超寬帶雷達目標探測技術研究.pdf

1、超寬帶(Ultra-Wide Band，UWB)雷達通常具有距離高分辨能力，從而在目標識別及成像等方面有著廣闊的應用前景。然而，該雷達中徑向速度不變的目標的多普勒頻率隨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)窄帶雷達的信號處理方法應用于UWB雷達通常導致相關性能下降。此外，對于存在徑向運動的目標，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、導致目標距離像移動及擴展，從而使得UWB雷達距離高分辨能力受到影響。因此，本文圍繞UWB雷達目標距離及速度展開了相關的研究，主要工作包括:
　　 1.多普勒色散特征分析
　　 針對UWB雷達回波模型，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出回波模型?；谠摶夭Ｐ停茖Я薝WB雷達中多普勒色散對脈壓輸出性能的影響，并量化了適應匹配濾波器處理的條件。即當UW

3、B雷達多普勒色散積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;而當多普勒色散積大于1時，目標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.脈組間頻率步進的UWB雷達目標距離及速度估計
　　 首先，針對脈組間頻率步進(Stepped Frequency Pulse Trains，SFPTs)信號中由脈組間頻率變化引

4、起的多普勒色散導致目標距離像質(zhì)量下降，采用了各脈組內(nèi)的脈沖重復間隔(Pulse RepetitionI nterval，PRI)隨當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次迭代運算便可使測速精度提高N倍，從而使得補償距離-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)的頻率步進信號，SFPTs信號具有較多的脈沖數(shù)。這不但導致目標在相干積累時間內(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動目標個數(shù)”條件。此外，為應對高速飛行器的不斷問世，進一步分析基于SFPTs信號的高速運動目標的速度解模糊。
　　 3.LFMUWB雷達目標距離及速度估計
　　 針對LFMUWB雷達中多普勒色散積

7、不超過1的目標，采用了二維映射離散傅里葉變換及速度補償(Two-Dimensional Projection Discrete Fourier Transformand Velocity Compensation，2-DPDFTVC)方法。該方法借鑒用于寬帶波達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，且利用該估計值進行相關補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，進一步推導了適應上述處理方法的速度范圍。

8、當多普勒色散積超過1時，采用狀態(tài)空間(State Space)法估計目標距離像及速度，推導了估計參數(shù)的克拉美-羅下界，并與通過Monte Carlo重復試驗獲得的相應均方根誤差進行比較，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)空間法只需要目標頻率響應函數(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)射波形應具有母小波容許性的限制。
　　 4.UWB雷達雜波建模及其抑制分析
　　

9、 結合物理平板模型，提出頻率分割子帶合成法構造UWB雷達雜波模型。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。仿真結果表明雜波PDF具有“低重心，長拖尾”特征，且PD