雷达信号处理仿真

雷达信号处理仿真

【摘要】文章针对现代雷达信号处理的主要方式，建立了雷达信号处理仿真的数学模型，其中包括正交双通道处理、动目标检显示、动目标检测以及恒虚警处理等。根据数学模型，用Matlab软件对雷达信号处理系统进行了仿真，得到了雷达系统中各个处理点上的具体信号形式，并用图形用户界面（GUI）来动态显示雷达信号处理过程，使仿真结果表现得更直观。

【关键词】雷达信号处理；正交双通道处理；动目标显示；动目标检测；恒虚警检测1引言

的目的是消除所有不需要的信号及干扰，提取或加强由目雷达信号处理[12]

标所产生的回波信号，在处理过程中要用到一些信号处理的关键技术，如数字正交双通道处理、脉冲压缩技术、固定目标对消技术、动目标显示技术、动目标检测技术[3]、恒虚警处理[4]和脉冲积累等。由于现代雷达信号处理过程日益变得复杂，难以用简单直观的分析法进行处理，往往需要借助计算机来完成对系统的各项功能和性能的仿真。利用计算机来进行雷达系统的仿真[5]具有方便、灵活以及经济的特点。而MATLAB提供了强大的仿真平台，可以为大多数雷达系统的仿真提供方便快捷的运算。

2雷达信号处理基础

2.1数字正交双通道处理

在全相参雷达中，可以用正交双通道处理来获得中频信号的基带信号（零中频信号）()

x t，有时也称()

x t为中频信号的复包络。正交双通道处理的框图如图s t为中频回波信号。

1所示，其中()

r

图1正交双通道处理框图

其中中频回波信号为：

0()()cos[2()]r d s t a t f f t π=+

(1)

上式中，0f 为中频频率，d f 表示多普勒频率，其值可能是正值或负值，也可能为零。

0000()()cos(2)()cos[2()]cos(2)

11

()cos(2)()cos[2(2)]

22

I r d d d s t s t f t a t f f t f t a t f t a t f f t πππππ==+ =++ (2)

0000()()cos(2)()cos[2()]sin(2)

211

()sin(2)()sin[2(2)]

22

Q r d d d s t s t f t a t f f t f t a t f t a t f f t π

πππππ=+=-+ =-+

(3)

图1中的低通滤波器将滤去02f 的分量，这样就可以得到正交双通道信号。

2.2 MTI 原理

MTI 雷达利用动目标回波的多普勒频移来区分动目标和固定目标。在脉冲雷达系统中，这一多普勒频移表现为目标距离变化导致的相继返回的目标回波脉冲间的相位变化，而固定目标的所有回波脉冲的相位不发生变化。杂波对消器是最早出现、也是最常用的MIT 滤波器之一。根据对消次数的不同，又分为一次对消器、二次对消器和多次对消器。 一次对消器的输出为：

()()()r y t x t x t T =--

(4)

二次对消的输出为：

()()2()(2)r r y t x t x t T x t T =--+-

(5)

式中r T 为雷达信号的重复周期。

2.3 MTD 原理

传统的MTI 雷达的主要目的是抑制地面背景形成的杂波，把相对于雷达有径向运动的目标显示出来。因此，它主要关心的是固定杂波的抑制而并未对目标回波进行匹配滤波。要对回波相参脉冲串作匹配滤波，必须知道目标的多普勒频移以及天线扫描对脉冲串的调制情况。在实际工作中，目标的多普勒频移不能预知，因此需要采用一组相邻且部分重叠的滤波器组，覆盖整个多普勒频率范围。这就是窄带多普勒滤波器组，其实质是相当对不同通道进行相参积累处理。通过窄带滤波器组滤出运动目标的谱线。

相参积累可表示为：

1

()()N i i y n W x n i -==-∑

(6)

式中N 为积累的脉冲数，i W 为加权系数。如果对每次回波，加权系数为：

exp[(2/)]0,1,,1i W j ik N i N π=- =-

(7)

式中i 表示第i 个系数输出，k 表示从0到1N -的标记，每个k 值对应不同的加权值，相对应一个不同的多普勒滤波器响应，这就是多普勒处理。

目前对多普勒滤波器的实现方法有两种，一种是在时域上采用FIR 滤波器组实现，另一种是在频域上采用FFT 实现。由于FFT 算法的运算量小，因而被广泛采用。

2.4 恒虚警处理（CFAR ）

恒虚警(CFAR )处理是指在变化的非均匀杂波和噪声干扰环境中保持虚警概率恒定，从而保证整个系统正常工作的一种信号处理技术。

恒虚警方法就是采用自适应门限代替固定门限，而且此自适应门限能随着被检测点的背景噪声、杂波和干扰的大小自适应地调整。如果背景噪声、杂波和干扰大，自适应门限就调高；如果背景噪声、杂波和干扰小，自适应门限就调低，以保证虚警概率恒定。恒虚警处理有多种方法，从大的分类来看，有所谓的均值类CFAR 、有序统计量类CFAR 和杂波图CFAR 等等。均值类CFAR 包括多种实现方式，如单元平均方式、两侧单元平均选大方式和两侧单元平均选小方式等等，其基本理论是相同的。

高斯白噪声（通过包络检波器以后，噪声电压服从瑞利分布）背景下的恒虚警检测器是通过计算输入噪声的均值估计，然后对输入信号进行归一化检测，这时检测门限可采用固定门限。

3仿真实例

图2是用MATLAB 制作的界面，界面中可以输入的参数有脉冲重复频率、脉冲宽度、采样频率、目标距离、目标多普勒频率、相参积累的脉冲数以及想达到的虚警概率。界面可以方便查看各个信号处理过程的图形，比如正交双通道处理后的回波信号、进行完MTI 和MTD 处理后的信号以及恒虚警处理后的信号。输出的参数有估计的目标距离以及目标多普勒频率。