基于Matlab的雷達系統仿真

0 引言

    隨著社會和科技的不斷發展，現代雷達系統更加復雜且精準，故需要借助計算機來完成對系統各項功能和性質的仿真，以完成對系統性能的評估。Matlab提供了強大的仿真平臺。一個典型的雷達系統主要由天線、發射機、接收機、信號處理機、伺服系統和終端設備等部分構成。本文主要討論雷達信號處理部分，并結合某脈沖雷達信號處理的實例來說明Matlab在雷達信號處理系統仿真中的應用。

1 雷達回波信號接收

    本例主要采用的回波信號由目標回波、地物雜波和系統噪聲三部分構成。

    其中目標回波的多普勒頻fd=250Hz，為線性調頻信號，動目標延遲約為133.3μs（即20公里處）。通過Matlab提供的modulate函數，可以方便地產生線性調頻信號。modulate函數調用格式如下：

    y=modulate(x,fc,fs,‘method’,opt)

    其中參數x為調制信號序列，fc為30MHz載波頻率，fs為40MHz采樣頻率，‘method’參數用來決定進行何種調制，opt為調制靈敏度，也就是線性調頻信號的步進系數。

    地物雜波為瑞利分布雜波。瑞利分布是雷達雜波中最常用、也是用得最早的一種統計模型。Matlab提供的raylrnd函數可用來產生瑞利分布的隨機數。raylrnd(B，m)中的參數B為瑞利分布參數，m是一個包含兩個元素的一維向量，這兩個元素分別代表瑞利分布隨機數矩陣的行數和列數。

    系統噪聲是(0，0.5)上的均勻分布噪聲。通過Matlab提供的rand函數可產生均勻分布的隨機數。圖1所示是運用Matlab得到的仿真結果圖。

圖1 單個周期回波頻譜和波形（含噪聲）

2 信號處理系統仿真

    雷達信號處理的目的是消除不需要的信號及干擾，提取或加強由目標所產生的回波信號。一個典型的脈沖雷達信號處理部分主要由A/D采樣、相干檢波、脈沖壓縮、MTI、求模、累積、恒虛警處理等組成。圖2所示是一個脈沖雷達信號處理的仿真模型。

圖2 雷達信號處理的仿真模型

2.1相干檢波

    相干檢波的目的是把中頻信號轉換成零中頻的I、Q兩路正交信號。若其中頻信號為：

    f_IF(t)=A(t)cos(2πf_ot+φ(t）

          =A(t)cosφ(t)cos2πf_ot-A(t)sinφ(t)sin2πf_ot  (1)

    其中f_o為載波頻率。

    令：I(t)=A(t)cosφ(t),Q(t)=A(t)sinφ(t)  (2)

    則有：f_IF(t)=I(t)cos2πf_ot-Q(t)sin2πf_ot  (3)

    其中I通道的本振為cos2πf_o ；Q通道的本振為sin2πf_o。

    輸出為:y_I(t)=1/2A(t)cosφ(t),y_Q(t)=吉A(f)sinφ(t)  (4)

    設計低通濾波器時，可選通帶邊界頻率為10MHz，阻帶邊界頻率為13MHz，阻帶衰減不小于50dB，通帶波紋不大于1dB，并使用漢寧窗抑制旁瓣。Matlab提供了方便的濾波函數filter(b，a，x)。其中x為輸入信號，b、a為濾波器傳遞函數的分子和分母的系數向量。圖3所示是相干檢波后I路和Q路含有噪聲的波形圖，圖4則給出了相干檢波后的頻譜在濾波前后的頻譜比較。

圖3 相干檢波后I路和Q路波形（含噪聲）

圖4 濾波和未濾波的比較相干檢波后頻譜

2.2脈沖壓縮模塊

    在進行脈沖壓縮處理之前，首先要獲得相應于雷達發射信號的匹配濾波器或脈沖壓縮系數。在實際工程中，對脈沖壓縮的處理往往是在頻域進行的，因為這樣可以利用FFT算法提高計算速度，然后將雷達回波與匹配濾波器的頻域響應（沖壓縮系數）相乘，在經過IFFT變換，就可得到脈沖壓縮處理的結果。而對于線性調頻的脈沖壓縮系數，只需將線性調頻信號取共軛和翻轉即可。

    雷達的發射信號一般為線性調頻信號，具體參數是：脈寬100Frs、中心頻率30MHz、調頻寬5MHz。對雷達回波信號的采樣頻率為40MHz，在中頻進行正交下變頻。圖5所示是用Matlab仿真該雷達的脈沖，再經壓縮處理得到的波形圖。圖中，在7.5km處有一個點目標。

圖5 脈沖壓縮后的波形(含噪聲)

2.3恒虛警處理(CFAR)

    在低分辨率的脈沖雷達系統中，雜波可看作是很多獨立照射單元回波的疊加，因此，雜波絡的分布接近瑞利分布。其分布特性和噪聲相類似，得到恒虛警的途徑也相同，就是要求得出瑞利分布的平均值估值，然后用它對輸出進行歸一化。由于雜波通常只存在于一定的方位和距離范圍內，因此，在估計這些雜波平均值時，不能在許多次掃描周期內進行，也不允許在一次距離掃描的全程里進行，而只能在檢測點鄰近的距離單元，且鄰近單元的長度應短于雜波散射體連片所占的實際長度。本系統采用鄰近單元平均選大恒虛警電路，具體如圖6所示。

圖6 鄰近單元平均選大恒虛警電路

    將檢測點前后的參考單元分別平均估值，并選用其中的較大值作為平均值估值輸出，這種方式可以解決雜波邊緣內側虛警概率增大的問題，但雜波邊緣外側信號檢測能力的損失將相應增大。同時在經過處理后，平均值估值的起伏將引起輸出噪聲的起伏加大。檢測門限一定時，也將引起虛警概率的增加。如果要維持輸出虛警概率不變，則應根據N適當提高檢測門限：若要保持原來的檢測概率，則必須提高輸入信號的信噪比。下面用Matlab對鄰近平均選大方式恒虛警處理進行仿真。該仿真的參考單元數為16，雷達的脈沖重復周期為1ms，在25-25.12km處有服從瑞利分布的雜波回波且在20km處有一個點目標，圖7所示是其仿真結果。

圖7 采用鄰近單元平均選大恒虛警電路處理結果

3 結束語

    使用Matlab進行雷達信號處理系統的仿真，能夠快速建立系統模型，體現其快捷經濟的特點。而且建模需用時間短、模型簡單，所得結果明確、精準，同時也方便修改參數，可以更好的看到不同輸入所得到的不同結果，以便更加清晰的進行性能評估及驗證。本文以某連續波雷達為實例，并基于Matlab的雷達信號處理仿真方法，可以得到較好的效果。

核心關注：拓步ERP系統平臺是覆蓋了眾多的業務領域、行業應用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業務管理理念，功能涉及供應鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業務領域的管理，全面涵蓋了企業關注ERP管理系統的核心領域，是眾多中小企業信息化建設首選的ERP管理軟件信賴品牌。

轉載請注明出處：拓步ERP資訊網http://www.lukmueng.com/

本文標題：基于Matlab的雷達系統仿真

本文網址：http://www.lukmueng.com/html/solutions/14019315164.html