西电24年雷达原理与系统大作业——相控阵雷达

西电24年雷达原理与系统大作业——相控阵雷达

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/2201_75342167/article/details/145576623

相控阵雷达作为现代雷达技术的重要发展方向，以其灵活的波束控制和强大的抗干扰能力在军事和民用领域得到广泛应用。本文基于西安电子科技大学2024年雷达原理与系统课程的大作业，详细介绍了相控阵雷达的仿真实验，从波束指向控制到数字波束形成，再到目标回波信号处理，全面展示了相控阵雷达的核心技术原理和实现方法。

相控阵雷达仿真：从理论到实践的深度探索

在雷达技术的发展历程中，相控阵雷达凭借其独特优势占据着重要地位。今天，我们基于24年西电雷达原理与系统第八题的题目内容，深入探讨相控阵雷达的仿真实验，剖析其原理、实现过程及关键技术要点。本次相控阵雷达仿真围绕着一系列具体要求展开，涉及波束指向、数字波束形成、目标回波信号处理等多个关键方面。

图1.西电本科生雷达课程大作业

一、相控阵雷达仿真的关键要点

（一）波束指向与移相器参数确定

在相控阵雷达中，波束指向的精确控制是实现高效探测的关键。对于5位移相器，当波束指向为 -15°和 +30°时，需确定每个移相器对应的相位及其控制码。根据公式

其中

为波长，

为天线间隔，

为波束指向角度。

结合天线间隔为半波长的条件，可计算出相邻单元间的相位差。当波束指向为 -15°时，相邻单元间的相位差约为 -46.5874°；当波束指向为 30°时，该相位差为 90° 。由于数字移相器将360°按$2^5$量化，量化单位为11.25°，由此可得到移相器量化后的相移及控制码。以波束指向 -15°为例，部分阵元的移相器量化相移及控制码如下表所示：

这种量化处理虽然方便了移相器的数字控制，但也带来了量化误差，导致波束指向可能出现偏差。不过在实际应用中，可预先计算并修正这种误差。

（二）数字波束形成（DBF）与方向图绘制

数字波束形成技术是相控阵雷达的核心技术之一，它通过对各阵元接收信号进行加权处理，实现对特定方向信号的增强和干扰抑制。在本次仿真中，采用25dB的泰勒窗函数对DBF的权矢量进行加窗处理，以降低阵列的副瓣电平。

假设信号来波方向为

，导向矢量

，当权矢量

为方向

的导向矢量时，DBF实现各路信号同向相加，输出模值最大，从而实现空域滤波。 通过计算不同波束指向（0°和 +30°）下加窗和未加窗的方向图函数，并绘制方向图，可直观地观察到泰勒窗函数对副瓣电平的抑制效果。

图2.天线指向方向图函数 左图为指向0°，右图为指向+30°

从绘制的方向图中可以明显看出，加窗后副瓣电平比主瓣电平低25dB，有效提高了雷达的分辨率和抗干扰能力。

（三）目标回波信号处理与检测

1. 基带信号模型与回波信号生成

阵列天线接收目标回波的基带信号模型是整个信号处理的基础。首先生成频率为10GHz、调频带宽为10MHz、时宽为10 μs的线性调频（LFM）信号，其功率归一化复信号表达式为

其中

为矩形窗函数，

为时宽，

为调频带宽。考虑目标距离

，可计算出天线接收信号与发射信号的时延

进而生成理想回波信号。同时，考虑到实际情况中存在噪声，添加零均值、方差为1的复高斯白噪声，模拟真实的接收信号环境。

2. DBF处理

对接收的包含回波信号和噪声的混合信号进行DBF处理，波束指向目标方向5°。通过导向矢量对接收信号进行加权求和，得到未加窗DBF后的天线输出。从处理结果来看，在未加窗的情况下，信号完全淹没在噪声中，难以直接分辨出目标信号。

图3.天线输出DBF波形

图4.接受天线接受信号

3. 脉冲压缩

脉冲压缩是提高雷达距离分辨率的重要手段，其本质是实现信号的匹配滤波。在数字域中，通过快速傅里叶变换（FFT）在频域上实现脉冲压缩。假设匹配滤波器的响应为发送信号，根据傅里叶变换性质，频域脉压输出信号可表示为

其中

为匹配滤波器传递函数，

为接收信号的傅里叶变换。

在实际计算中，需要注意FFT和IFFT的点数选取，通常要对序列进行补零处理，以确保计算的准确性。经过脉冲压缩处理后，信号的能量得到集中，距离分辨率显著提高。

图5.脉冲压缩后的波形

4. CFAR检测

在复杂的干扰背景下，为了准确检测目标，采用单元平均CA-CFAR检测方法。该方法通过对检测单元两边的参考单元进行平均，估计噪声和干扰电平，从而设置合适的检测门限。

虚警概率

其中

为门限因子，

为参考单元总数

虚警概率与噪声功率无关，保证了在不同噪声环境下虚警率的恒定。通过对脉压后的信号进行CFAR检测，结果显示在距离为95km处的信号能够通过检测，这与预设的目标距离一致，表明该检测方法能够有效地在干扰背景下检测出目标。

图6.进行CA-CFAR检测

二、学习相控阵雷达仿真的收获与体会

通过参与这次相控阵雷达的仿真实验，我对雷达技术有了更为深入和全面的理解。从基础的电磁学原理到复杂的信号处理算法，每一个环节都紧密相连，共同构成了相控阵雷达强大的探测能力。在学习过程中，我不仅掌握了相控阵雷达的工作原理和关键技术，还学会了运用MATLAB等工具进行仿真实验，将理论知识转化为实际的代码实现。这让我深刻体会到理论与实践相结合的重要性，只有通过实际操作，才能真正理解和掌握这些复杂的技术。

同时，我也认识到雷达技术在现代社会中的广泛应用和重要价值。无论是军事领域的目标探测与跟踪，还是民用领域的气象监测、航空航天导航等，雷达都发挥着不可替代的作用。随着科技的不断进步，雷达技术也在持续创新和发展，新的技术和应用不断涌现，如合成孔径雷达、多基地雷达等。这激励着我在未来的学习和工作中，要保持对新知识、新技术的学习热情，不断探索和研究，为雷达技术的发展贡献自己的一份力量。

希望通过这篇博客，能让大家对相控阵雷达的仿真有更清晰的认识和理解，也欢迎各位在评论区分享自己的见解和经验，共同学习进步。

三、存在问题

主要问题在于第三问目标检测上。第三问进行DBF（即数字波束形成）的时候没有进行加窗处理。并且在仿真的过程中，由于仿真的回波数据较多，需要进行傅里叶变换的点数N偏大，需要计算的时间偏长，并且导致了最后进行CA-CFAR检测时，不能看出明显的检测门限。