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LFMCW雷达高速/加速目标参数估计及测距范围扩展技术研究

作　者: 肖慧
导　师: 郁文贤；胡卫东
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: LFMCW 动目标检测 参数估计 多周期积累 跨距离单元走动 克拉美罗下界 双差拍-傅立叶处理 多目标配对 模糊函数
分类号: TN958
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
下　载: 716次
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内容摘要


与传统应用背景不同,本文主要研究了LFMCW(linear frequency-modulatedcontinuous wave)雷达中具有大动态范围参数目标的检测和估计问题。所谓大动态范围,主要是指目标具有距离远、高速/加速运动的特点。在所建立的信号检测模型基础上,依次解决了高速运动目标跨距离单元走动校正、高速加速运动目标的参数估计、测距范围的扩展等问题,并利用模糊函数理论分析了扩展测距范围方法的特点。在传统差拍-傅立叶频谱分析-MTD(moving target detection)结构基础上,第二章中首先分析了MTD处理的信噪比改善因子,并据此定义了最优检测度量。针对高速/加速运动目标的特点,定量分析了高速运动和加速运动对二维积累性能的影响程度,并在差拍-傅立叶频谱分析-MTD结构基础上建立了跨距离单元走动情况下的检测模型。针对高速运动目标参数估计问题,第三章主要研究了跨距离单元走动的校正方法。根据差拍信号的特点,提出了一种基于速度预补偿的MTD处理方法,通过在速度动态范围内进行盲搜索的方式对差拍信号进行运动补偿;利用对称三角LFMCW信号的调频对称性,得出距离走动项对上、下调频差拍信号形成对称影响的结论,提出了基于二次混频的MTD处理方法;结合速度盲搜索补偿和二次混频方法各自的特点,提出一种多目标情况下的联合处理方法;进一步将SAR/ISAR成像处理中的Keystone变换引入到LFMCW雷达中,提出了基于Keystone变换的MTD处理方法,并拓展性地将其应用于单调频率LFMCW信号的距离-速度解耦合问题;最后对上述三种校正方法的适用性进行了分析讨论。基于第二章中给出的二维耦合差拍信号模型,第四章研究了高速加速运动目标的参数估计问题。首先推导了最大似然参数估计模型,并得到了高斯白噪声环境下参数估计的Cramer-Rao下界;根据目标二维谱的局部展宽特性,提出了基于局部补偿的速度-加速度模板匹配方法,有效降低了参数估计过程中的运算量,利用局部补偿思想实现最大似然估计,在满足一定输入信噪比要求的条件下能达到接近于CRB下界的参数估计性能;然后从二维解耦合的思想出发,分别提出了二次混频-DPT(discrete polynomial-phase transform)处理方法和直接相位差分方法,在无需进行模板匹配搜索的条件下有效解决了参数估计问题;最后在直接相位差分法的基础上,提出了DPT-CZT(Chirp-Z transform)处理方法,该方法无需借助其它速度解模糊处理即可获得无模糊的速度估计结果,从而可以实现单调频率LFMCW信号对高速加速运动目标的参数估计。针对现有差拍-傅立叶处理结构所存在的测距范围受限问题,第五章研究了扩展LFMCW信号测距范围的方法及相关问题。利用对称三角LFMCW信号的调频对称性和周期重复性的特点,提出了双差拍-傅立叶处理方法,通过两次具有互补特性的差拍处理有效地将时延参数的可测范围扩展到了整个信号重复周期;然后研究了双差拍处理的多周期积累问题,并在此基础上研究了其多目标配对方法,根据距离谱峰值频率特性提出一种距离-速度联合配对法,有效解决了双差拍处理中的多目标配对问题;最后借鉴第四章中的局部补偿模板匹配思想,解决了双差拍处理中高速加速运动目标参数估计问题。论文第六章推导给出了双差拍处理下的模糊函数,详细分析了其对称特性和分辨率特点,并与传统差拍处理下的模糊函数特性进行了比较。从模糊函数的角度得到了双差拍处理的一些定量分析结果,为其工程实用奠定了理论基础。

全文目录


摘要  12-14
ABSTRACT  14-16
第一章 绪论  16-27
  1.1 研究背景和意义  16-17
  1.2 LFMCW雷达的基本结构及工作原理  17-18
  1.3 LFMCW雷达信号处理技术的研究现状及问题  18-24
    1.3.1 研究现状  18-23
    1.3.2 大动态范围参数测量中存在的问题  23-24
  1.4 论文的主要工作  24-27
第二章 LFMCW雷达多周期信号分析及检测模型  27-43
  2.1 引言  27
  2.2 多周期信号模型  27-31
  2.3 传统处理中的最佳检测模型  31-35
    2.3.1 最佳检测模型  31-33
    2.3.2 最佳检测度量  33-35
  2.4 高速/加速运动情况下的信号处理模型  35-42
    2.4.1 高速运动与加速运动对积累性能的影响  35-41
    2.4.2 检测模型  41-42
  2.5 小结  42-43
第三章 LFMCW雷达高速运动目标检测及参数估计  43-65
  3.1 引言  43-44
  3.2 基于速度预补偿的MTD处理  44-47
  3.3 基于二次混频的MTD处理  47-51
    3.3.1 二次混频-MTD处理  47-48
    3.3.2 性能分析  48-50
    3.3.3 仿真结果  50-51
  3.4 多目标情况下的联合处理方法  51-56
    3.4.1 基于速度预补偿的多目标处理  52-53
    3.4.2 基于二次混频的多目标处理  53-54
    3.4.3 联合处理方法  54-56
  3.5 基于Keystone变换的MTD处理  56-63
    3.5.1 雷达信号处理中的Keystone变换  56-57
    3.5.2 基于Keystone变换的LFMCW雷达MTD处理  57-59
    3.5.3 多目标情况下的处理  59-60
    3.5.4 仿真结果  60-63
  3.6 各种方法适用性分析及讨论  63-65
第四章 LFMCW雷达高速加速运动目标检测及参数估计  65-104
  4.1 引言  65-66
  4.2 基于二维耦合信号模型的最大似然参数估计方法  66-75
    4.2.1 参数估计的最大似然模型  66-68
    4.2.2 估计的无偏性  68-70
    4.2.3 估计的CRB界  70-75
  4.3 基于局部补偿的速度-加速度模板匹配法  75-84
    4.3.1 速度-加速度模板匹配法  75-76
    4.3.2 基于局部补偿的快速算法  76-80
    4.3.3 仿真结果  80-84
  4.4 基于二次混频-DPT处理的参数估计方法  84-93
    4.4.1 二次混频-DPT处理方法  84-86
    4.4.2 性能分析  86-88
    4.4.3 多目标情况下的参数估计  88-90
    4.4.4 仿真分析  90-93
  4.5 基于直接相位差分法的参数估计  93-99
    4.5.1 基于直接相位差分的参数估计  93-95
    4.5.2 性能分析  95-96
    4.5.3 仿真结果  96-99
  4.6 基于DPT-CZT处理的速度-加速度联合估计方法  99-103
    4.6.1 线性调频Z变换(CZT)  99-100
    4.6.2 基于DPT-CZT处理的参数估计方法  100-102
    4.6.3 仿真结果  102-103
  4.7 小结  103-104
第五章 双差拍-傅立叶处理  104-134
  5.1 引言  104
  5.2 双差拍-傅立叶处理  104-116
    5.2.1 双差拍-傅立叶处理的基本原理  105-106
    5.2.2 双差拍-傅立叶处理的推导  106-111
    5.2.3 性能分析  111-112
    5.2.4 距离多普勒解耦合  112-113
    5.2.5 仿真结果  113-116
  5.3 多周期积累及多目标配对技术  116-126
    5.3.1 双差拍处理的多周期积累  116-120
    5.3.2 多目标距离-速度联合配对技术  120-123
    5.3.3 仿真结果  123-126
  5.4 双差拍-傅立叶处理下的高速加速目标检测技术  126-132
    5.4.1 目标高速加速运动下的差拍信号模型  126-128
    5.4.2 基于速度预补偿的FFT-DPT-FFT处理  128-129
    5.4.3 仿真结果  129-132
  5.5 双差拍-傅立叶处理适用性分析  132-134
    5.5.1 传统差拍-傅立叶处理的特点  133
    5.5.2 双差拍-傅立叶处理适用范围  133-134
第六章 双差拍-傅立叶处理下的模糊函数分析  134-152
  6.1 引言  134
  6.2 模糊函数推导  134-141
    6.2.1 参考延时τ_1∈[0,T]时的模糊函数  135-138
    6.2.2 参考延时τ_1∈[T,2T]时的模糊函数  138-139
    6.2.3 不同延时区间模糊函数的对应关系  139-141
  6.3 模糊函数特性  141-151
    6.3.1 对称特性  142-145
    6.3.2 分辨率特性  145-149
    6.3.3 与传统处理模糊函数特性的比较  149-151
  6.4 小结  151-152
第七章 结束语  152-154
致谢  154-155
参考文献  155-164
攻读博士学位期间完成的学术论文  164

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 雷达 > 雷达：按体制分
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