01
單基站脈沖測距雷達建模概述
本例展示了如何模擬單站脈沖雷達的接收信號以估計目標距離。單站脈沖雷達的發(fā)射器與接收器物理位置上可以認為是同一個點。發(fā)射器產生一個脈沖,該脈沖擊中目標并產生接收器接收的回波。通過測量回波在時間上的位置,我們可以估計目標的距離。
本示例重點介紹脈沖雷達系統(tǒng)設計,該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對雷達系統(tǒng)參數(shù)的評估,概述了將雷達性能指標(如探測概率和距離分辨率)轉換為雷達系統(tǒng)參數(shù)(如發(fā)射功率和脈沖寬度)的步驟。同時對環(huán)境和目標進行建模,并合成接收的信號。最后,將信號處理技術應用于接收信號,以檢測目標的范圍。
單站脈沖雷達距離探測系統(tǒng)建模流程如下所示:
02
雷達建模過程
1. 雷達系統(tǒng)指標
脈沖雷達的性能指標如下:
1). 距離雷達5000米的距離內,可以檢測具有1平方米雷達橫截面(RCS)的非波動目標。
2). 距離分辨率為50米。
3).檢測概率 (Pd) 為 0.9,誤報概率 (Pfa) 低于 1e-6。
由于相干檢測需要相位信息,因此計算成本更高,因此我們采用非相干檢測方案,此示例假定為自由空間環(huán)境。
matlab程序如下:
** 2. 雷達波形 **
在本例中,使用最簡單的矩形波。所需的距離分辨率決定了波形的帶寬,對于矩形波形,帶寬決定了脈沖寬度。
脈沖波形的另一個重要參數(shù)是脈沖重復頻率(PRF)。PRF 由最大探測距離決定。matlab程序如下
3 接收器噪聲特性
假設接收器中存在的唯一噪聲是熱噪聲,因此此仿真中不涉及任何雜波。熱噪聲的功率與接收器帶寬有關,本實例接收器的噪聲帶寬設置為與波形帶寬相同。在實際系統(tǒng)中通常就是這種情況。假設接收器具有20 dB增益和0 dB噪聲系數(shù)。
4 發(fā)射器
發(fā)射器最關鍵的參數(shù)是峰值發(fā)射功率。所需的峰值功率與許多因素有關,包括最大探測距離、接收器所需的SNR以及波形的脈沖寬度。其中,接收器所需的信噪比由Pd(檢測概率)、 Pfa(誤警概率)的設計目標以及接收器實施的檢測方案決定。
Pd、Pfa 和 SNR 之間的關系可以用接收器工作特性 (ROC) 曲線來最好地表示。
5 輻射與信號拾取
在雷達系統(tǒng)中,信號以電磁波的形式傳播,信號需要由雷達系統(tǒng)中使用的天線輻射和拾取。這就是散熱器和收集器進入圖片的地方。
在單基地雷達系統(tǒng)中,輻射器和拾取器共享同一天線,為了簡化設計,本實例使用各向同性天線。系統(tǒng)設計信號載波為10GHz,天線的頻率范圍設置為5-15 GHz。同時假設天線是靜止的。
6 目標模擬與信道建模
本實例定義 3個靜止非波動目標。它們的位置和雷達橫截面如下程序所示:
定義雷達和目標間信道為自由空間,其定義如下程序所示:
7 信號發(fā)射與接收
信號處理前先定義時間網(wǎng)格,為便于計算,定義一個粗的時間網(wǎng)格為一個脈沖周期,細的時間網(wǎng)格為采樣時間。這樣脈沖就可以使用二維數(shù)組表示,定義如下:
下面計算10次脈沖的反射信號,計算過程如下:
1):計算每次脈沖發(fā)射時目標以及雷達的位置信息
2):計算目標相對于雷達的距離以及角度信息
3):發(fā)射器發(fā)射波形
4):天線輻射發(fā)射能量
5):信號經(jīng)過信道到達目標
6):信號反射
7):反射信號由天線拾取
具體程序如下圖所示:
8 距離計算
在雷達應用中,使用檢波器將信號功率與閾值功率進行比較,以獲得滿足指標的Pfa。本實例假設噪聲為高斯白噪聲,檢測為非相干檢測,因此閾值功率可以根據(jù)下面程序進行計算。
根據(jù)上面結果,前兩個脈沖的回波如下圖所示:
匹配濾波可以提升信號增益,從而可以提升檢測概率,本實例使用發(fā)送脈沖作為匹配濾波輸入進行匹配濾波,程序如下。
匹配濾波器引入固有濾波器延遲,使峰值位置(最大SNR輸出樣本)不再與真實目標位置對齊。為了補償這種延遲,在本例中,我們將匹配濾波器的輸出向前移動,并在末尾填充零。在實際系統(tǒng)中,由于數(shù)據(jù)是連續(xù)收集的,因此實際上沒有盡頭,只能通過后續(xù)計算濾波器固有延遲進行補償。
檢測閾值也會隨著匹配濾波增加而增加。
下圖為匹配濾波之后的信號:
9 信道補償
在匹配濾波后,SNR得到改善。但是由于接收信號功率取決于距離,因此近距離目標能量仍然比遠處目標要強得多。如上圖所示,來自近距離目標的噪聲有很大可能超過閾值并遮蔽更遠的目標。為了確保閾值對可檢測范圍內的所有目標都是公平的,本實例使用時變增益來補償接收回波中的距離相關損耗。
為了補償與距離相關的損耗,我們首先計算對應于每個信號樣本的距離,然后計算對應于每個距離的自由空間路徑損耗。獲得該信息后,我們對接收到的脈沖施加時變增益,以便返回值好像來自相同的參考距離(最大可檢測范圍)。
經(jīng)過距離衰減補償后的信號波形如下所示:
可以通過將N個回波脈沖進行非相關積分進一步提升SNR,程序如下所示:
非相干積分后,信號波形如下所示:
最后進行距離探測,程序如下:
雷達系統(tǒng)計算距離和實際距離如下所示:
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