機載PD雷達信號處理系統建模與仿真

摘 要:利用計算機仿真技術的可控制性、可重復性、安全性、經濟性、無破壞性等特點與優勢，在Simulink仿真環境下建立了三個不同中脈沖重復頻率(MPRF)的機載PD雷達數字仿真系統，對機載PD雷達的信號處理系統進行了建模和系統仿真，給出了仿真的系統框圖和仿真結果。最后的仿真結果證明了仿真的正確性。關鍵詞:機載PD雷達; 信號處理; 中脈沖重復頻率; Simulink

中圖分類號:TN95-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)17-0030-03

Modeling and Simulation for Signal Processing System of Airborne Pulse-Doppler Radar

ZHANG Cun-li， HOU Hui-qun，YANG Cheng-zhi

(Aviation University of Air Force， Changchun 130022， China)

Abstract: A digital simulation system of airborne pulse-Doppler (PD) radar with three different MPRFs is set up in the simulation environment of Simulink by making use of the characteristics of the computer simulation technology， such as controllability， repeatability， security， economical efficiency， non-destructiveness and so on. The simulation models are set up for the signal processing system of airborne PD radar. The block diagram of the system and the simulation results are offered. The simulation results prove the correctness of the simulation.Keywords: airborne PD radar; signal progressing; MPRF; Simulink

0 引 言

生產一部雷達，由于雷達系統耗資大、周期長、難以預測因素多、實驗難度大，而且隨著現代戰爭的發展，要求更新更快地研制出性能高威力強的雷達，僅靠實際例行實驗跟不上要求[1]。本文著重研究了機載PD雷達的一個分系統即信號處理系統，用數學模型加以描述，并依據這些模型送入計算機進行處理，能夠在較短的時間內及較低的成本下達到促進機載PD雷達系統研究的目的。

脈沖多普勒(PD)雷達是在動目標顯示(Moving Target Indication，MTI)雷達基礎上發展起來的一種新型雷達體制。這種雷達具有脈沖雷達的距離分辨力和連續波雷達的速度分辨力，有更強的抑制雜波的能力，因而能在較強的雜波背景中分辨出動目標回波[2]。現代機載PD雷達具有低、中、高三種脈沖重復頻率(即LPRF，MPRF，HPRF):LPRF在距離上不模糊，在速度上嚴重模糊;HPRF在距離上嚴重模糊，在速度上不模糊;MPRF在距離和速度上都模糊，雜波通常占據整個多普勒頻帶的全部或大部分，故對目標的檢測都是在雜波加噪聲中進行的，對迎頭目標的探測能力不如HPRF，但是，由于距離上的模糊次數比HPRF的少，旁瓣雜波電平沒有HPRF的高，故在雜波區中的檢測能力，特別是對尾后目標的檢測能力比HPRF好。所以，MPRF波形具有全方位的探測能力，在機載PD雷達中倍受重視[3]，本文即選用三種不同中脈沖重復頻率(MPRF)的信號。

本文建立了機載PD雷達信號處理系統的視頻仿真模型，該模型在Simulink下搭建，Simulink工具包支持線性和非線性系統、連續和離散時間模型，或者是這兩者的混合，所以能夠較好地滿足對機載雷達信號處理系統的仿真。

1 機載PD雷達信號處理部分的建模

對機載PD雷達而言，除了與其他雷達一樣滿足探測性能要求，要求信號具有大的能量外，特別重要的一點是要求同時有良好的測距測速性能，因此機載PD雷達要求使用的是大時寬帶寬信號，這就是機載PD雷達對信號的基本要求[4]。為了在發射機功率受限的條件下，提高發射機的平均功率，增強發射信號的能量，擴大探測距離，并保持良好的距離分辨力，這里選用線性調頻脈沖壓縮信號。該類信號的突出優點就是匹配濾波器對回波信號的多普勒頻移不敏感，即使回波信號有較大的多普勒頻移，匹配濾波器仍能起到脈沖壓縮的作用[5]。圖1是機載PD雷達系統的仿真原理框圖。

圖1 機載PD雷達系統仿真原理框圖

本文仿真即采用線性調頻脈沖信號。線性調頻脈沖信號可以用式(1)表示為:

s(t)=u(t)exp[j2π(f0t+12kt2)](1)

式中:u(t)是調幅函數，為矩形脈沖串信號。

u(t)=recttτ+rectt-Trτ+L+rectt-NTrτ(2)

為簡化模型，這里選用概率密度函數為瑞利分布的幅度分布統計模型，來描述雷達雜波。該模型適用于描述氣象雜波、箔條干擾、低分辨力雷達的地雜波[6]，在中低分辨力條件下，當回波單元(多用于地雜波)足夠大使其包含大量散射體且其回波強度分布滿足中心極限定理時，合成回波是高斯分布的，從而雷達包絡檢波器的輸出是瑞利的。

數字脈壓的常用方法有時域法和頻域快速卷積法兩種。這兩種方法各有千秋，分別適用于不同的要求。本文采用時域卷積法，時域卷積法的優點在于:當數字相關器的運算速度可達到A/D的采樣速度，則整個系統可以實時地進行脈壓處理，輸入信號的長度不受濾波器階數的限制[7]。輸入信號x(n)與匹配濾波器的沖擊響應h(n)卷積后，得到輸出y(n)，其數學表達式為:

y(n)=x(n)*h(n)=∑N-1j=0x(j)x*(N-n+j)，

n=0，1，2，…，N-1(3)

這里采用(MTI+FFT)級聯形成的MTD濾波器組，如圖2所示。

圖2 MTD濾波器

其中，MTI采用三脈沖對消器，他在nfr(n為正整數)附近有凹口可實現對地雜波的近似白化濾波。FFT構成了一組在頻率軸上相鄰且部分重疊的窄帶濾波器組，以完成對多普勒頻率不同的目標信號的近似匹配濾波。

大部分雷達系統為了能在雜波環境中檢測目標，需要對雜波進行必要的處理。根據雜波概率模型的不同，需要采用的恒虛警方法也不一樣，要研究各種情況下恒虛警的性能是比較復雜的，因此針對所采用的符合瑞利分布的雜波情況，本文采用兩側單元平均選大/選小恒虛警(GO-CFAR)的方法[8]，如圖3所示。

圖3 兩側單元平均選大/選小恒虛警檢測框圖

2 仿真與分析

基于Simulink的機載PD雷達信號處理系統如圖4所示[9]。假設某時刻一目標相對我方戰機的徑向速度為270 m/s，徑向距離為22.5 km。設定機載雷達的波長為0.03 m，相參積累的脈沖個數為32，帶寬B為10 MHz，三個脈沖組的脈沖重復頻率分別為8 kHz，11.236 kHz，13.158 kHz，脈寬τ為8×10-6s，寂靜時間為1×10-3s[8]。

圖4 基于Simulink的機載PD雷達信號處理系統

由于Simulink是基于時間流的仿真，因此在仿真中，每個時間點的信號都可以在示波器中顯示。其中橫軸表示時間，單位為秒;縱軸表示信號幅度，單位為伏特。圖5為信號源仿真圖形。圖6為匹配濾波后的信號，即脈沖壓縮以后的正交雙通道信號。可以看出，經脈沖壓縮后，信噪比有大幅提高，但目標仍很弱。

圖5 信號源仿真圖形

圖6 脈沖壓縮后的信號

本文中參考單元取18，門限乘子取3.5，圖7分別是信號經過MTD及CFAR的波形。

圖7 MTD及CFAR處理后的波形

如圖8所示，聚心后三個模糊距離分別為3 750 m，9 150 m，11 093 m;三個模糊多普勒為2 000 Hz，6 720.6 Hz，4 934.3 Hz。運用一維計算法[10]解模糊以后檢測到的目標不模糊距離是22.498 km(代入數據為22.5 km)，不模糊多普勒頻率為18.016 kHz(換算成徑向速度為270.240 m/s，代入數據為270 m/s)，可見他與目標回波仿真中的目標真實距離和速度基本一致，由此可以驗證數字仿真的正確性。

圖8 聚心后的模糊距離和多普勒

3 結 語

采用三種不同中脈沖重復頻率(MPRF)的線性調頻信號，對機載PD雷達的信號處理系統進行了建模與仿真。在恒虛警檢測中，采用了兩側單元平均選大/選小恒虛警檢測方法，解決了信號虛警率增大的問題。最后通過代入實際數據進行仿真運算，并用一維集算法解距離、速度模糊，得到的不模糊距離、速度與實際代入數據基本一致，驗證了該仿真系統的正確性。

參考文獻

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