超宽带雷达PPT课件

微波通信与电子系统实验室MicrowaveCommunications ElectronicSystemLaboratory MCES 4 6 2020 1 超宽带雷达研究报告 4 6 2020 2 TOPICS 超宽带的概念 发展和应用超宽带信号产生和波形设计目标电磁散射特性建模超宽带雷达方程超宽频带天线设计超宽带接收机设计超宽带雷达信号处理超宽带RCS测量系统的设计和分析超宽带技术在通信中的应用UWB的缺点和不足 发展和趋势预测 4 6 2020 3 超宽带雷达信号定义 1990年3月 美国LosAlamos国家实验室召开的超宽带雷达会议上首次正式提出UWB的概念 超宽带 UltraWideBand UWB 雷达的定义为 雷达发射信号的分数带宽 FBW 大于25 的雷达 分数带宽定义是 超宽带雷达具有许多常规雷达不具备的优越性能 1 很高的距离分辨力 通常可以达到厘米级 2 良好的目标识别能力 3 具有目标成像能力 当超宽带雷达工作于扫描状态或合成孔径状态时 可获得很高的距离分辨力和角度分辨力 从而成像 4 可探测森林 地面 墙壁等物体掩蔽下的目标 5 具有低的截获概率 从而对抗电子侦察及干扰 6 反隐身能力 优化15 20dB 4 6 2020 4 AHistoryofUltraWideband Synonymousterms impulse carrier free baseband timedomain nonsinusoidal orthogonalfunctionandlarge relative bandwidthradio radarsignals1969 1984Harmuth CatholicUniversityofAmerica 出版书籍和论文1972 1987RossandRobbins RKostylevetal 1994 In1990LANLhostedaconferencewhichprovidedaforumfortheburgeoningdevelopmentsinUWBsystemsandsubsystems In1994 T E McEwan thenatLLNL inventedtheMicropowerImpulseRadar MIR whichprovidedaUWBoperatingatultralowpower besidesbeingextremelycompactandinexpensive 4 6 2020 5 超宽带信号的特点及应用 UWB信号的特点 窄脉冲 宽频带高分辨微功率 短距离低功耗低截获概率主要应用 ISAR成像 精细分辨率目标识别 目标回波与目标的传递函数有关 形状和材料等固有属性电磁反隐身雷达 超视距 多基地 星载 超宽带地矿探测 勘探 产品检测短距离通信 保密通信典型实战产品 2003年伊拉克战争美军三大新概念武器之一 穿墙雷达 4 6 2020 6 超宽带信号的类型 冲击脉冲文献 5 中提到三类 基带波 BasebandWaveform 单周波 Monocycle 多周波 Polycycle 传统的产生技术通过高速开关高压放电来产生 光导开关的出现 直流到数THz 1THz 1012Hz 的超宽频带 新方法是傅立叶合成技术 5 冲激脉冲列可由一系列相参的谐波振荡器输出合成脉冲压缩信号具有应用前景和已付诸使用的有四类 线形调频连续波 频率步进脉冲 线形调频脉冲 相位编码脉冲 前三种波形的模糊图具有倾斜刀刃型 处理时允许时域或频域的少量对不准 而相位编码一类大带宽信号模糊图为图钉形 少许对不准会产生很大的偏差 此外 非线形调频信号 NFM Taylor四相码 P3 P4等多种相位编码技术的研究也相继成熟 4 6 2020 7 DDWS和DDFS技术 在现代电子系统中 频率合成器成为决定系统性能的关键设备DDS技术 DDFSDDWS 4 6 2020 8 4 6 2020 9 4 6 2020 10 二 超宽带目标特性 低频区高频区 1 镜面散射中心 2 表面不连续型散射中心 如边缘 棱 角 尖端等 3 表面导数不连续型散射中心 4 凹形腔体等多次反射形散射中心 包括二面角 三面角 5 行波与蠕动波类散射中心 6 天线类散射中心 谐振区注意 传统雷达目标特性模型不再适用 4 6 2020 11 超宽带目标特性建模 在高频区 目标总的电磁散射可认为是某些局部位置电磁散射的合成 满足局部性原理 故可把各散射体的散射看作是孤立的 由于各部件之间不存在相互的电磁影响 散射体的散射场可由各部件散射场的简单叠加得到 这些局部性的散射源常称为多散射中心 雷达目标散射特性可用一组散射中心近似 通常认为各散射中心是理想的点目标 其冲击响应可用Diracdelta函数描述 这时的目标模型表示为 局部性原理 一个散射体的散射场只取决于散射点的入射场及该点附近的几何性质 而与散射体的其他部分无关 根据电磁场理论 每个散射中心相当于Stratton Chu积分中的数值不连续处 从几何的观点看 就是一些曲率不连续处和表面不连续处 在高频区 主要有以下几种散射类型 镜面散射点散射 表面不连续点散射 表面导数不连续点散射 凹形腔体散射 行波与蠕动波散射 爬行波散射等 考虑不同类散射中心的散射强度与频率的关系 上式的表示是不完全的 再考虑信号在不同散射中心间的传播 修正模型如下 4 6 2020 12 超宽带目标散射中心提取算法 IFFT GEESE等算法Prony模型 隐马尔可夫模型HMM状态空间法模型 统计特性模型和高阶谱估计基于一维散射中心提取算法 IFFT InverseFastFourierTransform Fastroot MUSIC multiplesignalclassification TLS Prony TotalLeastSquares Prony GEESE Generalisedeigenvaluesutilisingsignalsubspaceeigenvectors MP matrix pencil 4 6 2020 13 三 超宽带雷达方程与分辨力 在UWB雷达中 RCS和S等参数都是频率的函数 超宽带雷达距离方程与信号频率范围有关 其雷达方程可表示为 文献 7 给出的UWBSAR的超宽带雷达方程对于超宽带的雷达 传统的雷达方程不再适用 4 6 2020 14 四 超宽带天线 常用宽带天线类型 对数周期天线 螺旋天线 TEM喇叭 双锥天线 V锥天线 扇形偶极子缺点 馈电难 辐射效率低 收发耦合强 无法测量时域目标特性超宽带天线的基本要求 在超宽带信号频带中输入阻抗不变 最大辐射方向不变 存在明显的相位中心 场强增益系数的频率关系 发射天线G const接收天线G omiga omiga准则 要求在一切信号频率上都应有明显的相位中心 这是区分超宽带天线和宽波段天线的准则 结构 电小尺寸喇叭 波纹喇叭 双锥振子 球锥振子 盘锥振子 脊波导喇叭平面槽天线 毫米波亚毫米波集成天线优点 产生对称波束 平衡馈电对于超宽带的雷达 普通的宽频带天线不再适用 4 6 2020 15 信道化接收机和射频设计 采样示波器或信道化接收机接收机和发射机隔离问题 幅相不平衡问题 低噪声放大器设计合适的隔离器和环行器 NB 传统的窄带的超外差接收机不再适用 4 6 2020 16 进入接收机的热噪声功率很大 因而接收机的灵敏度很低 4 6 2020 17 超宽带雷达信号处理 1 时频联合处理技术 2 高阶谱分析技术 3 核函数分析技术 4 神经网络技术NB 传统的匹配滤波处理已不再适用 18 4 6 2020 18 小波变换 Morlet小波仿真结果 4 6 2020 19 UWB的目标特性测量系统设计 RCS测量系统 4 6 2020 20 仿真结果 设发射信号载频600M 子脉冲宽度10M 脉冲重复周期100us 子脉冲时宽1us 子脉冲个数N 16 合成带宽160M 分数带宽0 267 目标距离测试雷达1000米 图3是子脉冲步进信号的距离像 下图示出了IFFT的仿真结果 4 6 2020 21 超宽带技术在通信中的应用 UWB无线通信技术与现有的无线通信技术有着本质的区别 个人局域网 PAN 的概念 PAN的核心思想是用无线电或红外线代替传统的有线电缆 组建个人化的信息网络 实现PAN的主要技术有 蓝牙 Bluetooth 它们在2 400到2 483千赫兹频段内工作 10米的无障碍距离内最大传输速度为每秒70万比特数据 IrDA InfraredDataAssociation HomeRF超宽带 UWB 具有高性能 低功耗和低成本 富有竞争力无线接入和无线上网是研究短距离无线技术的驱动力 无线局域网技术 它们强调高速度及范围的更广阔性 但同时也伴随着能量消耗的增大 典型的无线局域网技术通过接入口为便携式电子设备与局域网间建立连接 IEEE802 11b协议是IEEE802 11b协议的用户可以在100米的无障碍距离内最大获得每秒5 5兆比特的数据 IEEE802 11a协议 在5 150到5 350千赫兹频段的室内工作 IEEE802 11a协议则可以在50米的无障碍距离范围内最大提供每秒24 35兆比特的数据 在实际的应用当中 所有的短程无线通信技术都会调低它们的速度以补偿由远距离 墙体 人体 以及其它一些障碍物所造成的影响 基于半导体技术的超宽频带无线电收发机将在5米到10米的距离内提供高速的数据传输 数据可达到100 500兆比特 这种NB 高比特速率的应用就会使今天所使用的无线协议不适用 4 6 2020 22 UWB技术 FCC定义 信号带宽比中心频率高25 或者大于1 5GHz设发射信号载频 子脉冲宽度 脉冲重复周期 Chirp子脉冲时宽 子脉冲个数N 16 目标距离测试雷达500米 图3是LFM子脉冲步进信号的距离像 频率步进雷达实现高距离分辨的实质是对目标回波进行频域采样 然后求其时域的变换值 下图示出了IFFT的仿真结果 UWB无线系统设计 脉冲信号的产生方法 脉冲串的调制方法 适于UWB的天线设计方法 UWB接收机 信号处理 产生方法 光电方法 光导开关 电子方法 PN结雪崩调制方法 脉冲位置调制PPM 时间调制TM 脉冲幅度调制PAM目前较成熟的UWB通信信号有两种 时间调制 TM UWB和直接序列相位编码 DSC UWB 802 16标准的网络可覆盖30英里以内的范围 具有同时传输数据 语音和视频的能力 速度最快可高达70兆 秒Wi Fi2002年2月英特尔制造出了UWB发送和接收样机 并将二者距离约设置为3米 演示了以相当于IEEE802 11b约10倍的100Mbps的速度传送数据 信道容量理论 C 1b 1 S N 最大信道容量与带宽成线性关系 USB系统带宽一般有2GHz甚至更宽 比带宽受限的Bluetooth IEEE802 11以及HomeRF HiperLAN2等无线系统有更大的容量 高比特速率的应用就会使目前所使用的无线协议不再适用 4 6 2020 23 UWB statistic 4 6 2020 24 特点与局限 主要优点1 UWB无线技术简单 仅需毫瓦级功率 比现有系统低1 10 1 100 成本低2 5 10米的范围内提供100Mbps 高于802 11 54M 和蓝牙 70M 空间容量大3 多径不是主要问题 纳秒级的分辨率在时间上可以分离 采用RAKE接收和时间分集 可以充分利用信号能量 4 更安全的通信方式 发射信号在大范围的频段内平均分布 淹没于环境噪声中 难于被敌方检测5 最理想地情况 高速脉冲可以穿透墙壁和物体 兼有通信 定位 车辆防撞 测距 透视等功能并有望集成于一体 局限 1 干扰 宽频带决定2 易干扰其它设备 涉及航空 军事天文 安全等领域 对于窄带系统严重干扰3 脉冲窄 带宽宽 SNR小 信道容量下降 BER下降 需要取得平衡 4 6 2020 25 参考文献 1 BruceNoel Ultra widebandradar ProceedingsoftheFirstLosAlamosSymposium USA CRCPress BocaRaton 1991 2 JamesD Taylor IntroductiontoUltrawidebandRadarSystem USA CRCpressBocaRaton 1995 3 阿斯塔宁 A A 考斯泰列夫 杨逢春王积勤译 超宽带雷达测量基础 国防科技大学出版社 2000年 4 K T Kim D K Sao H T Kim Radartargetidentificationusingone dimensionalscatteringcentres IEEProc SonarNaving Vol 148 No 5 October2001 5 赵尚弘 杨晓铁 谢小平 超宽带冲击雷达与反隐形技术 空军工程大学学报 自然科学版 第一卷第二期 2000年 6 罗宏许小剑黄培康吴兴无郝荣奎 目标宽带雷达特征信号的建模与预测 电子学报 第九期 1999 7 常文革 超宽带合成孔径雷达方程研究 系统工程与电子技术 第二十四卷第九期 2002 8 MerrillSkolnik RoleofRadarinMicrowaves IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandtechniques Vol 50 No 3 March2002 9 MuhammadDawood RamM Narayanam MultipathandGroundClutterAnalysisforaUWBNoiseRadar IEEETrans OnAerospaceandElectronicSystems Vol38 No 3 July2002 10 HualyingTan ApplicationofUWBinMeasurementthedepth IEEEInternationalRadarConferenceProceedings 2001 4 6 2020 26 11 罗宏许小剑黄培康吴兴无郝荣奎 目标宽带雷达特征信号的建模与预测 电子学报 第九期 1999 12 HuLaizhao HSignalforBestDectection 3rdInternationalConferenceonMicrowaveandMillimeterWaveTechnologyProceedings 2002 13 E F Knott J F ShaefferandM T Tuley RadarCrossSection SecondEdition ArtechHouse Boston 1993 14 MuhammadDawood RamM Narayanam MultipathandGroundClutterAnalysisforaUWBNoiseRadar IEEETrans OnAerospaceandElectronicSystems Vol38 No 3 July2002 15 HualyingTan ApplicationofUWBinMeasurementthedepth IEEEInternationalRadarConferenceProceedings 2001 16 姜文利 柯有安等 高频区雷达目标散射模型及其参数估计 电子学报 1998年 17 TerenceW Barrett HistoryofUltraWideBand UWB Radar Communications PioneersandInnovators ProgressInElectromagneticsSymposium2000 PIERS2000 Cambridge MA July 2000 18 黎海涛 徐继麟 超宽带雷达目标回波建模 系统工程与电子技术 2000年 19 K M Chen E J Rethwell D P Nyquist Ulrawidebandshortpulseradarfortargetidentificationanddetection laboratorystudy IEEEInternationalRadarConference Alexardria 1995 450 455 20 MerrillSkolnik RoleofRadarinMicrowaves IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandtechniques Vol 50 No 3 March2002 20 D R Wehner HighresolutionRadar 2ed ArtechHouse 1995 4 6 2020 27 21 LiYanzhong AReasearchonUltraWidebandRadarPulseCompressionGenerationSystems Ph Ddissertation UESTC Chengdu Oct 2000 22 Y T Chan K C Ho S K Wong AircraftidentificationfromRCSmeasurementusinganorthogonaltransform IEEProc Radar SonarNavig Vol 147 No 2 April2000 23 ADA369600 VisualizationandDataAnalysisTechniquesforUltra WidebandWide AngleSyntheticApertureRadarData FinalreptSep97 98 24 ADA256075 DetectionofUltrawidebandRadarSignals Interimrept NavalResearchLab Washington DC 25 ADA262154 Ultra WidebandRadarTransientDetectionusingTime FrequencyandWaveletTransforms Master sthesis NavalPostgraduateSchool Monterey CA 26 Hamalainen M Hovinen V Tesi R Iinatti J H J Latva aho M OntheUWBsystemcoexistencewithGSM900 UMTS WCDMA andGPS SelectedAreasinCommunications IEEEJournalon Volume 20Issue 9 Dec 2002 Page s 1712 1721 27 Welch T B Musselman R L Emessiene B A Gift P D Choudhury D K Cassadine D N Yano S M TheeffectsofthehumanbodyonUWBsignalpropagationinanindoorenvironment SelectedAreasinCommunications IEEEJournalon Volume 20Issue 9 Dec 2002Page s 1778 1782 28 Foerster J R Interferencemodelingofpulse basedUWBwaveformsonnarrowbandsystems VehicularTechnologyConference 2002 VTCSpring2002 IEEE55th Volume 4 6 9May2002Page s 1931 1935vol 4 29 Ely J J Fuller G L Shaver T W Ultrawidebandelectromagneticinterferencetoaircraftradios DigitalAvionicsSystemsConference 2002 Proceedings The21st Volume 2 2002Page s 13E4 1 13E4 12vol 2 30 ZhiqiangWu FangZhu Nassar C R Highperformanceultra widebandwidthsystemsvianovelpulseshapingandfrequencydomainprocessing UltraWidebandSystemsandTechnologies 2002 DigestofPapers 2002IEEEConferenceon 21 23May2002Page s 53 58 4 6 2020 28 31 LiZhao Haimovich A M Performanceofultra widebandcommunicationsinthepresenceofinterference SelectedAreasinCommunications IEEEJournalon Volume 20Issue 9 Dec 2002Page s 1684 1691 32 Qiu R C Astudyoftheultra widebandwirelesspropagationchannelandoptimumUWBreceiverdesign SelectedAreasinCommunications IEEEJournalon Volume 20Issue 9 Dec 2002Page s 1628 1637 33 Skolnik M Statusofultrawideband UWB radaranditstechnology AntennasandPropagationSocietyInternationalSymposium 1992 AP S 1992Digest HeldinConjuctionwith URSIRadioScienceMeetingandNuclearEMPMeeting IEEE 18 25July1992Page s 1224 1227vol 3 34 Kisenwether E C Ultrawideband UWB impulsesignaldetectionandprocessingissues TacticalCommunicationsConference 1992 Vol 1TacticalCommunications TechnologyinTransition Proceedingsofthe 28 30April1992Page s 87 93vol 1 35 Siwiak K Ultra widebandra