超宽带雷达发射系统研究.doc

超宽带雷达发射系统研究 超宽带搜救雷达发射信号及径向分辨率研究 1 项目研究报告1.1. 立项依据1.1.1. 项目的研究意义 超宽带(ultrawideBand，UWB)雷达通常定义为：雷达发射信号的分数带宽(FBW)大于0.25的雷达。超宽带技术就是通过对非常短的单脉冲进行一系列的加工和处理，包括产生、传输、接收和处理等，实现通信、探测和遥感等功能。超宽带是指该技术的一个主要特点，即占用的带宽非常大。它也可以被称为脉冲雷达（impulserddar）、脉冲无线电（impulseradio）、无载波(carrier-free)技术和时域(timedomain)技术等。超宽带雷达具有大带宽的特点，与常规窄带雷达系统相比，超宽带雷达具有以下优越性能：抗干扰性能强。超宽带雷达系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。与常规雷达系统相比较具有更强的抗干扰性。超宽带雷达兼有低频和宽频的特点，对地表和树叶具有较强的穿透能力，可以探测树林中的隐藏目标。雷达信号具有极高的距离分辨力。由于超宽带雷达的相对带宽大，可以分辨目标的许多散射点，将这些散射点的回波信号积累，可以改善信噪比，其分辨力可以达到厘米量级。具有良好的目标识别能力。由于雷达发射脉冲的时间短，可以使目标不同区域的响应分离，使目标的特性突出，从而进行目标的识别。此外，借助信号的宽谱特性，可以激励目标的众多响应模式，也增加了雷达的目标识别能力。超近程探测能力。传统的雷达在探测近程目标时存在盲区，而超宽带雷达的最小探测距离与距离分辨力大致相等，这一特点使超宽带雷达具有超近程探测能力。近年来，随着城市化进程的加快，城市的高层建筑同趋增多，钢筋混凝土结构占主导地位，各种管道、线路纵横交错的密度加大，以及城市人口密集等问题，使自然或人为灾害等各类突发事件的潜在危险与日俱增，一旦发生，将会造成人民生命财产的巨大损失。国内外多次大震后抢救生命的事实证明：对压埋人员抢救愈及时，救生、救活的可能性愈大。一般来说，震后72小时内是救助被困人员的关键时期。同样，类似“911”事件的恐怖灾害复杂情况实时救助问题，以及对劫持人质隐蔽位置的确定等问题都对当今生命搜索与定位技术提出了更高的要求。为确保在紧急救援中用最短的时问找到被困人员，开展先进的生命救助探测与定位方法研究具有十分重要的意义。超宽带雷达作为国内外正在研究的新型雷达，具有探测距离分辨率高、抗干扰能力强、穿透能力强、易于目标识别等独特的优点，并具备超短程探测的能力，在生命搜索方面越来越引起人们的关注。1.1.2.国内外现状分析20世纪90年代以来，随着宽带镦波器件的发展和软件算法信号处理能力的增强，超宽带雷达的性能已经达到了较高的水平。瑞典、美国、意大利、俄罗斯等国的超宽带合成孔径雷达早已做了多次飞行实验，进入实际应用阶段，下面以国外实际雷达系统为倒说明超宽带合成孔径雷达的现状。1.SRI(Stanford Research Institute)斯坦福研究所历时7年研制出来的第一部机载商用雷达，工作频段为200 MHz400 MHz，该雷达不仅可以穿透森林覆盖，甚至可以穿透土壤。SRI还研制了第一部VHF GPR SAR，该雷达采用偶极天线，工作在200 MHz600 MHz频段，分成两个200 MHz的宽带宽接收处理。该雷达的主要系统参数如表1： 表1 SRI SAR 的主要性能参数工作频段200MHz600MHz带宽200MHz*2极化方式HH分辨率1m*1m发射波形脉冲2.BoomSAR撑竿合成孔径雷达(BoomSAR)系统是由美国ARL(Army Research Laboratory)为研究叶簇和地下埋藏目标的基本特性，解决地雷探测问题而研制的低频、宽波束、超宽带基地合成孔径雷达系统，该雷达被固定在带有转动关节的撑竿顶部，伸展到距离地面45 m的空中，整个支撑架固定在车上，车沿测试路线以1 kmhr速度运动，来模拟单侧视机载雷达的成像几何关系。该系统已经在Yuma试验场地进行了实验，数据处理中采用了小渡压缩算法来减小算法的复杂性。BoomSAR的部分性能参数见表2 表2 BoomSAR的部分性能参数峰值功率2MW脉冲重复频率PRF750Hz信号形式伪指数脉冲波形带宽60MHz1.1GHz瞬时带宽1GHz天线形式双发射双接收 喇叭形(4个天线，单独的V&H收发天线)极化方式全极化方位向波束宽度大于90度距离分辨率小于0.3m3.ARCHEO SARARCHEO是一个意大利的研发项目考古遥感高级技术的研究与相关仪器的研制。AkniaAerospzioDivisione Spazio(Space Division，Remote Sensing Engineering)负责设计、开发、测试具有地下埋藏目标成像能力的机载SAR。ARCHEO于1997年7月开始研究设计，2000年底完成了定标与校验的飞行测试。由于ARCHEO主要用于考古遥感，所以要考虑物体的维数、深度、电特性(介电常数)及自身的极化方式。ARCHEO安装在飞机平台上，配有导航与全球定位(GPS)子系统。数据离线处理，同时考虑飞机运动对导航和全球定位系统所采集数据的影响。雷达的部分参数性能如表3： 表3 ARCHEO SAR的部分性能参数工作频段100 MHZ500 MHZ(VHF/UHF)信号形式宽带频率步进线性调频合成带宽200 MHZ240 MHZ脉冲重复频率PRF10 kHZ20 kHZ正常视角范围60度90度接收机宽频带、大动态范围在我国，国防科学技术大学电子科学与工程学院教授，博士生导师梁甸农开拓了国内超宽带雷达技术领域的研究，在目标超宽带特性、系统建模和超宽带信号设计等方面取得了国内领先的研究成果。 消息称，他开辟出超宽带成像雷达技术研究领域，制定了持续发展研究规划，建立了理论研究体系，提出了隐蔽目标检测和抑制射频干扰的新方法，突破了多项关键技术，成功地实现了高分辨率探测成像；参加了“信息获取与处理”主题发展战略和三个五年计划的制订与组织实施，并做出了重大贡献。目前国际上“生命探测”主要有以下几类：(1)光学生命探测仪各类光学生命探测仪，主要解决在能见度不良，具有一定间隙的条件下，遇难者的搜寻问题。这类仪器是把物体发射或反射的光辐射转换成电信号，经信号处理，再现物体的图像，达到搜救的目的。如“蛇眼生命探测仪”，利用万能关节，将光学探头深入到废墟的缝隙中或事先打的孔中寻找。(2)音频生命探测仪是采用声音、振动传感器，进行全方位的振动信息收集，可探测以空气为载体的各种声波和以其他媒体为载体的各类振动，主要探听幸存者的呼救和挣扎，从而确定是否有存活者。这种方法可用于被困在土壤、岩石结构或混凝土建筑物中存活者的探测和搜寻。使用中需要清场，抗声音干扰能力差。(3)雷达式生命探测仪该类探测仪多采用一种新兴的前沿性技术.非接触生命探测技术。它足借助于电磁波，穿透遮挡介质，像雷达一样，探测生命信息，从而达到寻找存活者的目的。超宽带雷达式生命探测仪，属于这种类型中最先进的一种。它具有强抗干扰能力。与光学、红外和音频探测技术相比，不受环境温度，热物体和声音干扰的影响，具有广泛的应用前景。目前美国TDC(Time Domain Corporation)于2000年研制成功RV2000uwB穿墙雷达可以实现实时动目标探测，2004年以来以色列、荷兰等国也相继投入大量资金研制UWB穿墙探测雷达，取得了很大成果。我校申请的因家自然科学基金项目城市灾害救助生命搜索的超宽带电磁方法探测，研究基于超宽带电磁技术的城市灾害救助与生命搜索定位解决方案。1.2. 项目介绍1.2.1. 项目研究内容本项目主要研究超宽带搜救雷达及其编码信号和分辨率。1.2.2. 研究目标 深入探讨超宽带雷达的特性及其应用前景。超宽带雷达经过几十年的发展仍存在的一些值得深入研究的问题，简要分析部分技术难点，指出超宽带雷达今后的发展和应用方向，并通过这些来分析超宽带雷达对搜救雷达发射信号及径向分辨率的作用。1.2.3. 拟解决的关键问题1)做出雷达发射信号模型；2)绘制目标信息模型；3)搞清雷达发射信号脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲串长度与雷达径向分辨率的关系；4)得出结论。1.2.4. 预期成果经过建模、仿真、分析可以得到超宽带搜救雷达目标信息是目标尺度、形状和发射信号的函数，发射信号脉冲宽度决定雷达径向分辨率，发射信号脉冲宽度小于波在目标最近散射中心之间的双程走时，回波中目标的各散射中心独立可分辨，随着发射脉冲增宽，目标各散射中心重叠到不可分辨。目标信息波形与目标形状有关，回波宽度与目标在雷达径向上长度成一次线性关系。发射脉冲间隔时间要大于目标最大尺度双程走时，编码脉冲串可以在保持子脉冲径向分辨率的情况下提高信号能量，从而增加雷达的作用距离。在本文研究基础上还需迸一步讨论超宽带电磁脉冲的穿透能力和对不同姿态目标建立目标特征模板数据库或目标模型数据库，以便进一步对所探测目标进行成像和分类识别。2. 项目执行方案2.1. 拟采取的研究方法调查法，观察法，实验法，文献研究法，实证研究法，定量分析法，定性分析法，跨学科研究法，经验总结法，描述性研究法。2.2. 技术路线大体的技术探究路线为：超宽带发射机原理-超宽带搜救雷达基本原理-编码技术在搜救雷达中的应用-编码脉冲串信号雷达径向分辨率1. 超宽带发射机组成超宽带雷达发射机以S 波段倍频程、连续波行波管为核心器件,由高压电源组件控保电路、前级放大器以及冷却系统等构成。发射机原理框图如图1 所示。前级放大器将接收机提供的射频小信号放大到行波管所需的射频激励功率电平;控保电路担负着发射机的全部控制与保护功能,与雷达系统进行通讯,接收雷达传送指令,向雷达系统上报工作状态与故障情况,根据传感器送来的取样数据,作出相应保护与显示;高压电源组件为大功率行波管提供工作电源,需为行波管提供近- 10kV 的高压,要求较高的稳定度和较低的电压纹波,冷却系统主要为发射机行波管提供液冷源,同时将流量与温度提供给控保电路检测。图12.超宽带搜救雷达基本原理超宽带(Ultrawideband Radar，UWB)雷达的主要特征为具有宽的带宽和距离的高分辨力。它通常定义的是相对带宽BFW小于25的雷达。设雷达的中心频率f0与上端频率fh和下端频率f1的关系为：f0=fh+f12绝对带宽Bw为：Bw=fh-f1因而Fw为： BFw=fh-f1f0*100%=2fh-f1fh+f1*100%由于Bw20时雷达的角度和时间频率分辨力将变成一个综合的问题，因此窄带雷达的许多技术和分析难于适用于超宽带雷达。超宽带雷达信号与其它类型的雷达信号的根本不同之处在于它在发射机和接收机之问采用非常窄的射频脉冲进行探测。应用短持续期的脉冲作为其基本信号单元，这种短时脉冲在频域上具有很宽的带宽，含有丰富的频谱成分，根据低频信号穿透力强，高频信号成像能力好的特点，超宽带雷达具有超宽带特性和高分辨力特征：，可获得复杂目标的精细回波响应，对目标识别和目标成像极为有利。此外，超宽带雷达可增强RCS和改进对杂波的抑制，从而提高探测j标的能力。当然，在UWB雷达的数字信号处理方面，其采样率将随着带宽的增人而提高，因而对信号处理的能力要求更高；对UWB雷达天线和波形的产生也有特殊的要求。3.编码技术在搜救雷达中的应用在雷达系统中，发射天线所发射的是特定的信号波形，每个波形代表一个指定的信息组。这些波形来回通过介质时不可避免地会发生畸变。引起这类畸变的过程是复杂的和随机的，我们不可能穷尽所有的引起回波畸变的因素，但是我们可以对其分类分析以便仿真建模。总的来说有三方面的主要因素：1、电磁波所穿过的具有不同介电常数的介质；2、与信号无关的一些不期单因素，各种噪声。如各种工业噪声(industrial noise)、交流噪声(hum noise)、脉冲噪声(pulse noise)、大气噪声(atmospheric noise)、宇宙噪声(jansky noise)、太阳噪声(solar nojse)以及由元器件内部各种微观粒子的热运动所产生的热噪声(thermal noise)等。3、与信号有关的一些不期望冈素，各种干扰。超宽带通信系统干扰(uwb-comm-system interference)、电磁系统干扰(em-system interference)、各种人为的故意干扰(如军事通信系统或雷达系统的瞄准干扰)等。伪随机编码原理及特点香农编码定理指出：只要信息速率R小于信道容量C，则总可以找到某种编码方法，在码周期相当长的条件下，能够几乎无差错地从受到高斯噪声干扰的信导中复制出原发信息。这里有两个条件，一是尺s C，二是编码的码周期足够长。同时香农在证明编码定理的时候，提出用具有白噪声统计特性的信号来编码。白噪声是一种随机过程，它的瞬时值服从正态分布，功率谱在很宽频带内都是均匀的。它有极其优良的相关特性。但是至今无法实现对白噪声放大、调制、检测、同步及控制等，而只能用具有类似于带限白噪声统计特性的伪随机码信号来逼近它。特点：1时宽带宽乘积大；2.自相关性好；3.信噪比高；4.识别率高；5.保密性高；6.多普勒敏感4. 编码脉冲串信号雷达径向分辨率用Barker码编码高斯脉冲的发射信号模型为方程(3)，设目标由M个散射点组成，结合方程(3)和方程(7)得到目标回波信号模型为实际上，回波信号方程(13)就是目标信息方程，因为它包含了目标的总体散射情况。在做方程(6)和方程(9)的变换后，基于脉冲编码原理的目标信息方程表示为目标信息方程式(14)的特征决定于码元系数c。，子脉冲时间函数f(t)，脉冲宽度T。图5a为子脉冲激励的图1a中人的回波信息图像(视为目标特征模板)，图5b为发射编码信号模型式(3)的仿真波形，由其激励的目标信息见图5c，这跟普通脉冲串得到的结果一样图像模糊，但是图5c经过脉冲压缩后得到图5d，其与图5a很相似了，可以看出编码脉冲信号可以在提高信号能量(增加雷达作用距离)的情况下保持子脉冲信号的径向分辨率。2.3. 可行性分析本项目所的研究采用了多种方法，但主要以文献研究法，调查研究法为主，研究的重点在于参考各种各样的文献以及进行对方式上，形式上，用途上创新的思考，由于在学校内部有大量的图书资源以及网络数据库，因此进行此项目的研究是非常可行的。2.4. 项目特色与创新之处创新之处包括分析各类信号编码方法，编码信号的特征，编码信号的处理；并根据探测模型的不同形念对比研究凹波信号距离像的特点，确定被探测物体的形态、高度等特征。还包括模拟雷达发射信号模型，目标信息模型，探究雷达发射信号脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲串长度与雷达径向分辨率的关系。2.5. 已有的研究基础2.5.1. 对自身研究创新能力的具体评价平常较为注重对自身创新能力的培养，相信自身具有进行创新型构思，探究型研究的能力。2.5.2. 已经完成的主要工作目前已经完成的主要工作主要有对文献的检索以及对创新点进行的初步的构思。通过学校图书馆的在线数据库查找了一些论文。2.6 进一步完成该项目的设想 通过走访调查在此领域较有威望的教授和专家，对前期所做出的文献检索和创新思考进行评估和提出建