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正交压缩采样雷达


正交压缩采样雷达

作  者:刘中,陈胜垚

出 版 社:科学出版社

出版时间:2022年03月

定  价:99.00

I S B N :9787030718280

所属分类: 专业科技  >  工业技术  >  电子通信    

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TOP内容简介

正交压缩采样雷达是基于正交压缩采样理论发展起来的欠采样雷达,可采用低速模数转换器实现雷达回波信号的欠采样,并在欠采样域进行雷达目标估计。《正交压缩采样雷达》系统地介绍了雷达回波的正交压缩采样及其处理方法与技术,内容包括:雷达信号采样与处理,压缩采样基础,正交压缩采样理论,网格上目标的脉冲多普勒处理方法以及非网格上目标信息估计技术等。《正交压缩采样雷达》是作者近年来部分研究成果的总结和提炼,在内容选取上侧重于正交压缩采样雷达的信号采集,目标信息估计原理、方法和技术,性能分析,并辅以性能仿真。

TOP目录

目录
前言
中英文名词对照表
第1章 雷达信号采样与处理 1
1.1 雷达回波模型 1
1.1.1 一般回波模型 1
1.1.2 窄带回波模型与多普勒频率 6
1.2 回波信号的采样 8
1.3 停跳假设与雷达回波的慢时采样 11
1.4 雷达回波的快时采样 13
1.4.1 基带信号采样 13
1.4.2 正交采样 14
1.4.3 复信号采样 16
1.5 雷达回波离散化模型 17
1.6 雷达目标信息估计 18
1.6.1 匹配滤波处理 19
1.6.2 网格上目标的估计 21
1.6.3 非网格上目标的估计 24
1.6.4 目标检测 25
1.7 雷达目标处理能力和性能 29
1.7.1 模糊目标 30
1.7.2 雷达分辨率 31
1.7.3 信号处理增益 34
1.8 本章小结 36
第2章 压缩采样概述 37
2.1 压缩采样一般原理 38
2.1.1 稀疏信号和可压缩信号 38
2.1.2 压缩采样流程 40
2.2 测量矩阵构造 42
2.2.1 可重构条件 42
2.2.2 感知矩阵构造 45
2.3 重构算法和性能 47
2.3.1 优化算法 47
2.3.2 贪婪算法 49
2.3.3 算法性能 51
2.4 噪声折叠效应 54
2.5 模信转换 56
2.5.1 模拟信号的稀疏表示 57
2.5.2 随机采样 59
2.5.3 随机解调 61
2.5.4 埃克斯采样 62
2.6 基底失配问题 65
2.7 本章小结 65
第3章 正交压缩采样 66
3.1 雷达回波的稀疏表示 66
3.2 正交压缩采样系统结构 68
3.2.1 低速采样模块 69
3.2.2 正交解调模块 72
3.2.3 信号重构模块 72
3.3 正交压缩采样重构性分析 73
3.3.1 感知矩阵的时域分解 74
3.3.2 感知矩阵RIP分析 75
3.4 正交压缩采样输出信噪比和重构信噪比 79
3.5 正交压缩采样系统性能仿真 84
3.5.1 无噪环境情形 84
3.5.2 有噪环境情形 88
3.5.3 实际雷达场景情形 92
3.6 本章小结 95
第4章 脉冲多普勒处理 96
4.1 雷达回波正交压缩采样数据模型 96
4.1.1 回波信号采样 96
4.1.2 数据结构 99
4.2 压缩匹配滤波器 100
4.3 压缩域时延和多普勒的同时估计 102
4.4 压缩域时延和多普勒的序贯估计 103
4.4.1 时延稀疏重构-多普勒匹配滤波处理 104
4.4.2 多普勒匹配滤波-时延稀疏重构处理 104
4.4.3 性能比较分析 107
4.5 压缩采样脉冲多普勒处理 109
4.5.1 基本原理 109
4.5.2 压缩域多普勒检测 110
4.5.3 信号处理增益 114
4.5.4 目标分辨率 116
4.6 压缩采样脉冲多普勒处理性能仿真 117
4.6.1 计算流程 117
4.6.2 检测性能仿真 118
4.6.3 目标估计性能仿真 120
4.7 本章小结 124
第5章 非网格上目标时延-多普勒参数估计 125
5.1 非网格上目标回波参数化表示与压缩采样 125
5.2 时延-多普勒参数估计克拉默-拉奥下界 128
5.3 目标参数同时估计技术 131
5.4 目标时延-多普勒序贯估计方法 133
5.4.1 基于时延的目标分组信号模型 133
5.4.2 基于波束域子空间波达方向估计技术的时延估计 134
5.4.3 基于线谱估计技术的多普勒频率估计 139
5.4.4 算法实现和计算复杂度分析 139
5.5 目标多普勒-时延序贯估计方法 141
5.5.1 基于多普勒频率的目标分组信号模型 141
5.5.2 基于子空间波达方向估计技术的多普勒频率估计 142
5.5.3 降维*小二乘时延估计方法 143
5.5.4 算法实现和计算复杂度分析 145
5.6 目标参数序贯估计方法性能仿真 146
5.7 本章小结 149
参考文献 150
附录A 脉冲压缩波形 156
A.1 线性调频脉冲压缩波形 156
A.2 相位编码脉冲压缩波形 157
附录B 雷达仿真参数 159

TOP书摘

第1章 雷达信号采样与处理
  雷达的原始要义是无线电探测和测距(radio detection and ranging,radar)。但是,随着研究的深入和应用的驱动,雷达功能已从传统的目标定位发展到目标跟踪、成像、识别和分类等范畴。雷达是通过处理目标反射的电磁波信号实现上述功能的,因此,目标反射信号的采样和处理是雷达信号处理的基本内容。特别是现代信号处理方法和数字技术的发展,极大地推动了雷达信号处理方法和技术的进步,现代雷达系统设计越来越强化对雷达信号处理的要求。
  雷达信号的采样分为距离维信号采样、速度维信号采样和空间维信号采样三个主要方面。其中,空间维信号采样与雷达天线系统密切相关;对于给定的雷达系统,距离维和速度维信号采样是雷达目标信息获取的关键。雷达信号处理是实现雷达功能的核心,不同的应用领域采用不同的处理方法。但是,目标距离和速度的测量是雷达信号处理的根本,也是进一步实现其他功能的基础。
  雷达可根据应用背景或实现频段等分成不同类型,*基本的可以从雷达信号波形形式将雷达分为连续波雷达和脉冲雷达。连续波雷达连续地发射电磁信号,采用收发分置天线实现雷达信号的接收和发射。相反地,脉冲雷达发射脉冲串信号,利用脉冲发射间隙通过选择开关,采用一个天线实现雷达信号的发射和接收。本章以脉冲雷达为例,简要地阐述雷达信号回波模型、信号采样和目标距离/速度估计等基本知识,为后续稀疏雷达信号采样和目标估计的研究打下基础。同时,本章适时地将雷达基本原理和常用术语贯穿于相关介绍之中,有关具体内容可参考文献[1]~[3]。
  1.1 雷达回波模型
  本节首先以没有调制的矩形脉冲波形为例,阐述雷达目标的回波特征,然后引入一般回波模型,*后介绍常用的窄带回波模型。
  1.1.1 一般回波模型
  图1.1给出了一个简化的脉冲雷达系统框图。时间控制模块产生雷达系统的同步信号。波形产生器产生根据雷达功能要求设计的雷达波形。雷达波形经发射机调制放大等处理,通过天线照射雷达探测区域。双工器模块是一个选择开关,控制雷达天线处于发射或接收模式。雷达天线接收的信号,经接收机解调滤波等处理输入信号处理器。信号处理器实现雷达目标信息提取等任务。
  图1.1 脉冲雷达系统框图
  矩形脉冲串雷达波形如图1.2所示,其中 是脉冲重复间隔(pulse repetition interval,PRI), 是脉冲宽度。宽度为 的脉冲信号带宽 为 。脉冲重复间隔的倒数称为脉冲重复频率 (pulse repetition frequency,PRF), 。在每个周期内,雷达发射信号 秒,其余时间用于接收目标的回波信号;脉冲宽度与脉冲重复间隔的比称为脉冲雷达占空比(duty cycle),记为 , 。雷达平均发射功率(average transmitted power)为
  (1.1)
  其中, 是雷达峰值发射功率(peak transmitted power)。雷达脉冲能量为 。
  图1.2 矩形脉冲串雷达波形示意图
  考虑简单的雷达场景。假设雷达目标相对于雷达视线距离为 ,如图 1.3所示,则对静止目标(stationary targets or objects),雷达发射信号首先传播 的
  图1.3 雷达与视线运动目标关系示意图
  距离到达目标,然后经目标反射再传播 的距离到达雷达接收端。因此,雷达接收的目标回波信号相对于发射信号将延迟时间
  (1.2)
  其中, 是电磁波在雷达工作介质中的传播速度。对于大气环境, 为光速, 。因此,对在 时刻发射的信号 ,目标的回波信号 可表示为
  (1.3)
  其中, 是综合考虑天线波束增益、电磁波传播损失和目标散射强度引起的回波幅度因子。为了方便讨论,在有关雷达的文献中,通常假设天线增益等于1,传播损失等于0。
  当雷达目标在雷达视线方向以速度 朝着( )或远离( )雷达方向匀速运动时,假设 时刻目标的距离为 ,目标相对于雷达在时刻 的距离为
  (1.4)
  因此,运动目标的回波可表示为
  (1.5)
  定义尺度因子 为
  (1.6)
  则回波信号(1.5)可改写为
  (1.7)
  式(1.7)是静止目标( )回波信号的时间压缩或延展波形。根据傅里叶变换性质,动目标回波频谱将相对于静止目标回波频谱在频率维上延展了 因子。静止目标回波模型(1.3)是(1.7)的一种特殊情形。
  在实际中,运动目标不一定是在雷达视线方向上运动,如图1.4所示。在这种情况下,式(1.4)或式(1.6)的目标速度 是指目标真实运行速度 在视线方向的投影,即 ,其中 是目标运行方向与视线方向的夹角。当目标运行方向与视线方向垂直( )时,目标视线方向的速度 ;当目标运行方向与视线方向一致( )时,目标视线方向的速度 。在以后的讨论中,目标的速度都是指视线方向的速度。
  图1.4 雷达与一般运动目标关系示意图
  对于多目标情形,根据线性叠加原理,雷达接收的回波信号为多个目标回波的线性叠加:
  (1.8)
  其中, 是目标的数量, 、 和 分别是第 个目标的回波幅度因子、尺度因子和 时刻对应的目标时延。
  矩形脉冲波形雷达的距离分辨率 (range resolution)受到脉冲宽度的限制,不利于实际应用。假设雷达在 时刻发射脉宽为 、载波频率为 的单频脉冲波形 ,则距离为 和 的两个目标,如图1.5(a)所示,在相同的幅度因子情况下产生的回波信号可表示为
  (1.9)
  其中, , ,分别对应目标回波的延迟。根据 相对于 的距离差,图1.5(b)~(d)给出了三种典型的回波波形。从图1.5(b)可以看到当 时,两个目标回波是分离的,完全可以分辨。当 时(图1.5(c)),目标的回波在 时刻重叠,但是两个目标回波仍然是可分离的。然而,当 时(图1.5(d)),两个回波波形重叠在一起,无法进行分辨。因此,两个相近的目标,只有在距离差不小于 时才能够被分辨出来。我们将 定义为矩形脉冲信号雷达的距离分辨率,它正比于雷达脉冲宽度。矩形脉冲信号瑞利带宽 ,因此距离分辨率 也等于 。与瑞利带宽相对应,矩形脉冲波形的距离分辨率也称为瑞利距离分辨率。
  图1.5 目标距离分辨示意图
  (a)雷达与目标关系;(b) 情形;(c) 情形;(d) 情形
  在雷达系统设计时,一般说来,期望雷达具有高的距离分辨率,以提高雷达目标的分辨能力。从上述分析可以看出,较高的距离分辨率意味着要发射脉宽较窄的脉冲波形。但是,从式(1.1)又可以看到,这样的波形降低了雷达平均发射功率,增加了雷达带宽,因此,也增加了目标检测的难度。这就要求雷达波形设计时,在保持脉冲发射功率的同时,具有高的距离分辨率。我们通常把具有这种特性的雷达波形称为脉冲压缩波形。
  脉内调制是实现脉冲压缩波形的有效方式之一。正如1.5节分析的,这种波形可实现雷达发射功率与距离分辨率有效的解耦,在保持脉冲发射功率的同时,具有高的距离分辨率。脉内调制波形具有不同的形式,可以在射频端通过调频、调相或调幅的方式实现。雷达在一个发射周期的调制波形通常表述为
  (1.10)
  其中, 为雷达载波频率; 为脉冲幅度调制信号; 为脉冲相位调制信号; 和 的频率成分远小于载波频率 。在具体实现中,通常假设 是幅度为 、脉宽为 的理想矩形脉冲波形;因此,雷达发射信号的瞬时功率可计算为 。
  式(1.10)描述的发射信号是带通信号,频谱结构如图1.6所示。附录A介绍了典型的脉冲压缩波形—线性调频(linear frequency modulation,LFM)信号和相位编码(phase-coded)信号。
  图1.6 雷达发射信号频谱结构示意图
  对式(1.10)的发射波形,目标回波可表示为
  (1.11)
  其中, 是目标引起的随机相位偏移。因此,对给定的发射波形,雷达目标完全由回波幅度因子 、目标起始时刻 和尺度因子 等参数描述。这些参量可以用来估计目标的散射强度、距离和速度等信息。
  雷达信号处理方法与雷达回波模型密切相关。本书假设雷达目标的散射过程是确定的,影响着雷达回波的幅度、频率、相位等参数。当然了,对简单的散射目标,采用确定性模型足以描述目标特征,但是,对复杂的实际目标,需要借助于目标散射的统计描述[1]。
  1.1.2 窄带回波模型与多普勒频率
  将式(1.6)代入式(1.11)射频项并进行展开,式(1.11)可改写为

TOP 其它信息

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开  本:16开

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