电子科大毕设——有关雷达信号设计(第四章)

第4章仿真软件设计方案

4.1总体设计方案

警戒雷达接收机仿真平台总体方案的思路是不设计硬件电路，只利用计算机软件仿真雷达所有的工作过程。该平台主要用于验证建立的信号模型、回波模型、噪声模型、雷达信号的发生和接收过程、数据处理算法等的正确性，不追求实时性，为便于开发与维护，采用MATLAB语言编程，利用MATLAB丰富的数字信号处理函数迅速建立起系统模型，在设计的任何阶段都能够很方便的对其进行修改。仿真平台外部环境模拟、雷达信号处理与数据处理进程尽可能与实际雷达的工作环境相匹配，接收机仿真平台工作流程，见图4.1。

图4.1接收机仿真流程图

当用户输入仿真参数后，雷达接收机仿真平台开始启动，各模块间可以实现数据、信息的传递及共享，其功能与雷达接收机各系统分机完成功能基本相同，同时仿真平台能够模拟外部环境参数，信号处理与数据处理进程尽可能与实际雷达的工作环境相匹配。

接收机系统的软件设计需要充分考虑系统的可维护性和可移植性，基于模块化方法，建立仿真平台的软件设计规范和约定，把仿真平台要完成的功能分解细化，变成相对独立的子程序模块的开发，降低系统的复杂性，使得系统容易修改，为后期继续研究提供良好的实验平台。

4.2各模块设计方案

4.2.1回波信号产生模块

在雷达信号模拟中，一项很重要的工作就是为雷达目标和雷达工作环境建立

数学模型。模拟回波与实际雷达回波的相似程度主要取决于目标和环境模型的选择。由于一种模型一般只适用于某些特定情况，因此对不同体制的雷达，应具体研究目标和环境模型的设置方法。根据仿真系统功能要求和总体方案，回波信号产生模块需要具备的功能模块有回波信号发生器、杂波发生器、噪声发生器。

回波信号产生模块连接关系，如图4.2所示。

图4.2回杂波模块关系图

雷达回波模型主要包括目标模型、噪声模型、杂波模型。

雷达回波的目标模型包括信号类型，目标距离、回波幅度、幅度起伏、多普勒频率。信号类型主要包括线性调频信号和相位编码信号。目标距离的模拟要根据目标运动的速度和方向以及雷达工作时间的变化计算产生。回波幅度的模拟要根据距离方程和目标散射截面的变化计算产生。幅度起伏通常采用斯威林的4种模型，与目标RCS起伏的统计分布和相关特性紧密相关，以及雷达系统参数有关[3]。

雷达系统的噪声通常是高斯分布的白噪声，因此可以采用蒙特卡洛方法模拟产生。但为了更广泛的适用于各种场合，本文同样也建立了其他噪声模型。

雷达系统的杂波变化复杂，一般来说，描述杂波变化规律的参数是概率密度函数和功率谱。雷达系统的杂波概率密度函数还与雷达系统的体制、参数有关，因此普通分辨率雷达和高分辨率雷达的杂波模型也不相同。杂波的功率谱取决于雷达与杂波的相对运动和雷达系统的参数。

回波信号模块模型汇总，如表4.1所示。

4.2.2接收机信号处理模块

雷达接收机的组成框图[4]，如图4.3所示。通过目标反射的雷达信号由天线接收后，送到接收前端射频信号变换为宽带中频信号，并进行放大再送到高速AD变换为数字信号，然后由数字下变频器变换为正交的基带信号I’(n)、Q’(n),再进行诸如脉冲压缩，解线条，包络检波(求模)、FFT等运算，并与发射信号做相关处理，既可求得到达时间、多普勒频移，反射信号电平等参数，进而实现对目标的探测和定位。

图4.3雷达接收机的组成框图

根据仿真系统功能要求和总体方案，本文不对射频信号进行仿真处理，而是直接接受中频回波信号并进行后续处理，所以接收机信号处理模块需要具备的功能模块有：数字下变频、脉冲压缩、解线调、测量模块。接收机模块关系[5]，如图4.4所示。

图4.4接收机模块关系图

①数字下变频

数字下变频(Digital down Converter)主要由混频器和抽取滤波器构成，其基本功能是从输入的宽带高数据流的数字信号中提取所需的窄带信号，将其下变频为数字基带信号，并转换成较低的数据流。本接收机仿真平台通过软件仿真实现接收机的有关参数调整和仿真信号放大、下变频，将有用的信息传递到脉冲压缩

处理，解线调等模块。数字下变频技术是雷达接收机中的关键技术之一，采用数字下变频器后的雷达接收系统，就可通过改变的滤波器特性，使接收机实现不同带宽的信号进行下变频，它是雷达系统收端的重要组成部分。

②脉冲压缩处理

雷达的分辨理论表明:精度和分辨力是一致的，要得到高的测距精度和好的距离分辨力，发射信号必须具有大的带宽。要得到高的测速精度和好的速度分辨力，信号必须具有大的时宽。因此，要使作用距离远，又具有高的测距、测速精度和好的距离、速度分辨力，要求雷达信号具有大的时宽、带宽、能量乘积。单载频脉冲信号的时宽带宽乘积接近于1，大的时宽和带宽不可兼得。显然，单载频矩形脉冲雷达不能满足现代雷达提出的要求。而脉冲压缩技术可以获得大时宽带宽信号，使雷达同时具有作用距离远、高测距、测速精度和好的距离、速度分辨力。具有大时宽带宽的信号通常被称为脉冲压缩信号。

③解线调

线性调频(LFM)信号广泛应用于通信、雷达、声纳、地震探测、地质勘探、医学成像等众多的研究领域。在雷达系统中，作为大时宽带-宽积的信号，LFM 信号可以在获得大的时间分辨率的同时获得大的距离分辨率。

解线调技术就是解除x(t)的线性调制，把x(t)变成单频率信号；从参数估计的角度来看就是估计信号x(t)中LFM信号的调频斜率k和初始频率w0。发射信号的调频斜率k已知，多普勒频移引起初始频率w0的变化，因此本设计只需估计出回波信号的中心频率即可。

④测量模块

雷达仿真系统的最终目的是要在模拟的雷达终端显示器上显示雷达所获得的目标信息和情报。显示的内容包括目标的距离、位置、角度坐标及其运动情况，目标的各种特征参数等。所以，测量分析模块在整个系统中最为重要。根据仿真系统功能要求和总体方案，测量与分析模块需要具备：测距、测速、测角功能。

1）测距

雷达工作时，利用回波脉冲滞后于发射脉冲的时间，测量出目标的距离。脉冲法测距利用目标回波脉冲与发射脉冲的包络相对延时，来测量目标的距离，通常脉冲雷达都采用这种方法。

2）测速

当目标与雷达之间存在相对速度时，接收到回波信号的载频相对于发射信号的载频产生一个频偏，即多普勒频率。利用多普勒频率测量出目标的速度。由回波信号经过解线调处理变为具有单根谱线的信号，通过数字鉴频技术，即可测出