雷達(dá)技術(shù)課程設(shè)計報告--基于matlab的地基雷達(dá)設(shè)計

1、<p>　　課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書</p><p>　學(xué) 院信息科學(xué)與工程專 業(yè)通信工程</p><p>　學(xué)生姓名學(xué) 號</p><p>　設(shè)計題目基于Matlab的地基雷達(dá)設(shè)計</p><p>　內(nèi)容及要求：利用MATLAB/Simulink進(jìn)行編程和仿真，仿真的內(nèi)容可以是關(guān)于信源、信源編碼、模擬調(diào)制、數(shù)字

2、調(diào)制、多元調(diào)制、差錯控制、多址技術(shù)、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(jìn)行仿真。進(jìn)度安排：</p><p>　指導(dǎo)教師（簽字）：年 月 日 學(xué)院院長（簽字）：年 月 日 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　雷達(dá)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(yīng)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(dá)系統(tǒng)設(shè)計成功的基礎(chǔ)，從這一點來說，毫無疑問，沒有任何軟件比MATLAB更好。</p><p>　　經(jīng)過改革開放幾十年的發(fā)展，我國在雷達(dá)領(lǐng)域取得了長足的進(jìn)步，特別是最近十幾年，隨著國家的不斷投人，我國的雷達(dá)事業(yè)進(jìn)人了一個快速發(fā)展的時期。X波段地基雷達(dá)（GBR）是美國國家導(dǎo)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(biāo)精確跟蹤和識別傳感器之一，它負(fù)責(zé)中段監(jiān)視和截獲、預(yù)測彈道和實測彈道的精度、識別和目標(biāo)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(dǎo)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(dǎo)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(dá)技術(shù)基礎(chǔ)理論按所給要求設(shè)計一個簡單的地基雷達(dá)系統(tǒng)，并介紹所運用的相關(guān)原理及對相

5、關(guān)結(jié)果分析和改進(jìn)。</p><p>　　關(guān)鍵詞:MATLAB；地基雷達(dá)；系統(tǒng)仿真；功率孔徑積；計算機輔助教學(xué)</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1.課程設(shè)計目的1</p><p>　　2.課程設(shè)計要求1</p><p><b>　　3.相關(guān)知識1&l

6、t;/b></p><p><b>　　3.1地基雷達(dá)1</b></p><p>　　3.2地基雷達(dá)的工作原理2</p><p>　　4.課程設(shè)計分析4</p><p>　　4.1地基雷達(dá)的實現(xiàn)4</p><p><b>　　4.2參數(shù)設(shè)置4</b></

7、p><p><b>　　5.程序代碼5</b></p><p>　　6.運行結(jié)果及分析6</p><p><b>　　7.參考文獻(xiàn)8</b></p><p>　　基于Matlab的地基雷達(dá)設(shè)計</p><p><b>　　1.課程設(shè)計目的</b><

8、;/p><p>　?。?）加深對雷達(dá)技術(shù)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>　?。?）掌握簡單地基雷達(dá)的組成及應(yīng)用。</p><p><b>　　2.課程設(shè)計要求</b></p><p>　　設(shè)計一部地基雷達(dá)，能夠檢測高度分別為10km和

9、2km的飛機和導(dǎo)彈。對每種目標(biāo)類型的最大探測距離是60km。假定飛機的平均RCS是6dBsm，導(dǎo)彈的平均RCS是-10dBm。導(dǎo)彈雷達(dá)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(shù)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(guān)知識</b></p>&l

10、t;p>　　對雷達(dá)截面積，雷達(dá)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(guān)雷達(dá)技術(shù)的基礎(chǔ)理論及知識點。</p><p><b>　　3.1地基雷達(dá)</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(shù)量不必相等）組成的統(tǒng)一的雷達(dá)系統(tǒng)。雙基地雷達(dá)是多基地雷達(dá)中最簡單的一種。早期的雷達(dá)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(guān)(見天線開關(guān)管)，單基地雷達(dá)遂逐步取代了雙基地雷達(dá)而成為常用的雷達(dá)形式。到50年代初，雙基地和多基地雷達(dá)系統(tǒng)重新受到人們的重視。多基地雷達(dá)可有多種組成形式。</p><p>　　3.2地基雷達(dá)的工作原理</p><p>　　雷達(dá)系統(tǒng)必須要實現(xiàn)的第一個任務(wù)是連續(xù)地掃描特定的空間區(qū)域以搜索感興趣的目標(biāo)，一旦建立起檢

12、測，目標(biāo)信息如距離、角位置及可能的目標(biāo)速度就可以從雷達(dá)信號和數(shù)據(jù)處理器中提取出來。根據(jù)雷達(dá)的設(shè)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?qū)挘愿采w沿著此坐標(biāo)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?yán)走_(dá)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(dá)搜索區(qū)域范圍為和。相應(yīng)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(dá)天線的3dB波束寬度可以分別按照它的方位向和俯仰向?qū)挾群捅硎?。那?/p>

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(shù)為</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　為了開發(fā)搜索雷達(dá)方程，由</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　使用關(guān)系式和，其中T是PRI，是脈沖寬度，得到</p>

15、<p><b>　　（3.6）</b></p><p>　　將雷達(dá)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(biāo)的時間可以根據(jù)表示為</p><p>　?。?.7） </p><p>

16、　　假設(shè)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(biāo)，則，所以式（3.6）可以寫為</p><p><b>　　（3.8）</b></p><p><b>　　進(jìn)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(dá)實現(xiàn)其搜索任務(wù)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(yù)定的SNR和雷達(dá)截面積。</p><p>　　作為一種特殊情況，假定雷達(dá)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>　　（3.10）</b></p><p>　　當(dāng)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(biāo)的時間的關(guān)系為 </p>

19、<p><b>　?。?.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(dá)方程為</p><p><b>　?。?.14）</b></p&

20、gt;<p>　　其中，使用了關(guān)系式（孔徑面積）。</p><p><b>　　4.課程設(shè)計分析</b></p><p>　　4.1地基雷達(dá)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(dá)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(dá)搜索區(qū)域為</p><p>　　在此，準(zhǔn)備使用雷達(dá)搜索方程（3.9）計算功率孔徑積。為此?？梢孕薷腗ATLAB函數(shù)“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(shù)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(shù)設(shè)置</b></p><p>　　表5.1 MATLAB程序“GBR_case.m”的輸入?yún)?shù)</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(jié)果及分析</b></p><p>　　圖6.1顯示了這個程序產(chǎn)生的輸出圖形。這個同樣的程序也計算了導(dǎo)彈和飛機對應(yīng)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(dá)的功率孔徑積相對

37、檢測距離</p><p>　　選擇更嚴(yán)格的情況作為設(shè)計基準(zhǔn)（即選擇導(dǎo)彈的分析結(jié)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(zhǔn)確的表示為使用作為雷達(dá)的工作頻率。然后，利用計算得到G=29.9dB。現(xiàn)在必須確定天線的方位波束寬度?；叵氲教炀€增益也是通過如下關(guān)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(xiàn)</b></p><p>　　[1] 丁鷺飛 陳建春．雷達(dá)原理．電子工業(yè)出版社，2009.3</p><p>　　[2] 巴塞姆·馬哈夫扎.雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)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(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論.電子工業(yè)出版社，2012.5</p><p>　　[5] 理查茲.雷達(dá)信號處理基礎(chǔ).電子工業(yè)出版社，2008.6</p><p>　　[6] 斯科尼克.雷達(dá)手