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近程毫米波LFMCW雷达多目标信号分析与处理方法研究

作　者: 吴礼
导　师: 是湘全；彭树生
学　校: 南京理工大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 近程毫米波LFMCW雷达多周期模糊函数多目标距离速度去耦合加速运动多目标检测寄生调幅与相位噪声杂波测量多目标回波信号模拟
分类号: TN957.51
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

毫米波LFMCW雷达体积小,重量轻,易于高度集成化,工作频带宽,分辨率高,敌方难以截获,抗干扰性能强并具有较好的全天候工作能力,从而使之在精确制导、战场监视、汽车防撞、工业控制、环境遥感等领域中有着广泛的应用前景。本论文以近程制导应用为背景,依托实际工程项目,采用理论分析、仿真实验、工程验证相结合的方法,对近程毫米波LFMCW雷达目标信号模型、多目标运动参数估计、寄生调幅干扰抑制及相位噪声对多目标探测性能影响等进行了分析研究,在利用自行研制的一套Ka波段LFMCW雷达样机测量几种典型地物杂波特性的基础上,模拟了地杂波环境下的多目标回波信号,为工程项目的研究提供了理论基础与参考。本文的主要内容包括以下几个方面:(1)推导了毫米波LFMCW雷达目标回波信号在时域和频域上的表达式;通过信号复包络导出了具有大时带宽积的对称三角LFMCW信号的单周期和多周期模糊函数,分析和比较了这两种模糊函数的性质和特点;详细讨论了系统噪声、扫频非线性、时域加窗等损失因子对毫米波LFMCW雷达距离分辨率的影响。(2)研究了多目标距离速度去耦合的方法。首先,针对现有方法对多目标检测时存在的缺点,提出了一种改进的发射变周期LFMCW信号法,实现了多目标距离速度去耦合。该方法利用对称三角波上下扫频得到的频谱对称性实现固定杂波的抑制,达到简化目标环境、提高目标检测性能的目的,同时利用区域滑动窗检测法实现目标回波信号频谱峰值检测,提高目标参数的估计精度。其次,提出了利用分数阶Fourier变换结合Radon-Ambiguity变换实现毫米波LFMCW雷达多目标距离速度去耦合的算法。在利用Radon-Ambiguity变换估计出调频率的基础上,结合分数阶Fourier变换准确地估算出信号的中心频率实现距离速度去耦合,进而得到正确的目标一维距离谱。第三,提出了利用分数阶自相关和分数阶Fourier变换实现多目标距离速度去耦合的方法,该方法在估计调频率时采用迭代方法进行一维扫描搜索,与Radon-Ambiguity变换方法相比具有更快的运算速度。仿真结果验证了这些方法的有效性。(3)研究了加速运动多目标的检测。分析了目标具有加速度运动时毫米波LFMCW雷达的差拍信号,得出了差拍信号参数与目标运动参数之间的变化关系;推导了毫米波LFMCW雷达信号的加速度模糊函数及加速度固有分辨力关系式,研究了目标加速度对多普勒频率估计精度的影响;针对Wigner-Ville分布与Radon变换方法对多个目标参数估计时存在交叉项的弱点,提出利用改进型Wigner-Ville分布与Radon变换相结合的方法,消除交叉项引起的虚假目标从而提高了目标参数的估计精度,得到的仿真结果验证了该结论。(4)研究了寄生调幅和相位噪声的影响。讨论了毫米波LFMCW雷达中的寄生调幅干扰,推导了采用变容管调谐方式的VCO输出信号,对系统产生寄生调幅干扰的原因进行了分析;设计了一种中频放大器以抑制寄生调幅干扰并分析抑制效果。建立了考虑相位噪声时毫米波LFMCW雷达目标的差拍信号模型,详细分析了相位噪声对多目标探测性能的影响。(5)研究了毫米波雷达地杂波测量和杂波环境下多目标回波信号的模拟。研制了Ka波段LFMCW雷达杂波特性测量样机,利用角反射体对系统进行了定标,研究了地杂波特性的测量方法和测量步骤。对几种典型地物的散射系数进行了测量,根据实验场地条件确定了数据的有效独立采样数和所需测量次数,建立了数据处理的软件平台并采用软件门技术对回波数据进行处理,有效抑制了干扰信号的影响。对影响散射系数测量精度的因素进行了详细分析,总结了各个误差因素的误差估计值及系统累计误差。在测量小入射角条件下典型地面散射系数和统计特性的基础上,利用零记忆非线性变换法实现了小擦地角情况下的符合特定功率谱的韦布尔杂波仿真,完成了对小擦地角地杂波环境下的毫米波LFMCW雷达多目标回波信号的模拟。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-13
1 绪论  13-30
  1.1 研究背景及意义  13-14
  1.2 毫米波LFMCW雷达特点  14-16
  1.3 国内外研究与应用发展  16-26
    1.3.1 LFMCW雷达信号分析  16-18
    1.3.2 毫米波LFMCW雷达目标距离速度去耦合  18-20
    1.3.3 毫米波LFMCW雷达加速动目标检测  20-22
    1.3.4 毫米波地杂波研究与雷达回波信号模拟  22-24
    1.3.5 工程应用进展  24-25
    1.3.6 应用发展趋势  25-26
  1.4 本文的主要工作和创新点  26-30
2 毫米波LFMCW雷达信号及距离分辨率损失分析  30-45
  2.1 引言  30
  2.2 差拍信号模型  30-32
  2.3 对称三角LFMCW雷达信号模糊函数  32-39
    2.3.1 对称三角LFMCW信号单周期模糊函数推导  33-35
    2.3.2 对称三角LFMCW信号多周期模糊函数推导  35-36
    2.3.3 对称三角LFMCW信号单周期和多周期模糊函数特点比较  36-39
  2.4 距离分辨率损失因子  39-43
    2.4.1 噪声影响  39
    2.4.2 扫频非线性损失  39-41
    2.4.3 加窗损失  41-42
    2.4.4 延迟损失  42-43
  2.5 本章小结  43-45
3 毫米波LFMCW雷达多目标距离速度去耦合方法研究  45-65
  3.1 引言  45
  3.2 距离-速度耦合分析  45-47
  3.3 基于改进变周期LFMCW信号的多目标距离速度去耦合方法研究  47-54
    3.3.1 传统方法存在的问题  47-49
    3.3.2 基于改进变周期LFMCW信号的多目标距离速度去耦合方法实现  49-51
    3.3.3 算法实现步骤  51-52
    3.3.4 计算仿真与结果  52-54
  3.4 基于RAT与FRFT的多目标距离速度去耦合方法研究  54-60
    3.4.1 基于Radon-Ambiguity变换的调频率估计  54-56
    3.4.2 基于FRFT的初始频率估计  56-57
    3.4.3 多目标距离速度去耦合方法的实现  57-58
    3.4.4 计算仿真与结果  58-60
  3.5 基于分数阶自相关与FRFT的多目标距离速度去耦合方法研究  60-64
    3.5.1 基于分数阶自相关的调频率估计  60-61
    3.5.2 基于FRFT的初始频率估计  61
    3.5.3 多目标距离速度去耦合方法的实现  61-62
    3.5.4 计算仿真与结果  62-64
  3.6 本章小结  64-65
4 加速运动多目标的信号分析与参数估计  65-83
  4.1 引言  65
  4.2 加速运动目标的差拍信号模型建立  65-68
    4.2.1 单周期差拍信号模型建立  65-67
    4.2.2 多周期差拍信号模型建立  67-68
  4.3 对称三角LFMCW雷达信号加速度模糊函数分析  68-71
    4.3.1 加速度模糊函数推导  68-70
    4.3.2 加速度分辨力  70
    4.3.3 加速度对多普勒频率估计精度的影响  70-71
  4.4 加速运动多目标参数估计方法研究  71-82
    4.4.1 Wigner-Ville分布及其改进分布  72-75
    4.4.2 基于Radon与Wigner-Ville改进分布变换的Chirp信号参数估计  75-76
    4.4.3 加速运动多目标参数估计  76-82
  4.5 本章小结  82-83
5 寄生调幅抑制与相位噪声对多目标探测性能影响  83-99
  5.1 引言  83
  5.2 寄生调幅研究  83-87
    5.2.1 寄生调幅产生原因分析  83-84
    5.2.2 VCO输出信号分析  84-86
    5.2.3 寄生调幅对雷达系统性能影响  86-87
  5.3 寄生调幅抑制  87-91
    5.3.1 寄生调幅抑制方法  87
    5.3.2 中频放大器设计  87-89
    5.3.3 寄生调幅抑制效果分析  89-91
  5.4 VCO相位噪声理论与模型  91-93
    5.4.1 VCO相位噪声理论  91-92
    5.4.2 相位噪声模型  92-93
  5.5 考虑相位噪声时的差拍信号模型建立  93-96
  5.6 相位噪声对多目标探测性能影响  96-98
    5.6.1 多目标距离像的影响  97
    5.6.2 杂波抑制度的影响  97-98
  5.7 本章小结  98-99
6 地杂波测量与杂波中多目标回波信号模拟  99-127
  6.1 引言  99
  6.2 地杂波后向散射系数理论模型  99-101
  6.3 Ka波段LFMCW雷达地杂波特性测量样机  101-106
    6.3.1 接收机系统设计  101-103
    6.3.2 接收机灵敏度分析  103
    6.3.3 接收机动态范围分析  103-104
    6.3.4 系统校准  104-106
  6.4 典型地物杂波测量研究  106-118
    6.4.1 测量原理  106-108
    6.4.2 独立采样数计算  108-111
    6.4.3 散射系数测量  111-115
    6.4.4 测量误差分析  115-118
  6.5 杂波中毫米波LFMCW雷达多目标回波信号模拟  118-125
    6.5.1 杂波统计模型  118-119
    6.5.2 基于ZMNL方法的韦布尔杂波仿真  119-122
    6.5.3 地杂波环境下毫米波LFMCW雷达多目标回波信号模拟  122-125
  6.6 本章小结  125-127
结束语  127-129
致谢  129-131
参考文献  131-141
攻读博士学位期间发表及录用的论文情况  141-143
参与的科研项目情况  143

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