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硕七论文连续波雷达穿墙探测技术研究 摘要 穿墙探测( 简称t w s ) 是指透过墙体或其他障碍物后的探测技术。这种能穿透障 碍物“看”的t w s 传感器可在军事侦察、反恐、人质救援、地震伤员寻找等场合发挥 重要作用。本文以穿墙探测为研究背景，首先研究了基于伪码调相连续波雷达技术的穿 墙探测，然后对基于步进频率连续波( s f c w ) 雷达技术的穿墙探测作深入研究。本论 文的主要研究内容包括以下几个方面： 1 深入研究了伪码调相连续波雷达穿墙探测的泄漏对消问题。分析了电磁波穿透墙 体的衰减特性，总结了伪码调相连续波雷达穿墙探测的原理；在总结连续波雷达泄漏对 消技术的基础上，提出了参数对消法对伪码调相连续波雷达视频回波进行对消处理，文 中给出了参数提取的具体处理过程，并对实际回波泄漏信号进行了采集和对消处理的实 验，结果表明此方法可以大大减少泄漏影响；由此设计出了基于参数对消法的雷达信号 处理器原理框图。 2 对s f c w 信号理论和微动目标探测作深入研究。文中给了锯齿型和三角型s f c w 信号的模糊函数并进行了分析；研究了s f c w 雷达探测目标的特性，对单目标、多目 标环境下目标参数的获取方法进行了深入分析，通过使用改变三角型s f c w 雷达的步 进斜率并对正程和逆程i d f t 最大值配对的方法，解决了s f c w 多目标的探测问题；给 出了低速目标信号处理的方法，分析了微动目标的回波信号特征及微动信息的获取方 法，并通过不同信噪比下的仿真，得出结论：采用s f c w 雷达进行微动目标探测时， 使用多频点f f t 叠加后平均的方法，可提高目标的检测能力。 3 对现有的s f c w 合成孔径雷达系统进行改进设计，使其在对目标合成孔径成像的 同时，获取目标的微动信息。文中提出了改进方法，在总控软件中编写添加了相关控制 程序，实现了系统在静止状态下的微动目标探测，以及系统在导轨上移动时数据采集的 功能。 关键字：穿墙探测，参数对消，步进频率连续波，微动探测 ab s t r a c t t h r o u g h w a l ls u r v e i l l a n c e ( t w s ) i sak i n do fd e t e c t i o nt e c h n o l o g y w h i c hc a l lg o t h r o u g hw a l l sa n do t h e ro b s t a c l e s w i t ht h ea b i l i t yo ft h r o u g h o b s t a c l ed e t e c t i o n ，t w sh a s b e e np l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei nm i l i t a r yr e c o n n a i s s a n c e ，c o u n t e r - t e r r o r i s m ，h o s t a g er e s c u e ， e a r t h q u a k ec a s u a l t ys e a r c ha n ds oo n u n d e rt h eb a c k g r o u n do ft h r o u g h w a l ls u r v e i l l a n c e ， t h i sp a p e ra d o p t e ds f c wr a d a rf o rd e e pr e s e a r c h , b a s e do nt h et h r o u g h w a l ld e t e c t i o n r e s e a r c ho fp nc o d ep h a s em o d u l a t i o nc o n t i n u o u s w a v er a d a r t h ec o n t e n to ft h i sp a p e r i n c l u d et h ef o l l o w i n ga s i d e s ： 1 d e e pr e s e a r c ho ft h el e a k a g ec a n c e l l a t i o no ft h r o u g h w a l ls u r v e i l l a n c eb yp nc o d e p h a s e m o d u l a t i o nc o n t i n u o u s 。w a v e t h ea t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o ft h r o u g h w a l l e l e c t r o m a g n e t i cw a v ew e r ea n a l y z e da n dt h et h e o r yo ft h r o u g h w a l ls u r v e i l l a n c eb yp n c o d e p h a s em o d u l a t i o nc o n t i n u o u s w a v ew a ss h l t i i t i a r i z e d ；b a s e do nt h es u m m a r i z a t i o no fl e a k a g e c a n c e l l a t i o nt e c h n o l o g yi nc o n t i n u o u sw a v er a d a rs y s t e m ，ap a r a m e t e rc a n c e l l a t i o n t e c h n o l o g yw a sp r o p o s e df o rt h ec a n c e l l a t i o np r o c e s so f v i d e oe c h od a t af r o mp nc o d ep h a s e m o d u l a t i o nc o n t i n u o u s w a v er a d a r t h ep r o c e s s i n gp r o c e d u r eo fp a r a m e t e re x t r a c t i o nw a s s h o w ni nt h ep a p e ra n dt h ec o l l e c t i o na n dc a n c e l l a t i o np r o c e s s i n ge x p e r i m e n t sf o ra c t u a le c h o l e a k e ds i g n a lw e r ed o n e ，w h i c hp r o v e dt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dc o u l dr e d u c et h el e a k a g e i m p a c t i o ne f f e c t i v e l y t h u sab l o c kd i a g r a mo fr a d a rs i g n a lp r o c e s s o rb a s e do np a r a m e t e r c a n c e l l a t i o nw a sd e s i g n e d ， 2 d e e pr e s e a r c ho fs f c wt h e o r ya n df r e t t i n go b j e c td e t e c t i o n t h ea m b i g u i t y f u n c t i o n o fs a wt o o t ht y p ea n dt r i a n g l et y p es f c ws i g n a lw a sa n a l y z e d ；t h ec h a r a c t e r i s t i c so fo b j e c t d e t e c t i o nb ys f c wr a d a r , a n dt h ew a yt oo b t a i no b j e c tp a r a m e t e r si ns i n g l e o b j e c ta n d m u l t i p l e o b j e c te n v i r o n m e n tw e r er e s e a r c h e d ；t h em u l t i p l e o b j e c t d e t e c t i o np r o b l e mb y s f c ws i g n a lw a ss o l v e di nt h ew a yo fc h a n g i n gs t e p p e ds l o p eo fs f c wr a d a ra n da d o p t i n g i d f tm a x i m u mv a l u em a t c h i n gm e t h o d t h ew a yt op r o c e s sl o w s p e e ds i g n a la n dt oo b t a i n t h ec h a r a c t e r i s t i c so fe c h os i g n a la n df r e t t i n gi n f o r m a t i o nf r o mf r e t t i n go b je c t sw a s r e s e a r c h e da n dac o n c l u s i o nw a sc o n d u c t e d ，w i t ht h ec o m p a r i s o no fs i m u l a t i o nr e s u l t su n d e r d i f f e r e n ts i g n a ln o i s er a t i o ；t h eo b j e c td e t e c t i o na b i l i t yw a si m p r o v e db ya v e r a g i n gt h ea d d e d f f tr e s u l t so nm u l t i p l e 行e q u e n c i e s ，w h e ns f c wr a d a rw a su s e df o rd e t e c t i n gf r e t t i n g o b j e c t s 3 a ni m p r o v e m e n tt or a d a rs y s t e mt oo b t a i nt h ef r e t t i n gi n f o r m a t i o no fo b j e c t s s i m u l t a n e o u s l yw h i l eg e t t i n gt h e i rs y n t h e t i ca p e r t u r ei m a g e s t h ew a yt o r e a l i z et h e a b s t r a c t硕1 ：论文 i m p r o v e m e n tw a sm e n t i o n e di nt h ep a p e ra n dt h ef r e t t i n go b j e c td e t e c t i o na b i l i t yu n d e rs t a t i c s t a t e ，a n dt h ea b i l i t yt oc o l l e c td a t as i m u l t a n e o u s l yw h i l em o v i n ga l o n gag u i d er a i l ，w e r ea l l r e a l i z e da f t e rr e l a t i v ec o n t r o lp r o g r a mw a sa d d e dt ot h es y s t e ms o f t w a r e k e y w o r d ：t h r o u g h w a l ls u r v e i l l a n c e ，p a r a m e t e rc a n c e l l a t i o n ，s t e p p e d f r e q u e n c y c o n t i n u o u sw a v e ，f r e t t i n go b j e c td e t e c t i o n i v 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 务雾 叩年月砌日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：至霆砌少年厂月加日 硕士论文 连续波雷达穿墙探测技术研究 1 绪论 1 1 穿墙探测技术 穿墙探测( t h r o u g h w a l ls u r v e i l l a n c e ，简称t w s ) 【l 】是指透过墙体或其他障碍物后 的探测技术。这种能穿透障碍物“看”的t w s 传感器可在军事侦察、反恐、人质救援、 地震伤员寻找等场合发挥重要作用。 研究t w s 可采用无源探测和有源探测两种方法。无源探测主要是根据人体辐射能 量与背景能量的差异，进行被动式探测；有源探测则主动发射电磁波，根据反射回来的 电磁波进行探测。t w s 研制可采用多种技术：射频无线电( r f ) 技术( 从u h f 雷达到亚 毫米波成像) 、声学和x 射线扫描仪等，其中有源r f 是主流技术。t w s 系统又称为穿 墙雷达。 t w s 的目标是在给定的场合能够确定在场的人员及位置，并确定该场合中的人员 数目。场合不同，所需的功能各有差异。t w s 的应用主要有以下四种场合： 1 人质场合。该场合最主要的是要知道嫌疑犯在房间里的位置，并将他们与人质区 分开来，以避免伤到人质安全。为从人质中区分出嫌疑犯，没必要看清场景的细节如犯 罪分子携带的武器等，但要区分各个体的行为。人质一般是不动的，且人质们常被严密 控制，或被监禁不允许活动，以阻止逃跑，而挟持人质者则不停地在房间里转来转去， 监视环境。 2 。狙击手场合。这种场合下主要要探测建筑物内的狙击手，并进行定位，当要强攻 建筑物时，以免伤及警察。 3 地震场合。这种场合下首要的是检测并定位在废墟下仍然活着的人员。 4 军事侦察。侦察建筑物内或掩体下敌方人员布置情况。 在第一种场合，通过t w s 探测器希望能够确定：房间是否被占领，占领者的位置， 占领者是否携带武器，占领者是否在屋里走来走去；而在第二种场合，狙击手往往是静 止不动的，贴墙而站，这时需要确定建筑物是否被占领，占领者的位置；在第三种场合， 人是不动的，而且是几乎靠着墙的，这时需要确定是否活着，是人还是动物，具体位置； 在第四种场合，需要确定敌方人员数目及具体位置。对于这些应用来说，没必要光学图 像，除非在人质场合确定人质挟持者是否携带武器。 1 2 穿墙探测技术发展概况 早在上个世纪八十年代中期，美国的一些机构就开始了t w s 系统的研究。经过二 十年的历程，现已研制成功系列产品，有些还正在研究中。在以r f 技术为基础的t w s l 绪论 硕士论文 产品中，又分成了成像和非成像系统，非成像系统又经历了一个从c w 雷达系统到u w b 雷达系统的演进。 1 9 9 2 年，r a y t h e o n 公司开发了一个t w s 探测系统，叫运动探测雷达( 简称m d r ) 【2 】。系统采用连续波c w 雷达体制，频率0 9 1 5 g h z ，发射功率1 0 m w 。采用两个全向 天线进行收发隔离，视野范围+ 4 5 0 。该雷达采用了高敏感的连续波相位检测器，根据所 检测的运动情况产生音调，音调范围从6 0 h z 到3 0 0 h z ，对应指示目标与雷达的距离及 运动速度。所检测的目标运动速度范围为0 1 m s 1 7 r n s ，m d r 无障碍物时作用距离约 3 0 m ，当穿透1 5 c m 厚的钢筋混凝土墙后作用距离降为1 0 m ，穿透l m 厚的混凝土工事时 降为6 m 。 1 9 9 6 年，r a y t h e o n 公司开发了2 维混凝土穿透雷达( 2 d c p r ) t 3 1 。该系统采用调频 连续波f m c w 体制，中心频率9 5 0 m h z ，扫频范围从7 0 0 到1 2 0 0 m h z ，发射功率4 0 m w 。 采用收发两个方向天线，视野范围4 5 0 。该雷达可以测距，分辨率为1 5 c m ，并可分辨 出运动的人员数。二维显示，可显示量程内的目标距离一时间曲线。2 d c p r 无障碍物 时作用距离约3 0 m ，当穿透2 0 c m 厚的钢筋混凝土时，雷达距离墙外6 m 处可检测到距离 墙内2 5 m 处的目标。1 9 9 9 年，r a y t h e o n 开发了一个轻便的野外便携式版，叫运动测距 传感器( 简称m a r s ) 。r a y t h e o n 公司雷达主要的缺陷是如果目标不运动就不能区分人 员和物体。 1 9 9 7 年，g e o r g i a 技术研究院开发了一部毫米波雷达，叫r a d a rf l a s h l i g h t 4 5 。 这个系统设计用来探测在墙后面无运动的人员呼吸。实验室样机是一个零拍的f m c w 雷达，工作于1 0 5 2 5 g h z ，发射功率3 0 r o w 。采用抛物面天线，视野范围+ 1 6 0 。雷达输 出信号用柱状图表示，柱状图上升和下降与呼吸节奏一致。r a d a rf l a s h l i g h t 可以检测 到站在2 0 c m 空心混凝土墙后5 m 处人员的呼吸。该雷达的主要缺陷是系统灵敏度很高 导致它检测操作员自身的运动。这种系统必须放在墙前面固定的位置或三脚架上。 在同一时期，国际s r i 开发了实验室u h f t w s 系统1 6 】，该系统相当于一部f m c w 雷达。采用三个分开的全向天线，f m c w 信号从中间天线发出，其他两个天线接收信 号。这种特别的设置，加上频率扫描和三边测量技术就相当于超宽带差分雷达。频率范 围o 2 0 4 5 g h z ，距离分辨力l m ，发射功率1 0 m w ，视野很宽。雷达输出信号采用2 维 屏幕显示。该雷达正常探测距离约2 5 m ，穿透1 5 c m 的钢筋混凝土墙后探测距离降为 1 2 m 。 近年来，超宽带雷达技术已用于t w s 。u w b 雷达采用非常窄或短的脉冲序列因而 发射频带很宽。联邦通信委员会f c c 对于采用这种技术的成像系统作了频率和带宽的 限制：系统必须低于9 6 0 m h z 或频率带宽在1 9 9 1 0 6 g h z 之间。 t i m ed o m a i n 公司首先将u w b 应用于t w s 。他们上一代雷达叫r a d a rv i s i o n 2 i t m 采用超宽带脉冲【7 j ，秒1 0 m 个脉冲，带宽为2 1 5 6 g h z ，距离分辨力 l m ，输出功率 2 硕士论文连续波雷达穿墙探测技术研究 5 0 i _ t w 。视野水平+ 4 5 0 ，俯仰6 0 0 。输出信号2 维液晶显示，显示所检测的目标实时运 动方向和距离。当穿透2 0 c m 厚的混凝土墙，可以检测到距离雷达大于2 0 m 的目标。 a k e l a 开发了品种多样的t w s 系统【8 】。第一个产品是毫米波雷达共振系统用于探测 隐藏的武器以及t w s 应用。当射频r f 信号作用于直径与信号波长相近的物体时会产 生共振现象，该系统的出发点就是测量这种共振。a k e l a 第二个产品是基于雷达的设备， 能够绘出建筑物内部墙的结构并对里面的人员定位。这种系统采用了c a t 扫描和超声 波中用的x 线断层摄影图像重构技术。最近a k e l a 开发了初始概念的u w b 雷达，它的 结构如下：由独立的传感器构成的分布式阵列，每个传感器都是高距离分辨力雷达，可 固定使用或单人携带。这些传感器工作于o 5 2 g h z ，频率灵活可变。该u w b 雷达距离 分辨力1 0 c m ，试验表明该系统可以检测到距离雷达6 5 m 的混凝土墙后静止人员的呼吸 响应信号。 v i l l a n o v a 大学的高级通信中心数年前就丌始研究t w s 系统。它采用试验室仪器， 并借助于网络计算机建立了一个试验系统，相当于一部u w b 雷达，2 3 g h z 频率范围， 它已经做了几个初步的穿墙成像实验，并采集了不同情况下时穿墙后的实际数据。 目前一些u w b 雷达正在研究开发中，但技术数据依然是保密的。c a m e r o 公司成 立于2 0 0 4 3 ，正在利用u w b 雷达技术丌发穿墙成像系统1 9 j ，这个成像系统旨在产生隐 藏在障碍物后物体的3 维图像。剑桥咨询中心正在研究第二代u w b 穿墙雷达技术。他 们的便携式内部空间监视雷达( 简称p r i s m 一2 0 0 ) 【l o j 可提供人员位置及运动的三维显 示，以及建筑物内物体的三维显示。该雷达可以穿透4 0 c m 厚的传统建筑材料，探测人 员活动距离可达15 m 。d e f e n s er & d 加拿大( 渥太华) j 下在研究改进支架及成像能力以 增强穿墙探测系统的位置意识。d e f e n s er & d 的数值仿真和实验证明了u w b 雷达可以 产生以表明房间内的大致布局的静态物体位置指示，在此之上为建筑物内人员的移动情 况。e u r e k a 航空正利用具有极高分辨率的瞬时脉冲合成孔径雷达开发t w s 系统( 简称 i m p s a r ) 【1 1 1 。该系统工作于瞬时脉冲机制，脉宽约1 0 0 p s ，因此可得到大的带宽 0 2 5 3 5 g h z ，采用特别的脉冲辐射天线，距离分辨力为5 c m ，这种技术保证了适当的穿 墙能力及高分辨率的微波成像。 国内从本世纪初也开始了穿墙雷达的研制工作。解放军第四军医大学生物医学工程 系多年致力于非接触式生命探测器的研究，旨在实现用于医学的非接触式心电图监测。 2 0 0 4 年底青岛瑞普与解放军炮兵学院联合开发了生命信息探测雷达，采用单频c w 体 制，可以探测墙体后静止不动的人员呼吸，但抗干扰能力差，不能定位。目前他们正在 研制数字多频c w 体制的探测器，增加了测距功能并增强抗干扰能力。国防科大、北京 理工大学等许多单位也正在研究穿墙雷达技术。 对比国内外穿墙技术研究的发展概况，我国的穿墙探测技术研究远落后于西方。 t w s 探测器的研制具有重要的政治、军事和经济价值，因此研制自己的先进的t w s 探 3 l 绪论 硕 ：论文 测器具有重大意义。在实际中，应针对实际的应用场合或背景需求研制，或要求穿透能 力特别好，或能检测房间里人员走动，或必须检测呼吸响应信号等。 1 3 步进频率连续波雷达 超宽带雷达是一种新体制的雷达，它定义为分数带宽( f b w ：f a c t i o n a lb a n d w i d t h ) 大于o 2 5 的雷达【1 2 】【1 3 】。众所周知，雷达信号固有的距离分辨率欲= c 2 b ，一般u w b 雷 达信号的带宽b 可达g h z 量级，因此具有很高的距离分辨率。窄带雷达的距离分辨率大 于目标尺寸，而宽带、超宽带雷达分辨率很高，远小于目标尺寸，因此可获得复杂目标 的细微特征，从而在雷达探侧、成像、目标识别等方面具有广泛的应用价值。 一般的超宽带雷达接收机必须具有很宽的带宽，步进频率连续波( s t e p p e df r e q u e n c y c o n t i n u o u sw a v e ，简称s f c w ) 雷达，采用单频步进的连续波方式实现超宽带，可以在 获得距离高分辨率的同时降低对数字信号处理机瞬时带宽的要求，系统结构和信号处理 简单，实现杂波对消容易实现，因此近年来受到了越来越广泛的关注。 1 4 本文的主要工作及研究内容 本文以穿墙探测为研究背景，首先研究了基于伪码调相连续波雷达技术的穿墙探 测，然后对基于步进频率连续波( s f c w ) 雷达技术的穿墙探测作深入研究。本论文的 主要研究内容包括以下几个方面： 1 深入研究了伪码调相连续波雷达穿墙探测的泄漏对消问题。分析了电磁波穿透墙 体的衰减特性，总结了伪码调相连续波雷达穿墙探测的原理；在总结连续波雷达泄漏对 消技术的基础上，提出了参数对消法对伪码调相连续波雷达视频回波进行对消处理，文 中给出了参数提取的具体处理过程，并对实际回波泄漏信号进行了采集和对消处理的实 验，结果表明此方法可以大大减少泄漏影响；由此设计出了基于参数对消法的雷达信号 处理器原理框图。 2 对s f c w 信号理论和微动目标探测作深入研究。文中给了锯齿型和三角型s f c w 信号的模糊函数并进行了分析；研究了s f c w 雷达探测目标的特性，对单目标、多目 标环境下目标参数的获取方法进行了深入分析，通过使用改变三角型s f c w 雷达的步 进斜率并对正程和逆程i d f t 最大值配对的方法，解决了s f c w 多目标的探测问题；给 出了低速目标信号处理的方法，分析了微动目标的回波信号特征及微动信息的获取方 法，并通过不同信噪比下的仿真，得出结论：采用s f c w 雷达进行微动目标探测时， 使用多频点f f t 叠加后平均的方法，可提高目标的检测能力。 3 对现有的s f c w 合成孔径雷达系统进行改进设计，使其在对目标合成孔径成像的 同时，获取目标的微动信息。文中提出了改进方法，在总控软件中编写添加了相关控制 程序，实现了系统在静止状态下的微动目标探测，以及系统在导轨上移动且在每个位置 上发送n 程s f c w 信号时的数据采集的功能。 4 硕：l ：论文 连续波雷达穿墒探测技术研究 2 伪码调相连续波雷达穿墙探测研究 2 1 伪码调相连续波穿墙探测工作原理 2 1 1 电磁波穿透墙体的衰减特性 自由空间中，电磁波的传播损耗表达式如下【1 4 】： l f 。 ( d b ) = 3 2 4 4 + 2 0 1 9 ( d ) + 2 0 1 9 ( f ) ( 2 1 ) 其中：厂表示电磁波的工作频率，单位为m h z ，d 表示传播距离，单位为k m 。由式 ( 2 1 ) 可以看出：自由空间中，电磁波的传播损耗只与厂和d 有关，当厂和d 增大一倍时， 传播损耗将分别增加6 d b 。 与自由空间相比，电磁波在墙壁中传播的色散和衰减要大很多，且传播常数为： 丫- - - - o 【, + p j( 2 2 ) 式中：0 【为衰减常数，表示每单位距离的衰减程度；p 为相移常数，表示每单位距 离滞后的相位。 其中：一詈 三】2 - l 】l 2 ( 2 3 ) p = 詈【三】2 “】2 式中：o ：墙壁导电系数： c o ：电磁波的角频率： ：墙壁介电常数： ：墙壁磁导率： 墙壁是一种良好的介质，故旦“1 ， ( 2 4 ) 从而式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 可用下式近似： o c 磅居 亿5 ， p 厄( 2 6 ) 由上面的分析可以看出：墙壁作为种非磁性介质，工作频率一定的电磁波在其中 传播的损耗主要与墙体的介电常数特性密切相关。 2 伪码调相连续波雷达穿墙探测研究硕十论文 事实上，电磁波穿透墙体的损耗不仅仅包括其在墙体中传播时的损耗，还包括界面 损耗，且在墙体厚度有限时，主要的损耗将来源于后者。 所谓的界面损耗，是由于电磁波在穿透不同介质时会发生反射和折射所引起的。电 磁波的传播和光波一样，遵守波的反射定律和折射定律。设电磁波从介质1 入射到介质 2 ，介质的相对介电常数和相对磁导率分别为1 、p l ，2 、；0 f 、0 ，、0 ，分别为入射角、 反射角和透射角。由反射定律可得0 ，= 。，由折射定律可得e f 与0 ，满足： ( 2 7 ) 假设介质交界面光滑平整，由于电磁波在交界面上具有连续性，因此当入射波为垂 直极化波时，其反射波和折射波也是垂直极化波，同样当入射波为平行极化波时，其反 射波和折射波也同样是平行极化波。根据菲涅尔公式，可得 对于垂直极化波，反射系数r 上、传输系数“和关系分别为： ，：112coso，-tllc o s o t( 2 8 a ) 上1 1 2c o s o ，+ t 1 lc o s 0 ， 、。 f 一 2 n 2c o s 0 ， o 2 面未荐磊面 上 1 1 2c o s o f + t 1 lc o s 0 ， 1 + = 0 对于平行极化波，反射系数r 、传输系数t 和关系分别为： ，一tllc o s 0 , - - 1 1 2c o s 0 t 一t 1 lc o s o f + t 1 2c o s o ， 一 2 n 2c o s o ， i l2 哥意嚣隶丽 ( 2 8 b ) ( 2 8 c ) ( 2 9 a ) ( 2 9 b ) ( 2 9 c ) 其中：1 1 = 、旦表示媒质的特性阻抗。由式( 2 8 ) 和( 2 9 ) o - 矢i ，当垂直入射即o f ：o y 时，垂直极化和平行极化的反射系数和透射系数对应相等；介质1 和介质2 的队 6 虹瓜 = 硕士论文连续波雷达穿墙探测技术研究 差别越小，则界面反射越低，电磁波由介质l 进入介质2 的能量就越大，反之则反 射能量大，而透射能量小。 对于非导磁介质，p o ，这时媒质的特性阻抗主要决定于媒质的介电常数，当电磁 波由空气射入墙体时，墙体的介电常数相对于空气很大，因此电磁波的传输系数很小， 损耗就很大。一般未凝结的混凝土具有较高的相对介电常数和衰减，r 1 0 2 0 ，衰减 o l z 2 0 5 0 d b m ，完全凝结后相对介电常数r 斟1 0 ，衰减c x 5 2 5 d b m 。 2 1 2m 序列【1 5 】 m 序列是最大周期线性移位寄存器序列的简称，它是由多级移位寄存器或其他延迟 元件通过线性反馈产生的最长周期码序列。在二进制移位寄存器码发生器中，若移位寄 存器级数为n ，则产生的码序列最大长度为2 ”一1 。由移位寄存器构成的m 序列发生器如 下图2 1 所示。 图2 1m 厅列发生器 图2 1 中移位寄存器的状态用a i 表示，a i = 0 或a i - 1 ，i 为整数，经c i 相乘后模二相加再反 馈。这里的c i 取值为o 或1 。当c i 为o 时表示断开不通( 不参加反馈) ，当c i 为1 时表示此线接 通( 参加反馈) ，可传送数据。移位寄存器在定时脉冲的控制下，一步步向外移位输出， 其速率称为c h i p 速率。因此，移位寄存器的反馈函数为： a n = c i a n 一1o c 2 a n 一2o c n 1 a 2o c a o = q 。( m o d 2 ) ( 2 1 0 ) t - - 1 c i 的取值决定了移位寄存器的反馈连接和序列的结构和周期。移位寄存器的反馈函 数可以用下述方程表示为： f ( x ) = c o + c i x j r c 2 x 2 十+ 巳x ”- - e q x 7 j = 0 ( 2 1 1 ) 这一方程称为特征多项式。式中x 7 仅指其系数c i 的值( 0 或1 ) ，x 本身的取值并无实际意 7 2 伪码调相连续波雷达穿戢探测研究硕j 二论文 义，也不需要计算x 7 的值移位寄存器序列有最大长度序列和非最大长度序列两类代数 理论的严格证明表明，若线性反馈移位寄存器的特征多项式为本原多项式( 本原多项式 是指产生m 序列的不可约多项式，本原多项式定是最简多项式) ，则移位寄存器一定能 产生周期为n = 2 ”一1 的最大长度序列。 m 序列具有以下几个特性： 1 周期性：m 序列周期达到最长n = 2 ”一1 。 2 均衡性：在每一周期n = 2 ”一1 内，o 出现2 ”1 1 次，而1 出现2 州次，i ! p o = l 1 少出现一 次，其中有一半的长度为1 ，四分之一的长度为2 ，八分之一的长度为3 ，等等。概括地 说，长度为k ( 1 垒 0 ，远离时v 0 ，d 为t = 0 时目标的初始距离。 将式( 3 1 7 ) 代入式( 3 1 6 ) 化简得到： r ( f ) ：4e x p f - j 4 n q i 扛o ，n 一1 ( 3 1 8 ) l c j 、 ( p = d f + i a f d 一六瓦v 卜i 2 v t s a f ( 3 1 9 ) 式( 3 1 9 ) 中的第三项为多普勒与步进频率耦合项，相对于其它项，该值很小，可 忽略不计。 对正交双通道输出信号的采样r ( i ) 可视为目标在频域响应的采样，对这个复数 采样通过逆离散傅里叶变换( i d f t ) ，即可得到目标的复合距离分布，其幅值s ( 由) 为： = 静廊p ( 学) i = 良唧( 半忙别 2 。， 在d 处、相对速度为v 的目标对应s ( 巾) 的峰值在4 0 处： 巾o = 2 n ( a f d f 0 时 正程i d f t 最大值偏小，逆程偏大；v 0 时，正程i d f t 最大值偏小，逆程偏大。从仿真结 果看出，当v 0 时，单纯由一个正程或逆程无法确定目标的准确距离和速度，而必 须联合起来计算。 其真实距离为： 2 6 速度为： d = ( ( 机+ 札) 2 1 ) a r v = ( ( 巾。一巾o ) 2 ) a v ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) _ 一 二 嬲一 蹲 硕= l ：论文 连续波雷达穿墙探测技术研究 a v - - - c ( 2 枣n 牛f c m 搴t s )( 3 2 5 ) 其中：a v 为对应的速度分辨率，这旱为1 5 4 m s 。根据式( 3 2 3 ) 和( 3 2 4 ) ， 计算结果如下表3 1 所示。 表3 1 计算得到的目标距离和速度 已知条件 目标距离( m )目标速度( m s ) v = 5 m s4 9 9 94 6 2 d = 5 0 mv = 04 9 9 9o v = 5 m s5 0 0 65 3 9 从式( 3 2 5 ) 可以看出，速度分辨率与一程的总时长及中心频率f c m 有关，f c m 越 高，频率分辨率也越高，一程总时长越长，速度分辨率也越高。 3 3 2 多目标测距测速研究1 2 8 j 上面的研究及仿真是针对一个目标的，利用一个双程计算目标参数。若有两个或以 上目标，则需对三角型s f c w 雷达的正程和逆程i d f t 最大值进行配对，以便剔除虚假 目标。 由式( 3 1 9 ) 可推出目标距离d 和相对速度v 的关系如下： 1 ，= k xd + c 1 ( 2 n f 。i ) ( 3 2 6 ) 其中：k = 卅f ( 4 e ) ( 3 2 7 ) 由式( 3 2 7 ) 可知：在石不变的情况下，直线v ( d ) 的斜率k 由缸和乃决定。故当 有两个或以上目标，我们可以采用改变斜率k ( 即改变心或乃) 的方法，得到同一个 目标的多条不同斜率的直线v ( d ) ，所有直线的交叉点即可确定目标。 现假定前方有三个目标，依次改变丝，其他参数不变，发送的三个三角型信号的 步进频率( a f ) 如下图3 1 1 所示： 图3 1 l 发送s f c w 信号的时间和频率的关系 如前文分析可知，在每一个三角型信号罩，每个目标都会分别在正程和逆程得到 一个机和厩。于是，三个目标在第一个三角形中就得到三个札和三个厩，这三对机和瓦 2 7 3 步进频率连续波雷达( s f c wr a d a r ) 硕+ 卜论文 俩俩组合，便可计算出九对卿v ，也就是说雷达发现了九个可能的目标。同理，在另外 的两个三角形中，也各自发现了九个可能的目标，事实上，三个真实的目标会在每个三 角形中都出现。于是，我们将每个三角形中发现的九个可能目标俩俩相比( 即每两个可 能目标的柳v 都各自做比较) ，这样比较之后，可以去除掉假目标，再将“匹配”的目 标保留下来，认为它们就是真实存在的目标。实际上，上述算法体现的就是一种“交叉 寻找”的思想下面通过仿真说明： 已知参数：f c = 9 g h z ，n = 1 0 2 4 ，t s = 1 0 1 a s ，舡1 = 1 m h z ，心2 = o 5 m h z ，a f 3 = o 2 5 m h z ， 目标1 ( d l = 6 0 m ，v l = 5 m s ) ，目标2 ( d 2 = 8 0 m ，v l = 0 m s ) ，目标3 ( d 3 = 1 0 0 m ，v 3 = 5 m s ) 。 下图3 1 2 分别是竹1 = i m h z ，a f 2 = 0 5 m h z 和盯3 = o 2 5 m h z 时正程与逆程的目标回 波i d f t 结果。 1 0 5 1 0 5 05 0 01 0 0 01 5 0 0 ( e )( f ) 图3 1 2 三个三角型信号( a f 改变) 时间里正程与逆程的目标回波i d f t 波形 图3 1 2 中，( a ) ( b ) 分别是第一个三角型信号( 舒1 = i m h z ) 正程和逆程i d f t 变换 后的波形；( c ) ( d ) 分别是第二个三角型信号( a f 2 = 0 5 m h z ) 正程和逆程i d f t 变换后 的波形；( e ) ( f ) 分别是第三个三角型信号( a f 3 = 0 2 5 m h z ) 正程和逆程i d f t 变换后的 波形，回波i d f t 最大点位置的数据如下表3 2 所示。 表3 2 回波i d f t 最大点位置 ：豢 札 巾o 步进频率、 f 1 - 1 m h z4 0 7 5 4 76 8 7 4 1 3 5 4 76 8 l f 2 = o 5 m h z2 0 2 2 7 4 3 4 6 2 0 9 2 7 4 3 4 0 f 3 = 0 2 5 m h z1 0 0 1 3 8 1 7 5 1 0 6 1 3 8 1 6 9 0o500o 帮 0 硕士论文连续波雷达穿墙探测技术研究 对于表3 2 中每个a f 的正程和逆程参数，再利用公式( 3 2 3 ) 和( 3 2 4 ) ，交叉组 合都可以得到9 个可能的目标，9 个可能目标都具有不同的距离和速度。图( 3 1 3 ) 是 心1 = i m h z 时得到的9 个可能目标及其距离。 笔 ； 醚 刺 客 毯 靛 可能的目标 图3 1 3 可能目标及其距离 再仿真得三个三角型信号里可能目标的速度一距离曲线如下图( 3 1 4 ) 所示： 可能目标的距离d ( m ) 图3 1 4 可能e t 标的速度一距离曲线 根据前面分析知：触不同，直线v ( d ) f f 0 斜率k 不同，我们用多条不同斜率直线的 交叉点来确定目标，如图3 1 4 中大黑圆点即代表我们判断得到真实存在的目标，由此 可得到目标的参数，结果如下表3 3 所示。 表3 3 计算得剑的目标距离和速度 己知条件 目标距离( m ) 目标速度( m