2023-02-18

一、前言

本例显示了波形类型如何影响雷达系统的检测性能。该示例考虑了为现有雷达系统设计设定新性能目标的情况。由于旧设计无法再达到所需的性能，因此采用了新的波形。该示例还演示如何对 Swerling 目标进行建模，模拟返回，然后检测目标范围。

二、设计规范最小目标雷达横截面（RCS）：1m2，无波动;最大明确范围：5 公里;检出概率：0.9;误报概率：1e-6。

2.1 新的性能要求

系统部署后，出现了两个新要求：

最大明确范围需要扩展到 8 公里。该系统还需要能够检测Swerling案例2的目标。

是否可以修改现有设计以实现新的性能目标？为了回答这个问题，我们需要重新计算受这些新要求影响的参数。

第一个受影响的参数是脉冲重复频率（PRF）。它需要根据新的最大明确范围重新计算。

与现有设计的30 kHz PRF相比，新的PRF为18.737 kHz，更小。因此脉冲间隔更长。请注意，这是雷达软件的一个微不足道的变化，硬件成本相当便宜。

接下来，由于目标是使用Swerling案例2模型描述的，因此我们需要使用Shnidman方程而不是Albersheim方程来计算实现指定Pd和Pfa所需的SNR。施尼德曼方程假设非相干积分和平方律检测器。要积分的脉冲数为 10。

2.2波形选择

如果我们在现有设计中使用相同的矩形波形，脉冲宽度将保持不变，因为它由距离分辨率决定。但是，由于我们的最大范围已从5 km增加到8 km，并且目标模型从非波动情况2切换到Swerling情况<>，因此我们需要重新计算所需的峰值发射功率。

峰值功率大约是先前要求的八倍。这不再是微不足道的修改，因为（1）现有的雷达硬件旨在产生峰值功率约为5200 w的脉冲。尽管大多数设计会在所需功率以上留出一些裕量，但现有系统不太可能容纳八倍以上的功率;（2）更换硬件以输出如此高的功率是非常昂贵的。因此，需要修改当前的设计，通过使用更复杂的信号处理技术来适应新的目标。

2.3 线性调频波形

降低功率要求的一种方法是使用矩形波形以外的波形。例如，线性 FM 波形可以使用比矩形波形更长的脉冲。结果，所需的峰值发射功率下降。

让我们检查线性FM波形配置的细节。

所需的范围分辨率决定了波形带宽。对于线性FM波形，带宽等于其扫描带宽。但是，脉冲宽度不再局限于脉冲带宽的倒数，因此可以使用更长的脉冲宽度。我们使用长20倍的脉冲宽度，并将采样率设置为脉冲带宽的两倍。

我们现在确定实现设计要求所需的新发射功率。

三、系统仿真

现在我们已经定义了雷达以满足设计规范，我们设置了目标和环境来模拟整个系统。

3.1 目标

与上述示例一样，我们假设在自由空间环境中有 3 个目标。但是，现在目标模型是Swerling案例2，目标位置和平均雷达横截面指定如下：

我们在目标中设置了生成 rcs 的种子，以便我们可以重现相同的结果。

3.2 传播环境

我们还在雷达和每个目标之间建立了传播通道。

3.3 信号合成

我们为接收器中的噪声生成设置种子，以便我们可以重现相同的结果。

四、距离检测

4.1 检测阈值

检测阈值是使用噪声信息计算的，同时考虑脉冲积分。请注意，在加载的系统中，如上述示例所述，噪声带宽是采样率的一半。我们将阈值与前两个脉冲一起绘制。

该图显示脉冲非常宽，这可能导致范围分辨率差。此外，第二个和第三个目标完全被噪音掩盖。

4.2 匹配过滤器

与矩形波形一样，接收到的脉冲首先通过匹配滤波器以提高SNR。匹配滤波器提供处理增益，进一步提高检测阈值。此外，线性FM波形的匹配滤波器的另一个好处是，它可以在时域中压缩波形，使滤波后的脉冲变得更窄，从而转化为更好的距离分辨率。

补偿匹配的滤波器延迟。然后将时变增益施加到信号上，以便在整个可检测范围内使用恒定阈值。

4.3 非相干积分

我们现在对接收脉冲进行非相干积分，以进一步提高信噪比。此操作也称为视频集成。

视频集成后，数据已准备好进入最终检测阶段。从上面的图中，我们看到没有误报。

4.4 距离检测

最后，对积分脉冲进行阈值检测。检测方案识别峰值，然后将其位置转换为目标范围。

请注意，这些距离估计值仅在雷达系统可以实现的距离分辨率（在本例中为 50 m）内准确。

五、总结

在本例中，我们使用线性调频波形进行距离检测。通过使用线性调频波形，我们能够降低所需的峰值发射功率，从而为Swerling case 8目标实现更大的可检测范围，即2 km。

六、程序

使用Matlab R2022b版本，点击打开。（版本过低，运行该程序可能会报错）

程序下载：【程序】基于matlab仿真波形类型对雷达系统检测性能的影响