LFM雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗指導(dǎo)書(第一版sim)

1、LFM脈沖壓縮雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗指導(dǎo)書（第一版）電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院LFM脈沖壓縮雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗指導(dǎo)書（第一版）電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院實驗指導(dǎo)書（實驗）課程名稱：LFM脈沖壓縮雷達(dá)設(shè)計與實現(xiàn)驗證電子科技大學(xué)研究生院制表實驗規(guī)則為了維護(hù)正常的實驗教學(xué)次序，提高實驗課的教學(xué)質(zhì)量，順利的完成各項實驗任務(wù)，確保人身、設(shè)備安全，特定制如下實驗規(guī)則：一、 實驗前必須對每個實驗所要求的預(yù)備知識要充分預(yù)習(xí)，另外還要求：1、 認(rèn)真閱讀本實驗指導(dǎo)書分析掌握本次實驗的基本原理；2、 完成各實驗預(yù)習(xí)要求中制定的內(nèi)容；3、 熟悉實驗任務(wù)二、 實驗時，認(rèn)真、仔細(xì)的寫出源程序，進(jìn)行

2、調(diào)試，有問題向指導(dǎo)老師舉手提問；三、 實驗時注意觀察，如發(fā)現(xiàn)有異?，F(xiàn)象（電腦故障或儀器故障），必須及時報告指導(dǎo)老師，嚴(yán)禁私自亂動；四、 實驗過程中應(yīng)仔細(xì)觀察實驗數(shù)據(jù)并加以記錄五、 自覺保持實驗室的肅靜、整潔；實驗結(jié)束后，必須清理實驗桌，將實驗設(shè)備、工具、連線按規(guī)定放好，并填寫儀器設(shè)備使用記錄。六、 凡有下列情況之一者，不準(zhǔn)做實驗：1、實驗開始后遲到10分鐘以上者；2、實驗中不遵守實驗室有關(guān)規(guī)定，不愛護(hù)儀器，表現(xiàn)不好而又不服從管理教育者；七、 實驗后，必須認(rèn)真做好實驗報告，下次實驗時交實驗指導(dǎo)老師批閱。沒有交實驗報告者，在規(guī)定時間內(nèi)沒有完成視為缺做一次實驗。八、 一次未做實驗，本實驗課成績視為不

3、及格，原則上與下一屆學(xué)生進(jìn)行重修以上實驗規(guī)則，請同學(xué)們自覺遵守，并互相監(jiān)督。前 言“電子信息工程專業(yè)實驗室”位于科C508，擁有20套專業(yè)軟件無線電實驗平臺、2臺泰克DPO7104數(shù)字示波器、2臺安捷倫E4438C信號源、2臺安捷倫頻譜儀和其他配套設(shè)備，能同時開設(shè)40個學(xué)生的專業(yè)實驗。實驗室面向電子信息工程專業(yè)學(xué)位碩士研究生開設(shè)5個實驗： 雷達(dá)信號產(chǎn)生與處理的設(shè)計與驗證、軟件無線電系統(tǒng)的設(shè)計與驗證、自適應(yīng)波束形成的算法設(shè)計與驗證、信號最佳接收檢測的設(shè)計與驗證、線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計與驗證。通過一系列的綜合實驗，可以加深學(xué)生對典型電子系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的理解，突出我校人才培養(yǎng)的專業(yè)特色，對提高

4、電子信息工程專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)質(zhì)量、突出培養(yǎng)特色起到了很好的推動作用。本實驗指導(dǎo)書為有效開展LFM脈沖壓縮雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計與驗證實驗提供指導(dǎo)和依據(jù)，首先簡單介紹本實驗的平臺構(gòu)成，然后介紹LFM脈沖壓縮雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計與驗證，并分節(jié)介紹實驗內(nèi)容及實驗步驟。1. 實驗平臺結(jié)構(gòu)電子信息工程專業(yè)實驗室以軟件無線電實驗平臺MFS-6842為核心，結(jié)合信號源、頻譜儀和示波器，開展針對典型電子信息系統(tǒng)的系列設(shè)計與驗證實驗，整個電子信息工程專業(yè)實驗室實驗平臺結(jié)構(gòu)示意框圖如下：圖1 電子信息工程實驗室實驗平臺結(jié)構(gòu)示意框圖該實驗平臺由軟件無線電實驗平臺MFS-6842、數(shù)字示波器、射頻信號源以及頻譜儀組成。整個實驗平臺

5、可以組成典型的雷達(dá)系統(tǒng)，可以方便地在中頻和射頻對整個信號通道上的產(chǎn)生和處理結(jié)果進(jìn)行觀測，有助于學(xué)生加深對所學(xué)理論知識和實踐技能的理解掌握。2. 實驗功能根據(jù)上述本專業(yè)實驗室實驗平臺結(jié)構(gòu)，LFM脈沖壓縮雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計與驗證實驗需要完成以下工作：1) 中頻LFM脈沖信號的產(chǎn)生根據(jù)給出的信號參數(shù)，產(chǎn)生基帶LFM脈沖信號，并利用DUC將其變換到中頻輸出。2）LFM脈沖信號的接收和DDC根據(jù)帶通采樣定理，對中頻信號進(jìn)行采集后，再進(jìn)行DDC，得到LFM脈沖的基帶信號。3）LFM脈沖壓縮處理采用時域脈沖壓縮方法對基帶LFM脈沖信號進(jìn)行脈沖壓縮處理。4）恒虛警（CFAR）處理按照CA-CFAR步驟，求出平均噪聲

6、功率，然后進(jìn)行歸一化，按照門限進(jìn)行判決。 ·實驗原理：通過脈沖壓縮可以有效的提高S/N，以提高信號的檢測能力；通過恒虛警處理，在回波發(fā)生變化時（慢變化噪聲或快變化雜波）自動的更新門限，保持虛警概率不變，防止后端數(shù)據(jù)處理飽和。1、LFM脈沖信號和脈沖壓縮處理脈沖雷達(dá)是通過測量目標(biāo)回波延遲時間來測量距離的，距離分辨力直接由脈沖帶寬確定。窄脈沖具有大帶寬和窄時寬，可以得到高距離分辨力，但是，采用窄脈沖實現(xiàn)遠(yuǎn)作用距離需要有高峰值功率，在高頻時，由于波導(dǎo)尺寸小，會對峰值功率有限制，以避免傳輸線被高電壓擊穿，該功率限制決定了窄脈沖雷達(dá)有限的作用距離。現(xiàn)代雷達(dá)采用兼具大時寬和大帶寬的信號來保證作用

7、距離和距離分辨力，大時寬脈沖增加了雷達(dá)發(fā)射能量，實現(xiàn)遠(yuǎn)作用距離，另一方面，寬脈沖信號通過脈沖壓縮濾波器后變換成窄脈沖來獲得高距離分辨力。進(jìn)行脈沖壓縮時的LFM脈沖信號為基帶信號，其時域形式可表示為 其中的矩形包絡(luò)為 式中的為調(diào)頻斜率，與調(diào)頻帶寬和時寬的關(guān)系如下式 時帶積時，LFM脈沖信號的頻域形式可近似表示為 脈沖壓縮濾波器實質(zhì)上就是匹配濾波器，匹配濾波器是以輸出最大信噪比為準(zhǔn)則設(shè)計出來的最佳線性濾波器。假設(shè)系統(tǒng)輸入為，噪聲為均勻白噪聲，功率譜密度為，是僅在區(qū)間取值的輸入脈沖信號。根據(jù)線性系統(tǒng)的特點，經(jīng)過頻率響應(yīng)為匹配濾波器的輸出信號為，其中輸入信號分量的輸出為 與此同時，輸出的噪聲平均功率為

8、 則時刻輸出信號信噪比可以表示為 要令上式取最大值，根據(jù)Schwarz不等式，則需要匹配濾波器頻響為 對應(yīng)的時域沖激響應(yīng)函數(shù)形式為 要使該匹配濾波器為因果系統(tǒng)，必須滿足，信噪比最大時刻的輸出信噪比取值是 當(dāng)匹配濾波器沖激響應(yīng)函數(shù)滿足(5-5)式時，通過匹配濾波器的輸出信號分量可以表示為下式： 由上式可知，此時的輸出信號分量實際上是輸入信號的自相關(guān)函數(shù)，在時刻輸出的最大值就是自相關(guān)函數(shù)的最大值。如上所述，匹配濾波器輸出信號是信號波形的自相關(guān)函數(shù)，其傅立葉變換結(jié)果就是信號功率譜，則信號帶寬越大，輸出信號越窄，距離分辨力越好。所以，當(dāng)寬脈沖的脈內(nèi)頻率或相位經(jīng)過調(diào)制后，信號帶寬增大，經(jīng)過匹配濾波器后就

9、會被壓縮為窄脈沖，從而保證了雷達(dá)的作用距離和高距離分辨力。這樣的調(diào)制信號被稱為脈沖壓縮信號，常用的脈沖壓縮信號包括LFM脈沖、非線性調(diào)頻（NLFM）脈沖和相位編碼脈沖。匹配濾波器對調(diào)制后脈沖的壓縮作用，也可以從濾波器的群延時特性來理解。從上面表達(dá)式可知，除了時延引入的相位因子以外，濾波器頻響的相位函數(shù)與輸入信號是共軛關(guān)系，這也就是說，濾波器的群時延特性正好與輸入信號的頻率-時間變化規(guī)律相反。以LFM脈沖信號為例，雷達(dá)發(fā)射信號頻率隨時間增加，而匹配濾波器對信號起始的低頻分量延時大，對后面的高頻分量延時小，中間頻率則按相應(yīng)比例延遲，這樣，線性調(diào)頻脈沖的不同分量，幾乎同相地從匹配濾波器輸出，在某個時

10、刻輸出壓縮成單一載頻的窄脈沖。要對基帶LFM脈沖信號進(jìn)行壓縮處理，對應(yīng)的匹配濾波器應(yīng)具有以下特性 式中的和分別是LFM脈沖的幅頻特性和相頻特性。為方便推導(dǎo)，進(jìn)行變量代換時，取，則得到LFM脈沖經(jīng)過匹配濾波器后輸出的信號頻譜為 經(jīng)過傅立葉反變換后，則得到脈沖壓縮輸出信號為 由上式可知，LFM脈沖經(jīng)過脈沖壓縮以后輸出的信號為函數(shù)，與壓縮前的脈寬相比，脈沖寬度壓縮了倍。2、DUC和DDC窄帶信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式常寫為：（通信和雷達(dá)） 正交分量為兩個相互正交的分量可表示為復(fù)解析式： zB(t)為零載頻信號，稱之為基帶信號（Baseband Signal）或零中頻信號。 其中，zBI (t)就是I信號，zB

11、Q (t)就是Q信號。因此，由已調(diào)信號x(t)獲得基帶信號zBI (t)、zBQ (t)后，其幅度、相位或頻率的調(diào)制信息可通過運算獲得： 其中，式(1.22)中tan-1為四象限反正切。通過信號的復(fù)解析，很容易獲得信號的基帶調(diào)制信息，因此這一過程也稱為正交解調(diào)或正交分解，其相反的過程稱為正交調(diào)制。在數(shù)字域中完成的正交解調(diào)為DDC，反之為DUC。DDC的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示LPFx(n)LPFcoswon-sinwonzBI(n)zBQ(n)圖2 DDC結(jié)構(gòu)示意框圖DUC的典型結(jié)構(gòu)如圖3所示BPFy(n)zBI(n)zBQ(n)coswon-sinwon圖3 DUC結(jié)構(gòu)示意框圖3、脈沖積累原理單個

12、脈沖的回波信號往往存在由于目標(biāo)回波信號弱而導(dǎo)致被噪聲淹沒的情況。而對相對靜止的目標(biāo)進(jìn)行觀測時，雷達(dá)輸出信號有以下特點：目標(biāo)回波較為固定，噪聲信號為隨機(jī)信號?？梢?，如果將對同一目標(biāo)進(jìn)行觀測的多個回波信號相加，則目標(biāo)信號因同向相加而增大，而噪聲信號具有隨機(jī)性，不能同相相加。于是，信噪比得到了提高。多個脈沖積累后可以有效地提高信噪比，從而改善雷達(dá)的檢測能力。積累可以在包絡(luò)檢波前完成，稱為檢波前積累或中頻積累。信號在中頻積累時要求信號間有嚴(yán)格的相位關(guān)系，即信號是相參的，所以又稱為相參積累。此外，積累也可以在包絡(luò)檢波以后完成，稱之為檢波后積累或視頻積累。由于信號在包絡(luò)檢波后失去了相位信息而只保留下幅度信

13、息，因而檢波后積累就不需要信號間有嚴(yán)格的相位關(guān)系，因此又稱為非相參積累。在n個回波信號進(jìn)行理想相參積累的情況下，回波信號電壓增大n倍，而其功率增加n2倍，因此積累結(jié)果信噪比提高了n倍。如果將n個回波信號在檢波后進(jìn)行非相參積累，由于檢波器的非線性變換作用，將有一部分信號能量轉(zhuǎn)化為噪聲能量，因此降低了信噪比。也就是說，檢波后的視頻積累效果不如檢波前的中頻積累效果好。n個回波信號在視頻上積累的結(jié)果，其信噪比的改善在n到之間，當(dāng)積累數(shù)n很大時，其信噪比改善趨近于。雖然視頻積累的信噪比改善不如相參積累，由于視頻積累所需設(shè)備簡單，容易實現(xiàn)。而相參積累比較復(fù)雜，對收發(fā)系統(tǒng)要求很高，故無特殊要求時，常采用視頻

14、積累。4、恒虛警處理（CFAR）基本方法雷達(dá)信號的檢測問題，就是對某一坐標(biāo)位置上目標(biāo)信號“有”或“無”的判斷問題。最初，這一任務(wù)由雷達(dá)操縱員根據(jù)雷達(dá)屏幕上的回波信號進(jìn)行人工判斷來完成。后來，出現(xiàn)了自動檢測技術(shù)，并從一開始的固定、半固定門限檢測發(fā)展到自適應(yīng)恒虛警檢測（CFAR）。CFAR檢測使得雷達(dá)在多變的背景信號中能夠維持虛警概率的相對穩(wěn)定，這種虛警概率的穩(wěn)定性對于大多數(shù)的雷達(dá)，如搜索警戒雷達(dá)、跟蹤雷達(dá)、火控雷達(dá)等都是至關(guān)重要的，因此，CFAR檢測已逐漸成為現(xiàn)代雷達(dá)的一項標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。在進(jìn)行恒虛警處理時，根據(jù)處理對象的不同分為慢門限恒虛警和快門限恒虛警。慢門限恒虛警主要針對接收機(jī)內(nèi)部噪聲，快門限恒

15、虛警則針對于雜波環(huán)境下的雷達(dá)自動檢測。慢門限CFAR：對于高斯類雜波，較早的檢測是噪聲電平恒定電路，它適用于接收機(jī)熱噪聲之類的平均功率變化緩慢的情況，稱為慢門限檢測。接收機(jī)內(nèi)部噪聲由于溫度、電源等因素而改變，它的變化是緩慢的，故適用于慢門限CFAR。下圖為慢門限恒虛警噪聲電平恒定電路模型。圖4 慢門限CFAR快門限CFAR：當(dāng)雜波特性在時間和空間上劇烈變化時應(yīng)采用快門限，需要利用參考單元估計檢測單元背景雜波的平均功率水平，顯然用這種方法得到的檢測闕值是隨著雜波的變化而自適應(yīng)變化的，在理論上檢測的虛警率因此而維持恒定?？扉T限CFAR的檢測方法有很多，常見的有三類：均值（ML）類，統(tǒng)計排序（OS）

16、類和削減平均（TM）類。這里只介紹幾種均值類的檢測方法。均值（ML）類的檢測器結(jié)構(gòu)可用下圖來概括：圖5 左右加權(quán)CFAR圖中加粗的部分稱為保護(hù)單元，既不參與求和，也不參與判決，對于較大的目標(biāo)，它可以在一定程度上防止由于目標(biāo)自身被作為背景噪聲或雜波而參與到判決門限的計算中，導(dǎo)致目標(biāo)檢測概率降低的問題。幾種ML類檢測器的差別體現(xiàn)在對Z的計算上，當(dāng)和都等于0.5時，為均值CFAR（CA-CFAR）；當(dāng)且時，為平均選大CFAR（GOCA-CFAR）；當(dāng)且時，為平均選小CFAR（SOCA-CFAR）；視具體情況，往往還會將和按一定比例取值，稱為單元平均加權(quán)CFAR。·實驗?zāi)康模?#216; 掌

17、握LFM脈沖信號的產(chǎn)生；Ø 掌握DUC和DDC模塊的設(shè)計與FPGA實現(xiàn)；Ø 掌握脈沖壓縮模塊的設(shè)計與FPGA實現(xiàn)Ø 掌握CFAR模塊的設(shè)計與FPGA實現(xiàn) ·實驗內(nèi)容：根據(jù)給出的信號參數(shù)，產(chǎn)生基帶LFM脈沖信號，并利用DUC將其變換到中頻輸出；然后根據(jù)帶通采樣定理，對中頻信號進(jìn)行采集后，再進(jìn)行DDC，得到LFM脈沖的基帶信號；采用時域脈沖壓縮方法對基帶LFM脈沖信號進(jìn)行脈沖壓縮處理；按照CA-CFAR步驟，求出平均噪聲功率，然后進(jìn)行歸一化，按照門限進(jìn)行判決·實驗器材（設(shè)備、元器件）：示波器，計算機(jī)，軟件無線電實驗平臺·實驗步驟：1、MA

18、TLAB仿真按照前面所述的原理，先完成LFM脈沖基帶信號的設(shè)計和仿真，得到仿真采樣率40MHz下，帶寬10MHz，脈沖寬度6.4ms的LFM脈沖基帶信號的時域波形如下：050100150200250300-1-0.500.51050100150200250300-1-0.500.51 圖6 LFM脈沖基帶信號時域波形頻域圖形如下： 圖7 LFM脈沖基帶信號頻域波形在經(jīng)過DUC變換到中頻后，時域波形為圖8 LFM脈沖中頻信號時域波形頻域圖形為 圖9 LFM脈沖中頻信號頻域波形按照一幀數(shù)據(jù)由16個PRI組成，用MATLAB編程產(chǎn)生一幀中頻回波信號，幅度受多普勒頻率調(diào)制，然后再進(jìn)行數(shù)字下變頻，數(shù)字下

19、變頻的NCO頻率選為10M，采樣率選為40M，則經(jīng)過下變頻和抽取后的I路和Q路時域波形如下 圖10 LFM脈沖串基帶信號時域波形將上述的脈沖串波形放大后觀察，每個PRI內(nèi)的基帶回波信號應(yīng)該和圖5的基帶信號波形完全一致。接下來就是對基帶回波脈沖串的脈沖壓縮處理，處理后對輸出復(fù)信號進(jìn)行求模，得到的輸出波形如下圖圖11 LFM脈沖串基帶信號脈壓后時域波形單個PRI內(nèi)，脈沖壓縮求模后的時域波形如下圖所示圖12 脈沖壓縮輸出結(jié)果 對上述脈壓后的結(jié)果進(jìn)行恒虛警處理，則可以檢測出目標(biāo)所在位置2. FPGA編程實現(xiàn)和測試 在完成MATLAB仿真對關(guān)鍵參數(shù)完成設(shè)計后，還需要采用HDL語言實現(xiàn)整個信號產(chǎn)生和處理檢測過程，整個FPGA程序框架如圖12所示。圖13 FPGA模塊組成結(jié)構(gòu)框圖在模塊劃分完成以后，需要對圖13中給出的每個模塊分別編寫程序和軟件仿真，驗證了模塊和整個程序的時序正確性后，將編譯后結(jié)果下載到軟件無線電實驗平臺（具體連接和下載過程按照軟件無線電實驗平臺使用手冊進(jìn)行），然后將重要模塊的輸出送到D/A來觀察系統(tǒng)工作是否正常。由于篇幅所限，指導(dǎo)書不給出具體代碼，而是給出每個模塊的主要功能和輸入輸出接口關(guān)系和相關(guān)測試信號的波形，以資實現(xiàn)時參考。(1)