脉冲dsp多普勒雷达测速测距
一实验目的
在DSP上实现线性调频信号的脉冲压缩、动目标显示MTI 和动目标检测MTD 并将结果与MATLAB上的结果进行误差仿真。
二实验内容
2.1 MATLAB仿真设定带宽、脉宽、采样率、脉冲重复频率用MATLAB产生16个脉冲的LFM每个脉冲有4个目标静止低速高速 依次做
2.1.1脉压
2.1.2相邻2脉冲做MTI 产生15个脉冲
2.1.3 16个脉冲到齐后做MTD输出16个多普勒通道
2.2 DSP实现
将MATLAB产生的信号在visual dsp中做脉压 MTI 、 MTD并将结果与MATLAB作比较。
三实验原理
3.1脉冲压缩原理及线性调频信号雷达中的显著矛盾是雷达作用距离和距离分辨率之间的矛盾以及距离分辨率和速度分辨率之间的矛盾。雷达的距离分辨率取决于信号带宽。在普通脉冲雷达中雷达信号的时宽带宽积为一常量约为1 因此不能兼顾距离分辨率和速度分辨力两项指标。脉冲压缩PC采用宽脉冲发射以提高发射的平均功率保证足够的最大作用距离而在接收时则采用相应的脉冲压缩法获得窄脉冲 以提高距离分辨率因而能较好地解决作用距离和分辨能力之间的矛盾。一个理想的脉冲压缩系统应该是一个匹配滤波系统。它要求发射信号具有非线性的相位谱并使其包络接近矩形要求压缩网络的频率特性包括幅频特性和相频特性与发射脉冲信号频谱包括幅度谱和相位谱实现完全的匹配。脉冲压缩按信号的调制规律调频或调相分类可分为以下四种
1 线性调频脉冲压缩
2非线性调频脉冲压缩
3相位编码脉冲压缩
4时间频率编码脉冲压缩本实验采用的是线性调频脉冲压缩。 线性调频信号是指频率随时间的变化而线性改变的信号。线性调频可以同时保留连续信号和脉冲的特性并且可以获得较大的压缩比有着良好的距离分辨率和径向速度分辨率所以将线性调频信号作为雷达系统中一种常用的脉冲压缩信号。
接收机输入端的回波信号是经过调制的宽脉冲所以在接收机中应该设置一个与发射信号频率匹配的滤波器使回波信号变成窄脉冲 同时实现了宽脉冲的能量和窄脉冲的分辨能力。解决了雷达发射能量及分辨率之间的矛盾。
匹配滤波器是指输出信噪比最大准则下的最佳线性滤波器。根据匹配理论匹配滤波器的传输特性
用它
。 h t 的冲激响应来表示时域表示
3.2 MTI 动目标显示原理在雷达终端的显示器 当杂波与运动的目标在显示器上同时出现时观察将会变得困难特别是在强杂波时弱的目标信号将会完全被淹没。 由于目标回波的多普勒频移远大于杂波的多普勒频移从而可在频域上区分目标与杂波。MTI的设计主要是合理的选择滤波器动目标显示滤波器MTI 利用运动目标回波和杂波在频谱上的区别有效地抑制杂波而提取信号。由下图可以看出回波信号含杂波与目标
图3.4横向滤波器图3.5 N=16时滤波器频响该滤波器的频率覆盖范围为0到fr fr为雷达工作重复频率。气象杂波如云雨等和箔条杂波受气流和风力的影响会相对雷达而动其频谱中心不是固定在 0频附近而是在某个频率区间内变化的抑制此类杂波用普通的MTI滤波器是不行的而MTD滤波器则可以抑制此类杂波。
四实验步骤以下是该实验中设定的几个参数BandWidth=2.0e6 带宽
TimeWidth=42.0e-6-------------------------------------------脉宽
Fs=2.0e6-----------------------------------------------采样率
PRT=240e-6-------------------------------------------脉冲重复周期
TargetDistance=[30008025802525600]------------------目标距离
Targ etVel ocity=[50-1000283]--------------------------目标速度
%其中X=0;Y=8;Z=3;对应学号1302121083的后三位假设接收到的回波数是16个噪声为高斯随机噪声。
4.1在MATLAB中产生线性调频信号。
4.2根据目标距离得出目标回波在时域的延迟量根据目标速度得出多普勒相移从而在MATLAB中产生4个目标的16个回波串接收到的回波含噪声 。
4.3 由匹配滤波理论产生对应于目标回波的滤波系数脉压系数 在时域中做线性卷积实现匹配滤波时域脉压在频域中做回波信号和脉压系数的FFT点乘后作逆FFT实现频域脉压。两者进行比较讨论其差别。
4.4对16个去暂态点后的脉冲串按接收顺序进行排列用一次相消器一种滤波方式实现MTI 。
4.5做16通道的FFT实现MTD。
4.6在DSP中对MATLAB产生的回波数据和脉压系数进行处理实现频域脉压。导入DSP的回波数据为时域数据而脉压系数为频域数据。将导入DSP的时域回波数据进行一次FFT变换到频域然后将其与频域脉压系数进行点积得到频域脉压结果。对该结果再做一次逆FFT将频域转换成时域。在这一步中需要调用库函数fft_flp32.asm。该子程序可实现8192
点复数的FFT功能。 由于C语言中无法实现复数运算 因此对8192个复数按照实部虚部交替的顺序进行重排列用长度为16384的数组来存放时域回波数据。频域相乘后
做乘积结果的逆FFT得到脉压结果。做逆FFT仍需调用库函数fft_flp32.asm此时要通过FFT子程序实现逆FFT的功能要对频域的数据进行处理才能达到这一目的。
4.7对脉压后的数据按照脉冲号重排相邻序列的数据相减(滑动对消)实现MTI。
4.8调用子程序fft_16.asm做16通道FFT实现MTD。入口参数为16通道的脉压数据。
五实验结果及讨论本部分将详细分析实验得到的数据、图像、误差、产生速度模糊的原因以及脉压频域、时域执行周期。
5.1 MATLAB中时域脉压和频域脉压结果的比较
用频域脉压节省了很大的的运算量当序列长度很大时用FFT进行运算的优势更明显。
5.2 MATLAB与DSP的结果比较:
5.2 MATLAB与DSP处理结果比较
由图5.2可以看出 MATLAB与DSP之间处理数据的误差很小脉压结果绝对误差范围在10数量级上 MTI 、 MTD绝对误差范围分别在10和10上。 由于两种工具处理数据的精度不一样 MATLAB用CPU处理数据 DSP用DSP内核处理数据。所以结果会有一定误差这个误差在可以接受的范围内。
6.1脉冲压缩分析脉冲压缩提高了雷达分辨率从信号幅度上分析第一个目标由于距离比较近 雷达发射与接收是分开进行的 当回波到达是雷达还处于发射状态雷达处于闭锁期不能接收回波从而第一个目标的回波幅度很小。与此同时 由于闭锁期的影响 回波信号的带宽减小而脉压后的信号时宽带宽积是定值故时宽变大 导致旁瓣变大。第二与第四个目标的距离相同在时域上两个信号的回波进行叠加所以回波幅度比较强但是由于两个目标回波相位上存在角度第四个目标存在多普勒频移在不同的脉冲重复周期内两个信号的角度不同矢量相加的结果则信号幅度也不同所以幅度存在着波动。
6.2 MTI分析根据一次相消得频率响应可以知道不同频率的幅频响应的差异 当处在中间位置时响应最大通过滤波器后信号幅度也就最强。根据频率响应的不同也就出现MTI结果图中的三个梯度的变化。在MTI中不同速度目标幅度有变化是因为有不同的多普勒频移可以说目标的幅度被多普勒频移信号调制了。可以从另外一个角度理解 当采用连续波雷达测速时经过差频处理后获得的信号是一个以多普勒频移为中心频率的单载频信号当采用脉冲信号时相当于是以PRF为采样频率对单载频信号进行一个采样幅度自然就会产生变化。
6.3 MTD速度/多普勒通道的含义
MTD中不同的多普勒通道是匹配与不同多普勒频移的匹配滤波器。当目标速度产生的多普勒移处在哪个通道的范围内是哪个通道就有信号输出其他通道不匹配则无输出测速分辨力
假设目标速度都是正的时候当信号处在第n通道时通道数为1~16其速度为 。 实际上目标的速度有正负的时候多普勒频移时在0频两侧的测速范围为。
两次采样之间目标物相对雷达运动造成信号中相位的变化超过±180°时雷达无法确认其准确的相位变化量也无法确定其准确的多普勒速度的现象。因此 限制了测速及测距的范围。雷达可测的有效的最大距离为米可测的有效的最大速度为
米/秒但本实验中为了方便观察负向宿舍用fftshift将零频搬移到中间故可测的速度范围是-199199m/s。而第四个目标的速度为283m/s,超出了最大可测的速度范围故出现了速度模糊。
6.4.2解速度模糊工程上通常用多重频的方法来解模糊即用两个不同的脉冲重复频率的信号来测量目标的速度。假设这两个不同的重频分别为PTF1和PTF2测得的目标的多
m=0,1,2. . . n=0,1,2. . .
可知 Fd与m,n都是线性关系在坐标图中分别将其表示出来两直线交点即为该目标的真实多普勒频率。
6.5频谱泄漏
由于进行DFT运算是存在频谱泄漏的问题所以进过MTD处理之后第四个目标存在速度泄漏的问题。泄漏的原因是在进行DFT处理的过程中在时域是采用截断函数若用N点DFT对一复数序列进行变换则只有当该序列频率等于DFT频率间隔的1/(NTR)的整数倍时在fr内才会出现能量绝对集中的单根谱线否则其离散频谱将散步在整个fr内。在本次实验中一方面由于截断产生频谱泄漏另一方面由于测速精度为24.88除了静止目标外其他的目标都不在所在通道的中心也会造成频谱泄漏现象。正由于此频谱两端的谱线是不对称 以第四个目标更为明显靠近的目标实际速度的一侧能量会更高一些。
总结
通过这次实验我对雷达信号处理的实现有了一定了解对线性调频信号尤其是匹配滤波理论在实践中的运用有了更深的认识。对脉冲压缩、MTI 、 MTD都有了一定了了解学习了多普勒雷达测速的基本原理补充了本科学习的对速度模糊和频谱泄漏的认识。对以后学习雷达信号处理有很大的帮助。
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