面向雷达信号的有限新息率采样技术研究

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1、硕士学位论文面向雷达信号的有限新息率采样技术研究RESEARCHONSUB-NYQUISTRADARSENSINGWITHFINITERATEOFINNOVATION练思杰哈尔滨工业大学2016年7月国内图书分类号：TP274+.2学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文面向雷达信号的有限新息率采样技术研究硕士研究生：练思杰导师：彭喜元教授申请学位：工学硕士学科、专业：仪器科学与技术所在单位：电气工程及自动化学院答辩日期：2016年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex：TP274

2、+.2U.D.C:621.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONSUB-NYQUISTRADARSENSINGWITHFINITERATEOFINNOVATIONCandidate:SijieLianSupervisor:FullProf.XiyuanPengAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:InstrumentScienceandTechnologyAffiliation:SchoolofE

3、lectricEngineeringDateofDefense:July,2016Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology摘要摘要传统雷达信号在接收和重构过程中满足奈奎斯特定理，随着对目标分辨能力和空间分辨率的要求越来越高，导致雷达接收机面临截获的雷达信号带宽急速增大的问题。这样不仅要求雷达系统需有极高的采样率，而且面临着数据实时存储和处理的巨大压力和功耗浪费。近些年来随着有限新息率（FiniteRateofInnovation,FRI）理论的提出和发展，利用信号

4、的参数化特性，只要以大于等于信号的有限新息率采样，便可以无失真重构原始信号。又因为信号的有限新息率通常远小于其奈奎斯特采样率，所以极大的降低了系统的采样速率以及信号处理设备的存储及传输压力。通过利用雷达信号的参数化特性将其建模为可由有限个参数完全表示的FRI信号；然后，在FRI采样框架下对雷达信号进行采样预处理，并以远低于奈奎斯特采样定理要求的采样速率对其进行均匀采样；最后，利用谱估计技术重构出原始信号。本文围绕FRI理论，主要针对以下内容展开了研究：1、研究FRI理论。对FRI理论进行了详细的阐述，用数学语言描述了FRI欠采样与恢复信

5、号的各个过程。深入探究了目前面向雷达信号进行采样的FRI结构和方法，对部分重要的结构和方法进行了特性分析，比较了各自的优缺点。针对主动式脉冲雷达回波信号，使用MATLAB软件工具，编写了与上述结构对应的仿真程序比较了其重构效果的优劣。证明了FRI采样与重构理论的正确性。2、针对已有的FRI采样结构和方法的缺陷，基于FRI理论设计了一种新的面向主动式脉冲雷达回波信号的采样结构。该结构通过多通道混频低通滤波可以实现对待测信号任意频带的选取，频谱利用率高；而且硬件实现简单，成本低廉，抗噪性强。为了从采样值中获取无混叠的正确频域信息，专门提出了

6、一种频率交叉解混叠频谱的方法。通过详细的数学推导证明了该方法的正确性和可行性。然后利用求取的正确频域信息通过压缩感知理论中的正交匹配追踪（OrthogonalMatchingPursuit）算法来恢复原始信号参数。最后通过MATLAB仿真证明了设计的采样结构、频率交叉解混叠频谱方法和面向FRI采样的OMP重构算法的正确性。并且分析比较了部分因素对所设计结构的影响作用，为后续FRI欠采样与重构平台的硬件实现打下了坚实的基础。3、针对设计的FRI采样结构搭建了完整的硬件实验平台。通过对信号特性的分析，首先完成了硬件部分的设计并搭建了由相应的

7、模拟乘法电路、模拟低通滤波电路和放大电路等组成的混频滤波模块；其次使用多种PXIe总线仪器完成了信号的产生、采集、传输、保存及处理等功能。然后详细的说明了软件部分的各层-I-摘要次关系以及程序流程。最后，利用NILabVIEW编程软件平台完成了上位机的软件部分，使系统具有波形显示、数据存储、参数设定和算法调整等功能，拥有良好的人机交互界面。4、通过与仿真对应的硬件实验，观测了系统各个阶段的实际待测信号波形同仿真波形的对比情况，利用获取的采样值数据求取了正确的频域信息，最后利用OMP算法重构出了原始信号的自由参数。从而证明了设计的FRI采

8、样结构、频率交叉解混叠方法、面向FRI采样的OMP重构算法的正确性。迈出了FRI采样技术硬件化的重要一步。关键词：有限新息率（FRI）；雷达信号；欠采样；谱估计；信号重构-II-AbstractAbstra