雷达技术实验报告

-1-雷达技术实验报告雷达技术实验报告专业班级:姓名：学号：-2-一、实验内容及步骤1.产生仿真发射信号：雷达发射调频脉冲信号，IQ两路；2.观察信号的波形，及在时域和频域的包络、相位；3.产生回波数据：设目标距离为R=0、5000m；4.建立匹配滤波器，对回波进行匹配滤波；5.分析滤波之后的结果。二、实验环境matlab三、实验参数脉冲宽度T=10e-6;信号带宽B=30e6;调频率γ=B/T;采样频率Fs=2*B;采样周期Ts=1/Fs;采样点数N=T/Ts;匹配滤波器h(t)=St*(-t)时域卷积conv，频域相乘fft，t=linspace(T1,T2,N);四、实验原理1、匹配滤波器原理：在输入为确知加白噪声的情况下，所得输出信噪比最大的线性滤波器就是匹配滤波器，设一线性滤波器的输入信号为)(tx：)()()(tntstx其中：)(ts为确知信号，)(tn为均值为零的平稳白噪声，其功率谱密度为2/No。-3-设线性滤波器系统的冲击响应为)(th，其频率响应为)(H，其输出响应：)()()(tntstyoo输入信号能量：dttssE)()(2输入、输出信号频谱函数：dtetsStj)()()()()(SHSodeSHtstjo)()(21)(输出噪声的平均功率：dPHdPtnEnnoo)()(21)(21)]([22)()()(21)()(2122dPHdeSHSNRntjoo利用Schwarz不等式得：dPSSNRno)()(212上式取等号时，滤波器输出功率信噪比oSNR最大取等号条件：otjnePSH)()()(*当滤波器输入功率谱密度是2/)(onNP的白噪声时，MF的系统函数为：,)()(*otjekSHoNk2k为常数1，)(*S为输入函数频谱的复共轭，)()(*SS，也是滤波器的传输函数)(H。-4-osoNESNR2Es为输入信号)(ts的能量，白噪声)(tn的功率谱为2/oNoSNR只输入信号)(ts的能量Es和白噪声功率谱密度有关。白噪声条件下，匹配滤波器的脉冲响应：)()(*ttkstho如果输入信号为实函数，则与)(ts匹配的匹配滤波器的脉冲响应为：)()(ttksthok为滤波器的相对放大量，一般1k。匹配滤波器的输出信号：)()(*)()(ooottkRthtsts匹配滤波器的输出波形是输入信号的自相关函数的k倍，因此匹配滤波器可以看成是一个计算输入信号自相关函数的相关器，通常k=1。2、线性调频信号（LFM）LFM信号(也称Chirp信号)的数学表达式为：)2(22)()(tktfjceTtrectts2.1式中cf为载波频率，()trectT为矩形信号，11()0,ttrectTTelsewiseBKT，是调频斜率，于是，信号的瞬时频率为()22cTTfKtt，如图1-5-图1典型的chirp信号（a）up-chirp(K0)（b）down-chirp(K0)将2.1式中的up-chirp信号重写为：2()()cjftstSte2.2当TB1时，LFM信号特征表达式如下：)(2)(BffrectkScfLFM4)()(cfLFMff2()()jKttStrecteT2.3对于一个理想的脉冲压缩系统，要求发射信号具有非线性的相位谱，并使其包络接近矩形；其中)(tS就是信号s(t)的复包络。由傅立叶变换性质，S(t)与s(t)具有相同的幅频特性，只是中心频率不同而已。因此，Matlab仿真时，只需考虑S(t)。3、LFM信号的脉冲压缩窄脉冲具有宽频谱带宽，如果对宽脉冲进行频率、相位调制，它就可以具有和窄脉冲相同的带宽，假设LFM信号的脉冲宽度为T，由匹配滤波器的压缩后，带宽就变为，且1DT，这个过程就是脉冲压缩。信号)(ts的匹配滤波器的时域脉冲响应为：-6-)()(*ttstho3.10t是使滤波器物理可实现所附加的时延。理论分析时，可令0t＝0，重写3.1式，)()(*tsth将3.1式代入2.1式得:22()()cjftjKtthtrecteeT图3LFM信号的匹配滤波如图3,()st经过系统()ht得输出信号()ost2222()()()()*()()()()()()()ccojfujftujKujKtuststhtsuhtuduhustuduutuerecteerecteduTT当0tT时,22222022222()2sin()TTccjKtjKtutjKtuTjftjKtTjftsteedueeetjKtKTtteKt（3.4）当0Tt时,22222022222()2sin()TTcctjKtjKtujKtuTjftjKtTjftsteeduteeejKtKTtteKt（3.5）-7-3.5合并3.4和3.5两式：20sin(1)()()2cjfttKTttTstTrecteKTtT3.6式即为LFM脉冲信号经匹配滤波器得输出,它是一固定载频cf的信号，这是因为压缩网络的频谱特性与发射信号频谱实现了“相位共轭匹配”，消除了色散；当tT时，包络近似为辛克（sinc）函数。0()()()()()22ttStTSaKTtrectTSaBtrectTT图4匹配滤波的输出信号如图4，当Bt时，1tB为其第一零点坐标；当2Bt时，12tB，习惯上，将此时的脉冲宽度定义为压缩脉冲宽度。BB1221LFM信号的压缩前脉冲宽度T和压缩后的脉冲宽度之比通常称为压缩比D1TBTD压缩比也就是LFM信号的时宽-带宽积。s(t),h(t),so(t)均为复信号形式，Matab仿真时，只需考虑它们的复包络S(t),H(t),So(t)。-8-五、实验结果LFM信号的时域波形和幅频特性//实现LFM信号的matlab代码T=10e-6;%脉冲脉宽10usB=30e6;%调频调制带宽30MHzK=B/T;%线性调频斜率Fs=2*B;Ts=1/Fs;%采样频率和采样间隔N=T/Ts;t=linspace(-T/2,T/2,N);St=exp(j*pi*K*t.^2);%调频信号subplot(211)plot(t*1e6,real(St));xlabel('t/s');title('线性调频信号的实部');gridon;axistight;subplot(212)freq=linspace(-Fs/2,Fs/2,N);plot(freq*1e-6,fftshift(abs(fft(St))));xlabel('f/Mhz');title('线性调频信号的频率谱');gridon;axistight;-9-线性调频信号的匹配滤波//实现匹配滤波器及放大的matlab代码T=10e-6;B=30e6;K=B/T;Fs=10*B;Ts=1/Fs;N=T/Ts;t=linspace(-T/2,T/2,N);St=exp(j*pi*K*t.^2);Ht=exp(-j*pi*K*t.^2);%匹配滤波器Sot=conv(St,Ht);%匹配滤波器后的线性调频信号subplot(211)L=2*N-1;t1=linspace(-T,T,L);Z=abs(Sot);Z=Z/max(Z);%归一化Z=20*log10(Z+1e-6);Z1=abs(sinc(B.*t1));%sinc函数Z1=20*log10(Z1+1e-6);t1=t1*B;plot(t1,Z,t1,Z1,'r.');axis([-15,15,-50,inf]);gridon;legend('仿真','sinc');xlabel('时间');ylabel('振幅,dB');title('匹配滤波器后的线性调频信号');subplot(212)%放大N0=3*Fs/B;t2=-N0*Ts:Ts:N0*Ts;-10-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('时间');ylabel('振幅,dB');title('匹配滤波器后的线性调频信号（）');仿真结果//matlab代码functionLFM_radar(T,B,Rmin,Rmax,R,RCS)ifnargin==0T=10e-6;B=30e6;Rmin=10000;Rmax=15000;R=[10500,11000,12000,12008,13000,13002];%理想点目标距离RCS=[111111];%雷达散射截面end%=========================================================%%²ÎÊýC=3e8;%传播距离K=B/T;Rwid=Rmax-Rmin;%仪表接受窗口Twid=2*Rwid/C;%一秒接受窗口Fs=5*B;Ts=1/Fs;%采样频率和采样间隔Nwid=ceil(Twid/Ts);%接收窗口数%==================================================================-11-%%Gneratetheechot=linspace(2*Rmin/C,2*Rmax/C,Nwid);%当t=2*Rmin/C打开窗口%当t=2*Rmax/C关闭窗口M=length(R);%目标数td=ones(M,1)*t-2*R'/C*ones(1,Nwid);Srt=RCS*(exp(j*pi*K*td.^2).*(abs(td)T/2));%点目标雷达回波%=========================================================%%用FFT和IFFT脉冲压缩雷达数字处理Nchirp=ceil(T/Ts);%脉冲持续时间Nfft=2^nextpow2(Nwid+Nwid-1);%脉冲持续时间%计算线性的数目%利用FFT算法的卷积Srw=fft(Srt,Nfft);%FFT的雷达回波t0=linspace(-T/2,T/2,Nchirp);St=exp(j*pi*K*t0.^2);%FFT的雷达回波Sw=fft(St,Nfft);%fft线性调频斜率Sot=fftshift(ifft(Srw.*conj(Sw)));%信号经过脉冲压缩%=========================================================N0=Nfft/2-Nchirp/2;Z=abs(Sot(N0:N0+Nwid-1));Z=Z/max(Z);Z=20*log10(Z+1e-6);%figuresubplot(211)plot(t*1e6,real(Srt));axistight;xlabel('时间');ylabel('振幅')title('原始回波信号');subplot(212)plot(t*C/2,Z)axis([10000,15000,-60,0]);xlabel('距离');ylabel('振幅，dB')title('距离压缩后信号');-12-六、实验心得经过这次实验的经历加深了我对雷达技术中线