基于LabVIEW的脉冲雷达接收机示教软件设计

陈立海　关成斌　孙仲元　陈　林

(1.91329部队　威海　264200)(2.海军航空工程学院电子信息工程系　烟台　264001)

(3.海军航空工程学院研究生管理大队　烟台　264001)(4.92187部队　长治　046000)



基于LabVIEW的脉冲雷达接收机示教软件设计

陈立海1关成斌2孙仲元3陈林4

(1.91329部队威海264200)(2.海军航空工程学院电子信息工程系烟台264001)

(3.海军航空工程学院研究生管理大队烟台264001)(4.92187部队长治046000)

摘要雷达接收机比较复杂,其信号频率高,器件精密昂贵,对其进行测试所需仪器也造价不菲,因此在教学中往往很难进行实物的充分展示,另外由于其信号具有抽象性,在学生学习的过程中常常感觉很难掌握相关原理及组成结构。为了解决这个问题,论文基于LabVIEW软件开发了雷达接收机的仿真软件,采用模块化的设计,以及数字信号处理的方法实现,实时显示雷达接收机各部分的信号波形和频谱。模块划分清晰、功能实现原理明确、便于受训对象理解掌握,雷达接收机的重要知识点均得到充分体现。

关键词雷达接收机; LabVIEW软件; 仿真

Radar Receiver Simulation Software Based on LabVIEW

CHEN Lihai1GUAN Chengbin2SUN Zhongyuan3CHEN Lin4

(1. No. 91329 Troops of PLA, Weihai264200)

(2. Department of Electronic and Information Engineering, NAAU, Yantai264001)

(3. Graduate Students’ Brigade, NAAU, Yantai264001)(4. No. 92187 Troops of PLA, Changzhi046000)

AbstractThe radar receiver is complicit and expensive, which frequency is high. And the test instruments are costly. So it is difficult to show in practicality. In addition, the signal is invisible, so many students feel that it is difficult to understand the principles. To solve the problem, the radar receiver simulation software based LabVIEW is developed, which is designed in modularization and DSP. And the signal wave and frequency spectrum are displayed in real-time. Modules are divided clearly, the principles of realization is definite, so it is easy to be caught by students. The key knowledge points of radar receiver are exhibited.

Key Wordsradar receiver, LabVIEW software, simulation

Class NumberTP391

1引言

雷达作为一个主动传感器,具有作用距离远、全天侯、全天象的特点,在军事和民用上都得到了越来越广泛的应用。而雷达作为一个无线电设备,对其原理的学习较难掌握,特别是它的信号复杂且抽象,甚至有些信号无法通过仪器去观察[1],本文通过LabVIEW开发一款脉冲雷达接收机示教软件,从信号波形、信号频谱和信号处理数学实现的角度展示雷达接收机的原理。

雷达的接收机离不开雷达发射机发射的信号,文献[2]较详细地阐述了雷达发射机仿真软件的设计方法,本文在发射信号的基础上进一步地阐述接收机的示教软件的设计和开发[2]。

2LabVIEW软件简介

LabVIEW是美国国家仪器公司的软件产品,是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境。由于其最初应用于NI的虚拟仪器编程上,自1986年问世以来,LabVIEW已经成为虚拟仪器软件开发平台事实上的工业标准,在研究、制造和开发的众多领域得到广泛的应用。其实这种编程语言不仅仅应用于虚拟仪器领域,可以说其他高级编程语言能够实现的功能,它也都能够实现,它与传统高级编程语言最大的差别在于编程方式的不同,一般的高级语言采用文本编程,而LabVIEW采用图形化编程方式,因此又被称为G语言(Graphic Language)[3]。LabVIEW利用工程技术人员所熟悉的术语、图标和概念进行编程,从而将工程人员的主要精力放在构建自己的科学和工程系统方面而不是放在编程本身上,因而可以大大提高工作效率[4~7]。

3接收机系统框图

接收机框图如图1所示,主要由低噪声高频放大器、混频器、本振、中频放大器、匹配滤波器、检波器等部分组成[8~9]。本文通过数字信号处理的方法实现这些组成部分功能的实现,并将各信号和频谱显示出来。

图1　雷达接收机框图

4接收信号的产生

雷达接收信号为发射信号遇到目标,反射的回波信号,因此其信号形式和发射信号是相同的,不同的是接收信号的幅度小,相对发射信号有一个对应于目标距离的延迟时间,因此本文接收信号是在发射信号的基础上进行延时实现的[1,8~9]。

要模拟接收信号只要对调制信号进行延迟处理即可。本文通过利用一维数组循环移位函数,将使数组中的元素移动位置实现回波信号的延时。另外考虑到接收信号比发射信号小,要在发射信号的基础上加上一个衰减,考虑杂波以及接收机噪声的影响,增加一个噪声信号,设计程序框图如图2接收部分所示[10]。

图2　脉冲雷达接收机程序框图

图3　脉冲雷达接收机程序框图(续)

得到发射信号和接收信号的模拟波形如图4所示,可以观察到成功地模拟了时差。

5低噪声高频放大器的程序设计

低噪声放大器,即噪声系数很低的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器,以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合,放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重,因此需要采用低噪声高频放大器,以提高输出的信噪比。

放大器的模拟在数学上可以简单地通过一个乘法器来实现。

但虽然低噪声高频放大器毕竟还是有噪声的,因此需要增加上该器件内部产生的噪声,本文通过高斯白噪声生成vi实现,但其标准差与器件的噪声系数、带宽、增益等因素相关。

额定噪声功率N0=kT0Bn,其中k为玻尔兹曼常数,k=1.38×10-23J/K;T0=290K;Bn为通带带宽。

图4　脉冲雷达程序前面板

因此,要表示出额定噪声功率,只需要确定接收机带宽Bn的值。一般接收机带宽和信号的脉冲宽度τ之间满足如下关系:

(1)

6混频器的实现

从接收机前端接收到的信号为高频信号,高频器件成本高,处理困难,因此一般经过混频转换为中频进行处理,在这个过程中,幅度和相位信息得到最大程度的保留,信息损失少。

设接收信号的表达式为

S1(t)=A1sin(ω1t)

(2)

本振信号的表达式为

S2(t)=A2sin(ω2t)

(3)

将S1与S2相乘得到的结果为

A1sin(ω1t)·A2sin(ω2t)=0.5A1A2[cos(ω1+ω2)t

-cos(ω1-ω2)t]

(4)

可见,两个正弦波信号相乘以后会得到这两个信号的和频分量和差频分量,采用一个低通滤波器将和频部分滤除,即可得到差频信号。其中,本振信号为一个连续的正弦波信号,采用正弦波vi生成。

混频器的LabVIEW程序流程图如图3的混频部分所示,将模拟回波信号输入乘法器一端,本机振荡信号输入乘法器的另一端,将得到的混合信号通过低通滤波器,调节低截止频率(默认为0.125时可取的较好的效果)直至得到适用的波形为止。波形如图4的混频输出信号所示。此处同样需要加上噪声部分,生成方法同前所述。

7中频放大器的实现

中频放大器的实现方法和低噪声高频放大器的实现方法相同。

8匹配滤波的实现

匹配滤波器是在白噪声背景中检测信号的最佳线性滤波器,其输出信噪比在某个时刻可以达到最大。

如果已知输入信号s(t),其频谱为S(ω),则可以证明匹配滤波器在频率域的特性为

H(ω)=kS*(ω)exp(-jωt0)

(5)

式中,S*(ω)为频谱S(ω)的共轭值;k为滤波器的增益常数;t0为滤波器的延迟时间。

在t0时刻将有信号的最大输出。

同样可以证明,匹配滤波器在时间域的函数,即其脉冲响应为

h(t)=ks*(t0-t)

(6)

式中,s*(t0-t)为输入信号的镜像,它与输入信号s(t)的波形相同,但从时间t0开始反转过来。

在对匹配滤波器作理论研究时,延时t0和增益常数k可以不予考虑,因此匹配滤波器的上述方程式特性可以简化为

H(ω)=S*(ω)

(7)

h(t)=s*(-t)

(8)

从式(7)和式(8)可以看出:匹配滤波器的频域传递函数是输入信号频谱的复共轭。将中放信号的FFT结果与传递函数相乘,然后并对其进行反FFT,即可得到匹配滤波的结果。其实现流程框图如图3的匹配滤波部分所示。

9检波的实现

检波器就是从调幅波中提取调制信号的电路,也可称为幅度解调器。与调制器一样,检波器必须使用非线性元件,因而通常含有二极管或非线性放大器。

本文中的检波采用的是平方率检波器。平方律检波器是一种提取包络的电路。在解调的时候,通过信号的平方就可以获取两倍载波频率的信号以及目标的幅度分量,然后经过低通滤波器去掉高频分量,得到所需的幅度信息。

设输入信号s(t)=Asin(ωt),对s(t)作平方,得到:

s2(t)=A2sin2(ωt)=A2-A2cos2(ωt)

=0.5A2-0.5A2cos(2ωt)

(9)

通过式(9)可以发现,经过平方处理,得到了一个幅度平方分量和一个2ω的频率分量。

可以通过增加一个低通滤波器,调整截止频率,滤掉2ω的分量,最终得到信号的幅度信息。

由以上分析可见,检波器可以通过一个平方器和一个低通滤波器来完成检波的功能,如图3的检波部分所示。检波波形如图5的检波输出波形所示。

图5　脉冲雷达程序前面板(续)

10总体程序

图2、图3为总体程序框图,图4、图5总体程序的前面板。可见,本程序实现了接收机主要功能的数字化实现,并实时显示脉冲雷达的主要信号波形及频谱。应用于教学中,可给学生以直观的认识。

11结语

本文通过LabVIEW实现了对接收机各组成部分的数学实现方法,并绘制了各部分信号波形及频谱。所开发的程序应用于教学上可提高学生对接收机各组成部分的理解,提高对接收机各部分信号的感性认识,同时通过实现原理的介绍,并指导学生自主改进和实现,对提高学生的实践技能的培养具有重要作用。

参 考 文 献

[1] 丁鹭飞,耿富录.雷达原理[M].北京:电子工业出版社,2009:1-25.

DING Lufei, GENG Fulu. Radar principles[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2009:1-25.

[2] 张小红,关成斌,陈松,等.基于LabVIEW的雷达发射机仿真软件设计[J].现代导航,2014,5(6):450-454.

ZHANG Xiaohong, GUAN Chengbin, CHEN Song, et al. Design of radar transmitter simulation software based on LabVIEW[J]. Modern Navigation,2014,5(6):450-454.

[3] 刘刚,王立香,张连俊.LabVIEW8.20中文版编程及应用[M].北京:电子工业出版社,2008:2-20.

LIU Gang, WANG Lixiang, ZHANG Lianjun. Programming using LabVIEW 8.20 in Chinese with application[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2008:2-20.

[4] 车志宇,关成斌,孙保良.基于LabVIEW的DSO存储波形处理与分析[J].现代电子技术,2013,36(3):78-80.

CHE Zhiyu, GUAN Chengbin, SUN Baoliang. Processing and analysis of wave stored by DSO Based on LabVIEW[J]. Modern Electronics Technique,2013,36(3):78-80.

[5] 沈辉,沙立民,张重龙.基于LabVIEW的多功能虚拟示波器设计[J].电子测量技术,2012,35(11):90-93.

SHEN Hui, SHA Limin, ZHANG Chonglong. Design of multifunctional oscilloscope based on LabVIEW[J]. Electronic Measurement Technology,2012,35(11):90-93.

[6] 贾锋.基于LabVIEW的虚拟信号分析仪的设计与研究[J].电子测试,2012(10):42-45.

JIA Feng. Design and study of virtual signal analyzer based on LabVIEW[J]. Electronic Test,2012(10):42-45.

[7] 岂兴明,田京京,夏宁.LabVIEW入门与实践开发100例[M].北京:电子工业出版社,2011:101-107.

QI Xingming, TIAN Jingjing, XIA Ning. Introduction of LabVIEW with 100 practical development cases[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2011:101-107.

[8] Merrill I. Skolnik.雷达系统导论[M].左群生,徐国良,等译.第三版.北京:电子工业出版社,2007:549-571.

Merrill I. Skolnik. Introduction to radar system[M]. ZUO Qunsheng, XU Guoliang, et al, translated. Edition 3. Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2007:549-571.

[9] 巴塞姆·马哈夫扎.雷达系统设计Matlab仿真[M].北京:电子工业出版社,2009.

Bassem R. Mahafza. Radar Systems Analysis and Design Using MATLAB[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2009.

[10] NI公司.LabVIEW入门指南(电子版)[M].美国:NI公司出版,2012:1-70.

NI Co. LabVIEW getting starte(electronic edition)[M]. USA: NI Corporation,2012:1-70.

中图分类号TP391

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.01.041

作者简介:陈立海,男,研究方向:雷达工程。关成斌,男,硕士,讲师,研究方向:雷达工程、信号与信息处理。孙仲元,男,硕士研究生,研究方向:雷达工程。陈林,男,助理工程师,研究方向:雷达工程。

收稿日期:2015年7月17日,修回日期:2015年8月25日