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超宽带信号穿墙传播特性建模与检测技术研究

任晶晶  
【摘要】:脉冲超宽带(Impulse Radio Ultra Wideband, IR-UWB·)信号具有精细的时间分辨能力、良好的穿透能力以及抗干扰、抗多径等优势,是复杂环境目标探测与数据通信的优选信号体制。本文以IR-UWB穿墙探测与通信应用为背景,重点开展了IR-UWB信号穿墙传播特性建模和检测问题的研究,为IR-UWB穿墙探测与通信系统的研发提供了理论指导和技术支撑。 在IR-UWB信号穿墙传播特性建模方面,开展的研究工作如下: ①、在建模计算方法上,针对IR-UWB信号的特点,研究了适于电大尺寸(墙体等)计算的有效时域射线追踪(Time Domain Ray Tracing, TD-Ray)模型。有机结合TD-Ray和FDTD方法,提出了适于电大/电小组合尺寸结构建模的混合计算方法,在计算尺度、计算精度和计算效率上取得了良好折中。 ②、对典型墙体和穿墙路径损耗进行了超宽频带测量,提取了墙体和穿墙路径的关键参数,利用TD-Ray和FDTD方法分别建立了穿墙传播模型,并对比研究了两种模型的墙体折射率校正精度和计算效率。 ③、利用穿墙场景的瞬态时域测量结果,提取了穿墙信道模型参数,建立了IR-UWB穿墙信道冲激响应模型,与802.15.SG3a的信道模型进行了对比分析,本文建立的冲激响应模型在误码率特性上更接近于实测结果。 ④、根据有关文献提供的人体电磁参数建立了人体目标模型,利用FDTD方法和混合方法分别计算了自由空间和墙后人体目标的雷达横截面(RCS),与外场实测结果相比吻合较好。 ⑤、利用人体目标FDTD模型提取了人体多散射中心参数,建立了基于瞬态散射机理的IR-UWB人体目标多散射中心回波模型。根据重构波形与原始波形的匹配度分析,得到了利用有限数目强散射中心就可较好构建人体目标回波的结论,这可以显著降低人体目标回波建模的复杂度。 在IR-UWB信号检测方面,开展的研究工作如下: ①、针对墙体杂波的起伏特性,利用雷达回波的经验模式分解(Empirical Mode Decomposition, EMD)提取和增强了目标回波分量,进而提出了基于独立成分分析(Independent Component Analysis, ICA)的墙体杂波抑制方法。仿真和实验结果表明,该方法能够提高静态人体目标的检测能力。 ②、针对有限位宽量化的IR-UWB信号检测问题,系统分析了两种类型的广义似然比检测器(Generalized Likelihood Ratio Test, GLRT)的检测性能,为IR-UWB雷达采用高速低位宽量化技术,降低系统复杂度奠定了理论基础。


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