哈工大无线电定位原理与应用实验报告

Harbin Institute of Technology
无线电定位原理实验报告
课程名称： 无线电定位原理与应用
班级：
姓名：
学号：
同组人：
学号：
指导教师：
张云
实验时间：
实验成绩：
哈尔滨工业大学
1. 实验一 调频法测距实验
1.1 实验要求 （1）掌握雷达测距原理，了解雷达测距实验仪器原理及使用。 （2）采集静止目标的回波数据，对实验数据进行分析并计算目标的距离。
������ R = 2 ∗ ������ ∗ ∆F (其中 c—光速；������—线性调频波斜率，实验中的������=5 ∗ 1010Hz/s; ∆F—回波的固 定频差) 代入计算可得，带测距离: R=2.534m
2. 实验二 调频法测距实验
2.1 实验要求
（1）掌握雷达测速原理，了解连续波雷达测速实验仪器原理及使用。
3.3 实验内容 1、MATLAB 中导入线性调频脉冲信号，实际是长度为 400 的矩阵，realpart.txt
为信号实部，imagpart.txt 为信号虚部。 2、FFT 作出线性调频脉冲复信号的频谱 3、对信号频域取共轭，求出系统函数 ，IFFT 求出系统冲击响应 。 4、匹配滤波，复信号通过线性系统，即频域相乘，IFFT 求出匹配滤波后的信
LFM 信号的频谱近似为：

S ( )


A
2 exp{ j[ (0 )2 ]}
k
2k 4

0
0


2
others
近似程度取决于时宽带宽积 D， D 越大，近似程度越高，即频谱越接近于矩
形。
Real part of chirp signal
0.5
0
-0.5
-1
-5
3.2.3 实际雷达系统匹配滤波 实际处理雷达系统中，为了压低副瓣，通常是将匹配函数加窗，然后加零延伸
为的时间长度，作傅立叶变换后并作共轭，和接收信号的傅立叶变换相乘后，作 傅立叶逆变换，取前时间段的有效数据段。为了便于采用快速傅立叶变换，可能 对匹配函数要补更多的零，对接收信号也要补零。脉压处理过程的下图所示，其 中虚框部分可事先计算好，以减小运算量。
（2）时宽带宽积 D=50 改变 k 值，保持信号持续时间 T 不变 k=5e11，这样信号带宽就会减小一半，时宽带宽积 D=50 输入信号时域图像：
匹配滤波频域图像与滤波结果：
（3）时宽带宽积 D=200
对比三个时宽带宽积线性调频信号与匹配滤波器输出结果，可得以下结论： （1）线性调频信号的频谱接近于矩形，近似程度取决于时宽带宽积 D，D 越大， 近似程度越高。 （2）对应的匹配滤波器的传输函数在大时宽带宽积下，与 sinc 函数拟和很好， 在主瓣和临近的几个旁瓣都没有偏差，但是在小时宽带宽积下，仅在主瓣和 sinc 函数拟和无偏差，而在旁瓣偏差较大。
第一副瓣下降 -13. 自己设计时宽带宽积不同的的线性调频信号
x=exp(j*2*pi*(f0*t+0.5*k*t.^2));
（1）时宽带宽积： D=B*T=100
其中时间t[-5us,5us],k=10e11;
匹配滤波结果：
Amplitude,dB
-3
-2
-1
-0.5
0
0.5
1
2
3
Time in sec B
LFM 通过匹配滤波器的时域图
对应的匹配滤波器的传输函数在大时宽带宽积下，如上图 3-3 所示，与辛格 函数拟和很好，在主瓣和临近的几个旁瓣都没有偏差，但是在小时宽带宽积下， 仅在主瓣和辛格函数拟和无偏差，而在旁瓣偏差较大。
4. 实验总结
通过用线性调频信号完成测距、测速、设计匹配滤波三个实验，进一步掌握 了线性调频信号的性质
（1）线性调频信号测距原理：利用反射回波相对于发射的线性调频信号产 生的固定频差∆F.测距；
（2）线性调频信号测速原理：利用回波包含的多普勒频率信息，用混频的 方式提取多普勒频率 fd，进行测速
（3）线性调频信号的频谱接近于矩形，近似程度取决于时宽带宽积 D，D 越大，近似程度越高。对应的匹配滤波器的传输函数在大时宽带宽积下，与 sinc 函数拟和很好，在主瓣和临近的几个旁瓣都没有偏差。
Chirp signal after matched filter
-5
0
5
Time in sec B
Chirp signal after matched filter (Zoom)
emulational sinc
10
15
emulational sinc
10
15
emulational sinc
Amplitude,dB
1.2 实验原理 调频法测距通常是对连续波雷达的载频进行一定波形的调制，但有时也可应
用在脉冲雷达中。典型的调频法测距调制波形主要有三角波（包括连续三角波， 锯齿波及脉冲三角波）及正弦波。相对于脉冲法测距，调频法测距具有无近距离 “盲区”，输出功率低，可同时完成测速的特点，但复杂的硬件系统以及对于调 制波形线性度和收发隔离的高要求是其最大的弊端。此外，调频法测距很难做到 对于多个目标回波信号进行区分。
1.4 实验结果与数据分析 回波信号时域波形：
FFT 处理结果：
这时得到的两个峰值即为反射回波相对于发射的线性调频信号产生的固定 频 差 ∆F . 由 图 中 可 得 ， 峰 值 频 率 ∆F1 =870.2Hz ， 另 一 个 峰 值 频 率 为 ∆F2 = 819.2Hz
固定频差求平均后近似取为∆F=844.7Hz 根据线性调频对静止物体测距公式：
Si (t)

Arect(
t
tr T
)cos(0 (t
tr )
k (t
tr )2 ) 2
对应的匹配滤波器的传输函数近似（大时宽带宽积下）为：
H () exp{ j[(0 )2 ]} 2k 4
0


2
匹配滤波器输出：
S0 Si ()H () exp( jtd ) A 2 e jtd
号的时域，取对数归一化后作出图像。 5、给定的信号参数：信号频率：0-10MHz；信号时长：10us，采样率：40MHz，
自行构造参考函数：
x exp[ j2 ( f0t 0.5kt2)]
重复上述步骤。
3.4 实验结果分析 3.4.1 给定线性调频信号 时域波形与频域频谱：
匹配滤波器系统函数： 匹配滤波结果（蓝色线为滤波结果、红色线为 sinc 函数）：
处的宽度为输出脉冲的脉宽T0 ，并且有T0

1 B
，所以脉冲压缩比： T T0

BT

D
Amplitude
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-15
-10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-15
-10
0 -4 -13.4
Chirp signal after matched filter
-5
0
5
Time in sec B
（2）采集运动物体回波数据，使用 MATLAB 对实验数据进行分析。
2.2 实验原理
多普勒效应:发射源和接受者之间有相对径向径向运动时，接受到的信号频
率将发生变化。
雷达利用多普勒频率来提取目标的径向速度（即距离变化率），从而可以区
分运动目标和固定目标及杂波。
目标远离雷达为负，靠近雷达为正。
fd


2
k
0


2
代入相关参数， 2 B, k 2 B T ,0 2 f0 匹配滤波器时域输出：
So (t)

1 2

So ()e jtd

A D sin[ B(t td )] ei2 f0 (ttd ) B(t td )
时宽带宽积： D BT 匹配滤波器的包络输出如下图 3-2 所示，所示，通常规定顶点下降到－4dB
t T
) cos(0t

kt 2 2
)
式中：rect(������)是矩形函数，k 是调频斜率，并且与调制频偏 的关系是： ������ k 2f TT
T 为时域波形宽度，简称时宽；B = 2∆f为调频范围。简称频宽。
D BT 为时宽带宽积，是线性调频信号一个很重要的参数。
三角波调频
F ft fr

F
Tm
2
fA f0 Fd
t
Fd FF' F
t
分析时，可作为斜率分别为正负的两段线性调频波来分析。
F'
(F

F )
/
2

8Rf0 Tm c
R c F' 8 fA fm
v / 4(F F )
既可以得到目标的距离，又可以得到目标的径向速度。
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
Time in u sec
Magnitude spectrum of chirp signal
20 15 10
5
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Frequency in MHz
LFM 信号时域频域图
3.2.2 线性调频信号匹配滤波 雷达发射 LFM 脉冲信号，固定目标的回波时域表示：
2.4.2 中速组 回波混频后得到的信号时域波形：
FFT 结果：
从图中读得������������ = 118.4������������，同理带入速度计算公式得， v=0.7351m/s