机载PD雷达信号处理系统建模与仿真
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摘 要:利用计算机仿真技术的可控制性、可重复性、安全性、经济性、无破坏性等特点与优势,在Simulink仿真环境下建立了三个不同中脉冲重复频率(MPRF)的机载pd雷达数字仿真系统,对机载PD雷达的信号处理系统进行了建模和系统仿真,给出了仿真的系统框图和仿真结果。最后的仿真结果证明了仿真的正确性。关键词:机载PD雷达; 信号处理; 中脉冲重复频率; Simulink
中图分类号:TN95-34文献标识码:A
文章编号: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
生产一部雷达,由于雷达系统耗资大、周期长、难以预测因素多、实验难度大,而且随着现代战争的发展,要求更新更快地研制出性能高威力强的雷达,仅靠实际例行实验跟不上要求[1]。本文着重研究了机载PD雷达的一个分系统即信号处理系统,用数学模型加以描述,并依据这些模型送入计算机进行处理,能够在较短的时间内及较低的成本下达到促进机载PD雷达系统研究的目的。
脉冲多普勒(PD)雷达是在动目标显示(Moving Target Indication,MTI)雷达基础上发展起来的一种新型雷达体制。这种雷达具有脉冲雷达的距离分辨力和连续波雷达的速度分辨力,有更强的抑制杂波的能力,因而能在较强的杂波背景中分辨出动目标回波[2]。现代机载PD雷达具有低、中、高三种脉冲重复频率(即LPRF,MPRF,HPRF):LPRF在距离上不模糊,在速度上严重模糊;HPRF在距离上严重模糊,在速度上不模糊;MPRF在距离和速度上都模糊,杂波通常占据整个多普勒频带的全部或大部分,故对目标的检测都是在杂波加噪声中进行的,对迎头目标的探测能力不如HPRF,但是,由于距离上的模糊次数比HPRF的少,旁瓣杂波电平没有HPRF的高,故在杂波区中的检测能力,特别是对尾后目标的检测能力比HPRF好。所以,MPRF波形具有全方位的探测能力,在机载PD雷达中倍受重视[3],本文即选用三种不同中脉冲重复频率(MPRF)的信号。
本文建立了机载PD雷达信号处理系统的视频仿真模型,该模型在Simulink下搭建,Simulink工具包支持线性和非线性系统、连续和离散时间模型,或者是这两者的混合,所以能够较好地满足对机载雷达信号处理系统的仿真。
1 机载PD雷达信号处理部分的建模
对机载PD雷达而言,除了与其他雷达一样满足探测性能要求,要求信号具有大的能量外,特别重要的┮坏悛是要求同时有良好的测距测速性能,因此机载PD雷达要求使用的是大时宽带宽信号,这就是机载PD雷达对信号的基本要求[4]。为了在发射机功率受限的条件下,提高发射机的平均功率,增强发射信号的能量,扩大探测距离,并保持良好的距离分辨力,这里选用线性调频脉冲压缩信号。该类信号的突出优点就是匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感,即使回波信号有较大的多普勒频移,匹配滤波器仍能起到脉冲压缩的作用[5]。图1是机载PD雷达系统的仿真原理框图。
图1 机载PD雷达系统仿真原理框图
本文仿真即采用线性调频脉冲信号。线性调频脉冲信号可以用式(1)表示为:
s(t)=u(t)exp[j2π(f0t+12kt2)](1)
式中:u(t)是调幅函数,为矩形脉冲串信号。
u(t)=recttτ+rectt-Trτ+L+rectt-NTrτ(2)
为简化模型,这里选用概率密度函数为瑞利分布的幅度分布统计模型,来描述雷达杂波。该模型适用于描述气象杂波、箔条干扰、低分辨力雷达的地杂波[6],在中低分辨力条件下,当回波单元(多用于地杂波)足够大使其包含大量散射体且其回波强度分布满足中心极限定理时,合成回波是高斯分布的,从而雷达包络检波器的输出是瑞利的。
数字脉压的常用方法有时域法和频域快速卷积法两种。这两种方法各有千秋,分别适用于不同的要求。本文采用时域卷积法,时域卷积法的优点在于:当数字相关器的运算速度可达到A/D的采样速度,则整个系统可以实时地进行脉压处理,输入信号的长度不受滤波器阶数的限制[7]。输入信号x(n)与匹配滤波器的冲击响应h(n)卷积后,得到输出y(n),其数学表达式为:
y(n)=x(n)*h(n)=∑N-1j=0x(j)x*(N-n+j),
n=0,1,2,…,N-1(3)
这里采用(MTI+FFT)级联形成的MTD滤波器组,如图2所示。
图2 MTD滤波器
其中,MTI采用三脉冲对消器,他在nfr(n为正整数)附近有凹口可实现对地杂波的近似白化滤波。FFT构成了一组在频率轴上相邻且部分重叠的窄带滤波器组,以完成对多普勒频率不同的目标信号的近似匹配滤波。
大部分雷达系统为了能在杂波环境中检测目标,需要对杂波进行必要的处理。根据杂波概率模型的不同,需要采用的恒虚警方法也不一样,要研究各种情况下恒虚警的性能是比较复杂的,因此针对所采用的符合瑞利分布的杂波情况,本文采用两侧单元平均选大/选小恒虚警(GO-CFAR)的方法[8],如图3所示。
图3 两侧单元平均选大/选小恒虚警检测框图
2 仿真与分析
基于Simulink的机载PD雷达信号处理系统如┩4所示[9]。假设某时刻一目标相对我方战机的径向速度为270 m/s,径向距离为22.5 km。设定机载雷达的波长为0.03 m,相参积累的脉冲个数为32,带宽B为10 MHz,三个脉冲组的脉冲重复频率分别为8 kHz,11.236 kHz,13.158 kHz,脉宽τ为8×10-6s,寂静时间为1×10-3s[8]。