超宽带雷达

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1、微波通信与电子系统实验室 Microwave Communications Varganov et al, 1985; Meleshko, 1987; Astanin 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

2、(MIR) which provided a UWB operating at ultralow power, besides being extremely compact and inexpensive. 北京理工大学电子工程系 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大新概念武器之一穿墙雷达 北京理工大学电子工程系

3、 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 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（

4、NFM）、Taylor四相码，P3、P4等多种相位编码技术的研究也 相继成熟。 北京理工大学电子工程系 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 北京理工大学电子工程系 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 注意：传统雷达目标特性模型不再适用！ 北京理工大学电子工程系 在高频区，目标总的电磁散射可认为是某些局部位置电磁

5、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 : 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

6、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： 北京理工大学电子工程系 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 Lea

7、st Squares-Prony) GEESE(Generalised eigenvalues utilising signal subspace eigenvectors) MP (matrix-pencil) 北京理工大学电子工程系 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 对于超宽带的雷达，传统的雷达方程不再适用！ 北京理工大学电子工程系 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

8、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Gconst 接收天线 Gomiga*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 对于超宽带的雷达，普通的 宽频带天线不再适用！ 北京理工大学电子工程系 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

9、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 北京理工大学电子工程系 （1） 时频联合处理技术 （2） 高阶谱分析技术 （3） 核函数分析技术 （4） 神经网络技术 NB.传统的匹配滤波处理已不再适用18 北京理工大学电子工程系 Morlet小波仿真结果 北京理工大学电子工程系 RCS测量系统 北京理工大学电子工程系 设发射信号载频600M，子脉冲宽度10M，脉冲重复 周期100us,子脉冲时宽1us，子脉冲个数N16，合 成带宽160M，分数带宽0.267;目标距离测试雷达 1000米，图3是子脉冲步进信号的距离像。 下图示

10、出了IFFT的仿真结果。 北京理工大学电子工程系 UWB无线通信技术与现有的无线通信技术有 着本质的区别。 个人局域网（PAN）的概念。PAN的核心思 想是用无线电或红外线代替传统的有线电缆 ，组建个人化的信息网络。 实现PAN的主要技术有：蓝牙（Bluetooth） ， （它们在2.400到2.483千赫兹频段内工作 ） 10米的无障碍距离内最大传输速度为每秒 70万比特数据。 IrDA（Infrared Data Association）、 Home RF 超宽带（UWB）：具有高性能、低功耗和低 成本、富有竞争力 无线接入和无线上网是研究短距离无线技术 的驱动力。 无线局域网技术，它们强

11、调高速度及范围的 更广阔性，但同时也伴随着能量消耗的增大 。典型的无线局域网技术通过接入口为便携 式电子设备与局域网间建立连接。 IEEE 802.11b协议是IEEE 802.11b协议的用 户可以在100米的无障碍距离内最大获得每秒 5.5兆比特的数据， IEEE 802.11a协议（在5.150到5.350千赫兹 频段的室内工作） IEEE 802.11a协议则可以 在50米的无障碍距离范围内最大提供每秒24- 35兆比特的数据。 在实际的应用当中，所有 的短程无线通信技术都会调低它们的速度以 补偿由远距离、墙体、人体、以及其它一些 障碍物所造成的影响。 基于半导体技术的超宽频带无线电收

12、发机将 在5米到10米的距离内提供高速的数据传输， 数据可达到100-500兆比特。这种 NB.高比特速率的应用就会使今天所使用的无 线协议不适用。 北京理工大学电子工程系 FCC 定义：信号带宽比中心频率高25或者大于1.5GHz 设发射信号载频，子脉冲宽度，脉冲重复周期,Chirp子脉冲时宽，子脉冲 个数N16，目标距离测试雷达500米，图3是LFM子脉冲步进信号的距离像 。频率步进雷达实现高距离分辨的实质是对目标回波进行频域采样，然后 求其时域的变换值。下图示出了IFFT的仿真结果。 UWB无线系统设计： 脉冲信号的产生方法、脉冲串的调制方法、适于 UWB的天线设计方法、UWB接收机、信

13、号处理。 产生方法：光电方法光导开关； 电子方法PN结雪崩 调制方法：脉冲位置调制PPM（时间调制TM）、脉冲幅度调制PAM 目前较成熟的UWB通信信号有两种：时间调制（TM）UWB和直接序列相 位编码（DSC）UWB。 802.16标准的网络可覆盖30英里以内的范围，具有同时传输数据、语音和 视频的能力，速度最快可高达70兆/秒 Wi-Fi 2002年2月英特尔制造出了UWB发送和接收样机，并将二者距离约设置 为3米，演示了以相当于IEEE802.11b约10倍的100Mbps的速度传送数据 。 信道容量理论，C1b（1SN），最大信道容量与带宽成线性关系， USB系统带宽一般有2GHz甚至

14、更宽，比带宽受限的Bluetooth、 IEEE802.11以及HomeRF、HiperLAN2等无线系统有更大的容量。 高比特速率的应用就会使目前所使用的无线协议不再适用。 北京理工大学电子工程系 statistic 北京理工大学电子工程系 主要优点 1。UWB无线技术简单，仅需毫瓦级功率，比现 有系统低1/101/100，成本低 2。510米的范围内提供100Mbps,高于 802.11(54M)和蓝牙(70M)，空间容量大 3。多径不是主要问题，纳秒级的分辨率在时 间上可以分离，采用RAKE接收和时间分集 ，可以充分利用信号能量。 4。更安全的通信方式，发射信号在大范围的 频段内平均分布

15、，淹没于环境噪声中，难于 被敌方检测 5。最理想地情况：高速脉冲可以穿透墙壁和 物体，兼有通信、定位、车辆防撞、测距、 透视等功能并有望集成于一体。 局限： 1。干扰，宽频带决定 2。易干扰其它设备，涉及航空、军事 天文、 安全等领域；对于窄带系统严重干扰 3。脉冲窄带宽宽SNR小信道容量下降 BER下降； 需要取得平衡 北京理工大学电子工程系 1 Bruce Noel，Ultra-wideband radar：Proceedings of the First Los Alamos Symposium， USA：CRC Press，Boca Raton，1991 2 James D.Taylo

16、r, Introduction to Ultrawideband Radar System, USA:CRC press Boca Raton,1995 3 .阿斯塔宁，A.A.考斯泰列夫，杨逢春 王积勤译，超宽带雷达测量基础，国 防科技大学出版社，2000年 4 K.T. Kim, D.K.Sao, H.T. Kim, Radar target identification using one- dimensional scattering centres, IEE Proc.Sonar Naving., Vol.148.No.5,October 2001 5 赵尚弘, 杨晓铁, 谢小平，超宽带冲击雷达与反隐形技术，空军工程大学学报( 自然科学版)，第一卷第二期，200