0 引言
隨著社會和科技的不斷發(fā)展,現(xiàn)代雷達系統(tǒng)更加復雜且精準,故需要借助計算機來完成對系統(tǒng)各項功能和性質(zhì)的仿真,以完成對系統(tǒng)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(tǒng)主要由天線、發(fā)射機、接收機、信號處理機、伺服系統(tǒng)和終端設(shè)備等部分構(gòu)成。本文主要討論雷達信號處理部分,并結(jié)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(tǒng)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(tǒng)噪聲三部分構(gòu)成。
其中目標回波的多普勒頻fd=250Hz,為線性調(diào)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(shù),可以方便地產(chǎn)生線性調(diào)頻信號。modulate函數(shù)調(diào)用格式如下:
y=modulate(x,fc,fs,‘method’,opt)
其中參數(shù)x為調(diào)制信號序列,fc為30MHz載波頻率,fs為40MHz采樣頻率,‘method’參數(shù)用來決定進行何種調(diào)制,opt為調(diào)制靈敏度,也就是線性調(diào)頻信號的步進系數(shù)。
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(tǒng)計模型。Matlab提供的raylrnd函數(shù)可用來產(chǎn)生瑞利分布的隨機數(shù)。raylrnd(B,m)中的參數(shù)B為瑞利分布參數(shù),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(shù)矩陣的行數(shù)和列數(shù)。
系統(tǒng)噪聲是(0,0.5)上的均勻分布噪聲。通過Matlab提供的rand函數(shù)可產(chǎn)生均勻分布的隨機數(shù)。圖1所示是運用Matlab得到的仿真結(jié)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(tǒng)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(chǎn)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(zhuǎn)換成零中頻的I、Q兩路正交信號。若其中頻信號為:
fIF(t)=A(t)cos(2πfot+φ(t)
=A(t)cosφ(t)cos2πfot-A(t)sinφ(t)sin2πfot (1)
其中fo為載波頻率。
令:I(t)=A(t)cosφ(t),Q(t)=A(t)sinφ(t) (2)
則有:fIF(t)=I(t)cos2πfot-Q(t)sin2πfot (3)
其中I通道的本振為cos2πfo ;Q通道的本振為sin2πfo。
輸出為:yI(t)=1/2A(t)cosφ(t),yQ(t)=吉A(f)sinφ(t) (4)
設(shè)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(shù)filter(b,a,x)。其中x為輸入信號,b、a為濾波器傳遞函數(shù)的分子和分母的系數(shù)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(fā)射信號的匹配濾波器或脈沖壓縮系數(shù)。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(shù))相乘,在經(jīng)過IFFT變換,就可得到脈沖壓縮處理的結(jié)果。而對于線性調(diào)頻的脈沖壓縮系數(shù),只需將線性調(diào)頻信號取共軛和翻轉(zhuǎn)即可。
雷達的發(fā)射信號一般為線性調(diào)頻信號,具體參數(shù)是:脈寬100Frs、中心頻率30MHz、調(diào)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(jīng)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(tǒng)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(nèi),因此,在估計這些雜波平均值時,不能在許多次掃描周期內(nèi)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(tǒng)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(nèi)側(cè)虛警概率增大的問題,但雜波邊緣外側(cè)信號檢測能力的損失將相應增大。同時在經(jīng)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(jù)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(shù)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(jié)果。
圖7 采用鄰近單元平均選大恒虛警電路處理結(jié)果
3 結(jié)束語
使用Matlab進行雷達信號處理系統(tǒng)的仿真,能夠快速建立系統(tǒng)模型,體現(xiàn)其快捷經(jīng)濟的特點。而且建模需用時間短、模型簡單,所得結(jié)果明確、精準,同時也方便修改參數(shù),可以更好的看到不同輸入所得到的不同結(jié)果,以便更加清晰的進行性能評估及驗證。本文以某連續(xù)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。
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