./無線電定位原理與技術(shù)實驗報告：學號：班級：1105201指導(dǎo)老師：云院系：電子與信息工程學院哈工大電子與信息工程學院電子工程系.實驗一連續(xù)波雷達測速實驗1.1雷達測速原理雷達利用多普勒頻率來提取目標的徑向速度〔即距離變化率,從而可以區(qū)分運動目標和固定目標及雜波。多普勒效應(yīng)描述了由于目標相對于輻射源的運動而引起發(fā)射信號的中心頻率發(fā)生多普勒頻移,目標的運動方向的不同決定了多普勒頻移的正負?！踩绻麍D2-多普勒效應(yīng)1.2連續(xù)波雷達測速實驗儀器連續(xù)波雷達測速系統(tǒng)主要由三部分組成：微波發(fā)射和接收器件,差頻放大和濾波電路,DSP信號采集和處理電路。其中微波發(fā)射和接收器件可以采用微波發(fā)射介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩和微波接收混頻器。放大和濾波電路,在近距離時,測量直接由混頻器輸出的信號較大,由雷達方程可知,隨著目標距離的增加,混頻器輸出會減小。實驗中采用三級放大電路,第一級射隨阻抗匹配,第二三級可調(diào)增益放大。其次由于背景噪聲和擾動會引入雜波,對接收信號需要進行濾波。DSP信號采集和處理電路,采集多組回波數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進行分析得到相應(yīng)的多普勒頻率和速度值,由公式,算得速度。圖2-2連續(xù)波雷達測速實驗儀器原理框圖圖2-3測速雷達傳感器1.3實驗要求本實驗為演示實驗,觀察實驗現(xiàn)象,并在PC機使用Matlab對實驗數(shù)據(jù)進行分析。實驗要求：1.掌握雷達測速原理,2.了解連續(xù)波雷達測速實驗儀器原理及使用,3.使用Matlab對實驗數(shù)據(jù)進行分析,得到回波多普勒頻率和目標速度。1.4實驗容1.采集三組數(shù)據(jù),每組數(shù)據(jù)2048點,采樣頻率為2048Hz2.從每組數(shù)據(jù)中分別選取波形較好的512點,作出時域波形與頻譜,并求出目標速度,其中,發(fā)射波頻率為10GHz。1.5實驗結(jié)果分析首先將實驗中TXT文件錄取的數(shù)據(jù)讀入到MATLAB中去,對其進行FFT變換并分析頻域。在對數(shù)據(jù)的處理過程中,我注意到數(shù)據(jù)的平均值不為零,這個說明存在著直流分量。因而采用MATLAB強制地將零頻出的值變?yōu)?,以免對實驗的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。對于數(shù)據(jù)一,實驗的截圖如下所示。上圖為時域的信號,相對而言比較接近正弦波,采樣點數(shù)N=434；下圖為頻域分析圖,由于在[0,2π]之間存在兩個峰值,因此通過axis函數(shù)控制只顯示了正半頻域部分。同時,為了精確求出幅值最大點,我在文件中利用matlab邏輯運算操作,執(zhí)行以下命令由上可知峰值對應(yīng)出的N值nd=10因為我在實驗中采用的采樣頻率為2048Hz,發(fā)射波的頻率為10GHz,波長為3米通過計算可知：多普勒頻移=47.1889Hz目標移動速度=0.7078m對于數(shù)據(jù)二,實驗的截圖如下所示。上圖為時域的信號,相對而言比較接近正弦波,采樣點數(shù)N=396；下圖為頻域分析圖,由于在[0,2π]之間存在兩個峰值,因此通過axis函數(shù)控制只顯示了正半頻域部分。同時,為了精確求出幅值最大點,我在文件中利用matlab邏輯運算操作,執(zhí)行以下命令由上可知峰值對應(yīng)出的N值nd=12因為我在實驗中采用的采樣頻率為2048Hz,發(fā)射波的頻率為10GHz,波長為3米通過計算可知：多普勒頻移=62.0606Hz目標移動速度=0.9309m對于數(shù)據(jù)三,實驗的截圖如下所示。上圖為時域的信號,相對而言比較接近正弦波,采樣點數(shù)N=398；下圖為頻域分析圖,由于在[0,2π]之間存在兩個峰值,因此通過axis函數(shù)控制只顯示了正半頻域部分。同時,為了精確求出幅值最大點,我在文件中利用matlab邏輯運算操作,執(zhí)行以下命令由上可知峰值對應(yīng)出的N值nd=11因為我在實驗中采用的采樣頻率為2048Hz,發(fā)射波的頻率為10GHz,波長為0.03米通過計算可知：多普勒頻移=56.6030Hz目標移動速度=0.8490m1.6實驗源程序%實驗一：連續(xù)波雷達測速實驗clearall;t=load<'C:\Users\dell\Desktop\實驗\1110520115.1.txt'>;fs=2048;%抽樣頻率2048HzT=fft<t>;T<1>=0;%由于所測數(shù)據(jù)含有直流成分,將其零頻處強制置為0N=length<t>;n=0:N-1;nd=sum<n<1:N/2>'.*<abs<T<1:N/2>>==max<abs<T<1:N/2>>>>>;%找出FFT后最大值所在的位置,只算[0,pi]之間的正半部分fd=nd*fs/N;%求出多普勒頻率v=0.5*fd*0.03;%求出目標速度figure<1>;subplot<211>;plot<n/fs,t>;xlabel<'時間/s'>;ylabel<'電壓幅值/U'>;gridon;title<'多普勒差回波'>;subplot<212>;plot<n<1:64>*fs/N,abs<T<1:64>>>;%利于觀察,頻域圖像只顯示一部分xlabel<'頻率/Hz'>;ylabel<'電壓/U'>;gridon;title<'頻率分析'>;axis<[043402300]>;2實驗二線調(diào)頻信號及匹配濾波仿真實驗LFM信號以其優(yōu)越的頻譜性能廣泛應(yīng)用于雷達和眾多電子工程中,匹配濾波器在相參濾波分析中也得到廣泛的應(yīng)用。2.1線調(diào)頻信號譜分析線調(diào)頻〔LFM信號時域表達式：式中：是矩形函數(shù),k是調(diào)頻斜率,并且與調(diào)制頻偏的關(guān)系是： T為時域波形寬度,簡稱時寬；為調(diào)頻圍。簡稱頻寬。為時寬帶寬積,是線性調(diào)頻信號一個很重要的參數(shù)。LFM信號的頻譜近似為：近似程度取決于時寬帶寬積D,D越大,近似程度越高,即頻譜越接近于矩形。圖2-1LFM信號時域頻域圖〔例2.2線調(diào)頻信號匹配濾波雷達發(fā)射LFM脈沖信號,固定目標的回波時域表示：對應(yīng)的匹配濾波器的傳輸函數(shù)近似〔大時寬帶寬積下為：匹配濾波器輸出：代入相關(guān)參數(shù),匹配濾波器時域輸出：時寬帶寬積：匹配濾波器的包絡(luò)輸出如下圖3-2所示,所示,通常規(guī)定頂點下降到－4dB處的寬度為輸出脈沖的脈寬,并且有,所以脈沖壓縮比：圖2-2LFM通過匹配濾波器的時域圖〔例對應(yīng)的匹配濾波器的傳輸函數(shù)在大時寬帶寬積下,如上圖3-3所示,與辛格函數(shù)擬和很好,在主瓣和臨近的幾個旁瓣都沒有偏差,但是在小時寬帶寬積下,僅在主瓣和辛格函數(shù)擬和無偏差,而在旁瓣偏差較大。2.3實驗要求本實驗為仿真實驗。實驗要求：1.掌握線調(diào)頻信號及其頻譜特征,2.使用Matlab對線調(diào)頻信號及其頻譜進行仿真3.掌握匹配濾波理論,4.使用Matlab線調(diào)頻信號進行匹配濾波仿真。5.討論時寬帶寬積對線調(diào)頻信號頻譜和匹配濾波的影響。2.4實驗容用matlab編寫源程序,實現(xiàn)上述實驗要求。2.5實驗結(jié)果與分析備注：1、在本實驗當中,由于原先采集的數(shù)據(jù)與實際值相符合地不是很好,因此在寫實驗報告的時候我決定放棄原先采集的數(shù)據(jù),直接采用MATLAB來進行數(shù)據(jù)的模擬,實際上也確實模擬地不錯。2、根據(jù)信號與系統(tǒng)中所學的傅里葉變換的形式,可知在實驗中進行匹配濾波時應(yīng)該采用正交雙通道處理。在MATLAB中如果直接采用chirp函數(shù)產(chǎn)生余弦形式的信號進行匹配濾波,其效果與理想的sinc函數(shù)有一定的差距。線性調(diào)頻信號仿真與分析線性調(diào)頻信號仿真：我編寫了一個chirp_m.m的子函數(shù)文件可以產(chǎn)色很難過exp形式的線性調(diào)頻信號,一共有三組信號,各自的時域圖像和頻域圖像如下所示〔假設(shè)各自的抽樣頻率均為100MHz:第一組信號：實驗信號x1,掃頻周期為8us是,fs=100MHz,掃頻帶寬8MHz,時域帶寬積為64。第二組信號：實驗信號x2,掃頻周期為8us是,fs=100MHz,掃頻帶寬14MHz,時域帶寬積為112。第三組信號：實驗信號x1,掃頻周期為10us是,fs=100MHz,掃頻帶寬20MHz,時域帶寬積為200。分析：通過對上面的三幅圖的對比和分析可知,LFM信號在時域變化有規(guī)律隨著時間疏密程度不同,在頻域為一接近矩形的窗,并且近似程度與帶寬B和掃描周期T無關(guān),只與時寬帶寬積D有關(guān)。時寬帶寬積越大,其近似程度也就越大。不過從圖中也可以看出,隨著D的增大,其邊沿處的上沖并不會消失,也就是說Gibbs效應(yīng)依然存在。匹配濾波仿真與分析匹配濾波仿真：分別對以上三組信號進行匹配濾波,并兩兩進行比較?？紤]到matlab中直接時域卷積conv計算比較慢,因此我采用的匹配濾波方法是直接將信號延時作為回波信號,作傅立葉變換后并作共軛,和接收信號的傅立葉變換相乘后,再作傅立葉逆變換。為了防止頻域混疊,做fft變換時要對回波信號和原始信號補零,使之滿足L>M+N-1的條件,之后再做ifft。首先進行的是第一組和第二組信號的匹配濾波,為了便于觀察,在M文件中使用了axis函數(shù)控制直系那是匹配濾波后部分時間段的圖像,實驗結(jié)果的截圖如下：分析：通過對第一個圖和第二圖的對比可以發(fā)現(xiàn),對應(yīng)的匹配濾波器的傳播函數(shù)在大時寬帶寬積下〔第二個圖,與sinc函數(shù)相擬合地很好,相臨近的兩個旁瓣的誤差并不是很大,但是對于小的時寬帶寬積來說〔第一個圖,從第一個旁瓣就開始出現(xiàn)了一定的偏差。兩個圖當中第一副瓣的平均電平為-13.4dB,與理論值相符合地很好。此外,第一圖T0=0.0625us-<-0.0625us>=1/8MHz=1/B.對第二圖T0=0.0375us-<-0.0375us>=1/14MHz=1/B,與理論值相符很好。在做第三組實驗時,我沒有再控制B不變或者T不變,只是將D改變了,主要的目的也是為了能夠觀察D變化所帶來的影響。實驗截圖如下所示：分析：一方面能夠得到和上述實驗一樣的結(jié)論,即隨著時寬帶寬積的增大,輸出函數(shù)與sinc函數(shù)擬合地越來越好。另一方面,發(fā)現(xiàn)隨著B的改變會引起輸出脈沖的脈寬T0的變化,換句話說如果帶寬B不變的話,T0應(yīng)該也就不發(fā)生變化,事實確實如此。加窗處理仿真及分析實際上上述的匹配濾波相當于矩形加窗處理,為此,我決定采用海明窗和漢寧窗對三組數(shù)據(jù)進行處理比較。加窗處理仿真：第一組信號采用海明和漢寧窗處理后的圖像：第二組信號采用海明和漢寧窗處理后的圖像：第三組信號采用海明和漢寧窗處理后的圖像：分析：通過圖像可以發(fā)現(xiàn),加窗處理后對旁瓣的抑制作用更為明顯,但是同時也帶來了脈沖分辨率的降低。2.6實驗源程序%實驗二：線調(diào)頻信號及匹配濾波仿真實驗%第一組實驗信號x1,掃頻周期為8us%假設(shè)fs=100MHz,掃頻圍為-4MHz~4MHz%由上得出時域帶寬積為64clearall;clc;T=8;fs=100;f0=-4;t1=0:1/fs:T-1/fs;k1=1;B1=2*abs<f0>;D1=T*<B1>;[x1,W1,X1]=chirp_m<fs,T,f0,k1>;%調(diào)用子函數(shù)產(chǎn)生LFM信號的時域及頻域形式figure<1>subplot<211>;plot<t1-4,real<x1>>;gridon;xlabel<'時間/us'>;title<'Chirp信號時域圖像'>;subplot<212>;plot<W1/pi*50,abs<X1>>;gridon;xlabel<'頻率/MHz'>;title<'Chirp信號頻域圖像'>;%***********************************************************%第二組實驗信號x2,掃頻周期為8us%假設(shè)fs=100MHz,掃頻圍為-7MHz~7MHz%由上得出時域帶寬積為112T=8;fs=100;f0=-7;t2=0:1/fs:T-1/fs;k2=1.75;B2=2*abs<f0>;D2=T*<B2>;[x2,W2,X2]=chirp_m<fs,T,f0,k2>;%調(diào)用子函數(shù)產(chǎn)生LFM信號的時域及頻域形式figure<2>subplot<211>;plot<t2-4,real<x2>>;gridon;xlabel<'時間/us'>;title<'Chirp信號時域圖像'>;subplot<212>;plot<W2/pi*50,abs<X2>>;gridon;xlabel<'頻率/MHz'>;title<'Chirp信號頻域圖像'>;%*************************************************************%第三組實驗信號x3,掃頻周期為10us%假設(shè)fs=100MHz,掃頻圍為-10MHz~10MHz%由上得出時域帶寬積為200T=10;fs=100;f0=-10;t3=0:1/fs:T-1/fs;k3=2;B3=2*abs<f0>;D3=T*<B3>;[x3,W3,X3]=chirp_m<fs,T,f0,k3>;%調(diào)用子函數(shù)產(chǎn)生LFM信號的時域及頻域形式figure<3>subplot<211>;plot<t3-5,real<x3>>;gridon;xlabel<'時間/us'>;title<'Chirp信號時域圖像'>;subplot<212>;plot<W3/pi*50,abs<X3>>;gridon;xlabel<'頻率/MHz'>;title<'Chirp信號頻域圖像'>;%************************************************************%比較下T不變時,觀察改變B時導(dǎo)致匹配濾波結(jié)果如何變化%對第一組信號x1進行匹配濾波,假設(shè)延時L為100個單位時間長度即延時1usL=100;N1=length<t1>;r1=[zeros<1,L>x1];%產(chǎn)生回波延時信號作為接收信號M1=2*N1+L;%為保證圓周卷積不混疊,至少做2*N+L-1點FFTt1=-1:0.01:<1-0.01>;%為更好地顯示圖像,時間軸上只截取了一段作圖X1=fft<x1,M1>;R1=fft<r1,M1>;h1=ifft<conj<X1>.*R1>;s1=sqrt<D1>*sinc<B1*t1>;figure<4>subplot<211>;plot<t1,20*log10<abs<s1>/max<s1>>,'-.'>;holdon;set<gca,'Xtick',[-0.06250.0625],'Ytick',[-13.4,-4]>;plot<t1,20*log10<abs<h1<1:200>>/max<abs<h1>>>>;gridon;title<'第一個chirp信號經(jīng)過匹配濾波后的頻域圖像'>;xlabel<'時間/us'>;ylabel<'幅值/dB'>;h=legend<'sinc函數(shù)','仿真圖像',2>;set<h,'Interpreter','none'>;text<0.02,-4,'B=8MHz,D=64'>;axis<[-0.4,0.4,-60,0]>;%對第二組信號x2進行匹配濾波,假設(shè)延時L為100個單位時間長度即延時1usL=100;N2=length<t2>;r2=[zeros<1,L>x2];%產(chǎn)生回波延時信號作為接收信號M2=2*N2+L;%為保證圓周卷積不混疊,至少做2*N+L-1點FFTt2=-1:0.01:<1-0.01>;%為更好地顯示圖像,時間軸上只截取了一段作圖X2=fft<x2,M2>;R2=fft<r2,M2>;h2=ifft<conj<X2>.*R2>;s2=sqrt<D2>*sinc<B2*t2>;subplot<212>;plot<t2,20*log10<abs<s2>/max<s2>>,'-.'>;holdon;set<gca,'Xtick',[-0.03570.0357],'Ytick',[-13.4,-4]>;plot<t2,20*log10<abs<h2<1:200>>/max<abs<h2>>>>;gridon;title<'第二個chirp信號經(jīng)過匹配濾波后的頻域圖像'>;xlabel<'時間/us'>;ylabel<'幅值/dB'>;h=legend<'sinc函數(shù)','仿真圖像',2>;set<h,'Interpreter','none'>;text<0.02,-4,'B=14MHz,D=112'>;axis<[-0.4,0.4,-60,0]>;%比較觀察改變D時導(dǎo)致匹配濾波結(jié)果如何變化figure<5>subplot<211>;plot<t2,20*log10<abs<s2>/max<s2>>,'-.'>;holdon;plot<t2,20*log10<abs<h2<1:200>>/max<abs<h2>>>>;gridon;title<'第二個chirp信號經(jīng)過匹配濾波后的頻域圖像'>;xlabel<'時間/us'>;ylabel<'幅值/dB'>;h=legend<'sinc函數(shù)','仿真圖像',2>;set<h,'Interpreter','none'>;text<0.02,-4,'T=8us,D=112'>;axis<[-0.4,0.4,-60,0]>;%對第三組信號x3進行匹配濾波,假設(shè)延時L為100個單位時間長度即延時1usL=100;N3=length<t3>;r3=[zeros<1,L>x3];%產(chǎn)生回波延時信號作為接收信號M3=2*N3+L;%為保證圓周卷積不混疊,至少做2*N+L-1點FFTt3=-1:0.01:<1-0.01>;%為更好地顯示圖像,時間軸上只截取了一段作圖X3=fft<x3,M3>;R3=fft<r3,M3>;h3=ifft<conj<X3>.*R3>;s3=sqrt<D3>*sinc<B3*t3>;subplot<212>;p1=plot<t3,20*log10<abs<s3>/max<s3>>,'-.'>;holdon;plot<t3,20*log10<abs<h3<1:200>>/max<abs<h3>>>>;gridon;title<'第三個chirp信號經(jīng)過匹配濾波后的頻域圖像'>;xlabel<'時間/us'>;ylabel<'幅值/dB'>;h=legend<'sinc函數(shù)','仿真圖像',2>;set<h,'Interpreter','none'>;text<0.02,-4,'T=10us,D=200'>;axis<[-0.4,0.4,-60,0]>;%****************************************************************%選用第一組LFM信號,觀察對其海明窗和漢寧窗加權(quán)后的處理結(jié)果,并與原未加窗的結(jié)果相比較w=hamming<36>;W1=fft<w',M1>;n=hanning<36>;N1=fft<n',M1>;figure<6>subplot<311>;plot<t1,20*log10<abs<h1<1:200>>/max<abs<h1>>>>;gridon;set<gca,'Ytick',[-13.4]>;title<'第一個Chirp信號匹配濾波后圖像'>;xlabel<'時間us'>;ylabel<'幅值/dB'>;axis<[-1,1,-100,0]>;h11=ifft<conj<X1>.*R1.*W1>;subplot<312>;plot<t1,20*log10<abs<h11<1:200>>/max<abs<h11>>>>;gridon;set<gca,'Ytick',[-41]>;title<'第一組Chirp信號加hamming窗后的圖像'>;xlabel<'時間us'>;ylabel<'幅值/dB'>;h11=ifft<conj<X1>.*R1.*N1>;subplot<313>;plot<t1,20*log10<abs<h11<1:200>>/max<abs<h11>>>>;gridon;set<gca,'Ytick',[-41]>;title<'第一組Chirp信號加hanning窗后的圖像'>;xlabel<'時間us'>;ylabel<'幅值/dB'>;%選用第二組LFM信號,觀察對其海明窗和漢寧窗加權(quán)后的處理結(jié)果,并與原未加窗的結(jié)果相比較w=hamming<36>;W2=fft<w',M2>;n=hanning<36>;N2=fft<n',M2>;figure<7>subplot<311>;plot<t2,20*log10<abs<h2<1:200>>/max<abs<h2>>>>;gridon;set<gca,'Ytick',[-13.4]>;title<'第二個Chirp信號匹配濾波后圖像'>;xlabel<'時間us'>;ylabel<'幅值/dB'>;axis<[-1,1,-100,0]>;h22=ifft<conj<X2>.*R2.*W2>;subplot<312>;plot<t2,20*log10<abs<h22<1:200>>/max<abs<h22>>>>;gridon;set<gca,'Ytick',[-41]>;title<'第二組Chirp信號加hamming窗后的圖像'>;xlabel<'時間us'>;ylabel<'幅值/dB'>;h22=ifft<conj<X2>.*R2.*N2>;subplot<313>;plot<t2,20*log10<abs<h22<1:200>>/max<abs<h22>>>>;gridon;set<gca,'Ytick',[-41]>;title<'第二組Chirp信號加hanning窗后的圖像'>;xlabel<'時間us'>;ylabel<'幅值/dB'>;%選用第三組LFM信號,觀察對其海明窗和漢寧窗加權(quán)