基于MATLAB的雷达目标测量仿真分析

熊军，行小帅，2，张清泉*，张燕，李艳芳

（1.山西师范大学物理与信息工程学院，山西临汾041004；2.山西应用科技学院工程系，山西太原030031）

基于MATLAB的雷达目标测量仿真分析

熊军1，行小帅1，2，张清泉1*，张燕1，李艳芳1

（1.山西师范大学物理与信息工程学院，山西临汾041004；2.山西应用科技学院工程系，山西太原030031）

概述了雷达了基本原理，根据雷达探测目标的主要方式，通过雷达原理理论与MATLAB仿真软件的结合，构建了一个可探测目标速度和距离的模拟雷达系统，在对于目标所产生的回波信号处理的过程，完整的展现了雷达的基本作用.

雷达目标；信号处理；回波

雷达是英文RADAR（Rɑdio Detection And Rɑng⁃ing的原意是无线电探测和测距.随着科技的不断进步，现代雷达系统更加先进、精密、复杂，诸如军事应用领域的弹道导弹防御雷达、警戒雷达、火控雷达、敌我识别雷达，以及民用中的气象雷达等.本文应用Mɑtlɑb仿真软件对雷达探测发现目标，并测定目标的位置坐标、目标的速度进行了仿真，这种仿真对于雷达系统的各种参数进一步识别和调整有很大的实际意义.

1 雷达的基本原理

1.1 雷达的基本构造

雷达系统的基本构造见图1.一个典型的雷达系统主要由天线、发射机、接收机、信号处理机和终端设备（显示器）等部分构成[1].

（1）发射机：产生雷达基带信号，依据发射频率所需将基带信号变频同时放大达到设计要求所需的功率，并将其传输至天线.

图1 雷达的基本构造Fig.1The basic structure of radar

（2）接收机：对天线接收来的雷达回波信号进行变频，得到中频或基带信号.

（3）天线：发射雷达信号和接收来自目标的雷达回波信号.

（4）信号处理机：对接收机的输出信号进行采集、存储或传输等处理.

（5）显示器：做为雷达系统终端的必备设置，显示处理器对各种信号的处理结果.

1.2 雷达的基本原理

雷达的基本原理相对简单，它以发射出去的电波经目标反射的回波的方式工作.回波信号的特性提供有关目标的信息.通过测量电波传播到目标并返回的时间可得到目标的距离.目标的方位通过方向性天线（具有窄波束的天线）测量回波信号的到达角来确定.如果目标是运动的，多普勒效应使接收的回波信号产生频移，使得雷达能推导出目标的轨迹或航迹，并能预测它将来的运动方向.当雷达具有足够高的分辨力时，在结合原有目标资料库的基础上，能识别出目标的尺寸和形状[2].

2 雷达目标测量的仿真分析

2.1 雷达的性能参数

根据雷达信号处理的主要方式，运用信号处理理论与MATLAB仿真软件[3]相结合的思想，在MAT⁃LAB中构建一个雷达系统来显示雷达发现目标位置、探测目标距离和目标速度上的具体效能.

设置雷达的性能参数见表1.

表1 雷达的性能参数Tab.1Performance parameters of radar

表1中并没有详尽罗列所有的参数指标，只是列出了其中比较重要的部分.其中隐含着部分指标，我们可以通过所列出的指标经过计算得到，如雷达的工作波长，雷达的电波的速度为C=3×108m/s，则雷达的工作波长=传输速度/射频=C/RF.

雷达需要短时间的脉冲波，又要持续的发射信号[4]，线性调频可以同时保留连续信号脉冲的特征，根据相关参数，产生线性调频信号，作为基带信号[5]，中心频率为1.0 MHz.其仿真波形见图2.

图2 线性脉冲调频信号Fig.2The linear frequency modulation pulse signal

2.2 目标的频谱特性

依据回波所反映的目标特性，给出所设置的四个目标的频谱特性见图3.从图中可以看出每四个脉冲为一组，也就是说每一个回波产生一个目标的信息，在16个回波完成后，就产生了四组目标信号的回波信号.通过对比四组目标信号，可以发现每个信号的最高幅值产生的位置除了每组中第二个信号没有明显变化以外，其他三个目标信号都有所变化，这是目标的多普勒频移所导致的.当目标为运动目标时，产生的回波会存在多个多普勒频移，其变化量为2v/λ，其中，v是目标的当前运动速度，λ脉冲的波长.因为第二个目标的速度是0，也就是说是静止的，不存在多普勒频移现象.

图3 目标信号的回波Fig.3The real and imaginary parts of the target signal

由于自然界中的噪声是不可避免的，所以在这个仿真中也加入了一定的噪声信号，不过相对于真实的噪声，所加入的噪声是微小的，噪声设置为（0，0.5）上的均匀分布噪声.

如图4所示，在图3的回波信号基础上，加上一定的干扰信号，从而得到了雷达所接收的总回波信号.

经过雷达的信号处理机对目标的回波信号的处理，可以得到在频域下目标的特性图.如图5所示，只有三个目标的频谱，因为这三个目标是运动的，而另外一个目标是静止的，所以在雷达信号的处理过程去就去除掉了.在雷达的探测过程中，其对静止的或低速运动的物体是不列入所关注的目标的，所以雷达系统在设计时，一般都会为了消除回波信号中的地物杂波而设置对消器，这就是雷达的运动目标显示功能所起到的作用.

图4 总回波信号Fig.4The total echo signal

图5 频域脉压结果的幅度Fig.5The amplitude of frequency domain pulse result

2.3 雷达的MTI和MTD效果显示

雷达拥有测速和定位功能，为实现这个功能，雷达系统经常采用MTI（Moving Tɑrget Indicɑtion——动目标显示）滤波器级联MTD（Moving Tɑrget Detec⁃tion——动目标检测）滤波器来提高雷达系统的检测性能，即先利用MTI滤波器抑制地物杂波，再用MTD滤波器组处理剩余信号，实现对目标回波的相干积累和对背景噪声的非相干积累，从而提高SNR[6].MTI是雷达的动目标显示功能，在信号处理过程中对消静止的或低速目标.

如图6中所示，没有速度为0的，只有三个目标的速度与距离显示，从前到后三个目标的速度/距离依次为50/30、100/60、210/16500.上述显示结果与目标的既定的设置在高速区有一定的出入，但误差在可接受的范围内，是受回波在传送过程受的噪声影响所致.MTD是雷达的动目标检测，是现代雷达系统重要的信号频域处理技术，对目标有测速作用，以区分不同的速度，其作用效果见图7.在MTI动目标显示效果的基础上，对目标的速度和目标距雷达的距离做了更清晰的说明.

图6 雷达的MTI结果图Fig.6The MTI result of radar

图7 雷达的MTD结果Fig.7The MTD result of radar

3 总结

利用MATLAB仿真平台，构建模拟的雷达系统，对雷达目标的测量过程进行仿真分析，从仿真结果可以清楚的看出雷达对目标的距离和速度的测量结果.在这一过程中充分体现了MATLAB在系统建模上的强大功能，并且对所设置的参数便于修改，可以在不同参数条件更好的去了解所模拟系统的性能.

[1]周万幸.雷达手册[M].3版.北京：电子工业出版社,2010.

[2]王宏杰.MATLAB对雷达信号处理机系统前置处理的仿真应用[D].昆明：昆明理工大学,2010.

[3]王嘉梅.基于Matlab的数字信息处理与实践开发[M].西安：西安电子科技大学出版社,2007.

[4]李媛媛.基于Matlab的雷达系统仿真[J].电子元器件应用,2009,11（9）：55-57.

[5]黄振远,朱剑平.X波段雷达线性调频脉冲压缩信号仿真研究[J].火力与指挥控制,2009,34（3）127-129.

[6]曹玉梅.雷达信号处理建模与仿真及其GUI的动态实现[J].科技信息,2009(11)：405-406.

责任编辑：毕和平

The Simulation of Radar’s Detection of the Target Based on MATLAB

XIONG Jun1，XING Xiaoshuai1，2，ZHANG Qingquan1＊，ZHANG Yan1，LI Fanfang1
（1.Institute of Physics and Information Engineering，Shanxi Normal University，Linfen 041004，China；2.Department of Engineering，Shanxi College of Applied Science and Technology，Taiyuan 030031，China）

The bɑsic theory of rɑdɑr wɑs summɑrized in this pɑper.According to the mɑin mode of rɑdɑr signɑl processing, through ɑ combinɑtion of rɑdɑr principle theory ɑnd MATLAB simulɑtion softwɑre,ɑ simulɑtion of rɑdɑr system to detect the tɑrget’s speed ɑnd distɑnce wɑs estɑblished.In the process of the tɑrget echo signɑl’s processing,the role of rɑdɑr hɑs been demonstrɑted entirely.

the tɑrget of rɑdɑr；signɑl processing；echo

TN 955

A

1674-4942（2014）03-0263-03

2014-04-10

*通讯作者