基于IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)的性能研究.pdf

1、穿墻成像可以對(duì)被障礙物遮擋的目標(biāo)進(jìn)行主動(dòng)、非入侵式地探測識(shí)別，在軍事、救援等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。作為穿墻成像的探測信號(hào)，IR-UWB信號(hào)具有穿透能力強(qiáng)、分辨率高、目標(biāo)識(shí)別能力強(qiáng)、多徑分辨能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、探測盲區(qū)小等眾多優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了廣泛的關(guān)注。基于IR-UWB信號(hào)的穿墻成像系統(tǒng)主要由探測和成像兩部分組成，不同的探測環(huán)境、探測方式和穿墻成像算法使系統(tǒng)具有不同的性能。實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使系統(tǒng)的性

2、能滿足應(yīng)用的需求，這使得對(duì) IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)性能的研究成為了系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問題。與傳統(tǒng)探空成像系統(tǒng)相比，基于IR-UWB的穿墻成像系統(tǒng)往往具有墻體阻擋、超寬帶、實(shí)孔徑和近場工作等特點(diǎn)，在系統(tǒng)性能的研究中必須充分考慮這些特點(diǎn)的影響。然而，已有的成像系統(tǒng)性能的研究成果對(duì)這些特點(diǎn)的考慮有限，還無法對(duì)IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)性能進(jìn)行有效預(yù)測和分析，更不能準(zhǔn)確地指導(dǎo)相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因此，深入研究IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)的性能，對(duì)實(shí)際系

3、統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要意義。
　　本文在分析國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)的上述特點(diǎn)，根據(jù)目標(biāo)的散射點(diǎn)模型，以二維平面內(nèi)的墻后理想點(diǎn)目標(biāo)成像為背景，在假設(shè)目標(biāo)可以被檢測到的前提下，對(duì) IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)進(jìn)行了深入研究，同時(shí)以性能指標(biāo)分析為主線研究了 IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)中主要系統(tǒng)參數(shù)及穿墻成像算法設(shè)計(jì)的一些關(guān)鍵問題，為實(shí)際穿墻成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。論文的研究內(nèi)容主要包括以

4、下幾個(gè)方面：
　　第一，IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)及性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。本文在明確 IR-UWB穿墻成像基本原理的基礎(chǔ)上，介紹了穿墻探測環(huán)境、目標(biāo)模型和探測方式，基于IR-UWB信號(hào)和實(shí)孔徑天線陣，給出了一種二維穿墻成像探測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。同時(shí)，為了判定穿墻成像系統(tǒng)工作在遠(yuǎn)場還是近場，推導(dǎo)了 IR-UWB天線陣的遠(yuǎn)近場分界。在此基礎(chǔ)上，介紹了對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行直達(dá)波抑制的方法，同時(shí)重點(diǎn)研究了墻體參數(shù)已知的一種常用穿墻成像算法——后向投影穿墻成

5、像(BP-TWI)算法，并針對(duì)天線與墻體之間存在一定距離時(shí)，BP-TWI算法中信號(hào)穿墻傳播時(shí)延計(jì)算復(fù)雜的問題，提出了利用等效二層介質(zhì)模型計(jì)算信號(hào)穿墻傳播時(shí)延的方法。最后分析了IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)。
　　第二，墻體參數(shù)未知的IR-UWB穿墻成像中定位誤差修正的研究。定位誤差是 IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)的一個(gè)重要性能指標(biāo)。對(duì)于墻體參數(shù)未知的應(yīng)用情況，它的一個(gè)主要來源是墻體參數(shù)的估計(jì)誤差。本文首先基于BP-TWI算法，

6、明晰了墻體參數(shù)估計(jì)誤差對(duì) IR-UWB穿墻成像中定位誤差的影響。在此基礎(chǔ)上，通過對(duì) BP-TWI算法中的聚焦時(shí)延差進(jìn)行補(bǔ)償間接地實(shí)現(xiàn)了墻體參數(shù)估計(jì)誤差的補(bǔ)償。同時(shí)以圖像對(duì)比度作為衡量指標(biāo)，提出了一種對(duì) IR-UWB穿墻成像中定位誤差進(jìn)行自動(dòng)修正的穿墻成像算法，自動(dòng)對(duì)焦 BP-TWI算法。然后為了降低 BP-TWI算法的計(jì)算復(fù)雜度，使其具有實(shí)用性，通過對(duì)實(shí)際聚焦時(shí)延差進(jìn)行近似補(bǔ)償，提出了等時(shí)延-速度補(bǔ)償自動(dòng)對(duì)焦 BP-TWI(ITD-VC

7、AF-BP-TWI)算法。數(shù)值仿真結(jié)果表明，該算法很好地修正了墻體參數(shù)未知時(shí)穿墻成像中的定位誤差，所得成像結(jié)果與墻體參數(shù)已知時(shí) BP-TWI算法的成像結(jié)果相當(dāng)，并且解決了已有算法代價(jià)高和通用性差的問題。
　　第三，IR-UWB穿墻成像分辨率的研究。當(dāng)對(duì)墻后目標(biāo)輪廓或多目標(biāo)進(jìn)行成像時(shí)，成像分辨率是 IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)需要重點(diǎn)關(guān)注的另一個(gè)性能指標(biāo)。鑒于本文給出的IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)具有超寬帶、近場、實(shí)孔徑天線陣以及墻體阻擋的

8、特點(diǎn)，已有分辨率計(jì)算方法不再適用，無法對(duì) IR-UWB穿墻成像分辨率進(jìn)行有效預(yù)測。故本文針對(duì) IR-UWB穿墻成像系統(tǒng)的上述特點(diǎn)，首先在不考慮墻體影響的條件下，提出了一種自由空間下近場成像分辨率的計(jì)算方法。然后進(jìn)一步結(jié)合墻體影響，基于墻體參數(shù)已知的BP-TWI算法，提出了一種 IR-UWB穿墻成像分辨率的近似計(jì)算方法。同時(shí)通過數(shù)值仿真驗(yàn)證了所提出的分辨率計(jì)算方法的有效性。并為指導(dǎo)穿墻成像系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)，明確了IR-UWB穿墻成像分辨率的

9、空間分布以及分辨率與系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系。
　　第四，IR-UWB穿墻成像中虛假像抑制的研究。定位誤差、分辨率對(duì)于檢測到的真實(shí)目標(biāo)才有意義，然而虛假像的存在會(huì)增加真實(shí)目標(biāo)的檢測難度等，是影響系統(tǒng)性能的重要因素之一。本文首先對(duì) IR-UWB穿墻成像中虛假像的成因進(jìn)行了分析，明確了虛假像的一個(gè)主要來源是 IR-UWB天線陣近場時(shí)域波束形成的旁瓣。在此基礎(chǔ)上，通過對(duì) IR-UWB近場時(shí)域波束形成原理進(jìn)行深入研究，明確了影響波束形成性能的系統(tǒng)參