雷達(dá)線性調(diào)頻信號(hào)(LFM)脈沖壓縮

./西南科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱：設(shè)計(jì)名稱：雷達(dá)線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮處理姓名：學(xué)號(hào):班級(jí)：指導(dǎo)教師：起止日期：2010.12.252011.1.5課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生班級(jí)：學(xué)生：學(xué)號(hào)：設(shè)計(jì)名稱：雷達(dá)線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮處理起止日期：2010、12、25——2011、1、03指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)要求：利用matlab軟件設(shè)計(jì)匹配濾波器。具體包括：1：闡述脈沖壓縮〔匹配濾波的基本原理；2：輸入信號(hào)為線性調(diào)頻信號(hào),存在的噪聲信號(hào)為白噪聲；3：通過脈沖壓縮處理,討論輸出信噪比的改善。課程設(shè)計(jì)學(xué)生日志時(shí)間設(shè)計(jì)容查閱相關(guān)書籍,對(duì)題意做全面的剖析根據(jù)查閱的書籍和資料對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行梳理、對(duì)設(shè)計(jì)原理做細(xì)致的分析1.11.2編寫仿真程序、利用matlab對(duì)信號(hào)進(jìn)行仿真、驗(yàn)證1.31.4整理資料、書寫設(shè)計(jì)報(bào)告1.5完善設(shè)計(jì)報(bào)告,答辯課程設(shè)計(jì)考勤表周星期一星期二星期三星期四星期五課程設(shè)計(jì)評(píng)語表指導(dǎo)教師評(píng)語：成績：指導(dǎo)教師：年月日雷達(dá)線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮處理設(shè)計(jì)目的和意義掌握雷達(dá)測距的工作原理,掌握匹配濾波器的工作原理及其白噪聲背景下的匹配濾波的設(shè)計(jì),線性調(diào)頻信號(hào)是大時(shí)寬頻寬積信號(hào)；其突出特點(diǎn)是匹配濾波器對(duì)回波的多普勒頻移不敏感以及更好的低截獲概率特性。LFM信號(hào)在脈沖壓縮體制雷達(dá)中廣泛應(yīng)用；利用線性調(diào)頻信號(hào)具有大帶寬、長脈沖的特點(diǎn),寬脈沖發(fā)射已提高發(fā)射的平均功率保證足夠的作用距離；而接受時(shí)采用相應(yīng)的脈沖壓縮算法獲得窄脈沖已提高距離分辨率,較好的解決了雷達(dá)作用距離和距離分辨率之間的矛盾；。而利用脈沖壓縮技術(shù)除了可以改善雷達(dá)系統(tǒng)的分辨力和檢測能力,還增強(qiáng)了抗干擾能力、靈活性,能滿足雷達(dá)多功能、多模式的需要。設(shè)計(jì)原理1、匹配濾波器原理：在輸入為確知加白噪聲的情況下,所得輸出信噪比最大的線性濾波器就是匹配濾波器,設(shè)一線性濾波器的輸入信號(hào)為：其中：為確知信號(hào),為均值為零的平穩(wěn)白噪聲,其功率譜密度為。設(shè)線性濾波器系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)為,其頻率響應(yīng)為,其輸出響應(yīng)：輸入信號(hào)能量：輸入、輸出信號(hào)頻譜函數(shù)：輸出噪聲的平均功率：利用Schwarz不等式得：上式取等號(hào)時(shí),濾波器輸出功率信噪比最大取等號(hào)條件：當(dāng)濾波器輸入功率譜密度是的白噪聲時(shí),MF的系統(tǒng)函數(shù)為：為常數(shù)1,為輸入函數(shù)頻譜的復(fù)共軛,,也是濾波器的傳輸函數(shù)。為輸入信號(hào)的能量,白噪聲的功率譜為只輸入信號(hào)的能量和白噪聲功率譜密度有關(guān)。白噪聲條件下,匹配濾波器的脈沖響應(yīng)：如果輸入信號(hào)為實(shí)函數(shù),則與匹配的匹配濾波器的脈沖響應(yīng)為：為濾波器的相對(duì)放大量,一般。匹配濾波器的輸出信號(hào)：匹配濾波器的輸出波形是輸入信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)的倍,因此匹配濾波器可以看成是一個(gè)計(jì)算輸入信號(hào)自相關(guān)函數(shù)的相關(guān)器,通常=1。2、線性調(diào)頻信號(hào)〔LFMLFM信號(hào)<也稱Chirp信號(hào)>的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：2.1式中為載波頻率,為矩形信號(hào),,是調(diào)頻斜率,于是,信號(hào)的瞬時(shí)頻率為,如圖1圖1典型的chirp信號(hào)〔aup-chirp<K>0>〔bdown-chirp<K<0>將2.1式中的up-chirp信號(hào)重寫為：2.2當(dāng)TB>1時(shí),LFM信號(hào)特征表達(dá)式如下：2.3對(duì)于一個(gè)理想的脈沖壓縮系統(tǒng),要求發(fā)射信號(hào)具有非線性的相位譜,并使其包絡(luò)接近矩形；其中就是信號(hào)s<t>的復(fù)包絡(luò)。由傅立葉變換性質(zhì),S<t>與s<t>具有相同的幅頻特性,只是中心頻率不同而已。因此,Matlab仿真時(shí),只需考慮S<t>。以下Matlab程序產(chǎn)生2.3式的chirp信號(hào),并作出其時(shí)域波形和幅頻特性,如圖：圖2：LFM信號(hào)的時(shí)域波形和幅頻特性3、LFM信號(hào)的脈沖壓縮窄脈沖具有寬頻譜帶寬,如果對(duì)寬脈沖進(jìn)行頻率、相位調(diào)制,它就可以具有和窄脈沖相同的帶寬,假設(shè)LFM信號(hào)的脈沖寬度為T,由匹配濾波器的壓縮后,帶寬就變?yōu)?且,這個(gè)過程就是脈沖壓縮。信號(hào)的匹配濾波器的時(shí)域脈沖響應(yīng)為：3.1是使濾波器物理可實(shí)現(xiàn)所附加的時(shí)延。理論分析時(shí),可令＝0,重寫3.1式,將3.1式代入2.1式得:圖3LFM信號(hào)的匹配濾波如圖3,經(jīng)過系統(tǒng)得輸出信號(hào)當(dāng)時(shí),3.4當(dāng)時(shí),3.5合并3.4和3.5兩式：3.6式即為LFM脈沖信號(hào)經(jīng)匹配濾波器得輸出,它是一固定載頻的信號(hào),這是因?yàn)閴嚎s網(wǎng)絡(luò)的頻譜特性與發(fā)射信號(hào)頻譜實(shí)現(xiàn)了"相位共軛匹配",消除了色散；當(dāng)時(shí),包絡(luò)近似為辛克〔sinc函數(shù)。圖4匹配濾波的輸出信號(hào)如圖4,當(dāng)時(shí),為其第一零點(diǎn)坐標(biāo)；當(dāng)時(shí),,習(xí)慣上,將此時(shí)的脈沖寬度定義為壓縮脈沖寬度。LFM信號(hào)的壓縮前脈沖寬度T和壓縮后的脈沖寬度之比通常稱為壓縮比D3.9式表明,壓縮比也就是LFM信號(hào)的時(shí)寬-帶寬積。s<t>,h<t>,so<t>均為復(fù)信號(hào)形式,Matab仿真時(shí),只需考慮它們的復(fù)包絡(luò)S<t>,H<t>,So<t>。以下Matlab程序段仿真了圖5所示的過程.仿真結(jié)果如下:圖5Chirp信號(hào)的匹配濾波圖5中,時(shí)間軸進(jìn)行了歸一化,〔。圖中反映出理論與仿真結(jié)果吻合良好。第一零點(diǎn)出現(xiàn)在〔即處,此時(shí)相對(duì)幅度-13.4dB。壓縮后的脈沖寬度近似為〔,此時(shí)相對(duì)幅度-4dB,這理論分析〔圖3.2一致。如果輸入脈沖幅度為1,且匹配濾波器在通帶傳輸系數(shù)為1,則輸出脈沖幅度為,即輸出脈沖峰值功率比輸入脈沖峰值功率增大了D倍。詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟1、線性調(diào)制信號(hào)和噪聲的生成a>線性調(diào)頻信號(hào)時(shí)雷達(dá)中常用的信號(hào),其表達(dá)式為：為調(diào)頻起始頻率,為調(diào)頻斜率。為了能進(jìn)行FFT運(yùn)算,需要對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣,其表達(dá)式為：為采樣周期,n=1,2,3K,且K=,T為調(diào)頻信號(hào)脈沖寬度b>線性調(diào)頻信號(hào)+噪聲其表達(dá)式為：c>線性調(diào)頻信號(hào)加噪后,仿真波形如圖6：圖6線性調(diào)頻信號(hào)加噪前后的時(shí)域波形實(shí)際實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)中,LFM脈沖的處理過程如圖7。圖7LFM信號(hào)的接收處理過程雷達(dá)回波信號(hào)經(jīng)過正交解調(diào)后,得到基帶信號(hào),再經(jīng)過匹配濾波脈沖壓縮后就可以作出判決。正交解調(diào)原理如圖8,雷達(dá)回波信號(hào)經(jīng)正交解調(diào)后得兩路相互正交的信號(hào)I<t>和Q<t>。一種數(shù)字方法處理的的匹配濾波原理如圖9。圖8正交解調(diào)原理圖9一種脈沖壓縮雷達(dá)的數(shù)字處理方式設(shè)計(jì)結(jié)果及分析以下各圖為經(jīng)過脈沖壓縮輸出的已加噪聲的線性調(diào)頻信號(hào)〔模擬雷達(dá)回波信號(hào)的matlab仿真結(jié)果：波形參數(shù)脈沖寬度=10,載頻頻率=0hz,脈沖寬度B=30Mhz圖11SNR=30的脈沖壓縮輸入輸出波形圖12SNR=20的脈沖壓縮輸入輸出波形圖13SNR=0的脈沖壓縮輸入輸出波形圖14SNR=-10的脈沖壓縮輸入輸出波形圖15SNR=-20的脈沖壓縮輸入輸出波形圖16SNR=-30的脈沖壓縮輸入輸出波形信號(hào)中白噪聲n為：、此方法優(yōu)點(diǎn)是能添加各種白噪聲,此方法最大的問題在于添加的白噪聲不一定是最適合有用信號(hào)的,所以要事先進(jìn)行運(yùn)算后輸入,才可以得到預(yù)期的效果。仿真表明,線性調(diào)頻信號(hào)經(jīng)匹配濾波器后脈沖寬度被大大壓縮,信噪比得到了顯著提高,但是雷達(dá)目標(biāo)回波信號(hào)信號(hào)的匹配濾波仿真結(jié)果圖1116可以看出當(dāng)信噪比小于零時(shí)隨著信噪比的不斷減小,所噪聲對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)的干擾愈來愈明顯,當(dāng)信噪比達(dá)到-30dB時(shí)已經(jīng)有部分回波信號(hào)被淹沒了,也就是說當(dāng)信噪比更小時(shí)即使是經(jīng)過脈沖壓縮,噪聲仍能淹沒有用信號(hào)。另外在白噪聲背景下的匹配濾波器的理解上必須注意三個(gè)問題：1、匹配濾波器關(guān)心的是如何在含有噪聲的信號(hào)中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)回波,而不是關(guān)心信號(hào)波形是否是真；2、匹配濾波器的輸出信噪比不是在所有類型濾波器中最大的,而是在線性濾波器中能夠得到最大的輸出信噪比；3、白噪聲背景是推倒匹配濾波器的前提但在實(shí)踐應(yīng)用中,白噪聲背景不是應(yīng)用匹配濾波器的前提,但在實(shí)際系統(tǒng)中白噪聲所占的比例達(dá)到90%以上,可以近似當(dāng)做白噪聲處理,匹配濾波器應(yīng)用的前提是輸入信號(hào)的形式已知。該濾波器的脈沖壓縮功能,不但降低了對(duì)雷達(dá)發(fā)射機(jī)峰值功率的要求,也解決了一般脈沖雷達(dá)通過增加脈沖寬〔信號(hào)能量增加提高了作用距離和距離分辨力下降的矛盾。體會(huì)本文首先介紹了匹配濾波器的工作原理,特性特點(diǎn)；其次介紹了LFM信號(hào)的形式以及matlab的仿真情況,然后從雷達(dá)信號(hào)處理上進(jìn)行改進(jìn),最后在對(duì)LFM信號(hào)進(jìn)行matlab仿真,對(duì)LFM在加噪前后脈沖壓縮匹配濾波的仿真情況進(jìn)行詳細(xì)的分析,明確了脈沖壓縮技術(shù)不但降低了對(duì)雷達(dá)發(fā)射機(jī)峰值功率的要求,也解決雷達(dá)作用距離和距離分辨力之間的矛盾；在對(duì)低截獲概率雷達(dá)信號(hào)處理中將有廣闊的應(yīng)用前景。在此次設(shè)計(jì)過程中,不但對(duì)MATLAB的仿真過程有了更全面的了解,同時(shí)也熟悉和運(yùn)用了matlab中的諸多函數(shù)。同時(shí)設(shè)計(jì)中也大量的應(yīng)用的通信原理、隨即信號(hào)分析的相關(guān)知識(shí),對(duì)學(xué)過的知識(shí)有了更加深刻的理解,對(duì)今后的學(xué)習(xí)發(fā)展也有很大的幫助。參考文獻(xiàn)[1]樹棠信號(hào)與系統(tǒng)〔第二版交通大學(xué)[2]程佩青數(shù)字信號(hào)處理教程〔第三版清華大學(xué)[3]威matlab基礎(chǔ)與編程入門〔第二版電子科技大學(xué)[4]王軍隨機(jī)信號(hào)分析基礎(chǔ)〔第二版電子工業(yè)[5]空間電子技術(shù)20XX第一期胡可欣線性調(diào)頻信號(hào)特征分析代碼附錄%%demoofchirpsignalT=10e-6;%pulseduration10usB=30e6;%chirpfrequencymodulationbandwidth30MHzK=B/T;%chirpslopeFs=2*B;Ts=1/Fs;%samplingfrequencyandsamplespacingN=T/Ts;t=linspace<-T/2,T/2,N>;St=exp<j*pi*K*t.^2>;%generatechirpsignalsubplot<211>plot<t*1e6,St>;xlabel<'Timeinusec'>;title<'線性調(diào)頻信號(hào)'>;gridon;axistight;subplot<212>freq=linspace<-Fs/2,Fs/2,N>;plot<freq*1e-6,fftshift<abs<fft<St>>>>;xlabel<'FrequencyinMHz'>;title<'線性調(diào)頻信號(hào)的幅頻特性'>;gridon;axistight;%%demoofchirpsignalaftermatchedfilterT=10e-6;%pulseduration10usB=30e6;%chirpfrequencymodulationbandwidth30MHzK=B/T;%chirpslopeFs=10*B;Ts=1/Fs;%samplingfrequencyandsamplespacingN=T/Ts;t=linspace<-T/2,T/2,N>;St=exp<j*pi*K*t.^2>;%chirpsignalHt=exp<-j*pi*K*t.^2>;%matchedfilterSot=conv<St,Ht>;%chirpsignalaftermatchedfiltersubplot<211>L=2*N-1;t1=linspace<-T,T,L>;Z=abs<Sot>;Z=Z/max<Z>;%normalizeZ=20*log10<Z+1e-6>;Z1=abs<sinc<B.*t1>>;%sincfunctionZ1=20*log10<Z1+1e-6>;t1=t1*B;plot<t1,Z,t1,Z1,'r.'>;axis<[-15,15,-50,inf]>;gridon;legend<'emulational','sinc'>;xlabel<'Timeinsec\times\itB'>;ylabel<'幅度,dB'>;title<'傅里葉變換后的線性調(diào)頻信號(hào)'>;subplot<212>%zoomN0=3*Fs/B;t2=-N0*Ts:Ts:N0*Ts;t2=B*t2;plot<t2,Z<N-N0:N+N0>,t2,Z1<N-N0:N+N0>,'r.'>;axis<[-inf,inf,-50,inf]>;gridon;set<gca,'Ytick',[-13.4,-4,0],'Xtick',[-3,-2,-1,-0.5,0,0.5,1,2,3]>;xlabel<'Timeinsec\times\itB'>;ylabel<'幅度,dB'>;title<'傅里葉變換后的線性調(diào)頻信號(hào)<Zoom>'>;加白噪聲后的線性調(diào)頻信號(hào)T=10e-6;%pulseduration10usB=30e6;%chirpfrequencymodulationbandwidth30MHzK=B/T;%chirpslopeFs=2*B;Ts=1/Fs;%samplingfrequencyandsamplespacingN=T/Ts;t=linspace<0,T,N>;St=exp<j*pi*K*t.^2>;subplot<211>plot<t*1e6,St>;xlabel<'Timeinusec'>;title<'線性調(diào)頻信號(hào)'>;gridon;axistight;SNR=input<'pleaseenterthenumberyouguess:'>;x=awgn<St,5>;%generatechirpsignalsubplot<212>plot<t*1e6,x>;xlabel<'Time'>;title<'加噪后的線性調(diào)頻信號(hào)'>;gridon;axistight;%%脈沖壓縮%input<'\nPulseradarcompressionprocessing:\n'>;clear;closeall;T=10e-6;B=30e6;Rmin=8500;Rmax=11500;R=[9000,10000,10200];RCS=[111];C=3e8;K=B/T;Rwid=Rmax-Rmin;Twid=2*Rwid/C;Fs=5*B;Ts=1/Fs;Nwid=ceil<Twid/Ts>;t=linspace<2*Rmin/C,2*Rmax/C,Nwid>;M=length<R>;td=ones<M,1>*t-2*R'/C*ones<1,Nwid>;SNR=[1,0.1,0.01,0.001,10,100,1000];fori=1:1:7Srt1=RCS*<exp<1i*pi*K*td.^2>.*<abs<td><T/2>>;n=sqrt<0.5*SNR<i>>*<randn<size<Srt1>>+1i*randn<size<Srt1>>>;Srt=Srt1+n;%DigtalprocessingofpulsecompressionradarusingFFTandIFFTNchirp=ceil<T/Ts>;Nfft=2^nextpow2<Nwid+Nwid-1>;Srw=fft<Srt,Nfft>;Srw1=fft<Srt1,Nfft>;t0=linspace<-T/2,T/2,Nchirp>;St=exp<1i*pi*K*t0.^2>;Sw=fft<St,Nfft>;%d=2*pi/<Ts*Nfft>;k=floor<-<Nfft-1>/2:<Nfft-1>/2>;%plot<k*d,abs<Sw>>;Sot=fftshift<ifft<Srw.*conj<Sw>>>;Sot1=fftshift<ifft<Srw1.*conj<Sw>>>;