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《哈尔滨工业大学》 2011年
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基于IR-UWB穿墙成像系统的性能研究

黄冬梅  
【摘要】:穿墙成像可以对被障碍物遮挡的目标进行主动、非入侵式地探测识别,在军事、救援等领域具有广泛的应用前景,是当前研究的热点之一。作为穿墙成像的探测信号,IR-UWB信号具有穿透能力强、分辨率高、目标识别能力强、多径分辨能力强、抗干扰能力强、探测盲区小等众多优点,近年来得到了广泛的关注。基于IR-UWB信号的穿墙成像系统主要由探测和成像两部分组成,不同的探测环境、探测方式和穿墙成像算法使系统具有不同的性能。实际应用中,系统设计的目标是使系统的性能满足应用的需求,这使得对IR-UWB穿墙成像系统性能的研究成为了系统设计实现的关键问题。与传统探空成像系统相比,基于IR-UWB的穿墙成像系统往往具有墙体阻挡、超宽带、实孔径和近场工作等特点,在系统性能的研究中必须充分考虑这些特点的影响。然而,已有的成像系统性能的研究成果对这些特点的考虑有限,还无法对IR-UWB穿墙成像系统性能进行有效预测和分析,更不能准确地指导相应的系统设计。因此,深入研究IR-UWB穿墙成像系统的性能,对实际系统的设计和应用具有重要意义。 本文在分析国内外相关文献的基础上,结合IR-UWB穿墙成像系统的上述特点,根据目标的散射点模型,以二维平面内的墙后理想点目标成像为背景,在假设目标可以被检测到的前提下,对IR-UWB穿墙成像系统的主要性能指标进行了深入研究,同时以性能指标分析为主线研究了IR-UWB穿墙成像系统中主要系统参数及穿墙成像算法设计的一些关键问题,为实际穿墙成像系统的设计和应用提供了理论指导。论文的研究内容主要包括以下几个方面: 第一,IR-UWB穿墙成像系统及性能评价指标。本文在明确IR-UWB穿墙成像基本原理的基础上,介绍了穿墙探测环境、目标模型和探测方式,基于IR-UWB信号和实孔径天线阵,给出了一种二维穿墙成像探测系统的基本结构。同时,为了判定穿墙成像系统工作在远场还是近场,推导了IR-UWB天线阵的远近场分界。在此基础上,介绍了对回波信号进行直达波抑制的方法,同时重点研究了墙体参数已知的一种常用穿墙成像算法——后向投影穿墙成像(BP-TWI)算法,并针对天线与墙体之间存在一定距离时,BP-TWI算法中信号穿墙传播时延计算复杂的问题,提出了利用等效二层介质模型计算信号穿墙传播时延的方法。最后分析了IR-UWB穿墙成像系统的主要性能指标。 第二,墙体参数未知的IR-UWB穿墙成像中定位误差修正的研究。定位误差是IR-UWB穿墙成像系统的一个重要性能指标。对于墙体参数未知的应用情况,它的一个主要来源是墙体参数的估计误差。本文首先基于BP-TWI算法,明晰了墙体参数估计误差对IR-UWB穿墙成像中定位误差的影响。在此基础上,通过对BP-TWI算法中的聚焦时延差进行补偿间接地实现了墙体参数估计误差的补偿。同时以图像对比度作为衡量指标,提出了一种对IR-UWB穿墙成像中定位误差进行自动修正的穿墙成像算法,自动对焦BP-TWI算法。然后为了降低BP-TWI算法的计算复杂度,使其具有实用性,通过对实际聚焦时延差进行近似补偿,提出了等时延-速度补偿自动对焦BP-TWI(ITD-VCAF-BP-TWI)算法。数值仿真结果表明,该算法很好地修正了墙体参数未知时穿墙成像中的定位误差,所得成像结果与墙体参数已知时BP-TWI算法的成像结果相当,并且解决了已有算法代价高和通用性差的问题。 第三,IR-UWB穿墙成像分辨率的研究。当对墙后目标轮廓或多目标进行成像时,成像分辨率是IR-UWB穿墙成像系统需要重点关注的另一个性能指标。鉴于本文给出的IR-UWB穿墙成像系统具有超宽带、近场、实孔径天线阵以及墙体阻挡的特点,已有分辨率计算方法不再适用,无法对IR-UWB穿墙成像分辨率进行有效预测。故本文针对IR-UWB穿墙成像系统的上述特点,首先在不考虑墙体影响的条件下,提出了一种自由空间下近场成像分辨率的计算方法。然后进一步结合墙体影响,基于墙体参数已知的BP-TWI算法,提出了一种IR-UWB穿墙成像分辨率的近似计算方法。同时通过数值仿真验证了所提出的分辨率计算方法的有效性。并为指导穿墙成像系统的参数设计,明确了IR-UWB穿墙成像分辨率的空间分布以及分辨率与系统参数的关系。 第四,IR-UWB穿墙成像中虚假像抑制的研究。定位误差、分辨率对于检测到的真实目标才有意义,然而虚假像的存在会增加真实目标的检测难度等,是影响系统性能的重要因素之一。本文首先对IR-UWB穿墙成像中虚假像的成因进行了分析,明确了虚假像的一个主要来源是IR-UWB天线阵近场时域波束形成的旁瓣。在此基础上,通过对IR-UWB近场时域波束形成原理进行深入研究,明确了影响波束形成性能的系统参数。并给出了均匀线阵对应的近场峰值旁瓣比的计算公式,同时为了降低旁瓣水平以抑制虚假像,明确了均匀线阵近场峰值旁瓣水平与系统参数的关系,还通过数值仿真比较了均匀线阵与随机阵列的近场旁瓣性能,为IR-UWB穿墙成像系统中天线阵的设计提供了理论指导。最后,为节省实现低旁瓣所需的系统资源,探索性地提出了一种利用MIMO阵列对IR-UWB穿墙成像系统中天线阵进行稀疏化处理的方法。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TN957.52

【参考文献】
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