（信息与通信工程专业论文）uwb穿墙生命探测雷达波形设计和干扰抑制方法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 在反恐和人质救援行动中，执法人员通常需要对目标隐藏的建筑物进行非接 触式的探测，以实现对隐藏目标的定位和跟踪，从而提高作战人员对周围环境的 态势感知能力。本文研究的超宽带穿墙生命探测雷达( u w b t w l d r ) 就是实现 这些功能的新型探测装备。 本文从u w b t w l d r 的功能需求及系统复杂度出发，选择冲激脉冲波形作为 发射信号形式，在分析电磁波穿墙性能的基础上，讨论了面向雷达应用的系统参 数选择。考虑到系统工作的隐蔽性及复杂的城区电磁环境，研究了一种超宽带时 域调制冲激脉冲信号波形，重点分析了时间调制码参数对其功率谱密度的影响， 迸一步研究了其潜在的抗r f i 性能。 在分析穿墙雷达回波信号的基础上，建立了穿墙雷达的工作模型，根据人体 目标运动的特点，利用积累平均背景相消对小运动的人体目标进行杂波抑制，对 于大运动的目标则利用脉冲对消的杂波抑制方法。针对距离历史图像域r f i 的特 点，提出了一种幅度均衡的干扰抑制方法。在分析静止目标多普勒谱和干扰、杂 波谱在慢时间域不同特点的基础上，提出了一种慢时间滤波的杂波和随机r f i 抑 制方法。 根据t w l d r 原理样机的系统要求，以v i s u a lc + + 6 0 为平台，设计了系统的 软件界面，实现了数据采集功能，并利用v c 与m a t l a b 的混合编程技术，实现 了准实时的数据处理功能。 最后，以水泥砖墙为障碍物，利用原理样机系统做了大量实验，对上述的思 想和算法进行了验证。 主题词：穿墙生命探测雷达时域调制功率谱密度杂波抑制幅度均衡慢时 间滤波混合编程 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 i na n t i t e r r o r i s ma n dh o s t a g es i t u a t i o n s ，l a we n f o r c e m e n t0 m c e r su s u a l l yn e e dt o i n s p e c tt h eb u i l d i n gn o n - c o n t a c tw h e r e t h et a r g e t sh i d ei no r d e rt ol o c a t ea n dt r a c kt h e c o n c e a l e dt a r g e t s ，w h i c hc o u l de n h a n c eo m c e r s t h ea b i l i t yo fs i t u a t i o n a la w a r e n e s s t h et h r o u g h - t h e w a l ll i f e - d e t e c t i n gr a d a r ( t w l d r )i san e wc a n d i d a t ee q u i p m e n t w h i c hc a n 丘i l i s ht h e s et a s k s i nt e r m so ff u n c t i o nr e q u i r e m e n ta n dc o m p l e x i t yo ft h et w l d r s y s t e m t h i st h e s i s s e l e c t st h ei m p u l s ew a v e f o r ma st h et r a n s m i t t i n gs i g n a l t h ep e n e t r a t i n gp e r f o r m a n c eo f e l e c t r o m a g n e t i cw a v ei sa n a l y z e d ，a n dt h e nc h o i c eo fs y s t e mp a r a m e t e r si sd i s c u s s e d b a s e do ni t sa p p l i c a t i o n i nv i e wo fw o r k i n gc o v e r t n e s sa n dc o m p l e xe l e c t r o m a g n e t i c c i r c u m s t a n c e s ，t h et i m e m o d u l a t e du l t r a - w i d e b a n di m p u l s es i g n a li ss t u d i e d t h e nt h e i n f l u e n c eo ft h em o d u l a t i n gp a r a m e t e r st oi t sp o w e rs p e c t r u md e n s i t yi sa n a l y z e da n d t h ed i s c u s s i o no fa n t i r f ic a p a b i l i t yo ft h es i g n a li sf o l l o w e d t h ew o r k i n gm o d e lo ft w l d ri se s t a b l i s h e db a s e do nt h ea n a l y s i so ft a r g e t se c h o i nt e r m so fm o v i n gt r a i to fh u m a nb e i n g ，t h ei n t e g r a t i o na v e r a g i n gb a c k g r o u n d s u b t r a c t i o ni su s e df o rc l u t t e rs u p p r e s s i o nf o rp e r s o nw i t hs m a l lm o t i o n ，w h i l ef o r p e r s o nw i t hb i gm o t i o n ，t h ep u l s ec a n c e l l a t i o ni sa p p l i e d w i ma v i e wt ot h er f i c h a r a c t e r i s t i ci nt h er a n g e - t i m eh i s t o r yi m a g e ，t h ea m p l i t u d ee q u i l i b r i u mm e t h o di s d e v e l o p e df o ri n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o n t h ed i f f e r e n c eo fd o p p l e rs p e c t r u mo fs t a t i c p e r s o na n dt h a to fc l u t t e ra n di n t e r f e r e n c ei nt h es l o w - t i m ef r e q u e n c yr e s p o n s ei s e m p h a s i z e d ，b a s e do nw h i c has l o w - t i m ef i l t e r i n gt e c h n i q u ei sd e v e l o p e dt os u p p r e s s c l u t t e ra n dr a n d o mr f i a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft w l d rm o d e lm a c h i n e ，t h es y s t e ms o f t w a r e i n t e r f a c ei sd e s i g n e db a s e do nv i s u a lc + + 6 0 t h ed a t ac o l l e c t i o ni sa c h i e v e da sw e l la s q u a s i r e a l t i m e d a t ap r o c e s s i n gu t i l i z i n gm i x - p r o g r a m m i n gt e c h n i q u eo fv ca n d m a t l a b f i n a l l y ，t h ep e r f o r m a n c e so ft h ea l g o r i t h m sc i t e da b o v ea r ev a l i d a t e db yt h e e x p e r i m e n t sf o rp e n e t r a t i n gc e m e n tb r i c kw a l lw i t ht h em o d e lm a c h i n e k e yw o r d s ：t h r o u g h - t h e - w a l l l i f e - d e t e c t i n gr a d a r ( t w l d r ) t i m e m o d u l a t e d ( t m ) ，p o w e rs p e c t r u md e n s i t y ( p s d ) ，c l u t t e rs u p p r e s s i o n 。 a m p l i t u d ee q u i l i b r i u m ，s l o w - t i m ef i l t e r i n g ，m i x - p r o g r a m m i n g 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图2 1 7 图2 1 8 图2 1 9 图2 2 0 图2 2 1 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 l 图目录 高斯脉冲波形1 0 基本高斯脉冲及其各阶微分信号频谱1 0 不同频率电磁波穿透多种介质墙体的衰减曲线1 l 一阶高斯脉冲的波形和频谱1 4 等周期发射信号波形1 5 等周期发射信号的功率谱。15 t m u w b 发射信号波形1 6 t m u w b 发射信号的功率谱1 6 等周期发射信号的功率谱2 0 等周期发射信号功率谱的局部2 0 码周期不同时t m u w b 发射信号的功率谱。2 l 码周期不同时t m u w b 发射信号功率谱的局部2 2 单位时延不同时t m u w b 发射信号的功率谱2 3 单位时延不同时t m u w b 发射信号功率谱的局部2 4 t m u w b 信号的处理流程图2 6 无调制时回波的脉冲积累结果2 8 t m u w b 信号某个周期的接收回波2 8 t m u w b 信号移位脉冲积累后的结果2 9 不同脉冲积累数目下的信干比3 0 信干比和射频干扰积累最大值随积累数目的变化情况31 t m u w b 回波移位脉冲积累结果( 干扰频率为1 g h z ) 3 1 冲激脉冲波形及其频谱3 3 穿墙雷达工作示意图3 4 回波的数据处理流程一3 4 脉冲积累后某个周期的回波波形3 5 积累平均背景相消前后的距离历史( 目标位于墙后2 5 m 静止) 3 8 积累平均背景相消前后的距离历史( 目标位于墙后1 0 m 静止) 3 8 积累平均背景相消前后的距离历史( 目标位于墙后1 3 m 踏步) 3 9 积累平均背景相消前后的距离历史( 目标位于墙后9 m 踏步) 4 0 积累平均背景相消前后的距离历史( 目标离墙1 0 m 切向运动) 4 0 两脉冲对消器4 l 两脉冲对消器和三脉冲对消器的幅频响应4 2 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 1 图4 1 图4 2 图4 3 积累平均背景相消和两脉冲对消后的距离历史4 3 幅度均衡前后的距离历史( 目标位于墙后1 2 m 静止) 4 4 幅度均衡前后的距离历史( 目标离墙1 8 m 切向运动) 4 5 幅度均衡前后的距离历史( 目标径向运动) 4 5 幅度均衡前后的距离历史( 目标径向运动) 4 6 目标在墙后2 5 m 原地静止时各个距离上的慢频响应4 6 巴特沃兹带通滤波器的幅频响应4 8 目标在墙后2 5 m 原地静止时两种方法的处理结果4 8 目标在墙后6 m 原地静止时各个距离上的慢频响应。4 9 目标在墙后6 m 原地静止时两种方法的处理结果j 。4 9 原理样机系统框图5 1 数据采集和处理软件界面。5 2 回波数据的准实时处理流程5 4 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：幽窒撞生金拯型重达这星遮! 土狸王拉控剑友洼珏究 学位论文作者签名：盔垫些 日期：洲7 年7f 月岁日 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。) 学位论文作者签名：盘塑塑翌 作者指导教师张：苤! 习蔓 日期：沙邓年7 月 日 日期：2 一。明年f ? 月r 日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 穿墙生命探测雷达的研究背景和意义 1 1 1 穿墙生命探测的兴起 近来，穿墙生命探测( t h r o u g h t h e w a l ll i f e d e t e c t i n g ，简称t w l d ) 系统受 到越来越多的关注。穿墙生命探测技术通过发射电磁波透过门窗、墙体甚至堡垒 等非金属介质的障碍物，不仅可以实现对障碍物后运动目标的探测、定位和跟踪， 也可检测到静止人员的呼吸和心跳信号。 t w l d 系统在军事方面的开发适用于当前军事变革的发展和反恐斗争的需 求。大规模的城区巷战将成为未来地区冲突和局部战争的重要作战形式，如何提 高作战人员对周边环境( 建筑群、堡垒和地下掩体) 的态势感知与侦查能力成为 迫切需要。在反恐斗争中，如能有效地确定隐藏在建筑物内部的恐怖分子和人质 的位置，将大大提高营救人质的成功率。这一点对执行搜捕任务的执法人员也有 重要意义【l 】。t w l d 系统可以帮助他们确定建筑物内部是否有逃犯，如果有的话， 可进一步确定其位置并估计人数，从而更好地实施抓捕行动。 同样的，t w l d 系统在民用方面也显示了巨大潜力。在医疗监护方面，通常 不便于利用接触式的电极对大面积烧伤患者和重症传染病人进行各项生理指标的 测试，而利用t w l d 系统则可以非接触地监测患者的心跳和呼吸，当使用家庭遥 控医疗系统的老年人无法将生命特征监视设备与其身体连接时，非接触生命特征 监视器是十分有用的。在警戒安检中，可以隔墙探测未经许可的入侵人员，也可 对武器、金属刀具等危险物品进行远程排查。在火灾、地震等紧急情况下，搜救 人员也可以利用t w l d 系统确定被困者和被建筑物残骸遮掩的幸存者的位置，为 最大限度地挽救生命赢得时间。因此，t w l d 系统在很多方面都具有很大的应用 前景。 一般来说，t w l d 系统可分为两类：一类是无源探测系统，一类是有源探测 系统。无源探测主要是根据人体辐射能量与背景能量的差异，或者人体发出的声 波或震动波等进行被动式探测，如热成像技术，磁感应技术以及光纤照相机。只 有当墙体较薄且目标较近时，通过热成像才可能探测到目标，磁感应则只能探测 到携带一定重量金属物质的运动目标，而光纤照相机需要将光缆嵌入到墙体中， 实现起来不太方便【2 】。有源探测则主动发射电磁波，根据人的呼吸、心跳或者运动 状态等生理特点，从反射回来的电磁波中探测是否存在目标。可以应用的技术包 括射频( r f ) 技术( 从u h f 波段到亚毫米波波段) ，超声波以及x 射线扫描仪【3 1 。 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 超声波传感器容易受到温度和噪声的影响，穿透性能很差。虽然x 射线系统可实 现分辨率和穿墙性能的统一，但是作用距离较短且对人的辐射伤害较大。 相对而言，利用射频电磁波的穿墙生命探测雷达( t h r o u g h t h e w a l l l i f e d e t e c t i n gr a d a r ，简称t w l d r ) 显示出了稳健的穿墙监视性能。一方面，它 可以通过发射超宽带信号来提高距离分辨率，有利于目标的检测定位，另一方面， 通过发射较低频率的信号，它可以穿透多种介质的墙体，保证一定的作用距离。 同时，它不仅可以实现对运动目标的检测、定位和跟踪，也可以探测到静止人员 的呼吸和心跳信号，从而探测各种状态下的隐藏目标。除了可以配置为单站雷达， 也可配置为双站或多站雷达，以实现不同的功能。 1 1 2 国内外的研究现状和发展趋势 上世纪八十年代前后，t w l d r 的研究才开始兴起。如今，穿墙生命探测雷达 经历了近3 0 年的发展，有几种不同体制的技术已经比较成熟，它们分别为：单频 连续波( c w ) 、线性调频连续波( l f m c w ) 、步进频连续波( s f c w ) 以及冲 激脉冲( i r ) 体制。 从穿墙生命探测雷达实现的功能来看，可将其分为两类【4 】：一个是低频的非成 像系统，穿墙性能较好，但是空间分辨率低，一般工作在l 或s 波段；另一类是 高频的成像系统，为了得到较高的空间分辨率，它一般工作在毫米波波段，兼具 一定的穿墙能力，可进一步划分为无源毫米波( p m m w ) 成像系统和有源毫米波 ( a m m w ) 成像系统。基于这些穿墙生命探测的理论和技术，国外许多研究机构 开发了多种实验样机，有些产品已经进入实用阶段，主要有： 1 、g t r i ( g e o r g i at e c hr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 从二十世纪八十年代中期就开始了 r v s m ( r a d a rv i t a ls i g n sm o n i t o r ) 的研究，其目的是在非接触条件下，测量一定 距离处人员的呼吸和心跳。g t r i 在1 9 9 2 年申请了专利，这部f m 雷达用作战场 生命特征监测仪。在1 9 9 6 年的奥运会上，利用改进的o l y m p i cr v s m 系统对射箭 和射击运动员的技能进行了评估1 5 1 。 1 9 9 7 年，g t r i 开发了名为r a d a rf l a s h l i g h t 的微波雷达，它依据多普勒频 移原理，可以检测墙后静止人员的呼吸。实验系统是一部零拍的f m c w 雷达，它 工作在1 0 5 2 5 g h z 附近，发射功率为1 5 m w 。它可以实现3 6 0 0 的方位向扫描，俯 仰向扫描范围为3 0 0 。它可以探测到2 0 c m 厚的空心混凝土砖墙和木门后面5 m 外 的站立人员的呼吸信号，也能探测多种墙体后面1 0 m 范围内协作运动或者非协作 运动的人，这些墙体包括木门、石膏灰泥墙、壁板以及砖墙【4 】。 2 、1 9 9 2 年，r a y t h e o n 开发了运动检测雷达( m d r ：m o t i o nd e t e c t i o nr a d a r ) 用以穿墙探测。这个系统检测的速度范围是o 1 m s - - - - 1 7 m s 。在空旷地带，m d r 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 的探测距离约为3 0 m ，若穿透1 5 c m 厚的钢筋加固的水泥墙，则探测距离降为1 0 m ， 穿透l m 的水泥墙，则降为6 m 。 1 9 9 6 年，m d r 增加了测量运动目标距离的功能。这种雷达也称作“2 d 水泥 墙穿透雷达( 2 d c p r ) ”，是调频连续波( f m c w ) 系统，中心频率为9 5 0 m h z ， 扫频范围为7 0 0 m h z 1 2 0 0 m h z 。2 d c p r 在空旷地带的探测距离大约是3 0 m ，若 穿透2 0 c m 厚的钢筋加固的水泥墙，在雷达离墙6 m 的情况下，它还可以探测离墙 2 5 m 范围内的目标【4 j 。 1 9 9 9 年，r a y t h e o n 开发了便携式可移动的穿墙监视雷达，称为“运动和测距 传感器( m a r s ：m o t i o na n dr a n g i n gs e n s o r ) 。e m a r s ( e n h a n c e dm o t i o na n d r a n g i n gs e n s o r ) 系统通过对m a r s 的软件进行增强，使其可以二维地定位人的运 动。e m a r s 系统工作在l 波段，使用调频连续波，信号带宽为5 0 0 m h z 。除了探 测运动目标，它也可探测静止目标，并利用频率法测定其距离 6 1 。 3 、土耳其的i l h t ( i n t e m a t i o n a ll a b o r a t o r yf o rh i g ht e c h n o l o g y ) 实验室使 用步进频连续波开发了其第三代超宽带雷达原型。系统的工作频率范围为9 6 0 m h z 到1 8 g h z ，步进频率步长为1 到5 0 m h z ，距离分辨率可达0 5 m 到l m ，可以工作 在步进频模式，也可工作在连续波模式。实验表明，该系统在隧道中的探测距离 为1 5 0 m ，在穿墙情况下为2 0 m ，在穿过干燥沙地情况下为5 m 。系统可以工作在 连续波模式，通过选择最优的频率，检测灵敏度可达到最大，可用来检测微弱的 呼吸和心跳。该系统主要应用于自然灾害幸存者的营救中，也可在反恐和人质救 援行动中对建筑物内的目标进行探测和跟踪 7 1 。 4 、位于美国加利福尼亚的a k e l a 公司开发了很多种类的穿墙监视( t w s ) 系 统。他们新一代的u w b 雷达称为随机阵列穿墙成像传感器( r a n d o ma r r a y t h r o u g h t h e w a l li m a g i n gs e n s o r ) 。该系统工作频率范围为0 5 g h z 到2 g h z ( u h f l 波段) ，发射功率为5 0 m w 。它采用步进频的波形，系统的带宽为1 5 g h z ， 所以距离分辨率为0 1 m ，全带宽范围内1 0 2 4 个频点对应的不模糊距离为1 0 2 4 m 。 实验表明这个系统可以透过混凝土墙检测到6 5 m 处静止人员的呼吸【2 1 。 5 、1 9 9 9 年，美国的时域公司开发了其第一代t w s 系统，称为r a d a r v i s i o n l 0 0 0 ( r v l 0 0 0 ) 。该系统发射伪随机时间编码冲激脉冲，频率范围为1 一3 g h z ，发射功 率为0 5 - - 1 w ，可以探测离墙l o m 范围内的运动目标【8 】。第二代系统r v 2 0 0 0 增加 了指示目标运动方向的能力。与r v l 0 0 0 不同的是，r v 2 0 0 0 采用分离的收发u w b 天线阵列。该系统的脉冲重复频率为1 0 m h z ，带宽为o 7 g h z ，峰值位于2 4 g h z 处， 从而相对带宽为0 2 9 3 ，在自由空间的距离分辨率约为0 2 1 4 3 m ( 8 4 4 英尺) 。虽 然输出功率只有5 0 微瓦，但是透过2 0 c m 厚的混凝土砖墙，它可以检测到距离雷 达至少2 0 m 远的目标。这两代雷达均基于t m u w b 技术，即使用伪随机时间序 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 列对冲激脉冲进行调制。时间调制技术将包络下的能量均匀地平滑，从而消除了 谐波，提供了隐蔽性，也增强了与其它窄带和t m u w b 接收机的电磁兼容性。 为了在m o u t ( m i l i t a r yo p e r a t i o ni nu r b a nt e r r a i n ) 行动中有效保护己方的人 员，在a f r l 的推动下，时域公司将r a d a r v i s i o n 系统进一步改进，得到了它的军 用版本s o l d i e r v i s i o n2 0 0 0 ( s v 2 0 0 0 ) 和s o l d i e r v i s i o n2 0 0 0 al ( s v 2 0 0 0 a 1 ) 。 s v 2 0 0 0 a 1 使用1 l 对螺旋型的收发天线对来发射和接收信号，其中心频率和3 d b 带宽均为2 g h z 。它的p r f 为1 0 m h z ，输出功率为1 5 毫瓦。它是一个手持式的 便携u w b 雷达，不到1 0 磅重，一个人就可以很方便地操作。经过实验，该系统 可以穿过砖墙，石膏灰胶纸夹板，木板墙，塑料墙，灰泥墙，石墙以及混凝土墙 而良好地工作【2 j 。 此外，位于v i l l a n o v au n i v e r s i t y 的先进通信中心( c a c ：c e n t e rf o ra d v a n c e d c o m m u n i c a t i o n s ) 使用网络分析仪搭建了一部u w b 雷达，频率范围为2 - 3 g h z ， 进行了若干穿墙实验1 4 j 。 我国在生命探测雷达方面的研究起步比较晚。2 0 0 4 年2 月，第四军医大学成 功研制出我国首部单频非接触式雷达穿墙生命探测仪【9 1 。该系统的工作频率为 3 6 g h z ，将连续波雷达技术和生物医学信号处理技术相结合，采用零中频、频域积 累及自适应对消技术。在发射功率为l m w 的情况下，可穿透被褥、各类质地衣服 检测到3 m 范围内人体的呼吸、心跳信号。该系统检测灵敏度高，结构简单，易于 小型化，特别适合于长时间的非接触式监护。西安必肯科技发展有限公司、青岛 瑞普电气相继开发生产了单频连续波和微功率冲激体制的生命探测雷达，填补了 我国生命探测装备的空白【w 。 1 2 穿墙生命探测雷达面临的主要问题 电磁波在穿透墙体的过程中会产生一定的衰减，并且频率越低，衰减越小， 所以低频段电磁波的穿透性能要明显优于高频段电磁波。另一方面，较高的频率 和带宽有利于提高系统的空间分辨率。因此，如何选择发射信号的形式、工作频 率、带宽以及其它系统工作参数，都是穿墙生命探测首先面对的问题。 为了便携化应用，穿墙生命探测雷达一般体积较小，发射和接收天线距离很 近，因此，由发射天线耦合过来的信号和墙体的反射回波将成为接收信号的主要 部分，其幅度比目标回波要强得多【l 。如何减少耦合的影响，削弱墙的反射回波， 是一个着重考虑的问题。另外，穿墙雷达一般工作在室内环境中，由于室内物品 种类较多，因此，固定物体的杂波将大大影响人体目标( 特别是静止目标) 的检 测，如果不进行杂波抑制，是无法进行检测的。 已有系统大多利用低频超宽带信号来缓解电磁波的穿透性和分辨率之间的矛 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 盾，而超宽带信号所含的频率分量较多，不同频率的信号在同一介质中的传播速 度不同，在经历双程的穿墙后，接收到的回波信号会产生很明显的色散效应，导 致波形产生一定程度的失真【1 2 1 ，这对信号处理有多大影响，也是需要着重考虑的 问题。 低频超宽带穿墙生命探测雷达( u w bt h r o u g h t h e w a l ll i f e d e t e c t i n gr a d a r ， 简称u w b t w l d r ) 在城区执行反恐、搜救等任务时，常处于很复杂的电磁干扰 环境中，存在着与这一波段密布的广播、电视和各类通信系统频谱共用的电磁兼 容性( e m c ) l - j 题。这些系统的信号混合在回波信号中，会对雷达系统形成严重的射 频干扰( r a d i of r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e ，简称r f i ) 。r f i 的存在降低了系统的性能， 甚至造成接收机的饱和而无法正常工作。目前，r f i 的抑制已经是超宽带雷达系统 在诸多应用中的关键技术之一。 1 3 本文的主要工作 本文的研究背景是基于外协课题“穿墙雷达原理样机的研制”，根据课题要 求，研究内容主要着眼于波形设计和杂波干扰抑制问题，并在此基础上实现原理 样机的软件系统开发。本文的研究思路是：首先从电磁波的穿墙特性出发，兼顾 雷达系统对分辨率的要求，选择低频超宽带的冲激脉冲波形作为发射信号，考虑 系统应用的实际因素，研究了一种超宽带时域调制冲激脉冲信号波形。在分析了 目标运动类型及r f i 特点的基础上，研究了相应的杂波和r f i 抑制算法，并以实 测数据对所研究的算法进行了验证，最后结合超宽带穿墙雷达原理样机的实际需 要，对数据采集和信号处理的软件部分进行了设计。本文的主要研究工作如下： l 、穿墙生命探测雷达的波形设计。 ( 1 ) 分析了单频连续波、线性调频连续波( l f m c w ) 、步进频连续波( s f c w ) 以及冲激脉冲几种信号形式的优缺点，考虑到穿墙生命探测雷达的功能需求及系 统复杂度，选择冲激脉冲波形作为发射信号形式； ( 2 ) 在分析电磁波穿墙性能的基础上，结合系统的分辨率要求和波形的辐射 效率，选择单周波形式的冲激脉冲作为发射信号，并讨论了波形的脉冲宽度及中 心频率等参数，考虑到穿墙雷达的实际应用，分析了波形参数与系统其它参数的 相互制约关系； ( 3 ) 考虑到系统工作的隐蔽性及复杂的城区电磁环境，研究了一种超宽带时 域调制冲激脉冲信号波形，重点分析了时间调制码参数对其功率谱密度的影响， 进一步研究了其潜在的抗r f i 性能。 2 、基于实测数据的u w b 穿墙生命探测雷达的杂波和干扰抑制方法。 ( 1 ) 在分析了穿墙雷达回波信号的基础上，建立了穿墙雷达的工作模型，在 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 此基础上设计了回波数据的处理流程： ( 2 ) 讨论了墙体等固定杂波的影响，分析了人体目标的运动特点，将其分为 小运动目标和大运动目标。对于两种类型的目标，分别研究了相应的杂波抑制方 法，并利用实测数据验证了算法的有效性； ( 3 ) 深入分析了穿墙雷达系统r f i 的特点，针对其在距离历史图像中的表现 形式，提出了一种基于距离历史图像域的r f i 抑制方法，利用实测数据验证了算 法的有效性。 ( 4 ) 对于原地静止目标，积累平均背景相消的方法不能有效抑制近距离的强 杂波，通过在慢时间域分析目标多普勒谱和杂波谱的不同，提出了一种慢时间域 滤波的杂波干扰抑制方法，实测数据验证了算法的有效性。 3 、u w b 穿墙生命探测雷达原理样机的软件系统开发。 ( 1 ) 根据穿墙雷达原理样机的功能要求，以v i s u a lc + + 6 0 为平台，设计了 穿墙雷达的工作界面，编写了高速采集卡的实时采集程序，实现了工控机与收发 模块之间的串口通信，并与其它部分连接进行了系统调试，实现了数据采集功能。 ( 2 ) 在基本掌握m a t l a b 与v c 混合编程的基础上，编写了回波信号数据 的准实时处理程序，实现了距离历史图像结果的滚动显示。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章穿墙生命探测雷达的波形设计 2 1 穿墙生命探测雷达的波形选择 穿墙生命探测雷达( t w l d r ) 发射信号的形式在一定程度上决定了系统的复 杂度和后续信号处理的难度。从上世纪八十年代至今，穿墙生命探测雷达已经历 了近3 0 年的发展，有几种不同体制的技术已经比较成熟，它们分别为：单频连续 波体制( c w ) 、线性调频连续波体制( l f m c w ) 和冲激脉冲体制( i r ) ，一些 机构也使用步进频连续波( s f c w ) 来实现穿墙雷达探测系统。 单频连续波穿墙生命探测雷达主要用于医疗监护和反恐救生等领域，其基本 工作原理是通过发射单频连续波波形，利用目标运动产生的多普勒效应来提取目 标的速度信息，属于近距离的测速范畴。但是，它只能对近距离的单一目标进行 探测，无法获得目标的距离信息，作用距离近，穿透能力差，环境干扰大。 线性调频连续波具有比较高的时宽带宽积，可以实现较高的距离和多普勒频 率分辨力，进行中距离的测距和测速。虽然信号的发射效率较高，天线方向性较 好，但是天线结构复杂，尺寸和功耗也较大，造价昂贵并且系统信号的截获概率 较高。 与连续波体制相比，将冲激脉冲应用于穿墙生命探测雷达系统主要有以下优 势： l 、穿透能力强。超宽带冲激脉冲的宽度一般在纳秒量级，对应频谱主要在 v h f u h f 波段，而v h f u h f 波段的电磁波对物体的穿透性较强，因此可以很好 地应用于穿墙探测； 2 、距离分辨率高。距离分辨率描述的是径向方向上两个大小相同的点目标之 间的最小可区分距离，一般由信号带宽决定，对应到冲激脉冲，则由其脉冲宽度 决定。脉冲宽度越窄，有效带宽越宽，距离分辨率越高。对于1 纳秒的冲激脉冲， 可获得0 1 5 米的距离分辨率，对于更窄的脉冲宽度则可达到厘米量级，从而可得 到目标的精确距离信息； 3 、多径干扰小。穿墙生命探测雷达一般工作在城区复杂的建筑环境中，由于 墙壁等物体的多径反射波与直接传输波之间相互干涉叠加，接收到的总信号将有 可能产生减弱现象，甚至相互完全抵消，使得接收机无法正常工作。由于多径回 波的包络大致满足瑞利概率分布，而相位在【0 ，2 石】区间均匀分布，因此这种多径效 应也称为瑞利衰落现象。传统的连续波体制的雷达系统接收到的信号也将是直接 传输波与墙壁等多次反射回波的叠加，可能产生严重的多径衰落问题。而由于冲 激脉冲的宽度仅为( 亚) 纳秒量级，当多径之间路程差大于十至几十厘米时，这些 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 脉冲序列在时间上将可以完全区分，因此瑞利衰落现象将不复存在，而且利用适 当的时间窗，容易将直接传输信号进行正确的筛选接收。因此，它的抗多径衰落 性能较好； 4 、截获概率小。由于脉冲持续时间短，平均辐射功率低，因此常规的侦听手 段难以捕捉到超宽带的冲激脉冲信号，大大降低了系统的截获概率，提高了雷达 的战场生存能力； 5 、易于小型化和便携化。穿墙生命探测雷达一般用于单兵或分队在城区的巷 战或反恐行动中，必须易于携带，重量轻。冲激脉冲的辐射功率低，结构简单， 容易减小尺寸重量，满足应用要求。 基于以上的考虑，u w b t w l d r 的原理样机采用超宽带的冲激脉冲信号，波 形的参数选择将在下一节进行讨论。 2 2 穿墙生命探测雷达的波形参数选择 2 2 1 典型的冲激雷达脉冲信号 实际应用中典型的冲激雷达脉冲信号并没有明确的定义，常见的有单极脉冲、 单周波和多周波。 单极脉冲只含有单向峰值电平，经过天线的“微分 作用对外辐射，波形简 单，易于区分目标各个散射点之间的相互时延关系。但是，波形频谱中直流分量 较大，低频分量功率较大，因而天线的辐射效率较低。典型的单极脉冲有高斯脉 冲和双指数脉冲。 单周波含有双向峰值电平，频谱中心频率近似在波形周期对应的频率附近， 不含直流分量，低频分量小，天线的辐射效率较高。但是，单周波波形相对复杂， 经辐射接收后，将呈现多个峰值，因此难以提取体目标的散射中心分布信息。典 型的单周波有单周期正弦波、微分高斯脉冲以及截断三正弦脉冲等【1 3 】。 相对于单周波而言，多周波包含的低频分量更小，从而天线的辐射效率更高， 但有效带宽也相应降低。典型的多周波有多周期正弦波和调制高斯脉冲。 高斯脉冲是常用的窄脉冲信号，其宽度为纳秒级，是一种超宽带信号。高斯 函数表达式为【1 4 】 1一上 f ( t ) = 7 当彳p 2 0 r 2 ( 2 1 ) q 2 ；r r r 令仃2 = 口21 4 ；r ，则有 厉一塑： f ( t ) = 兰p 口2 ( 2 2 ) 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 参数口影响脉冲的宽度和幅度，称为脉冲波形的成形因子，口增大，脉冲幅 度减小，脉冲宽度变宽。 定义基本高斯脉冲波形为 2 刖2 p ( ，) = a p e 口2 对基本高斯脉冲求微分，得到其一阶至三阶导数分别为 州= 4 ( 一铡p 等 p 他) ：4 等p 一2 口1 r 2 t _ _ _ 2 _ 2 彳协r z p ) ：4 等纪一了2 1 r t 2 弦嘲r ： 由傅氏变换，可得基本高斯脉冲的傅氏变换为 此m 4 老p 一譬 记o ) 的k 阶导数为厂p ) ，则其傅氏变换为 ， 厂( f ) = ( _ ，缈) ， 厂( f ) 】 式中，f 【厂( f ) 】为厂( f ) 的傅氏变换。 于是，k 阶高斯脉冲的傅氏变换为 以归4 分詈( 俐 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 凼为 ) = 附气噼以老g 一鲁缈 ( 2 1 0 ) 所以 耿国) = 以老材1 p 一譬一4 芳百2 a z c o 以一誓 ( 2 1 1 ) 由f ( c o ) = 0 可得幅度谱峰值对应的频率，即峰值频率为 石：车( 2 1 2 ) 图2 1 显示了基本高斯脉冲波形及其各阶微分的脉冲波形。其中，脉冲成形因 子口：0 5 n s ，脉冲持续时间为2 n s 。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 魁 馨 时问：n s ( a ) 基本高斯脉冲波形 瑙 馨 魁 馨 ( b ) 一阶微分脉冲波形 ( c ) 二阶微分脉冲波形( d ) 三阶微分脉冲波形 图2 1 高斯脉冲波形 图2 2 显示了基本高斯脉冲及其各阶微分脉冲的频谱，由图可知，当脉冲成形 因子口一定时，阶数k 增加，峰值频率变高，频谱右移，且低频段能量减小。 刁 趟 磐 图2 2 基本高斯脉冲及其各阶微分信号频谱 第l o 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 2 2 冲激脉冲的参数选择 电磁波在穿过墙体的过程中会有幅度衰减，衰减的程度与墙体的材料以及信 号的频率成分有关。d a v i ddf e r r i s 在文献 1 5 1 给出了不同频率电磁波穿透一定厚 度的多种介质墙体的衰减曲线，如图2 3 所示，这是由休斯先进电磁研究中心 ( h a e t c ：h u g h e sa d v a n c e de l e c t r o m a g n e t i ct e c h n o l o g yc e n t e r ) 测量得到的。由 图可知，电磁波在穿透混凝土墙壁时的衰减最大，这是因为混凝土墙壁的介电常 数较大。而几百m h z 到几g h z 范围( 波长为0 3 m 到3 m ) 的电磁波即使在穿透 混凝土砖墙时，衰减也是相对较小的，并且频率越低，衰减越小，其中2 0 g h z 时 的衰减将近3 5 d b ，8 g h z 电磁波的衰减约为l o d b ，而5 g h z 时的衰减在7 d b 以 下。另外，频率为9 5 g h z 的电磁波( 波长为3 r a m ) 在穿透纸张、玻璃纤维、塑料、 玻璃、木板以及干砌墙时衰减相对较小，而通过砖块和混凝土墙时衰减很大。可 见，低频段电磁波的穿透性能要明显优于高频段电磁波。因此，为了对砖块和混 凝土构筑的墙体进行穿透探测，信号的频率应该低于1 0 g h z ，在此范围内频率越 低穿透性能越好。 图2 3 不同频率电磁波穿透多种介质墙体的衰减曲线 空间分辨率描述了系统对目标细节的