冲击脉冲雷达天线设计与成像实验初步.研究

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1、第一章引言1．1隐藏目标探测简介第一章引言针对隐藏目标如埋地目标、工程地质以及地上隐蔽目标等的探测已成为当今雷达技术发展的热点领域之一。针对隐蔽目标如丛林环境中的坦克、装甲运兵车、地下工事和隐蔽所等非合作隐蔽目标和叶簇覆盖目标的探测更成为近年来的研究热点。针对隐藏目标的雷达探测技术无论在军事用途还是民用领域，均显示出深远的意义和极其重要的实际价值。冲击脉冲雷达对隐藏目标的探测是由激励源产生一个持续时间为纳秒级(ns，10。9秒)甚至皮秒级(ps，10。12秒)的电磁脉冲[1翻，然后由发射天线将电磁波信号发射出去。电磁波遇到物体或电磁特性不连

2、续处会产生反射，反射波被接收天线接收，通过采样得到的信号经过数据处理，最后进行检测和判别‘31。隐藏目标探测的示意图如图1-1所示。一厂]i嚣凳黧1_—巫-KIg．-。-}I回l●■■■■●●■●■■o■p灯、l7IIHt●lJ脉冲源I’幽lI幽l

3、●西甄¨塑弘嗵lf复杂环境』廿一图1．1隐藏目标探测组成框图由示意图可知，研制冲击脉冲雷达的关键技术包括：高功率冲击脉冲信号的产生；超宽带、高增益的定向天线；信号采集与处理的相关理论、仿真和评估系统[81。目前着重开展针对冲击脉冲雷达的研究包括：(1)提高系统增益、稳定性、抑制杂波能力和研究弱散

4、射目标信号提取和处理技术；(2)超宽带、高增益时域电子科技大学硕士学位论文天线、馈电传输技术、多散射环境下时域弱散射信号提取技术、时域信号处理技术和用于复杂环境中目标探测的阵列信号处理和成像技术；(3)隐藏目标探测的冲击脉冲雷达新理论与仿真研究。1．2隐藏目标探测天线技术研究隐藏目标探测的典型特征和主要困难集中体现为待探测目标处于未知而又复杂的环境之中，雷达天线的设计是系统设计的重点和难点之一，天线的性能直接影响雷达的性能。只有当天线具有较高的增益，雷达才能进行较远距离的探测；只有当天线对冲击脉冲信号具有较好的保形性和较小的波形拖尾，才能在

5、接收信号波形上分辨出不同目标的反射信号，实现探测的高分辨率。由于冲击脉冲雷达采用具有大瞬时带宽的窄脉冲信号，脉冲宽度以纳秒计，因此它的发射和接收天线也和常规雷达的天线有所不同。在天线设计时不仅要考虑天线的空间特性，还要考虑天线的时域特性。对发射天线的要求是尽可能无畸变地向空间发射脉冲信号，并且要有足够的功率容量，特别是要具有较大的瞬时功率容量；而接收天线则要求其灵敏度应尽可能耐91。对于在冲击脉冲状态下工作的发射天线，天线辐射场的波形和激励波形相比不能产生大的失真，特别是不应有长的拖尾。通常，若能使天线上的电流为行波电流，则天线的辐射场波形

6、与电流波形相差不大。而对于接收天线而言，根据电磁场的互易定理，也要求接收天线上的电流为行波电流，避免响应信号在时域上有分散。而对于馈源来说，要求天线的输入阻抗尽可能与频率无关，才能使馈源影响小，天线的接入才不会使波形有大的变化。冲击脉冲雷达成像系统的收发天线要求可以归纳如下：1．在工作频带内天线的幅频响应一致，相频响应线性；2．收发天线的隔离性，天线与脉冲源的良好匹配；3．在工作频带内天线的方向性一致；4．收发天线的超宽带特性，具有高增益及较好的辐射效率。目前冲击脉冲雷达上使用的天线形式多种多样，每种形式的天线都有自己的优缺点。截至目前，国

7、内外所见报导的时域天线主要有：圆柱行波天线，工作于100MHz以下，主要用于深层地下目标的检测和识别；蝴蝶形天线，包括末端加载的蝴蝶形天线，电容加载的蝴蝶形天线，线形蝴蝶天线。我们团队已经设计出传统蝴蝶形天线、终端加载天线，以及无反射集总电阻加载天线，同时提出了一种2第一章引言快速有效的时域背腔式蝴蝶形天线的设计方法；TEM喇叭天线及其变形，具有较好的时域响应特性，Venkatarayalu等人给出了～种形式的全极化介质加载TEM喇叭天线。Vivaldi天线具有结构简单、轻便等优点、并具有很大的瞬时带宽，有较好的脉冲波形保真性，并能兼顾探测

8、距离对天线增益和效率的要求。我们团队已经设计了耦合型Vivaldi宽带天线和对极型Vivaldi宽带天线，因此，本文在原有Vivaldi天线研究的基础上，结合遗传算法对耦合型Vivaldi宽带天线进行了优化设计，使带宽达到0．2—4GHz，对脉冲拖尾进行了更好地抑制，有力地保证了冲击脉冲雷达对隐藏目标的成像实验。1．3隐藏目标探测成像技术研究对多散射环境中隐蔽目标的探测具有重要的理论意义和应用价值。其理论意义在于探索如何从强电磁衰落和多散射特性的环境中正确检测和识别待探测目标；其理论成果可以应用于森林、叶簇中的隐蔽目标及埋地目标的探测等等。

9、从技术上讲，时域超宽带(冲激脉冲)成像技术由于能较好地兼顾高损耗传播环境(如地下介质)中探测范围和高分辨率的要求，因此被广泛地应用于隐蔽目标的探测中。阵列信号处理是目标探测时经常