6第五章(雷达波形1)

XIDIAN University雷达系统仿真与性能评估2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P2第一章：系统仿真技术；第二章：雷达发射机建模与仿真；第三章：雷达天线建模与仿真；第四章：雷达接收机建模与仿真；第五章：雷达回波建模与仿真；——雷达波形2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P3第六章：雷达信号处理建模与仿真；第七章：雷达数据处理建模与仿真；第八章：雷达系统建模与性能评估；雷达回波建模与仿真－雷达波形2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P41逼真地复现雷达系统中信号的动态处理过程。2仿真结果更精确，可信度更强。3适合在雷达具体设计阶段对单个雷达模块或信号处理分系统的测试、评估。雷达信号级仿真需要仿真雷达信号的发射、传播、散射、接收、滤波、抗干扰、信号处理、数据处理的全部物理过程2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P5收发转换开关天线发射的电磁波散射的电磁波目标雷达接收机信号处理机数据处理机终端显示雷达发射机雷达回波建模与仿真－雷达波形幻灯片5O1雷达探测任务：发现目标；测定目标距离、角度、速度；获取目标图像；Oakcat,2011/9/132011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P6收、发开关雷达发射电磁波雷达回波建模与仿真－雷达波形混频器射频源调制信号发生器载频调制信号╳＝()()(){}()cos2coscstftAttπφ⎡⎤=⋅⋅⎢⎥⎣⎦2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P7HF波段3~30MHzVHF波段30~300MHzUHF波段300~1000MHzL波段1000~2000MHzS波段2000~4000MHzC波段4000~8000MHzX波段8000~12000MHzKu、K和Ka波段12.0~18GHz毫米波段40~300GHz激光波段40~300GHz雷达回波建模与仿真－雷达波形雷达波形－载频2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P8雷达回波建模与仿真－雷达波形高频（HF，3~30MHz）主要用途：探测远距离目标(战略预警和海面监视)天波超视距雷达(2000Km)地波超视距雷达(200Km)缺点：（1）存在大量的广播通信信号，易受到干扰（2）天线尺寸巨大，分辨率低主要特点：容易产生较高的功率，能被电离层反射、能贴地球表面传播2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P9雷达回波建模与仿真－雷达波形甚高频（VHF，30~300MHz）主要用途：空中监视国土防空监视雷达主要特点：成本、功耗低，不易出现测速模糊缺点：（1）存在大量的广播通信信号，易受到干扰（2）天线尺寸巨大，分辨率低2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P10雷达回波建模与仿真－雷达波形超高频（UHF，300~1000MHz）主要特点：成本、功耗低，不易出现测速模糊，天线体积小于VHF波段主要用途：机载空中和地面监视机载预警雷达机载战场监视雷达缺点：天线设备难以小型化2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P11雷达回波建模与仿真－雷达波形L波段（1.0~2.0GHz）主要特点：云雨衰减小于更高的频段，分辨率高于更低的频段；主要用途：地面对空警戒和空中交通管制防空警戒雷达机场航管雷达2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P12雷达回波建模与仿真－雷达波形S波段（2.0~4.0GHz）主要特点：对目标定位的精度高于L波段，作用距离优于X波段，云雨反射较大；主要用途：机载空中监视、航天测控和气象观测机载预警和火控雷达卫星测控雷达气象雷达（测量降雨率）2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P13雷达回波建模与仿真－雷达波形X波段（8.0~12.0GHz）主要特点：设备尺寸小，分辨率和测量精度高；主要用途：机载、舰载火控，导弹导引，飞行器导航和雷达成像火控雷达制导雷达合成孔径雷达和逆合成孔径雷达2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P14雷达回波建模与仿真－雷达波形Ku、K和Ka波段（12.0~40.0GHz）主要特点：设备尺寸更小，分辨率和测量精度更高；缺点：云雨衰减较大，作用距离短主要用途：高精度测速、测距机载雷达高度表、防撞雷达2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P15雷达回波建模与仿真－雷达波形毫米波波段（12.0~40.0GHz）主要特点：设备尺寸小，可实现雷达设备小型化、便携化；带宽大、波束窄不易被干扰。缺点：云雨衰减严重，仅有四个大气传播窗口，作用距离短主要用途：近距离探测和成像毫米波微型合成孔径雷达2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P16雷达回波建模与仿真－雷达波形激光波段主要特点：波束极窄，分辨率极高缺点：恶劣天气情况下无法使用主要用途：高精度测距和成像，环境监测激光合成孔径雷达/逆合成孔径雷达激光测距仪2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P17雷达回波建模与仿真－雷达波形雷达波形－调制信号解析信号()()()cosstAttφ⎡⎤=⋅⎢⎥⎣⎦实信号：复信号：()()()exp()()stAtjtstjstφ⎡⎤′=⋅=+⋅⎢⎥⎣⎦()st()st()()()()()(){}1122121212coscoscoscos2AtAtAAttttφφφφφφ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⋅=++−⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦()()()(){}11221212expexpexpAjtAjtAAjttφφφφ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⋅=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P18雷达回波建模与仿真－雷达波形雷达波形－调制信号调制包络连续波脉冲2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P19雷达回波建模与仿真－雷达波形功率放大器发射机连续波接收机功率放大器发射泄漏收、发隔离度2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P20雷达回波建模与仿真－雷达波形收、发开关发射机接收机脉冲在近距离段存在探测盲区2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P21雷达回波建模与仿真－雷达波形脉冲波形－调制相位矩形窄带脉冲()Re1;0()0;PcrPnPtnTTstrecttnTTtnTT+∞=−∞⎧≤−⋅≤⎪⎪⎡⎤=−⋅=⎨⎢⎥⎣⎦⎪−⋅⎪⎩∑信号能量与距离分辨率相互矛盾2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P22雷达回波建模与仿真－雷达波形大时宽带宽积信号1PBT⋅大时宽：信号能量大，作用距离远；同等作用距离条件下，发射功率低大带宽：距离分辨率高，通过匹配滤波处理可获取与短脉冲相同的距离分辨率；脉冲波形－调制相位2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P23雷达回波建模与仿真－雷达波形匹配滤波（脉冲压缩）()()()ytstst=−⊗获取最大输出信噪比*()IFFT()()ytSfSf⎡⎤=⋅⎢⎥⎣⎦[]()()exp()SfAfjf=⋅Ψ2()Af=IFFTft2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P24雷达回波建模与仿真－雷达波形线性调频脉冲（LFM)()2()2dKtftKtdt==FFT匹配滤波1B脉冲波形－调制相位()()2()exp2;LFMrPPPnstrecttnTTjKtTKBTπ+∞=−∞⎡⎤⎡⎤=−⋅⋅−=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦∑2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P25雷达回波建模与仿真－雷达波形通过加窗能够获得很低的旁瓣550060006500-40-35-30-25-20-15-10-505550060006500-40-35-30-25-20-15-10-505IFFT╳IFFT归一化幅度dB归一化幅度dB2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P26雷达回波建模与仿真－雷达波形具有简单的频域解析表达式()()2()exp2PPstrecttTjKtTπ⎡⎤=⋅−⎢⎥⎣⎦()()()()202()exp2exp2expPTPPsfrecttTjKtTjfdtfAfjKπππ⎡⎤=⋅−⋅−⎢⎥⎣⎦⎛⎞⎟⎜⎟=⋅−⎜⎟⎜⎟⎜⎝⎠∫FFT2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P27雷达回波建模与仿真－雷达波形多普勒敏感性较低310dBf≤信噪比损失3dBX波段（波长0.03m），1MHz带宽2dvfλ=max4500/vms=()()2()expPstrecttTjKtπ=⋅()()()2()expexp2PdstrecttTjKtjftππ′=⋅⋅2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P28雷达回波建模与仿真－雷达波形相位编码脉冲()()1(1)()expNPCrPnnmtmstrecttnTTrectjττ+∞=−∞=⎧⎫⎡⎤⎪⎪−−⋅⎪⎪⎡⎤⎢⎥=−⋅⋅Φ⎨⎬⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎪⎪⎣⎦⎪⎪⎩⎭∑∑{}01,2,mmπΦ∈=，；二相码四相码{}02,,321,2,mmπππΦ∈=，；PTNτ=脉冲波形－调制相位2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P29雷达回波建模与仿真－雷达波形相位编码脉冲1Bτ=PNT=带宽：分辨率：PTNρτ==()()()ytstst=−⊗易于产生脉压处理简单脉冲波形－调制相位2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P30雷达回波建模与仿真－雷达波形相位编码脉冲多普勒敏感性：12dPfT≤信噪比损失3dB长脉冲多普勒容差性较差，必须补偿多普勒频率旁瓣电平：f旁瓣电平难以抑制脉冲波形－调制相位2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P31雷达回波建模与仿真－雷达波形Barker二相码234571113N,0,πππ或,,0ππ,0,,,0,0,0ππππ或,,,0,ππππ,,,0,0,,0ππππ,,,0,0,0,,0,0,,0πππππ,,,,,0,0,,,0,,0,πππππππππ旁瓣电平对称且均匀最大码元数：奇数≤13偶数≤469.612141720.822.2主旁瓣比/dB2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P32雷达回波建模与仿真－雷达波形M序列二相码21nN=−码元数2345678n12266181637153163127255N码元序列数目主旁瓣比N≈2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P33雷达回波建模与仿真－雷达波形步进频率脉冲串()1(1)()exp2NrnnPtnTstrectjftTπ=⎡⎤−−⋅⎢⎥=⋅⎢⎥⎣⎦∑多个脉冲合成大时宽多个脉冲合成大带宽脉间频率捷变，抗干扰脉冲波形－调制相位2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P34雷达回波建模与仿真－雷达波形频谱离散步进频率脉冲串脉冲波形－调制相位2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P35雷达回波建模与仿真－雷达波形()1(1)()exp2NrnnPtnTstrectjftTπ=⎡⎤−−⋅⎢⎥=⋅⎢⎥⎣⎦∑()2expjKtπ⋅调频步进信号PBKNT=⋅步进频率脉冲串脉冲波形－调制相位2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P36雷达回波建模与仿真－雷达波形脉冲波形－脉冲重复频率（PRF）rT1rrFT=低PRF高PRF中PRF：测距不模糊，测速模糊：测距模糊，测速模糊：测距模糊，测速不模糊脉冲积累提高信噪比脉间傅立叶变换测速2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P37雷达回波建模与仿真－雷达波形脉冲波形－脉冲重复频率（PRF）低PRF高PRF测距：τΔτ′Δ2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P38雷达回波建模与仿真－雷达波形脉冲波形－脉冲重复频率（PRF）低PRF高PRF测速：2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P39雷达回波建模与仿真－雷达波形连续波－调制相位单频连续波()()exp2swcstjftπ=频率分辨率极高高精度测速无限长矩形窗无法测距2011/12/20雷达信号处理国家重点实验室P40雷达回波建模与仿真－雷达波形连续波－调制相位调频连续波－锯齿型调频连续波()2(1)()exp(0.5)rrnrtnTstrectjKtnTTπ+∞=−∞⎡