Broadband printed antennas and dual-polarized microstrip and waveguide slot antenna arrays

In order to meet the urgent needs in wireless communications, microwave image synthetic aperture radars （SAR）, and electronic warfare systems, this dissertation studies several types of broadband dual-polarized planar antenna elements and arrays, and proposes a few of novel designs with experimental verification. The main accomplishments reported in the dissertation are as follows.

一种适用于雷达侦测的UWB-SOSCA算法

针对宽带雷达检测门限值设置难度大、系统复杂度高、实时性差等问题,提出了一种UWB-SOSCA(Ultra-Wide Band-Smallest of Ordered Statistics and Cell Average)检测算法。该算法主要包括多相滤波、SOSCA恒虚警检测和二元积累。其中,多相滤波将宽带信号划分为多个子信道,降低通道速率;SOSCA恒虚警检测分别对各子信道进行自适应门限调整,提高各子信道检测概率;二元积累对各子信道的检测结果进行时域联合,优化宽带时域连续检测性能。实验结果表明,在信噪比等于7.33 dB,虚警概率为10~(-5)时,SOSCA恒虚警检测算法与传统恒虚警算法相比,检测概率可提升14%;当多相滤波输入信噪比为-5 dB时,UWB-SOSCA算法的宽带线性调频信号脉冲宽度测量偏差优于6.5 ns。该算法具有大监视带宽、大动态范围和高检测概率,可广泛应用于侦察接收机的雷达侦测工作。

一种稳健的频率步进SAR距离向栅瓣抑制方法

频率步进合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)的系统传递函数中存在幅度和相位误差(Magnitude Error and Phase Error,MEPE),通过宽带合成操作在距离宽带信号中引入了周期性MEPE,从而导致宽带合成后的高分辨率距离像(HRRP)中出现周期性栅瓣。经过后续SAR成像处理,这些周期性栅瓣在图像中表现为虚假目标,严重影响SAR图像目标的检测与识别。为此,基于SAR图像的栅瓣抑制(Grating Lobe Suppression,GLS)算法被提出,其基于点状目标假设,利用SAR图像中的强点目标实现图像栅瓣的有效抑制。然而,对于非点状目标场景,已有基于SAR图像的GLS算法的性能显著下降,而且会引起图像散焦。因此,文中提出了一种基于目标信息差异的GLS算法,取名为目标信息差异法。该算法不基于点状目标假设,通过估计宽带合成后的理想HRRP与实际HRRP之间的信息差异,稳健地估计出合成宽带信号中的周期性MEPE。通过补偿该周期性MEPE,该算法可以将频率步进SAR距离向栅瓣抑制到图像的背景水平。通过对不同GLS算法进行性能对比发现,所提GLS算法受图像信杂比影响小,且同时适用于非点状目标和点状目标场景,相比已有GLS算法具有明显的优势。实测数据处理结果证明了所提方法的有效性和相对已有GLS算法的优越性。

一种基于互信息的波形优化设计方法

将注水法改进成一种适用于杂波背景下的通用注水法,通过最大化目标回波与扩展目标特性之间的互信息降低目标特性的不确定性.然后把这种思想应用于目标识别波形优化问题,从而增加各类目标的可分性.仿真结果证明,相对于线性调频信号和注水信号,该方法优化波形可以得到更大的互信息,并能将目标识别率提高3%左右,在信杂噪比较低的时候提高更加明显.

针对目标识别的波形优化设计方法

针对宽带雷达多类目标识别波形优化中的方位敏感性、距离敏感性和初相不确定性问题,该文在高斯色噪声背景下提出一种基于遗传算法和最大滑动相关分类器的波形优化方法,简称为GASC方法。该方法定义目标回波和同类模板之间的匹配系数与该目标回波和异类模板之间匹配系数的差为匹配距离,以最大化各类目标之间的匹配距离的最小值作为优化准则,并约束发射信号幅度是恒定的,然后通过遗传算法进行求解,得到优化波形信号。仿真结果表明,与现有方法相比,该方法能更好地增加各类目标之间的可分性,进而提高目标的识别性能。

宽带雷达能量积累与信号检测方法研究

通过对宽带雷达信号目标回波特性的研究 ,在小信噪比情况下 ,对比分析了宽带雷达脉间相干积累和脉间非相干积累方法的性能 ,同时对多种不同信号检测方法在宽带雷达中的检测性能进行了对比研究。利用模拟的理想数据和实测数据进行仿真研究的结果表明 ,脉间、脉内均采用非相干积累的滑窗检测方法是一种性能稳定运算代价小的有效方法 ,且实现简单 ,有较强的工程应用价值。

滑窗检测在宽带雷达信号处理中的应用研究

对宽带雷达信号的目标回波特性进行了研究,分析了用窗内全部能量积累的方法进行滑窗检测时,窗口长度的变化对检测性能的影响。比较了脉间相干和非相干积累在宽带雷达中的性能。利用模拟的理想数据和实测数据进行仿真研究表明,幅度直接相加的脉间非相干积累方法性能稳定、运算量小,能够有效地提高输入信噪比。

宽带雷达Chirp回波的正交稀疏表示及其在压缩感知中的应用

信号的稀疏表示在信号处理中具有重要意义。该文给出了宽带雷达Chirp回波在一个正交字典上的稀疏表示。利用矩阵形式重新描述宽带雷达中常用的stretch处理,给出了正交字典。将Chirp回波的正交稀疏表示与压缩感知理论相结合应用,得到了Chirp回波的一种新采样机制:随机抽取。仿真数据实验表明,Chirp回波在正交字典上的稀疏表示效果优于其在Gabor原子组成的冗余字典的情况,同时正交字典上稀疏表示计算效率较高。实测数据实验验证了Chirp回波的随机抽取采样机制的可行性。

基于相位调制的宽带雷达波形优化方法

该文针对目标检测中宽带雷达信号发射-接收联合优化的问题,提出基于相位调制的宽带雷达波形优化方法。该方法充分发挥了雷达发射机的发射能力,即对于固定的发射机来说,以发射更大的能量来得到更大的输出信干噪比。仿真结果表明在同样的条件下,与已有方法相比,该方法输出信干噪比有1.8dB左右的提高,尤其是在杂波功率谱密度相对较小的时候效果更为明显。

一种并行AD采集系统的通道匹配误差研究

随着现代宽带雷达通讯的发展,对雷达回波信号的采集和目标的特征提取成为研究者关注的焦点。由于雷达回波的高频信号高达几十兆赫兹,时间交替采样模数转换器(ADC)系统便可在其中发挥重要作用,但这种结构会引入时间、增益和偏置3种主要的通道失配误差。该文对通道失配误差作了分析,建立了3种误差并存的非均匀采样信号频谱的数学模型,并在此基础上提出了该文的误差联合测量高效实时校正算法,最后在现场可编程门阵列(FPGA)中完成了整个算法的实现。

采样率对宽带LFM信号数字脉压的影响

宽带LFM(线性调频)信号数字脉压中,当采样率不能取得足够高时,在不同的采样率下脉压输出结果将发生变化。此时,采样起点和多普勒频率的变化也将影响脉压结果,并且两者对脉压结果的影响有一定的等效关系。通过较全面的仿真,为宽带LFM信号数字脉压的工程应用中合理选择采样率提供了参考。

宽带雷达信号的多通道低速率采样方法

对宽带雷达信号直接采样要求模数转换器具有高采样速率,这将导致采样精度降低并且难以实现。采用将宽带拟信号进行多通道、低速率采样的思路,提出了一种利用自适应波束形成技术恢复信号完整带宽的新方法。低整速率ADC将使采样后信号的频谱发生混叠,该方法将多通道频域采样输出看作阵列输出,利用稳健的自适应处理技术取出所有混叠的频谱,最后将它们拼接成完整的宽带信号。此方法可以同时实现低采样速率与高精度,而且对通道延迟及其它误差稳健。

宽带雷达信号检测技术研究

通过对宽带雷达目标回波的分析,总结了回波的主要特性,详细介绍了采用基于距离窗信息的双门限检测器方法对宽带雷达信号进行检测的方法。为了解决由于宽带数据率太高而导致后续信号处理系统的运算能力无法满足实时处理需求的矛盾,提出了一种为了减少宽带雷达数据率而采用的二次门限非相参积累的实用检测方案。

宽带微带天线技术的探讨

随着现代通信和雷达技术的飞速发展 ,宽频带技术已经成为当前微带天线的研究重点。概述了微带天线实现宽频带所采用的主要措施及各自的优缺点 。

基于宽窄带微多普勒融合的锥体目标三维重构

目标三维特征包含更为精细的结构和微动信息,以锥体弹头为研究对象,提出了一种基于宽、窄带混合体制雷达组网的锥体目标三维重构方法。首先建立锥体目标进动模型,详细分析了目标在不同体制雷达回波中的微多普勒调制特性,然后,使用改进的viterbi算法和最小二乘法对各散射中心的幅相信息进行提取和估计,并通过灰色关联度分析实现非理想散射中心的匹配。在此基础上,构建宽、窄带微多普勒信息融合方程组,解算出锥体目标的进动和结构参数,进而确定目标空间位置,实现三维重构。仿真结果表明,在信噪比为5dB情况下,目标的三维重构精度在91%左右。

采用ISAR像估计弹道目标微动特征的方法

逆合成孔径雷达(inverse synthetic aperture radar,ISAR)像序列可以反映弹道目标在微动周期内的姿态变换及结构特征,本文在此基础上提出一种利用ISAR像序列估计弹道目标微动特征的方法。首先基于relax算法提取较强的散射点,并采用距离-多普勒方法成像,然后利用灰度匹配算法对ISAR图像进行匹配,以提高微动周期估计精度。通过分析散射点在成像平面上的投影关系从而建立散射点空间坐标与目标微动特征之间的联系,并根据散射点在ISAR图像序列上的相对位置差值与散射点空间坐标的表达式,估计目标的微动参数。最后,仿真验证该方法的可行性与有效性,仿真结果表明该方法估计精度较高。

基于目标极化特性的人体隐藏危险品检测方法

为解决在站开式距离的人体隐藏危险品检测问题,利用目标对雷达回波的退极化现象实现对枪支等金属物的远距离检测。通过测量待测对象的雷达的不同极化方向的回波并计算出检测参量,就可以据此判断待测对象是否携带有隐藏危险品。为验证该方法有效性,设计并研制了一套140 GHz宽带极化雷达,并进行了实验测量。实验结果表明:一方面,对于枪支,或者简易爆炸物等退极化效应显著的目标,系统具有较好的检测效果;另一方面,对于退极化效应不明显的目标的检测以及检测距离的增加会导致系统的虚警和漏警概率增大,从而降低检测性能。通过增大发射天线尺寸可以改善检测效果,并且通过检测参量的优化可以提高同等距离下检测性能。

宽带相控阵雷达中波束形成问题的研究

多功能宽带相控阵雷达可以灵活地切换于多种工作模式和实现高分辨成像,成为相控阵雷达发展的重要方向。工作在成像模式时,系统采用具有一定带宽的信号,传统窄带波束形成的方法在宽带相控阵雷达中不再适用。对宽带相控阵雷达中波束形成问题进行了讨论,对波束方向图的畸变给出了定量分析和实验结果。在此基础上,提出了频域宽带波束形成方法中频率柜划分的依据。

正交解调误差对宽带波束形成的影响

宽带相控阵雷达中解调误差的存在会对自适应宽带波束形成造成影响.论文以宽带信号和正交解调误差模型为基础,求解了时域和频域宽带波束形成中自相关矩阵的表达式.通过对自相关矩阵的分析论文指出,误差会引起干扰自由度增加、波束形成性能下降.在宽带波束形成中需要更多的空间自由度.

宽带雷达中频回波长脉冲压缩采样重构中的分段重叠处理及其机理分析

宽带雷达中频回波在频域上稀疏。根据压缩感知理论,可对其进行压缩采样并从压缩采样结果中以很高的概率重构出原信号。中频回波压缩采样的重构需要的矩阵尺寸由中频回波的长度决定。在长脉冲情况下,重构所需的矩阵尺寸大,占用内存资源过多,处理速度慢。针对此问题,论文将分段重叠处理引入重构过程。论文首先详细给出了引入分段重叠处理之后的重构方法,接着通过严格数学推导,证明了频谱泄漏与局部时域序列的关系具有如下特点:远离谱峰的谱值受时域序列两端的影响要强于靠近谱峰的谱值,利用该特点说明了分段重叠处理抑制误差的机理。实测数据实验表明了分段重叠处理在重构质量上优于分段不重叠处理,在对存储资源的要求上远低于不分段处理。