（机械电子工程专业论文）时域复合动目标检测信号处理技术研究.pdf

摘要硕士论文 摘要 无线电近感探测器对掰标进行探测是透过发射电磁波，电磁波遇到瞬标，再经鼷标 爱射后被探测器接收到，对回波信号经过相应处理来提取醒标特征的。对相关目标的识 别主要有提取掰标的距离、速度、臣标特征等方面信息。在无线电探测器的各静体制中， 为了准确的提取出目标的相关特征，最主要的是对目标的回波信号进行信号处理。 脉冲、连续波是两种典型的无线电近感探测器体制，其中脉冲体制中脉冲多普勒是 较为经典的体制；两连续波体制中较为典型的是调频连续波体制，因为调频体制具有较 好的距离分辨率、速度分辨率以及抗干扰性能强等优点，被应用于多种无线电近感探测 器中。在调频连续波中，调频多普勒又是被最广泛运用的一种。 虽然脉冲多普勒、调频连续波多普勒是两种很经典的无线电近感探测器体制，假是 各自又有着肖己的缺陷。本设计提出将两种体制进行时域复合的复合体制探测器，扬长 避短。本文将对脉冲多普勒体制、对称三角波调频多普勒体制、脉冲一调频时域复会体 制进行相应的理论研究。本文重点在基于对前两者理论分析的基础上来实现对复合体制 的研究。主要采用姒t 妊b s i 蹦王i n k 对各种体制进行仿真分析，最焉设计出一套完整的 复合体制的方案。然后设计出相应电路，并在后续的章节中对相应电路进行测试。 通过对上述的研究以及相应的测试验证了该方案的可行性，可以对飚标进行速度、 距离的判别。达到了预先设计要求的目的。 ” t 关键字：脉冲多普勒、对称三角波调频、时域复合、电路设计、黼毛a b s i 翔u l i n k a b s t 藐t c t硕士论文 a b s t r a e t r 鑫d i on e a r - s e n s i 鲳d e t e c t o ra c q u i 糌s hf e 鑫加r e so f 怯瑙e 熏b ys e n d 谴g s p e c i j c i c e l e c t r o m a g 豉e t i c 燃t ot h c 饶鹅c t 锻通像e np r 仪：e s s 洒gt h e 糙n e e 蠡o nw a v e 糟c e i v e d c o 撙e s p o 确溉g 瓤1 麓ec 量缎陷鸹蹦s 蛙ei 赫f o 燃a i o 鑫艏醅鼋鑫玛烈i n c l 谢b 鼯聪峨鬈尊，v 霉l o e 弛纛n do 啦嚣p a 牒m e 鹋 豫l a 刨f o r 蠢媳s e v 龃l 甜n 蠡o fr a 成。勰a f - s e n s i n gd e 钯c 怯o ns y s t e 融s ，i i lq r d 懿t oc x 锄蛾也e f e l e v a 畦专c k 哦蟛轮r i s l i c so f 鼍：k 协增e la c c u r 踟l y ，t l l em o s ti m p o r t a 瞧p 融i st op r 0 s st 1 1 ee c s i 驴a 1 p u 重s e ，c o 觳t 讯u o u s 叫嘿v e ( c w ) 鑫f et w ot y p i c 醴谢i on e 鑫s 髓s i 塔d e 证c t i o 鼗s y s t e l 魏s 。 a m o n gm e 叫s er e 西m e s ，m s e dd o 翔l e r ( p d ) i s 蠢m o r e 螂i c a 重s y s t e mr e l a t i v e l y f 豫q u 躔c y m o 扎l 鑫专l 通c o 妣u sw 氛始( f m c w ) s y 鼬mi s 鑫蛳c 越s y 髓e 嫩锄黼n gt l 地c w s y s 绝陵s 南r 壤e 糟a s o 髂氆a tf ms y s 耙撒h 勰嚣赫g h 翔n 寥诧s o 溉i o 玛v e l o e 毋鬻s o l 啦i 雌糊i d 硪龟以v ea 瓜i 一越e 硪嫩e ，e t c ，w 隧c h 扭毯e ( 1i na 谢e 锣o fr a d i o 粒辨s 雌s 斑gd e 钯o n s y 鼬螂。f 训b e r ，锄。玛龇f m c wf r e q u c n c y m o d u l a t e dd 0 1 ) p l e r ( f m d ) i su s c dm o s 鼍 弼& l y 。 烈m 薛p d ，f m c wa 儆ot y p i c 越谢i o 粼瓣s e 糙i 略融e 以o ns y 呶i m s ，e h 瓿瓶 僦f l a w s 。h 雠sp a p e r ，ac o 硼，o s 妇n e 孙s e l l s 赫gd 咖曲强s y s t e mi s 邮f o 吣诚e hi s 箍 t i 麒持- 如m a i 毅c o n l p l e x 甜铆os y s t 。m s ，n 地p d 躲df m c w ，p m o 曲g 龇i ra d v a 吡l g e sa n d o 豫c 锄i n g 谯e i rd e 蠡c i 黜i e s p ds y s t c m ，龇鲫翔e 蕊ct r i 鑫n 祥l 盯w a v ef m p s y s t e 激( s 盯m d ) 掰堪也ep d _ f me o m p o s 泌t i m e 堪o m 出s y 鲢e m ? d f m c ) 黼s e 粼h e d 也e o 把t i e a l l y 狐也i sp a p e r 1 h e 薹【e y 印主薹l ti st o s e a ht l l 嚣c o m p o s i t cs y s 绝mo n 嫩eb a s i so f m e 虹l e o f e t i c a la l l 舔y s i s0 ft l 豫内m 撒t 踟is y s t e m s m a t l a ba n ds 洳融l i 呔a f e 妞d 谂r e a l i z e t h cs i m u l 蕊。藏躲da 瀚1 y s i so f 也o s es 蹦铷畸。l a s t l yae o l n p l e 钯p g 豫mo f 也e m p o s i 耄l ： s y s t 箦熟趣g i v e no m 。c 溉u 耋t s 烈a t e d 鑫糟如s i g n e da 薹通t e s 雠，衲i c ha 糙s h o w e d 主芏l b s u b s e q 髓n ts e c t 主。璐o f m e 诋e s i s f e 嬲i b i l i 哆o f 也e 即跚i sw 啦蠡e d 耄h r o 毽g h 舭越炝v e 呶l d ya n d 龇c 0 黼s p o n 文l 嗜协s 谯 t kd 主测硝o no ft a l g 啦渤g e 锄耋v c l o c 姆c 勰b e 馓a 幽e v e d 鞭c c e s s 雠，s 娟s 黟i 藕g 黼如s i 辨 糟q u i 羚l i l e l 勰n f i 瑚e di n i t l a l 蜕 k e y w 0 1 d ：薹 i l l s e dd o p p l e f ，姆糍m e 西e 嫡雒g u l a rw a v e 南唾u e 脯y 一蝴d ma t e d ，鼬e d o m a i 玛 融泓c i 粥咄触饿a b 触删燃 l l 图表尽录 硕士论文 图表目录 图2 。1 1 脉冲无线电探测系统测距原理框图4 图2 1 2 直接检波放大型脉冲测距近感探测系统原理框图4 图2 。l 。3 自差式脉冲多普勒体制原理框图5 图2 1 4 自差式脉冲多普勒体制各级信号波形图6 图2 。1 5 外差式脉冲多普勒探测器原理框图6 图2 2 1 对空目标回波幅度与距离关系模型3 图2 2 2 对地目标回波幅度与距离关系模型9 图2 3 。l 基于s i m l l l i n k 的差拍信号仿真原圈9 图2 3 2 差拍信号波形图_ 1o 图2 。3 3 采用滤波方式提取多普勒信号1 0 图2 3 。4 滤波之后所得多普勒信号。1l 图2 3 。5 全过程中多普勒信号波形趋势圈ll 图2 3 。6 距离与脉冲重合度的关系示意图1 2 图2 。3 7 基于s i m u l i n k 的回波信号强度受距离影响仿真图。董2 图2 3 。8 考虑距离对回波信号强度影响时差拍信号与多普勒信号波形图1 3 圈2 3 。9 低通滤波脉冲整形仿真模块图14 图2 3 1 0 脉冲信号经滤波之后所得信号1 4 图2 。3 。l l 基于s i m u l i n l 【的采用测量脉冲宽度定距仿真图1 5 图2 3 1 2 全过程中脉冲宽度测量结果示意图1 5 图2 3 1 3 引起计数值抖动的多普勒信号1 6 图2 3 1 4 考虑距离对回波影响时全过程中脉冲宽度测量结果示意图1 6 圈2 3 1 5 回波信号强度增大所测脉冲宽度示意图1 7 图3 1 1 调频近感探测系统基本原理框图l8 圈3 。l 。2 调频多普勒体制原理框图。19 图3 2 1 三危波调频信号的时一频特性图1 9 圈3 2 。2 三焦波信号及调频信号的时域波形图。2 0 图3 2 3 三角波调制信号的时一频特性图一2 0 黧3 4 1 理论计算所得回波信号中所含调制信号的各次谐波分量。2 7 圈3 。4 2 备次谐波在不同距离上谐波分量的大小2 7 圈3 辱3 同一距离上差频信号各次谐波分量大小仿真图。2 鬈 圈3 4 4 模块仿真所得同一距离上各次谐波分量大小示意图。2 8 硕圭论文瓣域复合动鞫标裣溅翁号处瑕技术磺究 图3 。4 。5 相同谐波在不同距离上的变化仿真图2 8 图3 4 6s i m u l i n k 模块仿真所得各次谐波变化图，2 9 图3 。4 7 对称三角波调频定距仿真流程图2 9 图3 。4 8 骶i a n g l e 模块内部结构3 0 图3 4 9 对称三角波调频多普勒系统仿真信号波形图，3 l 图3 4 1 0 考虑距离对回波信号强度影响时仿真模块圈。3 l 图3 4 。1 l 模块t a r g e t 内部结构3 l 豳3 4 1 2 模块嫩i x 内部结构：3 2 图3 4 。1 3 考虑距离对信号强度影响下对称三焦波调频多普勒系统仿真信号波形 图。，。3 2 图3 4 。1 4 带通采样仿真图3 3 图3 4 - 1 5 带透采样原理仿真结果图3 4 图 图 图 图 6 改进后的调频多普勒体制仿真图3 4 7 改进后的系统仿真波形图3 4 脉冲一线性调频时域复合理论示意图3 6 复合体制原理框图3 7 图4 2 2 复合体制系统整体仿真图。38 图4 2 3 模块r f 内部结构3 8 图4 2 4t 豫髓s f o r mc o n t f o l 模块内部结构3 9 图4 2 。5 模块r f 测试信号图3 9 图4 2 6t f a n s f o r m 模块内部结构3 9 图4 。2 7 模块u n i 圭3 2t od o u b l e 内部结构4 图4 2 8 检测控制模块d e t e c t 原理图4 0 图4 2 9 予模块t e s t 内部结构。4 l 图4 2 。1 0 予模块t e s 塞测试结果信号4 l 圈4 2 n 子模块l e s t l 的内部结构4 l 翔4 2 1 2 子模块t e s t l 测试结果信号4 2 豳毒2 1 3 模块d e t e c t 内部结构。4 2 图4 2 。1 4 模块d e t e c t 测试结果信号4 2 圈4 2 15 系统整体仿真所得信号波形图。4 3 图 图 蘸 圈 6 切换处的局部放大匿。4 4 同相输入一阶低通滤波器电路4 5 同相输入二阶滤波器电路4 5 二次s a l l c n k e y 电路。4 6 v h 燧袭譬蒙硬士论文 图4 3 4 无源l c 滤波器梯形网络结构4 7 图4 。3 5 截止频率2 0 m h z 的有源低通滤波器4 7 圈4 3 62 0 m h z 有源低通滤波器的波特图4 8 图4 3 7 截止频率2 0 m h z 无源l c 低邋滤波器。4 8 图4 3 8 截止频率2 0 m k z 无源l c 低通滤波器波特图4 8 图4 3 9 中心频率4 0 0 k h z 带邋滤波器4 9 图4 3 1 0 中心频率4 0 0 k h z 的带通滤波器波特图4 9 图4 3 。l l 积贫电路原理图5 0 圈4 。3 1 2 加入抑制电阻的积分电路原理图5 0 圈4 。3 1 3 三角波产生电路5 l 图4 3 1 4 方波与积分詹的对称三角波信号波形图。5 l 图4 3 1 5 放大器基本原理图。5 1 图4 。3 1 6 射极跟随器原理图5 2 图4 。3 。t 7 射极跟随器波特图5 2 图5 1 1 方波与三角波信号。5 4 图5 1 2 放大电路测试波形图。5 5 图5 + 1 3 带通滤波器测试波形图5 5 图5 2 。l 信号处理电路小型化之后模块。5 6 图5 2 。2 射频电路模块。5 6 图5 3 3 脉冲多普勒体制射频信号频谱5 7 图5 3 。4 对称三角波调频多普勒射频信号频谱。5 7 v i i i 硕士论文时域复合动目标检测信号处理技术研究 1 引言 1 1 课题背景 1 9 世纪8 0 年代赫兹( h e n z ) 验证了电磁波的产生、接收和散射以来，经过一百多 年、数代科学家的不懈努力，人们在无线电探测领域取得了显著成就。2 0 世纪3 0 年代 英、美、法、德、苏联以及日本都同时致力于雷达( i 硼a r ) 的研制。在二次世界大 战中雷达起了巨大作用，因此出现了对雷达的电子对抗。雷达技术研究与雷达电子对抗 技术的研究相互牵制、同时也相互促进，使得彼此在二战之后的几十年内都取得了迅猛 的发展。 在军事领域内，用于远距离探测的系统一般称为雷达，近距离一般称为近感探测系 统。一般情况下雷达主要是发现目标、探测目标、实现警戒功能。而要摧毁目标是炮弹、 导弹等武器的任务。为了实现炮弹、导弹的精确打击，就需要炮弹、导弹具有很好的探 测系统引信。引信也是近感探测器的一种，引信是感觉和利用目标信息或者环境信 息，或者按照预定条件( 如指令、时间、压力等等) 控制弹药主装药适时点火、爆炸的 系统撕1 。起爆弹药是引信的基本功能，但由于各种新式武器的不断涌现，引信的概念 也发生着变化，现在的引信已经起着探测目标、分辨目标、自动选择最佳作用距离、控 制弹丸或者战斗部来有效的杀伤目标的作用。n 1 引信又可以分为好多类，不同的分类方法反应不同的侧面特征。按作用方式分可以 分为触发引信、非触发引信；按作用原理分，可以分为药盘引信、机械引信、钟表引信、 声引信、水压引信、气压引信、化学引信、电引信( 包括电容引信、磁引信、原电池引 信、压电引信等) 、电子引信( 包括电子定时引信、指令引信、无线电引信等) 、机电引 信、毫米波引信、微波引信、计算机引信、光引信( 激光引信、红外引信、光纤引信等) 等多种引信体制珀1 ；还有多种引信分类方式，在此不再一一列举。 近感探测系统在军事领域有着重要作用，在民用领域同样有着举足轻重的作用，例 如车辆防碰撞、自动门、安全报警等用途。先对近感探测系统做一简单的分析介绍，为 后续研究做理论基础。 1 2 部分近感探测体制讨论 1 2 1 脉冲体制近感探测系统 脉冲测距也是雷达测距最常用的经典体制之一，通过测量电磁波在雷达统和目标之 间的往返传播时间来进行距离的测量。脉冲无线电近感探测系统是脉冲雷达的一种，其 工作原理与脉冲雷达类似。发射机按一定频率的重复发射脉冲信号，遇到目标反射，接 l 引言硕士论文 收机接收到回波信号，通过测量回波脉冲相对于发射脉冲的时间延迟f ，来计算确定目 标与探测系统之间的距离足。 f ：丝或者足= 竺 f = 一马j 石k = 一 c2 脉冲无线电近感探测系统所处理的信号通常是脉冲信号，一周期矩形脉冲信号为例 进行下述分析。 设周期矩形脉冲信号的脉冲宽度为、重复周期乙、幅度为层，可以定义其数学 表达式为： ij-， 厂( f ) ： e ，拶必， ( 1 2 1 ) 厂( f ) = 一。 乞 ( 1 2 1 ) lo ，h 彤 -， 我们知道，重复周期的脉冲信号具有以下特性： ( 1 ) 、周期矩形脉冲信号的频谱是离散的，两个谱线之间的间隔与脉冲之间的重复 间隔成反比； ( 2 ) 、直流分量、基波及各次谐波分量的大小正比于脉冲宽度f 。，和脉冲幅度e ，反 比于脉冲重复周期乙； ( 3 ) 、各阶谱线的幅度按勋( 刀石乙乙) 包络线的规律变化，谱线在频率点 厂= 聊，( m = 1 ，2 ，) 出现零点，在频率点厂= o ，3 ( 2 ) ，5 ( 2 ) 出现极值点； ( 4 ) 、周期矩形脉冲信号包含无穷多根谱线，我们也可以理解为包含无穷多个频率 分量，但主要能量是集中在第一个零点之内的，即频率小于= 1 的频率范围之内。 可见周期脉冲的频带带宽b 与脉冲宽度成反比，且只于脉冲宽度有关。 通过上述对脉冲的频谱特性的认识，可以知道脉冲因为其频谱较宽，在无线电近感 探测体制中具有其自身的很多优势。 一 脉冲多普勒近感探测系统是一种相参系统，发射的射频脉冲信号和连续波发射的射 频信号一样，运动目标回波信号中产生了一个附加的多普勒频率分量，所不同的是目标 回波只在脉冲宽度时间内按脉冲重复周期重复出现。h 1 脉冲多普勒体制系统的最主要好 处是在于其有在大幅度杂波背景下检测出小幅度运动目标的能力。1 1 1 2 2 线性调频体制近感探测系统 调频无线电近感探测系统是发射等幅的调频连续波无线电信号的近感探测系统，其 发射信号的频率按调制信号的规律来变化，一般是按调制信号的幅值来变化。发射机发 射调频信号，经过目标反射、散射后接收机接收到信号，利用接收机接收到的信号与发 射机正在发射信号的频率差来确定探测系统与目标之间电磁波的传播时间来计算探测 系统与目标之间的距离。 上述直接测量发射信号与回波信号频率差值的方法称为调频测距，该方法适合于对 2 硕士论文 时域复合动目标检测信号处理技术研究 单一目标与探测系统之间的距离进行测量，而且当距离很近时，差频信号的频率值较小， 还有因为目标运动产生多普勒频率的原因，测量会带来极大的相对误差，也就是存在一 定的盲区，所以一般不适合于极近距离的情况下。调频测距近感探测系统的调制信号一 般为锯齿波信号、三角波信号、正弦信号，也可以采用噪声、编码等体制的信号。不同 的调制信号对应于不同的距离计算方式。 由于调频近感探测系统是靠测量回波信号与发射信号的频率差值来实现测距的，而 不是幅值测量，相比于单频连续波体制，其更多的优势，如：定距精度高、抗干扰能力 强等。且当距离一定目标运动时，还可以利用测多普勒频率来获取目标的速度信息，有 利于实现系统的多功能。 当线性调频体制的近感探测系统用于测速时，可以将其理解为调频多普勒体制，调 频多普勒近感探测系统是在对差频信号频域分析的基础上进行设计的一种近感探测系 统，与调频测距近感探测系统的主要差别在是要检测出多普勒信号。其具体工作原理将 在后续章节中进行详细介绍。 1 3 本文所做工作及内容安排 时域复合近感探测系统集合了脉冲与线性调频引信的优点，也很大程度上克服了单 体制情况下各自的一些不足之处。本文对该复合体制无线电近感探测器进行信号处理研 究确定其方案，并对方案进行方案的仿真、论证，验证该方案的可行性，确定最终方案。 并对系统进行电路设计、调试等工作，本论文主要包含五个章节的内容，其各个章节的 主要研究内容如下： 第一章引言，简单介绍无线电探测器的背景，以及简单介绍一些经典体制的探测器 的原理。， 第二章脉冲多普勒体制研究，主要包含脉冲以及脉冲多普勒体制无线电近感探测器 的基本原理；回波信号幅度受距离影响的原理模型；通过m a t l a b s i l n u l i l l k 对其体制 进行相应的仿真等内容。，7 第三章三角波线性调频理论研究，主要包含调频测距系统的原理；对称三角波信号 的简单介绍；调频多普勒体制的基本原理；以及基于m a t l a b s i m u l i i l l 【对调频多普勒 体制的仿真等工作。 第四章脉冲一线性调频时域复合体制的理论研究，主要包含体制的提出；整体方案 的设计，基于m a n ，a b s i i n u l i l l l ( 的仿真；以及相应电路的设计等内容。 第五章系统的调试，主要包括对小型化之后的电路的基本功能电路的调试以及系统 整体的调试等内容。 3 2 脉冲多普勒体制研究硕士论文 脉冲多普勒体制研究 无线电近感探测器是近感探测系统的一种，我们知道，无线电近感探测器有着多种 体制。从其发射信号的连续性上可以分为两大类，连续波和脉冲。脉冲一般被用于较远 距离的探测中。本文所设计的无线电近感探测器正是两种体制的结合体，在较远距离采 用脉冲体制，在较近距离采用连续波体制，这里的连续波选用的是线性调频的连续波体 制，其中调制信号选用三角波信号。 2 1 脉冲多普勒定距原理 脉冲根据其不同的处理方式可以分为简单的脉冲测距和脉冲多普勒两种信号处理 方式。本设计采用的是脉冲多普勒体制，所以重点介绍脉冲多普勒体制，但是为了后续 介绍的方便，在这里也将简单的介绍一下脉冲测距的基本原理。 2 1 1 脉冲测距基本原理 脉冲测距主要是利用测量脉冲从发射到经目标反射、散射后的回波信号到达接收机 的时间延迟来进行测距的。脉冲测距无线电近感探测系统的原理框图如图2 1 1 所示。 图2 1 1 脉冲无线电探测系统测距原理框图 上述原理框图实际上是非相参的超外差脉冲接收体制，主要有：脉冲产生、脉冲调 制、混频、匹配滤波、包络检波、放大等信号处理模块。 4 图2 1 2 直接检波放大型脉冲测距近感探测系统原理框图 如果距离较近，且系统内的收发隔离比较完善，可以采用直接检波放大型脉冲测距 硕士论文 时域复合动目标检测信号处理技术研究 近感探测系统，其原理框图如图2 1 2 所示。 脉冲测距近感探测系统在设计方案是需要考虑一些主要参数的设置问题，由于脉冲 测距近感探测系统不是本文的主要研究重点，在此将仅简单介绍下都有哪些参数，参数 如何正确选择将不作详细介绍。脉冲测距近感探测系统的主要参数有：发射脉冲宽度乙、 脉冲重复频率尼( 脉冲重复周期已) 、发射频率和发射功率等参数。 2 1 2 脉冲多普勒体制原理 脉冲多普勒近感探测器是一种利用多普勒效应工作的一种脉冲探测系统、是一种相 参系统。它辐射的不是连续的无线电信号，这一点不同于一般的连续波多普勒无线电探 测器；又不同于上述的普通脉冲测距探测器，仅在脉冲发射期间接收信号。脉冲多普勒 体制具有普通脉冲测距体制和连续波多普勒体制的某些特征，起到互补作用。脉冲多普 勒体制系统具有高的峰值功率和低的平均功率的优点，可以提高抗干扰能力，同时也提 高了探测距离。因为脉冲多普勒体制是按照多普勒原理工作，因此不需要宽带放大器， 只要有普通的多普勒放大器就可满足脉冲多普勒体制的需求。 脉冲多普勒体制一般有两种结构：自差式，外差式。 一般的自差 图2 曲自差式脉冲多普勒体制原理框图 脉冲调制器产生脉宽，重复周期乙( 重复频率厶) 的脉冲，对自差式收发机进 行调制，调制信号控制振荡器产生振荡，射频前端产生的无线电信号，经天线辐射至空 间；遇到目标后经过反射：散射形成回波信号；回波信号较发射信号的延迟f = 2 尺c ， 其中r 为探测器与目标之间的距离，c 代表光速。如果目标与探测器之间存在相对运动， 回波信号中则会包含有多普勒信号。 一般情况下，回波信号与发射信号会有一定的重合，这样，对回波信号( 如图2 1 4 中( b ) ) 和发射信号( 如图2 1 4 中( a ) ) 在接收机中进行差拍处理，就可以得到一个 被多普勒频率调制的脉冲信号( 如图2 1 4 中( c ) ) ，每个脉冲的幅值都与连续波获得的 多普勒信号对应点的幅值相对应，即脉冲幅值是连续波多普勒信号的一些离散点。这些 离散点的多少取决于脉冲重复周期以及多普勒频率，即取决于一个多普勒频率周期内发 射的脉撒。对差拍信号进行检波即可得到目标运动产生的多普勒信号( 如图2 1 4 中 ( d ) ) o 2 脉冲多普勒体制研究硕士论文 发射 信号 回波 信号 器阵鎏拦避釜羔一 检波 信号 图2 1 4 自差式脉冲多普勒体制各级信号波形图 上述自差式脉冲多普勒体制探铡系统的主要优点：电路简单、体积小、结构简单、 适合配置与常规小型探测器中。 、 外差式脉冲多普勒体制的基本原理框图如图2 1 5 所示，外差式不同于自差式，外 差式系统采用收发分离的方式，而自差式是采用收发共用的系统。外差式脉冲多普勒体 制系统的发射部分包括振荡器、功率放大器、脉冲调制器；接收机部分包含有混频、视 频放大器、距离门、多普勒滤波器、脉冲调铽器等部分。 图2 1 5 外差式脉冲多晋勒探测器原理框图 连续波振荡器产生的信号可以作为与回波信号进行混频的基准信号，与回波信号在 混频器中混频，经检波后得到幅值受多普勒频率调制韵脉冲信号，放大之后送入距离门， 距离门根据作用距离产生固定的波门，以进行距离选择，经过距离门哟信号，通过多普 勒滤波器进行滤波来提取多普勒信号。 当探测器作用距离较近时，可以不使用功率放大器，将脉冲调制信号如至振荡器， 产生射频信号直接传送至天线辐射出去。 2 1 3 脉冲多普勒体制系统参数的选择 无论何种体制的探测器系统要达到最终预期的理想功效，除了要有准确的啄理、信 6 硕士论文时域复合动目标检测信号处理技术研究 号处理过程之外，还要有合适的参数。参数的选择是一个至关重要的环节，如何选择恰 当的参数，要根据实际情况、应用环境具体分析。脉冲多普勒探测器系统的参数主要有， 脉冲宽度、脉冲调制频率厶( 脉冲重复周期乙) 等。 一、脉冲宽度k 的选择眩4 1 白差式脉冲多普勒探测系统调制脉冲信号的最小脉冲宽度受最大探测距离k 的 限制，因为一个脉冲周期内，脉冲信号到达目标并返回接收机必须要有足够的时间，这 一时间为岛= 2 k c 。如选择脉冲的宽度= ，则回波信号与本振信号会有一半的 重合，即重合宽度为f o 。倘若 f o ，那么回波信号与本振信号将没有重合部分，受多 普勒信号调制的脉冲信号将消失，即没有图2 1 4 中( c ) 部分的信号，无法检测到多普 勒信号i 探测器将不能作用。所以调制脉冲的脉冲宽度要满足： 。 ，塑 ( 2 1 1 ) c 调制脉冲宽度的确定还要与载波信号的频率有关，根据经验，脉冲调制系统中，一 个脉冲宽度内至少要包含2 0 0 个射频信号周期眨棚，否则不能很好的表现出脉冲调制的 频域特性。 一 五2 0 0 ( 2 1 2 ) 其中兀表示载波的中心频率。 调制脉冲的脉冲宽度与多普勒信号的频率有关，我们知道由于探测器与目标之间存 在相对运动而产生的多普勒信号的频率石= 2 氓c ，其中 ，表示探测器与目标之间的相 对运动速度。相比于多普勒信号的周期，脉冲宽度是相当窄的，以至于在多普勒信号被 取样期间，即回波和发射信号重合部分的时间内，多普勒信号没有显著变化。在这里脉 冲宽度应满足如下条件2 钔： l 丝坐 ( 2 1 3 ) l 一 ( 2 1 3 ) ”4 嘶 二、脉冲调制频率厶( 脉冲重复周期乙) 的选择2 “1 脉冲多普勒无线电近感探测器实际上是为了提取由于探测器与目标之间相对运动 而产生多普勒信号，o 在该系统相当于一个对多普勒信号进行抽样的系统，为了能够较好 的恢复多普勒信号：就需要在一个多普勒信号周期内有较多的“采样点 。我们知道对 一个信号进行采样时，一个周期内采样点数越多，就能越好的反应出该信号的时域特征。 乃2 寺= 轰 ( 2 1 4 ) 其中乃表示多普勒信号的周期，如果我们希望一个多普勒信号周期内至少有l o 个 “采样点”，即至少有1 0 个脉冲，则乙乃l o 或厶乃1 0 。当我们在频域来处理多普 。 7 2 脉冲多普勒体制研究 硕士论文 勒信号时，只要是的“采样率满足采样定理就可以了。 我们根据上述脉冲多普勒体制系统选择参数的原则进行脉冲宽度f 啊、脉冲调制频率 厶( 脉冲重复周期乙) 的选取。 设计指标，目标最远距离3 0 m ，载频3 6 g h z ，由此我们选择脉冲宽度乙为o 2 j 。 目标速度在4 0 0 一6 0 0 聊s ，则其最小多普勒频率兀一一= 1 4 4 咒眈，折衷考虑，其脉冲重 复频率为1 膨沈。 2 2 回波信号强度受距离的影响 同雷达一样，近感探测系统的回波强度与发射功率、目标雷达截面积、传输损耗、 距离、收发天线增益有关。同样遵循雷达方程： p = 器蠢4 ( 2 2 1 ) 其中为发射功率，g f 为发射天线增益，仃为目标雷达截面积，r 为探测器距离目 标的相对距离。 然而近感探测系统来说，根据其运用场合不同，有两种不同的情形，对空探测、对 地探测。 2 2 1 当运用于对空目标时 图2 2 1 对空目标回波幅度与距离关系模型 为说明问题简单，此处假设目标雷达截面积、天线增益均为单位1 。假设发射信号 功率为，则其接收的信号功率为： e 2 赤森 q 2 2 ) 从上述公式可以看出，当探测器用于对空目标时，目标回波信号强度与距离的四次 方成反比。 2 2 2 当运用于对地目标时 当运用于对地目标时，接收机接收到的信号可以认为是近感系统对地镜像的位置发 8 硕士论文时域复合动目标检测信号处理技术研究 射的信号，如上图中所示足= 足。 同上，此处假设目标雷达截面积、天线增益均为单位1 。假设发射信号功率为， 则其接收的信号功率为： 耻高 q 2 2 从上式可以看出，当用于对地目标时，目标回波信号强度与距离的二次方的倒数成 正比。 丝亘 集 ：尺 ：。 ： i 图2 2 2 对地目标回波幅度与距离关系模型 本研究主要是针对对地目标，所以构建仿真模型时，采用后者。 2 3 基于m a t l a b s i 眦1 i n k 的脉冲多普勒体制系统仿真 上述分析了脉冲测距以及脉冲多普勒近感探测器系统的基本原理，现在将借助于软 件m a t l a b s i m u l i l l l 【对脉冲多普勒近感探测器系统进行进一步的仿真介绍，了解信号 处理的具体流程，以及各部分信号的特征。 2 3 1 差拍信号与多普勒信号 接收到的回波信号与发射的信号有一部分的重合，这样在自差式收发机内将回波信 号和发射信号进行差拍，得到一个被多普勒信号调制的脉冲信号。该过程基于 m a t i a b s i i i l u l 址的仿真原理图如图2 3 1 所示。 图2 - 3 1 基于s i i i l u l i n k 的差拍信号仿真原理图 9 2 脉冲多普勒体制研究 硕士论文 上述模块中，模块r 是模拟目标运动过程的，模块v a i r i a b l et r a n s p o r td e l a y 是用来 做延时的，与模块r 一起来模拟目标距离及距离的变化。 所得的差拍信号如图2 3 2 所示，当距离较远时所用时间较多、进而在图中表现出 来的是点数越多，点数很多时将不能直观的看出目标的脉冲被多普勒信号调制的特性， 所以在图2 3 2 中只是显示了在探测器与目标相对运动时的一段距离内的差拍信号。从 图中可以清楚的看到，该信号具有一个正弦信号包络，内含一些脉冲信号。现在对该过 程进行计算验证。 载频磊= 3 6 1 0 9 硎2 ，速度，= 5 0 0 聊s ，其多普勒频率力= 1 2 咒眈，目标运动过 该距离( o 5 册) 所用时间扣1 舢，可以求得在该段时间内包络信号的周期个数为1 2 个， 从图中可以明显看出含有1 2 个周期的包络信号。与理论相符合，且多普勒包络信号每 个周期内含有9 个左右脉冲信号。因为参数设置为脉宽o 2 s ，为了仿真可以清楚看出 多普勒信号内部脉冲数仿真时设置重复频率为1 2 0 圈眨。也与图2 3 2 相符合。 图2 3 2 差拍信号波形图 提取上述多普勒信号可以采用两种方法：检波或者滤波。在实际中采用两种方法都 可以达到提取出多普勒信号的预期效果。两种方法的原理也很类似。此处为仿真方便， 将采用滤波的方法来提取差拍信号的包络，即多普勒信号。 基于s i m l l l i i l l ( 的滤波提取差拍信号的多普勒信号包络的仿真原理图如图2 3 3 所示， 可以看出，其较提取差拍信号就多一个低通滤波器。 l o 图2 3 3 采用滤波方式提取多普勒信号 硕士论文时域复合动目标检测信号处理技术研究 r n 图2 3 4 滤波之后所得多普勒信号 通过上述仿真，经过滤波之后的多普勒信号如图2 3 4 所示，从该图中可以准确的 得到目标运动产生的多普勒信号。利用该信号进行速度判别，有时也可利用该信号的幅 度进行门限定距。 在图2 3 5 中将给出在目标接近探测器的整个过程中所得差拍信号以及多普勒信号 的波形图，为了能够体现在全过程中的信号波形趋势图，在仿真时将参数做适当修改， 以便清楚看出其波形变化趋势。图中红线即( 1 5 m 左右的竖线) 是为后续说明研究的方 便所设。 r t 1 图2 3 5 全过程中多普勒信号波形趋势图 从图2 3 5 中看出，目标由远及近的过程中滤波之后的多普勒信号幅值有明显的变 化，其幅值变化并不是因为频率不同滤波器的滤波作用所导致，主要原因是信号包含的 能量不同，该处信号能量的不同不是因为距离远近引起的，而是由于发射信号与接收信 号的重合度不同所导致的，如图2 3 6 所示。图2 3 6 中，( a ) 表示发射信号；( b ) 表示 回波信号；( c ) 表示回波信号与发射信号重合部分。在相位一直的情况下，重合度小则 其所得信号的能量就较小，重合度大其能量就较大。在目标运动过程中，弹目之间的相 对距离发生变化，在距离变化时，目标回波延时也在发生变化，这就使得相邻两个脉冲 信号与本振信号相混频时本振信号的相位不一致，因为相位不同所引起信号幅值大小不 一致而产生多普勒信号、在相位变化为2 万时就形成一个多普勒信号周期。 2 脉冲多普勒体制研究 硕士论文 ( a ) 1 二 - 远 ( c ) 图2 3 6 距离与脉冲重合度的关系示意图 2 3 2 回波强度受距离影响的差拍信号与多普勒信号 当考虑到回波信号强度受距离影响时，在短距离内回波信号受距离影响下信号幅度 变化不明显，在此将不再给出短距离内的信号差异，此处只考虑在全过程中多普勒信号 波形的趋势图。 基于s i i n u l i l l k 回波信号强度受距离影响的模块仿真图，如图2 3 7 所示。 附 图2 3 7 基于s i m u l i i l l 【的回波信号强度受距离影响仿真图 图2 3 7 中，模块r 1 、r 2 、d 0 tp r o 毗共同作用模拟距离对回波信号强度的影响。 其余部分与图2 3 3 中各模块功能相同。通过上述仿真所得的差拍信号以及多普勒信号 如图2 3 8 所示。从图中可以清楚看出，当目标由远及近时，多普勒信号幅度不止因为 发射信号和回波信号脉冲重合度大小不同，同时还有就是近距离目标回波信号较强的原 因。 从图2 3 8 中可以看出，信号回波的幅值在在小的距离范围内变化不是很明显，正 如图中在1 5 m 处的竖线所标示的一样，“左右 两个多普勒信号的幅值与其相差不多。 所以，要简单的利用多普勒信号幅值进行门限定距会有较大的误差，且这一幅值还与目 标雷达截面积有关，我们知道，回波信号强度与目标雷达截面积成正比，不同的目标会 导致有不同的幅值，继而需要设计不同的门限。该幅值一定程度上只是一个相对值，而 不是绝对值。所以这样单纯的以靠幅值进行门限检测定距势必会带来较大的误差。因为 1 2 硕士论文时域复合动目标检铡信号处理技术研究 在该设计中发射脉冲信号的脉冲宽度较宽，此时我们可以尝试采用测量回波信号与发射 信号重合部分宽度的方法进行定距，乃至于测距。 图2 3 8 考虑距离对回波信号强度影响时差拍信号与多普勒信号波形图 2 3 3 脉冲宽度测量的仿真 由于上述进行幅值门限检测的不足，现在尝试采用测量回波信号与发射信号脉冲重 合部分宽度的方法，要想测量重合部分脉冲的宽度，首先要先恢复出重合部分的脉冲信 号。回波信号与发射信号重合部分，该信号是具有脉冲包络的射频信号，可以采用滤波 的方法滤去内部的载波信号，滤出脉冲包络信号。然而选择何种类型的滤波器对混叠信 号进行滤波处理，这是一个至关重要的部件，决定能否达到预期效果。 首先我们分析脉冲信号的频域特征。 设矩形脉冲信号厂( f ) 的幅值为e 、脉冲宽度、重复周期乙，时域图如图2 3 9 所 示。在一个周期内，矩形脉冲信号的数学表达式： 巾) = 艇笼 眩3 我们知道，矩形脉冲信号厂( r ) 的三角函数形式的傅里叶级数： 巾) = 争等喜勋( 等扣2 哪) 旺3 指数形式： 巾) 寺喜勋( 专p 哪 泣3 从上述矩形脉冲信号的傅里叶级数可以看出，脉冲信号除了含有直流分量部分外， 还有很多的频率分量，这也是选择脉冲调制的一个主要原因，其频率分量主要为各次谐 波分量，其谐波分量的幅值： j i 、 1 3 2 赫冲多普韵体翎研究硪士论文 c ：，= 争主妇 笔l c o s 2 删疋r ) ( 2 3 4 ) j 辫 打l l j 辩 在这其中，脉冲信号大部分的能量集中在第一个零点之内，即脉冲信号的主要能量 集中在频率小予l 气。当然，可以根据不同的要求选择不同的滤波频率上限来提取脉冲 信号。由于矩形脉冲信号含有较大的直流分量部分，为了较好的恢复脉冲信号，所以必 须采用低通滤波器来对信号进行滤波处理。 首先我们验证上述讨论，是否可以达到恢复脉冲信号的效果，假设矩形脉冲信号的 脉冲宽度为l 雕，载频l g 阮，现在我们取低通滤波器的截止频率为5 必陇。基予s 弧m i n k 的脉冲恢复仿真模块图如图2 3 9 所示。 c o n 鬟a n l 图2 3 9 低通滤波脉冲整形仿真模块图 仿真琵中s w i t c h 模块是用于进行门限判别的，此处门限判别不简单等同于上节中的 幅值判别，因为经滤波之后脉冲信号已初见雏形，边沿比较陡峭，不会有较大误差，经 过上述仿真之后所得信号以及原来脉冲信号波形图，如图2 。3 1 0 所示。 图2 3 1 0 脉冲信号经滤波之后所得信号 从图2 3 1 0 中可以看患，邋过滤波的方法可以恢复含有载波的脉冲信号的脉冲包络。 达到了提取脉冲信号的目的。在恢复脉冲信号之后可以采用计数时的方式来测量脉冲信 号的宽度，便可以较为准确的获得回波信号与发射脉冲信号的重合度。计算出酱标距离 探测器的距离。 1 4 硕士论文 时域复