雷达信号的设计与仿真

目录第一章绪论1.1研究目的和意义1.2国内外发展现状展1.21线性与非线性调频信号的发展与现状1.3论文的主要框架第二章雷达基本原理2.1线性调频信号基本理论2.2非线性调频信号2.3脉冲压缩意义2.4MATLAB/Simulink基本知识介绍第三章线性调频信号3.1线性调频信号的性能分析3.2线性调频信号的模糊函数3.3线性调频信号的加权处理3.4基于MATLAB的线性调频信号设计与仿真3.41仿真实验的结果与分析第四章非线性调频信号4.1非线性调频信号的性能分析4.2非线性调频信号的波形设计4.3非线性调频信号的脉冲压缩4.4基于MATLAB的非线性调频信号设计与仿真4.41仿真实验的结果与分析第五章总结与展望5.1主要工作与结论5.2存在的问题与展望下一步工作第一章绪论1.1引言雷达（RADAR）是RadioDetectionAndRanging的缩写。一般来说，雷达系统使用调制波形和方向线来发射电磁能量到空间的特大区域以搜索目标。在收缩域内的目标会反射部分能量（雷达反射信号或回波）回到雷达，然后这些回波被雷达接受机处理，以提取目标的信息，例如距离、速度、角位置和其他目标识别特征。一般雷达包括五个组成部分：发射机、发射天线、接收机、接收天线以及显示器，另外还有电源设备、数据录取设备、抗干扰设备等辅助设备。发射机为雷达提供一个载波受到调制的功率射频信号，经馈线和收发开关由天线辐射出去。接收机通过适当的滤波将天线上接收通过适当的滤波将天线上接收到的微弱高频信号从噪声和干扰背景中选择出来，并经过放大和检波后，送至显示器、信号处理器或由计算机控制的雷达终端设备中。雷达终端显示器用显示雷达所获得的目标信息和情报，显示的内容包括目标的位置及其运动情况，目标的各种特征参数等。雷达的基本工作原理是:雷达发射机产生足够的电磁能量，经过天线辐射至大气中，集中在某一个很窄的方向上形成波束，向前传播。电磁波遇到波束内的目标后，将沿着各个方向产生反射，其中的一部分电磁能量发射回雷达的方向，被雷达天线获取后送到接收机，形成雷达的回波信号。由于在传播过程中电磁波会随着传播距离而衰减，雷达回波信号非常微弱，几乎被噪声所淹没。接收机放在微弱的回波信号，经过信号处理机处理，提取出包含在回波的信息，送到显示器出目标的距离、方向、速度等。1.1研究目的和意义雷达信号仿真是电子战威胁环境仿真的关键技术之一。随着电磁环境的日益复杂，对雷达信号的要求越来越高。由于现代的雷达系统日益变得复杂，难以用简单直观的方法进行处理。为了满足测量精度要求，需要保证雷达信号的相参性等重要技术指标；再如对线性调频雷达来说，线性调频信号的线性度直接关系到测量距离的精度。利用计算机仿真技术对雷达进行系统的建模与仿真，可以高效的完成系统的方案论证和性能评估，使雷达系统设计更加方便、高效和优化，能够大大提高设计的可靠性，并可缩短设计周期，降低开发成本。随着现代电子技术和飞行技术的发展，雷达在更多的行业中得到了广泛的应用。人们对雷达的作用距离、分辨能力、测量精度和单值性等性能指标提出越来越高的要求。因此雷达信号形式的选择和信号处理的方式起着重要作用早期脉冲雷达多采用单频矩形脉冲信号，其发射能量是发射机功率和脉冲宽度的乘积。在噪声功率谱是一定的情况下，信号的检测能力取决于信号能量。因此，增大雷达的作用距离，即增大信号的能量可以通过提高发射机功率或增大脉冲宽度来实现。但是在通常情况下，发射机的平均发射功率是有限的；而在单频矩形脉冲条件下，脉冲宽度又直接决定了距离分辨力和测距精度，为了保证一定的距离分辨力，脉冲宽度就会受到极大的限制。由此可见，增大信号能量的两种方法都会受到限制。早期单载频脉冲雷达在提高检测能力与系统的距离分辨力之间存在着不可调和的矛盾与此同时，雷达分辨理论表明：精度和分辨力是一致的，要提高雷达的距离测量精度和距离分辨力，发射信号在频域内必须占有大的持续带宽；而要提高的速度测量精度和速度分辨力，则信号在时域内必须占有大的持续时宽。因此，理想的雷达发射信号要求具有宽脉冲和大带宽的形式，而单载频脉冲信号的时宽带宽乘积接近于1，大的时宽和带宽不可兼得。为了解决单载频脉冲信号的局限性，人们使用具有大时宽带宽积的脉冲压缩信号。所采用脉冲压缩技术包括：在发射端，通过对相对较宽的脉冲进行调制使其同时具有大的带宽，从而得到大时宽带宽积的发射信号；在接收端，对接收的回波信号进行压缩处理，得到较窄的脉冲。作为现代雷达的重要技术，脉冲压缩可以有效地解决距离分辨力与平均功率之间的矛盾，能够得到较高的距离测量精度、速度测量精度、距离分辨率和速度分辨力，在现代雷达中得到了广泛的使用。在脉冲压缩技术中，雷达所使用的发射信号波形的设计，是决定脉冲压缩性能的关键。常用的发射信号波形分为：线性调频(LFM)信号，非线性调频(NLFM)信号和相位编码(PSK)信号等，本文主要讨论的是NLFM信号。LFM信号最早是在1945年由R.H.Dicke提出的。LFM信号的产生和实现都比较容易，是研究最早、应用较为广泛的一种脉冲压缩信号。LFM信号的频率在脉冲宽度内与时间变化成线性关系。LFM信号的最大优点是匹配滤波器对回波信号的非线性调频信号的波形设计与脉冲压缩多普勒频移不敏感，即使回波信号具有较大的多普勒频移，采用原有的匹配滤器仍然能得到较好的脉冲压缩结果，因而可简化信号处理系统。但LFM信号匹配滤波器输出响应的旁瓣较高，为了抑制旁瓣常需要进行加权处理，但这会造成主瓣展宽，并导致信噪比损失。此外，LFM信号的缺点是会产生多普勒耦合时移现象，不能同时独立提供距离和速度的测量值。对于LFM信号通常采用加权的方法来抑制旁瓣。加权可以在发射端，接收端或收、发两端进行，分别称为单向加权和双向加权。而加权的方式可以是在频率域对幅度或相位进行加权，也可以是在时间域对幅度或相位进行加权。此外，对整个信号处理系统而言，加权可以在射频、中频或视频级中进行，但为了使发射机工作在最佳功率状态，幅度加权一般不在发射端进行，常采用在接收端中频级进行频域上的幅度加权。因此选择良好的加权网络和加权方式是LFM信号旁瓣抑制的中心问题。然而各种性能的加权函数在降低距离旁瓣的同时均会造成1-3dB的信噪比损失，并且以脉压输出的主瓣展宽为代价。因此，针对旁瓣产生的不同原因，出现了多种旁瓣抑制的方法主要有校正、补偿以及预失真等方法NLFM的概念首先由Key在1959年提出，NLFM信号的频率随着时间做非线性变化，其突出的优点是直接进行匹配滤波即可得到较低的旁瓣而无需加权处理，因而避免了引入加权所带来的信噪比损失问题。这是因为采用了NLFM信号，相当于将LFM信号所引入的加权网络的作用转移分配在发射系统和接收系统中，所以不需要再用加权网络，而只需要改变发射信号的频谱和匹配滤波器的传递函数。因此既可得到压缩后的低旁瓣，又避免了主瓣的展宽和信噪比损失。但它具有近似图钉型模糊函数，是多普勒敏感信号，也存在着多普勒耦合时移，并且NLFM信号在产生及处理上较难实现，影响了这类信号的推广和应用。数字技术的飞速发展为它提供了契机，在多普勒频率变化适中并且对信噪比损失有严格要求的情况下，采用NLFM信号进行脉冲压缩处理是一种有效的途径，使NLFM信号成为研究的热点，越来越多地受到国内外的关注。军事用途:70年代以来，随着大规模成电路和数字处理技术的发展，脉冲多普勒雷达广泛用于机载预警、导航、导弹制导、卫星跟踪、战场侦察、靶场测量、武器火控和气象探测等方面，成为重要的军事装备。机载火控系统用的主要是脉冲多普勒雷达，如美国现役F一15、F/A一18和F一16等战斗机分别装备的AWG一9、APG一63、A尸G一65和APG一66A/B、APG一68C/D等雷达。现代雷达系统日益变得复杂，难以用简单直观的分析方法进行处理，往往需要借助计算机来完成对系统的各项功能和性能的仿真。利用计算机来进行雷达系统的仿真具有方便、灵活以及经济的特点。而Matlab提供了强大的仿真平台，可以为大多数雷达系统的仿真提供方便快捷的运算。本文的主要工作是总结雷达信号处理的数学模型，针对雷达信号进行仿真。通过仿真进一步掌握雷达信号处理的相关知识。为今后从事相关工作打下坚实的基础。选择这个课题作为毕业设计。主要基于下面几点考虑：一是部队对通信人才方面的需要，现代部队发展迅速武器不断更新，作为一名军人，必须掌握好手中的武器才能更好跟上部队的步伐。二是个人的兴趣爱好，大学学习的是通信工程一直对雷达的发展充满好奇。虽然专业课没有学习关于雷达系统方面的知识但我喜欢雷达信号处理的工作通过自己的学习进一步提高自己的学习能力，为毕业之后的工作打下坚实的基础。1.2国内外发展现状雷达仿真技术经过三十多年的发展和研究，已经成为雷达研究和使用中必备的基础工具。随着现代雷达功能的不断加强。雷达信号的仿真软件也不断扩充增加。雷达信号处理向多功能方向发展对信号处理理论提出新的需求，而雷达信号处理数字化的进展又为各种信号处理理论在雷达信号处理的应用提供了可能，所以雷达信号处理中的应用提供了可能，所以雷达信号处理发展。美国罗姆空军发展中心（RADC）从本世70年代初开始致力于雷达信号仿真的研究。其重点是地基监控雷达信号处理的仿真。并此基础上发展成为较为完善的仿真软件—“交互式雷达仿真系统（IRSS）”。IRSS可作为雷达工程师设计和评估雷达的工具，通过不同的功能。从1997年开始，RADC讲IRSS和PAA结合为更为完善的雷达仿真系统——“交互式雷达环境仿真模型（IRESM）”。美国军方利用IRESM对若干个不同的地基雷达进行了性能评估，并取得了较为理想的效果。CrossSystems公司研制的AGP——63、APQ——169仿真系统也可以广泛的应用于现代雷达的开发工作中。国内雷达仿真起步较晚。航天科工集团二院23所在“八五“期间初步建立了一套微波段相控阵雷达仿真系统，包括目标特征模型、环境特性模型、雷达数据处理模型和雷达电子对抗等模型。利用该系统可以仿真控制雷达的动态过程，并分析其主要能。上海航天局804所从1997年起，着手建立地面制导雷达仿真系统，该系统是实时仿真和功能数字化仿真相结合的系统。建立该雷达仿真系统目的是进行HQ—6跟踪雷达探测性能和性能分析，在有效建模基础上开展设计仿真，杜绝方案失误取得雷达探测和功能评估。1.21线性与非线性调频信号的发展与现状在众多非线性相位调制信号中，LFM与NLFM信号特别引人注目的:一方面，作为大时宽带宽积的扩频信号，LFM与NLFM信号由于良好的脉冲压缩性能，广泛应用于各种信息系统，如通信、雷达、声纳和地震勘探等;另一方面，探测系统的目标多普勒频率与目标速度近似成正比，当目标做等加速或变加速运动时，回波信号在一段较短时间内与LFM或NLFM信号结构近似，便于从数学和电磁学角度研究解释复杂运动目标的特性。接下来我们叙述一LFM和NLFM信号的发展和现状:国外方面最早的调频信号应用于连续波雷达。为解决连续波雷达没有测距能力，必须在连续波载频上加入特定定时标志，最早有调幅、调频和调相三种方法给连续波信号加入标志，而频率调制的定时标志就是变化的频率。调频连续波雷达最早出现在19世纪20年代，应用于测云雷达，30年代用于飞机的高度计，现代调频连续波雷达依然有广泛的应用。19世纪40年代初，为了提高调频连续波雷达检测远距离空中目标的能力，曾将两种雷达工作原理结合，产生线性调频脉冲信号。但是由于当时器件限制，调频脉冲信号占空比较大在较短时间内可以将其看作占空比接近1的调频连续波信号，所以接收机并没有针对特定的发射信号波形设计成匹配滤波器，仍使用早期的调频连续波雷达信号接收系统，灵敏度低且不利于探测多目标。直到1945年迪克(R.H.Dicke)在其专利[6]中首先提出了调频脉冲压缩雷达的基本概念。通过匹配滤波器原理可以证明:未压缩脉冲信号通过脉冲压缩滤波器后脉冲峰值功率会提高BT倍(这里B表示未压缩脉冲信号的频宽，T表示未压缩脉冲信号的时宽)。从此以后将脉冲压缩的指标D(D=BT)称为脉冲压缩比，