01
单基站脉冲测距雷达建模概述
本例展示了如何interwetten与威廉的赔率体系 单站脉冲雷达的接收信号以估计目标距离。单站脉冲雷达的发射器与接收器物理位置上可以认为是同一个点。发射器产生一个脉冲,该脉冲击中目标并产生接收器接收的回波。通过测量回波在时间上的位置,我们可以估计目标的距离。
本示例重点介绍脉冲雷达系统设计,该系统可以实现对雷达系统参数的评估,概述了将雷达性能指标(如探测概率和距离分辨率)转换为雷达系统参数(如发射功率和脉冲宽度)的步骤。同时对环境和目标进行建模,并合成接收的信号。最后,将信号处理威廉希尔官方网站 应用于接收信号,以检测目标的范围。
单站脉冲雷达距离探测系统建模流程如下所示:
02
雷达建模过程
1. 雷达系统指标
脉冲雷达的性能指标如下:
1). 距离雷达5000米的距离内,可以检测具有1平方米雷达横截面(RCS)的非波动目标。
2). 距离分辨率为50米。
3).检测概率 (Pd) 为 0.9,误报概率 (Pfa) 低于 1e-6。
由于相干检测需要相位信息,因此计算成本更高,因此我们采用非相干检测方案,此示例假定为自由空间环境。
matlab程序如下:
** 2. 雷达波形 **
在本例中,使用最简单的矩形波。所需的距离分辨率决定了波形的带宽,对于矩形波形,带宽决定了脉冲宽度。
脉冲波形的另一个重要参数是脉冲重复频率(PRF)。PRF 由最大探测距离决定。matlab程序如下
3 接收器噪声特性
假设接收器中存在的唯一噪声是热噪声,因此此仿真中不涉及任何杂波。热噪声的功率与接收器带宽有关,本实例接收器的噪声带宽设置为与波形带宽相同。在实际系统中通常就是这种情况。假设接收器具有20 dB增益和0 dB噪声系数。
4 发射器
发射器最关键的参数是峰值发射功率。所需的峰值功率与许多因素有关,包括最大探测距离、接收器所需的SNR以及波形的脉冲宽度。其中,接收器所需的信噪比由Pd(检测概率)、 Pfa(误警概率)的设计目标以及接收器实施的检测方案决定。
Pd、Pfa 和 SNR 之间的关系可以用接收器工作特性 (ROC) 曲线来最好地表示。
5 辐射与信号拾取
在雷达系统中,信号以电磁波的形式传播,信号需要由雷达系统中使用的天线辐射和拾取。这就是散热器和收集器进入图片的地方。
在单基地雷达系统中,辐射器和拾取器共享同一天线,为了简化设计,本实例使用各向同性天线。系统设计信号载波为10GHz,天线的频率范围设置为5-15 GHz。同时假设天线是静止的。
6 目标模拟与信道建模
本实例定义 3个静止非波动目标。它们的位置和雷达横截面如下程序所示:
定义雷达和目标间信道为自由空间,其定义如下程序所示:
7 信号发射与接收
信号处理前先定义时间网格,为便于计算,定义一个粗的时间网格为一个脉冲周期,细的时间网格为采样时间。这样脉冲就可以使用二维数组表示,定义如下:
下面计算10次脉冲的反射信号,计算过程如下:
1):计算每次脉冲发射时目标以及雷达的位置信息
2):计算目标相对于雷达的距离以及角度信息
3):发射器发射波形
4):天线辐射发射能量
5):信号经过信道到达目标
6):信号反射
7):反射信号由天线拾取
具体程序如下图所示:
8 距离计算
在雷达应用中,使用检波器将信号功率与阈值功率进行比较,以获得满足指标的Pfa。本实例假设噪声为高斯白噪声,检测为非相干检测,因此阈值功率可以根据下面程序进行计算。
根据上面结果,前两个脉冲的回波如下图所示:
匹配滤波可以提升信号增益,从而可以提升检测概率,本实例使用发送脉冲作为匹配滤波输入进行匹配滤波,程序如下。
匹配滤波器引入固有滤波器延迟,使峰值位置(最大SNR输出样本)不再与真实目标位置对齐。为了补偿这种延迟,在本例中,我们将匹配滤波器的输出向前移动,并在末尾填充零。在实际系统中,由于数据是连续收集的,因此实际上没有尽头,只能通过后续计算滤波器固有延迟进行补偿。
检测阈值也会随着匹配滤波增加而增加。
下图为匹配滤波之后的信号:
9 信道补偿
在匹配滤波后,SNR得到改善。但是由于接收信号功率取决于距离,因此近距离目标能量仍然比远处目标要强得多。如上图所示,来自近距离目标的噪声有很大可能超过阈值并遮蔽更远的目标。为了确保阈值对可检测范围内的所有目标都是公平的,本实例使用时变增益来补偿接收回波中的距离相关损耗。
为了补偿与距离相关的损耗,我们首先计算对应于每个信号样本的距离,然后计算对应于每个距离的自由空间路径损耗。获得该信息后,我们对接收到的脉冲施加时变增益,以便返回值好像来自相同的参考距离(最大可检测范围)。
经过距离衰减补偿后的信号波形如下所示:
可以通过将N个回波脉冲进行非相关积分进一步提升SNR,程序如下所示:
非相干积分后,信号波形如下所示:
最后进行距离探测,程序如下:
雷达系统计算距离和实际距离如下所示:
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