扩频穿墙雷达墙体杂波抑制方法研究

摘要

穿墙雷达能够对墙体等障碍物后的目标进行探测，定位、成像，广泛应用于公安执法、反恐巷战及灾难救援等多个领域。墙后微弱的目标信号往往淹没于墙体信号中，并存在时延和衰减等问题，导致目标成像效果不佳、定位不准，甚至探测失败。因此，墙体杂波抑制是穿墙雷达中需解决的关键问题，基于扩频信号的穿墙雷达具有平均功率高、抗噪声能力强、信号隐蔽性好等优点，应用前景广阔，但由于扩频信号的连续波特性，极大的增加了墙体杂波抑制难度。因此，本文针对扩频穿墙僻达中的墙体杂波抑制问题展开研究，主要研究内容及取得的成果如下： 1.扩频穿墙雷达中墙体和目标回波信号具打多径特征，本文对多径信号的特点及抗多径干扰方法进行研究，仿真对比不同抗多径干扰技术的特点及适用范围，利用抗多径技术对扩频穿墙雷达中的回波信号时延进行准确估计。此外，搭建了基于时域有限差分（Finite Differcnt Timc Domain,rDTD）方法的穿墙雷达回波仿真系统，使得仿真信号更加接近实际的穿墙雷达回波信号，根据扩频穿墙雷达的应用背景，对比了不同伪随机序列的自相关特性，仿真结果坡明M序列具有自相关性好，旁瓣更低等优点，适用于穿墙雷达探测，并对不同扩频码频率下的目标定位精度进行研究。 2.提出了一种基于扩频信号的穿墙雷达多级延迟锁定环(Multilevel Delay Lock Loop，M-DLL)杂波抑制方法。针对扩频穿墙雷达中微弱目标回波淹没于强杂波中而无法探测这一问题，所提出方法可以依次有效的对直达波、墙体一次回波、墙体多次回波等分别进行信号跟踪并消去，在不影响目标回波信息的基础上，实现了对墙后目标静止时的杂波抑制，同时，为了改善目标回波信噪比，提出M-DLL长时相干累积方法，并对信号穿过墙体发生畸变时的M-DLL方法的杂波抑制能力进行分析，仿真结果表明，M-DLL杂波抑制方法与指数平均，空域滤波等现有其它方法相比具有杂波抑制效果好、抗噪声能力强、定位精度高等优点。 3.提出一种后向投影中的成像点时延快速计算方法。该方法在保证时延不变的条件下将空气-墙-空气的复杂三层模型转换为简单的墙-空气两层模型，通过在墙体与空气介质的分界面进行搜索，找到像点电磁波的最优传播路径并计算时延，该方法避免了对复杂高欲方程求解与牛顿迭代的大量计算，改善了穿墙雷达成像中像点时延计算量大、实时性弱的问题。仿真结果表明，与现有其他方法相比，该方法在保证像点时延计算精度的前提下，大幅度降低了计算时间，满足穿墙雷达中实时成像的要求。 4.提出一种新型的穿墙雷达子空间杂波抑制方法。该方法针对子空间杂波抑制技术中墙体子空间难以确定这一难题，在分析扩频穿墙雷达中墙体和目标奇异值分布规律的基础上，根据穿墙雷达天线排列分布特点以及扩频信号的自相关特性，利用奇异向量的平稳程度对墙体子空间进行有效筛选。实验结果表明，与传统的穿墙雷达子空间方法相比，所提出方法对墙体杂波抑制效果好，目标图像清晰，图像改善因子得到提高。 5.提出一种基于频率步进穿墙雷达的杂波抑制方法。首先对回波散射矩阵中的墙体信息与目标信息的多维特性进行分析，给出了墙体参数，天线位置，以及目标位置与数量对奇异值分布的影响。在此基础上，将墙体子空间筛选技术推广到频率步进穿墙雷达中，并对该方法中目标与天线孔径相对位置，墙体结构对杂波抑制的影响进行深入研究。实测结果表明，与现有一些穿墙雷达子空间杂波抑制方法相比，所提出方法杂波抑制效果较好，目标图像清晰。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 扩频穿墙雷达系统

1.2.2 穿墙雷达信号抗多径技术

1.2.3 穿墙雷达杂波抑制方法

1.2.4 穿墙雷达成像算法

1.3 本论文的主要研究内容

2 扩频穿墙雷达回波信号的时延估计

2.1 引言

2.2 扩频穿墙雷达模型

2.2.1 穿墙雷达探测场景

2.2.2 发射信号的选取

2.2.3 回波信号的多径特点

2.3 扩频穿墙雷达的抗多径技术

2.3.1 窄相关技术性能分析

2.3.2 Double-Delta技术性能分析

2.3.3 多径估计延迟锁定环技术性能分析

2.4 扩频穿墙雷达的多径抑制特点

2.5 本章小结

3 基于扩频穿墙雷达的M-DLL杂波抑制方法

3.1 引言

3.2 扩频穿墙雷达回波信号FDTD仿真系统

3.3 M-DLL杂波抑制方法

3.3.1 目标回波特点

3.3.2 直达波墙体回波的重构与消除

3.3.3 目标回波的确定

3.3.4 信号畸变的影响

3.4 本章小结

4 M-DLL杂波抑制方法性能及成像研究

4.1 引言

4.2 M-DLL穿墙雷达精度研究

4.2.1 扩频系统测距精度

4.2.2 扩频信号后向投影算法

4.2.3 成像点时延的计算

4.2.4 基于DLL技术的目标成像精度

4.3 M-DLL穿墙雷达性能研究

4.3.1 抗噪声能力

4.3.2 目标图像改善因子

4.3.3 目标信噪比的提高

4.3.4 近墙目标的检测

4.3.5 目标定位时间

4.4 本章小结

5 扩频穿墙雷达墙体子空间选择杂波抑制方法

5.1 引言

5.2 基于SVD杂波抑制方法

5.2.1 矩阵奇异值分解

5.2.2 穿墙雷达SVD技术

5.2.3 穿墙雷达子空间投影技术

5.2.4 噪声子空间

5.3 基于奇异向量方差的扩频穿墙雷达杂波抑制方法

5.3.1 奇异值分布分析

5.3.2 墙体子空间的选择方法

5.3.3 墙体子空间选择方法实验仿真

5.3.4 墙体子空间选择方法成像

5.4 实验验证与结果分析

5.4.1 仿真验证

5.4.2 图像改善效果

5.5 本章小结

6 基于SVD的频率步进穿墙雷达杂波抑制方法

6.1 引言

6.2 频率步进穿墙雷达

6.3 频率步进雷达奇异值分布

6.3.1 墙体奇异值分布

6.3.2 目标奇异值分布

6.4 频率步进雷达杂波抑制

6.5 实验验证与结果分析

6.6 本章小结

7 总结与展望

7.1 全文工作总结

7.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果