相控阵雷达系统的仿真_王桃桃

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计算机与现代化
2014 年第 2 期
的研究。其 中，重 点 对 雷 达 的 信 号 处 理 做 分 析 与 仿 真，为数据处理做好准备。
= sin θcos φ，垂直方向设 v = sin θsin φ。
1 相控阵雷达系统的仿真设计
典型的相控阵雷达主要由天线、发射机、接收机、 信号处理机、数据处理机和显示器组成。不同于机械 式雷达，相 控 阵 雷 达 的 天 线 由 许 多 辐 射 单 元 排 列 而 成，而各个单元的馈电相位由计算机灵活控制，形成 在空中可 移 动 的 波 束，从 而 实 现 电 扫 描［1］。 相 控 阵 雷达系统的仿真结构图如图 1 所示，主要有天线系 统、信号环境、信号处理和人机交互界面。
j2πfnT
（ 3）
对于高斯谱，滤波器频率特性满足：
| H（ f） | = exp（ － f2 /4σ2f ）
（ 4）
将上式展开成傅里叶级数形式，有：
N
H（ f）
=
∑C
n =0
n
cos
（
2πfnT）
（ 5）
其中：
Cn = 2σf T0 槡π e － 4σ2f π2T20n2
（ 6）
仿真中 FIＲ 滤波器采用直接型结构，阶数取 8，
2014 年第 2 期 文章编号： 1006-2475（ 2014） 02-0209-04
计算机与现代化 JISUANJI YU XIANDAIHUA
总第 222 期
相控阵雷达系统的仿真
王桃桃，万晓冬，何 杰
( 南京航空航天大学自动化学院，江苏 南京 210016)
摘要： 雷达的数字仿真及雷达仿真库的建立已经成为近年来雷达领域研究的热点。本文主要进行相控阵雷达系统的仿
仿真中，在 Simulink 库中建立自己的雷达子库。 子库名为 Ｒadar_lib，包括的模块有： CFAＲ（ 恒虚警检 测） 、LFM （ 线性调 频 信 号） 、Linear _ antenna （ 线 性 阵 列） 、MTI （ 动 目 标 显 示） 、Pulse Compression （ 脉 冲 压 缩） 、Ｒe_clutter（ 杂波） 、Ｒect_antenna（ 矩形阵列） 。
关键词： 雷达; 相控阵; 信号处理
中图分类号： TP391． 9
文献标识码： A
doi: 10． 3969 / j． issn． 1006-2475． 2014． 02． 047
Simulation of Phased Array Ｒadar Systems
WANG Tao-tao，WAN Xiao-dong，HE Jie
式（ 1） 中，N 为天线阵元数，dx 为阵元的横向间 距，dy 为阵元的纵向间距，θ 为天线波束指向的方位 角，φ 为天线波束指向的俯仰角。仿真中依据式（ 1） ， 设波束指向方位角为 20°，俯仰角为 30°，阵元数为 30 × 30，如图 2 所示，其中 dx = dy = 0． 5λ，水平方向设 u
真研究。首先根据相控阵雷达的组成和原理，建立相控阵雷达的仿真模型与数学模型。然后选择 Simulink 作为仿真平
台，对相控阵雷达系统进行仿真与研究。仿真的模块主要有天线模块、信号环境模块、信号处理模块以及 GUI 人机交互
界面模块。最终在 Simulink 库中生成自己的雷达子库，形成相控阵雷达系统，为后续相控阵雷达的研究奠定基础。
可用来快速地建造一个分布仿真系统。比较 4 种仿 真平台，SPW 比较昂贵，只能在 Unix 操作系统下使 用，HLA 通信协议复杂，不同版本的 ＲTI 可能有无法 通信的问题。Simulink 应用于雷达仿真比 ADS 广泛 并易于推广，所以本文采用 Simulink 作为仿真平台。
为了进行后期雷达与红外的数据融合，首先需要 建立雷达模块以产生雷达数据源，本文根据相控阵雷 达的工作原理，采用数字仿真的方法，仿真雷达模块。 首先提出相控阵雷达的仿真结构图以及给出各个模 块的数学模型，然后根据数学模型，利用 Simulink 仿 真平台，仿真实现雷达的各组成模块，从而构建一个 完整的雷达系统。同时，也可以通过使用 S 函数将各 个模块封装，然后建成自己的雷达仿真库，从而可以 形成不同类型的雷达系统，便于更好地进行雷达系统
来。
2． 2． 1 发射信号
仿真所用的发射信号为线性调ห้องสมุดไป่ตู้信号，它最主要
的优点是，所用的匹配滤波器对回波的多普勒频移不
敏感，即使回波信号有较大的多普勒频移，仍能用同
一个匹配滤波器完成脉冲压缩。线性调频信号可表
示为：
s（ t）
= Au（ t） sin ［2π（ f0 t +
1 2
kt2 ） ］，
t
#
T 2
0引言
计算机仿真技术应用于雷达源于 20 世纪 70 年 代，国内雷达仿真起步较晚，仿真主要是基于 SPW、 Matlab、Simulink、ADS、HLA 等平台，其中 Simulink 是 一种在国内外得到广泛应用的计算机仿真工具，它支 持线性系统和非线性系统，连续和离散事件系统，或 者是两者的混合系统以及多采样率系统。ADS（ Advanced Design System） 软件可以实现高频与低频、时 域与频域、噪声、射频电路、数字信号处理电路的仿真 等。SPW（ Signal Processing Workspace） 是用于信号处 理系统设计的强有力的软件包，在雷达领域有着广泛 的应用。HLA （ High Level Architecture） 提供了基于 分布交互环境下仿真系统创建的通用技术支撑框架，
斯杂波，将高斯白噪声通过给定的杂波谱密度设计的
滤波器（ 成型滤波器） 。然后对两个分别设计的相关 高斯滤波器的输出杂波取模［2］。其中成型滤波器的
设计方法就是对所希望的滤波器的频率特性作傅里
叶级数展开求得 FIＲ 滤波器的权系数。
已知 FIＲ 滤波器的频率响应为：
N －1
H（ f）
=
∑
n =0
a
n
e
2 相控阵雷达系统仿真实现
2． 1 天线系统
天线是雷达系统和空间电磁环境的接口。雷达 天线主要有 线 性 阵 列 和 面 阵 列，面 阵 列 呈 现 多 种 配 置，包括矩形阵列、圆周边界矩形阵列、圆周边界六边 形网格、圆周网格、同心圆网格［3］。仿真中采用矩形 阵列。矩形阵列的仿真模型为：
E（ θ，φ） = sin （ （ Nkdxsin θcos φ） /2） sin （ （ Nkdysin θcos φ） /2） （ 1） sin （ （ kdxsin θcos φ） /2） sin （ （ kdysin θcos φ） /2）
收稿日期： 2013-09-29 作者简介： 王桃桃（ 1989-） ，女，江苏沭阳人，南京航空航天大学自动化学院硕士研究生，研究方向： 雷达系统仿真； 万晓冬 （ 1960-） ，女，江苏南京人，副研究员，硕士生导师，研究方向： 分布式仿真技术，实时分布式数据库技术，嵌入式软件测试技 术； 何杰（ 1988-） ，男，安徽铜陵人，硕士研究生，研究方向： 机载红外弱小目标检测，三维视景仿真。
c，其中 Ｒ 为当前时刻目标与载机的径向距离，c 为光
速。由于发射信号与目标之间有相对径向运动，所以
接收到的回波信号频率发生变化，即产生多普勒频移
fd = 2Vr / λ。信号在空间传播会有衰减，所以要进行 幅度加权。根据雷达方程，幅度衰减为：
槡 A =
Pt ·λ2 ·ＲCS / ［（
4π）
3
·Ｒ4
图 1 相控阵雷达系统的仿真结构图
根据相控阵雷达的工作原理及仿真结构图，设计 仿真流程如下： 首先设置参数，包括雷达参数、环境参 数和目标参数； 其次启动雷达搜索仿真，扫描开始； 接 着进入到天线模块和发射模块，产生发射信号； 然后 回波信号模块产生目标回波信号，并与杂波、噪声合 成回波信号，再通过信号处理模块处理回波信号； 最 后终端显示扫描结果，从而完成整个仿真流程。
（ College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）
Abstract： The digital simulation of radar and the establishment of radar simulation libraries has become research hot spot in radar field in recent years． This paper mainly focuses on phased array radar system simulation． According to the composition and principle of phased array radar，it establishes the simulation model and mathematical model of phased array radar． Then，the paper does simulation and research on phased array radar system by choosing Simulink as the simulation platform． The simulation module mainly includes the antenna module，the signal environment module，the signal processing module and GUI man-machine interface module． Eventually it generates radar sub-libraries and forms phased array radar system，which lay the foundation for follow-up phased array radar study． Key words： radar； phased array； signal processing
图 2 矩形阵列天线方向图
仿真结果可以看到第一旁瓣低于主瓣约 13 dB， 而对于多数雷达应用，是远远不够的，为了降低旁瓣 电平，还需要进行加窗处理。
2． 2 信号环境
相控阵雷达向空中或是地面发出探测信号，若发
现目标，回波信号将包含有用信息、杂波和噪声。信
号环境的仿 真 就 是 将 有 用 目 标、杂 波 和 噪 声 叠 加 起
·10
lcs
10］
2． 2． 3 杂波
由于瑞利分布是雷达杂波中最常用的一种幅度
分布模型，所以仿真中采用瑞利杂波。产生方法是无
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王桃桃等: 相控阵雷达系统的仿真
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记忆非线性变换法（ ZMNL） ，原理为： 首先产生高斯
随机过程，然后经过某种非线性变换得到所求的相关
随机序列。而瑞利杂波产生原理是首先产生相关高
图 4 加窗后的脉冲压缩信号
使用脉冲压缩时通过保持脉宽不变而增加带宽， 可以使检测距离不变的同时改善距离分辨率，因为距 离分辨率与信号带宽的倒数成正比，即 ΔＲ = c /2B。 仿真中采用的带宽 B = 200 MHz，则距离分辨率为 1． 5 m。当取目标位于 80 m、99 m 和 100 m 处，如图 5 所示，此时 99 m 处和 100 m 处的两个目标无法分辨。
（ 2）
式（ 2） 中： k 为 调 制 斜 率，k = B / T （ B 为 信 号 带
宽） ； f0 为初始相位对应的初始频率； T 为脉冲宽度。 调制函数 u（ t） 为矩形脉冲串。
2． 2． 2 目标回波
发射信号经过时延、多普勒频移、大气衰减形成
雷达目标回波。目标信号双程延迟时间为： τ = 2Ｒ /
根据式（ 6） 计算出滤波器加权系数，从而设计出成型
滤波器，并产生所需的瑞利杂波。
FFT，再乘以滤波器的数字频率响应函数，经 IFFT 输 出压缩后的信号序列。
对于多目标情况下，大目标的旁瓣会淹没附近较 小目标的主瓣，造成目标丢失。如果不存在多目标， 则一个大目标的距离旁瓣可能造成虚警。因此为了 提高多目标的分辨率及目标虚警率，实际应用中通常 要采用频域加窗技术抑制旁瓣，但这会导致主瓣展宽 及信噪比降低。因此，窗函数的选择要根据具体情况 来选择。常用的窗函数有矩形窗、海明窗、凯泽窗等。 图 4 为加凯泽窗后的仿真信号。