雷达测速与测距 ()

雷达测速与测距

GZH 2016/3/29

系统流程图

模块分析

1 脉冲压缩

1.1 原理分析

雷达的基本功能是利用目标对电磁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

（1.1）

其中c为光速，为发射波形带宽。

雷达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，，此处，为发射脉冲宽度。因此，对

于简单的脉冲雷达系统，将有

（1.2）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

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

（1.3）

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。令,则

（1.4）

（1.4）式中，表示经脉冲压缩后的有效脉宽。因此脉冲压缩雷达可用

宽度的发射脉冲来获得相当于发射有效宽度为的简单脉冲系统的距离分辨

力。发射脉冲宽度跟系统有效（经压缩的）脉冲宽度的比值便成为脉冲压缩比，即

（1.5）则

（1.6）输入信号形式为

（1.7）

其中矩形函数，当时为1其他情况为0。实践中

（1.8）

系统采用匹配滤波

（1.9）输出为

（1.10）1.2 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=4e6，脉冲重复周期为T=100e-6，因此脉冲占空比为0.1，采样频率为

fs=5e6。

时宽带宽积为D=Tp*B。发射信号波形如下：

图1.1 LFM信号时域波形和频谱

图1.2 chirp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：

图1.3 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3。

图1.4 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。

图1.5 噪声信号

图1.6 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1.7（a）脉压后输出波形

图1.7（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

2.1 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。如果目标处在强杂波背景内，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，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强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。这里介绍非递归形。不带反馈的滤波器称为非递归型滤波器。下面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2.1（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1z =±，令s j ω=，即j T z e ω=在Z 平面上是单位圆。

由相位检波器输出的脉冲包络为

)(cos )(0t U t u ϕ= （2.1） ϕ为回波与基准电压之间的相位差

0000)(2)(ϕωωωϕ-=--=-=t c t v R t t d r r （2.2） 回波信号按重复周期r T 出现，将回波信号延迟一周期后，其包络是

])(cos[)(00'ϕω--=r d T t U t u （2.3）

⎪⎭

⎫ ⎝⎛--⎪⎭⎫ ⎝⎛=-=∆00'2sin 2sin 2ϕωωωr d d r

d T T U u u u （2.4） 输出包络为一多普勒频率的正弦信号，其频率为

2sin 20r

d T U ω （2.5） 为多普勒频率的函数。当πωn T r d =2（n=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

)1(0r T j i e

u u ω--=

（2.6）