电子科技大学雷达原理课程设计

雷达原理与系统课程设计一、设计要求设计一个雷达系统，对1m2目标，要求探测距离为10km，发射波形为常规脉冲，方位角分辨力为2°，俯仰角分辨力为20°，距离分辨力为15m。要求：1.设计和计算雷达系统的各项参数，包括工作频率、发射功率、接收机灵敏度、天线孔径和增益，脉冲重复频率、相参积累时间等。2.分析系统的最大不模糊速度和最大不模糊距离、计算系统的速度分辨力。3.在学完雷达系统脉冲压缩相关内容后，设计线性调频波形，使雷达的作用距离增加到200km，距离分辨力达到3米。并画出单一目标回波经过脉冲压缩后的波形。二、设计过程注：带*的量为雷达距离方程中的量设计雷达为单基地脉冲调制雷达。选取雷达工作频率为：𝑓0=1𝐺𝐻𝑧则波长为：∗λ=C𝑓0=3×108109=0.3𝑚=−5.23dBm假定雷达天线的方向图为sinc函数形状，其半功率波束宽度为：θ0.5=0.886𝐷𝜆𝑟𝑎𝑑=50.8𝐷𝜆°假定其角度分辨力等于天线方向图半功率波束宽度。由方位角分辨力为2°θ0.5=50.8𝐷𝜆°=2°得到天线水平尺寸为：D1=7.62𝑚由俯仰角分辨力为20°θ0.5=50.8𝐷𝜆°=20°得到天线垂直尺寸为：D1=0.762𝑚得到天线的面积为：𝐴=𝐷1𝐷2=7.62×0.762≈5.81m2从而得到天线的增益为：∗G=4πAλ2=4π×5.810.32=811=29.09dB假定雷达系统的虚警概率为：Pfa=10−8检测概率为：Pd=0.9查表得雷达的检测因子为：D0(0)=14𝑑𝐵=25.19相参积累M个脉冲后所需检测因子为：∗D0(M)=D0(0)𝑀假定雷达接收机的噪声系数为：∗Fn=1.1=0.41dB取雷达的脉冲重复频率为：fr=10𝐾𝐻𝑧则脉冲重复周期为：Tr=10−4𝑠由雷达距离分辨力为15m∆R=𝐶2𝐵=15m得雷达接收机的带宽为：B=C2∆R=3×1082×15=1×107𝐻𝑧=10𝑀𝐻𝑧=70𝑑𝐵𝐻𝑧脉冲宽度：τ=1B=110𝑀=10−8𝑠假定雷达噪声带宽等于3dB带宽，∗Bn=𝐵=70𝑑𝐵𝐻𝑧假定雷达接收机系统损耗为：∗L=12dB由已知雷达目标截面积为：∗δ=1m2=0雷达作用距离为：∗R=10Km=40dBm由雷达方程（以分贝为单位）：4R≤P𝑡+2𝐺+2𝜆+𝛿−(−171)−𝐵𝑛−𝐹𝑛−𝐷0(𝑀)−𝐿𝐷0(𝑀)=D0(0)−𝑀𝑑𝐵综合以上考虑，只有雷达发射功率和相参积累个数可以选择，得：P𝑡+𝑀≥−2𝐺−2𝜆−𝛿−171+𝐵𝑛+𝐹𝑛+𝐷0(0)+𝐿+4𝑅=−2×29.09+2×5.23−0−171+70+0.41+14+12+4×40=37.69dB故选取，相参积累M=100个脉冲，相参积累周期为：Tc=𝑀𝑇𝑟=100×10−4=10−2𝑠发射平均功率为：P𝑡=100𝑊=20𝑑𝐵𝑊故接收机灵敏度为：Simin=𝑘𝑇0𝐵𝑛𝐹0𝐷0(𝑀)=1.38×10−23∙290∙10𝑀∙25.19100=2.53×10−12𝑊得发射的峰值功率为：P𝑎𝑣=Pt×𝜏𝑇𝑟=100×10−810−4=10−2=10𝑚𝑊综合以上分析得到雷达系统参数：脉冲宽度τ=10−8𝑠脉冲重复周期Tr=10−4𝑠相参积累脉冲数目M=100相参积累周期Tc=10−2𝑠带宽B=10MHz中心频率𝑓0=1𝐺𝐻𝑧峰值功率Pt=100𝑊平均功率Pav=10𝑚𝑊三、性能分析系统最大不模糊距离：Rmax=CTr2=3×108×10−42=15𝐾𝑚最大不模糊测速的回波多普勒频率为：fdmax=𝑓𝑟2=5𝐾𝐻𝑧则最大不模糊速度：vmax=𝑓𝑑𝑚𝑎𝑥𝜆2=5𝐾×0.3÷2=750𝑚/𝑠多普勒滤波器组中每一个子滤波器带宽：B=∆f=frM=1𝑇c=100Hz每个滤波器对应一个速度区间，则系统的速度分辨力为：∆v=λ∆f2=0.3×1002=60m/s四、应用脉冲压缩技术改善系统性能由距离分辨力需达到3米∆R=C2B=3𝑚知信号带宽应当为：B=C2∆R=3×1082×3=50𝑀𝐻𝑧调制频偏近似等于频谱带宽：∆f=B=50MHz噪声带宽展宽5倍：Bn=𝐵=50𝑀将发射信号脉冲宽度展宽为2000倍：τ=10−8∙2000=2×10−5𝑠𝑇𝑟此时脉冲压缩比为：D=τB=1000则脉冲压缩后信噪比能提高1000倍作用距离需要提高20倍，考虑提高发射峰值功率则需要提高：2041000×5=800倍此时峰值功率：Pt=100×800=80KW平均功率为：P𝑎𝑣=Pt×𝜏𝑇𝑟=80𝐾∙2×10−510−4=16𝐾𝑊则线性调频的频率变化范围为：950MHzf1050MHz瞬时角频率为：ω=ω0+𝜇𝑡=2𝜋×109+5×106𝑡𝑟𝑎𝑑/𝑠|𝑡|2×10−5𝑠线性调频波频率变化图示线性调频波时域表达式为：s(t)=𝑟𝑒𝑐𝑡(𝑡2×10−5)sin(2𝜋×109𝑡+2.5×106𝑡2)脉冲压缩后的波形：u0(𝑡)=𝐴√𝐷sin[𝜋𝐵(𝑡−𝑡𝑑0)]𝜋𝐵(𝑡−𝑡𝑑0)cos2𝜋𝑓0(𝑡−𝑡𝑑0)=sin[50𝑀𝜋(𝑡−2×10−5)]50𝑀𝜋(𝑡−2×10−5)cos2𝜋∙10𝐺(𝑡−2×10−5)950105002×10−5频率\MHz时间/sMATLAB程序为：t=0:10^-7:4*10^-5u=abs(sqrt(1000)*sin(50*10^6*(t-2*10^-5))./(50*10^6*(t-2*10^-5)))plot(t,u)title('LFM匹配滤波B=10MHzT=20usfd=0')xlabel('Time/s')ylabel('u0(t)')综合以上分析得到应用脉冲压缩后雷达系统参数：脉冲宽度τ=2×10−5𝑠脉冲重复周期Tr=10−4𝑠相参积累脉冲数目M=100相参积累周期Tc=10−2𝑠带宽B=50𝑀𝐻𝑧中心频率𝑓0=1𝐺𝐻𝑧峰值功率Pt=80𝐾𝑊平均功率Pav=16KW五、总结及心得体会通过一次真实的雷达设计，让我明白了雷达系统中个参数中缠绵的相互关系，一个脉冲宽度不仅会影响发射功率，从而影响作用距离，还会影响距离分辨力，这样在设计中就需要权衡，比如限定一个参数，然后使另一参数性能最大化。