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一种相参脉冲串的多普勒雷达回波仿真.pdf

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.45M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    基于相参脉冲串的多普勒雷达回波仿真 赵会芳，许家栋，陈 芳 （西北工业大学电子信息学院， 西安 710129） 摘要：雷达回波是一切雷达信号处理和系统性能评估的基础，因而对它的准确仿真有着重要 的作用。由于目标总是处于复杂的环境背景之下，所以雷达接收机端除了接收到真实目标的 有用回波外，还将混入环境杂波以及接收机内部的噪声信号。本文正是利用 Simulink 工具 箱丰富的信号发生及处理模块，对包括目标回波信号、噪声信号以及环境杂波信号的脉冲多 普勒雷达回波进行了仿真。通过在相参脉冲串雷达信号中加入目标 RCS 幅度起伏信息、延迟 信息以及多普勒信息，仿真了目标的回波信号；同时，在对各种分布函数分析的基础上，对 由 Simulink 基本模块产生的均匀分布信号作相应变换与处理，分别得到满足高斯分布、指 数分布和瑞利分布的典型雷达噪声；最后，现代雷达最普遍适用的环境杂波仿真结果，其幅 度满足瑞利分布，而功率谱密度满足高斯分布。各种回波信号的仿真结果与理论分析相一致。 对雷达回波的有效仿真为信号的进一步处理和分析提供了保障。 关键词：目标回波；杂波；噪声；仿真 中图分类号：TN955 文献标识码：A The Modeling and Simulation of PD Radar Echo Based on Coherent Pulse Train Zhao Hui-fang, Xu Jia-dong, Chen Fang (College of Electronic Engineering, Northwestern Polytechnic University, Xi’an, 710129) ABSTRACT：The simulation of radar echo plays an important part in the system performance assessment because it is the basic of radar signal processing. Clutter and noise signals are accepted by radar receiver except for target echo，since the target are located in a complicated background. The simulation of airborne PD radar echo, including target echo, noise and clutter, is implemented by using Simulink with signal generating and processing blocks. The simulation result of target echo is presented by adding RCS fluctuation, distance and doppler shift information in the coherent pulse train signals. Also, the waveforms of noise of Gaussian distribution, Exponent distribution and Rayleigh distribution are given in the paper. The simulation of clutter is based on Ralyleigh distribution in amplitude and Gaussian distribution in power spectral density. KEYWORDS： Target Echo, Clutter, Noise, Simulation 1 引 言 进入雷达处理机之前的回波信号，除了 包括含有有用信息的目标回波外，还会混杂 一些不希望的雷达杂波，以及接收天线的系 统噪声成分。雷达杂波是由地面、海面、大 气现象等所形成的回波。对大多数雷达来 说，这些杂波不是有用的目标回波，会对雷 达的正常工作产生干扰作用。另外，实际雷 达接收机总是存在噪声。杂波的许多特性与 噪声相似，例如它们的幅度和相位都是随机 起伏的。 在雷达系统仿真中，雷达回波是一切雷 达信号处理和系统性能评估的基础。因而对 雷达回波的准确仿真具有重要的现实意义。 然而现代雷达体制的多样化以及新的分布 特性，如正态分布、韦布尔分布、以及 K 分 布等的噪声和环境杂波的不断出现，使得雷 达回波的仿真变得复杂而繁琐。这就需要在 建立雷达回波库的过程中能够不断的扩充 新的分布特性的杂波模块，以及新增体制雷 达的目标回波信息模块。 作 为 Matlab 软 件 的 一 个 工 具 箱 ， Simulink 是结合了框图界面和交互仿真能
    力的非线性动态系统仿真工具，大大方便了 用户快速建立动态系统模型。Simulink 强大 的模块库功能，还允许用户建立自己的模型 库，并在需要时向库中扩充新的功能模块。 本文就是在 Matlab 的 Simulink 软件平台上， 对相参脉冲串的多普勒雷达回波，包括一定 分布特性的噪声和雷达杂波进行了仿真。 2 目标回波建模 （2） 其中，μ 为服从(0,1)均匀分布的随机变量， A0 为目标的平均散射面积，A 为目标的瞬时 散射面积。设雷达发射信号的复解析表达式 为： （3） 则目标回波信号的表达式可表示为： 目标回波信号包括目标的雷达截面积、 （4） 距离信息、方位角信息以及速度信息等。 雷达截面积用来表示目标返回到雷达 的回波信号的幅度。雷达目标截面积的大小 对雷达检测性能有直接的关系，工程计算常 把截面积视为常量。这样的横截面积为常量 的目标模型称为马克姆模型。这种模型适用 于球形或接近球形的目标和点目标，以及表 征在相邻两个脉冲之间方向不变的固定目 标或运动目标，包括人造卫星（球形的）、 气球和流星。实际上，大多数处于运动状态 的目标，视角一直在变化，截面积也随之产 生起伏，要正确描述它们的雷达截面起伏， 必须知道它的概率密度函数和相关函数。 Swerling 模型是有关目标 RCS 起伏的统计 分布和相关特性的四种标准统计模型，已经 被证明适用于广泛的雷达目标幅度变化的 情况。例如，第一类 Swerling 模型适用于由 多个独立起伏的散射体组成的目标，这些散 射体的反射面积近似相等；第二类 Swerling 模型适用于面积较大的螺旋桨飞机和直升 飞机、雨杂波以及地杂波；第三、四类情况 截面积的概率分布适用于目标由一个起决 定作用的无起伏散射体和许多小的独立散 射体组成，或由一个大散射体组成而方向变 化很小的场合，包括导弹（长而窄的表面）、 飞机（长而窄的表面）、火箭（长而窄的表 面）和具有延长体的圆形人造卫星等。 现在分析目标回波信号表达式。假设目 标回波幅度满足瑞利分布，则其概率密度函 数为： （1） 很容易得到幅度服从瑞利分布的序列为： 其中，τ=2R0/C 为目标回波延迟， fd=(2v/c)f0 为目标回波的多普勒频移，R0 为目标距离， v 表示目标相对于雷达的径向速度，f0 表示 载波频率，c 为光速。根据理论推导，目标 回波的仿真流程图如图 1 所示。 图 1. 目标回波仿真流程图 Simulink 模型库中包含一些基本的随 机信号发生模块和延迟模块等。对雷达发射 信号，通过以上变换，就将标准的雷达信号 变换为 Swerling 情况下包含距离信息和多 普勒频移信息的目标回波。 3 雷达噪声建模 雷达接收机检测微弱回波信号的能力， 受到总是存在的与信号具有相同频谱的噪 声的限制。接收机刚好可检测到的最微弱信 号，为最小可检测信号。 在雷达信号处理的研究中，需要产生不 同分布及相干特性的噪声信号，为后继门限 检测提供最佳门限值，因而对雷达中的噪声 进行仿真研究具有重要意义。雷达接收到的 噪声有多种，常见的有概率密度函数服从高 斯分布、指数分布和瑞利分布。它们的概率 密度函数分别为： 22200()exp()2AApAAA02ln(1)AAu02()()jftstute02()2()()djftjftrstAutee多普勒频移目标RCS起伏特性运动目标径向速度延迟 ()st()stX()Xst2()djftXste
    （5） （6） （7） 这些概率密度密度函数一般可以从单 位均匀分布函数推导得出。设 μ 是服从（0， 1）区间上的单位均匀分布，其概率密度函 数为 （8） 则指数分布与单位均匀分布之间的关系为： （9） 而瑞利分布与单位均匀分布之间的关系为： （10） 境中的不需要的回波。这意味着这些不需要 的回波“扰乱了”雷达工作，使得回波的检 测变得困难。而在杂波中检测出真实目标的 回波信息是雷达工作的主要任务，因而杂波 在雷达环境模拟中有重要的作用。实际雷达 测量表明，许多雷达杂波都是相关的，其特 性可以用幅度分布特性和频率分布特性来 描述。由于雷达杂波比较复杂，在不同的条 件下其幅度和频率分布特性不尽相同。例 如，雷达杂波的幅度分布模型就包括指数分 布、瑞利分布、对数分布和 k 分布等，而其 功率谱分布则有 Gaussian 型、Cauchy 型和 Allpole 型等。机载 PD 雷达具有大的波束照 射面积和高擦地角，反射体的数目多，因而 可采用幅度满足瑞利分布，功率谱满足高斯 分布的杂波模型。 若采用 表示瑞利分布杂波回波的包 络振幅，则 的概率密度函数满足式（7）。 此处的参数为 的瑞利杂波分布与单位均 匀分布之间的关系仍满足式（10）。瑞利分 布杂波的产生框图如图 2 所示： 单 位 均 匀 分 布 随 机 信 号 包 含 在 Simulink 的模型库中，通过上式推导出的变 换即可以得到希望的分布特性的噪声信号。 4 环境杂波建模 雷达工程师使用术语杂波，表示自然环 图 2. 瑞利杂波的产生框图 图 3. 瑞利杂波的 Simulink 仿真图 成型滤波器实现了杂波的功率谱分布特性， 它必须是线性的。这里，滤波器的高斯谱频 率特性满足： （10） 而众所周知，FIR 滤波器的频率响应为 202()1()exp2xxfx()xfxe22220()00xxexpxx()1(01)fuu1lnu2lnuxx正交白高斯噪声122lncos(2)iiixuu()Hf正交求和求模成型滤波器输出122lnsin(2)qiixuu()Hf22|()|exp()4ffHf
    而右侧图为加入了频移之后的频谱图。仿真 结果与设置参数后的理论结果相一致。在 Simulink 中可以动态的设置延迟模块，这就 为仿真反映距离信息的脉冲串延迟提供了 方便。图 5 反映了加入时间延迟后的回波信 号，以及幅值加入起伏信息的 RCS 值。其 中，虚线表示经过时间延迟后的目标回波， 实现表示发射脉冲串信号。从时域图中可以 读出延迟时间数据与提前设置时间相一致。 Simulink 可提供高斯及均匀分布的信 号发生模块，因而通过前文推导出的相应变 换即可得出分别符合高斯、指数和瑞利分布 的雷达噪声信号。显然，从下列的仿真图中 可以看到仿真结果与各分布的理论曲线相 一致。 （11） 其中，TS 为采样周期，an 为滤波器的加 权系数。利用付里叶级数展开法对滤波器的 频率特性展开，从而求得滤波器的权系数。 这样成型滤波器就确定了。瑞利杂波的仿真 图如图 3 所示。Function 函数和乘法模块实 现了将高斯白噪声发生器产生的均匀分布 信号变换为希望的概率分布，经过成型滤波 器提取出幅度信息。 5 仿真结果及分析 脉冲多普勒雷达是一种相参体制 雷 达，其基本信号是相位相参脉冲串信号。 Simulink 提供了产生复杂信号的基本信号 发生模块，如脉冲发生器模块和正弦载波模 块。通过设置相应参数，向相参脉冲串信号 中加入延迟信息、多普勒信息及目标起伏信 息，就得到了目标的回波信号。为了加快仿 真速度，这里设置脉冲重复频率为 10kHz， 脉冲宽度为 4 ，载波频率为 1MHz。 图 4. 加入多普勒频率前后的相参脉冲串信号频谱 图 6 标准高斯噪声及其分布直方图 图 5. 分别加入延迟信息和起伏信息的目标回波 图 4 的左侧为加入脉冲多普勒频移之前 的相参脉冲串的信号频谱，显然其频率显示 为 1MHz（图中最大信号值对应的横坐标）； 4 图 7 参数 的指数噪声及其分布直方图 120()sNjfnTnnHfaes2
    特性的噪声和环境杂波的仿真充分证明了 Simulink 的建模时间短，模型简单，计算精 度高等优点。而且在仿真过程中可以方便地 修改模型及参数，为模型的优化设计提供了 方 便 。 从 已 取 得 的 仿 真 结 果 看 ， 利 用 Simulink 对雷达回波的仿真能取得令人满 意的结果，为今后在 Simulink 平台上匹配雷 达仿真创造了条件。 参考文献 [1] 姚俊，马松辉. Simulink 建模与仿真[M]. 西安：西安电子科技大学出版社, 2002.8 [2] 宋海英. 机载 PD 雷达的信号环境仿真 [D]. 电子科技大学, 2004 [3] David K. Barton. 雷达系统分析与建模 [M]. 北京：电子工业出版社, 2007.6 [4] 杨万海. 雷达系统建模与仿真[M]. 西 安：西安电子科技大学出版社, 2007 [5] 陈慧，姜秋喜等. 基于 Simulink 的机载 PD 雷达噪声与杂波仿真[J]. 中国雷达, 2006 年 01 期 作者简介： 赵会芳(1982-)，女（汉族），河北省石家庄 人， 硕士研究生，主要研究方向为电子对 抗技术； 许家栋(1948-)，男（汉族），安徽芜湖人， 教授，博士生导师，主要研究领域为雷达微 波、天线、目标电磁特性等； 陈芳(1983-)，女（汉族），江西宜春人， 硕 士研究生，主要研究方向为电子对抗技术 图 8 参数 б=1.5 的瑞利噪声及其分布直方图 幅度分布满足瑞利分布，功率谱密度满 足高斯谱的杂波模型是雷达杂波中最常用 的一种。本文仿真了参数 б=1.5 的相干相 关瑞利杂波。其分布的杂波信号及其功率谱 如图 9 所示。 图 9 瑞利分布杂波及其功率谱 从仿真结果来看，Simulink 很容易得到 了符合多种分布特性的环境杂波和噪声信 号，以及在目标回波信号中方便的设置距离 和速度信息。这些杂波和噪声信号连同有用 回波一起加入雷达接收机，可以为雷达系统 的信号检测和性能分析的基础。 结术语 采用 Simulink 能够迅速建立起系统模 型，仿真投入小，容易推广。本文对相参脉 冲串多普勒雷达的目标回波，以及典型分布 5
    联系方式： 赵会芳： 通信地址：西北工业大学长安校区 电子信息学院 150 信箱 邮编：710129 联系电话：13991875946 E-mail: fern529@163.com 6
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