超宽带雷达.ppt

微波通信与电子系统实验室MicrowaveCommunications&ElectronicSystemLaboratory(MCES)北京理工大学电子工程系北京理工大学电子工程系超宽带雷达研究报告超宽带雷达研究报告 北京理工大学电子工程系北京理工大学电子工程系TOPICSv 超宽带的概念、发展和应用超宽带的概念、发展和应用v 超宽带信号产生和波形设计超宽带信号产生和波形设计v 目标电磁散射特性建模目标电磁散射特性建模v 超宽带雷达方程超宽带雷达方程v 超宽频带天线设计超宽频带天线设计v 超宽带接收机设计超宽带接收机设计v 超宽带雷达信号处理超宽带雷达信号处理v 超宽带超宽带RCS测量系统的设计和分析测量系统的设计和分析v 超宽带技术在通信中的应用超宽带技术在通信中的应用v UWB的缺点和不足、发展和趋势预测的缺点和不足、发展和趋势预测北京理工大学电子工程系北京理工大学电子工程系超宽带雷达信号定义1990年年3月，美国月，美国Los Alamos国家实验室召开的超宽带国家实验室召开的超宽带雷达会议上首次正式提出雷达会议上首次正式提出UWB的概念，超宽带的概念，超宽带（Ultra Wide Band，UWB）雷达的定义为：雷达的定义为：雷达发射信号的分数带宽（雷达发射信号的分数带宽（FBW）大于大于25%的雷达。的雷达。分数带宽定义是：分数带宽定义是：超宽带雷达具有许多常规雷达不具备的优越性能超宽带雷达具有许多常规雷达不具备的优越性能：（1）很高的距离分辨力，通常可以达到厘米级；（2）良好的目标识别能力；（3）具有目标成像能力，当超宽带雷达工作于扫描状态或合成孔径状态时，可获得很高的距离分辨力和角度分辨力，从而成像；（4）可探测森林、地面、墙壁等物体掩蔽下的目标；（5）具有低的截获概率，从而对抗电子侦察及干扰；(6)反隐身能力,优化1520dB北京理工大学电子工程系北京理工大学电子工程系A HISTORY OF ULTRA WIDEBANDSynonymous terms:impulse,carrier-free,baseband,timedomain,nonsinusoidal,orthogonalfunctionandlarge-relative-bandwidthradio/radarsignals1969-1984Harmuth（CatholicUniversityofAmerica）出版书籍和论文1972-1987 RossandRobbins(R&R)（SperryRandCorporation）取得专利1974,Morey设计了一个UWB的超宽带探地雷达1960sLawrenceLivermoreNationalLaboratory(LLNL)和LosAlomosNatoinalLaboratary(LANL)进行了脉冲发射机接收机和天线等的探索性研究1978 Bennett&Rosssummarizedtheknownpulsegenerationmethods.Sincethattimetherehavebeennumeroussessionsatconferences,atSPIEmeetings,atmeetingsheldbyBrooklynUniversity1977-1989,theUSAFhadaprograminUWBsystemdevelopmentheadedbyCol.J.D.Taylor.By1988thepresentauthorwasabletoorganizeaUWBworkshopfortheUSDoDsDDR&Eattendedbyover100participants(Barrett,1988).Atthistime,therewasalreadysubstantialprogressinUWBintheformerSovietUnionandChina,whichinanumberofwaysantedatedandexceededtheprogressintheUS(cf.Glebovichetal,1984;Varganovetal,1985;Meleshko,1987;Astanin&Kostylev,1989;Kostylevetal,1994).In1990LANLhostedaconferencewhichprovidedaforumfortheburgeoningdevelopmentsinUWBsystemsandsubsystems.In1994,T.E.McEwan,thenatLLNL,inventedtheMicropowerImpulseRadar(MIR)whichprovidedaUWBoperatingatultralowpower,besidesbeingextremelycompactandinexpensive.北京理工大学电子工程系北京理工大学电子工程系超宽带信号的特点及应用UWB信号的特点：窄脉冲窄脉冲-宽频带宽频带 高分辨高分辨 微功率微功率-短距离短距离 低功耗低功耗 低截获概率低截获概率 主要应用：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北京理工大学电子工程系超宽带信号的类型冲击脉冲冲击脉冲 文献5中提到三类：基带波（BasebandWaveform）、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（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北京理工大学电子工程系DDWS和DDFS技术在现代电子系统中，频率合成器成为决定系统性能的关键设备DDSDDS技术技术:DDFSDDWS北京理工大学电子工程系北京理工大学电子工程系二、超宽带目标特性低频区高频区（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北京理工大学电子工程系超宽带目标特性建模 在高频区，目标总的电磁散射可认为是某些局部位置电磁散射的合成,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Diracdelta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北京理工大学电子工程系超宽带目标散射中心提取算法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基于一维散射中心提取算法:IFFT（Inverse Fast Fourier Transform）Fastroot-MUSIC(multiplesignalclassification)TLS-Prony(Total Least Squares-Prony)GEESE(Generalised eigenvalues utilising signal subspace eigenvectors)MP(matrix-pencil)北京理工大学电子工程系北京理工大学电子工程系三、超宽带雷达方程与分辨力 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UWBSAR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！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北京理工大学电子工程系四、超宽带天线常用宽带天线类型：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、无法测量时域目标特性 超宽带天线的基本要求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：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：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，普通的对于超宽带的雷达，普通的 宽频带天线不再适用！宽频带天线不再适用！北京理工大学电子工程系北京理工大学电子工程系信道化接收机和射频设计 采样示波器或采样示波器或信道化接收机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北京理工大学电子工程系超宽带雷达信号处理（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北京理工大学电子工程系小波变换Morlet小波仿真结果北京理工大学电子工程系北京理工大学电子工程系UWB的目标特性测量系统设计RCS测量系统北京理工大学电子工程系北京理工大学电子工程系仿真结果设发射信号载频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。下图示出了IFFT的仿真结果。北京理工大学电子工程系北京理工大学电子工程系超宽带技术在通信中的应用 UWB无线通信技术与现有的无线通信技术有无线通信技术与现有的无线通信技术有着本质的区别。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（InfraredDataAssociation）、HomeRF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无线接入和无线上网是研究短距离无线技术的驱动力。的驱动力。无线局域网技术，它们强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.NB.高比特速率的应用就会使今天所使用的无高比特速率的应用就会使今天所使用的无线协议不适用。线协议不适用。北京理工大学电子工程系北京理工大学电子工程系UWB技术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-Fi2002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北京理工大学电子工程系UWBstatistic北京理工大学电子工程系北京理工大学电子工程系特点与局限主要优点主要优点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，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：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北京理工大学电子工程系参考文献1 Bruce Noel，Ultra-wideband radar：Proceedings of the First Los Alamos Symposium，USA：CRC Press，Boca Raton，19912 James D.Taylor,Introduction to Ultrawideband Radar System,USA:CRC press Boca Raton,19953.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 20015 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，2000年6 罗宏 许小剑 黄培康 吴兴无 郝荣奎，目标宽带雷达特征信号的建模与预测，电子学报，第九期，19997 常文革，超宽带合成孔径雷达方程研究，系统工程与电子技术，第二十四卷第九期，20028 Merrill Skolnik,Role of Radar in Microwaves,IEEE Transactions on Microwave Theory and techniques,Vol.50,No.3,March 20029 Muhammad Dawood,Ram M.Narayanam,Multipath and Ground Clutter Analysis for a UWB Noise Radar,IEEE Trans.On Aerospace and Electronic Systems,Vol38.No.3,July 200210 Hual ying Tan,Application of UWB in Measurement the depth,IEEE International Radar Conference Proceedings,2001北京理工大学电子工程系北京理工大学电子工程系11 罗宏 许小剑 黄培康 吴兴无 郝荣奎，目标宽带雷达特征信号的建模与预测，电子学报，第九期，199912 Hu Laizhao,H Signal for Best Dectection,3rd International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology Proceedings,200213 E.F.Knott,J.F.Shaeffer and M.T.Tuley,Radar Cross Section,Second Edition,Artech House:Boston,199314 Muhammad Dawood,Ram M.Narayanam,Multipath and Ground Clutter Analysis for a UWB Noise Radar,IEEE Trans.On Aerospace and Electronic Systems,Vol38.No.3,July 200215 Hual ying Tan,Application of UWB in Measurement the depth,IEEE International Radar Conference Proceedings,200116 姜文利，柯有安等，高频区雷达目标散射模型及其参数估计，电子学报，1998年17 Terence W.Barrett,History of UltraWideBand(UWB)Radar&Communications:Pioneers and Innovators,Progress In Electromagnetics Symposium 2000(PIERS2000),Cambridge,MA,July,200018 黎海涛，徐继麟，超宽带雷达目标回波建模，系统工程与电子技术，2000年19 K.M.Chen,E.J.Rethwell,D.P.Nyquist,Ulrawideband short pulse radar for target identification and detection-laboratory study,IEEE International Radar Conference,Alexardria,1995:450-45520 Merrill Skolnik,Role of Radar in Microwaves,IEEE Transactions on Microwave Theory and techniques,Vol.50,No.3,March 200220 D.R.Wehner,High resolution Radar(2ed),Artech House,1995北京理工大学电子工程系北京理工大学电子工程系21 Li Yanzhong,A Reasearch on Ultra Wideband Radar Pulse Compression Generation Systems,Ph.D dissertation,UESTC,Chengdu,Oct.200022 Y.T.Chan,K.C.Ho,S.K.Wong,Aircraft identification from RCS measurement using an orthogonal transform,IEE Proc-Radar,Sonar Navig,Vol.147,No.2,April 200023 ADA369600,Visualization and Data Analysis Techniques for Ultra-Wideband Wide-Angle Synthetic Aperture Radar Data;Final rept Sep 97-9824 ADA256075,Detection of Ultrawideband Radar Signals;Interim rept,Naval Research Lab.,Washington,DC.25 ADA262154,Ultra-Wideband Radar Transient Detection using Time-Frequency and Wavelet Transforms;Masters thesis,Naval Postgraduate School,Monterey,CA.26 Hamalainen,M.;Hovinen,V.;Tesi,R.;Iinatti,J.H.J.;Latva-aho,M.;On the UWB system coexistence with GSM900,UMTS/WCDMA,and GPS,Selected Areas in Communications,IEEE Journal on,Volume:20 Issue:9,Dec.2002,Page(s):1712 172127 Welch,T.B.;Musselman,R.L.;Emessiene,B.A.;Gift,P.D.;Choudhury,D.K.;Cassadine,D.N.;Yano,S.M.;The The effects effects of of the the human human body body on on UWB UWB signal signal propagation propagation in in an an indoor indoor environment,environment,Selected Areas in Communications,IEEE Journal on,Volume:20 Issue:9,Dec.2002Page(s):1778-178228 Foerster,J.R.;Interference Interference modeling modeling of of pulse-based pulse-based UWB UWB waveforms waveforms on on narrowband narrowband systems,systems,Vehicular Technology Conference,2002.VTC Spring 2002.IEEE 55th,Volume:4,6-9May2002 Page(s):1931-1935 vol.429 Ely,J.J.;Fuller,G.L.;Shaver,T.W.;Ultrawideband Ultrawideband electromagnetic electromagnetic interference interference to to aircraft aircraft radios,radios,Digital Avionics Systems Conference,2002.Proceedings.The 21st,Volume:2,2002 Page(s):13E4-1-13E4-12 vol.230 Zhiqiang Wu;Fang Zhu;Nassar,C.R.;High High performance performance ultra-wide ultra-wide bandwidth bandwidth systems systems via via novel novel pulse pulse shaping shaping and and frequency frequency domain domain processing,processing,Ultra Wideband Systems and Technologies,2002.Digest of Papers.2002 IEEE Conference on,21-23 May 2002 Page(s):53 58北京理工大学电子工程系北京理工大学电子工程系31 Li Zhao;Haimovich,A.M.;Performance Performance of of ultra-wideband ultra-wideband communications communications in in the the presence presence of of interference,interference,Selected Areas in Communications,IEEE Journal on,Volume:20 Issue:9,Dec.2002 Page(s):1684 169132 Qiu,R.C.;A A study study of of the the ultra-wideband ultra-wideband wireless wireless propagation propagation channel channel and and optimum optimum UWB UWB receiver receiver design,design,Selected Areas in Communications,IEEE Journal on,Volume:20 Issue:9,Dec.2002 Page(s):1628 163733 Skolnik,M.;Status of ultrawideband(UWB)radar and its technology,Status of ultrawideband(UWB)radar and its technology,Antennas and Propagation Society International Symposium,1992.AP-S.1992 Digest.Held in Conjuction with:URSI Radio Science Meeting and Nuclear EMP Meeting.,IEEE,18-25 July 1992 Page(s):1224-1227 vol.334 Kisenwether,E.C.;Ultrawideband Ultrawideband(UWB)(UWB)impulse impulse signal signal detection detection and and processing processing issues,issues,Tactical Communications Conference,1992.Vol.1 Tactical Communications:Technology in Transition.,Proceedings of the,28-30 April 1992 Page(s):87-93 vol.135 Siwiak,K.;Ultra-wide Ultra-wide band band radio:radio:introducing introducing a a new new technology,technology,Vehicular Technology Conference,2001.VTC 2001 Spring.IEEE VTS 53rd,Volume:2,6-9 May 2001 Page(s):1088-1093 vol.236 2002 2002 IEEE IEEE Conference Conference on on Ultra Ultra Wideband Wideband Systems Systems and and Technologies Technologies(IEEE(IEEE Cat.Cat.No.02EX580)No.02EX580)Ultra Wideband Systems and Technologies,2002.Digest of Papers.2002 IEEE Conference on,21-23 May 200237 Welborn,M.;McCorkle,J.;The The importance importance of of fractional fractional bandwidth bandwidth in in ultra-wideband ultra-wideband pulse pulse design,design,Communications,2002.ICC 2002.IEEE International Conference on,Volume:2,28 April-2 May 2002 Page(s):753-757 vol.238 Skolnik,M.;Andrews,G.;Hansen,J.P.;Ultrawideband Ultrawideband microwave-radar microwave-radar conceptual conceptual design,design,Aerospace and Electronic Systems Magazine,IEEE,Volume:10 Issue:10,Oct.1995 Page(s):25 3039 Hussain,M.G.M.;Ultra-wideband Ultra-wideband impulse impulse radar-an radar-an overview overview of of the the principles,principles,Aerospace and Electronic Systems Magazine,IEEE,Volume:13 Issue:9,Sept.1998 Page(s):9-1440 Prather,W.D.;Baum,C.E.;Lehr,J.M.;OLoughlin,J.P.;Tyo,S.;Schoenberg,J.S.H.;Torres,R.J.;Tran,T.C.;Scholfield,D.W.;Gaudet,J.;Burger,J.W.;Ultra-wideband Ultra-wideband source source and and antenna antenna research,research,Plasma Science,IEEE Transactions on,Volume:28 Issue:5,Oct.2000 Page(s):1624-1630