（信息与通信工程专业论文）步进频率探地雷达距离旁瓣抑制研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 步进频率探地雷达( s t e p p e d - f r e q u e n c yg r o u n dp e n e 仃a t i n gr a d a r ，s f g p r ) 是 一种高性能的连续波信号探地雷达，能同时兼顾大带宽和高动态范围，以保证系 统的高分辨率和深度穿透探测性能。但是因频谱截断不连续而致使时域合成信号 产生严重的拖尾振荡，即距离旁瓣，弱地下目标回波信号容易被直耦波等强回波 信号的旁瓣淹没，这将降低系统的目标检测能力、分辨能力和动态范围，造成虚 警率增加。鉴于目前对于步进频率探地雷达距离旁瓣抑制问题的研究较少，没有 系统的阐述和理论支撑，缺乏有效的抑制方法，本文对这一问题展开了深入的研 究，以提高系统的探测性能，为步进频率探地雷达发展与应用打下坚实的基础。 l 、论文通过研究步进频率探地雷达距离旁瓣的形成机理，阐述了距离旁瓣的 基本抑制原理，并研究和提出了不同的距离旁瓣抑制方法。首先对传统的线性加 权法进行了距离旁瓣抑制效果对比分析，其中包括时域加权和频域加权，理论推 导和实验结果表明：传统的线性加权法在抑制距离旁瓣的同时容易造成时域信号 的主瓣展宽，分辨率下降。 2 、为克服线性加权法的缺点，本文提出用s v a ( s p a t i a l l yv a r i a n ta p o d i z a t i o n ) 方法抑制步进频率探地雷达距离旁瓣，它对时域上的每个采样点采用了不同参数 的频域加权函数，并能依据信号主瓣和旁瓣自适应地选择加权函数参数，该方法 实际是一种非线性加权方法，能够在有效抑制距离旁瓣的同时保持主瓣。仿真实 验结果表明：该算法可以取得与线性加权法相近的距离旁瓣抑制比，且主瓣仅仅 展宽5 。 3 、为了兼顾步进频率探地雷达的距离旁瓣抑制效果与高分辨率，研究了将熵 谱外推超分辨技术运用于距离旁瓣抑制，分别采用最大熵和最小熵谱外推方法实 现了对步进频率探地雷达的距离旁瓣抑制，文中详细分析了最大熵、最小熵谱外 推抑制距离旁瓣的原理，并提出了最大熵谱外推结合线性加权以提高距离旁瓣抑 制效果的新思路，仿真实验表明，最大熵谱外推结合线性加权可以提高3 0 d b 距离 旁瓣抑制比并且保持了主瓣，分辨率不变；最小熵谱外推可以提高1 4 d b 的距离旁 瓣抑制比同时提高了分辨率5 0 。 主题词：步进频率，探地雷达，距离旁瓣抑制，s v a ，正则化，最大熵，最 小熵，频谱外推 第i 页 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 s t e p p e d f r e q u e n c yg r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ( s f g p r ) i sac o n t i n u o u sr e a v eg p r w i t hg o o dp e r f o r m a n c eb o t hi nw i d eb a n d w i d t ha n dh i ：g hd y n a m i cr a n g e ，w h i c hc a r l r e a l i z eh ig hr a n g er e s o l u t i o na n dd e e pp e n e t r a t i n gd e t e c t i o n h o w e v e r ，b e c a u s eo f h i g h r a n g es i d e l o b ec o m i n gf r o mt h et r u n c a t e ds p e c t r u mi nt h ef i n a ls y n t h e t i cr a n g ep r o f i l e ， w e a kr e s p o n s e so ft a r g e t sc o u l db ec o v e r e db ys i d e 1 0 b eo fr a d a rs y s t e md i r e c ta n d c o u p l i n gs i g n a l ，w h i c hd e c r e a s e st h es y s t e mc a p a b i l i t yo fd e t e c t i n ga n dr e s o l v i n gt a r g e t s ， l o w e r sd y n a m i cr a n g e ，i n c r e a s e sf a l s ea l a r mr a t e n e v e r t h e l e s s ，f e ww o r k sh a v eb e e n d o n et os u p p r e s sr a n g es i d e l o b ef o rs f g p r t h e r ei sn os y s t e m a t i ct h e o r ys u p p o r ta n d e f f e c t i v es u p p r e s s i n ga l g o r i t h m t b i st h e s i sc a r r i e so u tas y s t e m a t i cr e s e a r c hi nt h e r a n g es i d e l o b es u p p r e s s i n go fs f p g rs y s t e m 1 、t h i st h e s i sp r e s e n t st h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo f r a n g es i d e 1 0 b e si ns f g p ra n d b a s i cp r i n c i p l eo fs u p p r e s s i n gr a n g es i d e l o b e d i f f e r e n te x i s t i n ga l g o r i t h m sf o rr a n g e s i d e - l o b es u p p r e s s i o na r ea n a l y z e d s o m ec l a s s i cl i n e a r w e i g h t i n ga l g o r i t h m s ，t i m e w e i g h t i n ga n ds p e c t r u mw e i g h t i n g ，a r ec o m p a r e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h e t r a d i t i o n a ll i n e a rw e i g h t i n ga l g o r i t h mw i l lw i d e nm a i n - l o b ea n dd e t e r i o r a t e r a n g e r e s o l u t i o nw h e n s u p p r e s s i n gr a n g es i d e - l o b e 2 、t oi m p r o v et h er a n g er e s o l u t i o no ft h el i n e a rw e i g h t i n g ，w ep r o p o s et oa p p l y s v a ( s p a t i a l l yv a r i a n ta p o d i z a t i o n ) t os u p p r e s sr a n g es i d e - l o b eo fs f g p r i nt h i s a l g o r i t h m ，d i f f e r e n ts p e c t r a lw e i g h t i n gf u n c t i o n sf o re a c hs a m p l ep o i n ti nt i m ed o m a i n a r eu s e d i t san o n l i n e a rw e i g h t i n ga l g o r i t h mw h i c hc a ns u p p r e s ss i d e 1 0 b ea n da l s o m a i n t a i nm a i n l o b ea tt h es a m et i m e 1 1 1 ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h ea l g o r i t h mh a st h e s a m er a n g es i d e - l o b e s u p p r e s s i o nr a t i o ( r s s r ) c o m p a r e d w i t hl i n e a rw e i g h t i n g a l g o r i t h m , a n dw i d e n sm a i n l o b eb yo n l y5 3 、i no r d e rt oh a v eag o o dp e r f o r m a n c eb o t hi ns u p p r e s s i n gr a n g es i d e 1 0 b ea n d h i g hr e s o l u t i o n ，t h i st h e s i sp u t sf o r w a r dt h es u p e r - r e s o l u t i o nm e t h o do fs p e c t r u m e x t r a p o l a t i o nt or e d u c er a n g es i d e l o b e m a x i m u me n t r o p ye x t r a p o l a t i o na n dm i n i n l u l n e n t r o p ye x t r a p o l a t i o na r ep r e s e n t e d n l er a n g es i d e - l o bs u p p r e s s i n gt h e o r yo fm a x i m u m e n t r o p ya n dm i n i m u me n t r o p ye x t r a p o l a t i o na r ed e d u c e di nt h et h e s i s ，a n dan e wi d e ai s p r o p o s e dt oc o m b i n ee n t r o p ys p e c t r u me x t r a p o l a t i o nw i t hl i n e a rw e i g h t i n gt oi m p r o v e t h er s s r t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e i o i n t o fm a x i m u me n t r o p y e x t r a p o l a t i o na n dl i n e a rw e i g h t i n gc a ni m p r o v er s s rb y3 0 d ba n dm a i n t a i nt h e m a i n l o b ea tt h es a m et i m e m i n i m u me n t r o p ye x t r a p o l a t i o nc a ni m p r o v er s s rb y 14 d ba n dr e s o l u t i o nb y50 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 k e yw o r d s ：s t e p p e d f r e q u e n c y ；g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a rlr a n g e s i d e l o b es u p p r e s s i n g ；s p a t i a l l yv a r i a n ta p o d i z a t i o n ；r e g u l a r i z a t i o nm a x i m u m e n t r o p y ；m i n i m u me n t r o p y ；s p e c t r u me x t r a p o l a t i o n 第i i i 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 常用加权函数的参数1 8 表3 。2 步进频率探地雷达仿真系统参数表2 5 表3 3 加权算法评估指标2 6 表4 1 谱外推算法抑制距离旁瓣评估指标。4 2 表4 2b a t t e l l e e s l 步进频率探地雷达系统参数4 3 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2 1 步进频率探地雷达系统工作示意图。8 图2 2 零差式系统结构图9 图2 3 外差式系统结构图1 0 图2 4 步进频率探地雷达发射信号示意图1 1 图2 5 回波基带信号采样示意图1 2 图2 6 目标合成频谱幅度响应示意图1 3 图2 7 目标回波信号合成时域波形示意图1 3 图2 8 矩形频谱包络对应的时域波形1 4 图3 1 步进频率探地雷达频域加权流程图1 7 图3 2 频域加权后频谱示意图1 8 图3 3 常用加权函数波形示意图1 9 图3 4h a m m i n g 窗频域加权前后的时域波形1 9 图3 5 步进频率探地雷达时域加权流程图1 9 图3 6 单个目标不同窗函数加权后的时域波形2 1 图3 7 双切趾滤波后的波形：2 1 图3 8 时域卷积示意图2 2 图3 9s v a 法抑制距离旁瓣结果2 5 图3 1 0s v a 算法处理前后频谱对比图。2 6 图4 1 最大熵谱外推前后频谱对比图3 3 图4 2 最大熵谱外推后对应的时域波形3 4 图4 3 最大熵谱外推h a m m i n g 窗加权后的频谱3 4 图4 4 最小熵谱外推频谱对比图4 0 图4 5 谱外推超分辨技术抑制旁瓣效果对比图4 2 图4 6b a t t e l l e e s l 实测数据b s c a n 示意图4 3 图4 7 实测数据经熵谱外推后的b s c a n 示意图一4 3 第1 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：生进麴空拯地重达堕妾壹整控剑盟窥 学位论文作者橼圈壁垦吼洲年，月册 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阋；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) 学位论文作者签名：图虚暨 作者指导教师签名： 年| | 冠l 乒甚 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 好奇是人类的天性，它驱使着我们孜孜不倦地探求未知世界，随着科学技术 的进步，人类对自己生存的地球表面以及外太空的认识都在不断发展、深入，有 系统的理论、方法来对其进行研究、探索，但是对支撑人类无限物质需求的地球 内部，特别是地球的浅表层，我们的认识却趔趄不前。从技术上分析，人类在视 觉以外空间上的延伸主要得益于电磁波应用技术的发展，而电磁波有限的传播能 力使我们对地表的精细认识始终保持着一层神秘的面纱。目前还没有哪项技术可 以完全解决探测地表层目标的问题，只能通过不同的技术获得不同的目标信息， 比如有探地雷达、地震波、超声波、电磁感应、重力场等等，在这些技术中，最 有发展前途的是探地雷达( u n dp e n e 仃a t m gr a d a r ，g p r ) 技术，它是利用电磁 波在媒质电磁特性不连续处产生的反射或散射实现浅表层成像、定位进而定性或 者定量地辨识地表中的电磁特性变化，实现对表层下目标的探测【l 】。 1 1 研究背景及意义 1 1 1 步进频率探地雷达的发展概况 探地雷达是很早就出现的一种探测雷达技术【2 j 。随着电磁技术的发展，早在 2 0 世纪初，德国人h u l s m e y e r 就用电磁波探测埋于地下的金属物，随后另外两名 德国人b a c k 和l 6w y 以专利形式提出了将雷达原理用于探测地下目标的观 点，并正式提出了探地雷达的概念，1 9 2 6 年，h f fl s e n b e c k 第一个提出用脉冲技术 确定地下目标结构特征的思路，发现地下任何介电特性发生变化的地方都将对电 磁波产生反射，首次确定了探地信号回波与地下介质和目标之间的本质关系。但 是受限于信号产生技术、信号处理技术以及探测环境中电磁特性的不确定性，人 们在从事探地雷达研究中遇到了极大的困难，探地雷达的发展也进入了一个低潮 期，虽然也有一些专利技术被申请，但是成功应用的事例寥寥无几。随着等效采 样技术、亚纳秒脉冲产生技术的发展，探地雷达技术在6 0 年代又开始被重视起来， 1 9 6 0 年c o o k 提出了冲激脉冲探地雷达方案，它的原理是向地下发射一个无载频纳 秒级脉冲，在提高分辨率的同时还可以减少有耗介质对信号的衰减，增加了探测 的深度，但是由于地下介质相比于空间介质复杂的多，当时这种体制的雷达还仅 限于弱损耗、均匀介质的应用，如冰层、盐井、水文等等。随着数字信号处理技 术和电子器件水平的提高，冲激体制探地雷达的应用范围迅速扩大，如采石场、 工程地质、泥炭调查、放射性废弃物处理、考古勘探等，自7 0 年代以来，特别是 受美国阿波罗月球表面探测实验的影响，一大批商用的探地雷达公司纷纷成立， 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 他们为探地雷达的发展做了很好的推广，如美国g s s i 公司推出了s i r 系列探地雷 达、m i c r o w a v ea s s o c i a t e s 公司的m k 系列探地雷达，加拿大s e n s o r & s o f t w a r e 公 司的p u l s ee k k o 系列探地雷达、，瑞典s g a b 公司的r a m a c g p r 系列探地雷达， 日本应用地质株式会社o y o 公司的g e o r a d a r 系列探地雷达等等，冲激体制探 地雷达得到了长足的发展【3 j 【4 j 。 然而随着探测要求的提高，冲激体制探地雷达碰到越来越多的瓶颈，如带宽 和时宽的矛盾、超高的瞬时带宽对电子器件的要求等等。人们开始寻求其他体制 信号来克服冲激信号的缺点，于是就出现了线性调频体制、步进频率体制、噪声 体制探地雷达，其中最有发展潜力的当属步进频率体制探地雷达。步进频率信号 在上个世纪六十年代就已经提出【4 9 】，但是受限于当时的频率综合技术，步进频率 信号并没有在实际的雷达系统中得到应用。而随着微波技术、数字信号处理技术、 大规模集成电路技术以及频率综合器件水平的发展，步进频率体制凭借着独特的 优点开始崭露头角，并迅速出现在雷达的各种应用领域，如g p r 、s a r 、i s a r 等 在智 守。 步进频率探地雷达( s f g p r ) 因为发射平均功率高、合成带宽宽、瞬时带宽 窄等优点，很好地克服冲激体制的缺点，辅助射频器件( 高速开关、压控振荡器、 低噪接收器等) 、数字信号处理技术的发展，步进频率探地雷达具有充分的理由 挑战冲激体制探地雷达的地位，得到更加广泛的关注和研究。因此在8 0 年代科研 人员就对步进频率探地雷达的可行性进行了深入的研列川，到9 0 年代，针对步进 频率探地雷达系统的硬件设计p 】、信号处理【6 j 都展开了深入的研究，并且设计出来 实用性较好的步进频率探地雷达系统 7 1 ，如南非开普敦大学的a l a nl a n g m a n 与 1 9 9 7 年、1 9 9 8 年分别研制出价格低、体积小的便携式步进频率探地雷达系统 m e r c u r y a 和m e r c u r y b ；意大利a l b e r t i 6 0 】等人在国家基金项目a r c h e o 的支持 下，于2 0 0 0 年研制出高性能的遥感探测系统( c o 对s t a ) ，并成功的用于考古发 现；荷兰代夫特大学v a ng e n d e r e n l 6 1 j 等人于2 0 0 0 年研发出一套高分辨率的步进频 率探地雷达系统，带宽达到4 4 4 5 m h z ，动态范围达到5 0 d b ；等等。 国内研究探地雷达的起步较晚1 4 】，8 0 年代之后才有电子科大、西安交大、武 汉大学、中国电子科技集团公司2 2 所等单位从事探地雷达的研究，通过他们的不 懈努力，国内探地雷达技术迅速与国外研究接轨，研制出了自主知识产权的探地 雷达商用系统，如中国电子科技集团公司2 2 所研制的l t d 系列探地雷达，并吸 引了更多的科研人员投入到研究中来。近年来也有一些人对步进频率探地雷达开 展了相关的研究，并取得了一些研究成果，如电子科技大学的周正欧等人 4 1 、中科 院电子所方广有【6 2 】等人与日本t o h o k u 大学的佐藤源之( m o t o y u k is a t o ) 合作研究 【6 3 】等等。国防科学技术大学遥感信息处理教研室于2 0 0 2 年在国家“8 6 3 ”项目的 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 支持下开始探地雷达的研究，历时三年成功研制出高性能冲激体制探地雷达系统 r a d a r e y e ，该系统可广泛应用于地下金属和非金属目标检沏4 与定位、公路分层检 测、隐患发现、建筑探测等多种表层下探测场合【l l ，在此基础上，在自然科学基金 和国家“8 6 3 项目的支持下，教研室进一步研制微小型深层高分辨率穿透雷达， 采用的就是步进频率体制，这也正是本文的研究背景。 虽然步进频率探地雷达的理论和应用在国内外已取得了不少成果，但是这主 要是归功于天线技术、数字信号处理技术、电子器件水平的发展，同时不论是在 工程上还是理论上步进频率探地雷达仍存在较多的问题需要解决，这些都是驱使 着我们不断探索的源动力。 1 1 2 步进频率探地雷达的主要问题 步进频率探地雷达面临的主要问题有系统设计、硬件实现、信号处理、数据 解译等等。系统论证已经有前人做了大量研究和实验，充分证明了步进频率探地 雷达的可行性，同时随着硬件技术的发展，复杂的步进频率系统已经完全可以用 硬件实现，硬件瓶颈不再有。相反，步进频率探地雷达信号处理技术则相对比较 滞后，是需要重点研究的环节，它的主要过程包括：信号预处理、目标检测、目 标识别和目标多维成像等等。 1 、步进频率探地雷达信号预处理包络去直耦波、去杂波、抑制距离旁瓣以及 实现人机界面等等，这是一切后续处理的基础。 2 、目标检测包括能量检测、相关检测等等，对步进频率探地雷达而言，应该 保证在零漏检率情况下尽可能降低虚警率。 3 、目标识别主要是判断检测的地下目标的类型，如空洞、金属物等等，它主 要是通过判断不同目标回波的频谱相位来进行识别、分类的。 4 、成像可视化技术对后续的数据解译以及前面的检测、识别都具有重要的指 导意义，对回波数据进行实时的二维或者三维成像是最有挑战性的课题。 而在步进频率探地雷达数据解译方面，研究目标的三维模型是主要难点和重 点，建立完整的模型数据库是主要的解决方法。 本文主要研究信号预处理部分的距离旁瓣抑制问题。步进频率探地雷达获得 回波信号的合成频谱，因为将带外频域值人为置零，频域带宽有限，频谱的两端 被截断而具有不连续特性，对其做逆傅立叶变换时，产生的距离旁瓣会掩盖地下 弱目标回波信号，使目标距离像变得模糊，造成目标检测率下降和虚警率增高， 影响后续的目标检测、识别、成像等处理，系统性能下降。 为了克服这些不良影响，非常有必要针对距离旁瓣抑制问题展开研究。虽然 前人已经作了不少关于抑制距离旁瓣的工作，但是对于步进频率探地雷达方面的 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 研究较少，理论不健全，没有系统的阐述和理论支撑，还缺乏有效的距离旁瓣抑 制方法，本文正是基于这一点，对步进频率探地雷达回波信号的距离旁瓣抑制问 题展开了深入的研究，以提高雷达系统的探测性能，为步进频率探地雷达发展与 应用打下坚实的基础。 1 2 距离旁瓣抑制的研究现状 上个世纪五十年代，国外就开始了抑制距离旁瓣的研究，针对不同的雷达体 制提出了许多的技术方案，也获得了很好的抑制效果。比如二相编码雷达回波信 号，k e y 和f o w l e 1 0 j 等提出了抽头延时线( t a p p e dd e l a y 1 i n e ) 技术来抑制距离旁瓣， 在时间域上，由大量抽头延时线组成滤波器的传输方程，滤波器可以抑制距离旁 瓣到一个预设的初值，方法简单，但是实现起来很复杂，但随后r i k a c z e k 及g o l d e n 1 1 j 在频域设计1 3 位b a r k e r 的逆滤波器，通过级数展开的方法简化滤波器设计，仅仅 使用少量的抽头延时线就可以使距离旁瓣达到一个可以接受的水平，所设计的滤 波器硬件实现简单。随着硬件电路的发展，人们可以为了达到理想的性能而采用 更加复杂的滤波方式，如此后a c k r o y d 1 2 】和z o r a s t e r 1 3 分别采用最小二乘法和线性 规划法设计了最佳积累旁瓣电平滤波器和最佳峰值旁瓣电平滤波，以前设计的滤 波器都是在匹配滤波器之后来抑制旁瓣，但是这两种方法是设计失匹配滤波器， 直接抑制信号的距离旁瓣，这些滤波器的抑制效果比以前都有一定的提高。同时 r a ja 【1 4 】等又提出用多相编码信号的思路，这种编码信号本身就具有更低的距离旁 瓣，同时还提出用最d - - 乘和相位加权的办法抑制距离旁瓣，最后用均方误差作 为参数指标，比较了几种编码信号抑制距离旁瓣的效果。l e w i s 1 5 j 提出将调频信号 离散化成多相编码信号，然后应用t s s w a ( t w o s a m p l es l i d i n gw i n d o wa d d e r ) 函 数对其进行距离旁瓣的抑制，t s s w a 函数的基本原理是将经过自相关压缩处理的 信号划分成两部分，一部分延时子脉冲宽度之后与另一部分相加，实验表明这种 方法可以兼顾旁瓣峰值电平和信噪比损失但是会增加压缩脉冲的宽度，分辨率有 所下降。k u a n 和l e e 1 6 】提出基于前向神经网络的抑制距离旁瓣技术，设计在每个 网络中输入端数量与编码信号的长度相同，隐含层神经元数目三个以及一个输出 端子( 神经元) ，采用反向传播( b p ) 学习算法，训练期数量5 0 0 ，采用这种方法的 非线性滤波器可以同时获得更低的旁瓣峰值电平和更小的信噪比损失，并且对脉 冲雷达检测具有很好的鲁棒性。 线性调频回波信号经脉冲压缩后得到具有矩形形状的频谱，距离旁瓣影响严 重，钟形加权函数对其具有很好的抑制效果【8 儿1 。7 1 ，但是主瓣展宽导致分辨率严重下 降，同时这种加权方法没有自适应性。l o h m e i e r 1 8 将自适应滤波器应用于抑制距 离旁瓣领域，与前人频域相乘时域卷积的方法不同，他采用的是频域卷积时域相 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 乘的滤波原则，通过w i e n e r 滤波器算出f i r 滤波器的系数，这种方法可以适用于 干扰已知但是信号未知的情况，在得到预期的距离旁瓣抑制效果的时候尽可能小 的降低雷达系统的分辨率。为了突破线性调频信号的极限，人们又设计出非线性 调频信号，这种信号本质上就具有更低的旁瓣峰值电平；如v a r s h n e y 1 9 】等提出基 于n l f m 信号的匹配滤波方法抑制距离旁瓣效果更好，使得雷达系统具有更高的 弱信号检测率，他还比较了几种抑制距离旁瓣方法的优劣，如l f m ，匹配滤波器、 d a ( d u a la p o d i z a t i o n ) 、s v a ( s p a t i a l l yv a r i a n ta p o d i z a t i o n ) 、l e m ( 1 e a k a g ee n e r g y m i n i m i z a t i o n ) 以及n l f m 匹配滤波器。同时，在探空雷达应用方面考虑到目标的 运动特性，产生多普勒频移会增加回波信号的距离旁瓣，影响雷达系统对目标的 分辨能力，而现有的抑制距离旁瓣的方法又对未知的多普勒频移十分敏感，针对 这一问题b u c c i l 2 0 l 等提出了具有很好的多普勒容限( d o p p l e rt o l e r a n t ) 的技术方案， 他先介绍了这种方法的具体步骤是：第一步信号通过多普勒滤波器组，一般由f f t 实现，第二步针对第一步骤的输出信号，在距离向上通过外差法去除相位变化， 第三步，用经典的办法抑制没有多普勒频移的信号的距离旁瓣，随后x u 2 l 】等人提 出的多普勒自适应正交投影分解( d a o p ) 方法，也是先通过多普勒滤波器组对信号 进行相位频移消除，然后对没有多普勒频移的信号进行自适应正交投影分解，该 方法也具有很好的多普勒容限，并且在复杂度和计算量都不大的情况下有更高的 分辨能力。 抑制距离旁瓣的研究在国内开展地较晚，最早的有文献 2 2 1 对b a r k e r 的优化， 使得早期复杂的滤波器得以实现，这是国内在这一研究领域较早的探索，随后科 研工作者根据不同的雷达体制、不同的应用场合、不同的指标要求，分别展开了 研究，做了大量的工作。如针对相位编码体制雷达，文献【2 3 提出使用迭代加权最 小二乘法设计脉冲压缩滤波器，这种方法适用于很多信号形式，如二相码、多相 码、l f m 、n l f m 等等，并且重新定义目标函数的约束条件，较之加权方法性能 可以得到很大的提高。文献 2 4 】在k w a nhk 等人所提的多层感知器方法( m l p ) 的 基础上，提出了一种基于小波变换的神经网络方法( w t n n ) ，对1 3 位b a r k e r 的实 验结果表明，在二相编码信号的旁瓣抑制问题中，w t n n 方法在峰值信噪比和抗 噪性能方面明显优于m l p 方法。而针对线性调频体制的雷达，文献 2 5 】在早期的 时候研究了线性调频信号的特点，提出了一些基本的处理方法；文献 2 6 1 根据希望 得到的压缩波形设计加权滤波器，是对早期加权法的改进；等等。需要指出的是， 因为钟形加权函数抑制线性调频信号距离旁瓣的有效性，人们研究更多的还是加 权技术。 随着发展的深入，人们尝试着将调频信号和相位编码信号特征结合起来，并 且得到了一些有意义的结论。如文献 2 7 对线性调频旁瓣结构进行了理论分析，指 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 出其主瓣附近旁瓣所具有的逐点倒相特性，并据此提出3 点滑窗旁瓣抑制滤波器， 理论分析及仿真计算表明，3 点滑窗滤波可以通过灵活的改变参数，达到不同的脉 压要求，信噪比损失大约在l d b 左右，而且基本不随多普勒频率增长而变化，该滤 波器同样适用于线性调频波形衍生的多相码( p 3 p 4 ) 旁瓣抑制；文献 2 8 】在分别对线 性调频信号和二相编码信号进行分析后推导出一类线性调频二相编码复合调制信 号的时域表达式，使其兼有这两种信号的特点，对其进行仿真的结果表明，该复 合调制信号容易产生并被处理，其匹配滤波结果对多普勒频移也不敏感，但由于 该信号的特殊性，常规的窗函数无法对其进行旁瓣抑制，文章采用了网络综合法 抑制其旁瓣，效果十分理想。另外，与以上的加权滤波等方法同步发展的还有谱 修正技术【2 9 】、线性伸缩波形设计【3 0 】等等方案，他们为抑制旁瓣提供了全新的思路。 目前距离旁瓣抑制研究比较多的是关于相位编码信号和调频信号，而针对步 进频率体制信号产生的距离旁瓣研究的较少，比较早的关于这一类信号的研究还 是g r e e n 和k i n g s l e y 3 1 l 于1 9 9 7 年发表的文章，他介绍了频率跳变雷达信号的特点， 通过估计出未工作频段的谱来降低接受信号的距离旁瓣，最近这几年国内也对这 种频率跳变雷达信号的距离旁瓣抑制问题做了一些探索【3 2 】【3 3 】【3 4 】【3 5 】，取得了较好的 结果，并成功将其用于实际的雷达系统。步进频率信号与频率跳变信号具有相似 性，都是通过发射频域非连续信号，前者是有规律的频率步进，后者是无规律地 跳变，最后合成回波信号的频谱，得到距离像。他们的距离旁瓣产生的原因也近 似，都是由频谱的非连续以及边沿截断造成的，频谱估计、外推的方法非常具有 参考价值。根据步进频率体制雷达信号的特点，人们首先是从参数设计上来抑制 步进频率信号模糊函数的栅瓣和旁瓣【3 6 】 3 7 】【3 8 】【3 9 1 ，比如选取发射脉内线性调频信号 ( l f m ) 代替固定载频脉冲可以有效地降低栅瓣，因为可以选取步进频率信号参 数使得栅瓣最大的位置恰好与单个线性调频脉冲的模糊函数的零点重合，这样最 大的栅瓣值就与模糊函数的旁瓣零点相乘变为零，然后通过加权处理，使得旁瓣 和其他部分的栅瓣被抑制。这些方法都是从步进频率信号本身来抑制旁瓣，而对 简单的单载频频率均匀步进的探地雷达，我们不能通过更改系统参数来获得高的 距离旁瓣抑制比，此时更需要寻找有效的算法从信号处理的角度来抑制步进频率 探地雷达距离旁瓣。 随着各个学科技术的发展和相互交叉，人们尝试应用一些新兴学科的技术手 段来研究抑制距离旁瓣问题，并取得了很好的效果。除了上述神经网络方法【l 6 。， 还有1 9 9 4 年s t a n k w i t z 应用光学上光栅技术提出用s v a 4 0 】【4 l 】【4 2 】【4 3 】晔】方法，处理 地震资料的反卷积方法【4 5 】【4 6 】【4 7 】，以及超分辨技术【4 8 】等等，需要特别指出的是，因 为距离旁瓣由有效带宽两端截断不连续的阵子产生，而超分辨技术可以将频谱( 有 效阵子) 外推，对外推后两端的频谱大小可以进行很好的控制，因此它对抑制距 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 离旁瓣具有内在的优势，是现代抑制距离旁瓣技术最活跃的方向。 1 3 论文的主要内容 本文主要研究步进频率探地雷达的距离旁瓣抑制问题，在对现有距离旁瓣抑 制方法的研究基础上，根据步进频率探地雷达信号特点和距离旁瓣的形成机理， 提出两种方案对其进行处理。 第一章主要介绍步进频率探地雷达的发展概况和面临的主要问题，并详细综 述了距离旁瓣抑制的研究现状。 第二章主要介绍步进频率探地雷达系统结构和参数设计，以及一维时域波形 合成的基本原理，并基于此详细分析了步进频率探地雷达距离旁瓣产生的机理， 最后探讨了对应的抑制距离旁瓣原理。 第三章首先应用经典的线性加权法抑制步进频率探地雷达距离旁瓣，分别推 导了时域加权和频域加权的数学表达式，并给出了详细的流程图，得到两者一致 的结论。然后为了克服线性加权法使主瓣展宽的缺点，本文提出用s v a 方法抑制 步进频率探地雷达距离旁瓣，它是一种非线性加权算法，可以得到与线性加权相 近的距离旁瓣抑制比，同时还能保持主瓣几乎不展宽，最后仿真实验证明了该算 法抑制距离旁瓣的有效性。 ， 第四章首先介绍了超分辨技术，根据信息熵理论定义了序列的s h a n n o n 信息 熵，介绍了基于正则化思想的最大熵谱外推和最小熵谱外推超分辨技术原理，并 将他们用于抑制步进频率探地雷达距离旁瓣，最后根据最大熵谱外推的特点和距 离旁瓣产生的机理提出最大熵谱外推结合线性加权抑制距离旁瓣的新思路。仿真 和实测数据验证了本文所提算法抑制步进频率探地雷达距离旁瓣的有效性。 第五章为结束语，总结概括了论文的主要工作和取得的成果，对一些需要继 续研究的问题提出新的展望。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章步进频率探地雷达距离旁瓣的形成与抑制机理 步进频率体制探地雷达系统的工作示意图如图2 1 所示，所示测量方式与冲激 体制探地雷达相同，将天线悬于目标区域上方，通过移动收发天线获得目标区域 下面的回波信息。获取数据后的处理一般包括回波的去直耦波、去杂波、距离旁 瓣抑制、r o i ( r e g i o no f i n t e r e s t i n g ) 检测、成像、识别目标等，最后输出目标判 读结果。其中距离旁瓣抑制是步进频率探地雷达信号处理的一个核心关键技术， 它将直接影响到输出数据的质量以及后续处理的效果。距离旁瓣的产生是来源于 步进频率探地雷达系统工作方式与时域波形合成处理，因此，下面将先介绍步进 频率探地雷达的系统构成与波形合成处理的一些基本原理，并基于此阐述距离旁 瓣的形成与抑制机理。 2 1 1 系统结构 图2 1 步进频率探地雷达系统工作示意图 2 1 步进频率探地雷达系统 步进频率探地雷达系统结构主要有两种模式【l 】：零差式结构和外差式结构。如 图2 2 为零差式结构，可以看出零差式结构比较简单，发射信号的频率为： 二= 石+ z + z ( 2 - 1 ) 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 其中z 为中频频率，工= 五+ ，2 为步进频率，厶为起始频率，鲈为频率步进值， 万为发射载频，不考虑移动天线速度造成的多普勒频移影响接收回波信号与发 射信号的频率相等，只是增加了延时和幅度衰减，即为目标的信息。零差式结构 直接将发射信号耦合到接收端作为参考信号与接收信号混频，得到直流( d c ) 信 号，然后再进行后续的信号处理，如去杂波、抑制距离旁瓣等等。虽然零差式结 构所需的硬件较少，但是因为它是对接收的射频信号直接进行i q 解调得到回波的 相位和幅度信息的，所以i 、q 通道幅相不平衡会造成数据误差和增益起伏，必须 经过校准才能消除，而校准算法必须在宽带条件下完成；同时，步进频率得到的 目标冲激响应会有多个虚假的目标，对宽带系统，需要昂贵的可切换滤波器组才 能将其滤除。这些固有的限制都使零差式结构难以成为步进频率探地雷达的常用 模式。 发 图2 2 零差式系统结构图 外差式结构如图2 3 所示，不同于零差式结构的信号流程，它是将接收信号先 与射频信号混频，然后再与步进频率进行混频，得到统一带宽的中频信号，因为 中频频率兀0 ，所以中频信号的抗温漂和闪烁噪声能力都比零差式结构得到的 d c 信号有很大的提高，同时，为了克服零差式结构的i 、q 不一致问题，外差式 结构在得到d c 信号之前对中频信号进行采样，得到数字中频信号，然后在进行相 干检波。虽然外差式系统结构在硬件上有点复杂，但是实现起来简单，并且很好 地克服了零差式系统结构的缺点，它是现在步进频率探地雷达系统常用的结构模 式。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 1 2 系统参数 图2 3 外差式系统结构图 收 为了提高雷达的探测距离( 时宽) 和分辨率( 带宽) ，人们提出各种方法来 提高信号的时宽带宽积，通过匹配滤波压缩得到距离像，如相位编码、线性调频 等，它们都是一次性发射信号，要得到更高的压缩比对硬件和软件都有更高的要 求，实现起来较困难。步进频率探地雷达不是在一个脉冲内体现所有的信息，它 是在要求的频域内发射一系列频率均匀步进的单载频连续波脉冲信号，即步进频 率连续波信号( s f c w ) ，最后通过对每个脉冲回波进行混频、相干检波得到合成 频谱以及一维距离像，步进频率信号可以通过调节系统参数方便地调整脉冲压缩 比以获得需要的系统性能。 设步进频率探地雷达每帧发射，个频率均匀步进的脉冲串信号，每个脉冲的 时宽为t ，脉冲载频起始频率为石，频率步进为矽，截止频率为z = f o + ， 可， 发射信号用复数形式表式为： 川) ：。窆e x p ( 2 丌f ( f o + 甩卿) 嘲塑三于丝) ( 2 - 2 ) n = o 每帧发射信号跨越的频域有效带宽为b = ，a f ，时长为= ，t ，发射信号 示意图如图2 4 所示： 第1 0 页 国舫科学技术大学研究生院硕士学位论文 图2 4 步进频率探地雷达发射信