UWB冲激雷达动目标检测及跟踪理论与关键技术研究

论文摘要

超宽带技术以其巨大的发展潜力受到了各国的广泛关注,在通信和雷达领域取得了飞速的发展,引领着一场技术革命。超宽带冲激雷达作为超宽带雷达中的一员,其特点是:发射和接收无载波短脉冲,从回波信号中获取目标距离、速度和精细结构信息。超宽带冲激雷达具有很大的工作带宽,相对于常规的窄带雷达,具有许多的潜在优势和巨大的军事应用价值。虽然近距离的超宽带冲激雷达因为技术难度较小而发展较为迅速,各国都有一些产品面世,但对于中远程超宽带冲激雷达却鲜有报道,其理论和关键技术都有待进一步研究。“十五”期间,实验室研制了较为完备的中远程超宽带冲激雷达实验样机系统,其最大作用距离超过5公里,达到了国际先进水平,并做了大量的理论和实验研究。本文是在此基础上的后续研究和探讨,其重点在于中远程超宽带冲激雷达对动目标检测及跟踪的理论与关键技术的研究,主要内容包括:首先对中远程超宽带冲激雷达脉冲源进行了深入的研究。详细分析了脉冲源稳定度指标的影响因素,设计出基于雪崩三极管的全固态高稳定度脉冲源单元。通过电路合成和空间合成两种方式进行脉冲源单元的功率和重复频率的相干合成,研制出高功率、高重频脉冲源,为实现超宽带冲激雷达的中远程目标探测提供了前提条件。然后对超宽带冲激雷达动目标检测方法进行了研究,目标回波识别检测是超宽带冲激雷达动目标检测的合适方法。分析了超宽带冲激雷达动目标时域多普勒测速原理,实现目标速度测量的关键在于目标回波的有效积累,文中提出了三种动目标回波积累方法:回波达到时间预估法、分段积累法和回波到达时间预估的分段积累法。进行了大量的超宽带冲激雷达动目标时域多普勒测速仿真研究,三种回波积累方法在适用范围内都能有效目标回波,提高信噪比和测速精度。同时,提出了一种新的动目标测速方法—时域波形对消法,将回波到达时差转化为电压幅度值,对其量化测量,从而反推出回波时差和目标速度。对时域天线波束扫描进行了理论分析,实现超宽带时域天线的波束扫描的关键是对各脉冲源触发时间进行精确的时间延时控制。比照相控阵雷达概念,提出了时控阵雷达的概念。根据工程需要研制出8路高精度延时控制器,以大量的实验证明了时域天线波束扫描理论的正确性和工程上的可行性。将经典的窄带雷达Kalman滤波跟踪理论引入到超宽带冲激雷达动目标跟踪理论,并指出冲激雷达由于采用回波识别检测方法,在跟踪关联上更有优势。最后为了超宽带冲激雷达动目标跟踪实验研究需要,研制出性能优越的全数字伺服系统,实验测试表明该伺服系统完全满足雷达跟踪要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 超宽带的定义
• 1.1.2 超宽带冲激雷达的特点
• 1.1.3 中远程超宽带冲激雷达的军事应用价值
• 1.2 超宽带的发展及冲激雷达研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 中远程超宽带冲激雷达动目标探测的关键技术
• 1.4 超宽带冲激雷达动目标检测方法
• 1.5 本文所做的工作和结构安排
• 1.5.1 本文所做的工作
• 1.5.2 本文的结构安排
• 第二章 UWB冲激雷达实验系统
• 2.1 系统结构
• 2.2 超宽带全固态发射机
• 2.3 超宽带正交解调接收机
• 2.4 超宽带天线
• 2.5 信息处理机及信息处理软件系统
• 2.5.1 收发时序控制模块
• 2.5.2 高速数据采集模块
• 2.5.3 数据处理模块
• 2.6 小结
• 第三章 UWB冲激雷达全固态脉冲源
• 3.1 脉冲源参数描述
• 3.1.1 波形参数
• 3.1.2 功率参数
• 3.1.3 稳定度参数
• 3.2 脉冲源稳定度分析
• 3.2.1 几种脉冲源的参数比较
• 3.2.2 时基短时抖动机理分析
• 3.2.3 长时漂移机理分析
• 3.2.4 脉冲源波形抖动机理分析
• 3.3 高稳定度脉冲源设计
• 3.3.1 Marx电路
• 3.3.2 电路参数的确定
• 3.3.3 梳状PCB电路结构
• 3.3.4 提高脉冲源稳定度具体措施
• 3.3.5 设计实例
• 3.4 高功率高重频脉冲源设计
• 3.4.1 脉冲源功率相干合成
• 3.4.2 脉冲源重频相干合成
• 3.4.3 脉冲源相干合成的几个问题
• 3.4.4 设计实例
• 3.5 小结
• 第四章 UWB冲激雷达动目标检测
• 4.1 目标回波识别检测
• 4.1.1 UWB线性调频雷达系统相关检测及其局限性
• 4.1.2 脉冲回波匹配与识别检测理论
• 4.1.3 回波特征描述与提取算法
• 4.1.4 特征矢量匹配与双门限检测
• 4.1.5 特征矢量正交基的讨论
• 4.1.6 系统检测算法实验效果
• 4.2 射频干扰及噪声抑制
• 4.2.1 UWB冲激雷达中的射频干扰和噪声
• 4.2.2 波门选择
• 4.2.3 回波信号相干积累
• 4.2.4 频域背景对消在射频干扰抑制中的应用
• 4.3 时域多普勒法动目标测速
• 4.3.1 时域多普勒测速原理
• 4.3.2 单个脉冲回波分析
• 4.3.3 周期脉冲回波分析
• 4.3.4 脉冲到达时间测量
• 4.3.5 速度测量精度分析
• 4.3.6 恒测速误差检测
• 4.3.7 动目标回波积累
• 4.3.8 仿真结果
• 4.4 时域波形对消法动目标测速
• 4.4.1 时域波形对消法原理
• 4.4.2 时域波形对消速度测量适用范围
• 4.4.3 回波幅度归一化
• 4.4.4 测速精度分析
• 4.5 中远距离目标探测外场实验
• 4.5.1 中距离目标探测实验
• 4.5.2 远距离目标探测实验
• 4.6 小结
• 第五章 UWB时域天线波束扫描
• 5.1 UWB冲激雷达目标角度测量
• 5.2 UWB天线时域方向图定义
• 5.3 UWB时域波束扫描理论
• 5.4 延时控制器设计
• 5.4.1 延时控制器指标
• 5.4.2 延时控制器结构
• 5.4.3 延时控制器的工作原理
• 5.4.4 电路设计
• 5.5 时域天线扫描外场实验
• 5.6 小结
• 第六章 UWB冲激雷达动目标跟踪理论
• 6.1 UWB冲激雷达Kalman滤波与跟踪理论
• 6.1.1 g-h滤波器
• 6.1.2 瞬时误差最小化
• 6.1.3 g-h-k滤波器
• 6.2 UWB冲激雷达目标跟踪关联
• 6.3 小结
• 第七章 UWB冲激雷达数字伺服系统
• 7.1 伺服系统设计
• 7.1.1 伺服系统整体结构
• 7.1.2 PC104电路
• 7.1.3 单片机电路
• 7.2 PID控制及参数设计
• 7.3 伺服系统测试结果
• 7.4 小结
• 第八章 结束语
• 8.1 本文的主要研究成果
• 8.2 后续工作
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 一、主要发表论文
• 二、主要参研项目