雷达测速与测距

1、雷达测速与测距GZH2016/3/29系统流程图模块分析1脉冲压缩原理分析雷达的基本功能是利用目标对电戲波的散射而发现目标，并测定目标的空 间位置。雷达分辨力是雷达的主要性能参数之一。所谓雷达分辨力是指在各 种目标环境下区分两个或两个以上的邻近目标的能力。一般说来目标距离不 同、方位角不同、高度不同以及速度不同等因素都可用来分辨目标，而与信 号波形紧密联系的则是距离分辨力和速度（径向）分辨力。两个目标在同一角 度但处在不同距离上，其最小可区分的距离称为距离分辨力，雷达的距离分 辨力取决于信号带宽。对于给定的雷达系统，可达到的距离分辨力为& r 二梟（）其中C为光速，B二Af为发射波形带宽。雷达

2、的速度分辨率可用速度分辨常数表征，信号在时域上的持续宽度越 大，在频域上的分辨率能力就越好，即速度分辨率越好。对于简单的脉冲雷达，B = Af = 1/T ,此处，T为发射脉冲宽度。因此， 对于简单的脉冲雷达系统，将有6 r =（）在普通脉冲雷达中，由于信号的时宽带宽积为一常数（约为1）,因此不 能兼顾距离分辨力和速度分辨力两项指标。雷达对目标进行连续观测的空域叫做雷达的探测范围，也是雷达的重要 性能数，它决定于雷达的最小可测距离和最大作用距离，仰角和方位角的探测范围。而发射功率的大小影响作用距离，功率大则作用距离大。发射功率 分脉冲功率和平均功率。雷达在发射脉冲信号期间内所输出的功率称脉冲功

3、 率，用Pt表示：平均功率是指一个重复周期Tr内发射机输出功率的平均 值，用Pav表示。它们的关系为PtT = PavTr()脉冲压缩(PC)雷达体制在雷达脉冲峰值受限的情况下，通过发射宽脉 冲而获得高的发能量，以保证足够的最大作用距离，而在接收时则采用相应 的脉冲压缩法获得窄脉冲，以提高距离分辨力，因而能较好地解决作用距离 与分辨能力之间的矛盾。在脉冲压缩系统中，发射波形往往在相位上或频域上进行调制，接收时 将回波信号加以压缩，使其等效带宽B满足B = Af 1/T。令To二1/B, 则6 r = o()()式中，TO表示经脉冲压缩后的有效脉宽。因此脉冲压缩雷达可用宽 度T的发射脉冲来获得相

4、当于发射有效宽度为TO的简单脉冲系统的距离分辨 力。发射脉冲宽度T跟系统有效(经压缩的)脉冲宽度TO的比值便成为脉冲 压缩比，即D 二三()则D = B * I()输入信号形式为s(t) = A * rect (丰)* 評口心 + ?()其中rect (y)矩形函数，当|?| W話寸为1其他情况为0。实践中/ t j U /s(t) = rect (亍* e 2()系统采用匹配滤波h(t) = s * (to - t)()输出为仿真结果雷达发射信号为LFM信号，脉冲宽度为Tp=10e-6,信号带宽为 B二4e6,脉冲重复周期为T=100e-6,因此脉冲占空比为，采样频率为 fs=5e6o时宽带

5、宽积为D二Tp*B。发射信号波形如下：图LFM信号时域波形和频谱chirpiB 号图ch i rp信号发射信号为16个脉冲，在经过延时和加入噪声后得到回波信号如下：I .6叵IJSffB今V1L11118吋冋x曰66 62 O 2 4 G o O 0 0 图完整回波信号从图中可看出，回波信号在每个脉冲重复周期中有3个脉冲，表示 目标个数为3o回浹侶号的一个冏朗逑nlogU020.410000sooo距离16CC0图回波信号的一个周期在仿真过程中，给回波加入一定的高斯噪声，使仿真更接近实际。回滅佰号加SSWf曰啄R1.5 x: 100.40.50.811.2日寸泊回独信号力口上离斯曰口垒产后的痂

6、讥J图噪声信号图一个周期回波信号加噪声在接收到回波后，用Hamming窗进行滤波，然后再进行匹配滤波。 这样可滤除部分杂波信号。图(a)脉压后输出波形40加窗的脉压后结果20020-4060-80 -100 -1201150001000015000距离图(b)脉压后输出波形从图中可明显看到3个尖峰，每个尖峰代表一个目标回波。2 三脉冲非递归MTI原理分析当杂波和运动目标回波在雷达显示器上同时显示时，会使目标的观察变得 很困难。如果目标处在企杂波背景内，弱的目标淹没在强杂波中，特别是当 强杂波使接收机发生过载时，将很难发现目标。目标回波和杂波在时间域上 难以区分，但由于目标的速度远大于背景的速度

7、，目标回波的多普勒频移远 大于背景的多普勒频移，从而可在频域上区分目标与杂波。动目标显示滤波 器(MTI)利用运动目标回波和杂波在频谱上的区别，有效地抑制杂波而提取 信号。在雷达上加装MTI滤波器，大大的改善了雷达在企杂波背景中检测运 动目标的能力。在相位检波器输出端，固定目标的回波是一串振幅不变的脉冲，而运动目 标的回波是一串振幅调制的脉冲。在把回波信号送到终端显示器前，必须先 消除固定目标回波。最直接的方法是将相邻重复周期的回波信号相减，则固 定目标回波由于振幅不变而互相抵消，运动目标回波相减后剩下相邻重复周 期振幅变化的部分。传统的MTI滤波器有两种形式：非递归形和递归形。这里介绍非递归

8、 形。不带反馈的滤波器称为非递归型滤波器。下而以一次对消器为例进行说 明。一次对消器，即二脉冲对消。其结构图如图（a）,对消器的输入X（z）相 位检波器的输出信号。它是一个单零点系统，零点位置在Z=l,令S = j3, 即乙=严在z平而上是单位圆。恥）f*1卜.K 上、* 910 50-05-1-1 -05 0051虚部图2. 1图2.1 冷)由相位检波器输出的脉冲包络为u（t） = UQ cos（p（t）。为回波与基准电压之间的相位差回波信号按重复周期出现，将回波信号延迟一周期后，其包络是()Aw = it 一 = 2t/0 sinsi” _卑1_久M =UQ coscod (t -Tr)-

9、p0()输出包络为一多普勒频率的正弦信号，其频率为()2&sin 警 |为多普勒频率的函数。当叭丁2 =吓（严1,2,3,）时，输出振幅为 零。这时的目标速度正相当于盲速，盲速是运动目标回波在相位检波器的输 出端与固定目标回波相同，因而经对消设备后输出为零。下面从频率域来说明对消器的工作原理。对消器的输出为()对消器的频率响应特性为=(1 一 costy7) + jshycoT = 2siii()108oe04020.51.522.533.54归一化颉率加=14置ff翌型-500-10-20-30400.511.522.53354归一化頻率佈图 对消器的频率响应对消器等效于一个梳状滤波器，其频

10、率特性在i = nf各点处均为零。固 定目标频谱的特点是它的谱线位于力点上，因而在理想情况下，通过对消器 E输出为零。当目标的多普勒频率为重复频率的整数倍时，其频谱结构也有 相同的特点，故通过上述梳状滤波器后无输出。仿真结果本次仿真用的是三脉冲非递归MTI,其频响和二脉冲非递归MTI类似，三 脉冲对消相比二脉冲对消能明显改善零多普勒附近的凹口宽度。在进过三脉图（a） MTI输出图（b） MTI输出在参数设定时，设定有三个目标，距离分别为4000米、8000米、12000 米，其对应的径向速度为0、35m/s、85m/so所以经过MTI后，4000出目标 回波被滤除，仿真结果与理论分析一致。3

11、MTD原理分析早期的动目标显示雷达性能不高，其改善因子一般在20dB左右。随着在 系统设计与实现技术的改进、数字技术的提高，主要依靠信号处理的潜在能 力，MTI雷达的性能还将进一步的改善和提高： 增大信号处理的线性动态范圉: 增加一组多普勒滤波器，使之更接近于最佳滤波，提高改善因子; 能抑制地杂波（其平均多普勒频移通常为零）且能同时抑制运动杂波 （如云雨、鸟群、箔条等）； 增加一个或多个杂波图，可有帮助检测切向飞行大目标等作用；做了上述改进的系统称之为动目标检测（MTD）系统。这里介绍的多普勒 滤波器组就是一种MTD滤波器。()根据最佳滤波理论，当杂波功率谱c（/）和信号频谱$（）已知时，最佳

12、滤 波器的频响是：/(/) =式中，是使滤波器能够实现而附加的延迟时间，式的滤波器可分成两个 级联的滤波器厲“）和曰2（门其传递函数形式为：式中，hm为单个脉冲的匹配滤波器，通常在接收机中放实现， H22（/）是对相参脉冲串进行匹配，它利用了回波脉冲串的相参性进行相参积 累。%（门是梳齿形滤波器，齿的间隔为脉冲重复频率力，如图（b）中0号 滤波器；齿的位置取决于回波信号的多普勒频移，而齿的宽度应和回波谱线 的宽度一致。由于实际中力不能预知，因此要用一组乡里且部分重叠的滤波 器组（如图（b）中0-7号滤波器），覆盖整个多普勒频率范围，这就是多普勒滤 波器组所要完成的功效。图 3.1 (a)输入N

13、个脉冲的横向滤波器组有NT根延迟线，每根延迟时间T=比， 经过各脉冲不同的加权并求和后，可以做成N个相邻的窄带滤波器组，频率 覆盖0到力。如果要同时得到N个滤波器的响应，则在图中横向滤波器的每 一抽头应该有N个分开的输出并相应的加权。图32横向滤波器设加在第k个滤波器的第i个输出端头的加权值为:叫二小|2心)卅,心i2N（）k表示标号从0到NT的滤波器，每一个k值对应一组不同的加权值，相 应地对应一个不同的多普勒滤波器响应。图(b)中所示滤波器响应是N二8时按 式加权所得各标记k的滤波器频率响应，k取0-7。第2个滤波器，即当kh 时，峰值响应产生在/*,以及力+ / / , fr + k取其

14、他值，可以此类 推。可写出横向滤波器按式(6. 5. 38)加权时的脉冲响应及其频响函数：hk=f 即- (f - 1)门小2心曲滤波器振幅特性:sin/zW（JT 灯 N） sinW（-灯 N）滤波器峰值产生于sin(/7-V?V) = Oo 号滤波器的中心位置在零频以 及重复频率的整数倍乳处，通过没有多普勒频移的杂波，因此对地杂波没有 抑制能力。所以MTD滤波器常常和MTI滤波器配合使用。用横向滤波器实现窄带滤波器可不采用式所示的权值，而是根据特 定的需要灵活地选用不同的加权矢量，可以根据不同频率处设置特性相异的 滤波器。每个滤波器都有一定的副瓣，幅瓣的大小决定着杂波抑制能力的大小。 为了

15、压低副瓣，一般都需要对数据做加窗处理。目前常用的窗函数有矩形 窗、三角形窗、Hanning 窗、Hamming 窗* Blackman 窗、Gaussian 窗、 Ka i ser 窗、Bart I ett 窗。仿真结果903BCD703603503403303203103MTD rQfiult图MTD输出由图得出，在地5通道和第12通道有输出，对应的通道中心径向速度 为:38m/s, 91m/so 实际速度为 35m/s、85m/s。4恒虚警率检测原理分析在现代雷达信号处理中，为了提高雷达的性能，首先需要提高检测器输 入端的信噪比及信干比，其措施是降低接收机的噪声系数，采用各种抑制杂 波和抗干扰的措施等。但是即使采用了上