雷达仿真报告1

雷达系统仿真实验报告

设计题目：基于巴克码的脉冲压缩雷达信号处理院系：电子与信息工程学院

专业：电子工程系2班

设计者：宋丽君

学号：11S005090

哈尔滨工业大学

目录

一.设计目标 (1)

1.1概述： (1)

1.2 设计要求： (1)

二.综合设计原理 (2)

2.1 巴克码（Barker） (2)

2.2 相位编码波形 (3)

2.3 正交I/Q解调 (3)

2.4 脉冲压缩 (4)

2.5 匹配滤波 (4)

三.综合设计仿真结果 (7)

3.1 巴克码编码波形的产生 (7)

3.2 雷达回波的产生 (7)

3.3 正交I/Q解调 (8)

3.4 脉冲压缩处理 (8)

3.5 多个目标的检测 (10)

3.51 两个点目标的产生 (10)

3.52 两个点目标回波的脉冲压缩 (11)

四. 设计体会 ............................................................................ 错误！未定义书签。

五. 参考文献 ............................................................................ 错误！未定义书签。

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1.设计目标

1.1概述：

产生相位编码目标回波、对回波进行I/Q解调、匹配滤波，分析多普勒频移对脉冲压缩的影响等，根据仿真结果并结合所学理论进行分析，并给出分析后的结论。

1.2 设计要求：

某雷达采用7位巴克码编码的二元相位编码信号，子码宽度0.5us。雷达中频为f I=10MHz，对雷达中频信号用40MHz采样后送入信号处理，由信号处理进行脉冲压缩和信号检测，雷达作用距离15km。

（1）在中频10MHz上产生雷达发射信号s,并画出雷达发射波形的时域、频域特性；分析信号带宽与子码宽度的关系；

（2）产生雷达回波信号，在9km处有一个点目标，回波幅度为1；其他距离处回波为0；

（3）对此回波信号进行I/Q解调，将回波信号由中频f I变换为基带信号；

（4）在频域对基带信号进行脉冲压缩，画出脉冲压缩后的时域波形；

（5）产生雷达回波信号，含有两个点目标，分别位于9km、9.225km，幅度相同为1；画出时域波形，此时两个目标是否能够分开？

（6）对5）产生的回波进行I/Q解调、然后进行时域脉冲压缩，画出压缩后的时域波形，此时两个点目标是否能够在距离上分开？此雷达的距离分辨力？

（7）如果9.225km处的目标是一个运动目标，其多普勒频移为143KHz，求此目标脉压后的结果；如果9.225km处运动目标的多普勒频移为24KHz，求此运动目标脉压后的结果；分析运动目标的多普勒频移对于脉压的影响。

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2.综合设计原理

2.1 巴克码（Barker）

巴克码是一种特殊的二进制码。巴克码自相关函数的峰值为N，最大副瓣峰值的幅度为1，其中N为编码的长度或子脉冲数。只有少量巴克码存在。表10.4列出所有已知的巴克码，并且这些码的最小峰值副瓣等于1。如果能得到更长的巴克码，那么它们将是脉冲压缩雷达的理想波形。但是还没有发现长度大于13的巴克码。应用巴克码的脉冲压缩雷达的最大压缩比被限定为13。

由于巴克码序列的长度太短，限制了它的实际应用。为了满足实际需要，提出了多相巴克码序列和组合巴克码序列的设想。采用组合法增加巴克码序列的长度，采用加权法抑制旁瓣，使巴克码序列有了实际应用的价值。

表1目前已找到的巴克码序列

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2.2 相位编码波形

相位编码波形与调频波形不同，它将脉冲分成许多子脉冲。每个子脉冲的宽度相等，但各自有特定的相位。每个子脉冲的相位根据一个给定的编码序列来选择。应用最广泛的相位编码波形使用两个相位，即二进制编码或二相编码。二进制编码由0,1序列或＋1, -1序列组成。发射信号的相位依照码元（0和1或+1和-1）的次序在0?和180?间交替变换，如图1所示。由于发射频率通常不是子脉冲宽度倒数的整倍数，因此，编码信号在反相点上一般是不连续的。 在接收端，通过匹配滤波或相关处理得到压缩脉冲。压缩脉冲半幅度点的宽度应等于子脉冲的宽度。因此，距离分辨力就正比于编码码元的时间宽度，压缩比等于波形中子脉冲的数目，即编码码元的数目。

图1 二进制相位编码信号

2.3 正交I/Q 解调

无论中频信号的调制方式如何， 都可以先使用正交解调，然后再依据调制方式处理恢复信号。正交解调也叫正交基带变换，其目的是去掉调制信号中的载频， 将信号变到零中频( 基带) 。一个载频为w c 的实调制信号可以表示为：

)](cos[)()(t wc t a t x θ+=

其复信号解析式为：

)](sin[)()(cos[)()(t wc t ja t wc t a t z θθ+++=

经正交解调后，得到的零中频信号（基带信号）为：

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)()()(sin )()(cos )()(t jZ t Z t t ja t t a t Z BQ BI B +=+=θθ

式中：

)(sin )()()

(cos )()(t t a t Z t t a t Z BQ BI θθ==

)(t Z BI 和)(t Z BQ 分别是基带信号中的同相分量和正交分量，或称I 路分量和Q 路分量。其系统实现原理如下：

图2 正交解调原理图

2.4 脉冲压缩

我们知道雷达的距离分辨力取决于信号带宽在普通脉冲雷达中雷达信号的时宽带宽积为一常量（约为1）因此不能兼顾距离分辨力和雷达作用距离两项指标。

脉冲压缩的含义为：脉冲压缩雷达发射宽脉冲T 以增大信号能量，在接收机中对回波信号加以压缩处理（匹配滤波）以便得到窄的脉冲τ。

在脉冲压缩系统中，发射波形通常在相位或频率上被调制，使得其带宽B>>1/T 。设信号经脉冲压缩后的有效脉冲宽度为τ，则τ=1/B 。

2.5 匹配滤波

设线性滤波器输入端输入信号与噪声的混合波形为并假定

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噪声为白噪声，其功率谱密度

，而信号

的频谱函数为，即。

要求线性滤波器在某时刻上有最大的信号瞬时功率与噪声平均功率的比值。

确定在上述最大输出信噪比准则下的最佳线性滤波器的传输特性

为：

这就是最佳线性滤波器的传输特性。式中，

即为的复共轭。 匹配滤波器是最优线性滤波器，它具有以下特点：

1、匹配滤波器的输出信噪比2E/N 0只与输入信号能量有关，与信号波形无关。（此结论仅适用于白噪声背景，在色噪声条件下存在波形优化的问题，即应使信号的频谱尽量避开干扰的功率谱。）

2、匹配滤波器的脉冲响应h c (t)=s*(τ-t)为发射信号的共轭镜像，对输入信号进行匹配滤波处理等效对输入信号进行相关处理。

3、匹配滤波器的幅频特性与发射信号的幅频特性一致：对输入信号较强的频率成分给予较大的加权，对较弱的频率成分给予较小的加权。

2.6 匹配滤波与脉冲压缩的关系

匹配滤波指的是为了获取最大的SNR 所采取的滤波方法，脉冲压缩是为了解决雷达发射功率和距离分辨率之间的矛盾所采用的信号处理方法。而针对线性调频信号与相位编码信号，进行脉冲压缩的手段就是匹配滤波。

因为匹配滤波器的相频特性与信号的相位谱互补：输入信号中的非线性相位能都被补偿，输出信号中仅保留线性相位谱，这样输出信号的各频率成分在t0时刻达到同相相加形成峰值，而其它时刻不能脉冲压缩。

2.7 多普勒频移

多普勒效应含义为物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高（蓝移 blue

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shift ）；当运动在波源后面时，会产生相反的效应，波长变得较长，频率变得较低（红移 red shift ）。如上图3所示。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据光波红（蓝）移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。即当目标与雷达站之间存在相对速度时。接收到回波信号的载频相对于发射信号的载频产生一个频移，这个频移在物理学上称为多卜勒频移，如下图4所示。它的数值为：

λr

d V f 2=

其中：V r 雷达与目标之间的径向速度（m/s ）。

图3 多普勒频率的产生

图4 多普勒频率在频域的表示

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3.综合设计仿真结果

3.1 巴克码编码波形的产生

雷达信号采用7位巴克码编码的二元相位编码，子码宽度0.5μs。雷达中频为f I = 10MHz，对雷达中频信号用40MHz采样后送入信号处理，由信号处理进行脉冲压缩和信号检测，雷达作用距离15km。

我们知道，带宽与子码宽度成反比，子码宽度越宽，带宽越窄。这里我们采用宽度为0.5us的七位巴克码，所产生的7位巴克码2PSK信号如图所示：

图6 七位巴克码编码二相码的时域波形与频谱（子码宽度为0.5us）

3.2 雷达回波的产生

下面产生理想点雷达回波信号。设定在距离雷达9km处有一个点目标，回

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波幅度为1；其他距离处回波为0。也就是此处仿真的是没有噪声和干扰的情况。回波信号与发射信号相同，为7位巴克码2PSK

信号，仿真结果如下：

图7 雷达回波波形

雷达波形产生源程序：

3.3 正交I/Q 解调

对此回波信号进行I/Q 解调，将回波信号由中频f I 变换为基带信号。

分别对中频信号进行I 路与Q 路解调，由结果图8可知，Q 路幅度数量级在10-13数量级，趋近于零。因此，解调后信号近似与I 路信号相等。进而，图9显示了解调后信号的幅度谱。因为之后匹配滤波器对于相位敏感，故解调时候所使用的滤波器为FIR 滤波器，保证线性相位不受破换。

3.4 脉冲压缩处理

在频域对基带信号进行脉冲压缩，画出脉冲压缩后的时域波形。经 2.5、

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2.6节理论分析后，此节运用匹配滤波器对脉冲进行压缩处理，处理。这里的匹配滤波器为发射信号经过正交解调后的匹配滤波器。匹配滤波器频率响应如图10所示。

图10 匹配滤波器频率响应

这样，经过理想点的雷达回波信号经过正交解调，再经过脉冲压缩处理，即匹配滤波后的仿真结果如下图所示。从回波信号经过匹配滤波器的结果我们可以看出，在目标出出现一个信号的峰值，由此验证了理论的正确性，即信号经过匹配滤波器之后可以改善信噪比，有利于信号的检测。

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图11 脉冲压缩后波形

3.5 多个目标的检测

3.51 两个点目标的产生

脉冲压缩的优势在于提高雷达的分辨率。下图为仿真两个理想点产生的回波信号的叠加。他们分别位于距离雷达9km、9.25km处。又仿真结果可以看出，这两个信号在时域上有混叠，难以判断有几个目标或者目标的距离。如果有噪声干扰的话，将更加难以判断。

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图11 两个点目标回波波形（解调前）

3.52 两个点目标回波的脉冲压缩

对产生的回波进行I/Q解调，然后对解调后的信号进行匹配滤波，仿真结果如下图所示。从图中结果可以看出，经过匹配滤波之后，我们可以清楚的看到像个信号尖峰，由此我们就可以很容易判断出两个目标的回波了。

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图12 两个目标的回波信号经过处理后的结果（距离250m ）

实际上，雷达的距离分辨率为2

c R τ??=，其中τ为脉宽。若不经过脉冲压缩，则τ就等于雷达一个脉冲的宽度。根据公式我们可以看出，要想提高距离分辨率，则必须减小τ。但是τ减小造成的后果是频率分辨率下降，即分辨多普勒频移的能力下降，所以距离分辨率和频率分辨率矛盾。

脉冲压缩技术很好地解决了这个矛盾。当采用脉冲压缩技术后，τ为巴克码的码宽，而不是雷达一个脉冲的宽度。这样，我们就可以用减小τ的方法来提高雷达的距离分辨率了，这就是脉冲压缩的作用。

在上面的仿真中，巴克码的码宽为0.5us ，则根据公式计算可以得出，此雷达的距离分辨率为75m 。也就是说，若两个目标的距离小于75m ，雷达将无法将其分辨出来。

当两个目标距离等于50m 时，仿真结果如下图所示：

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图12 两个目标的回波信号经过处理后的结果（距离50m）

从仿真结果我们可以清楚地看到，当两个目标距离为50m时，小于雷达的距离分辨率，雷达不能将二者分辨出来。若想提高距离分辨率，则必须减小巴克码的码宽。

参考文献

1 Bassem R.Mahafza.雷达系统分析与设计：MATLAB版.CRC Press.2000:5

2 罗军辉，罗勇江等.MATLAB7.0在数字信号处理中的应用.机械工业出版社.

2005:5

3 Bassem R.Mahafza,Atef Z.Elsherbeni.MATLAB Simulation for Radar System

Design. CRC Press Company. 2003:6

4 于超鹏，郝亮飞.线性调频和巴克码组合调制雷达.探测与控制学报.2009:10.

第31卷：20-24.

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