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(多图) 穿墙雷达中的动目标定位新方法

来源:电子技术应用/北京理工大学 王治国 费元春 李熹?? 2007年05月16日 ?? 收藏0

摘要:基于冲激式超宽带体制,在穿墙雷达典型探测环境下完成了动目标的回波建模。并结合有效的脉冲积累方法和杂波抑制方法,创新性地将查找表技术应用于穿墙雷达,能够有效获得动目标的位置信息。该方法对系统的计算单元要求很低,图像刷新率快,便于DSP实现,已经在样机试验中取得了良好的效果。

  手持式穿墙探测雷达因为反恐、灾后救援等方面的迫切需要而成为近年来的一个研究重点。常见的墙体多为混凝土结构,频率在1~IOGHz范围内的电磁波在穿过混凝土墙壁时衰减很小,其频率与衰减呈反比关系。其中8GHz时的衰减约为lOdB,2GHz时衰减将下降到5dB以下。本系统采用了频谱为0. 9~3.6GHz两个倍频程的窄脉冲作为雷达发射信号。其相

对带宽高达100%,为超宽带信号;绝对带宽2.7GHz,从而使得系统可能达到0.056m 的距离分辨率。同时,冲激式超宽带体制还具有频谱利用率高、保密性好、抗多径性能优异、抗干扰能力强以及结构简单等优点,特别适合手持式穿墙探测雷达的使用。

  为了实现穿墙雷达中动目标的精确定位,本文在典型探测环境下对动目标的回波做出准确建模,并结合有效的杂波抑制方法,创新性地将查找表技术引入穿墙雷达应用中,能够迅速有效地获得动目标的位置信息。

  1 系统模型

  为了增强雷达系统的保密性,提高系统的抗干扰能力,在超宽带信号发射机中,一般多采用PPM调制方式对发射信号的频谱加以改善,然后再直接耦合到发射天线。发射信号可以描述为:

  ?发射信号?????????????????? (1)
其中p(t)为单个窄脉冲信号,Tp为信号的重复周期,{ci|i=1,2,……N)为伪随机码,NxT为TH-PPM调制时的最大偏移,一般取NxT,T为窄脉冲宽度,nmodN表示取余。因为穿墙系统中PPM调制只在信号传输过程中起作用,所以为了方便讨论,这里暂不考虑PPM调制的影响,即T=0。

  穿墙雷达的应用环境如图l所示,发射信号在A点产生反射、散射和折射,一部分能量直接返回到天线,一部分能量经由地面C点返回,另一部分能量则被传送至B 点,同样经过反射、散射和折射,折射后的能量抵达目标点后,一部分被返回。从图1可以看出,雷达接收到的信号不仅包括墙壁反(散)射回波,还包括地面(天花板)反射回波,这些回波的幅度一般都很大。为了避免接收机饱和,需要消除这些反(散)射渡的影响。常采用的方法是在每个窄脉冲发射后,天线暂时关闭,稍后再转至接收支路,相当于在回波信号上加了一个动态距离门g(t-Tl)。其中天线关闭时间Tl由天线到墙壁的距离以及墙厚、墙介质参数等决定。因为地面反射波到达天线的时间比墙壁反射波的到达时间长,所以Tl的取值一般大于墙壁的反射时间,从而导致墙后一定距离内的回波不能被采集到,产生盲区。

穿墙雷达的应用环境

  对于收发共用天线,不需要考虑天线之间的耦合效应,同时假设墙体材料均匀,并且对信号的形状不产生影响,则第i个PRT上的雷达回波可以表示为:

  ???第i个PRT上的雷达回波
式(2)中第一项为动目标的回波;ai为幅度衰减因子,在不同的PRT中变化比较大;v为动目标的径向速度;C为光速,通常v<可以忽略。第二项为静止目标回波,拥有固定的幅度衰减因子c;n(t)为噪声项。

  当探测目标的运动速度较低(或者目标做匀速运动)时,超宽带信号的PRF很高,可以取Ⅳ个相邻PRT上回波做脉冲积累,以消除(2)式中噪声项的影响;然后将第i次的累积结果与第i-1次的累积结果相减.再取绝对值,结果为:

  ?? 结果为

  将p(1-ξ)和R(t)做相关运算,当相关结果最大时,td=ξ,即为所求的动目标回波延时。变量ξ的下限为Tl,上限为门函数的宽度与Tl之和。为了进一步提高系统实时性,减少运算量,相关处理可以采用二分的方法。

  2 动目标的回波建模和定位

  动目标运动示意图如图2,其中t为目标沿雷达扫描的切向运动,n为目标沿法向移动。设起始时间为0,从图2中可以看出,当目标以均匀速度v沿切向运动时:

当目标以均匀速度v沿切向运动时

  d1随时间t的变化呈直线状。根据动目标径向距离的变化即可推知其运动方向。当需要精确的目标方位角信息时,至少需要两根接收天线,然后利用等距弧线之间的交点即可实现对动目标的定位。


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穿墙雷达? 超宽带? 脉冲积累? 杂波抑制?

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