超寬帶穿墻雷達(dá)成像技術(shù)研究.pdf

1、超寬帶穿墻雷達(dá)是一種基于超寬帶(UWB)技術(shù)的短距離目標(biāo)探測(cè)雷達(dá)，能夠?qū)ㄖ锘蛘系K物后隱藏目標(biāo)進(jìn)行非入侵式探測(cè)、定位、成像、跟蹤及識(shí)別等，在城區(qū)巷戰(zhàn)、反恐斗爭、人質(zhì)救援等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。為了獲得良好的探測(cè)性能，成像技術(shù)是關(guān)鍵?，F(xiàn)有文獻(xiàn)大多采用后向投影(BP)算法或延時(shí)求和(DAS)波束形成方法，它們利用較少的先驗(yàn)信息就能夠快速而簡單地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的成像。但是，這些方法存在點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的主瓣寬度過寬和旁瓣電平過高的問題，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在分

2、辨率和圖像對(duì)比度上存在局限。此外，很少有文獻(xiàn)涉及到從天線陣列設(shè)計(jì)和編碼脈沖調(diào)制方面來改善成像性能。本文緊密圍繞超寬帶穿墻成像技術(shù)的實(shí)際問題，對(duì)成像算法、多發(fā)多收(MIMO)陣列理論與設(shè)計(jì)、偽混沌脈位調(diào)制技術(shù)等關(guān)鍵問題進(jìn)行了深入的研究，為實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。本文的具體工作安排如下：
　　 1.分析BP算法和DAS算法成像的原理，指出存在的問題，從穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成角度提出兩種解決方法。方法一：提出了混合穩(wěn)健Capon

3、波束形成(RCB)和相干系數(shù)(CF)加權(quán)的超寬帶穿墻成像方法，即RCB_CF。該方法根據(jù)穿墻電磁傳播特性，首先補(bǔ)償墻體的傳播損耗和傳播時(shí)延以實(shí)現(xiàn)接收陣列的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，然后利用RCB提高成像的分辨率，利用改進(jìn)的CF加權(quán)通過凸顯同相信號(hào)而壓制非同相信號(hào)提高成像的對(duì)比度。方法二：提出了雙穩(wěn)健波束互相關(guān)系數(shù)加權(quán)的超寬帶穿墻成像方法。該方法將基陣交替劃分為兩個(gè)子陣，利用雙約束穩(wěn)健Capon波束形成(DRCB)獨(dú)立估計(jì)各子陣波束輸出信號(hào)，將輸出信號(hào)求

4、和，取其能量作為像值。另外，根據(jù)兩個(gè)波束的輸出信號(hào)具有非常相似的主瓣響應(yīng)和不同旁瓣響應(yīng)的特點(diǎn)，取它們的互相關(guān)系數(shù)加權(quán)像值，達(dá)到減小旁瓣以提高成像對(duì)比度的目的。時(shí)域有限差分(FDTD)數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗(yàn)證了兩種方法的有效性。
　　 2.從最小均方誤差(MMSE)波束形成理論入手，通過分析MMSE波束最優(yōu)權(quán)矢量中的標(biāo)量系數(shù)和CF之間的關(guān)系，尋求RCB_CF算法與MMSE波束最優(yōu)權(quán)矢量之間的共性，提出了變尺度MMSE波束形成

5、算法，給出了標(biāo)量系數(shù)加權(quán)最小方差波束形成算法的一般形式。針對(duì)穿墻探測(cè)環(huán)境的特殊性，對(duì)變尺度MMSE波束形成算法中的參數(shù)進(jìn)行了穩(wěn)健估計(jì)。FDTD數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了變尺度MMSE波束形成算法用于穿墻成像中的性能。
　　 3.特征空間波束形成器(ESB)利用信號(hào)子空間和噪聲子空間的正交特性，保留了權(quán)矢量在信號(hào)子空間中的分量，掘棄了權(quán)矢量在噪聲子空間中的分量，提高了輸出信噪比(SNR)，特別適合穿墻成像中噪聲的抑制。論文首先分析了

6、ESB算法的性能，指出其用于穿墻成像存在的問題，然后提出了一種ESB_RCB方法。該方法將RCB的權(quán)矢量向信號(hào)子空間上投影得到其權(quán)矢量，不僅保持了RCB算法的高分辨能力，還通過降低噪聲分量提高了成像的對(duì)比度。FDTD數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理驗(yàn)證了該方法的有效性。
　　 4.利用多發(fā)多收(MIMO)天線陣列對(duì)UWB穿墻成像系統(tǒng)陣列進(jìn)行稀疏化處理不失為一種很好的選擇。與單發(fā)多收(SIMO)天線陣相比，MIMO陣列可以利用相同數(shù)量的天線

7、獲得更大的陣列孔徑和更小的陣元間隔，提供更好的主瓣和旁瓣控制。論文從成像模型入手，討論了UWB MIMO陣列的等效陣列問題，給出了UWB MIMO陣列的設(shè)計(jì)方法，通過仿真驗(yàn)證了有效性和在穿墻成像系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。此外，提出了互相關(guān)系數(shù)加權(quán)穩(wěn)健Capon波束的UWB MIMO成像算法，F(xiàn)DTD數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠獲得成像的高分辨和高圖像信噪比。
　　 5.為了提高目標(biāo)探測(cè)能力，沖激脈沖體制的超寬帶穿墻雷達(dá)通常采取發(fā)射

8、周期脈沖串信號(hào)，在接收端進(jìn)行多脈沖積累的方法。針對(duì)發(fā)射周期脈沖串信號(hào)存在距離模糊和抗窄帶干擾能力相對(duì)較差等問題，提出了偽混沌脈位調(diào)制UWB脈沖雷達(dá)體制。論文根據(jù)超寬帶信號(hào)模糊函數(shù)的定義，推導(dǎo)了偽混沌脈位調(diào)制脈沖串信號(hào)模糊函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式以分析距離模糊性，此外分析了窄帶干擾抑制能力。通過建立的穿墻室內(nèi)目標(biāo)多徑散射模型，仿真分析了偽混沌脈位調(diào)制脈沖串信號(hào)用于穿墻雷達(dá)的目標(biāo)探測(cè)能力、抗干擾性能和成像效果，并與單脈沖信號(hào)、周期脈沖串信號(hào)進(jìn)行了比