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

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，B=∆f=1/τ，此处，τ为发射脉冲宽度。因此，对

于简单的脉冲雷达系统，将有

δr=c

2τ（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

P tτ=P av T r（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B=∆f≫1/τ。令τ0=1/B,则

δr=c

2τ0（1.4）

（1.4）式中，τ0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τ的发射脉冲来获得相当于发射有效宽度为τ0的简单脉冲系统的距离分辨力。发射脉冲宽度τ跟系统有效（经压缩的）脉冲宽度τ0的比值便成为脉冲压缩比，即

D=τ

τ0

（1.5）则

D=B∗τ（1.6）输入信号形式为

s(t)=A∗rect(t

T )∗e j2πf0t+jμt

2

2（1.7）

系统采用匹配滤波

h(t)=s∗(t0−t)（1.9）输出为

s o(t)=ℎ(t)⊛s(t)（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） 对消器的频率响应特性为