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1、脉冲压缩雷达的仿真脉冲压缩雷达与匹配滤波的MATLAB仿真姓名：- 学号： - 2014-10-28 西安电子科技大学信息对抗技术名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 13 页 - - - - - - - - - - 1 - 一、雷达工作原理雷达， 是英文 Radar 的音译， 源于 radio detection and ranging 的缩写， 原意为 无线电探测和测距 ，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。因此，雷达也被称为“无线电定位” 。利用
2、电磁波探测目标的电子设备。发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。雷达发射机的任务是产生符合要求的雷达波形（Radar Waveform） ，然后经馈线和收发开关由发射天线辐射出去，遇到目标后， 电磁波一部分反射，经接收天线和收发开关由接收机接收，对雷达回波信号做适当的处理就可以获知目标的相关信息。但是因为普通脉冲在雷达作用距离与距离分辨率上存在自我矛盾，为了解决这个矛盾，我们采用脉冲压缩技术，即使用线性调频信号。二、线性调频（ LFM）信号脉冲压缩雷达能同时提高雷达的作用距离和距离分辨率。这种体制采用宽脉冲发射以提高发
3、射的平均功率，保证足够大的作用距离；而接受时采用相应的脉冲压缩算法获得窄脉冲，以提高距离分辨率，较好的解决雷达作用距离与距离分辨率之间的矛盾。脉冲压缩雷达最常见的调制信号是线性调频（Linear Frequency Modulation ）信号 ,接收时采用匹配滤波器（Matched Filter ）压缩脉冲。LFM信号的数学表达式：（2.1）其中cf为载波频率，()trectT为矩形信号：（2.2）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 13 页 - - - -
4、 - - - - - - 2 - 其中BKT是调频斜率，信号的瞬时频率为()22cTTfKtt，如图（图 2.1.典型的 LFM 信号（ a）up-LFM(K0)（b） down-LFM(K0)）将式 1 改写为：（2.3）其中（2.4）是信号 s(t)的复包络。由傅立叶变换性质，S(t)与 s(t)具有相同的幅频特性，只是中心频率不同而以，因此，Matlab 仿真时，只需考虑S(t)。以下 Matlab 程序产生 (2.4）的 LFM信号，并作出其时域波形和幅频特性。% 线性调频信号的产生T=10e-6; %持续时间是10us B=30e6; %调频调制带宽为30MHz K=B/T; %调频
5、斜率Fs=2*B;Ts=1/Fs; %采样频率和采样间隔N=T/Ts; N=T/Ts; t=linspace(-T/2,T/2,N); 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 13 页 - - - - - - - - - - 3 - St=exp(j*pi*K*t.2); %产生线性调频信号subplot(211) plot(t*1e6,real(St); xlabel( 时间 /us); title(LFM 的时域波形 ); grid on;axis tight
6、; subplot(212) freq=linspace(-Fs/2,Fs/2,N); plot(freq*1e-6,fftshift(abs(fft(St); xlabel( 频率 /MHz); title(LFM 的频域特性 ); grid on;axis tight; 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 13 页 - - - - - - - - - - 4 - （图 2.2：LFM 信号的时域波形和频域特性）三、压缩脉冲的匹配滤波信号( )s t的匹配滤
7、波器的时域脉冲响应为：(3.1) 0t是使滤波器物理可实现所附加的时延。理论分析时，可令0t 0，重写 3.1 式，(3.2) 将 2.1 式代入 3.2 式得 : (3.3) 图 3.1：LFM 信号的匹配滤波如图 3.1,( )s t经过系统( )h t得输出信号( )os t，(3.4) 当0tT时, (3.5) 当0Tt时, 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 13 页 - - - - - - - - - - 5 - (3.6) 合并 3.5 和 3.
8、6 两式：(3.7) 3.7 式即为 LFM脉冲信号经匹配滤波器得输出,它是一固定载频cf的信号。 当tT时，包络近似为辛克（ sinc）函数。(3.8) 图 3.2：匹配滤波的输出信号如图 3.2，当 Bt= 时，t= 1/B 为其第一零点坐标；当 Bt= /2 时，t= 1/2B ，习惯上，将此时的脉冲宽度定义为压缩脉冲宽度。(3.9) LFM 信号的压缩前脉冲宽度T 和压缩后的脉冲宽度之比通常称为压缩比D，(3.10) 式 3.10 表明，压缩比也就是LFM 信号的时宽频宽积。由 2.1,3.3,3.7 式， s(t),h(t),so(t) 均为复信号形式，Matab仿真时，只需考虑它们
9、的复包络S(t),H(t),So(t)。以下 Matlab 程序段仿真了图3.1 所示的过程，并将仿真结果和理论进行对照。% 线性调频信号的匹配滤波名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 13 页 - - - - - - - - - - 6 - T=10e-6; B=30e6; K=B/T; Fs=10*B;Ts=1/Fs; N=T/Ts; t=linspace(-T/2,T/2,N); St=exp(j*pi*K*t.2); %产生线性调频信号Ht=exp(-j
10、*pi*K*t.2); %匹配滤波器Sot=conv(St,Ht); %线性调频信号经过匹配滤波器subplot(211) L=2*N-1; t1=linspace(-T,T,L); Z=abs(Sot);Z=Z/max(Z); %归一化Z=20*log10(Z+1e-6); Z1=abs(sinc(B.*t1); %sinc 函数Z1=20*log10(Z1+1e-6); t1=t1*B; plot(t1,Z,t1,Z1,r.); axis(-15,15,-50,inf);grid on; legend( 仿真 ,sinc); xlabel( 时间sec timesitB); ylabel(
11、 振幅 ,dB); 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 13 页 - - - - - - - - - - 7 - title(线性调频信号经过匹配滤波器); subplot(212) %放大N0=3*Fs/B; t2=-N0*Ts:Ts:N0*Ts; t2=B*t2; plot(t2,Z(N-N0:N+N0),t2,Z1(N-N0:N+N0),r.); axis(-inf,inf,-50,inf);grid on; set(gca,Ytick,-13.4,-4
12、,0,Xtick,-3,-2,-1,-0.5,0,0.5,1,2,3); xlabel( 时间 sec timesitB); ylabel( 振幅 ,dB); title(线性调频信号经过匹配滤波器（放大）); 结果：图 3.3 ：线性调频信号的匹配滤波名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 13 页 - - - - - - - - - - 8 - 上图中， 时间轴进行了归一化， （t/(1/B)=t xB ） 。图中反映出理论与仿真结果吻合良好。第一零点出现在1
13、（即 1/B）处，此时相对幅度-13.4dB 。压缩后的脉冲宽度近似为 1/B（ 1/2B ） ，此时相对幅度-4dB, 这理论分析（图3.2 ）一致。四、Matlab 仿真1.任务：对以下雷达系统仿真。雷达发射信号参数：幅度： 1.0 信号波形：线性调频信号频带宽度：30MHz 脉冲宽度：10us 中心频率：1GHzHz雷达接收方式：正交解调接收距离门： 10Km15Km 目标：Tar1：10.5Km Tar2：11Km Tar3：12Km Tar4：12Km5m Tar5：13Km Tar6：13Km2m 2.系统模型：结合以上分析，用Matlab 仿真雷达发射信号，回波信号，和压缩后的信
14、号的复包络特性，其载频不予考虑（实际中需加调制和正交解调环节），仿真信号与系统模型如下图。图 4.1：雷达仿真等效信号与系统模型3.线性调频脉冲压缩雷达仿真程序LFM_radar 仿真程序模拟产生理想点目标的回波，并采用频域相关方法（以便利用FFT）实现脉冲压缩。函数LFM_radar 的参数意义如下：T：LFM信号的持续脉宽；B：LFM信号的频带宽度；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 13 页 - - - - - - - - - - 9 - Rmin：观测
15、目标距雷达的最近位置；Rmax：观测目标距雷达的最远位置；R：一维数组，数组值表示每个目标相对雷达的距离；RCS ：一维数组，数组值表示每个目标的雷达散射截面。在 Matlab 指令窗中输入：LFM_radar(10e-6,30e6,10000,15000,10500,11000,12000,12005,13000,13002,1,1,1,1,1,1) 得到的仿真结果如下图。五、心得通过这次使用Matlab 对脉冲压缩雷达的仿真，让我充分理解到了脉冲压缩雷达的工作原理，以及脉冲压缩雷达与普通脉冲雷达的差异，这让我对与雷达原理这门课有了更加深入的理解， 对于匹配滤波的深入了解，使得在课堂中没有充
16、分理解的地方清晰的展现在眼前。 这次实验不仅仅会促进我雷达原理课程的学习，也为我以后学习雷达专业提供了一种可靠的方法。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 13 页 - - - - - - - - - - 10 - 六、附录Matlab 代码（ LFM_radar.m ）% 脉冲压缩雷达仿真function LFM_radar(T,B,Rmin,Rmax,R,RCS) if nargin=0 T=10e-6; %脉冲持续时间10us B=30e6; %频带宽度
17、30MHz Rmin=10000;Rmax=15000; %作用范围R=10500,11000,12000,12008,13000,13002; %目标位置RCS=1 1 1 1 1 1; %雷达散射面end % 参数设定C=3e8; %设定速度为光速K=B/T; %调频斜率Rwid=Rmax-Rmin; %距离Twid=2*Rwid/C; %时间Fs=5*B;Ts=1/Fs; %采样频率和采样间隔Nwid=ceil(Twid/Ts); % 回波t=linspace(2*Rmin/C,2*Rmax/C,Nwid); % 接收范围 (2*Rmin/C t 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载
18、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 13 页 - - - - - - - - - - 11 - 2*Rmax/C) M=length(R); %目标数量td=ones(M,1)*t-2*R/C*ones(1,Nwid); Srt=RCS*(exp(j*pi*K*td.2).*(abs(td)T/2); %雷达回波% 利用 FFT 和 IFFT 进行数字信号处理Nchirp=ceil(T/Ts); %多脉冲持续时间Nfft=2nextpow2(Nwid+Nwid-1); Srw=fft(Srt,Nf
19、ft); %雷达回波的fft 计算t0=linspace(-T/2,T/2,Nchirp); St=exp(j*pi*K*t0.2); %线性调频信号Sw=fft(St,Nfft); %线性调频信号的fft 计算Sot=fftshift(ifft(Srw.*conj(Sw); %脉冲压缩后的信号N0=Nfft/2-Nchirp/2; Z=abs(Sot(N0:N0+Nwid-1); Z=Z/max(Z); Z=20*log10(Z+1e-6); %产生图像subplot(211) plot(t*1e6,real(Srt);axis tight; xlabel( 时间 /s );ylabel(
20、振幅 ) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 13 页 - - - - - - - - - - 12 - title(无压缩的雷达回波); subplot(212) plot(t*C/2,Z) axis(10000,15000,-60,0); xlabel( 距离 /m);ylabel( 振幅 / dB) title(压缩后的雷达回波); 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 13 页 - - - - - - - - -