0 引言
隨著社會(huì)和科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)更加復(fù)雜且精準(zhǔn)，故需要借助計(jì)算機(jī)來(lái)完成對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)功能和性質(zhì)的仿真，以完成對(duì)系統(tǒng)性能的評(píng)估。Matlab提供了強(qiáng)大的仿真平臺(tái)。一個(gè)典型的雷達(dá)系統(tǒng)主要由天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號(hào)處理機(jī)、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(dá)信號(hào)處理部分，并結(jié)合某脈沖雷達(dá)信號(hào)處理的實(shí)例來(lái)說(shuō)明Matlab在雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用。
1 雷達(dá)回波信號(hào)接收
本例主要采用的回波信號(hào)由目標(biāo)回波、地物雜波和系統(tǒng)噪聲三部分構(gòu)成。
其中目標(biāo)回波的多普勒頻fd=250Hz，為線性調(diào)頻信號(hào)，動(dòng)目標(biāo)延遲約為133.3μs（即20公里處）。通過(guò)Matlab提供的modulate函數(shù)，可以方便地產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)。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(hào)序列，fc為30MHz載波頻率，fs為40MHz采樣頻率，‘method’參數(shù)用來(lái)決定進(jìn)行何種調(diào)制，opt為調(diào)制靈敏度，也就是線性調(diào)頻信號(hào)的步進(jìn)系數(shù)。
地物雜波為瑞利分布雜波。瑞利分布是雷達(dá)雜波中最常用、也是用得最早的一種統(tǒng)計(jì)模型。Matlab提供的raylrnd函數(shù)可用來(lái)產(chǎn)生瑞利分布的隨機(jī)數(shù)。raylrnd(B，m)中的參數(shù)B為瑞利分布參數(shù)，m是一個(gè)包含兩個(gè)元素的一維向量，這兩個(gè)元素分別代表瑞利分布隨機(jī)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(guò)Matlab提供的rand函數(shù)可產(chǎn)生均勻分布的隨機(jī)數(shù)。圖1所示是運(yùn)用Matlab得到的仿真結(jié)果圖。
圖1 單個(gè)周期回波頻譜和波形（含噪聲）
2 信號(hào)處理系統(tǒng)仿真
雷達(dá)信號(hào)處理的目的是消除不需要的信號(hào)及干擾，提取或加強(qiáng)由目標(biāo)所產(chǎn)生的回波信號(hào)。一個(gè)典型的脈沖雷達(dá)信號(hào)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(gè)脈沖雷達(dá)信號(hào)處理的仿真模型。
圖2 雷達(dá)信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成零中頻的I、Q兩路正交信號(hào)。若其中頻信號(hào)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(jì)低通濾波器時(shí)，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(hào)，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(jìn)行脈沖壓縮處理之前，首先要獲得相應(yīng)于雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的匹配濾波器或脈沖壓縮系數(shù)。在實(shí)際工程中，對(duì)脈沖壓縮的處理往往是在頻域進(jìn)行的，因?yàn)檫@樣可以利用FFT算法提高計(jì)算速度，然后將雷達(dá)回波與匹配濾波器的頻域響應(yīng)（沖壓縮系數(shù)）相乘，在經(jīng)過(guò)IFFT變換，就可得到脈沖壓縮處理的結(jié)果。而對(duì)于線性調(diào)頻的脈沖壓縮系數(shù)，只需將線性調(diào)頻信號(hào)取共軛和翻轉(zhuǎn)即可。
雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)一般為線性調(diào)頻信號(hào)，具體參數(shù)是：脈寬100Frs、中心頻率30MHz、調(diào)頻寬5MHz。對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)的采樣頻率為40MHz，在中頻進(jìn)行正交下變頻。圖5所示是用Matlab仿真該雷達(dá)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(gè)點(diǎn)目標(biāo)。
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(dá)系統(tǒng)中，雜波可看作是很多獨(dú)立照射單元回波的疊加，因此，雜波絡(luò)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(duì)輸出進(jìn)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(jì)這些雜波平均值時(shí)，不能在許多次掃描周期內(nèi)進(jìn)行，也不允許在一次距離掃描的全程里進(jìn)行，而只能在檢測(cè)點(diǎn)鄰近的距離單元，且鄰近單元的長(zhǎng)度應(yīng)短于雜波散射體連片所占的實(shí)際長(zhǎng)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(cè)點(diǎn)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(wèn)題，但雜波邊緣外側(cè)信號(hào)檢測(cè)能力的損失將相應(yīng)增大。同時(shí)在經(jīng)過(guò)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(cè)門限一定時(shí)，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(yīng)根據(jù)N適當(dāng)提高檢測(cè)門限：若要保持原來(lái)的檢測(cè)概率，則必須提高輸入信號(hào)的信噪比。下面用Matlab對(duì)鄰近平均選大方式恒虛警處理進(jìn)行仿真。該仿真的參考單元數(shù)為16，雷達(dá)的脈沖重復(fù)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(gè)點(diǎn)目標(biāo)，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(yǔ)
使用Matlab進(jìn)行雷達(dá)信號(hào)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(jì)的特點(diǎn)。而且建模需用時(shí)間短、模型簡(jiǎn)單，所得結(jié)果明確、精準(zhǔn)，同時(shí)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(jìn)行性能評(píng)估及驗(yàn)證。本文以某連續(xù)波雷達(dá)為實(shí)例，并基于Matlab的雷達(dá)信號(hào)處理仿真方法，可以得到較好的效果。
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本文標(biāo)題：基于Matlab的雷達(dá)系統(tǒng)仿真
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