基于Labview軟件的雷達動目標顯示和動目標檢測

　　由于運動速度不同而引起回波信號頻率產(chǎn)生的多普勒頻移不相等，這就可以從頻率上區(qū)分不同速度目標的回波，在動目標顯示(MTI)和動目標檢測(MTD)雷達中使用各種濾波器，濾除固定雜波而取出運動目標的回波，從而大大改善了在雜波背景下檢測運動目標的能力.并且可以提高雷達的抗干擾能力。

　　1 Labview軟件簡介

　　Labview(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一種圖形化的編程語言，被工業(yè)界、學術界和研究實驗室廣泛接受，視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使編程及使用過程都生動有趣。

　　所有的Labview應用程序包括前面板(Front panel)、流程圖(Block diagram)以及圖標/連結器(Icon/connector)3部分。前面板(Front panel)是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體有開關、旋鈕、圖形以及其他控制 (Control)和顯示對象(Indicator);流程圖(Block diagram)提供VI的圖形化源程序，VI具有層次化和結構化的特征，一個VI可以作為子程序，稱為子VI(SUBVI)，被其他VI調(diào)用;圖標與連接器相當于圖形化的參數(shù)。

　　2 信號源產(chǎn)生

　　該設計的首要問題是信號源的產(chǎn)生。產(chǎn)生一個正確合理的信號源直接關系到后面的一系列有關雷達信號處理的過程，因此信號源就顯得十分關鍵。然而雷達信號有很多種，下面分別就等幅線性調(diào)頻信號、不等幅線性調(diào)頻信號以及二相碼的產(chǎn)生進行介紹。

　　1)等幅線性調(diào)頻信號

　　等幅線性調(diào)頻矩形脈沖信號的復數(shù)表達式為：

　　信號瞬時頻率可以導出為

　　式中，μ為fi的變化率，它與脈沖寬度τ和τ內(nèi)的頻率變化范圍(又稱頻偏)B的關系為。

　　2)不等幅線性調(diào)頻信號

　　不等幅線性調(diào)頻矩形脈沖信號的復數(shù)表達式：

　　式中，μ為fi的變化率，它與脈沖寬度τ和τ內(nèi)的頻率變化范圍(又稱頻偏)B的關系。

　　3)二相碼

　　一般相位編碼(PCM)信號的復數(shù)表達式

　　式中，u(t)=a(t)exp[jψ(t)]為其復包絡，ψ(t)是相位調(diào)制函數(shù)，a(t)是幅度調(diào)制函數(shù)或稱為PCM的包絡。對二相碼而言，ψ(t)∈{ψk=0，π}或表示為二進制序列{Cn=O，1，…，N-1}∈Ck={exp[jψ(k)]=+1，-l}。如果假設a(t)為矩形函數(shù)(亦可采用調(diào)幅)，即

　　式中，v(t)為所謂子脈沖函數(shù)，τc為子脈沖寬度，N為子脈沖數(shù)或碼長，τ=Nτc是編碼信號的持續(xù)期。

　　對于二相的巴克碼序列，其碼長N、自相關函數(shù)及主旁瓣比的關系如表1所示。

　　3 動目標顯示(MTI)

　　MTI(運動目標顯示)的本質(zhì)含義：基于回波多譜勒信息的提取而區(qū)分為運動目標和固定目標。當固定目標、地雜波與運動目標處于同一距離單元時，前者的回波通常比較強，以至于運動目標的回波被“淹沒”其中，故必須設法區(qū)分二者。因固定目標回波中的多譜勒頻率為零，慢速運動的雜波中所含的多譜勒頻移也集中在零頻附近，它們的回波經(jīng)相位檢波后，輸出信號的相位將不隨時間變化或隨時間作緩慢變化，反映在幅度上則為其幅度不隨時間變化或隨時間作緩慢變化。相反，運動目標回波經(jīng)相位檢波后，因其相位隨時間變化較大，反映在幅度上則為其幅度隨時間變化較快。因此，若將同一距離單元在相鄰重復周期內(nèi)的相檢輸出作相減運算，則固定目標回波將被完全對消，慢速雜波也將得到很大程度衰減，只有運動目標得以保留。顯然這樣便可將固定目標、慢速雜波與運動目標區(qū)別開來。這就是MTI 對消的基本原理。

　　3.1 雙脈沖對消

　　雙脈沖對消又稱一次對消，其對消公式y(tǒng)(n)=x(n)-kx(n-1)求Z變換則得y(Z)=X(Z)-KZ-1X(Z)，由此得到數(shù)字系統(tǒng)函數(shù)，將Z=exp(jΩTr)代入數(shù)字系統(tǒng)函數(shù)得頻率響應為

　　3.2 三脈沖對消

　　三脈沖對消又稱二次對消，其對消公式為：y(n)=x(n)-kx(n-1)+x(n-2)，對其求Z變換則得：Y(Z)=(Z)-KZ-1(Z)+Z- 2X(Z)。由此可得到數(shù)字系統(tǒng)函數(shù)為H(Z)=l-KZ-1+Z-2，將Z=exp(jΩTr)代入得頻率響應

　　3.3 盲速處理

　　當fdTr=n(n=0，1，2，…)時，對消器輸出為零，即當時，運動目標在對消器輸出端無信號輸出。這里當n=0即fd=O時，對應的固定目標無輸出，這是所希望的。與此同時徑向速度為零的動目標回波也會被抑制，這是不可避免的。但在n=1，2，3…時，具有這些多譜勒頻率()的目標，在對消器輸出端也沒有輸出，因此稱對應這些多譜勒頻率的目標徑向運動速度為盲速，記為vro，即?？梢娒に偈悄繕嗽谝粋€重復周期的位移恰好等于λ/2(或其整數(shù)倍)的速度。這時相鄰周期重復周期的回波初相位差△φs。是2π(或其整數(shù)倍)，所以從MTI雷達相位檢波器輸出的視頻脈沖幅度相等，故對消后△u=0。

　　4 動目標檢測(MTD)

　　MTD與MTI雖同屬雷達信號的頻域處理范疇，但一般意義上說，MTD是MTI的改進或更有效的頻域處理技術。實質(zhì)上，MTD的核心就是線性DMTI加窄帶多普勒濾波器組。實際情況中，多普勒頻移不能預知，因此需要采用一組相鄰且部分重疊的濾波器組，覆蓋整個多普勒頻率范圍，這就是窄帶多普勒濾波器組。

　　多普勒濾波器的實現(xiàn)方法：具有N個輸出的橫向濾波器(N個脈沖和N-l根延遲線)，經(jīng)過個脈沖不同的加權并求和后，可以做成N個相鄰的窄帶濾波器組。該濾波器組的范圍為0～fr，fr為雷達工作頻率。橫向濾波器有N-1根延遲線，每根延遲線的延遲時間為。設加在N個輸出端頭的加權值為

　　式中，i表示第i個抽頭;k表示0～(N-1)的標記，每個k值對應不同的加權值，相應地對應于一個不同的多普勒濾波器響應。由k表示的N個濾波器組成濾波器組，可寫出橫向濾波器按上式加權時的脈沖響應為：

　　脈沖響應的傅里葉變換就是頻率響應函數(shù)：

　　濾波器振幅特性是頻率響應取幅值。即

　　濾波器的峰值產(chǎn)生于sin[π(fT-k/N)]=0或者π(fT-k/N)=0，π，2π，…;當k=0時，濾波器峰值位置為 f="0"，1/T，2/T，…，即該濾波器的中心位置在零頻率以及重復頻率的整數(shù)倍，這個濾波器通過沒有多普勒頻移的雜波，因此對地雜波沒有抑制能力。然而，它的輸出在某些MTI雷達中可以作提供雜波地圖之用。這個濾波器的第1個零點是當上式分子第1次取零值時，或f=1/(NT)。在第1對零點之間的頻帶寬度為f=2/(NT)，而半功率帶寬近似為0.9/(NT)。

　　5 數(shù)據(jù)仿真

　　根據(jù)上述提供的等幅線性調(diào)頻信號模型和巴克碼序列，利用Labview軟件產(chǎn)生相應的等幅線性調(diào)頻信號，三相編碼，五相編碼，七相編碼信號。根據(jù)MTI和 MTD原理，對上述信號進行處理。從圖1的仿真結果可以看出，經(jīng)過MTI處理后，一些固定雜波(目標2，目標3，目標4)經(jīng)過脈沖對消，匹配濾波，盲速處理，幅度明顯減少，淹沒在噪聲中。運動目標信號明顯出現(xiàn)在顯示器上。改善因子是衡量MTI雷達工作質(zhì)量的一個重要指標，定義為輸出信號雜波功率比和輸入信號雜波功率比之比值。經(jīng)過上述MTD濾波器處理后，目標凸現(xiàn)。MTD濾波器組中8個濾波器對雜波的改善因子分別是 (58.6245，58.8137，58.8260，66.8277，68.0534，59.0719，58.5206，57.8894)。表2給出了在給定發(fā)現(xiàn)概率的情況下，使用MTD濾波器前后系統(tǒng)所需的信噪比，可以看出：對信噪比的要求有所降低，因此可以更好檢測目標。

　　6 結束語

　　利用固定目標和運動目標之間速度的差別，所引起的多普勒頻移不同。根據(jù)在動目標顯示(MTI)和動目標檢測(MTD)中使用的各種濾波器，去除固定雜波，提取動目標的回波，能夠大大改善在雜波背景下檢測運動目標的能力。仿真結果顯示出很好的效果，也給出了改善因子與積累脈沖數(shù)之間的關系?？梢钥闯?Labview軟件在雷達信號處理方面提供了一個很好的平臺，具有強大的函數(shù)庫，使用方便，設計出的面板圖直觀，立體感較強。