基于数字延时补偿与外推虚拟阵的UWB信号高分辨力波束形成技术研究

发布时间：2020-11-01 00:36

　　 随着雷达技术的发展,雷达的功能要求已经由目标检测和目标定位,向目标识别、跟踪和高分辨力成像等方向发展。雷达体制也由单基地、单天线、单脉冲和窄带体制逐渐向多基地、多天线、相控阵、MIMO、SAR、脉冲压缩、宽带与超宽带(UWB)等方向发展。提升整个雷达系统探测与定位能力的主要途径是增大阵列孔径与提高信号带宽。本文针对传统基于相位控制的波束形成方法在UWB信号波束形成时会导致主旁瓣比恶化、扫描角度范围受限和波束指向偏移等问题,重点研究了适用于UWB信号的数字延时补偿技术及其波束形成方法,以及基于外推虚拟阵的波束形成技术。论文主要工作与成果如下:1)研究了现有分数延时滤波器的工作原理与设计方法,分析了相应的频响特性以及延时信号重构误差特性,为后续基于数字延时技术的波束形成技术打下基础。2)研究了基于Lagrange分数延时滤波器的UWB信号波束形成技术,采用超宽带线性调频信号和基于Logistic映射的超宽带混沌调频信号进行了仿真验证,结果表明该方法存在高频区信号波束增益下降,旁瓣升高的缺陷。为弥补这一缺陷,设计了一种基于Hermite分数延时滤波器的超宽带波束形成技术,仿真验证了方法的可行性。然后,进一步提出了一种基于上采样和高阶Hermite插值滤波器实现直接延时补偿的波束形成技术,超宽带信号实例仿真表明该方法与上述方法相比不仅结构简单、计算量小,而且实时性更好。3)探讨了UWB信号的Caratheodory表示法,提出了一种将Hermite插值与Caratheodory表示法相结合的延时补偿与波束形成技术。通过典型信号仿真表明该改进方法能够保证高插值精度、同时降低采样模块复杂度的情况下实现UWB信号的延时和波束形成。4)为进一步提高有限阵元情况下UWB雷达的分辨力,研究并提出了四种基于外推虚拟阵技术的波束形成与成像方案。第一种方案是基于二维AR外推虚拟阵并结合Hermite分数延时滤波器的UWB信号波束形成方案。第二种方案在总结AR模型特点的基础上,使用Caratheodory表示法构建虚拟阵并结合Hermite分数延时滤波器实现了超宽带信号的波束形成。接着将二维AR外推技术应用于外推虚拟面阵从而实现高分辨力UWB信号波束形成。最后将二维AR矢量外推技术与空谱分解技术结合实现了高分辨力时间反演成像。这些高分辨力方案均能有效提升空间分辨能力。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN957.51;TN925
【部分图文】：

学位论文?基于数字延时补偿与外推虚拟阵的ＵＷＢ信号高分辨力波束形成技术研宄??针对频域ＵＷＢ信号波束形成存在运算量大及时域输出波形失真的缺点，曹运合等??提出了基于拉伸处理的宽带线性调频信号波束形成方法，能够大大降低数据量，并抑??宽带干扰１３２］。胡谨贤等人提出一种采用交叠ＤＦＴ处理的宽带频域波束形成方法，改??了时域输出波形的失真［３３］。李宁等人提出一种先对数据做一次连续的ＦＦＴ变换，再??频率柜实现宽带波束形成的新方法，保证了脉压性能｜３４］。鲍玥等人提出了多迭代约束??轭梯度的频域宽带波束形成，避免了矩阵求逆运算［３５］。??２）?ＵＷＢ波束形成的时域方法??时域法的基本思想是对每个阵元接收的ＵＷＢ信号进行直接延时补偿并求和，从而??现波朿形成，该方法克服了频域方法输出信号相位不连续的问题，能够输出实时波形??７１。时域方法实现波束形成通常采用抽头延迟线结构与ＦＩＲ／ＩＩＲ滤波器对ＵＷＢ信号??行时间延迟并加权，其结构原理示意图如图１．２．２所示。??

博士学位论文?基于数字延时补偿与外推虚拟阵的ＵＷＢ信号高分辨力波束形成技术研究??及全文组织结构如图１．３．１所示。????播，中您龙??Ｉ?棍屮需求????

图２．３．２?Ｄ取值不同时的冲击响应??理想分数延时滤波器无限长且非因果，实际应用中不可实现，因此我们需要使用物理上??可实现的滤波器去逼近该理想滤波器。实际分数延时滤波器的原理图如图２．３．３所示，??＂（４为实际分数延时滤波器。实际分数延时滤波器的作用与图２．３．１中虚线框内的系统??所起的所用等效。??采样??ｘ（０?Ｘ?４？］?输出咖］???＇?？?Ｈ｛ｚ）?？??图２．３．３实际分数延时滤波器原理图??从上图可以看出，图２．３．１中虚线框内的系统可以等效为一个数字滤波器／／（ｚ）??由式２．３．７可得到／Ｕ？］的频率响应表达式如下??ＨｌＤ（ｅＪ，０）?＝?ｅ－ＪｒｏＤ，?＼（〇＼＜ｔｔ?（２．３．８）??上式中ｗ为归一化角频率，Ｄ可由整数部分／和分数部分Ｊ组成，即??Ｄ?＝?Ｊ＋ｃＬ?ｄｅ［－０．５，０．５］?（２．３．９）??
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本文编号：2864755