大作业-雷达线性调频脉冲压缩的原理及其MATLAB仿真(DOC)[共五篇]

第一篇：大作业-雷达线性调频脉冲压缩的原理及其MATLAB仿真(DOC)

LFM脉冲压缩雷达仿真

西安电子科技大学

线性调频（LFM）脉冲压缩雷达仿真

概述：雷达工作原理

雷达是Radar（RAdio Detection And Ranging）的音译词，意为“无线电检测和测距”，即利用无线电波来检测目标并测定目标的位置，这也是雷达设备在最初阶段的功能。它是通过发射电磁波并接收回波信号，在后端经过信号处理将目标的各种特性分析出来的一个复杂的系统。其中，雷达回波中的可用信息包括目标斜距,角位置，相对速度以及目标的尺寸形状等。典型的雷达系统如图1.1，它主要由发射机，天线，接收机，数据处理，定时控制，显示等设备组成。利用雷达可以获知目标的有无，目标斜距，目标角位置，目标相对速度等。现代高分辨雷达扩展了原始雷达概念，使它具有对运动目标(飞机，导弹等)和区域目标(地面等)成像和识别的能力。雷达的应用越来越广泛。

图1.1：简单脉冲雷达系统框图

一． 线性调频（LFM）脉冲压缩雷达原理

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。

假设理想点目标与雷达的相对距离为R，为了探测这个目标，雷达发射信号s(t),电磁波以光速C向四周传播，经过时间RC后电磁波到达目标，照射到目标上的电磁波可写成：R)。电磁波与目标相互作用，一部分电磁波被目标散射，被反射的电磁波为CRs(t)，其中为目标的雷达散射截面（Radar Cross Section ,简称RCS），反映目标对CR电磁波的散射能力。再经过时间RC后，被雷达接收天线接收的信号为s(t2)。

Cs(t如果将雷达天线和目标看作一个系统，便得到如图1.2的等效，而且这是一个LTI（线性时不变）系统。

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雷达的距离：

Riic

（1.9）2

这也是线性调频（LFM）脉冲压缩雷达的工作原理。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射的平均功率，保证足够大的作用距离；而接收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(也称Chirp 信号)的数学表达式为：

tj2(fctKt2)2s(t)rect()e

(2.1)

T式中fc为载波频率，rect()为矩形信号，tTtt11

（2.2）

rect()TT0,elsewiseKB，是调频斜率，于是，信号的瞬时频率为fcKt(TtT)，如图2.1

22T

图2.1 典型的chirp信号（a）up-chirp(K>0)（b）down-chirp(K<0)将2.1式中的up-chirp信号重写为：

s(t)S(t)e式中，j2fct

（2.3）

tjKt2S(t)rect()e

（2.4）

T

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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式的chirp信号，并作出其时域波形和幅频特性，如图2.2。>> %%线性调频信号的程序 T=10e-6;B=30e6;K=B/T;

Fs=2*B;Ts=1/Fs;N=T/Ts;t=linspace(-T/2,T/2,N);St=exp(j*pi*K*t.^2);线性调频信号 subplot(211)plot(t*1e6,real(St));xlabel('Time in u sec');title('Real part of chirp signal');grid on;axis tight;subplot(212)freq=linspace(-Fs/2,Fs/2,N);plot(freq*1e-6,fftshift(abs(fft(St))));xlabel('Frequency in MHz');title('Magnitude spectrum of chirp signal');grid on;axis tight;>> 仿真结果显示：

图2.2：LFM信号的时域波形和幅频特性

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L=2*N-1;t1=linspace(-T,T,L);Z=abs(Sot);Z=Z/max(Z);

归一化处理 Z=20*log10(Z+1e-6);Z1=abs(sinc(B.*t1));

辛克函数（理论波形）Z1=20*log10(Z1+1e-6);t1=t1*B;

plot(t1,Z,t1,Z1,'r.');axis([-15,15,-50,inf]);grid on;legend('emulational','sinc');xlabel('Time in sec timesitB');ylabel('Amplitude,dB');title('Chirp signal after matched filter');subplot(212)

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,-4,0],'Xtick',[-3,-2,-1,-0.5,0,0.5,1,2,3]);xlabel('Time in sec timesitB');ylabel('Amplitude,dB');title('Chirp signal after matched filter(Zoom)');仿真结果如图3.3：

图3.3：Chirp信号的匹配滤波

图3.3中，时间轴进行了归一化，（t/(1/B)tB）。图中反映出理论与仿真结果吻合良好。

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第一零点出现在1（即（11）处，此时相对幅度-13.4dB。压缩后的脉冲宽度近似为BB1），此时相对幅度-4dB,这理论分析（图3.2）一致。2B

上面只是对各个信号复包络的仿真，实际雷达系统中，LFM脉冲的处理过程如图3.4。

图3.4： LFM信号的接收处理过程

雷达回波信号sr(t)（1.4式）经过正交解调后，得到基带信号，再经过匹配滤波脉冲压缩后就可以作出判决。正交解调原理如图3.5，雷达回波信号经正交解调后得两路相互正交的信号I(t)和Q(t)。一种数字方法处理的的匹配滤波原理如图3.6。

图3.5：正交解调原理

图3.6：一种脉冲压缩雷达的数字处理方式

四：Matlab仿真结果

（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：30兆赫兹（30MHz）脉冲宽度：10微妙（20us）中心频率：1GHz（109Hz）雷达接收方式： 正交解调接收

距离门：10Km~15Km 目标：

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Tar1：10.5Km Tar2：11Km Tar3：12Km Tar4：12Km＋10m Tar5：13Km Tar6：13Km＋25m（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图4.1。

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：chirp信号的持续脉宽； B：chirp信号的调频带宽；

Rmin：观测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斜距； RCS：一维数组，数组值表示每个目标的雷达散射截面。在Matlab指令窗中键入：

LFM_radar(10e-6,30e6,10000,15000,[10500,11000,12000,12010,13000,13025],[1,1,1,1,1,1])得到的仿真结果如图4.2。

图4.2：仿真