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超宽带穿墙雷达成像技术研究

晋良念  
【摘要】:超宽带穿墙雷达是一种基于超宽带(UWB)技术的短距离目标探测雷达,能够对建筑物或障碍物后隐藏目标进行非入侵式探测、定位、成像、跟踪及识别等,在城区巷战、反恐斗争、人质救援等领域具有广泛的应用前景。为了获得良好的探测性能,成像技术是关键。现有文献大多采用后向投影(BP)算法或延时求和(DAS)波束形成方法,它们利用较少的先验信息就能够快速而简单地实现目标的成像。但是,这些方法存在点扩展函数的主瓣宽度过宽和旁瓣电平过高的问题,会导致系统在分辨率和图像对比度上存在局限。此外,很少有文献涉及到从天线阵列设计和编码脉冲调制方面来改善成像性能。本文紧密围绕超宽带穿墙成像技术的实际问题,对成像算法、多发多收(MIMO)阵列理论与设计、伪混沌脉位调制技术等关键问题进行了深入的研究,为实际系统的设计和应用提供理论指导。本文的具体工作安排如下: 1.分析BP算法和DAS算法成像的原理,指出存在的问题,从稳健自适应波束形成角度提出两种解决方法。方法一:提出了混合稳健Capon波束形成(RCB)和相干系数(CF)加权的超宽带穿墙成像方法,即RCB_CF。该方法根据穿墙电磁传播特性,首先补偿墙体的传播损耗和传播时延以实现接收阵列的数据配准,然后利用RCB提高成像的分辨率,利用改进的CF加权通过凸显同相信号而压制非同相信号提高成像的对比度。方法二:提出了双稳健波束互相关系数加权的超宽带穿墙成像方法。该方法将基阵交替划分为两个子阵,利用双约束稳健Capon波束形成(DRCB)独立估计各子阵波束输出信号,将输出信号求和,取其能量作为像值。另外,根据两个波束的输出信号具有非常相似的主瓣响应和不同旁瓣响应的特点,取它们的互相关系数加权像值,达到减小旁瓣以提高成像对比度的目的。时域有限差分(FDTD)数值仿真和实验数据处理结果验证了两种方法的有效性。 2.从最小均方误差(MMSE)波束形成理论入手,通过分析MMSE波束最优权矢量中的标量系数和CF之间的关系,寻求RCB_CF算法与MMSE波束最优权矢量之间的共性,提出了变尺度MMSE波束形成算法,给出了标量系数加权最小方差波束形成算法的一般形式。针对穿墙探测环境的特殊性,对变尺度MMSE波束形成算法中的参数进行了稳健估计。FDTD数值仿真和实验数据分析了变尺度MMSE波束形成算法用于穿墙成像中的性能。 3.特征空间波束形成器(ESB)利用信号子空间和噪声子空间的正交特性,保留了权矢量在信号子空间中的分量,掘弃了权矢量在噪声子空间中的分量,提高了输出信噪比(SNR),特别适合穿墙成像中噪声的抑制。论文首先分析了ESB算法的性能,指出其用于穿墙成像存在的问题,然后提出了一种ESB_RCB方法。该方法将RCB的权矢量向信号子空间上投影得到其权矢量,不仅保持了RCB算法的高分辨能力,还通过降低噪声分量提高了成像的对比度。FDTD数值仿真和实验数据处理验证了该方法的有效性。 4.利用多发多收(MIMO)天线阵列对UWB穿墙成像系统阵列进行稀疏化处理不失为一种很好的选择。与单发多收(SIMO)天线阵相比,MIMO阵列可以利用相同数量的天线获得更大的阵列孔径和更小的阵元间隔,提供更好的主瓣和旁瓣控制。论文从成像模型入手,讨论了UWB MIMO阵列的等效阵列问题,给出了UWB MIMO阵列的设计方法,通过仿真验证了有效性和在穿墙成像系统中应用的可行性。此外,提出了互相关系数加权稳健Capon波束的UWB MIMO成像算法,FDTD数值仿真和实验结果表明该方法能够获得成像的高分辨和高图像信噪比。 5.为了提高目标探测能力,冲激脉冲体制的超宽带穿墙雷达通常采取发射周期脉冲串信号,在接收端进行多脉冲积累的方法。针对发射周期脉冲串信号存在距离模糊和抗窄带干扰能力相对较差等问题,提出了伪混沌脉位调制UWB脉冲雷达体制。论文根据超宽带信号模糊函数的定义,推导了伪混沌脉位调制脉冲串信号模糊函数的数学表达式以分析距离模糊性,此外分析了窄带干扰抑制能力。通过建立的穿墙室内目标多径散射模型,仿真分析了伪混沌脉位调制脉冲串信号用于穿墙雷达的目标探测能力、抗干扰性能和成像效果,并与单脉冲信号、周期脉冲串信号进行了比较。对于室内复杂的多径散射模型,往往会有多径信号产生的虚假目标,通过分析它的特征提出一种多视角成像数据融合的抑制方法。FDTD仿真数据验证了方法的有效性。


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