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(biāo)進(jìn)行主動、非入侵式地探測識別，在軍事、救援等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，是當(dāng)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(biāo)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(guān)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(yīng)用中，系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)是使系統(tǒng)的性

2、能滿足應(yīng)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(shè)計實現(xiàn)的關(guān)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(jìn)行有效預(yù)測和分析，更不能準(zhǔn)確地指導(dǎo)相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)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(shè)計和應(yīng)用具有重要意義。
　　本文在分析國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)的上述特點，根據(jù)目標(biāo)的散射點模型，以二維平面內(nèi)的墻后理想點目標(biāo)成像為背景，在假設(shè)目標(biāo)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(biāo)進(jìn)行了深入研究，同時以性能指標(biāo)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(shè)計的一些關(guān)鍵問題，為實際穿墻成像系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。論文的研究內(nèi)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(biāo)。本文在明確 IR-UWB穿墻成像基本原理的基礎(chǔ)上，介紹了穿墻探測環(huán)境、目標(biāo)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(jié)構(gòu)。同時，為了判定穿墻成像系統(tǒng)工作在遠(yuǎn)場還是近場，推導(dǎo)了 IR-UWB天線陣的遠(yuǎn)近場分界。在此基礎(chǔ)上，介紹了對回波信號進(jìn)行直達(dá)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(fù)雜的問題，提出了利用等效二層介質(zhì)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(biāo)。
　　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(biāo)。對于墻體參數(shù)未知的應(yīng)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(chǔ)上，通過對 BP-TWI算法中的聚焦時延差進(jìn)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(biāo)，提出了一種對 IR-UWB穿墻成像中定位誤差進(jìn)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(fù)雜度，使其具有實用性，通過對實際聚焦時延差進(jìn)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(jié)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(jié)果與墻體參數(shù)已知時 BP-TWI算法的成像結(jié)果相當(dāng)，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(dāng)對墻后目標(biāo)輪廓或多目標(biāo)進(jìn)行成像時，成像分辨率是 IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)需要重點關(guān)注的另一個性能指標(biāo)。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(jìn)行有效預(yù)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(jìn)一步結(jié)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(dǎo)穿墻成像系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)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(guān)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(biāo)才有意義，然而虛假像的存在會增加真實目標(biāo)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(jìn)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(chǔ)上，通過對 IR-UWB近場時域波束形成原理進(jìn)行深入研究，明確了影響波束形成性能的系統(tǒng)參