DSP多普勒雷達(dá)測(cè)速測(cè)距(精)

1、DSP實(shí)驗(yàn)課大作業(yè)設(shè)計(jì)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑贒SP上實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮、動(dòng)目標(biāo)顯示（MTI）和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)（MTD）,并將結(jié)果與MATLAB上的結(jié)果進(jìn)行誤差仿真。二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2.1 MATLAB仿真設(shè)定帶寬、脈寬、采樣率、脈沖重復(fù)頻率，用MATLAB產(chǎn)生16個(gè)脈沖的LFM,每個(gè)脈沖有4個(gè)目標(biāo)（靜止，低速，高速），依次做2.1.1脈壓2.1.2相鄰2脈沖做MTI，產(chǎn)生15個(gè)脈沖2.1.316個(gè)脈沖到齊后，做MTD,輸出16個(gè)多普勒通道2.2 DSP實(shí)現(xiàn)將MATLAB產(chǎn)生的信號(hào)，在visualdsp中做脈壓，MTI、MTD，并將結(jié)果與MATLAB作比較。三實(shí)驗(yàn)原理3.1脈沖壓縮原理及線性調(diào)頻信號(hào)雷達(dá)中的

2、顯著矛盾是：雷達(dá)作用距離和距離分辨率之間的矛盾以及距離分辨率和速度分辨率之間的矛盾。雷達(dá)的距離分辨率取決于信號(hào)帶寬。在普通脈沖雷達(dá)中，雷達(dá)信號(hào)的時(shí)寬帶寬積為一常量（約為1）,因此不能兼顧距離分辨率和速度分辨力兩項(xiàng)指標(biāo)。脈沖壓縮（PC）采用寬脈沖發(fā)射以提高發(fā)射的平均功率，保證足夠的最大作用距離，而在接收時(shí)則采用相應(yīng)的脈沖壓縮法獲得窄脈沖，以提高距離分辨率，因而能較好地解決作用距離和分辨能力之間的矛盾。一個(gè)理想的脈沖壓縮系統(tǒng)，應(yīng)該是一個(gè)匹配濾波系統(tǒng)。它要求發(fā)射信號(hào)具有非線性的相位譜，并使其包絡(luò)接近矩形；要求壓縮網(wǎng)絡(luò)的頻率特性（包括幅頻特性和相頻特性）與發(fā)射脈沖信號(hào)頻譜（包括幅度譜和相位譜）實(shí)現(xiàn)完全

3、的匹配。脈沖壓縮按信號(hào)的調(diào)制規(guī)律（調(diào)頻或調(diào)相）分類(lèi)，可分為以下四種：（1）線性調(diào)頻脈沖壓縮（2）非線性調(diào)頻脈沖壓縮（3）相位編碼脈沖壓縮（4）時(shí)間頻率編碼脈沖壓縮本實(shí)驗(yàn)采用的是線性調(diào)頻脈沖壓縮。線性調(diào)頻信號(hào)是指頻率隨時(shí)間的變化而線性改變的信號(hào)。線性調(diào)頻可以同時(shí)保留連續(xù)信號(hào)和脈沖的特性，并且可以獲得較大的壓縮比，有著良好的距離分辨率和徑向速度分辨率，所以將線性調(diào)頻信號(hào)作為雷達(dá)系統(tǒng)中一種常用的脈沖壓縮信號(hào)。接收機(jī)輸入端的回波信號(hào)是經(jīng)過(guò)調(diào)制的寬脈沖，所以在接收機(jī)中應(yīng)該設(shè)置一個(gè)與發(fā)射信號(hào)頻率匹配的濾波器，使回波信號(hào)變成窄脈沖，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了寬脈沖的能量和窄脈沖的分辨能力。解決了雷達(dá)發(fā)射能量及分辨率之間的矛

4、盾。匹配濾波器是指輸出信噪比最大準(zhǔn)則下的最佳線性濾波器。根據(jù)匹配理論，匹配濾波器的傳輸特性：*S其中，K為幅度歸一化常數(shù)，為信號(hào)的復(fù)共軛。傳輸特性還可用它_、。h（t）的沖激響應(yīng)來(lái)表示（時(shí)域表示）：3.2MTI（動(dòng)目標(biāo)顯示）原理在雷達(dá)終端的顯示器，當(dāng)雜波與運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)在顯示器上同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，觀察將會(huì)變得困難，特別是在強(qiáng)雜波時(shí)，弱的目標(biāo)信號(hào)將會(huì)完全被淹沒(méi)。由于目標(biāo)回波的多普勒頻移遠(yuǎn)大于雜波的多普勒頻移，從而可在頻域上區(qū)分目標(biāo)與雜波。MTI的設(shè)計(jì)主要是合理的選擇濾波器，動(dòng)目標(biāo)顯示濾波器（MTI）利用運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波和雜波在頻譜上的區(qū)別，有效地抑制雜波而提取信號(hào)。由下圖可以看出回波信號(hào)（含雜波與目標(biāo)）：圖3

5、.1回波信號(hào)雜波主要集中在0頻附近，在頻率為0處，所設(shè)計(jì)的濾波器頻率響應(yīng)應(yīng)有凹口。以使地物雜波在通過(guò)MTI濾波器后將受到很大的抑制，對(duì)于每一個(gè)脈沖，其回波信號(hào)中的雜波分量都基本相同，而運(yùn)動(dòng)目標(biāo)產(chǎn)生多普勒頻移。對(duì)連續(xù)脈沖對(duì)的回波進(jìn)行相減，就可以完全對(duì)消雜波分量，而目標(biāo)信號(hào)由于其相位的改變，通常不會(huì)完全被對(duì)消掉。常用的MTI濾波器為一次相消器（二脈沖對(duì)消）。在同一距離上等效一個(gè)有效的采樣間隔的離散時(shí)間序列x（n）。其時(shí)域方程為：，傳輸函數(shù)為：，在Z=1處有單零點(diǎn)，頻率響應(yīng)為：.其在零頻有一凹口，如圖所示：務(wù)晉勒謔波觀11頻率響應(yīng)111、-Fv0Fr九圖3.3多普勒濾波器頻響此濾波器能夠用來(lái)抑制噪聲

6、。但同時(shí)把靜態(tài)目標(biāo)也給對(duì)消掉，也使得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的譜分量有部分的衰減，因此用MTI次相消器檢測(cè)不出靜止目標(biāo)。3.3MTD（動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)）原理MTD與MTI同屬雷達(dá)信號(hào)處理的頻域處理范疇，但一般意義上來(lái)說(shuō)，MTD是MTI的改進(jìn)或更有效的頻域處理技術(shù)。廣義上地講，MTD處理又是多普勒處理的一種特殊形式與傳統(tǒng)的MTI相比，MTD改善了濾波器的頻率特性，使之更接近于最佳匹配線性濾波，以提高改善因子；能夠檢測(cè)強(qiáng)地物雜波的低速目標(biāo)甚至切向飛行的大目標(biāo)。MTD的核心是線性MTI加窄帶多普勒濾波器組。根據(jù)最佳線性濾波理論，在雜波背景下檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波，除了雜波抑制濾波器外，還應(yīng)串接有對(duì)脈沖串信號(hào)匹配的濾波器，實(shí)際工

7、作中，多普勒頻移fd不能預(yù)知，需要采用一組相鄰且部分重疊的濾波器組覆蓋整個(gè)多普勒頻率范圍，這就是窄帶多普勒濾波器組。輸入N個(gè)脈沖的橫向?yàn)V波器組的實(shí)現(xiàn)是由N個(gè)輸出的橫向?yàn)V波器（N個(gè)脈沖和N-1根遲延線）經(jīng)過(guò)各脈沖不同的加權(quán)并求和后形成的。其實(shí)現(xiàn)方法下圖所示：圖3.4橫向?yàn)V波器圖3.5N=16時(shí)濾波器頻響該濾波器的頻率覆蓋范圍為0到fr,fr為雷達(dá)工作重復(fù)頻率。氣象雜波（如云雨等）和箔條雜波受氣流和風(fēng)力的影響，會(huì)相對(duì)雷達(dá)而動(dòng)，其頻譜中心不是固定在0頻附近，而是在某個(gè)頻率區(qū)間內(nèi)變化的，抑制此類(lèi)雜波用普通的MTI濾波器是不行的，而MTD濾波器則可以抑制此類(lèi)雜波。四實(shí)驗(yàn)步驟以下是該實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的幾個(gè)參數(shù)B

8、andWidth=2.0e6帶寬TimeWidth=42.0e-6脈寬Fs=2.0e6采樣率PRT=240e-6脈沖重復(fù)周期TargetDistance=30008025802525600目標(biāo)距離TargetVelocity=50-1000283目標(biāo)速度%其中X=0;Y=8;Z=3;對(duì)應(yīng)學(xué)號(hào)1302121083的后三位假設(shè)接收到的回波數(shù)是16個(gè)，噪聲為高斯隨機(jī)噪聲。4.1在MATLAB中產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)。4.2根據(jù)目標(biāo)距離得出目標(biāo)回波在時(shí)域的延遲量，根據(jù)目標(biāo)速度得出多普勒相移，從而在MATLAB中產(chǎn)生4個(gè)目標(biāo)的16個(gè)回波串（接收到的回波含噪聲）。4.3由匹配濾波理論產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于目標(biāo)回波的濾波系數(shù)

9、（脈壓系數(shù)），在時(shí)域中做線性卷積，實(shí)現(xiàn)匹配濾波（時(shí)域脈壓）；在頻域中做回波信號(hào)和脈壓系數(shù)的FFT,點(diǎn)乘后作逆FFT,實(shí)現(xiàn)頻域脈壓。兩者進(jìn)行比較，討論其差別。4.4對(duì)16個(gè)去暫態(tài)點(diǎn)后的脈沖串按接收順序進(jìn)行排列，用一次相消器（一種濾波方式）實(shí)現(xiàn)MTI。4.5做16通道的FFT，實(shí)現(xiàn)MTD。4.6在DSP中對(duì)MATLAB產(chǎn)生的回波數(shù)據(jù)和脈壓系數(shù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)頻域脈壓。導(dǎo)入DSP的回波數(shù)據(jù)為時(shí)域數(shù)據(jù)，而脈壓系數(shù)為頻域數(shù)據(jù)。將導(dǎo)入DSP的時(shí)域回波數(shù)據(jù)進(jìn)行一次FFT變換到頻域，然后將其與頻域脈壓系數(shù)進(jìn)行點(diǎn)積，得到頻域脈壓結(jié)果。對(duì)該結(jié)果再做一次逆FFT,將頻域轉(zhuǎn)換成時(shí)域。在這一步中需要調(diào)用庫(kù)函數(shù)fft_fl

10、p32.asm。該子程序可實(shí)現(xiàn)8192點(diǎn)復(fù)數(shù)的FFT功能。由于C語(yǔ)言中無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)數(shù)運(yùn)算，因此，對(duì)8192個(gè)復(fù)數(shù)按照實(shí)部虛部交替的順序進(jìn)行重排列，用長(zhǎng)度為16384的數(shù)組來(lái)存放時(shí)域回波數(shù)據(jù)。頻域相乘后，做乘積結(jié)果的逆FFT，得到脈壓結(jié)果。做逆FFT，仍需調(diào)用庫(kù)函數(shù)fft_flp32.asm，此時(shí)要通過(guò)FFT子程序?qū)崿F(xiàn)逆FFT的功能，要對(duì)頻域的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，才能達(dá)到這一目的。4.7對(duì)脈壓后的數(shù)據(jù)按照脈沖號(hào)重排，相鄰序列的數(shù)據(jù)相減(滑動(dòng)對(duì)消)，實(shí)現(xiàn)MTI。4.8調(diào)用子程序fft_16.asm，做16通道FFT，實(shí)現(xiàn)MTD。入口參數(shù)為16通道的脈壓數(shù)據(jù)。五實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論本部分將詳細(xì)分析實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)、

11、圖像、誤差、產(chǎn)生速度模糊的原因以及脈壓頻域、時(shí)域執(zhí)行周期。5.1MATLAB中時(shí)域脈壓和頻域脈壓結(jié)果的比較圖5.1總回波信號(hào)，時(shí)域脈壓，頻域脈壓，時(shí)域脈壓和頻域脈壓的差別從圖中可以看出，時(shí)頻域脈壓結(jié)果差別很小，相對(duì)誤差停留在10-14數(shù)量級(jí)上。其實(shí)，二者結(jié)果應(yīng)該是相等的。由于MATLAB與DSP軟件處理平臺(tái)及編程函數(shù)的計(jì)算精度和中間結(jié)果處理的差異，才出現(xiàn)以上很小的誤差。由數(shù)字信號(hào)處理理論，M點(diǎn)時(shí)域離散信號(hào)與N點(diǎn)時(shí)域離散信號(hào)做線性卷積后的信號(hào)長(zhǎng)度為N+M-1。設(shè)a(n),b(n)為數(shù)字信號(hào)，長(zhǎng)度分別為M和N，一_如果A(k),B(k)的長(zhǎng)度，貝I?；夭〝?shù)據(jù)echo長(zhǎng)為7680點(diǎn)，脈壓系數(shù)coef

12、f長(zhǎng)為84點(diǎn)，N+M-1=7680+84-1=7763，為提高FFT速度，取L=8192，對(duì)回波數(shù)據(jù)、脈壓系數(shù)的FFT乘積后的結(jié)果做IFFT就可以實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在DSP上頻域脈壓處理(從FFT到IFFT)的時(shí)鐘數(shù)為2259768。設(shè)兩個(gè)卷積的序列長(zhǎng)度分別為M和N，且N>M，則卷積所用的復(fù)乘數(shù)為NxM，而N點(diǎn)FFT的運(yùn)算NlogN2Nlog2N次復(fù)數(shù)加法運(yùn)算。當(dāng)序列長(zhǎng)度N、M很大時(shí)，量為次復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算和頻域的總運(yùn)算量將大大低于時(shí)域的運(yùn)算量。在本實(shí)驗(yàn)中，回波數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度N=7680，脈壓系數(shù)長(zhǎng)度M=84，時(shí)域脈壓的運(yùn)算量為NxM=7680x84+83=645203次復(fù)數(shù)加法運(yùn)算和645

13、036次復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算。由于L>N+M-1,將x(n),h(n)分別補(bǔ)L-N和L-M個(gè)零變成兩個(gè)長(zhǎng)度均為L(zhǎng)(8192)的序列xL(n)、hL(n)，分別做L點(diǎn)FFT,點(diǎn)積后再做逆FFT,可以實(shí)現(xiàn)頻域脈壓。頻域脈壓的8192點(diǎn)FFT和IFFT的運(yùn)算量為2x0.5x8192x乘法運(yùn)算和0.5x2x8192xlog28192=106496次復(fù)數(shù)log28192=106496次復(fù)數(shù)加法運(yùn)算?？梢钥闯觯妙l域脈壓節(jié)省了很大的的運(yùn)算量，當(dāng)序列長(zhǎng)度很大時(shí)，用FFT進(jìn)行運(yùn)算的優(yōu)勢(shì)更明顯。5.2 MATLAB與DSP的結(jié)果比較：毗.零汁勧甲無(wú)1005.2MATLAB與DSP處理結(jié)果比較由圖5.2可以看出，M

14、ATLAB與DSP之間處理數(shù)據(jù)的誤差很小，脈壓結(jié)果絕對(duì)誤差范圍在10數(shù)量級(jí)上，MTI、MTD絕對(duì)誤差范圍分別在10和10上。由于兩種工具處理數(shù)據(jù)的精度不一樣，MATLAB用CPU處理數(shù)據(jù)，DSP用DSP內(nèi)核處理數(shù)據(jù)。所以結(jié)果會(huì)有一定誤差，這個(gè)誤差在可以接受的范圍內(nèi)。-4-4-3六、實(shí)驗(yàn)思考題及心得6.1脈沖壓縮分析脈沖壓縮提高了雷達(dá)分辨率，從信號(hào)幅度上分析，第一個(gè)目標(biāo)由于距離比較近，雷達(dá)發(fā)射與接收是分開(kāi)進(jìn)行的，當(dāng)回波到達(dá)是雷達(dá)還處于發(fā)射狀態(tài)，雷達(dá)處于閉鎖期不能接收回波，從而第一個(gè)目標(biāo)的回波幅度很小。與此同時(shí)，由于閉鎖期的影響，回波信號(hào)的帶寬減小，而脈壓后的信號(hào)時(shí)寬帶寬積是定值，故時(shí)寬變大，導(dǎo)致

15、旁瓣變大。第二與第四個(gè)目標(biāo)的距離相同，在時(shí)域上兩個(gè)信號(hào)的回波進(jìn)行疊加，所以回波幅度比較強(qiáng)，但是由于兩個(gè)目標(biāo)回波相位上存在角度，第四個(gè)目標(biāo)存在多普勒頻移，在不同的脈沖重復(fù)周期內(nèi)兩個(gè)信號(hào)的角度不同，矢量相加的結(jié)果則信號(hào)幅度也不同，所以幅度存在著波動(dòng)。6.2 MTI分析根據(jù)一次相消得頻率響應(yīng)，可以知道不同頻率的幅頻響應(yīng)的差異，當(dāng)處在中間位置時(shí)響應(yīng)最大，通過(guò)濾波器后信號(hào)幅度也就最強(qiáng)。根據(jù)頻率響應(yīng)的不同也就出現(xiàn)MTI結(jié)果圖中的三個(gè)梯度的變化。在MTI中不同速度目標(biāo)幅度有變化是因?yàn)橛胁煌亩嗥绽疹l移，可以說(shuō)目標(biāo)的幅度被多普勒頻移信號(hào)調(diào)制了?？梢詮牧硗庖粋€(gè)角度理解，當(dāng)采用連續(xù)波雷達(dá)測(cè)速時(shí)經(jīng)過(guò)差頻處理后獲得的

16、信號(hào)是一個(gè)以多普勒頻移為中心頻率的單載頻信號(hào)，當(dāng)采用脈沖信號(hào)時(shí)，相當(dāng)于是以PRF為采樣頻率對(duì)單載頻信號(hào)進(jìn)行一個(gè)采樣，幅度自然就會(huì)產(chǎn)生變化。6.3 MTD速度/多普勒通道的含義MTD中不同的多普勒通道是匹配與不同多普勒頻移的匹配濾波器。當(dāng)目標(biāo)速度產(chǎn)生的多普勒移處在哪個(gè)通道的范圍內(nèi)是哪個(gè)通道就有信號(hào)輸出，其他通道不匹配則無(wú)輸出，測(cè)速分辨力，,，假設(shè)目標(biāo)速度都是正的時(shí)候，當(dāng)信號(hào)處在第n通道時(shí)（通道數(shù)為116），其速度為。實(shí)際上目標(biāo)的速度有正負(fù)的時(shí)候多普勒頻移時(shí)在0頻兩側(cè)的，測(cè)速范圍為。）在一個(gè)重復(fù)周期內(nèi)，根據(jù)目標(biāo)處在的采樣點(diǎn)數(shù)n可以得出目標(biāo)的距離為。2Fs距離分辨力。2Fs第一個(gè)目標(biāo)X=37,Y=2

17、,則：距離=2775m，速度=49.76m/s第二個(gè)目標(biāo)X=107,Y=-4,則：距離=8025m，速度=99.52m/s第三個(gè)目標(biāo)X=107，Y=0,則：距離=8025m，速度=0m/s第四個(gè)目標(biāo)X=341，Y=-5，貝I：距離=25575m，速度=124.4m/s與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比：TargetDistance=28508025802525600目標(biāo)距離TargetVelocity=50-1000283目標(biāo)速度對(duì)比可知，第一、二、三個(gè)目標(biāo)在測(cè)量的分辨力內(nèi)達(dá)到了準(zhǔn)確探測(cè)目標(biāo)的作用，而第四個(gè)目標(biāo)能準(zhǔn)備探測(cè)到距離，但速度出現(xiàn)了模糊。6.4速度模糊及解模糊6.4.1速度模糊及其原因脈沖多普勒雷達(dá)

18、以脈沖周期為的間隔采集目標(biāo)物回波信號(hào)，在兩次采樣之間目標(biāo)物相對(duì)雷達(dá)運(yùn)動(dòng)造成信號(hào)中相位的變化超過(guò)±180。時(shí)，雷達(dá)無(wú)法確認(rèn)其準(zhǔn)確的相位變化量，也無(wú)法確定其準(zhǔn)確的多普勒速度的現(xiàn)象。因此，限制了測(cè)速及測(cè)距的范圍。雷達(dá)可測(cè)的有效的最大距離為_(kāi)米，可測(cè)的有效的最大速度為米/秒，但本實(shí)驗(yàn)中為了方便觀察負(fù)向宿舍，用fftshift將零頻搬移到中間，故可測(cè)的速度范圍是-199199m/s。而第四個(gè)目標(biāo)的速度為283m/s,超出了最大可測(cè)的速度范圍，故出現(xiàn)了速度模糊。6.4.2解速度模糊工程上通常用多重頻的方法來(lái)解模糊，即用兩個(gè)不同的脈沖重復(fù)頻率的信號(hào)來(lái)測(cè)量目標(biāo)的速度。假設(shè)這兩個(gè)不同的重頻分別為PTF1和PTF2，測(cè)得的目標(biāo)的多普勒頻率為Fdl,Fd2，目標(biāo)實(shí)際的多普勒頻率為Fd，則m=0,1,2.n=0,1,2.可知，F(xiàn)d與m,n都是線性關(guān)系，在坐標(biāo)圖中分別將其表示出來(lái)，兩直線交點(diǎn)即為該目標(biāo)的真實(shí)多普勒頻率。6.5頻譜泄漏由于進(jìn)行DFT運(yùn)算是存在頻譜泄漏的問(wèn)題，所以進(jìn)過(guò)MTD處理之后第四個(gè)目標(biāo)存在速度泄漏的問(wèn)題。泄漏的原因是在進(jìn)行DFT處理的過(guò)程中在時(shí)域是采用截?cái)嗪瘮?shù)，若用N點(diǎn)DFT對(duì)一復(fù)數(shù)序列進(jìn)行變換，則只有當(dāng)該序列頻率等于DFT頻率間隔的1/(NTR)的整數(shù)倍時(shí)，