基于IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)的性能研究.pdf

1、穿墻成像可以對被障礙物遮擋的目標進行主動、非入侵式地探測識別，在軍事、救援等領域具有廣泛的應用前景，是當前研究的熱點之一。作為穿墻成像的探測信號，IR-UWB信號具有穿透能力強、分辨率高、目標識別能力強、多徑分辨能力強、抗干擾能力強、探測盲區(qū)小等眾多優(yōu)點，近年來得到了廣泛的關注。基于IR-UWB信號的穿墻成像系統(tǒng)主要由探測和成像兩部分組成，不同的探測環(huán)境、探測方式和穿墻成像算法使系統(tǒng)具有不同的性能。實際應用中，系統(tǒng)設計的目標是使系統(tǒng)的性

2、能滿足應用的需求，這使得對 IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)性能的研究成為了系統(tǒng)設計實現(xiàn)的關鍵問題。與傳統(tǒng)探空成像系統(tǒng)相比，基于IR-UWB的穿墻成像系統(tǒng)往往具有墻體阻擋、超寬帶、實孔徑和近場工作等特點，在系統(tǒng)性能的研究中必須充分考慮這些特點的影響。然而，已有的成像系統(tǒng)性能的研究成果對這些特點的考慮有限，還無法對IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)性能進行有效預測和分析，更不能準確地指導相應的系統(tǒng)設計。因此，深入研究IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)的性能，對實際系

3、統(tǒng)的設計和應用具有重要意義。
　　本文在分析國內外相關文獻的基礎上，結合IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)的上述特點，根據(jù)目標的散射點模型，以二維平面內的墻后理想點目標成像為背景，在假設目標可以被檢測到的前提下，對 IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)的主要性能指標進行了深入研究，同時以性能指標分析為主線研究了 IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)中主要系統(tǒng)參數(shù)及穿墻成像算法設計的一些關鍵問題，為實際穿墻成像系統(tǒng)的設計和應用提供了理論指導。論文的研究內容主要包括以

4、下幾個方面：
　　第一，IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)及性能評價指標。本文在明確 IR-UWB穿墻成像基本原理的基礎上，介紹了穿墻探測環(huán)境、目標模型和探測方式，基于IR-UWB信號和實孔徑天線陣，給出了一種二維穿墻成像探測系統(tǒng)的基本結構。同時，為了判定穿墻成像系統(tǒng)工作在遠場還是近場，推導了 IR-UWB天線陣的遠近場分界。在此基礎上，介紹了對回波信號進行直達波抑制的方法，同時重點研究了墻體參數(shù)已知的一種常用穿墻成像算法——后向投影穿墻成

5、像(BP-TWI)算法，并針對天線與墻體之間存在一定距離時，BP-TWI算法中信號穿墻傳播時延計算復雜的問題，提出了利用等效二層介質模型計算信號穿墻傳播時延的方法。最后分析了IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)的主要性能指標。
　　第二，墻體參數(shù)未知的IR-UWB穿墻成像中定位誤差修正的研究。定位誤差是 IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)的一個重要性能指標。對于墻體參數(shù)未知的應用情況，它的一個主要來源是墻體參數(shù)的估計誤差。本文首先基于BP-TWI算法，

6、明晰了墻體參數(shù)估計誤差對 IR-UWB穿墻成像中定位誤差的影響。在此基礎上，通過對 BP-TWI算法中的聚焦時延差進行補償間接地實現(xiàn)了墻體參數(shù)估計誤差的補償。同時以圖像對比度作為衡量指標，提出了一種對 IR-UWB穿墻成像中定位誤差進行自動修正的穿墻成像算法，自動對焦 BP-TWI算法。然后為了降低 BP-TWI算法的計算復雜度，使其具有實用性，通過對實際聚焦時延差進行近似補償，提出了等時延-速度補償自動對焦 BP-TWI(ITD-VC

7、AF-BP-TWI)算法。數(shù)值仿真結果表明，該算法很好地修正了墻體參數(shù)未知時穿墻成像中的定位誤差，所得成像結果與墻體參數(shù)已知時 BP-TWI算法的成像結果相當，并且解決了已有算法代價高和通用性差的問題。
　　第三，IR-UWB穿墻成像分辨率的研究。當對墻后目標輪廓或多目標進行成像時，成像分辨率是 IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)需要重點關注的另一個性能指標。鑒于本文給出的IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)具有超寬帶、近場、實孔徑天線陣以及墻體阻擋的

8、特點，已有分辨率計算方法不再適用，無法對 IR-UWB穿墻成像分辨率進行有效預測。故本文針對 IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)的上述特點，首先在不考慮墻體影響的條件下，提出了一種自由空間下近場成像分辨率的計算方法。然后進一步結合墻體影響，基于墻體參數(shù)已知的BP-TWI算法，提出了一種 IR-UWB穿墻成像分辨率的近似計算方法。同時通過數(shù)值仿真驗證了所提出的分辨率計算方法的有效性。并為指導穿墻成像系統(tǒng)的參數(shù)設計，明確了IR-UWB穿墻成像分辨率的

9、空間分布以及分辨率與系統(tǒng)參數(shù)的關系。
　　第四，IR-UWB穿墻成像中虛假像抑制的研究。定位誤差、分辨率對于檢測到的真實目標才有意義，然而虛假像的存在會增加真實目標的檢測難度等，是影響系統(tǒng)性能的重要因素之一。本文首先對 IR-UWB穿墻成像中虛假像的成因進行了分析，明確了虛假像的一個主要來源是 IR-UWB天線陣近場時域波束形成的旁瓣。在此基礎上，通過對 IR-UWB近場時域波束形成原理進行深入研究，明確了影響波束形成性能的系統(tǒng)參