脈沖雷達的基本工作過程如下圖所示
對于脈沖雷達來講,只對信號的存在進行判斷,得出的結果很簡單:是否接收到回波信號,附帶延時。
本文將重點講解虛線框中的部分,也就是雷達信號的接收和檢測,x(t)為接收端經過預處理的信號。
匹配濾波器的概念和意義
匹配濾波器可以等價于一個相關器,其主要作用是去除信道中的白噪聲影響。相關器,顧名思義就是計算兩個信號的關聯程度,或者說相似程度。
Rxy(τ)的值越大,則表示x(t)和y(t)相似程度越高。假設要從x(t)要檢測出有用信號s(t),那么這個濾波器該要怎么設計呢?
仔細觀察上式,可以做如下變換
假設x(t),s(t)為兩個空間向量X,S,t是[t0,t1]時間寬度,維度等于抽樣點數,連續的話就是無窮維。
現在問題就轉化成了求
當x(t)和s(t)線性相關時,等式成立,對于一維函數來講,有如下關系
當 x(t) = ks(t)時,即取有用信號s(t)自身做匹配濾波器的模板,可以得到最大的相關性輸出。
換句話說,s(t)和與自己的有尺度變換的信號相關性是最強的。
波形的選擇
雷達脈沖波形的選擇有3個要點:
1.盡可能地利用系統帶寬
2.波形簡單易于實現
3.自相關函數呈現邊帶特征,主旁瓣和峰值易于識別
要滿足以上3點,chirp信號,也稱LFM,即線性調頻信號是一個不錯的選擇,其數學表達式如下:
其中β為掃頻帶寬,τ為掃頻時間,βτ稱為BT積
波形是這樣的
頻率隨時間是這樣變化的
其瞬時頻率F(t) 為
頻譜是這樣的
近似一個帶寬為βHz的矩形。
自相關函數是這樣子的
接近一個δ函數,具有很強的指向性,非常容易分辨。實際上它的瑞利分辨率為1/β S,瑞利分辨率可以近似理解為時間分辨率,意為最小的可分辨的回波間隔。
系統仿真
假設有這樣一個雷達系統,其中頻接收機采樣率125M SPS,中頻帶寬20 MHz,脈沖時長10uS,發射功率5W,接收衰減120dB(含來回信號衰減,天線增益等影響因素),噪聲增益106dB,現在探測500m外的一個目標,情況如何呢?
可以看到接收信號已經完全被噪聲淹沒,但相干接收機仍然檢測到了信號。
實際距離500米,測算距離4.992000e+02米,誤差0.160000%
發射功率 4.929363e+00,接收功率 4.843071e-12,噪聲功率 7.985455e-11,信噪比 -12.171789dB
參考仿真代碼
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參考資料:《雷達信號處理基礎 Fundamentals of Radar Signal Processing》[美] Mark A .Richards
審核編輯 :李倩
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原文標題:脈沖雷達和相干檢測
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