1、雷达信号处理的MATLAB仿真摘 要现代雷达系统日益变的复杂，难以简单直观的进行分析，必须借助计算机来完成对系统的各项功能和性能的仿真。针对现代雷达信号处理的主要方式，运用数字信号处理理论和Matlab 软件研究雷达信号处理的仿真问题，提出了一个仿真模型。该模型可以完成雷达信号的仿真、热噪声与杂波的产生和雷达系统中信号的动态处理过程。用Matlab 对某脉冲压缩雷达信号处理系统进行了仿真，得到了雷达系统中各个处理点上的具体信号形式，既包含幅度信息，又包含相位信息，该模型能较好地满足对雷达信号处理的仿真要求，显示了用Matlab仿真雷达信号处理系统的方便、快捷的优雷达点。本文讨论的是雷达信号处理
2、部分，并结合雷达处理系统实例来说明MATLAB在雷达信号处理机系统仿真中的应用。关键词：雷达信号处理；正交解调；脉冲压缩；回波积累；恒虚警处理AbstractModern radar systems become increasingly complex and difficult to simple intuitive analysis, we must rely on computer systems to complete the functionality and performance of the simulationThe simulation of radar signal p
3、rocessing is an important part of the simulation of radar system. This paper introduces a method of the simulation of radar signal processing based on Matlab, including the simulation ofradar echo and clutter, and researches the simulation method of important technologies in the radar signal process
4、ing, including quadrature sampling, pulse compression, echo accumulation and CFAR detector. The work inthis paper can overcome the disadvantages such as difficulty and lengthiness and show the convenience and simplicity of the simulation of radar signal processing based on MATLAB.In this paper, is p
5、art of the radar signal processing and radar processing systems with examples to illustrate the radar signal processor MATLAB simulation of.Keywords: signal processing; quadrature sampling; pulsed compression; echo accumulation1绪论现代雷达系统日益变得复杂，难以用简单直观的分析方法进行处理，往往需要借助计算机来完成对系统的各项功能和性能的仿真。利用计算机来进行雷达系统的
6、仿真具有方便、灵活以及经济的特点。而Matlab 提供了强大的仿真平台，可以为大多数雷达系统的仿真提供方便快捷的运算。以典型的雷达为例，它主要由天线、发射机、接收机、信号处理机、伺服系统和终端设备等部分构成。本文主要讨论的是雷达信号处理部分，并结合某脉冲压缩雷达信号处理系统的实例来说明Matlab 在雷达信号处理系统仿真中的应用。1.1 雷达信号处理的背景现代雷达信号处理需要面对各种应用需求和复杂雷达工作环境，因此需要研究各种先进技术来提高雷达从回波信号中提取目标信息的能力，研究内容包括杂波和干扰抑制技术、脉冲个信号相参积累技术、阵列信号处理技术、目标检测技术、目标特征信息提取和识别技术、信号
7、处理系统设计技术等。1.1.1 信号检测和视频信号积累早期的雷达，主要的功能是发现目标和测定目标的空间位置，所以信号处理功能相对简单，在噪声背景下目标检测目标回波是其主要的任务。位提高雷达在噪声背景下发现目标的能力，视频信号积累和恒虚警(CFAR)检测技术得到了快速的发展。通过视频信号积累可以提高目标回波的信号噪声比(SNR),提高雷达在噪声背景下对目标的发现能力，通过恒虚警的检测可以使雷达八只较高的发现目标的能力的同时，使发生虚警(由于噪声引起，事实上没有目标)的概率大为降低。1.1.2 相参信号的杂波抑制技术地杂波、海杂波、气象杂波和箔条干扰等信号往往比目标回波信号强的多(如几十分贝)，对
8、目标回波检测造成了严重干扰。因此抑制雷达杂波，提高目标信号的信杂比（SCR）成了雷达信号处理的又一项重要任务。随着雷达接收相参技术和全相参雷达技术的发展，20世纪70年代以来，雷达的动目标显示（MTI）、雷达的动目标检测（MTD）和自适应动目标显示（AMTI）等技术得到了迅速发展。利用目标回波和杂波间的多普勒频率差异，通过多普勒滤波技术滤除（或抑制）各种杂波，从而提高目标雷达的信杂比，式雷达在杂波背景下发现目标的能力得到提高。1.1.3 雷达脉冲压缩技术雷达通过发射脉冲信号，然后测量目标回波信号与发射脉冲之间的时间顺延迟来测量目标之间的距离。发射的脉冲宽度越窄，雷达区分两个目标的能力（即距离分
9、辨率）就越强。所以，早期的雷达通过发射窄脉冲来来提高雷达的距离分辨率。但是根据雷达距离方程，雷达探测目标的最大作用距离是与雷达发射信号的平均功率相关的。雷达发射的平均功率Pm可用下式表示： (1.1)式（1.1）中表示发射脉冲的峰值功率，为发射脉冲宽度，Tr为发射脉冲重复周期，/Tr也称为雷达脉冲信号占空比。所以，在Tr一定的情况下，脉冲宽度的值越大，雷达发射信号的平均功率越大，雷达的最大作用距离就越大。根据信号理论，雷达的距离分辨率主要取决于发射信号的宽度B，对单载频脉冲而言，脉冲宽度越窄，则宽度越宽，所以，发射窄脉冲可以提高雷达的距离分辨能力。研究分析表明，发射大时带宽积（B）的信号，不但
10、可以提高雷达的距离分辨能力，还有利于提高发射信号的平均功率，降低发射脉冲的峰值功率。在接收时，对大时宽带回波信号进行匹配滤波，可使接收到的目标回波信号进行匹配滤波，可使接收到的目标回波信号压榨，称为脉冲压缩技术。1.1.4 脉冲多普勒（PD）和空时二维信号处理机载雷达下视探测目标时，地杂波很强的，所以机载雷达需要利用高稳定的发射信号，超低副瓣天线和高性能的脉冲多普勒信号处理来抑制强地杂波和进行目标检测。由于载机的告诉运动，不同方向地杂波的多普勒信号处理来抑制强地杂波和进行目标检测。因此在频率和空间平面上，地杂波频谱的中心是按斜线或圆弧分布的。如果仍采用常规的脉冲多普勒方法处理则只采用较高的脉冲
11、重复频率（fr）使地杂波谱的主要分量（包括天线主瓣杂波和副瓣杂波）在(0fr)区间内占的比例尽可能小，而目标目标检测在无地杂波的频率区域进行，以提高机载雷达目标检测的能力。如果机载雷达天线阵元（或子天线）对信号的接收是通过多路接收机接收，就可能对多路接收信号进行空间和时间二维信号处理，进一步提高机载雷达下视时，在强地杂波中检测目标的能力，这就是近20多年来迅速发展的空时二维自适应信号处理技术(STAP).1.1.5 阵列信号处理技术常规雷达的天线是由照射源和反射面构成的，称为反射面天线。反射面类型很多，如抛物面、抛物柱面、赋形反射面和卡赛格伦等，这些天线空间扫描一般通过天线本身的机械转动来实现
12、。20世纪80年代出现的相控阵天线，通过对天线阵元信号相位的控制，可以实现天线波束的扫描，因为不用机械转动，也称为电子扫描（简称电扫）天线，在相控阵天线中，信号相位的控制是通过移相器来完成的。随着数字技术的发展，雷达接收信号可以通过A/D转换器转换成数字信号，所以移相不一定需要专门的移相器，而可以通过数字方法实现移相。数字技术不但使移相方法可变，也使天线发向图可以用数字方法形成，称为数字波束形成（DBF）技术。其方法是将天线阵元信号通过多路接收机接收，再将多路信号数字话以后，用数字方法产生天线波束扫描或形成多个波束。实际上多路接收既可以通过阵元，也可以通过子阵，或者多个天线构成阵列流形来实现。
13、1.1.6 雷达成像技术当机载或雷达从空中对地观测时，通过距离高分辨和高分辨技术，可以得到地球表面的二维高分辨像，其距离分辨率的大小主要取决于雷达发射信号的带宽，并通过脉冲压缩技术来实现。方位分辨率的大小与天线口径有关。通常天线的口径不可能做的太大，但是通过载机在空中的飞机和定时发射信号，将接收信号储存起来后按某种算法进行处理，就可以得到分辨率很高的“等效天线孔径”，因为这种等效天线孔径是通过信号处理合成产生的，所以称为“合成孔径”，并将具有这种功能的雷达称为合成孔径雷达（SAR）。合成孔径雷达可以得到地面的二维像（距离-方位）。如果采用双天线接收或双极化接收技术，还可以得到地面的三维像（距离
14、-方位-高度）。对于宽带工作的地面雷达来说，如果雷达所观测的空中运动目标相对于雷达运动形成一定转角，也可以利用合成口径的原理，通过信号处理方法得到运动目标的二维像（距离-多普勒）。由于成像时雷达不动，而目标在运动，所以把这称为逆合成口径雷达（ISAR）成像。如果与单脉冲雷达技术相结合，通过信号处理也可以得到雷达目标的三维像（距离-方位-多普勒）。1.1.7 雷达目标的识别和分类雷达的主要功能是发现目标和测量目标和运动参数。但是对于火力控制（火炮、导弹）和指挥决策来说，了解目标的性质也十分的重要。目标识别是指判断目标是什么类型的目标，如区分飞机是轰炸机还是战斗机；区分车辆是履带车辆还是轮式车辆；
15、指出飞机和军舰的型号；从众多假目标中识别真目标；以及从SAR图像中识别机场、港口、交通枢纽等。雷达目标识别和分类主要通过信号处理来实现，其方法是多种多样的，既可以利用目标回波串的特性，也可以利用目标的高分辨图像，提取目标特性和进行属性判断 。1.1.8 雷达抗电子干扰技术现代战争中雷达面临着各种威胁和挑战，如电子干扰、反辐射导弹、低空突防和隐身目标等，直接影响着雷达的探测性能，甚至威胁到雷达的生存。这些威胁中，电子干扰是遇到的一种威胁。电子干扰一般分为无源干扰和有缘干扰两种。无源干扰是指认为布撒在空中的箔条。箔条是指表面涂覆金属的玻璃纤维和朔料条。大量的箔条在空中形成大片的箔条云，并在空中随风
16、飘荡，当他受到雷达天线波束照射时会形成很浅的反射信号，从而干扰雷达对目标的检测。由此无源干扰的反射信号类似于气象杂波信号，所以一般可以用抑制气象杂波的方法来进行抑制。有源干扰是敌方故意施放的电磁干扰信号，可分为噪声干扰和欺骗干扰两种。噪声干扰的功率大，会造成雷达接收机饱和或干扰雷达信号的检测；欺骗干扰则通过辐射虚假的雷达回波（假目标）来干扰雷达探测和雷达跟踪。抗有源干扰的主题方法是采用自适应频率捷变（AFT）、自适应波形捷变、自适应天线副瓣逆影（SLB）和自适应天线副瓣相消等方法。1.1.9 雷达信号处理系统技术随着微电子技术和数字技术的发展，雷达信号处理的 、功能越来越强，算法越来越复杂，利
17、用电子设计自动化软件进行雷达信号处理系统的建设仿真和设计，可以提高设计效率和提高雷达信号处理系统的性能。1.2 雷达信号处理的发展趋势随着雷达信号处理理论的发展，数字化技术的应用和各种学科间的交叉渗透，雷达信号处理系统正日益称为雷达技术发展的先锋。1.2.1 数字化技术迅速推广自从20世纪70年代数字技术进入雷达信号处理领域以来，雷达信号处理呈现出蓬勃发展的趋势。70年代以前，雷达信号处理技术主要采用模拟电路，着严重制约了信号处理的发展。例如，在雷达信号处理理论方面，“匹配滤波器”，“傅里叶变换算法”早就提出，但当时来说实现起来相当困难。就是相对简单的“一次对消”和“二次对消”等目标显示技术在
18、实现上也能采用水银延迟线和固体延迟线等，既笨重，性能也差。随着数字技术的发展，这些理论和算法迅速在雷达信号处理系统中得到推广应用，数字技术也得到了雷达技术人员的认同。信号处理技术实现手段的强化，大大促进了信号处理技术的迅速发展，使现代雷达信号处理系统向着数字化、软件化、模块化的方向迅速发展、应用范围越来越广。1.2.2 雷达信号处理技术正向多功能方向发展雷达的应用面是很宽的，它既可以放在地面、军舰、战车和飞机上，也可以工作在导弹、卫星和航天探测器上；雷达的工作环境又是复杂多变的，因此对雷达信号处理提出了各种各样的功能要求。目前，雷达信号处理已经从比较简单的在噪声中检测目标，逐步发展到具有一直各
19、种杂波、抗各种电磁干扰的能力；从视频处理发展到零中频处理和中频处理，从时域处理逐步发展到时域频域处理，空时频极化综合处理；从测距测角测速发展到成像处理，目标识别处理等。功能越来越多，性能越来越好。1.2.3 雷达信号处理的算法迅速发展雷达信号处理向多功能方向的发展对信号处理理论的发展提出了新的需求，而雷达信号处理数字化的进展又为各种信号处理理论在雷达信号处理中的应用提供了可能，所以雷达信号处理的算法发展很快。（1）自适应算法处理20世纪中叶，美国的B.Widrow和 M.Hoff提出了最小均方自适应算法；70年代自适应动目标显示（AMTI）开始应用于雷达；80年代出现了自适应波束形成算法；现在
20、自适应信号处理已在雷达中得到了比较广发的应用，如自适应杂波对消、自适应干扰抑制、自适应频率控制、自适应波形捷变、二维或多维自适应处理等。（2）新的信号处理理论逐步进入雷达信号处理领域在雷达目标识别中，子波分析、模糊理论、神经网络、分形算法和遗传算法已经越来越广泛的应用，以数据信息挖掘为代表的人工智能技术正在引入。在SAR图像处理中，各种图像处理算法也已全面应用来解决有关问题。1.2.4 多学科领域技术的相互交叉和相互渗透气象杂波和海杂波的建模仿真需要用到大气传播、海浪和洋流的特性，数字波束形成使人们看到了天线微波技术与信号处理技术的完美结合，天基雷达的出现又迫使信号处理技术人员去进一步了解卫星
21、和宇航方面的知识大运算量多功能的信号处理系统需要大量的大规模集成电路，掌握和了解这些集成电路，掌握和了解这些集成玷污的性质、特点和功能是雷达信号处理人员急需掌握的的知识。所以从雷达信号处理技术的发展中，我们可以深切地体会到现在多学科领域技术的交叉和渗透。2雷达技术的分析数字计算机和微电子技术的发展大大促进了数字信号处理技术的飞速发展，为了进行数字信号处理，首先要将模拟信号转换成数字信号。从模拟信号转换到数字信号是通过A/D转换器进行的。2.1 A/D转换器和采样定理A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。A/D转换器对输入信号x(t)在时间上等采样
22、并将采样得到的信号x(nt)n=0,1,2,，在幅度上量化和编码，从而将x(t)变换为一个数字信号x(n).图显示了A/D转换器的工作原理，其输出信号的位数为 r。图2.1 A/D转换器的工作原理采样信号是等时间间隔的窄脉冲串，这些窄脉冲的重复频率为fs, fs被称为采样频率 (2.1)如果连续信号x(t)的频谱为X(f)，那么经过采样后的道德离散信号x(n)的频谱X(f)是将X(f)在频率轴上以fs为周期重排的结果。取样频率必须大于信号x(t)频谱中最大频率fM的两倍才能保证采样后的信号频谱不发生混叠现象，这就是人们经常用到的采样定理（或奈奎斯特定理）即 (2.2)称满足式(2.2)的fs为
23、奈奎斯特采样频率。信号经幅度量化后，将添加一部分噪声，称为量化噪声，它会使信噪比降低，即带来一定的信噪比损失，称为A/D转换器的量化损失。2.2 数字滤波器数字滤波器是数字信号处理的重要手段。数字滤波器通过对输入数字信号的相加、相乘和延迟运算保留输入信号中所需频率分量，滤除不需要的频率分量。它可以实现低通、高通和带通滤波等功能。数字滤波器的按器冲击响应的不同分为无限冲激响应（IIR）和有限冲激响应（FIR）滤波器.FIR滤波器的输入、输出满足下面的差分方程 (2.3)其传输函数 (2.4)FIR滤波器的冲激响应函数好h（n）只有有限个点 (2.5)FIR滤波器的最大优点是可以通过滤波器参数的设
24、计使滤波器具有线性相位特性。因此，其输入信号除了有一个对应于相位斜率的延迟外，在滤波器的输出端可以精确地恢复处在滤波器通带内的信号分量。而且多个FIR滤波器串联工作时，其滤波器次序比影响最后的输出结果。FIR滤波器是非递归的滤波器，它对系数量化、舍入和不准确引起的误差相对不敏感，因此参数量化效应对FIR滤波器的影响相对较小。所以，FIR滤波器在雷达信号处理中得到了比较广泛的应用。FIR滤波器的缺点事为达到预定的滤波要求一般需要较IIR滤波器更高的滤波器阶数，所以其输出延迟也要大一些。2.3 相参信号处理早期的脉冲雷达大多使用磁控管发射机，但是磁控管发射机不能实现发射脉冲间的相位相参，限制了雷达
25、抑制各种杂波和检测运动目标的能力。放大链发射机的出现使雷达成为全相参雷达，满足了雷达的这种要求。2.3.1 相参信号处理原理运动目标回波信号与固定目标（包括地物等）回波信号之间的主要差别是运动目标回波信号带有多普勒频率。假定雷达发射信号频率为f0,初相为，则发射信号可表示为 (2.6)距离为R的目标回波为 (2.7)式(2.7)中，K为回波幅度衰减系数，tr为目标引起的回波延迟时间，即 (2.8)式(2.8)中c为电磁波传播速度，大约3*108m/s当目标以速度Vr向着雷达运动时，目标距离是一个变量 (2.9)式(2.9)中，R0为t=0时刻的目标距离，所以 (2.10)回波信号与发射信号的相
26、位差为 (2.11)相位差是时变的，说明目标以径向速度Vr匀速运动时，回波信号与发射信号之间有一个频率差，称为目标多普勒频率，用fd表示 (2.12)目标多普勒频率正比于目标径向速度，与工作波长成反比。当目标向着雷达方向运动时，多普勒频率成正值；当目标背离雷达方向运动时，多普勒频率为负值。为了从回波信号中取得运动目标的多普勒信息，雷达发射信号、本振信号和中频相参检波信号必须由同一个高稳定、高纯度的信号源产生，这样就可能利用多普勒信息将统一距离单元的固定目标回波和运动目标区分开。 图2.2 全相参雷达组成框图图2.2所示为一个全相参雷达组成框图，在图中高稳定信号源产生中心频率为fo的发射信号经功
27、率放大后从天线辐射出去；目标回波信号经收发开关送达混频器，其频率为（f0+fd）（fd是由于目标运动引起的多普勒频率），混频器将回波信号和高稳定信号源送来的频率为（f0-fI）的信号频率混频后输出频率(fI+fd)的中频信号。中频信号经过经中频相参检波器后送到正交相位检波器。然后以高稳定信号源送来的频率为fI的中频相参检波信号为参考进行相位检波，得到代表目标多普勒频率的输出信号送到信号处理器。这里要特别强调的是 ，高稳定信号源送出的四路信号（包括信号处理器中A/D转换所需要的频率为fs的采样信号）均需要由同一个基准信号经分频、倍频或混频产生，才能实现全相参雷达信号处理。2.3.2 正交相位检波
28、器对于非相参雷达，中频信号的相位因为没有参考信号而失去意义，所以只能进行幅度检波。全相参雷达则不然，回波中频信号相对于高稳定信号源送出的相参中频信号的相位是有意义的。所以在全相参雷达中，可以用正交相位检波器来获得中频信号的基带信号（零中频信号）x(t)，有时也称x(t)为中频信号的复包络。即 (2.13)式(2.13)中 (2.14)上式中xI(t)和xQ(t)合起来称为正交双通道信号，xI(t)为同相通道信号，xQ(t)为正交通道信号。正交相位检波器如图2.3所示图2.3 正交相位检波器其中s(t)为中频回波信号sc(t)为中频相参检波信号，可分别表示为 (2.15)式(2.15)中，fd表
29、示多普勒频率，fd的值可能是正值或负值，也可能为零。因此 (2.16) (2.17)式(2.17)中的低通滤波器将滤去2fI的分量，可得到输出的正交双通道信号为 (2.18)令比例系数K=1，则式(2.14)和式(2.18)是一致的。在正交相位检波器中，乘法器和低通滤波器都是由模拟电路构成的，两个通道的增益和附加移相的不一致可引起xI(t)和xQ(t)在幅度上的不一致和相位上的不正交（即相位差不等于90）。如果幅度相对误差用表示，而相位上的正交误差用表示，经分析表明，幅度相对误差和相位正交误差将在x=(t)单边带谱的对称一侧附加上一个频谱分量，称为镜频分量。镜频分量与理想频谱分量的功率比称为镜
30、像抑制比IR，即 (2.19)镜频抑制比IR是个负数，其分贝数越大，镜频分量越小，如=0.05，=30时，IR-29dB=0.03，=20时，IR-33dB=0.01，=10时，IR-40Db 这种镜频分量会严重抑制雷达信号处理系统的性能。因此，必须减少镜频分量。提高镜频抑制比的办法有如下3种：（1）尽可能提高正交相位检测器的两路一直性。（2）采用误差校正方法，对和进行补偿。（3）采用给予数字正交变换原理的数字正交相位检波器。2.4 脉冲压缩处理雷达测距事通过测量目标回波的延迟时间来实现的。因而，雷达对目标的距离分辨能力于回波脉冲的宽度有关。脉冲宽度越窄，距离分辨能力越高。但是，发射脉冲越窄，
31、雷达发射平均功率越低，从而直接影响了雷达的作用距离。现代雷达大都发射大时宽和大带宽的信号来兼顾作用距离和分辨能力。大时宽信号有利于提高雷达发射的平均功率，大带宽信号在接收时通过脉冲压缩可成为窄脉冲以达到高的距离分辨率。从本质上说，雷达距离分辨能力取决于发射信号带宽，脉冲越窄，其带宽越宽。分辨能力越高。大时宽带信号具有高的距离分辨潜力，但高距离分辨力的实现是在脉冲压缩滤波器之后展现的。图2.4 脉冲压缩滤波器通过脉冲压缩滤波器后，脉冲脉宽被压缩的倍数称为脉冲压缩比，可表示为 (2.20)式(2.20)中为输入时宽带信号的时宽，为输出窄脉冲的脉宽。2.4.1 脉冲压缩的基本方法脉冲压缩是大时宽带宽积信号通过一个脉冲压缩滤波器实现饿，这时雷达发射信号是载频按一定规律变化的宽脉冲，即具有非线性相位谱的宽脉冲。而脉冲压缩滤波器具有与发射信号实现相位共轭匹配。所以理想的脉冲压缩滤波器就是匹配滤波器。实现脉冲压缩可以在时域进行，也可以在频域进行。2.4.2 时域脉冲压缩方法假设需要脉冲压缩的信号是一个大时宽带的信号si(t),脉冲压缩滤波器脉冲响
