)在每個(gè)距離單元通過譜分析(FFT)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)目標(biāo)所在距離單元進(jìn)行FFT時(shí)，第k個(gè)多普勒通道的輸出

(12.3.25)

只有當(dāng)t=τ0且k=fdTrM，即目標(biāo)所在距離單元、所在多普勒通道，|Y(k)|才出現(xiàn)峰值，從而得到目標(biāo)的距離和多普勒頻率。

相干積累對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)而言是電壓相加(包含相位信息)，對(duì)噪聲而言是功率相加，因此，M個(gè)脈沖進(jìn)行相干積累時(shí)，信噪比改善M倍。

②假定A/D采樣時(shí)噪聲、目標(biāo)回波信號(hào)分別占10位、8位(不包括符號(hào)位)。圖12.13是某一個(gè)脈沖重復(fù)周期的原始回波基帶信號(hào)，目標(biāo)完全被噪聲淹沒。圖12.14是脈壓處理的輸出信號(hào)。圖12.15是64個(gè)脈沖相干積累輸出及其等高線圖。表12.2列出了單次仿真的信號(hào)處理過程中功率或SNR的變化。從理論上講脈壓比為320對(duì)應(yīng)的SNR的改善為25dB，64個(gè)脈沖相干積累的SNR的改善為18dB，由此可見，脈壓、相干積累的信噪比的改善與理論結(jié)果一致。

圖12.13脈沖重復(fù)周期的原始回波I、Q信號(hào)

圖12.14脈壓結(jié)果

圖12.15相干積累結(jié)果表12.2信號(hào)處理過程中功率或SNR的變化③目標(biāo)的多普勒頻率為

而圖12.15(b)中實(shí)際計(jì)算得到的目標(biāo)的多普勒頻率為fd_cal=－390Hz。這是由于目標(biāo)的多普勒頻率大于625Hz(即fr/2)，故多普勒頻率出現(xiàn)了模糊，fd_real－fr=－384Hz，與fd_cal相一致。

④目標(biāo)所在多普勒通道信號(hào)及其CFAR電平如圖12.16所示。

圖12.16目標(biāo)所在多普勒通道信號(hào)及其CFAR電平

(7)天線的方向函數(shù)用高斯函數(shù)近似，在近距離采用單脈沖測(cè)角。①給出和、差通道信號(hào)模型和歸一化誤差信號(hào)模型，指出誤差信號(hào)的斜率。②計(jì)算目標(biāo)偏離電軸中心0.5°和1.0°時(shí)的歸一化誤差信號(hào)(此時(shí)不考慮噪聲的影響)。③對(duì)測(cè)角精度進(jìn)行MontoCarlo分析(SNR與測(cè)角的均方根誤差)。④假定彈目距離20km，SNR=20dB，方位為1°，給出和、差通道的時(shí)域脈壓結(jié)果。①單脈沖測(cè)角時(shí)，天線兩個(gè)波瓣的方向圖函數(shù)可表示為

(12.3.26)

這里

即為波束寬度的一半。和、差波束可表示為

(12.3.27)

歸一化誤差信號(hào)為

(12.3.28)

圖12.17給出了該雷達(dá)的和、差波束及其歸一化誤差信號(hào)。利用MATLAB中polyfit函數(shù)擬合，得到該誤差信號(hào)的斜率為Ks=4.7261。

圖12.17和、差波束及其歸一化誤差信號(hào)②假設(shè)目標(biāo)方位為1°，模擬產(chǎn)生和、差通道的目標(biāo)回波信號(hào)，并進(jìn)行脈壓、相干積累，圖12.18給出和、差波束目標(biāo)所在多普勒通道的輸出信號(hào)。提取的歸一化誤差電壓為Erra=0.2275，計(jì)算目標(biāo)的方位為θ0=ErraKs=1.075°。

圖12.18目標(biāo)在不同方位時(shí)的和、差通道信號(hào)③假設(shè)目標(biāo)的方位為0°，進(jìn)行100次MontoCarlo(蒙特卡羅)分析，圖12.19(a)給出了100次獨(dú)立測(cè)量的誤差，圖12.19(b)為測(cè)角精度(均方根誤差)。橫坐標(biāo)SNR為單脈沖測(cè)量(提取誤差信號(hào)前)的和差通道的信噪比。由于波束寬度為6°，當(dāng)SNR為20dB時(shí)，其測(cè)角精度為0.23°，約為波束寬度的1/25。

圖12.19100次MontoCarlo分析結(jié)果

(8)假設(shè)接收機(jī)輸出中頻信號(hào)的中心頻率為60MHz，確定A/D采樣時(shí)鐘，設(shè)計(jì)中頻正交采樣濾波器，畫圖說明其幅頻特性及其鏡頻抑制比。給出一個(gè)脈沖重復(fù)周期的目標(biāo)回波中頻信號(hào)、正交采樣的基帶信號(hào)、脈壓后的原始視頻信號(hào)。

(9)利用MATLAB中的GUI設(shè)計(jì)導(dǎo)彈與目標(biāo)之間從搜索到跟蹤的動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)，系統(tǒng)可以對(duì)雷達(dá)和目標(biāo)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；并可以動(dòng)態(tài)顯示中間處理結(jié)果和最終彈目跟蹤的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖12.20給出了動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)的其中一個(gè)人機(jī)界面。

圖12.20動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)

(10)根據(jù)圖12.8雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)的任務(wù)，給出信號(hào)處理機(jī)的初步設(shè)計(jì)方案。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)的硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖12.21所示，包括一片F(xiàn)PGA、三片DSP(TS101)等。采用兩路高速高精度14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD9244)完成對(duì)Σ、Δ兩個(gè)通道回波的采集。

圖12.21處理機(jī)的硬件實(shí)現(xiàn)框圖

FPGA的作用主要包括：①完成對(duì)兩路采集信號(hào)的中頻正交變換；②整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)中的時(shí)序產(chǎn)生電路，完成各種同步、發(fā)射、調(diào)制等要求的時(shí)序信號(hào)的產(chǎn)生；③集成了一個(gè)UART，完成末制導(dǎo)雷達(dá)與彈上綜控機(jī)之間的通信，以及數(shù)據(jù)的裝定等；④給伺服系統(tǒng)等提供控制信號(hào)；⑤給ADC提供采樣時(shí)鐘，給DSP提供中斷信號(hào)、工作狀態(tài)的標(biāo)志信息等。

三片DSP的具體任務(wù)分配如表12.3所示。表12.3信號(hào)處理板上各片DSP的任務(wù)分配

某陣列雷達(dá)位包括20個(gè)天線單元的等距線陣(水平放置)，天線間隔0.65m，波長(zhǎng)為1.25m。采用LFM信號(hào)，調(diào)頻帶寬B=800kHz，脈沖寬度Te=400μs)；雷達(dá)為三變T，脈沖重復(fù)周期分別為［4100，4300，4500］μs。對(duì)基帶復(fù)信號(hào)的采樣時(shí)鐘為1μs。在一個(gè)波位發(fā)射的脈沖數(shù)為12。12.4某陣列雷達(dá)信號(hào)處理假設(shè)兩個(gè)目標(biāo)的距離分別為80km和200km，速度分別為300m/s和200m/s，方位分別為0°和1°(相對(duì)于陣列的法線方向)，信噪比均為－10dB。

在100km內(nèi)均存在地雜波，雜波的速度譜寬為0.42m/s，雜噪比為60dB。

該雷達(dá)的信號(hào)處理流程如圖12.22所示，對(duì)回波信號(hào)一次進(jìn)行DBF、脈壓、MTI、非相干積累CFAR等處理。

圖12.22雷達(dá)的信號(hào)處理流程

(1)模擬產(chǎn)生雷達(dá)的回波信號(hào)(包括上述目標(biāo)、雜波和噪聲)，生成數(shù)據(jù)文件radar_data.mat，為三維數(shù)組NR×20×12，NR為距離單元(例如NR=3000)，20為天線單元數(shù)，12為一個(gè)波位的脈沖數(shù)。畫出其中任一天線接收的時(shí)域信號(hào)波形。

(2)推導(dǎo)波束指向?yàn)棣葧r(shí)的DBF權(quán)矢量，給出波束指向?yàn)棣?0°時(shí)的DBF處理結(jié)果，要求DBF的副瓣<－25dB(采用泰勒窗)。畫出DBF處理的輸出時(shí)域信號(hào)波形。分析波束指向分別為0°和45°時(shí)的波束寬度。

(3)分析脈壓的匹配濾波系數(shù)，給出脈壓后的原始視頻，要求脈壓的副瓣≤－35dB。

(4)設(shè)計(jì)四六脈沖MTI濾波器(假設(shè)濾波器凹口的中心在零頻)