MATLAB方法在雷达原理教学中的应用

姬宪法 王 宁

摘要:MATLAB软件是一种集数值计算、图像处理及系统仿真等强大功能于一体的编程环境。将MATLAB的图形绘制、信号处理和系统仿真等功能应用于雷达原理教学中,能使教学直观、生动、形象,加深学生对理论的理解。

关键词:雷达原理 MATLAB 教学应用

雷达原理是高校雷达工程专业的专业基础课,它主要介绍雷达工作的基本原理,在雷达专业的课程体系中起着非常重要的作用,是学习许多后续课程的基础。然而雷达原理这门课程理论复杂,非常抽象,许多问题不仅要在时域内进行分析,还要在学生们并不熟悉的频域内进行分析,推理、算式较多,从而使许多学生望而却步,失去学好这门课的信心。在雷达原理教学中若运用MATLAB,充分发挥该软件的计算和图形显示优势,可简化计算过程,把分析运算结果以图形、曲线的形式形象地显示出来,同时MATLAB可以仿真雷达工作过程中的各种算法,通过改变某些参数来观察雷达系统的性能变化,加深学生对知识的理解,从而可以获得比较好的教学效果。另一方面,高校多媒体教学环境非常普遍,学生的计算机应用能力增强,也为MATLAB应用于雷达原理教学提供了条件。

一、MATLAB软件的功能和特点

MATLAB(MATRIX LABORTORY)又称矩阵实验室,其基本的数据单元是一个维数不加限制的矩阵,在MATLAB下,矩阵的运算变得异常容易。在MATLAB软件中有自动控制、系统辨识、模糊算法、神经网络、信号处理及通信等十个工具箱,使MATLAB广泛应用于自动控制、图像信号处理、生物医学工程、语音处理、雷达信号处理与分析、信号分析、优化设计等领域。它具有以下的功能和特点:高效的数值计算及符号计算功能,能使我们从烦杂的数学运算分析中解脱出来;完备的界面及接近数学表达式的自然化语言,便于学习和掌握。实践证明:学生可以在几十分钟时间内学会MATLAB的基本知识,经过几个小时的使用就能初步掌握它。

二、MATLAB在雷达原理教学中的应用举例

下面以脉冲压缩匹配滤波器为例来说明MATLAB方法的运用。

(一)脉冲压缩的基本原理

脉冲压缩技术理论较为复杂,在课堂教学中不易理解。它是雷达在发射机峰值功率受限情况下,为提高目标探测距离,同时保持较高的距离分辨力而采用的一种有效技术。雷达的距离分辨力取决于信号的带宽,然而在普通的脉冲雷达中,雷达信号的时宽带宽积为一常量(约为1)。因此采用增大发射信号脉宽的方法来提高探测距离就与提高雷达的距离分辨力之间成为一对矛盾的关系,二者不能兼顾。脉冲压缩雷达体制采用宽脉冲发射以提高发射的平均功率,保证足够的最大作用距离,而在接收时则采用相应的脉冲压缩法获得窄脉冲,以提高距离分辨力,因而能够较好地解决作用距离和分辨力之间的矛盾。运用MATLAB方法仿真后,在仿真结果的图形中可以直观地看到采用脉冲压缩后能分辨出目标,而未采用脉冲压缩后不能有效地分辨目标。

(二)用MATLAB仿真工具箱进行脉冲压缩仿真程序设计

脉冲压缩仿真程序设计如下:

函数名为:matchfilter(nscat,taup,f0,b,rmin,rrec,scat-rang,scat-rcs,winid)

输入变量变量说明及其仿真参数取值:

nscat: 点散射体个数;取2

taup:未压缩脉冲宽度;取0.005e-3S

f0: LFM起始频率;取14e6Hz

b: 接收机带宽;取16e6Hz

rmin: 接收窗口最小距离;150e3米

rrec: 接收窗口大小;200米

scat-rang: 散射体距离;[150e3,150.05e3]米

scat-rcs: 散射体RCS;[1,1]m2

winid: 窗口选择;0 无 1 海明窗 2 凯泽窗 3 切比雪夫窗取2

具体源代码如下:

function [y] = matched_filter(nscat,taup,f0,b,rmin,rrec,scat_range,scat_rcs,winid)

eps = 1.0e-16:

htau = taup / 2.:

c = 3.e8:

n = fix(2. * taup * b):

m = power_integer_2(n):

nfft = 2.^m:

x(nscat,1:nfft) = 0.:

y(1:nfft) = 0.:

replica(1:nfft) = 0.:

if( winid == 0.)

win(1:nfft) = 1.:

win=win':

else

if(winid == 1.)

win = hamming(nfft):

else

if( winid == 2.)

win = kaiser(nfft,pi):

else

if(winid == 3.)

win = chebwin(nfft,60):

end

end

end

end

deltar = c / 2. / b:

max_rrec = deltar * nfft / 2.:

maxr = max(scat_range) - rmin:

if(rrec > max_rrec | maxr >= rrec )

错误. 接收窗口太大或散射体在接收窗口范围之外

break

end

trec = 2. * rrec / c:

subplot(2,1,1)

plot(real(replica))

title(匹配滤波器时域响应)

subplot(2,1,2)

plot(fftshift(abs(fft(replica)))):

title(匹配滤波器频域响应)

for j = 1:1:nscat

t_tgt = 2. * (scat_range(j) - rmin ) / c +htau:

x(j,1:uplimit) = scat_rcs(j) .* exp(i *2.* pi * ...

(.5 * (b/taup) .* (t+t_tgt).^2)):

y = y + x(j,:):

end

figure(1)

plot(t,real(y),'k')

xlabel (相对延迟时间 - s)

ylabel (未压缩时的系统响应)

title (以窗口始端为起始距离)

rfft = fft(replica,nfft):

yfft = fft(y,nfft):

out= abs(ifft((rfft .* conj(yfft)) .* win' )) ./ (nfft):

figure(2)

time = -htau:deltat:htau-eps:

plot(time,out,'k')

xlabel (相对延迟时间 - s)

ylabel (系统压缩响应)

title (以窗口始端为起始距离)

grid

调试运行后仿真结果为如下波形:

三、结论

由此可见,运用MATLAB仿真的方法可以直观地表现抽象的雷达工作基本原理。上述方法不仅可以对脉冲压缩进行仿真,还能实现对雷达工作过程中的发射机工作过程、接收机工作过程和目标跟踪过程进行直观表现,对增进雷达原理课堂教学效果具有重要意义。

参考文献:

[1] 丁鹭飞、耿富录,《雷达原理》[M],西安电子科技大学出版社,2002

[2] 陈怀琛,《MATLAB及其在理工课程中的应用指南》[M],西安电子科技大学出版社,2000

【作者简介:姬宪法(1970-),男(汉族),河南焦作人。空军第一航空学院航空电子工程系副教授,硕士。研究领域:雷达。】