超宽带雷达

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DDWS和DDFS技术


Frequency
在现代电子系统中，频率合成器成为决定系统性能的关键 设备 DDS技术 : DDFS DDWS
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对于超宽带的雷达，普通的 宽频带天线不再适用！
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信道化接收机和射频设计

采样示波器或信道化接收机
接收机和发射机隔离问题 /幅相不平衡问题 / 低噪声放大器设计 合适的隔离器和环行器

NB.传统的窄带的超外差接收机不再适用。
进入接收机的热噪声功率很大，因而接收机的灵敏度很低
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超宽带信号的特点及应用

UWB信号的特点：窄脉冲-----宽频带 高分辨 微功率-----短距离 低功耗 低截获概率
主要应用：

ISAR成像,精细分辨率 目标识别：目标回波与目标的传递函数有关，形状和材料等固有 属性 电磁反隐身雷达: 超视距、多基地、星载、超宽带 地矿探测、勘探、产品检测 短距离通信、保密通信 典型实战产品： 2003年伊拉克战争美军三再适用！
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超宽带目标特性建模

在高频区，目标总的电磁散射可认为是某些局部位置电磁散射的合成, 满足局部性原理,故可把各散射体的散射看作是孤立的。由于各部件之 间不存在相互的电磁影响，散射体的散射场可由各部件散射场的简单 叠加得到。这些局部性的散射源常称为多散射中心，雷达目标散射特 性可用一组散射中心近似。通常认为各散射中心是理想的点目标，其 冲击响应可用Dirac delta函数描述 ,这时的目标模型表示为 : N

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三、超宽带雷达方程与分辨力

在 UWB 雷达中， RCS 和 S 等参数都是频率的函数，超 宽带雷达距离方程与信号频率范围有关，其雷达方 程可表示为：

文献【7】给出的 UWB SAR的超宽带雷达方程 3 G 2 Pt na R4 (4 )3 kTs L ( SNR ) 0
微波通信与电子系统实验室
Microwave Communications & Electronic System Laboratory (MCES)
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超宽带雷达研究报告
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TOPICS


超宽带的概念、发展和应用 超宽带信号产生和波形设计 目标电磁散射特性建模 超宽带雷达方程 超宽频带天线设计 超宽带接收机设计 超宽带雷达信号处理 超宽带RCS测量系统的设计和分析 超宽带技术在通信中的应用 UWB的缺点和不足、发展和趋势预测
Absolute Values of Ca,b Coefficients for a = 1 2 3 4 5 ...
scales a
5
10
15 20 time (or space) b
25
30
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UWB的目标特性测量系统设计

RCS测量系统 功放
滤波器
混频器1
调制器
相参 本振
功分器 混频器3
h(t , ) Ai ( ) (t Ti ( ))
i 1


局部性原理：一个散射体的散射场只取决于散射点的入射场及该点附 近的几何性质，而与散射体的其他部分无关。根据电磁场理论，每个 散射中心相当于 Stratton-Chu 积分中的数值不连续处，从几何的观点 看，就是一些曲率不连续处和表面不连续处。在高频区，主要有以下 几种散射类型： 镜面散射点散射；表面不连续点散射；表面导数不连续点散射；凹形 腔体散射；行波与蠕动波散射；爬行波散射等，考虑不同类散射中心 的散射强度与频率的关系，上式的表示是不完全的；再考虑信号在不 同散射中心间的传播，修正模型如下：
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二、超宽带目标特性





低频区 高频区 （1） 镜面散射中心； （2） 表面不连续型散射中心（如边缘、棱、角、尖端等）； （3） 表面导数不连续型散射中心； （ 4 ） 凹形腔体等多次反射形散射中心（包括二面角、三面 角）； （5） 行波与蠕动波类散射中心； （6） 天线类散射中心。 谐振区
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超宽带雷达信号定义



1990年3月，美国Los Alamos国家实验室召开的超宽带 雷达会议上首次正式提出UWB的概念，超宽带 （Ultra Wide Band，UWB）雷达的定义为： 2( f H f L ) FBW 雷达发射信号的分数带宽（FBW）大于25% f H 的雷达。 fL 分数带宽定义是：
频综1 频综2
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超宽带目标散射中心提取算法

IFFT/GEESE等算法 Prony模型/ 隐马尔可夫模型HMM 状态空间法模型 ； 统计特性模型和高阶谱估计 基于一维散射中心提取算法: IFFT（Inverse Fast Fourier Transform） Fastroot-MUSIC(multiplesignalclassification) TLS-Prony(Total Least Squares-Prony) GEESE(Generalised eigenvalues utilising signal subspace eigenvectors) MP (matrix-pencil)



脉冲压缩信号 具有应用前景和已付诸使用的有四类：线形调频连续波；频率步进脉冲；线形调频脉冲； 相位编码脉冲。前三种波形的模糊图具有倾斜刀刃型，处理时允许时域或频域的少量对 不准，而相位编码一类大带宽信号模糊图为图钉形，少许对不准会产生很大的偏差。 此外，非线形调频信号（NFM）、Taylor 四相码，P3、P4 等多种相位编码技术的研究也 相继成熟。

A HISTORY OF ULTRA WIDEBAND 北京理工大学电子工程系




Synonymous terms : impulse, carrier-free, baseband, time domain, nonsinusoidal, orthogonal function and large-relative-bandwidth radio/radar signals 1969-1984 Harmuth （ Catholic University of America）出版书籍和论文 1972-1987 Ross and Robbins(R&R) （Sperry Rand Corporation ）取得专利 1974, Morey 设计了一个UWB的超宽带探地雷达 1960s Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)和Los Alomos Natoinal Laboratary(LANL)进行了脉冲发射机接收机和天线等的探索性研究 1978 Bennett & Ross summarized the known pulse generation methods. Since that time there have been numerous sessions at conferences, at SPIE meetings, at meetings held by Brooklyn University 1977-1989, the USAF had a program in UWB system development headed by Col. J.D. Taylor. By 1988 the present author was able to organize a UWB workshop for the US DoD's DDR&E attended by over 100 participants (Barrett, 1988). At this time, there was already substantial progress in UWB in the former Soviet Union and China, which in a number of ways antedated and exceeded the progress in the US (cf. Glebovich et al, 1984; Varganov et al, 1985; Meleshko, 1987; Astanin & Kostylev, 1989; Kostylev et al, 1994). In 1990 LANL hosted a conference which provided a forum for the burgeoning developments in UWB systems and subsystems. In 1994, T.E. McEwan, then at LLNL, invented the Micropower Impulse Radar (MIR) which provided a UWB operating at ultralow power, besides being extremely compact and inexpensive.
超宽带雷达具有许多常规雷达不具备的优越性能： （1） 很高的距离分辨力，通常可以达到厘米级； （2） 良好的目标识别能力； （3） 具有目标成像能力，当超宽带雷达工作于扫描状态或合成孔径状态时，可获 得很高的距离分辨力和角度分辨力，从而成像； （4） 可探测森林、地面、墙壁等物体掩蔽下的目标； （5） 具有低的截获概率，从而对抗电子侦察及干扰； (6) 反隐身能力,优化15～20dB

对于超宽带的雷达，传统的雷达方程不再适用！
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四、超宽带天线
常用宽带天线类型： 对数周期天线、螺旋天线、TEM喇叭、双锥天线、V锥天线、扇形 偶极子 缺点：馈电难、辐射效率低、收发耦合强、无法测量时域目标特性 超宽带天线的基本要求： 在超宽带信号频带中输入阻抗不变； 最大辐射方向不变； 存在明显的 相位中心； 场强增益系数的频率关系：发射天线G＝const 接收天线 G~omiga*omiga 准则：要求在一切信号频率上都应有明显的相位中心，这是区分超 宽带天线和 宽波段天线的准则。 结构：电小尺寸喇叭、波纹喇叭、双锥振子、球锥振子、盘锥振子、 脊波导喇叭 平面槽天线、毫米波亚毫米波集成天线 优点：产生对称波束、平衡馈电
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超宽带雷达信号处理
（1） （2） （3） （4）
时频联合处理技术 高阶谱分析技术 核函数分析技术 神经网络技术
NB.传统的匹配滤波处理已不再适用[18]
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小波变换

Morlet小波仿真结果
381 361 341 321 301 281 261 241 221 201 181 161 141 121 101 81 61 41 21 1

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超宽带信号的类型
冲击脉冲 文献[5]中提到三类：基带波（Baseband Waveform）、单周波（Monocycle）、多周波 （Polycycle）。 传统的产生技术通过高速开关高压放电来产生；光导开关的出现 ,直流到数 THz(1THz=1012Hz)的超宽频带 。 新方法是傅立叶合成技术[5]，冲激脉冲列可由一系列相参的谐波振荡器输出合成