（信息与通信工程专业论文）uwb+sfcwgpsar系统仿真与校正技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 随着雷达技术的发展，对雷达分辨率的提高已成为现代雷达发展的一个重要 方向。步进频率雷达信号在获得距离高分辨率的同时具有瞬时带宽窄、对接收机 前端以及a d 采样速率要求低的特点，因此备受关注。u w bs f c w - g p s a r ( u l t r a w i d c b a n ds t c p p df r e q u e n c yg r o u n dp e n e t r a t i n gs y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ) 即为基于步 进频率信号的超宽带合成孔径探地雷达，本文将对该系统进行基于m a t l a b s i m u l i n k 的仿真设计，并结合仿真和实测数据对系统的校正技术进行研究。 为获得雷达的最佳性能，需要选择好步进频率雷达信号参数和系统参数。本 文在简单分析步进频率信号一维距离像成像原理的基础上，针对u w b s f c w - g p s a r 的系统性能要求，通过s i m u l i n k 仿真比较不同系统参数对雷达性能 的影响，以确定u w bs f c w - g p s a r 系统的步进频率信号参数。然后对零差拍接 收机系统结构和超外差接收机系统结构进行比较分析，并重点分析了两种结构在 i q 解调部分的优劣，最终选定了超外差结构作为u w bs f c w - g p s a r 系统接收机 的结构。 在熟悉m a t l a b s i m u l i n k 强大功能的基础上，开始m a t l a b s i m u l i n k 下仿真系统 的详细设计，包括：发射和本振信号产生方式的设计，回波分析，接收模块的分 析和设计，数据采集以及信号处理这几部分。在数据采集部分，为获得i q 通道一 致性，对直接中频采样提出了有效的具体实现方法，获得了较高的镜像抑制比。 对u w bs f c w - g p s a r 的系统性能进行m a t l a b s i m u l i n k 模拟，包括：中频带通滤 波参数的设计，不同本振信号产生方式情况下的谐波影响结果，以及平台运动对 系统成像性能的影响。在m a t l a b s i m u l i n k 上采用“框架一的模块化方法仿真，将 复杂的雷达系统设计问题转化为具有代表性的且计算上有效率的模块级别的数学 建模问题，既具有灵活性，又容易使用，为有效地研究u w bs f c w - g p s a r 系统 奠定了基础。 为满足雷达系统性能要求，需要根据雷达信号、结构及其具体应用情况对其 进行相关校正。本文在系统校正部分对i q 误差问题和天线方向图对回波数据的影 响进行了研究。为获得更高的抑制性能，对中频采样获得的i q 数据用奇异值分解 ( s v d ) 方法进行校正，并通过仿真证明方法的有效性。u w bs f c w - g p s a r 的 超宽带特性和近场特性，导致天线方向图随频率和角度的变化影响不可忽略。本 文利用u w bs f c w - g p s a r 系统的回波模型，分析了天线方向图对系统性能的影 响；并给出了回波域校正算法，讨论了校正算法的性能；通过仿真和实测数据验 证了该校正算法的可行性和有效性。 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t i t sa ni m p o r t a n ta s p e c tt oi m p r o v et h er e s o l u t i o nf o rt h em o d e mr a d a r , a st h e d e v e l o p m e n to ft h er a d a rt e c h n o l o g y s t e pf i c q u e n c yr a d a rs i g n a lc l a i m so u r a t t e n t i o na s i t sh i g br e s o l u t i o n , i n s t a n t a n e o u sn a r r o w b a n da n dl o wr e q u e s tf o rr e c e i v e rf r o n te n da n d s a m p l i n gr a t eo fa d ( a n a l o gt od i # t m ) u w bs f c w - g p s a r i sa nu l t r aw i d e b a n d s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a rw h i c hw i l l1 l s es t e pf r e q u e n c ys i g n a l i nt h i sp a p e r , t h es y s t e m w i l lb ed e s i g n e dw h i c hi sb a s e do nt h es i m u l a t i o no fm a t l a b s i m u l i n k , a n dt h es y s t e m c a l i b r a t i o nt e c h n o l o g yw i l lb er e s e a r c h e db yt h ed a t af r o ms i m u l a t i o na n df i e l d m e a s u r e m e n t t h es i g n a la n ds y s t e mp a r a m e t e r sn e e dt os e l e c tt og e tt h eo p t i m u mr a d a r p e r f o r m a n c e 1 1 1 ef l o wo fs t e pf r e q u e n c ys i g n a lp r o c e s s i n ga n dt h eh i g hr a n g ep r o f i l e i m a g i n ga l g o r i t h ma r es t u d i e da tf i r s t t h es i g n a lp a r a m e t e r so fu w bs f c w - g p s a r a r ed e t e r m i n e db ys i m u l a t i n ga n dc o m p a r i n gt h ee f f e c t so fd i f f e r e n tp a r a m e t e r sb a s e d o ns i m u l i n k b ya n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dt h ee f f e c t so fi q e r r o rb e t w e e nh o m o d y n er e c e i v e ra n ds u p e r h e t e r o d y n er e c e i v e r , t h es y s t e ma r c h i t e c t u r e o fi 】_ w bs f c w ：( 诤s a ri sf i n a l l yd e t e r m i n e d b e f o r ed e t a i l e dd e s i g nt h em i g h t i n e s sf u n c t i o no fm a t l a b s i m u l i n ki si n t r o d u c e d a n dt h es y s t e md e s i g nw h i c hi sb a s e do nt h em a t l a b s i m u l i n kc o m p r i s e st h eg e n e r a t i n g o ft h et r a n s m i t t e ds i g n a la n dl o c a lo s c i l l a t o rs i g n a l ，t h ea n a l y z eo fe c h o ，t h er e c e i v i n g m o d u l e ，d a t as a m p l i n ga n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g a n dt oo b t a i nt h ec o n s i s t e n c yo f v qc h a n n e l s ，au s e f u lr e a l i z a t i o nm e t h o do ft h ed i r e c ts a m p l i n go f s i g n a li sp r o p o s e d , a sar e s u l th eh i 曲m i l t o rs u p p r e s s i o nr a t i oi sa c h i e v e d i nt h es e c t i o no fu w b s f c w - g p s a rs y s t e mp e r f o r m a n c e , t h ei n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yb a n dp a s sf i l t e r p a r a m e t e r sa r ed e s i g n e d 砀ee f f e c t so ft h eh a r m o n i cw a v ei nd i f f e r e n tm o d e so fl o c a l o s c i l l a t o rs i g n a lg e n e r a t i n ga n dt h em o v e m e n to ft h ep l a t f o r ma r ea l s oa n a l y s e d t h e c o m p l i c a t e ds y s t e md e s i g np r o b l e m sa r et r a n s l a t e di n t or e p r e s e n t a t i v ea n de f f i c i e n t m a t h e m a t i c sm o d e l i n gp r o b l e m si nt h em o d u l el e v e lb ys i m u l a t i n gi nm o d u l a rm e t h o d o ff r a m e w o r kb a s e do nm a t l a b s i m u l i n kw h i c hi sf l e x i b i l i t ya n de a s yu s i n g , s ot h e f o u n d a t i o nf o rd e v e l o p i n gt h eu w bs f c w - g p s a rs y s t e me f f e c t i v e l yi se s t a b l i s h e d i ti sn e c e s s a r i l yt oc a l i b r a t et h es y s t e ma c c o r d i n gt ot h er a d a rs i g n a l ，c o n f i g u r a t i o n a n di t sp a r t i c u l a ra p p l i c a t i o n st oa c h i e v et h es y s t e mp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t i nt h i s p a p e rt h ep r o b l e mo fv qe r r o ra n dt h ee f f e c to fa n t e n n ap a r e r na r es t u d i e di nt h e s e c t i o no fs y s t e mc a l i b r a t i o n a n dt oo b t a i nh i g h e rm i r r o rs u p p r e s s i o nr a t i o ，t h ev qd a t a f r o md i r e c ts a m p l i n go fi fs i g n a la r ec a l i b r a t e db ys i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ( s v d ) w h i c hi sp r o v e de f f e c t i v eb ys i m u l a t i o n t h ee f f e c ti n t r o d u c e db yt h ec h a n g eo fa n t e n n a p a t t e r nw h i c h i sf o l l o w i n gt h ef r e q u e n c ya n dt h ea n g l ec a n tb ei g n o r e ds i n c et h eu w b s f c w - g p s a ri sa nu w ba n dn e a r - f i e l ds y s t e m t h ee f f e c to ft h ea n t e n n ap a t t e r ni s 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 d i s c u s s e db a s e do nt h ee c h om o d e lo fu w bs f c w - g p s a r 硼1 cc a l i b r a t i o nm e t h o do f t h ea n t e n n ap a t t e r ni sp r o p o s e d , a n di t sc a l i b r a t i o np e r f o r m a n c ei sa l s oa n a l y z e d t h e c a l i b r a t i o nm e t h o di sp r o v e df e a s i b l ea n de f f e c t i v eb yu s i n gt h es i m u l a t i o na n df i e l d m e a s u r e m e n td a t a k e yw o r d s = u w bs f c w g p s a r s t e p p e df r e q u e n c y m a t l a b s i m u l i n k s i m u l a t i o na n dd e s i g ni ( 2e r r o r d i r e c ts a m p l i n go fifs i g n a l c a l i b r a t i o ni nt h ee c h od o m a i n 第i v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表3 1 方式一混频输出3 5 表3 2 方式二混频输出3 5 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图 目录 图1 1c a r a b a s 系统照片2 图1 2c 削认b a s 信号发射模式图3 图1 3p s i 车载前视g p r 3 图1 4r a i l g p s a r 系统和试验场地。4 图2 1s f c w 与脉冲s f 信号的频谱图1 0 图2 2s f c w 和脉冲s f 信号雷达成像结果1 0 图2 3 两组、f 值成像结果1 2 图2 4 无距离衰减时5 m 和8 2 5 m 处目标二维成像结果f = 5 0 0 r 西鲈= 2 m 1 3 图2 5 超外差接收机系统结构图1 5 图2 6 零差拍接收机系统结构图1 5 图2 7 传统i q 解调结果1 8 图3 1 仿真系统框图2 l 图3 2 信号产生结构图2 3 图3 3 两种发射和本振信号仿真框图2 4 图3 4 多通道回波仿真模块2 5 图3 5 平台倾斜示意图2 5 图3 6 双通道超外差结构仿真图2 6 图3 7 低通滤波法原理框图2 8 图3 8 低通滤波法仿真框图2 8 图3 9s i 、s q 信号频谱示意图3 0 图3 1 0s i 和s q 信号低通滤波示意图3 0 图3 1 1 改进d p d 算法的功能框图和仿真框图3 0 图3 1 2 低通滤波法及其改进方法成像结果3l 图3 13 系统仿真结构图3 2 图3 1 4 不同中频滤波器带宽下成像结果3 4 图3 1 5 本振信号产生方式3 5 图3 1 6 两种系统结构成像结果3 7 图3 1 7 谐波影响比较3 7 图3 1 8 平台运动产生一次和二次相位项对一维距离像的影响3 8 图3 1 9 天线倾斜15 0 时成像结果3 9 图4 1 改进低通滤波法获得的i q 数据4 2 图4 2s v d 方法校正后i q 数据4 2 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 3s v d 方法校正后成像结果4 2 图4 4u w bs f c w - g p s a r 系统模型4 3 图4 5 天线方向图4 4 图4 6 理想回波和受方向图影响回波成像结果4 9 图4 7 校正前后成像结果比较4 9 图4 8 实测回波数据成像结果5 0 图4 9 实测数据校正前后成像结果比较5 l 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：幽墨至垦坠鲤丛丕统笾真生撞垂挂盔珏窒 学位论文作者签名： 蕉：蕴 日期： 加7 年，月p 歹日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：婴墨里旦幽里丛丞统鱼真盏撞垂拉盔珏窥 学位论文作者签名： 凌笺 作者指导教师签名： 日期： 沙7 年7 ，月心日 嘲：呷叫 弘 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 超宽带合成孔径雷达( u w as a r ) 是结合u w b 技术和s a r 技术的一种新体制 雷达技术【1 】【2 】，同时具有优良的分辨率和强大的穿透性能，能够探测到叶簇和地 表之下的隐蔽目标，在军事和民用领域都具有非常广阔的应用前景，受到了各国 的高度重视【3 】。步进频率连续波( s f c w ) 雷达是一种高分辨率雷达，通过发射一 系列载频线性跳变的连续信号，经过相干处理可以得到合成的一维高分辨率距离 像。s f c w 信号具有在获得距离高分辨率的同时降低对数字信号处理机的瞬时带宽 要求的优点，因此备受关注，目前国外已研制成功若干基于s f c w 信号的超宽带合 成孔径探地雷达。 1 1 课题研究背景 u w b s a r 是国内外雷达领域近二十年来研究的热点，每年国际雷达会议、欧 洲s a r 会议、s p i e 系列会议等重要会议以及i e e e i e e 等相关期刊上都不断有新的 研究成果发表，当前i n 釉s a r 系统技术日趋成熟，各项研究都已经处在u w bs a r 的应用阶段。u w bs a r 主要有两个重要应用：一是探测叶簇覆盖的装甲车、坦克 等目标，二是探测浅埋的未爆物等目标。虽然两者的研究几乎同时起步，但后者 的实用化进程远比前者慢得多；美国早在1 9 9 6 年就已经将u w bs a r 安装在全球鹰 无人机上用于探测隐蔽于树林中的静止车辆，而u w bs a r 浅埋目标探测仍处在实 验室研究或演示验证阶段。与此同时，下视地表穿透雷达( d o w n - l o o k i n gg r o u n d p e n e t r a t i n gr a d a r , d l g p r ) 的研究人员也逐步将目光投向i y w bs a r ，以克服其安全 性差和效率低等缺点。u w bs a r 具有远距离、大区域浅埋目标探测能力，正好能 够弥补d l g p r 的不足。 目前在商业上和研究所所研制的探地雷达大多为冲激体制雷达。冲激雷达发 射信号为峰值功率高达几十千瓦的窄脉冲，瞬时带宽和瞬时功率都很大，使得a d 需要有大动态范围和高采样率才能获得高距离分辨率。但现有的硬件水平难以满 足高分辨率系统性能的要求。而步进频率体制雷达通过发射一组载频以固定频率 间隔随时间跳变的脉冲信号，以窄的瞬时带宽及牺牲时间的方式获得大的系统带 宽。这样不仅可以降低对a d 采样速率的要求，且只需要在传统的窄带发射和接收 的基础上增加步进频率综合器，进行相应信号处理后就可获得高分辨率距离像。 另外，步进频率探地雷达还具有系统灵敏度高、抗电磁干扰能力强、中等峰值功 率要求等优点 4 1 。 综上所述，步进频率雷达与u w bs a r 相结合是探地雷达的发展趋势。而由于 第1 页 国防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 步进频率信号参数的选取决定了雷达的基本性能，同时对信号处理算法的选择也 起着关键作用，因此在u w bs f c w g p s a r 系统研制初期必须根据实际情况精心设 计。 1 2 国内外u w bs f g p s a r 系统研究进展 目前，典型的车载或轨道u w bg p s a p , 超宽带探地雷达主要有：荷兰代夫特 ( d d t t ) 技术大学通信与雷达国际研究中- t ：, ( i r c t r ) 的p a n d o r a ( p a r a l l e la r r a yf o r n t m a e r o u s d i f f e r e n t o p e r a t i o n a l r e s e a r c h a c t i v i t i e s ) 、南非开普敦大学的m e r c u r y b 系统、美国陆军实验室( a r l ) 的b o o m s a r 、美国斯坦福研究所( s r i ) 的车载前视 g p r 、美国规划系统有限公司( p s d 的车载前视g p r 、法国的p u l s a r ，以及国内国 防科技大学( n a t i o n a lu n l v e r s i t yo f d e f e n c et e c h n o l o g y ，n u d t ) 的r a i l - g p s a r 。 典型的机载u w bg p s a p , 系统有：美国s k i 的机载u w bs a p - 、美m m i r a g e 公司 的直升机载远距离g p r 、美国夜视电子仪器理事会( n v e s d ) 的e a g l e 直升机载 g p r 、瑞典的c a r a b a s 5 和英国的气球载m m e s e e k e r 远距离g p r 。其中， p a n d o r a 和m e r c u r yb 为近距离浅埋目标探测系统。而瑞典的c a r a b a s 、美国 p s i 的前视g p r 以及n u d t 的r a i l g p s a r 都属于典型的步进频率探地雷达系统，下 面将对这几个系统作简要叙述。 1 ) 瑞典的c a r a b a s c a r a b a s 即“c o h e r e n t a l l r a d i o b a n ds e n s i n g ”，意思是相干全无线电频段 传感器是以小型商用协和飞机( r o c k w e l ls a b r e l i n e r ) 为搭载平台的叶簇穿透雷达。 为减小飞机两端机翼的后向散射，消除雷达左右模糊，飞机的配置采用两根直径 03 m 、长度55 m 的宽带偶极子天线置于飞机尾部，类似“羊角”状，系统照片如 图1 1 所示。 图11c a r a b a s 系统照片 c a r a b a s 系统发射信号形式采用步进频率线性调频，频率步进增量 1 2 5 m h z ，各子脉冲频谱有交叠，系统频率范围2 0 m h z 一9 0 m h z ，是超宽带机载雷 达系统，脉宽o5 邺，脉冲重复频率1 0 k h z 。系统的实际距离分辨率为3 m ( 理论 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 距离分辨率为21 4 m ) ，方位分辨率为l5 m 。 系统信号发射模式如下图12 所示： 图1 2 c a r a b a s 信号发射模式图 在一个有效脉冲重复周期内，雷达天线交替工作：左端天线顺序发射n 个脉 冲后右端天线顺序发射相同的n 个脉冲，然后将两组数据合并处理以完成一次 数据录入。 2 ) p s i 的前视g p r p s i 公司于2 0 0 1 年为美国陆军夜视电子仪器理事会( n v e s d ) 研制成了具有5 8 个通道的d l g p r 系统该系统发射从5 0 0 m h z 至4 g h z 的步进频率信号，可检测深 达6 英寸的埋地目标。该g p s a r 系统与其它同类系统的不同之处在于：使用小直径 的宽带阿基米德螺旋天线以提高空间分辨率；使用仝相参合成孔径处理技术提高 信噪比并减少杂波的不利影响；该系统工作在非地面耦合模式仍然可以检测到埋 地目标”j 。 p s i 二期系统删中，将天线抬起朝前辐射，形成了前视g p r 。如图13 所示，为 提高分辨率，该系统尝试了不同的天线发射阵列结构，使用较多的为三单元垂直 阵列，另一种发射结构由1 5 个单元的水平阵列、位于中间的7 个单元垂直阵列和位 于两端的一组分裂孔径垂直阵列组成。实验证明分裂孔径阵列发射所获得的图像 方位分辨率和信杂比性能都要优于垂直阵列发射。 图13p s i 车载前视g p r 3 ) n u d t 的r a i l g p s a r r a i l g p s a r 是一部轨道超宽带s a p 浅埋目标探测试验系统。系统收发天线均 为平面加脊t e m 喇叭天线，波束角约1 2 0 0 ，通过收发天线的不同配置，可以实现 第3 贾 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 多种极化测量。r a i l g p s a r 系统光学照片如图1 4 所示，虽然天线采用收发分置， 但天线旬距远小于探测距离，因此该系统可近似认为工作在单站模式，其平台位 置在收发天线连线中心。成像分辨率小于02 r e x 0 2 m 。r a i l g p s a r 系统可以对轨 道侧面约2 0 0m t 的场地快速成像”。 图1 4 r a i l g p s a k 系统和试验场地 1 3 系统仿真和校正技术研究现状 系统研制过程中，不仅要考虑雷达类型、信号体制，还需要选择合适的信号 参数和各分系统的设计参数。雷达分系统的众多参数之间的关系很难从理论上做 出分析，而系统设计时，各分系统的主要参数又必须事先确定下来。因而需要在 系统实现之前先进行系统性能的仿真。 在雷达信号处理系统中，系统级仿真占有极其重要的地位。经过系统级仿真， 能够确保产品在高层次上的设计正确性。利用系统仿真这一方法，可以找出系统 各参数的最佳值来保证所设计的产品获得虽佳性能。不仅如此，还可以利用仿真 对雷达系统的各项性能进行评估。要进行雷达系统仿真，首先必须建立雷达系统 建模、仿真和设计一体化的开笈环境。这一集成环境主要包括两太组成部分：雷 达系统建模仿真软件平台和雷达系统仿真模型库【1 “。在目前的科研工作中 m a d a b s i m u l i n k 在仿真雷这系统，并进行性能模拟，以帮助设计系统方面是一个 非常有用的工具。可以借助s k n u l i n k 搭建雷达各分系统模块，m a l l a b 下已有的信 息处理和分析程序也可以很方便的嵌入s i m u l i n k 。利用m a t l a b s i m u l i n k 建立u w b s f c w - g p s a r 雷达系统仿真模型，可以实现系统参数的优化和分配，以达到缩短 研制周期，降低技术风险的代价。 要解决系统实际应用中的问题仅获得优化的系统参数还远远不够。由于 u w bs f c w - g p s a r 的超宽带以及近场等特性，其成像性能将会受到多方面的影 响，包括i o 通道不平衡、天线的大波束张角特性等。为达到系统成像性能的要求， 必须研究合适的校正技术来尽量减少上述因素的影响。 特殊s a p 系统的校正技术都是由常规s a r 校正技术发展而来的。s a r 校正技术 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 的发展与s a r 本身的发展息息相关：从2 0 世纪8 0 年代的单通道校正技术【1 l 】一【1 4 】到9 0 年代的多通道校正技术【1 5 】- 【1 7 】以及近十多年来的多传感器互校正技术等。这些 校正技术可作为u w bs f c w - g p s a r 系统校正技术的研究基础，但都不可直接采 用。虽然目前国外研制成功的类似系统不少，但是很多系统从研制到应用都处于 保密状态，公开发表的文献比较少，而针对系统的校正技术在已有的一些文献中， 描述也极为简单。u w bs f c w - g p s a r 探测目标位于阵列的近场使得天线波束张角 较大，使得在整个合成孔径内，雷达与目标的视角的变化范围较大。u w b s f c w g p s a r 的大波束张角特性和超宽带特性天线方向图随频率的变化将导致距 离向主瓣宽度展宽，旁瓣电平增加，而天线方向图随角度的变化将影响系统方位 向聚焦性能，导致方位向分辨率的降低。由于u w bs f c w g p s a r 天线方向图是频 率和角度的函数，其校准方法比常规s a r 更加复杂。而现有的校准方法都是针对 高频窄带s a r 或远场的阵列天线幅相误差校正，因而需要研究一种适合于近场 u w bs f c w g p s a r 的校准方法。 1 4 本文主要内容 本文首先对u w bs f c w - g p s a r 信号参数设计问题和系统结构进行了研究， 然后基于m a t l a b s i m u l i n k 进行系统仿真与设计，获得系统各部分关键参数，最后 对i q 通道误差和天线方向图问题进行研究，并提出相应的校正方法，并通过仿真 或实测数据验证了方法的有效性。具体章节安排如下： 第二章为u w bs f c w - g p s a r 信号参数与系统结构分析。首先，简单分析了步 进频率信号一维距离像成像原理；然后针对u w bs f c w - g p s a r 的系统性能要求， 分析得出适合于本系统的信号参数；最后对系统结构进行选取，对接收机结构进 行比较，并重点分析了两种结构在i q 解调部分的优劣，最终选定适合于u w b s f c w 二g p s a r 的系统结构。 第三章为基于仿真的系统分析与设计。首先对m a t l a b s i m u l i n k 的强大功能进 行介绍；然后开始m a f l a b s i m u l i n k 下仿真系统的详细设计，包括：发射和本振信 号产生方式的设计，回波分析，接收模块的分析和设计，数据采集以及信号处理 这几部分，在数据采集部分提出了具体的直接中频采样实现方法，并通过仿真证 明了其有效性。最后对u w bs f c w - g p s a r 的系统性能进行m a t l a b s i m u l i n k 模拟， 包括：中频带通滤波参数的设计及其在m a t l a b s i m u l i n k 中具体实现时要注意的问 题，不同本振信号产生方式情况下的谐波影响结果，以及平台运动对系统成像性 能的影响。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第四章为基于仿真与实测数据的校正技术研究。本章对i q 误差问题和天线方 向图对回波数据的影响进行了研究。为获得更高的镜像抑制比，对中频采样获得 的i q 数据用奇异值分解( s v d ) 方法进行校正，并通过仿真证明方法的有效性。 在回波域数据校正部分，首先通过对u w bs f c w g p s a r 系统的分析，得出天线 方向图的非均匀性对系统的影响不能忽略；利用u w bs f c w - g p s a r 系统的回波 模型，讨论天线方向图对系统性能的影响；给出了天线方向图校准算法，并讨论 校准算法的性能；通过仿真和实测数据验证该校准算法的可行性和有效性。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章u w bs f c w g p s a r 信号参数与系统结构分析 2 1 引言 随着雷达技术的发展，对雷达分辨率的提高已成为现代雷达发展的一个重要 方向。步进频率雷达信号是一种可以实现一维高分辨率距离像的信号，它通过发 射一系列载频线性跳变的脉冲，获得等效的大带宽和高距离分辨力。通过相参处 理，得到回波中包含的目标频率响应特性，对其进行逆傅立叶变换( 环f t ) 并提 取其幅度函数，即可获得高分辨率目标一维距离像【1 9 1 。 步进频率雷达信号在获得距离高分辨率的同时具有瞬时带宽窄，对接收机前 端以及a d 采样率要求低的特点，因此备受关注。但是要获得雷达的最佳性能， 首先要选择好步进频率雷达信号参数和系统参数。文献 2 0 】针对机载和弹载步进 频率雷达系统，进行了步进频率信号参数设计的研究。本文针对应用于近场探地 的u w bs f c w - g p s a r 系统研究步进频率信号形式及其参数设计的问题。信号形 式确定之后，还需要根据系统性能要求和信号特点设计合适的u w b s f c w - g p s a r 系统结构。由于步进频率信号各参数的关系从理论上计算起来较为 复杂，为更接近实际情况，本章通过s i m u l i n k 仿真比较在不同信号参数下的雷达 性能，并确定u w bs f c w - g p s a r 系统的步进频率信号形式。然后对现有的两种 不同形式的系统结构进行比较分析，并仿真比较两种结构在 q 解调部分的优劣， 最终确定u w bs f c w - g p s a r 的系统结构。 2 2 步进频率信号一维距离像成像原理 步进频率信号体制的超宽带雷达通过发射频率步进增加的单频信号脉冲得到 目标在该频率点的幅度和相位信息，然后在接收端通过逆f o u d e r 变换实现距离向 上的高分辨。与线性调频信号相比，步进频率信号具有带宽扩展性较好的优点； 与冲激脉冲相比，又具有平均发射功率较高的优点，下面简述其原理。 假设步进频率信号的脉冲重复周期为t ，发射脉冲宽度为r ( f 卫，当乃= f 时，为步进频率连续波信号) ，载频起始频率为无r ，频率步进增量为鲈，频率步 进数为，接收本振信号起始频率为幺，频率步进增量为鲈，频率步进数为， 采样频率为z ，采样间隔z = 1 4 ，光速为c 。 步进频率一帧的发射信号可表示为： 北) ：艺旭c t ( 掣) c o s 2 姒一a f ) t + 删 ( 2 1 ) n = 0 第7 页 国防科字技术大学研冗生阮硕士学位论文 其中，删= 7 篓蔷“2 ，此处不考虑随机相位的腑贝| j 可令 妒( 以) = 0 。 本振信号可表示为： 屯o ) = 艺删( 三二掣) c o s 【2 万( 厶+ 刀鲈) 妇 ( 2 2 ) 距离为r 的目标回波信号为： 北) ：艺咧型吐竽坐灿陬魄一a f ) ( t 一釉 ( 2 3 ) 回波信号与本振信号混频后，通过滤波器滤波( 当山= f l r ，则用低通滤波 器，否则用中心频率为向= l - a r i 的带通滤波器) 滤波后得到： 删= 萎n - i 咧型半酬2 毗睾咐和( 2 4 ) 对上式采样解调，当采样频率z 满足每个频点只采一个数据点时，可d z 1 0 ： j ( 刀) ：e x p ( 一j 2 万五r 警) e x p ( 2 万刀厂2 石r j ( 2 5 ) 对于固定目标来说，式( 2 5 ) 中的第1 个指数项是常数，第2 个指数项可以看成 时间点为2 r c ，频率呈线性变化的频域离散信号。因此，对采样后的信号进行逆 傅里叶变换( f t ) 如式( 2 6 ) 所示，取模后得到一主瓣宽度为l n a f 的窄脉冲如 式( 2 7 ) 所示，此即为目标的高分辨率一维距离像，这样可以得到精确的时间点 2 r c ，进而得到目标点的距离信息r 。 s = 专善n - i s ( 刀) e x 烈和等) = 万1 善b - ie x p 2 叽r2 c 天) e x p ( 一，2 万阼鲈净c x p 价等) ：l e x p - - j 2 x f 。r * r 学c j l 2 n r caf)，藕sina(2nraf) l s ( ) - - 。s i n 万u 一2 n r a f ) c n s i n n ( t 一2 n r c a f ) u = 0 ，1 ，n 1 ) 由于三角函数的周期性，i s ( d l 也呈周期变化，重复周期为，即有 ( 2 7 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 j s ( o i = l s ( i - m n ) l ( 聊为正整数)( 2 8 ) 1 主i ( 2 8 ) 式可知，相距m c ( 2 a f ) ( 研为正整数) 不同点目标的一维距离像是重 合的，即存在距离模糊。模糊距离的大小对步进频率s a r 系统设计有重要影响， 如果系统信号参数选择不当，势必会影响雷达系统性能。 2 3 步进频率信号参数设计 步进频率信号的参数匹配问题在雷达总体设计阶段非常重要，其关键参数包 括：脉冲重复周期霉，发射脉冲宽度f ，频率步进增量鲈，频率步进数，采样 间隔z 等。在给定雷达最大不模糊距离咒，信号带宽b = n a f ，以及成像范围e 的 条件下，有必要对这些参数进行合理的设计。 步进频率信号的这几个重要参数所涉及的关键因素如下【6 】： 脉冲重复周期z ：决定雷达最大作用距离 k = e t , 2( 2 9 ) 发射脉宽f ：决定距离压缩前单个脉冲的距离分辨率 足= 叫2 ( 2 1 0 ) 频率步进增量鲈：决定距离压缩后的最大不模糊距离 r = c ( 2 f i f )( 2 1 1 ) 频率步进数：与v 共同决定了发射信号的带宽曰以及距离压缩后的距 离分辨率屏 b = n 弩 q 1 2 ) 屏= c ( 2 n a f )( 2 1 3 ) 采样时间间隔z ：决定采样距离分辨率 只= c t , 2 ( 2 1 4 ) 1 ) z 与f 的关系 根据脉冲重复周期z 与脉宽f 是否相等，可将步进频率雷达信号类型分为两 种：一种是步进频率脉冲串信号，另一种是步进频率连续波信号( s f c w ：