• 雷达基础导论及MATLAB仿真



    前言

    本文对雷达基础导论的内容以思维导图的形式呈现,有关仿真部分进行了讲解实现。


    一、雷达基础导论

    思维导图如下图所示,如有需求请到文章末尾端自取。
    在这里插入图片描述

    二、Matlab 仿真

    1、SNR 相对检测距离的仿真

    雷达方程: ( S N R ) o = P t G 2 λ 2 σ ( 4 π ) 3 k T e B F L R 4 (SNR)_o=\frac{P_tG^2 \lambda^2\sigma }{(4\pi)^3kT_eBFLR^4} (SNR)o=(4π)3kTeBFLR4PtG2λ2σ

    下面在三种不同数值的 RCS(雷达截面积)和三种不同数值的雷达峰值功率的情况下,对 SNR(信噪比) 相对检测距离的情况进行 Matlab 仿真

    ①、Matlab 源码

    radar_eq.m

    function [snr] = radar_eq(pt, freq, g, sigma, te, b, nf, loss, range)
    % This program implements Eq. (1.56)
    c = 3.0e+8; % speed of light
    lambda = c / freq; % wavelength
    p_peak = 10*log10(pt); % convert peak power to dB
    lambda_sqdb = 10*log10(lambda^2); % compute wavelength square in dB
    sigmadb = 10*log10(sigma); % convert sigma to dB
    four_pi_cub = 10*log10((4.0 * pi)^3); % (4pi)^3 in dB
    k_db = 10*log10(1.38e-23); % Boltzman's constant in dB
    te_db = 10*log10(te); % noise temp. in dB
    b_db = 10*log10(b); % bandwidth in dB
    range_pwr4_db = 10*log10((range).^4); % vector of target range^4 in dB
    % Implement Equation (1.56)
    num = p_peak + g + g + lambda_sqdb + sigmadb;
    den = four_pi_cub + k_db + te_db + b_db + nf + loss + range_pwr4_db;
    snr = num - den;
    return
    
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    相关参数说明:

    符号描述单位状态
    pt峰值功率W输入
    freq雷达中心频率Hz输入
    g天线增益dB输入
    sigma目标截面积 m 2 m^2 m2输入
    te有效噪声温度K输入
    b带宽Hz输入
    nf噪声系数dB输入
    loss雷达损失dB输入
    range目标距离(单位或矢量)m输入
    snrSNR(单值或矢量,根据输入距离)dB输出

    函数 “radar.m” 的设计使它对于输入“距离”,可以接受单个数值,或包含很多距离值的矢量

    fig1_12.m

    close all
    clear all
    pt = 1.5e+6; % peak power in Watts
    freq = 5.6e+9; % radar operating frequency in Hz
    g = 45.0; % antenna gain in dB
    sigma = 0.1; % radar cross section in m squared
    te = 290.0; % effective noise temperature in Kelvins
    b = 5.0e+6; % radar operating bandwidth in Hz
    nf = 3.0; %noise figure in dB
    loss = 6.0; % radar losses in dB
    range = linspace(25e3,165e3,1000); % range to target from 25 Km 165 Km, 1000 points
    snr1 = radar_eq(pt, freq, g, sigma, te, b, nf, loss, range);
    snr2 = radar_eq(pt, freq, g, sigma/10, te, b, nf, loss, range);
    snr3 = radar_eq(pt, freq, g, sigma*10, te, b, nf, loss, range);
    % plot SNR versus range
    figure(1)
    rangekm  = range ./ 1000;
    plot(rangekm,snr3,'k',rangekm,snr1,'k -.',rangekm,snr2,'k:')
    grid
    legend('\sigma = 0 dBsm','\sigma = -10dBsm','\sigma = -20 dBsm')
    xlabel ('Detection range - Km');
    ylabel ('SNR - dB');
    snr1 = radar_eq(pt, freq, g, sigma, te, b, nf, loss, range);
    snr2 = radar_eq(pt*.4, freq, g, sigma, te, b, nf, loss, range);
    snr3 = radar_eq(pt*1.8, freq, g, sigma, te, b, nf, loss, range);
    figure (2)
    plot(rangekm,snr3,'k',rangekm,snr1,'k -.',rangekm,snr2,'k:')
    grid
    legend('Pt = 2.16 MW','Pt = 1.5 MW','Pt = 0.6 MW')
    xlabel ('Detection range - Km');
    ylabel ('SNR - dB');
    
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    ②、仿真

    仿真参数默认如下:
    峰值功率 P t = 1.5 P_t=1.5 Pt=1.5 MW,工作频率 f 0 = 5.6 f_0=5.6 f0=5.6 GHz,天线增益 G = 45 G=45 G=45 dB,有效温度 T e = 290 T_e=290 Te=290 K,雷达损失 L = 6 L=6 L=6 dB,噪声系数 F = 3 F=3 F=3 dB,雷达带宽 B = 5 B=5 B=5 MHz,雷达最小和最大检测距离是 R m i n = 25 R_{min}=25 Rmin=25 km 和 R m a x = 165 R_{max}=165 Rmax=165 km,假定目标截面积 σ = 0.1 \sigma=0.1 σ=0.1 m 2 m^2 m2

    1)、不同 RCS,SNR 相对检测距离仿真

    在这里插入图片描述

    对三种不同数值的 RCS,SNR 相对检测距离的曲线

    注:分贝平方米(dBsm):用雷达散射截面的对数值的十倍来表示,符号是σ dBsm,单位是分贝平方米(dBsm),即σ dBsm=10lgσ。例如,RCS 值 0.1 平方米对应的是 -10 分贝平方米(即 -10dBsm)。

    结论:从图中可以看到 RCS(雷达截面积)越大,雷达信噪比越大,且随着距离的增加,雷达信噪比逐渐减小;

    2)、不同雷达峰值功率,SNR 相对检测距离仿真

    在这里插入图片描述

    对三种不同数值的雷达峰值功率,SNR 相对检测距离的曲线

    结论:从图中可以看到雷达峰值功率越大,雷达信噪比越大,且随着距离的增加,雷达信噪比逐渐减小

    2、脉冲宽度相对所要求的 SNR 仿真

    雷达检测门限: ( S N R ) o m a x = P t G 2 λ 2 σ ( 4 π ) 3 k T e B F L R m a x 4 (SNR)_{o_{max}}=\frac{P_tG^2\lambda^2\sigma}{(4\pi)^3kT_eBFLR^4_{max}} (SNR)omax=(4π)3kTeBFLRmax4PtG2λ2σ

    可以推出脉冲宽度 τ = ( 4 π ) 3 k T e F L R 4 S N R P t G 2 λ 2 σ \tau=\frac{(4\pi)^3kT_eFLR^4SNR}{P_tG^2\lambda^2\sigma} τ=PtG2λ2σ(4π)3kTeFLR4SNR

    下面在三种不同的检测距离数值的情况下,对脉冲宽度相对所要求 SNR(信噪比)的情况进行 Matlab 仿真

    ①、Matlab 源码

    fig1_13.m

    close all
    clear all
    pt = 1.e+6; % peak power in Watts
    freq = 5.6e+9; % radar operating frequency in Hz
    g = 40.0; % antenna gain in dB
    sigma = 0.1; % radar cross section in m squared
    te =300.0; % effective noise temperature in Kelvins
    nf = 5.0; %noise figure in dB
    loss = 6.0; % radar losses in dB
    range = [75e3,100e3,150e3]; % three range values
    snr_db = linspace(5,20,200); % SNR values from 5 dB to 20 dB 200 points
    snr = 10.^(0.1.*snr_db); % convert snr into base 10
    gain = 10^(0.1*g); %convert antenna gain into base 10
    loss = 10^(0.1*loss); % convert losses into base 10
    F = 10^(0.1*nf); % convert noise figure into base 10
    lambda = 3.e8 / freq; % compute wavelength
    % Implement Eq.(1.57)
    den = pt * gain * gain * sigma * lambda^2;
    num1 = (4*pi)^3 * 1.38e-23 * te * F * loss * range(1)^4 .* snr;
    num2 = (4*pi)^3 * 1.38e-23 * te * F * loss * range(2)^4 .* snr;
    num3 = (4*pi)^3 * 1.38e-23 * te * F * loss * range(3)^4 .* snr;
    tau1 = num1 ./ den ;
    tau2 = num2 ./ den;
    tau3 = num3 ./ den;
    % plot tau versus snr
    figure(1)
    semilogy(snr_db,1e6*tau1,'k',snr_db,1e6*tau2,'k -.',snr_db,1e6*tau3,'k:')
    grid
    legend('R = 75 Km','R = 100 Km','R = 150 Km')
    xlabel ('Minimum required SNR - dB');
    ylabel ('\tau (pulse width) in \mu sec');
    
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    ②、仿真

    仿真参数参考上面代码

    以下为不同检测距离,脉冲宽度相对所要求的 SNR 仿真
    在这里插入图片描述

    对三种不同的检测距离数值,脉冲宽度相对所要求的 SNR 曲线

    结论:从图中可以看到随着雷达 SNR 的增加,脉冲宽度逐渐增大;对应于同一雷达 SNR,距离越远所需要的脉冲宽度越宽

    3、功率孔径积相对于距离仿真 及 平均功率相对于孔径大小仿真

    搜索雷达方程: S N R = P a v A σ 4 π k T e F L R 4 T s c Ω SNR=\frac{P_{av}A\sigma}{4\pi kT_eFLR^4}\frac{T_{sc}}{\Omega} SNR=4πkTeFLR4PavAσΩTsc

    功率孔径积: P a v A P_{av}A PavA

    ①、Matlab 源码

    power_aperture.m

    function PAP = power_aperture(snr,tsc,sigma,range,te,nf,loss,az_angle,el_angle)
    % This program implements Eq. (1.67)
    Tsc = 10*log10(tsc); % convert Tsc into dB
    Sigma = 10*log10(sigma); % convert sigma to dB
    four_pi = 10*log10(4.0 * pi); % (4pi) in dB
    k_db = 10*log10(1.38e-23); % Boltzman's constant in dB
    Te = 10*log10(te); % noise temp. in dB
    range_pwr4_db = 10*log10(range.^4); % target range^4 in dB
    omega = (az_angle/57.296) * (el_angle / 57.296); % compute search volume in steraradians
    Omega = 10*log10(omega); % search volume in dB
    % implement Eq. (1.67)
    PAP = snr + four_pi + k_db + Te + nf + loss + range_pwr4_db + Omega ...
        - Sigma - Tsc;
    return
    
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    相关参数说明:

    符号描述单位状态
    snr灵敏度snrdB输入
    tsc扫描时间s输入
    sigma目标截面积 m 2 m^2 m2输入
    range目标距离(单位或矢量)m输入
    te有效噪声温度K输入
    nf噪声系数dB输入
    loss雷达损失dB输入
    az_angle搜索区域的方位角范围 ∘ ^\circ 输入
    el_angle搜索区域的俯仰角范围 ∘ ^\circ 输入
    PAP功率孔径积dB输出

    fig1_16.m

    close all
    clear all
    tsc = 2.5; % Scan time i s2.5 seconds
    sigma = 0.1; % radar cross section in m sqaured
    te = 900.0; % effective noise temperature in Kelvins
    snr = 15; % desired SNR in dB
    nf = 6.0; %noise figure in dB
    loss = 7.0; % radar losses in dB
    az_angle = 2; % search volume azimuth extent in degrees
    el_angle = 2; %serach volume elevation extent in degrees
    range = linspace(20e3,250e3,1000); % range to target from 20 Km 250 Km, 1000 points
    pap1 = power_aperture(snr,tsc,sigma/10,range,te,nf,loss,az_angle,el_angle);
    pap2 = power_aperture(snr,tsc,sigma,range,te,nf,loss,az_angle,el_angle);
    pap3 = power_aperture(snr,tsc,sigma*10,range,te,nf,loss,az_angle,el_angle);
    % plot power aperture prodcut versus range
    % figure 1.16a
    figure(1)
    rangekm  = range ./ 1000;
    plot(rangekm,pap1,'k',rangekm,pap2,'k -.',rangekm,pap3,'k:')
    grid
    legend('\sigma = -20 dBsm','\sigma = -10dBsm','\sigma = 0 dBsm')
    xlabel ('Detection range in Km');
    ylabel ('Power aperture product in dB');
    % generate Figure 1.16b
    lambda = 0.03; % wavelength in meters
    G = 45; % antenna gain in dB
    ae = linspace(1,25,1000);% aperture size 1 to 25 meter squared, 1000 points
    Ae = 10*log10(ae);
    range = 250e3; % rnage of interset is 250 Km
    pap1 = power_aperture(snr,tsc,sigma/10,range,te,nf,loss,az_angle,el_angle);
    pap2 = power_aperture(snr,tsc,sigma,range,te,nf,loss,az_angle,el_angle);
    pap3 = power_aperture(snr,tsc,sigma*10,range,te,nf,loss,az_angle,el_angle);
    Pav1 = pap1 - Ae;
    Pav2 = pap2 - Ae;
    Pav3 = pap3 - Ae;
    figure(2)
    plot(ae,Pav1,'k',ae,Pav2,'k -.',ae,Pav3,'k:')
    grid
    xlabel('Aperture size in square meters')
    ylabel('Pav in dB')
    legend('\sigma = -20 dBsm','\sigma = -10dBsm','\sigma = 0 dBsm')
    
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    ②、仿真

    仿真参数默认如下:

    σ \sigma σ T s c T_{sc} Tsc θ e = θ a \theta_e=\theta_a θe=θaRT_e n f ∗ l o s s nf*loss nfloss s n r snr snr
    0.1 m 2 0.1m^2 0.1m2 2.5 s 2.5s 2.5s 2 ∘ 2^\circ 2 252 k m 252km 252km 900 K 900K 900K 13 d B 13dB 13dB 15 d B 15dB 15dB
    1)、不同 RCS,功率孔径积相对于距离仿真

    请添加图片描述

    对三种不同的 RCS,功率孔径积相对于检测距离曲线

    结论:从图中可以看到随着检测距离的增加,功率孔径积增大;雷达 RCS 越大,功率孔径积也越小
    2)、不同 RCS,平均功率相对于孔径大小仿真

    请添加图片描述

    对三种不同的 RCS,雷达平均功率相对于孔径大小曲线

    结论:从图中可以看到随着雷达孔径大小的增加,雷达平均功率呈现下降趋势;雷达 RCS 越大,雷达孔径越小

    4、SNR 增益相对积累脉冲数仿真

    • 相干积累: ( S N R ) C I = n p ( S N R ) 1 (SNR)_{CI}=n_p(SNR)_1 (SNR)CI=np(SNR)1
    • 非相干积累: ( S N R ) 1 = ( S N R ) N C I 2 n p + ( S N R N C I 2 ) 4 N P 2 + ( S N R ) ( N C I ) n p (SNR)_1=\frac{(SNR)_{NCI}}{2n_p}+\sqrt{\frac{(SNR_{NCI}^2)}{4N_P^2}+\frac{(SNR)_(NCI)}{n_p}} (SNR)1=2np(SNR)NCI+4NP2(SNRNCI2)+np(SNR)(NCI)
      ( S N R ) N C I = n p ( S N R ) 1 L N C I (SNR)_{NCI}=\frac{n_p(SNR)_1}{L_{NCI}} (SNR)NCI=LNCInp(SNR)1

    注: ( S N R ) 1 (SNR)_1 (SNR)1 是产生给定检测概率所要求的单个脉冲的SNR

    ①、Matlab 源码

    pulse_integration.m

    function [snrout] = pulse_integration(pt, freq, g, sigma, te, b, nf, loss, range,np,ci_nci)
     snr1 = radar_eq(pt, freq, g, sigma, te, b, nf, loss, range) % single pulse SNR
     snr1=0
    if (ci_nci == 1) % coherent integration
       snrout = snr1 + 10*log10(np);
    else % non-coherent integration
        if (ci_nci == 2)
            snr_nci = 10.^(snr1./10);
            val1 = (snr_nci.^2) ./ (4.*np.*np);
            val2 = snr_nci ./ np;
            val3 = snr_nci ./ (2.*np);
            SNR_1 = val3 + sqrt(val1 + val2); % Equation 1.87 of text
            LNCI = (1+SNR_1) ./ SNR_1; % Equation 1.85 of text
            snrout = snr1 + 10*log10(np) - 10*log10(LNCI);
        end
    end
    return
    
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    相关参数说明:

    符号描述单位状态
    pt峰值功率W输入
    freq雷达中心频率Hz输入
    g天线增益dB输入
    sigma目标截面积 m 2 m^2 m2输入
    te有效噪声温度K输入
    b带宽Hz输入
    nf噪声系数dB输入
    loss雷达损失dB输入
    range目标距离(单位或矢量)m输入
    np积累脉冲数输入
    ci_nci1是CI;2是NCI输入
    snrSNR(单值或矢量,根据输入距离)dB输出

    fig1_21.m

    clear all
    close all
    np = linspace(1,10000,1000);
    snrci = pulse_integration(4,94.e9,47,20,290,20e6,7,10,5.01e3,np,1);
    snrnci = pulse_integration(4,94.e9,47,20,290,20e6,7,10,5.01e3,np,2);
    semilogx(np,snrci,'k',np,snrnci,'k:')
    legend('Coherent integration','Non-coherent integration')
    grid
    xlabel ('Number of integrated pulses');
    ylabel ('SNR - dB');
    
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    ②、仿真

    仿真参数见上面源码

    一般情况下 SNR 改善相对脉冲积累数
    请添加图片描述

    当使用积累时的 SNR 改善

    结论:从图中可以看到随着积累脉冲数的增加,雷达信噪比逐渐增大;且当积累脉冲数相等时,相干积累信噪比大于非相干积累信噪比

    三、资源自取

    雷达基础导论.pdf


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