摘 要

步进频率雷达通过发射超宽带步进频率连续波信号，获取高分辨率雷达图像。作为穿墙成像雷达的雏形，它能够对目标进行检测、成像和定位。它基于多发多收（Multiple Input Multiple Output，MIMO）阵列，采用鲁棒性很好的后向投影成像算法，探测范围能达到50m以上，能够安全有效地对目标进行检测。本文结合实际需求和成像场景，讨论了雷达系统的设计，并研究了步进频率雷达虚拟阵列成像技术存在的若干关键问题。

实际应用中，由于天线造价昂贵，所以MIMO阵列的阵元数量受限，这样势必会造成空间欠采样。本文研究了相干因子（Coherence Factor，CF）加权算法扩展得到的孔径域栅瓣抑制算法，在MATLAB上予以实现，改善了空间欠采样造成的栅瓣问题。

而在处理实测数据时，环境强杂波的干扰和目标点的低反射率是信号处理时的重点。本文讨论和比较了多种时域杂波抑制算法，然后设计了一款可以处理实测数据的软件并验证了算法的成像效果。

关键词：步进频率雷达；多发多收阵列；栅瓣抑制；后向投影成像算法；杂波抑制

Abstract

Stepped frequency radar emits ultra-wideband stepped frequency continuous wave to obtain high resolution radar image. As the prototype of through-wall imaging radar, it has the capability of detection, imaging, location of targets. Based on MIMO, the system employs back projection imaging algorithm with good robustness, which can detect range over fifty meters, so it will reduce the danger that operator may face. According to actual needs and imaging scene, we discuss the design of the radar system and investigate several key techniques involved in the research topic.

In practical applications, the amount of the MIMO array elements would be limited due to the expensive cost of the antennas, which must result in spatial undersampling. We consider the aperture domain coherence factor to process the data that extended from coherence factor. It has been proved effectively that algorithm can suppress the grating lobes on MATLAB.

When processing measured echo, it’s a key that strong environmental clutters and the low reflectivity of the targets. We investigate and compare several temporal methods of clutter rejection. Then we design a soft to prove the performance of these techniques which can process measured echo.

Keywords：stepped frequency radar；multiple input multiple output；grating lobe suppression；back projection imaging algorithm；clutter rejection

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及其意义 1

1.2 关键技术的研究状况 1

1.2.1 成像方式 1

1.2.2 成像算法 2

1.2.3 杂波抑制 2

1.3 研究内容和预期目标 3

第2章 步进频率雷达设计 4

2.1 SFCW信号 4

2.1.1 信号形式 4

2.1.2 信号参数及设计 5

2.2 阵列配置 7

2.2.1 阵列模式 7

2.2.2 阵列间距 8

2.3 回波数据生成 9

第3章 雷达成像 11

3.1 后向投影成像算法基本原理 11

3.1.1 LFM的距离向脉冲压缩 11

3.1.2 方位向脉冲压缩 12

3.2 基于SFR虚拟阵列的BP成像算法原理 13

3.3 SFR虚拟阵列的BP成像算法设计 14

3.4 栅瓣抑制 15

3.5 SFR虚拟阵列的BP成像算法实现 16

第4章 实测数据处理 18

4.1 数字正交解调 18

4.2 系统补偿和校正 18

4.3 杂波抑制 20

4.4 SFR虚拟阵列成像技术的软件实现 22

第5章 结论 27

5.1 本文工作总结 27

5.2 步进频雷达虚拟阵列成像技术发展展望 27

参考文献 28

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 研究背景及其意义

对于未知的事物，人类有着与生俱来的好奇和恐惧，这促使他们创造出各种各样的方法，去感知和了解目所不及之处。

高分辨雷达正是人类努力感受未知的方向之一。雷达的任务从测量距离、方位和仰角，到测量目标速度，甚至是实现多维成像，人们不断试图从回波数据中获取更详细的目标信息。军事上，反恐维稳、局部战争都需要对目标进行精确高效定位和区分，以减少己方人员损失。民用上，灾害求援、医学探测、公共安检等领域上，也要求更准确的信息反馈，来达到提高求援效率、完成非接触式监测和诊断、排除各种安全隐患等目的。

以上领域的迫切需求催生了基于各种类型信号的目标检测方式，其中步进频率雷达（Stepped Frequency Radar，SFR）是其中颇为行之有效的一种。SFR通过发射步进频率连续波（Stepped Frequency Continuous Wave，SFCW）信号增大带宽以获得高分辨率，SFCW可以通过降低对采样率和动态范围的要求来缓和A/D技术的问题，在A/D技术日渐成为高分辨雷达瓶颈的情况下，这是个十分重要的优点。而且相较于采用其他信号的检测方式，SFR具有全天时全天候的工作优势。

由于高分辨率和对系统硬件设计的较低要求等优势，SFR系统可设计成用于远距离探测的穿墙成像雷达（Through-Wall Imaging Radar，TWIR）。TWIR系统通过发射超宽带（Ultra-Wideband，UWB）SFCW信号，能够对隐藏在墙壁、草丛等各种非金属障碍后的目标进行检测、定位、成像，大量应用在战场侦察、城市巷战、反恐行动等场景中，而且TWIR也更适用于空中平台的搭载。