本文關(guān)鍵詞：面向雷達(dá)信號的有限新息率采樣技術(shù)研究

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【摘要】：傳統(tǒng)雷達(dá)信號在接收和重構(gòu)過程中滿足奈奎斯特定理,隨著對目標(biāo)分辨能力和空間分辨率的要求越來越高,導(dǎo)致雷達(dá)接收機面臨截獲的雷達(dá)信號帶寬急速增大的問題。這樣不僅要求雷達(dá)系統(tǒng)需有極高的采樣率,而且面臨著數(shù)據(jù)實時存儲和處理的巨大壓力和功耗浪費。近些年來隨著有限新息率(Finite Rate of Innovation,FRI)理論的提出和發(fā)展,利用信號的參數(shù)化特性,只要以大于等于信號的有限新息率采樣,便可以無失真重構(gòu)原始信號。又因為信號的有限新息率通常遠(yuǎn)小于其奈奎斯特采樣率,所以極大的降低了系統(tǒng)的采樣速率以及信號處理設(shè)備的存儲及傳輸壓力。通過利用雷達(dá)信號的參數(shù)化特性將其建模為可由有限個參數(shù)完全表示的FRI信號;然后,在FRI采樣框架下對雷達(dá)信號進(jìn)行采樣預(yù)處理,并以遠(yuǎn)低于奈奎斯特采樣定理要求的采樣速率對其進(jìn)行均勻采樣;最后,利用譜估計技術(shù)重構(gòu)出原始信號。本文圍繞FRI理論,主要針對以下內(nèi)容展開了研究:1、研究FRI理論。對FRI理論進(jìn)行了詳細(xì)的闡述,用數(shù)學(xué)語言描述了FRI欠采樣與恢復(fù)信號的各個過程。深入探究了目前面向雷達(dá)信號進(jìn)行采樣的FRI結(jié)構(gòu)和方法,對部分重要的結(jié)構(gòu)和方法進(jìn)行了特性分析,比較了各自的優(yōu)缺點。針對主動式脈沖雷達(dá)回波信號,使用MATLAB軟件工具,編寫了與上述結(jié)構(gòu)對應(yīng)的仿真程序比較了其重構(gòu)效果的優(yōu)劣。證明了FRI采樣與重構(gòu)理論的正確性。2、針對已有的FRI采樣結(jié)構(gòu)和方法的缺陷,基于FRI理論設(shè)計了一種新的面向主動式脈沖雷達(dá)回波信號的采樣結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過多通道混頻低通濾波可以實現(xiàn)對待測信號任意頻帶的選取,頻譜利用率高;而且硬件實現(xiàn)簡單,成本低廉,抗噪性強。為了從采樣值中獲取無混疊的正確頻域信息,專門提出了一種頻率交叉解混疊頻譜的方法。通過詳細(xì)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)證明了該方法的正確性和可行性。然后利用求取的正確頻域信息通過壓縮感知理論中的正交匹配追蹤(Orthogonal Matching Pursuit)算法來恢復(fù)原始信號參數(shù)。最后通過MATLAB仿真證明了設(shè)計的采樣結(jié)構(gòu)、頻率交叉解混疊頻譜方法和面向FRI采樣的OMP重構(gòu)算法的正確性。并且分析比較了部分因素對所設(shè)計結(jié)構(gòu)的影響作用,為后續(xù)FRI欠采樣與重構(gòu)平臺的硬件實現(xiàn)打下了堅實的基礎(chǔ)。3、針對設(shè)計的FRI采樣結(jié)構(gòu)搭建了完整的硬件實驗平臺。通過對信號特性的分析,首先完成了硬件部分的設(shè)計并搭建了由相應(yīng)的模擬乘法電路、模擬低通濾波電路和放大電路等組成的混頻濾波模塊;其次使用多種PXIe總線儀器完成了信號的產(chǎn)生、采集、傳輸、保存及處理等功能。然后詳細(xì)的說明了軟件部分的各層次關(guān)系以及程序流程。最后,利用NI LabVIEW編程軟件平臺完成了上位機的軟件部分,使系統(tǒng)具有波形顯示、數(shù)據(jù)存儲、參數(shù)設(shè)定和算法調(diào)整等功能,擁有良好的人機交互界面。4、通過與仿真對應(yīng)的硬件實驗,觀測了系統(tǒng)各個階段的實際待測信號波形同仿真波形的對比情況,利用獲取的采樣值數(shù)據(jù)求取了正確的頻域信息,最后利用OMP算法重構(gòu)出了原始信號的自由參數(shù)。從而證明了設(shè)計的FRI采樣結(jié)構(gòu)、頻率交叉解混疊方法、面向FRI采樣的OMP重構(gòu)算法的正確性。邁出了FRI采樣技術(shù)硬件化的重要一步。
【關(guān)鍵詞】：有限新息率(FRI) 雷達(dá)信號 欠采樣 譜估計 信號重構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN957.51
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-16
• 1.1 課題背景、目的和意義10-11
• 1.2 本課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-15
• 1.2.1 有限新息率采樣結(jié)構(gòu)研究與進(jìn)展12-13
• 1.2.2 有限新息率重構(gòu)算法研究與進(jìn)展13
• 1.2.3 有限新息率的應(yīng)用情況13-14
• 1.2.4 有限新息率在雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用14-15
• 1.3 本文的研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)15-16
• 第2章 有限新息率基本原理16-34
• 2.1 有限新息率采樣理論16-22
• 2.1.1 有限新息率信號16-19
• 2.1.2 有限新息率采樣結(jié)構(gòu)19-20
• 2.1.3 有限新息率重構(gòu)算法20-22
• 2.2 面向雷達(dá)信號的有限新息率采樣理論22-28
• 2.2.1 雷達(dá)信號的有限新息率建模22-23
• 2.2.2 雷達(dá)信號的有限新息率采樣方法23-26
• 2.2.3 雷達(dá)信號的有限新息率重構(gòu)26-28
• 2.3 仿真實驗28-33
• 2.3.1 有限新息率采樣理論仿真28-32
• 2.3.2 面向雷達(dá)信號的有限新息率采樣結(jié)構(gòu)仿真32-33
• 2.4 本章小結(jié)33-34
• 第3章 FRI采樣結(jié)構(gòu)與重構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計34-43
• 3.1 新有限新息率采樣結(jié)構(gòu)34-35
• 3.2 頻率交叉解混疊方法35-38
• 3.3 仿真實驗38-42
• 3.4 本章小節(jié)42-43
• 第4章 FRI欠采樣與重構(gòu)系統(tǒng)硬件實現(xiàn)43-58
• 4.1 需求分析43
• 4.2 硬件設(shè)計43-51
• 4.2.1 模擬預(yù)處理模塊設(shè)計44-49
• 4.2.2 PXI系統(tǒng)49-51
• 4.3 軟件設(shè)計51-56
• 4.3.1 上位機程序的執(zhí)行流程52
• 4.3.2 部分程序框圖52-56
• 4.4 本章小結(jié)56-58
• 第5章 硬件實驗和分析58-64
• 5.1 評價指標(biāo)58
• 5.2 硬件實驗58-63
• 5.3 本章小結(jié)63-64
• 結(jié)論64-66
• 參考文獻(xiàn)66-70
• 附錄70-72
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文、專利72-74
• 致謝74-75

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本文編號：911545