雷达多波形仿真与性能分析系统

资 源 简 介

该项目提供了一个全面的MATLAB仿真方案，旨在深入研究、分析和展示主流雷达波形的工作机制及其性能特征。项目涵盖了基础波形包括连续波（CW）的多普勒分析，常规脉冲信号的波形建模，以及通过脉冲压缩实现高增益和高分辨率的线性调频（LFM）信号处理流程。针对现代精细化探测需求，系统专门设计了高分辨率（HRR）波形分析模块，并完整实现了步进频率（Stepped Frequency）信号的产生与带宽合成数学模型。通过对步进频率序列进行逆快速傅里叶变换（IDFT），系统能够模拟出合成窄脉冲，从而获取目标的高分辨率一维

详 情 说 明

雷达波形全体系仿真与性能分析平台

项目介绍

本平台是一个基于MATLAB开发的综合性雷达信号处理仿真系统。其核心宗旨在于提供一个数字化的实验环境，用于精确模拟、定性分析和评估主流雷达波形的工作机理。通过对线性调频（LFM）信号、步进频率（Stepped Frequency）信号等关键波形的建模，平台展示了从信号产生、环境衰减、目标回波构建到后端信号处理（如脉冲压缩和距离合成）的完整链路。此外，平台集成的性能评估工具能帮助研究人员直观地观察波形在时延与多普勒维度上的分辨率性能。

功能特性

1. 高保真波形建模：支持线性调频信号的参数化生成，涵盖载频、带宽、脉宽及采样率等关键维度的自定义配置。
2. 动态目标回波模拟：系统能够模拟真实场景中目标的远距离时延以及由径向运动产生的多普勒频移，并引入高斯白噪声以模拟复杂的电磁环境。
3. 精细化脉冲压缩：采用频域匹配滤波技术，实现高增益的一维距离压缩，提升目标探测的信噪比与空间分辨率。
4. 高分辨率距离像（HRRP）合成：通过步进频率体制模拟宽带信号，利用带宽合成算法获取超高分辨率的目标特征。
5. 多维度性能评估：内置模糊函数分析模块，从时延-多普勒两个维度量化波形的分辨能力及抗干扰潜力。

系统要求

• MATLAB R2018b 或更高版本
• Signal Processing Toolbox（信号处理工具箱）

核心实现逻辑说明

仿真核心流程严格遵循雷达信号处理的标准物理模型，具体分为以下五个阶段：

1. 参数初始化与场景设置

系统的初始阶段定义了物理常数（光速）与雷达系统指标。设置了中心频率（10GHz）、信号带宽（20MHz）和脉冲宽度（10us）。同时配置了环境参数，包括20dB的信噪比以及目标的初始位置（3000m）和运动状态（150m/s），为后续的回波仿真奠定物理基准。

2. 线性调频（LFM）信号处理

• 信号生成：基于调频斜率计算公式，构建复解析形式的LFM时域信号。
• 回波构造：计算目标射频回波。该过程不仅考虑了往返时延带来的相位滞后，还根据多普勒频率公式将速度信息耦合进接收信号，并使用矩形窗函数限定信号观测时长。
• 匹配滤波：在频域执行信号的处理。通过将发射信号的频谱取共轭作为滤波器传递函数，与接收信号频谱相乘后进行逆傅里叶变换，从而实现脉冲压缩。这一步显著收窄了主瓣，提取出目标的精确距离信息。

3. 步进频率与带宽合成（HRRP）

为了突破瞬时带宽对分辨率的限制，系统实现了步进频率体制：

• 频率序列模拟：模拟发射64个频率步进的子脉冲，每个步进间隔为5MHz，最终合成320MHz的等效带宽。
• 相位提取：计算每个频点下目标回波的复数幅度（相位主要受距离和当前频点影响）。
• 带宽合成：对获取的频率响应序列进行逆快速傅里叶变换（IDFT），并引入4倍插值补零以提高波形的平滑度，从而生成合成窄脉冲，形成目标的高分辨率一维距离像。

4. 模糊函数分析

模糊函数是衡量波形性能的核心指标。实现逻辑如下：

• 相关运算：利用双重循环遍历时延轴和多普勒轴。
• 矢量化积分：对于每一组时延和多普勒频率，计算原信号与偏移信号的乘积积。程序使用 trapz 数值积分函数进行时域复数加权求和，生成模糊面数据。
• 归一化处理：最终结果经过归一化，用于分析波形的距离/速度耦合特征及旁瓣电平。

5. 数据可视化

系统通过六路子图同步展示仿真结果：

• 时、频特性：展示LFM信号的实部振荡波形及其典型的“平顶”频谱。
• 压缩效果：以对数分贝（dB）尺度展示脉冲压缩后的距离波纹，并标注理论目标位置红线。
• HRRP效果：实时反馈带宽合成后的窄脉冲宽度，验证高分辨率探测能力。
• 三维与等高线：通过3D网格图和等高线图展示模糊函数的“推子”形状或斜距特征，评估波形的分辨力切片。

关键算法细节分析

• 频域匹配滤波：通过 fft 和 ifft 的配合，极大地降低了相关运算的计算复杂度，实现了 $O(N log N)$ 的处理效率。
• 带宽合成原理：利用分段发射窄带信号、相干处理合成宽带的思想。合成后的距离分辨率由总带宽 $N times Delta f$ 决定，而非单个脉冲带宽。
• 数值积分优化：在模糊函数计算中，系统对信号位移超界部分进行了置零处理（零填充），确保了相关计算在脉冲宽度范围内的准确性。
• 多普勒补偿模拟：代码中通过 exp(1i * 2 * pi * fd * t_axis) 精确模拟了目标运动引起的连续相位旋转。

使用方法

1. 启动MATLAB软件。
2. 将包含主程序的文件夹设置为当前工作目录。
3. 在命令行窗口输入主程序函数名并回车。
4. 程序将自动执行所有计算，并弹出包含六个子图的综合性能分析界面。
5. 在MATLAB终端窗口中可实时查看计算出的理论分辨率与仿真结果的对比数据。