雷達技術課程設計報告--基于matlab的地基雷達設計

1、<p>　　課 程 設 計 任 務 書</p><p>　學 院信息科學與工程專 業(yè)通信工程</p><p>　學生姓名學 號</p><p>　設計題目基于Matlab的地基雷達設計</p><p>　內容及要求：利用MATLAB/Simulink進行編程和仿真，仿真的內容可以是關于信源、信源編碼、模擬調制、數字

2、調制、多元調制、差錯控制、多址技術、信道仿真及具體通信電路的動態(tài)仿真實現(xiàn)。也可以用MATLAB編程對通信的某一具體環(huán)節(jié)進行仿真。進度安排：</p><p>　指導教師（簽字）：年 月 日 學院院長（簽字）：年 月 日 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　雷達是一種全天時、全天候的傳感器，可以安裝在車

3、輛、飛機和衛(wèi)星等多種平臺上，在軍事和民用等方面都具有重要的應用價值，因此一直受到世界各國的高度重視。仿真是現(xiàn)代雷達系統(tǒng)設計成功的基礎，從這一點來說，毫無疑問，沒有任何軟件比MATLAB更好。</p><p>　　經過改革開放幾十年的發(fā)展，我國在雷達領域取得了長足的進步，特別是最近十幾年，隨著國家的不斷投人，我國的雷達事業(yè)進人了一個快速發(fā)展的時期。X波段地基雷達（GBR）是美國國家導彈防御系統(tǒng)中段防御和攔截系統(tǒng)中最

4、主要和最有效的目標精確跟蹤和識別傳感器之一，它負責中段監(jiān)視和截獲、預測彈道和實測彈道的精度、識別和目標分類等重要功能，對GBR的系統(tǒng)分析和仿真研究，探究其工作機理和識別手段，不但對于研究彈道導彈的有效突防措施和攻防對抗有著重要意義，對于發(fā)展我國自己的空間監(jiān)測和彈道導彈防御系統(tǒng)也有著重要的參考價值。</p><p>　　本文介紹了運用雷達技術基礎理論按所給要求設計一個簡單的地基雷達系統(tǒng)，并介紹所運用的相關原理及對相

5、關結果分析和改進。</p><p>　　關鍵詞:MATLAB；地基雷達；系統(tǒng)仿真；功率孔徑積；計算機輔助教學</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1.課程設計目的1</p><p>　　2.課程設計要求1</p><p><b>　　3.相關知識1&l

6、t;/b></p><p><b>　　3.1地基雷達1</b></p><p>　　3.2地基雷達的工作原理2</p><p>　　4.課程設計分析4</p><p>　　4.1地基雷達的實現(xiàn)4</p><p><b>　　4.2參數設置4</b></

7、p><p><b>　　5.程序代碼5</b></p><p>　　6.運行結果及分析6</p><p><b>　　7.參考文獻8</b></p><p>　　基于Matlab的地基雷達設計</p><p><b>　　1.課程設計目的</b><

8、;/p><p>　?。?）加深對雷達技術基本理論知識的理解。</p><p>　?。?）培養(yǎng)獨立開展科研的能力和編程能力。</p><p>　　（3）掌握簡單地基雷達的組成及應用。</p><p><b>　　2.課程設計要求</b></p><p>　　設計一部地基雷達，能夠檢測高度分別為10km和

9、2km的飛機和導彈。對每種目標類型的最大探測距離是60km。假定飛機的平均RCS是6dBsm，導彈的平均RCS是-10dBm。導彈雷達的方位角和俯仰角搜索范圍分別是和。所要求的掃描速率是2s，距離分辨率是150m。假定噪聲系數F=8dB，總的損失因子是L=10dB。使用方位波束寬度小于的扇形波束。SNR是15dB。</p><p><b>　　3.相關知識</b></p>&l

10、t;p>　　對雷達截面積，雷達損失，靈敏度，掃描時間，檢測距離，搜索區(qū)域，功率孔徑積等有關雷達技術的基礎理論及知識點。</p><p><b>　　3.1地基雷達</b></p><p>　　由分置于不同基地的一部或多部發(fā)射機和一部或多部接收機（接收機與發(fā)射機的數量不必相等）組成的統(tǒng)一的雷達系統(tǒng)。雙基地雷達是多基地雷達中最簡單的一種。早期的雷達主要是雙基地形式，

11、即發(fā)射機與接收機放置在不同地點。1936年，美國海軍研究實驗室研制成天線收發(fā)開關(見天線開關管)，單基地雷達遂逐步取代了雙基地雷達而成為常用的雷達形式。到50年代初，雙基地和多基地雷達系統(tǒng)重新受到人們的重視。多基地雷達可有多種組成形式。</p><p>　　3.2地基雷達的工作原理</p><p>　　雷達系統(tǒng)必須要實現(xiàn)的第一個任務是連續(xù)地掃描特定的空間區(qū)域以搜索感興趣的目標，一旦建立起檢

12、測，目標信息如距離、角位置及可能的目標速度就可以從雷達信號和數據處理器中提取出來。根據雷達的設計和天線的類型，可以采用不同的搜索模式。二維（2D）扇形波形搜索模式如圖3.1所示。此時，俯仰方向的波束寬度足夠寬，以覆蓋沿著此坐標的想要搜索的區(qū)域。然而，天線必須在方位向掃描。圖3.2所示的是堆積波束搜索模式。這時，波束必須在方位向和俯仰向掃描。后一種搜索模式通常被相控陣雷達采用。</p><p>　　圖3.1 2D扇

13、形搜索模式 圖3.2 堆積搜索模式</p><p>　　搜索區(qū)域通常用以球面度表示的搜索立體角Ω來規(guī)定。定義方位向和俯仰向的雷達搜索區(qū)域范圍為和。相應地，搜索區(qū)域的計算為</p><p>　　球面波 （3.3）</p><p>　　其中，和都以角度給出。雷達天線的3dB波束寬度可以分別按照它的方位向和俯仰向寬度和表示。那么

14、，天線的立體角覆蓋范圍就是，因此，覆蓋立體角Ω所要求的天線波束位置數為</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　為了開發(fā)搜索雷達方程，由</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　使用關系式和，其中T是PRI，是脈沖寬度，得到</p>

15、<p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　將雷達掃描由立體角Ω定義的區(qū)域所花費的時間定義為掃描時間。那么，輻射到目標的時間可以根據表示為</p><p>　?。?.7） </p><p>

16、　　假設在單次掃描期間，每個PRI每個波束只有一個波束照射到目標，則，所以式（3.6）可以寫為</p><p><b>　　（3.8）</b></p><p><b>　　進一步整理得</b></p><p><b>　?。?.9）（）</b></p><p>　　式（3.9）

17、中的值稱為功率孔徑積。實際上，功率孔徑積廣泛用于對雷達實現(xiàn)其搜索任務的能力分類。通常，對于由Ω定義的給定的搜索區(qū)域，功率孔徑積的計算要滿足預定的SNR和雷達截面積。</p><p>　　作為一種特殊情況，假定雷達使用直徑為D的圓徑孔（天線）。天線的3dB波束寬度為

18、 </p><p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　當使用錐形孔徑時。將（3.10）代入式（3.4），得到</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　對于這種情況，掃描時間和輻射到目標的時間的關系為 </p>

19、<p><b>　　（3.12）</b></p><p>　　將式（3.12）代入式（3.6），得到</p><p><b>　?。?.13）</b></p><p>　　可以定義圓孔徑的搜索雷達方程為</p><p><b>　?。?.14）</b></p&

20、gt;<p>　　其中，使用了關系式（孔徑面積）。</p><p><b>　　4.課程設計分析</b></p><p>　　4.1地基雷達的實現(xiàn)</p><p>　　距離分辨率的需求是m，因此通過使用式計算所要求的脈沖寬度是，或者等效為要求帶寬是B=1MHz。問題的陳述有助于以功率孔徑積確定雷達的大小。為此，必須先計算出在滿足要

21、求的檢測距離上的最大搜索區(qū)域。雷達搜索區(qū)域為</p><p>　　在此，準備使用雷達搜索方程（3.9）計算功率孔徑積。為此。可以修改MATLAB函數“power_aperture.m”來計算，并且畫出兩種類型的功率孔徑積。最后開發(fā)了MATLAB程序“GBR_case.m”，在第五節(jié)中給出程序代碼。使用表5.1中的參數作為這個程序的輸入，注意=290K是任意選擇的。</p><p><

22、b>　　4.2參數設置</b></p><p>　　表5.1 MATLAB程序“GBR_case.m”的輸入參數</p><p><b>　　5.程序代碼</b></p><p><b>　　程序如下：</b></p><p><b>　　clear all</b&

23、gt;</p><p><b>　　close all</b></p><p>　　snr = 15.0; % Sensitivity SNR in dB</p><p>　　tsc = 2.; % Antenna scan time in seconds</p><p>　　si

24、gma_tgtm = -10; % Missile RCS in dBsm</p><p>　　sigma_tgta = 6; % Aircraft RCS in dBsm</p><p>　　range = 60.0; % Sensitivity range in Km, </p><p>　　te = 290.0; %

25、 Effective noise temprature in Kelvins</p><p>　　nf = 8; % Noise figure in dB</p><p>　　loss = 10.0; % Radar losses in dB</p><p>　　az_angle = 360.0; % Search vol

26、ume azimuth extent in degrees</p><p>　　el_angle = 10.0; % Search volume elevation extent in degrees</p><p>　　c = 3.0e+8; % Speed of light</p><p>　　% Compute Omega in ster

27、adians</p><p>　　omega = (az_angle / 57.296) * (el_angle /57.296);</p><p>　　omega_db = 10.0*log10(omega); % Convert Omega to dBs</p><p>　　k_db = 10.*log10(1.38e-23);</p><p

28、>　　te_db = 10*log10(te);</p><p>　　tsc_db = 10*log10(tsc);</p><p>　　factor = 10*log10(4*pi);</p><p>　　rangemdb = 10*log10(range * 1000.);</p><p>　　rangeadb = 10*log10

29、(range * 1000.);</p><p>　　PAP_Missile = snr - sigma_tgtm - tsc_db + factor + 4.0 * rangemdb + ...</p><p>　　k_db + te_db + nf + loss + omega_db</p><p>　　PAP_Aircraft = snr - sigma_tg

30、ta - tsc_db + factor + 4.0 * rangeadb + ...</p><p>　　k_db + te_db + nf + loss + omega_db</p><p>　　index = 0;</p><p>　　% vary rnage from 2Km to 90 Km </p><p>　　for range

31、var = 2 : 1 : 90</p><p>　　index = index + 1;</p><p>　　rangedb = 10*log10(rangevar * 1000.0);</p><p>　　papm(index) = snr - sigma_tgtm - tsc_db + factor + 4.0 * rangedb + ...</p>

32、;<p>　　k_db + te_db + nf + loss + omega_db;</p><p>　　missile_PAP(index) = PAP_Missile;</p><p>　　aircraft_PAP(index) = PAP_Aircraft;</p><p>　　papa(index) = snr - sigma_tgta -

33、tsc_db + factor + 4.0 * rangedb + ...</p><p>　　k_db + te_db + nf + loss +omega_db;</p><p><b>　　end</b></p><p>　　var = 2 : 1 : 90;</p><p>　　figure (1)</p&

34、gt;<p>　　plot (var,papm,'k',var,papa,'k-.')</p><p>　　legend ('Missile','Aircraft')</p><p>　　xlabel ('Range - Km');</p><p>　　ylabel (&#

35、39;Power Aperture Product - dB');</p><p><b>　　hold on</b></p><p>　　plot(var,missile_PAP,'k:',var,aircraft_PAP,'k:')</p><p><b>　　grid</b>&

36、lt;/p><p><b>　　hold off</b></p><p><b>　　6.運行結果及分析</b></p><p>　　圖6.1顯示了這個程序產生的輸出圖形。這個同樣的程序也計算了導彈和飛機對應的功率孔徑積，它們也可以從這幅圖上讀出。</p><p>　　圖6.1 地基雷達的功率孔徑積相對

37、檢測距離</p><p>　　選擇更嚴格的情況作為設計基準（即選擇導彈的分析結果作為功率孔徑積），得到，選擇計算平均功率為，假定孔徑效率為得到物理孔徑面積。更準確的表示為使用作為雷達的工作頻率。然后，利用計算得到G=29.9dB?，F(xiàn)在必須確定天線的方位波束寬度。回想到天線增益也是通過如下關系與天線3dB波束寬度相聯(lián)系的：，其中，（,）分別是天線的3dB方位和俯仰波束寬度。假定為的扇形，得到 </p&g

38、t;<p><b>　　即。</b></p><p><b>　　7.參考文獻</b></p><p>　　[1] 丁鷺飛 陳建春．雷達原理．電子工業(yè)出版社，2009.3</p><p>　　[2] 巴塞姆·馬哈夫扎.雷達系統(tǒng)設計MATLAB仿真.電子工業(yè)出版社，2009.10  

39、0; </p><p>　　[3] 穆爾. MATLAB實用教程(第2版).電子工業(yè)出版社，2010.1</p><p>　　[4] 梅利爾·斯科尼克.雷達系統(tǒng)導論.電子工業(yè)出版社，2012.5</p><p>　　[5] 理查茲.雷達信號處理基礎.電子工業(yè)出版社，2008.6</p><p>　　[6] 斯科尼克.雷達手