MATLAB方法在雷達(dá)原理教學(xué)中的應(yīng)用

姬憲法 王 寧

摘要:MATLAB軟件是一種集數(shù)值計(jì)算、圖像處理及系統(tǒng)仿真等強(qiáng)大功能于一體的編程環(huán)境。將MATLAB的圖形繪制、信號(hào)處理和系統(tǒng)仿真等功能應(yīng)用于雷達(dá)原理教學(xué)中,能使教學(xué)直觀、生動(dòng)、形象,加深學(xué)生對(duì)理論的理解。

關(guān)鍵詞:雷達(dá)原理 MATLAB 教學(xué)應(yīng)用

雷達(dá)原理是高校雷達(dá)工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課,它主要介紹雷達(dá)工作的基本原理,在雷達(dá)專業(yè)的課程體系中起著非常重要的作用,是學(xué)習(xí)許多后續(xù)課程的基礎(chǔ)。然而雷達(dá)原理這門課程理論復(fù)雜,非常抽象,許多問題不僅要在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行分析,還要在學(xué)生們并不熟悉的頻域內(nèi)進(jìn)行分析,推理、算式較多,從而使許多學(xué)生望而卻步,失去學(xué)好這門課的信心。在雷達(dá)原理教學(xué)中若運(yùn)用MATLAB,充分發(fā)揮該軟件的計(jì)算和圖形顯示優(yōu)勢(shì),可簡(jiǎn)化計(jì)算過程,把分析運(yùn)算結(jié)果以圖形、曲線的形式形象地顯示出來,同時(shí)MATLAB可以仿真雷達(dá)工作過程中的各種算法,通過改變某些參數(shù)來觀察雷達(dá)系統(tǒng)的性能變化,加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解,從而可以獲得比較好的教學(xué)效果。另一方面,高校多媒體教學(xué)環(huán)境非常普遍,學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力增強(qiáng),也為MATLAB應(yīng)用于雷達(dá)原理教學(xué)提供了條件。

一、MATLAB軟件的功能和特點(diǎn)

MATLAB(MATRIX LABORTORY)又稱矩陣實(shí)驗(yàn)室,其基本的數(shù)據(jù)單元是一個(gè)維數(shù)不加限制的矩陣,在MATLAB下,矩陣的運(yùn)算變得異常容易。在MATLAB軟件中有自動(dòng)控制、系統(tǒng)辨識(shí)、模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)處理及通信等十個(gè)工具箱,使MATLAB廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、圖像信號(hào)處理、生物醫(yī)學(xué)工程、語(yǔ)音處理、雷達(dá)信號(hào)處理與分析、信號(hào)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。它具有以下的功能和特點(diǎn):高效的數(shù)值計(jì)算及符號(hào)計(jì)算功能,能使我們從煩雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析中解脫出來;完備的界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語(yǔ)言,便于學(xué)習(xí)和掌握。實(shí)踐證明:學(xué)生可以在幾十分鐘時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)MATLAB的基本知識(shí),經(jīng)過幾個(gè)小時(shí)的使用就能初步掌握它。

二、MATLAB在雷達(dá)原理教學(xué)中的應(yīng)用舉例

下面以脈沖壓縮匹配濾波器為例來說明MATLAB方法的運(yùn)用。

(一)脈沖壓縮的基本原理

脈沖壓縮技術(shù)理論較為復(fù)雜,在課堂教學(xué)中不易理解。它是雷達(dá)在發(fā)射機(jī)峰值功率受限情況下,為提高目標(biāo)探測(cè)距離,同時(shí)保持較高的距離分辨力而采用的一種有效技術(shù)。雷達(dá)的距離分辨力取決于信號(hào)的帶寬,然而在普通的脈沖雷達(dá)中,雷達(dá)信號(hào)的時(shí)寬帶寬積為一常量(約為1)。因此采用增大發(fā)射信號(hào)脈寬的方法來提高探測(cè)距離就與提高雷達(dá)的距離分辨力之間成為一對(duì)矛盾的關(guān)系,二者不能兼顧。脈沖壓縮雷達(dá)體制采用寬脈沖發(fā)射以提高發(fā)射的平均功率,保證足夠的最大作用距離,而在接收時(shí)則采用相應(yīng)的脈沖壓縮法獲得窄脈沖,以提高距離分辨力,因而能夠較好地解決作用距離和分辨力之間的矛盾。運(yùn)用MATLAB方法仿真后,在仿真結(jié)果的圖形中可以直觀地看到采用脈沖壓縮后能分辨出目標(biāo),而未采用脈沖壓縮后不能有效地分辨目標(biāo)。

(二)用MATLAB仿真工具箱進(jìn)行脈沖壓縮仿真程序設(shè)計(jì)

脈沖壓縮仿真程序設(shè)計(jì)如下:

函數(shù)名為:matchfilter(nscat,taup,f0,b,rmin,rrec,scat-rang,scat-rcs,winid)

輸入變量變量說明及其仿真參數(shù)取值:

nscat: 點(diǎn)散射體個(gè)數(shù);取2

taup:未壓縮脈沖寬度;取0.005e-3S

f0: LFM起始頻率;取14e6Hz

b: 接收機(jī)帶寬;取16e6Hz

rmin: 接收窗口最小距離;150e3米

rrec: 接收窗口大小;200米

scat-rang: 散射體距離;[150e3,150.05e3]米

scat-rcs: 散射體RCS;[1,1]m2

winid: 窗口選擇;0 無 1 海明窗 2 凱澤窗 3 切比雪夫窗取2

具體源代碼如下:

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 )

錯(cuò)誤. 接收窗口太大或散射體在接收窗口范圍之外

break

end

trec = 2. * rrec / c:

subplot(2,1,1)

plot(real(replica))

title(匹配濾波器時(shí)域響應(yīng))

subplot(2,1,2)

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

title(匹配濾波器頻域響應(yīng))

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 (相對(duì)延遲時(shí)間 - s)

ylabel (未壓縮時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng))

title (以窗口始端為起始距離)

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 (相對(duì)延遲時(shí)間 - s)

ylabel (系統(tǒng)壓縮響應(yīng))

title (以窗口始端為起始距離)

grid

調(diào)試運(yùn)行后仿真結(jié)果為如下波形:

三、結(jié)論

由此可見,運(yùn)用MATLAB仿真的方法可以直觀地表現(xiàn)抽象的雷達(dá)工作基本原理。上述方法不僅可以對(duì)脈沖壓縮進(jìn)行仿真,還能實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)工作過程中的發(fā)射機(jī)工作過程、接收機(jī)工作過程和目標(biāo)跟蹤過程進(jìn)行直觀表現(xiàn),對(duì)增進(jìn)雷達(dá)原理課堂教學(xué)效果具有重要意義。

參考文獻(xiàn):

[1] 丁鷺飛、耿富錄,《雷達(dá)原理》[M],西安電子科技大學(xué)出版社,2002

[2] 陳懷琛,《MATLAB及其在理工課程中的應(yīng)用指南》[M],西安電子科技大學(xué)出版社,2000

【作者簡(jiǎn)介:姬憲法(1970-),男(漢族),河南焦作人?？哲姷谝缓娇諏W(xué)院航空電子工程系副教授,碩士。研究領(lǐng)域:雷達(dá)?！?/p>