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第二章穿墙雷达的基本原理穿墙雷达的回波信号模型由式 可知 要实

发布时间:2019-07-01 12:36 来源:未知 编辑:admin

  第二章穿墙雷达的基本原理穿墙雷达的回波信号模型由式 可知 要实现对墙壁后面运动目标的探测 必须是具有一定强 度的可测物理量 这就要求 的发射信号有较强的穿透特性 能有效穿透墙壁。电磁波在非空气介质中传播时 将会有一定程度的衰减 衰减的大小与电磁波的频率和介质的阻抗有关【 。电磁波在非均匀媒质中的传播

  第二章穿墙雷达的基本原理穿墙雷达的回波信号模型由式 可知 要实现对墙壁后面运动目标的探测 必须是具有一定强 度的可测物理量 这就要求 的发射信号有较强的穿透特性 能有效穿透墙壁。电磁波在非空气介质中传播时 将会有一定程度的衰减 衰减的大小与电磁波的频率和介质的阻抗有关【 。电磁波在非均匀媒质中的传播较为复杂 为了简化穿透模型 通常将给定的墙体视为均匀的层状平板媒质 其阻抗看作常值。下面就电磁波对层状平板媒质的穿透过程作简单分析 并建立 发射信号的透射波模型公式。图 描绘了 发射信号和接收回波信号的传播路径。显然 电磁波在传播过程中穿透了多层结构的媒质 包括空气 非透明媒质空间区和墙壁后面的空气 并且将在相邻区域的分界面上发生反射、折射以及多层界面之间发生多次反射等。现设定墙体为非色散的各向同性的均匀媒质 墙面的尺寸远大于墙体的厚度 的天线孔径所以墙体相当于无限大的介质平板 其分割的 个子空间区域分别有介电常数‰ 岛和磁导率脶 鸬。下面对穿墙雷达应用中典型的平面边界下电磁波的斜投射进行分析二维模型如图 穿墙雷达信号的传播路径图电子科技大学硕士学位论文考虑空气与地面的边界 空气可看作理想介质 介电常数 磁导率 电导率。墙面的电磁特性可表示为 其中为墙壁的相对空气 边界上的平面波的斜投射介电常数磁导率鸬 电导率吼。对大多数媒介而言 磁导率都相同 风。吒和墙壁的含水量有很大的关系一般可认为墙壁的电导率也为零。为考虑电磁波在分层介质中的传播 对墙壁可引入等效介电常数 则墙壁的波阻抗为乙 空气的波阻抗枰悟…啊计算边界上…系…射系数。平行极化投射时的反射系数和透射系数乃分别为 电磁波在介质界面处的辐射较为复杂因此在不考虑界面之间多次反射的情况下 建立如下的传播模型 见图 。在正交坐标系中 墙体的两个界面分别位于 区域以鼠角度入射到平面上 其中部分能量被反射 反射角为 部分透射进入 。墙壁媒质区 折射角为 。透射的电磁波在 区域传播至 平面处 其入射角为 反射角为 、折射角为 所有经透射进入 区域的电磁波形成透射波 区域传播并投射到目标目标的反射回波 经过同样穿透过程到达 的接收天线 形成目标的回波信号 。在非色散条件下 的发射信号与目标回波信号的幅度有如下的关系 一丁 与以下几个方面有关天线到墙面及从墙面到目标的传播衰减 交界面的传播损耗 与发射信号的极化形式有关 可知。墙体中的传播损耗 当电磁波在有耗介质中传播时 折射波的振幅沿正 方向衰减 因此衰减因子与墙壁的厚度有关。其中 随着频率的增大 这一衰减因子迅速增大。设电磁波正向透射墙体时的路径为厶 它包括 区内的厶。、墙体媒质空间 区内的厶。和墙体后面自由空间 同样电磁波反向透射墙体时的路径为厶它包括哦区内的厶。、墙体媒质空间 区内的厶。和墙体后面自由空间 区的厶。。因此 电子科技大学硕士学位论文厶吨心去电磁波在非透明媒质中传播时 波速有如下关系 占为媒质的介电常数。因此可以由下式计算电磁波正向透射墙体和反向透射墙体过程的时延 仍以上内容简单介绍了的回波信号。且由电磁学理论可知 电磁波对墙体的穿透能力与入射波的波长见 入射角口 墙壁体度 以及墙体媒质的投射系数等因素有关。因此在墙壁的折射率和厚度一定的情况下 只要选择合适的工作频率和入射波的角度 就可以实现对墙壁的有效穿透探测。 穿墙雷达的体制穿墙雷达信号种类主要有 脉冲信号即冲激信号 步进频率信号 调频连续波信号等 因此根据信号种类可将穿墙雷达分为 脉冲穿墙雷达 步进频率穿墙雷达 调频连续波穿墙雷达等体制。这些体制的雷达各有其优缺点 从近几年的实际使用来看 脉冲穿墙雷达与步进频率穿墙雷达使用最多 而本文采用的是步进频率穿墙雷达 下面将主要分析下步进频率体制的穿墙雷达。步进频率穿墙雷达主要是在频率域实现穿墙雷达的发射与接收 通过付氏变换 获得介质的电磁波时间域响应。采用步进频率穿墙雷达的思想和方法的提出很早 但步进频率穿墙雷达方法技术是在 世纪 年代才发展起来 形成了仪器设备、数据处理和解释的方法。从物理机制上 时间域脉冲穿墙雷达和频率域的步进频率穿墙雷达是一样的 只是信号的表现形式不同。但是正因为这种不同 步进频率穿墙雷达系统具有许多优越性。步进频率技术就是在一定的时间范围内将频带分成不同的频率段 并将这些 第二章穿墙雷达的基本原理不同的频率段进行连续地发射和接收 表示步进频率雷达的频率谱范围从数学上 频率范围采用 表示其中矩形宽带 并以为中心频率。测量采用一个步阶一个步阶测量 而每一个频率步阶的信号发射和接收结束后 才开始下一个步阶发射和接收。完成一个步阶的发射和接收的时间叫步阶重复间隔。图 是步进频率穿墙雷达的基本框图 频率源将产生步进频率信号 再由天线发射出去对墙壁后的目标进行探测 接收天线接收到目标反射回来的信号 送到混频器进行混频 然后对混频得到的复基带信号进行采样处理 并通过傅立叶变换把数据变换到时域。步进频率穿墙雷达的发射信号可表示成以下形式 工频蜜图时间步长和频率步长窄带接收机正交混频图 步进频率穿墙雷达的基本框图目标电子科技大学硕士学位论文由上所述 从物理机制上讲 步进频率穿墙雷达和脉冲穿墙雷达是一样的 只是信号的表现形式和测量方式不同 但是步进频率穿墙雷达需要有复杂的硬件系统和信号处理 而导致他的发展较慢。尽管如此 计算机技术的发展的硬件技术的不断提高 将为步进频率穿墙雷达提供了巨大的发展空间。下面详细介绍步进变频连续波穿墙雷达的基本原理。 步进变频连续波穿墙雷达基本原理不妨设步进频率连续波穿墙雷达发射信号是 个步进频率的 接收信号为 起始频率为五 步进间隔为矽 每一个频点的发射时间是丁 则有 其通过无损耗介质将产生一延时假设介质和目标的介电常数不随频率改变 则可认为丁和 为常数 于是接收信号为 三二三二』掣上同时发射信号被耦合到接收端作为参考 则复参考信号就为 工复基带信号经过采样信号采样就得到一复数组采样信号 和复数组 其中为发射信号的带宽 为发射信号的中心频率 。通过逆离散傅立叶变换可以把频域数据变换为时域数据 时域数据包含其目标的反射系数与回波的时延 逆离散傅立叶变换处理等效于一脉冲压缩滤波器 当存在多个目标时 逆离散傅立叶变换将每个反射信号压缩到它们各自相应的时间单元内 从而实现目标的检测。步进频率连续波穿墙雷达的距离分辨力【 其中是电磁波在自由空间中的传播速度。 本文采用的数据形式下面介绍本文采用的穿墙雷达数据形式。本文将采用 两种穿墙雷达回波的数据形式对应的数学表达式为 为常数穿墙雷达在墙壁一侧某一起始点沿 方向水平移动 方向与墙壁保持平行 在该方向不同的位置进行数据采集 每个位置采集到的数据为 数据 该方向上全部的 数据组成一个 数据。从数学表达式可以看出 数据为向量 数据为二维矩阵。 电予科技大学硕士学位论文 电磁波在传播过程中的折射现象前两节分析了 实现穿墙探测的基本原理及其回波模型、穿墙雷达的体制 第三节在前两节的基础上分析了电磁波穿透墙体过程中折射偏移及由此带来的定位误差。电磁波在多层媒质的不连续分界面上将发射反射和折射现象。对于 而言 由墙体和空气构成的传播空间可以看作是三层媒质 我们主要关心的是电磁波的折射传播特性 也就是穿透多层媒质的性质。然而在分界面上 电磁波的折射传播路径将发生偏移现象 这种偏移将对 的定位产生一定的误差。图 描绘出了 发射信号的折射偏移现象。图中 发射天线和接收天线之间的实线路径为电磁波的传播路径 虚线标明的路径为 进行定位的路径。显然 这两个路径并不一致 这是因为传播空间媒质的不连续特性造成的 因此定位过程中将产生一个虚假目标 其与真实目标有一个定位误差 一这一误差也就是要讨论的电磁波折射偏移问题下面具体分析巳、巳的计算方法。 穿墙雷达定位误差示意图以发射天线为原点 建立如上图的直角坐标系。设电磁波正向透射墙体时的路径为厶 它包括 、砬区的径向路径厶。、厶。、厶在厶路径中 发射信号 在墙体的前一个界面上入射角为幺、折射角为 在后一个界面上入射角为岛、折射角为 其中厶可由目标回波信号的单程时延求得。巳、巳 有关。但在穿墙雷达的实际测量中这些因素是很难测定的因而 只有通过定位算法的研究才能很好的补偿墙体所带来的定位误差。 本章小结本章介绍了 的基本工作原理 建立了 的回波模型 并简单介绍了穿墙雷达的体制 主要分析了步进频率体制的穿墙雷达 还介绍了本文将采用的步进频率穿墙雷达的数据形式 最后简单分析了 动目标回波信号的模型和电磁波在多层媒质中传播的折射偏移问题 为下一步的动目标检测、定位和跟踪奠定了基础。 电子科技大学硕士学位论文第三章穿墙雷达数据预处理与直达波抑制穿墙雷达是对非金属墙体后面的运动目标或隐蔽目标进行探测 由第二章式 可知穿墙雷达的接收信号可以由以下几部分线形叠加而成 表示收发天线间的直接耦合波分量简称直耦波 为加在发射天线的激励信号 分别为发射天线和接收天线的冲激响应为天线间的互耦响应。在收发天线间距确定之后 直耦波分量一般相对固定。 表示墙体表面的直接反射波分量简称直达波 为墙体表面的冲激响应当天线与墙体表面间距较小时 也包含了天线与墙体的互耦影响。在穿墙雷达的应用中墙体表面的粗糙度、材料、等往往是变化的 这使互耦响应变化较大 因此 不同应用中直达波分量的变化性和不可预测性较大。 表示墙体后目标的反射回波分量为墙体后目标的冲激响应。咒 为噪声与干扰 主要包括各种随机噪声 外界的随机噪声、系统的热噪声等 空间其他物体的反射波构成的背景杂波 以及外界电磁波辐射引起的射频干扰 等。由于收发天线的互耦及墙体表面的直接反射波的影响较大 主要集中在接收信号中较早的到达时间段 引起了较强的直耦波和直达波 并往往有拖尾振荡 这对接收信号中目标回波 形成了干扰 其他信号成分 也会产生影响所以雷达接收到的回波实际是一种弱信噪比的信号 预处理的主要目的就是去除或尽可能地降低干扰信号成分 提高数据的信噪比。 噪声抑制随机噪声的抑制方法较多 可在时域、频域、时频域、小波变换域等不同的域内进行处理。本文穿墙雷达所录取的数据多为 数据所以除 维的处理方法外 还可以采用多维处理方法降低噪声 本文采用的是平均滤波。

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