雷达信号处理仿真

【摘要】文章针对现代雷达信号处理的主要方式，建立了雷达信号处理仿真的数学模型，其中包括正交双通道处理、动目标检显示、动目标检测以及恒虚警处理等。根据数学模型，用Matlab软件对雷达信号处理系统进行了仿真，得到了雷达系统中各个处理点上的具体信号形式，并用图形用户界面（GUI）来动态显示雷达信号处理过程，使仿真结果表现得更直观。

【关键词】雷达信号处理；正交双通道处理；动目标显示；动目标检测；恒虚警检测

1 引言

雷达信号处理的目的是消除所有不需要的信号及干扰，提取或加强由目标所产生的回波信号，在处理过程中要用到一些信号处理的关键技术，如数字正交双通道处理、脉冲压缩技术、固定目标对消技术、动目标显示技术、动目标检测技术、恒虚警处理和脉冲积累等。由于现代雷达信号处理过程日益变得复杂，难以用简单直观的分析法进行处理，往往需要借助计算机来完成对系统的各项功能和性能的仿真。利用计算机来进行雷达系统的仿真具有方便、灵活以及经济的特点。而MATLAB提供了强大的仿真平台，可以为大多数雷达系统的仿真提供方便快捷的运算。

2雷达信号处理基础

2.1  数字正交双通道处理

在全相参雷达中，可以用正交双通道处理来获得中频信号的基带信号（零中频信号），有时也称为中频信号的复包络。正交双通道处理的框图如图1所示，其中为中频回波信号。

图1  正交双通道处理框图

其中中频回波信号为：

上式中，为中频频率，表示多普勒频率，其值可能是正值或负值，也可能为零。

图1中的低通滤波器将滤去的分量，这样就可以得到正交双通道信号。

2.2  MTI原理

MTI雷达利用动目标回波的多普勒频移来区分动目标和固定目标。在脉冲雷达系统中，这一多普勒频移表现为目标距离变化导致的相继返回的目标回波脉冲间的相位变化，而固定目标的所有回波脉冲的相位不发生变化。杂波对消器是最早出现、也是最常用的MIT滤波器之一。根据对消次数的不同，又分为一次对消器、二次对消器和多次对消器。

一次对消器的输出为：

二次对消的输出为：

式中为雷达信号的重复周期。

2.3  MTD原理

传统的MTI雷达的主要目的是抑制地面背景形成的杂波，把相对于雷达有径向运动的目标显示出来。因此，它主要关心的是固定杂波的抑制而并未对目标回波进行匹配滤波。要对回波相参脉冲串作匹配滤波，必须知道目标的多普勒频移以及天线扫描对脉冲串的调制情况。在实际工作中，目标的多普勒频移不能预知，因此需要采用一组相邻且部分重叠的滤波器组，覆盖整个多普勒频率范围。这就是窄带多普勒滤波器组，其实质是相当对不同通道进行相参积累处理。通过窄带滤波器组滤出运动目标的谱线。

相参积累可表示为：

式中为积累的脉冲数，为加权系数。如果对每次回波，加权系数为：

式中表示第个系数输出，表示从0到的标记，每个值对应不同的加权值，相对应一个不同的多普勒滤波器响应，这就是多普勒处理。

目前对多普勒滤波器的实现方法有两种，一种是在时域上采用FIR滤波器组实现，另一种是在频域上采用FFT实现。由于FFT算法的运算量小，因而被广泛采用。

2.4  恒虚警处理（CFAR）

恒虚警(CFAR)处理是指在变化的非均匀杂波和噪声干扰环境中保持虚警概率恒定，从而保证整个系统正常工作的一种信号处理技术。

恒虚警方法就是采用自适应门限代替固定门限，而且此自适应门限能随着被检测点的背景噪声、杂波和干扰的大小自适应地调整。如果背景噪声、杂波和干扰大，自适应门限就调高；如果背景噪声、杂波和干扰小，自适应门限就调低，以保证虚警概率恒定。恒虚警处理有多种方法，从大的分类来看，有所谓的均值类CFAR、有序统计量类CFAR和杂波图CFAR等等。均值类CFAR包括多种实现方式，如单元平均方式、两侧单元平均选大方式和两侧单元平均选小方式等等，其基本理论是相同的。

高斯白噪声（通过包络检波器以后，噪声电压服从瑞利分布）背景下的恒虚警检测器是通过计算输入噪声的均值估计，然后对输入信号进行归一化检测，这时检测门限可采用固定门限。

3仿真实例

图2是用MATLAB制作的界面，界面中可以输入的参数有脉冲重复频率、脉冲宽度、采样频率、目标距离、目标多普勒频率、相参积累的脉冲数以及想达到的虚警概率。界面可以方便查看各个信号处理过程的图形，比如正交双通道处理后的回波信号、进行完MTI和MTD处理后的信号以及恒虚警处理后的信号。输出的参数有估计的目标距离以及目标多普勒频率。

图2  雷达信号处理的MATLAB界面

本课程设计所选择的信号（简单脉冲串信号）参数为：

脉冲重复频率：1600Hz        脉冲宽度：2e-6s          采样频率：1e6Hz 

目标距离：53000m           目标多普勒频率：800Hz    积累脉冲：8

虚警概率：1e-8

3.1  正交双通道处理后的波形

图3为雷达目标回波信号经过正交双通道处理后的波形，其中包括了目标回波信号、杂波和噪声，由于杂波和噪声均强于目标信号，导致目标信号淹没在杂波和噪声中而无法检测。通过MTI处理可以除去静止杂波，通过MTD处理可以提高信杂比和信噪比，提高信杂比和信噪比后有利于后面的恒虚警检测。

图3  正交双通道处理后的信号

3.2  MTI和MTD处理后的波形

图4为MTI和MTD处理后的信号波形。先通过MTI处理消除大部分静止的杂波，但是信杂比还是不高，接着在每个距离单元上进行FFT处理，这相当于进行了相参积累（积累脉冲数越多积累效果就越好）从而改善了信杂比，这时目标已经可以大致看出来，但还要经过CFAR处理后才能确定是虚警还是真实的目标信号。由多普勒滤波器组各通道输出信号(一个周期)可以看出，第4通道有较强的目标回波，即在第4通道有可能检测出目标的存在。因此，如果目标存在可以推测出多普勒频率大约在附近。然后将第4通道的数据取出来单独进行后面的恒虚警检测。

图4  MTI和MTD处理后的信号

3.3  恒虚警处理后的波形

图5  n=8时恒虚警处理后的波形

图5为恒虚警处理后检测的输出结果，经过恒虚警检测后，目标被检测了出来。根据CFAR处理输出的结果的位置可以计算出目标的距离（如输出参数中的估计的目标距离53250m），根据输出所在的通道数可以大致计算出目标的速度（如输出参数中的估计的目标多普勒频率800Hz）。积累的脉冲数越多，信杂比就越高，目标检测概率就越大。图6是积累脉冲数为16的检测效果图，从图中可以看出信杂比提高了，目标检测概率增大了。

图6  n=16时恒虚警处理后的波形

参考文献

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[2]  丁鹭飞,张平. 雷达系统[M]. 西安: 西北电讯工程学院出版社,2002.

[3]  吴彪,陈娟. 雷达信号处理MTI/MTD的性能分析和仿真研究[J]. 航天电子对抗,2006(3).

[4]  何友,关键等. 雷达自动检测与恒虚警处理[M]. 北京：清华大学出版社,1999.

[5] 周宇,让,田惠.基于Matlab/Simulink的雷达系统仿真［J］.计算机仿真,2004(11):235-237.