基于Labview軟件的雷達動目標(biāo)顯示和動目標(biāo)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(biāo)的回波，在動目標(biāo)顯示(MTI)和動目標(biāo)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(biāo)的回波，從而大大改善了在雜波背景下檢測運動目標(biāo)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(xué)術(shù)界和研究實驗室廣泛接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用程序包括前面板(Front panel)、流程圖(Block diagram)以及圖標(biāo)/連結(jié)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(guān)、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(jié)構(gòu)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(biāo)與連接器相當(dāng)于圖形化的參數(shù)。

　　2 信號源產(chǎn)生

　　該設(shè)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(guān)系到后面的一系列有關(guān)雷達信號處理的過程，因此信號源就顯得十分關(guān)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(fù)數(shù)表達式為：

　　信號瞬時頻率可以導(dǎo)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(guān)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(fù)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(guān)系。

　　3)二相碼

　　一般相位編碼(PCM)信號的復(fù)數(shù)表達式

　　式中，u(t)=a(t)exp[jψ(t)]為其復(fù)包絡(luò)，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(luò)。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(shè)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(guān)函數(shù)及主旁瓣比的關(guān)系如表1所示。

　　3 動目標(biāo)顯示(MTI)

　　MTI(運動目標(biāo)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(biāo)和固定目標(biāo)。當(dāng)固定目標(biāo)、地雜波與運動目標(biāo)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(biāo)的回波被“淹沒”其中，故必須設(shè)法區(qū)分二者。因固定目標(biāo)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(biāo)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(fù)周期內(nèi)的相檢輸出作相減運算，則固定目標(biāo)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(biāo)得以保留。顯然這樣便可將固定目標(biāo)、慢速雜波與運動目標(biāo)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(yīng)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(yīng)

　　3.3 盲速處理

　　當(dāng)fdTr=n(n=0，1，2，…)時，對消器輸出為零，即當(dāng)時，運動目標(biāo)在對消器輸出端無信號輸出。這里當(dāng)n=0即fd=O時，對應(yīng)的固定目標(biāo)無輸出，這是所希望的。與此同時徑向速度為零的動目標(biāo)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(biāo)，在對消器輸出端也沒有輸出，因此稱對應(yīng)這些多譜勒頻率的目標(biāo)徑向運動速度為盲速，記為vro，即?？梢娒に偈悄繕?biāo)在一個重復(fù)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(fù)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(biāo)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(shù)。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(yù)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(quán)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(shè)加在N個輸出端頭的加權(quán)值為

　　式中，i表示第i個抽頭;k表示0～(N-1)的標(biāo)記，每個k值對應(yīng)不同的加權(quán)值，相應(yīng)地對應(yīng)于一個不同的多普勒濾波器響應(yīng)。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(quán)時的脈沖響應(yīng)為：

　　脈沖響應(yīng)的傅里葉變換就是頻率響應(yīng)函數(shù)：

　　濾波器振幅特性是頻率響應(yīng)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(dāng)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(fù)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(dāng)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(yīng)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(jié)果可以看出，經(jīng)過MTI處理后，一些固定雜波(目標(biāo)2，目標(biāo)3，目標(biāo)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(biāo)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(biāo)，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(biāo)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(biāo)。

　　6 結(jié)束語

　　利用固定目標(biāo)和運動目標(biāo)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(biāo)顯示(MTI)和動目標(biāo)檢測(MTD)中使用的各種濾波器，去除固定雜波，提取動目標(biāo)的回波，能夠大大改善在雜波背景下檢測運動目標(biāo)的能力。仿真結(jié)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(guān)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(shè)計出的面板圖直觀，立體感較強。