超寬帶雷達(dá)目標(biāo)探測技術(shù)研究.pdf

1、超寬帶(Ultra-Wide Band，UWB)雷達(dá)通常具有距離高分辨能力，從而在目標(biāo)識別及成像等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，該雷達(dá)中徑向速度不變的目標(biāo)的多普勒頻率隨UWB信號頻率變化而變化，即所謂的多普勒色散現(xiàn)象更加凸顯，若將常規(guī)窄帶雷達(dá)的信號處理方法應(yīng)用于UWB雷達(dá)通常導(dǎo)致相關(guān)性能下降。此外，對于存在徑向運(yùn)動的目標(biāo)，如多載頻及線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulation，LFM)的調(diào)制信號存在的距離-多普勒耦合

2、導(dǎo)致目標(biāo)距離像移動及擴(kuò)展，從而使得UWB雷達(dá)距離高分辨能力受到影響。因此，本文圍繞UWB雷達(dá)目標(biāo)距離及速度展開了相關(guān)的研究，主要工作包括:
　　 1.多普勒色散特征分析
　　 針對UWB雷達(dá)回波模型，從電磁波傳播的角度建立了由三維空間及時間組成的4-波矢(wave4-vector)，并利用洛倫茲變換推導(dǎo)出回波模型。基于該回波模型，推導(dǎo)了UWB雷達(dá)中多普勒色散對脈壓輸出性能的影響，并量化了適應(yīng)匹配濾波器處理的條件。即當(dāng)UW

3、B雷達(dá)多普勒色散積BT(2v/c)小于1時（其中B、T、v和c分別為信號帶寬、脈沖寬度、相對徑向速度及光速），回波的伸縮可忽略;而當(dāng)多普勒色散積大于1時，目標(biāo)回波存在不可忽略的伸縮，且隨著該積增大，利用常規(guī)匹配濾波器處理后性能下降明顯。
　　 2.脈組間頻率步進(jìn)的UWB雷達(dá)目標(biāo)距離及速度估計
　　 首先，針對脈組間頻率步進(jìn)(Stepped Frequency Pulse Trains，SFPTs)信號中由脈組間頻率變化引

4、起的多普勒色散導(dǎo)致目標(biāo)距離像質(zhì)量下降，采用了各脈組內(nèi)的脈沖重復(fù)間隔(Pulse RepetitionI nterval，PRI)隨當(dāng)前脈組頻率變化的參差PRI法。該方法除消除多普勒色散對合成距離像的影響外，還解除了對脈組個數(shù)N的限制。其次，針對SFPTs信號脈組內(nèi)利用快速傅里葉變換測速時存在的量化誤差，提出稱為迭代二分逼近的方法(Iterative Dimidiate Approaching Method，IDAM)以獲得逼近實際速度的

5、估計值。該方法僅需通過log2N次迭代運(yùn)算便可使測速精度提高N倍，從而使得補(bǔ)償距離-多普勒耦合后的距離像移動不超過半個距離單元。由于SFPTs信號每個脈組內(nèi)由若干個同頻脈沖組成，因此，相比常規(guī)的頻率步進(jìn)信號，SFPTs信號具有較多的脈沖數(shù)。這不但導(dǎo)致目標(biāo)在相干積累時間內(nèi)易跨多個距離單元移動，而且在此時間內(nèi)目標(biāo)速度易發(fā)生變化。為此，基于SFPTs信號，采用了多重信號分類(MUltiple SIgnal Classification，MUS

6、IC)的譜估計方法進(jìn)行速度的高分辨估計。與IDAM不同的是，MUSIC法即使在低信噪比下仍具有較好的速度估計性能，且該方法通常在脈組內(nèi)需要較少的脈沖數(shù)，因為MUSIC法只需滿足“SFPTs信號脈組內(nèi)脈沖數(shù)大于具有不同徑向速度的運(yùn)動目標(biāo)個數(shù)”條件。此外，為應(yīng)對高速飛行器的不斷問世，進(jìn)一步分析基于SFPTs信號的高速運(yùn)動目標(biāo)的速度解模糊。
　　 3.LFMUWB雷達(dá)目標(biāo)距離及速度估計
　　 針對LFMUWB雷達(dá)中多普勒色散積

7、不超過1的目標(biāo)，采用了二維映射離散傅里葉變換及速度補(bǔ)償(Two-Dimensional Projection Discrete Fourier Transformand Velocity Compensation，2-DPDFTVC)方法。該方法借鑒用于寬帶波達(dá)角估計的二維映射離散傅里葉變換法獲得高分辨速度估計值，且利用該估計值進(jìn)行相關(guān)補(bǔ)償后得到高分辨距離像。此外，根據(jù)多普勒色散積不超過1的條件，進(jìn)一步推導(dǎo)了適應(yīng)上述處理方法的速度范圍。

8、當(dāng)多普勒色散積超過1時，采用狀態(tài)空間(State Space)法估計目標(biāo)距離像及速度，推導(dǎo)了估計參數(shù)的克拉美-羅下界，并與通過Monte Carlo重復(fù)試驗獲得的相應(yīng)均方根誤差進(jìn)行比較，以分析估計參數(shù)的統(tǒng)計性能。狀態(tài)空間法在低信噪比下具有良好的估計性能。此外，由于狀態(tài)空間法只需要目標(biāo)頻率響應(yīng)函數(shù)而不涉及具體發(fā)射波形，因此該方法沒有如小波變換對發(fā)射波形應(yīng)具有母小波容許性的限制。
　　 4.UWB雷達(dá)雜波建模及其抑制分析
　　

9、 結(jié)合物理平板模型，提出頻率分割子帶合成法構(gòu)造UWB雷達(dá)雜波模型。該雜波模型不但考慮了頻率因素，而且反映了信號極化、地表電磁特性、地貌凹凸及植被覆蓋等諸多細(xì)節(jié)因素對雜波模型的影響。基于雜波仿真數(shù)據(jù)，利用最大似然估計獲得概率密度函數(shù)(Probability Density Function，PDF)的參數(shù)，以及根據(jù)柯爾莫諾夫-斯米爾諾夫檢驗法擬合出與雜波數(shù)據(jù)直方圖吻合度好的PDF。仿真結(jié)果表明雜波PDF具有“低重心，長拖尾”特征，且PD