基于Matlab_Simulink的雷达系统仿真

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第 21 卷 第 11 期
文章编号：1006 - 934（8 2004）11 - 0235 - 04
计算机仿真
2004 年 11 月
基于 Matlab / Simulink 的雷达系统仿真
图 2 的上半部分对雷达接收到的回波进行建模，该雷达 回波信号包括目标信号与杂波，还有通道接收机噪声。如图 2 所示，仿真时先产生线性调频信号（Chirp 信号），然后在线 性调频信号中加入目标信息。目标回波信息包括目标速度、 距离和目标的起伏特性。然后通过载频模块将信号从视频 调到射频。目标 回 波 信 号 经 过 双 程 大 气 吸 收 及 双 程 距 离 衰 减，到达雷达接收机，然后经过衰减模块（仿真接收机的系统
引言
在雷 达 信 号 处 理 系 统 中 ，系 统 级 仿 真 占 有 极 其 重 要 的 地位 。经 过 系 统 级 仿 真 ，能 够 确 保 产 品 在 高 层 次 上 的 设 计 正确 性 。利 用 系 统 仿 真 这 一 方 法 ，可 以 找 出 系 统 各 参 数 的 最佳 值 来 保 证 所 设 计 的 产 品 获 得 最 佳 性 能 。 不 仅 如 此 ，还 可以利用仿真对雷达系统的各项性能进行评估。要进行雷 达 系 统 仿 真 ，首 先 必 须 建 立 雷 达 系 统 建 模 、仿 真 和 设 计 一 体 化的 开 发 环 境 。这 一 集 成 环 境 主 要 包 括 两 大 组 成 部 分 ：雷 达系统建模仿真软件平台和雷达系统仿真模型库。雷达信 号处理国家重点实验室已经在 Candence 公司的 SPW（Signai Processing Worksystem）平台上开发了丰富的雷达系统仿真模 型 库 ，并 在 此 基 础 上 对 部 分 雷 达 系 统 进 行 建 模 仿 真［4］，取 得 了一定的成绩。但是由于 SPW 软件比较昂贵，在此平台上 进行 雷 达 系 统 的 建 模 仿 真 投 入 大 ，因 而 在 各 高 校 和 科 研 院 所的 普 及 程 度 不 高 ，这 就 增 加 了 推 广 雷 达 系 统 仿 真 模 型 库 的难度。
损耗，包括：传 输 损 耗（发 射 通 道）、天 线 罩 传 输 损 耗（ 双 向 ）、 天线波束形状损耗、中频失配损耗、AD 损耗、系统衰减损耗） 再加入接收机 噪 声。 最 后，将 目 标 回 波 信 号、杂 波 和 接 收 机 噪声通过中频放大，这样就可仿真出雷达中频接收到的回波 信号。
接下来对接收 到 的 雷 达 回 波 信 号 先 进 行 低 中 频 正 交 采 样处理（使用的为低通滤波法）。经过低中频正交采样后，信 号已经从中频降到了视频。之后再经过脉冲压缩（采用的为 加权的匹配滤波器的方法，权系数为 hammiig 窗），通过脉冲 压缩后可以提高 信 噪 比，但 由 于 还 有 很 强 的 杂 波 存 在，所 以 信号还 是 不 能 检 测 出 来。接 下 来 将 信 号 进 行 动 目 标 检 测 （MTD）即 FFT 变换，在频域上进行积累，这样可以抑制杂波， 改善信杂比。通过 FFT 之后，信杂比有了大幅度提高，利用 恒虚警检测就可检测出目标。
ABSTRACT：This paper introduces the basic ruies of radar modei iibrary based on Simuiink. At the same time，some modeis are buiit and a Puise Doppier radar system is simuiated with the resuits and anaiysis presented. This iays foundation for the deveiopment of iarge radar modei iibrary and simuiation of compiex radar system on Simuiink. Simuiation on Simuiink can overcome not oniy such disadvantages as iarge investment and hard popuiarization of that on SPW，but aiso the disadvantages as properties of compiexity，difficuity and iengthiness in the traditionai method using advanced program ianguages. KEYWORDS：Ruies；Simuiation；Radar system
1）图 3 为雷达回波信号，其中包括了目标回波信号、杂 波和噪声，由于杂 波 和 噪 声 均 强 于 目 标 信 号，导 致 目 标 信 号 淹没在这些信号之中。
雷达系统建模及仿真的规范
模块是雷达系统仿真模型库的基本组成单元，是描述系 统的基本单元。建立雷达系统仿真模型库就是要开发大量 符合雷达系统建模与仿真要求的模块。在 Simuiink 中有两种 开发模块的方法，一 种 是 利 用 现 有 的 模 块 搭 建 子 系 统，实 现 多层次模块；二是编写 S 函数（系统函数）开发模块。多层次 模块是 Simuiink 层次化设计的具体实现，子系统是完成模块 功能的底层模块流程图。建立多层次模块可以直接利用已 有的模块，而不必 关 心 这 些 模 块 底 层 具 体 的 算 法 实 现，将 重 点放在利用它们去实现新的功能。S 函数为参数化和扩展 Simuiink 的功能提供了一种强大机制。S 函数是对一个动态 系统的计算机语言描述，它可以用 Matiab、Ada、C 或 Fortran 语
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言写成。在雷达系统仿真模型库 的建 立 过 程 中，开 发 多 层 次 模 块 和 S 函数模块两种构造方式是紧 密结合的。
针对 Matiab 软件，制定了开发 雷达 系 统 模 型 库 的 规 范，包 括 模 块设 计 规 范、文 档 编 写 规 范 和 模 型库组织规范。
模块设 计 规 范 要 求 模 块 的 符 号模型应能清晰表示出模块完成 的功能，并且能分辨出输入 / 输出 管脚。对于用户自建模块要定制参 数屏将 其 封 装（ Mask），在 参 数 屏 中 要简要说 明 模 块 功 能，各 参 数 的 含 义，这些参数要包括子系统和 S 函 数中的所 有 的 参 数，这 样 用 户 就 不 再需要打开子系统中的每一个模块 对话框输入参数值。参数屏上应还 有详细帮助文件的链接。
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图 " 雷达系统设计仿真类库结构
图 ! 某多普勒雷达仿真系统
下 ，地 杂 波 很 强 ，目 标 回 波 低 于 杂 波 ，这 种 情 况 下 ，仅 仅 依 靠 幅度是不能检测出目标的。多普勒处理就是对同一个距离 单元内接收到的信号进行 FFT 变换，在频域上把目标和杂 波信号分开。从而提高目标在杂波环境下的检测性能。
下面是在 Simuiink 中实现脉冲多普勒雷达信号处理系统 的仿真示 例。 仿 真 时，对 信 号 处 理 系 统 进 行 了 部 分 简 化 处 理。考虑到数据 量 及 仿 真 速 度 的 原 因，从 中 频 上 开 始 仿 真。 不从射频上 开 始 仿 真 是 因 为 射 频 信 号 频 率 太 高，数 据 量 很 大，运行时间太 长。 为 了 简 单 明 了 地 说 明 该 系 统，本 仿 真 未 考虑干扰。仿真系统如图 2。
与 SPW 相 比，Mathworks 公 司 的 Matiab 应 用 非 常 广 泛。 在目前的 科 研 工 作 中 Matiab 已 经 成 为 一 种 非 常 重 要 的 工
收稿日期：2003 - 03 - 21
具 ，其 信 号 处 理 、自 动 控 制 、神 经 网 络 等 工 具 包 是 重 要 的 补 充。Simuiink 是 Matiab 的可视化仿真环境，其可利用资源丰 富，图形输出界面方便。基于 Matiab / Simuiink 进行雷达系统 仿 真 具 有 操 作 方 便 、成 本 低 、易 于 推 广 等 优 点 。 本 文 给 出 了 基于 Simuiink 开发 雷 达 系 统 仿 真 模 型 库 的 基 本 规 范，开 发 该 平 台 上 根 据 制 定 的 规范对某脉冲多普勒雷达系统进行了仿真。
雷达系统仿真 模 型 库 组 织 规 范 指 的 是 模 型 库 的 整 体 框 架结构，也就是如何把模型库内为数众多的模块有机地组合 起来，让使用者能够方便快捷地找到所需的模块。雷达信号 处理国家重点实验室根据在 Simuiink 平台上制定的雷达系统 模型库组织规范，对已开发的模块进行了分类建库工作。模 型库中的模块是按照“库 / 子库 / 模块类 / 模块”的树形目录结 构进行组织和管理的。首先将这些模块分为四大类，形成四 个子库，然后对每一子库再细分成若干组，不断细分，直分到 每一个单个模块为止。图 l 给出了雷达系统设计仿真库的 结构。
# 某脉冲多普勒雷达信号处理系统的仿真
脉冲多普勒雷达中的多普勒处理是对接收到的信号进 行滤波或者谱分析。这些信号是在对应于一帧时间内从同 一个 固 定 的 距 离 单 元 接 收 到 的 信 号 。 一 般 来 说 ，雷 达 回 波 包 括 噪 声 、杂 波 和 一 个 或 多 个 目 标 信 号 。 在 雷 达 下 视 情 况
全面、高 质 量、标 准 化 的 文 档， 在软件生存周期的各个阶段都起着 重要的作用。雷达系统模型库的文 档可包括两种，一种是设计资料，一 种是用户说明。设计资料为设计人 员在模型 库 开 发 过 程 中，记 录 的 关 于模块开发的意义、遇到的问题、解 决的方 法、采 用 的 原 理、使 用 的 公 式、改进的 算 法 等 一 切 有 助 于 其 他 设计人员 继 续 工 作、维 护 和 管 理 的 信息。用户说明则应包含那些有助 于用户理解模块的功能和熟悉使用方法的信息。