超宽带时控阵列波束合成方法思考
本论文研究了无载波超宽带信号的稳定度对于波形合成的影响，推导了超宽带时控阵列的时域方向图公式，又进一步研究了超宽带雷达阵列回波信号角度测量的超分辨算法。
第一章绪论
1.3国内外研究现状及发展动态
自从1887年，赫兹做了电磁火花实验，从此拉开了对于超宽带电磁学和时域超宽带天线研究的序幕[10]。但在其后很长一段时间内，由于脉冲源技术与高速采样技术的相对落后，导致了超宽带雷达技术的发展缓慢，一直滞后于传统的窄带雷达技术的发展，直到20世纪60年代，高速采样技术和雪崩管技术的出现，终于为超宽带技术的发展带来了新的曙光[11]，众多科学家在同一时期也对超宽带信号的理论开始进行了研究。
20世纪50-60年代。Zernov、Kharcevitch、Harmuth、Robbins和Ross等苏联、美国的一批科学家们对超宽带信号的相关理论进行了大量的研究工作。在前苏联，1951年，Zernov给出了对超宽带信号时域分析的一些理论；1952年，Kharcevitch在Zernov研究的基础上给出了简便的超宽带信号时域分析方法。在美国，1960年左右，美军首先开始了对保密通信技术和超宽带雷达技术的探索[12]；1969年，美国天主教大学的Harmuth对超宽带脉冲的发射机和接收机进行了研究，提出了最早的设计理念；1972年，Robbins和Ross通过充分调研，分析总结了超宽带脉冲信号的几个未来应用领域[13]，并前瞻性的指出了超宽带雷达和通信的未来发展方向；1989年美国国防部第一次使用了UWB这个术语[14]；1990年3月，在美国的Los Alamos实验室召开了超宽带雷达会议，会议上提出了“超宽带(UWB)雷达”的概念[15]；同期，美国的James 编著了《超宽带雷达系统导论》，书中内容介绍了无载波超宽带雷达系统的理论和关键技术，对后续人们研究超宽带雷达产生了重要的指导意义；2002年2月14日，美国联邦委员会FCC通过议案，可以将超宽带技术应用到民用中，并规定了将相对带宽大于20%，或在传输过程中信号带宽一直大于500 MHz的系统称为超宽带系统[16]，自此超宽带系统才引起了学术界和工业界的高度关注，超宽带技术得到了长久的发展。
第三章雷达阵列
3.1天线阵列
传统的雷达常采用单一的天线，为了能够更大程度的发挥天线的性能，将性能相同的多个天线，按照要求进行排列和馈电就组成了天线阵，也被称为天线阵列，天线阵列的概念诞生于上世纪初期，由多个天线组成的阵列提高了天线辐射能力，增强了方向图的方向性，也同时增加了天线的作用距离[36-37]，单个天线单元在天线阵列中被称为阵元。根据阵元排列的不同形式，阵列被分为三类，它们分别是直线阵、平面阵与立体阵。直线阵的各个阵元排列在一条直线上，阵元间的阵元间距相等时被称为均匀线阵，不相等时被称为非均匀线阵；平面阵的各个阵元排列在一个平面上，根据各个阵元组成的平面阵形状，可以分为圆形面阵和矩形面阵等；立体阵的各个阵元分布在各种非平面上，是一种空间结构。
天线阵列的自由度和方向性得到了加强，其工作原理可以看成是电磁波的相互叠加，根据叠加定理，几个电磁波传播到相同的区域时，电磁波会进行叠加，同相位叠加会造成总场强增强，反相位叠加会造成总场强减弱，此时天线阵列改变了不同方向的总场强的增强和减弱，也就改变了辐射场的方向和大小。
随着天线阵列的不断发展，在雷达系统中也得到了广泛应用，由此构成了雷达阵列，由于雷达在工程应用中的突出效果，各国对于雷达技术提出了更高的要求，天线阵列同样得到了飞速发展[38-39]。天线阵列的辐射特性取决于阵列的分布形式、阵元数目、阵元间距、激励幅度和相位，这几个因素决定了不同的辐射场特征。
第五章目标角度测量算法
5.1回波信号仿真
随着雷达阵列的发展，雷达的发射信号从以往的窄带信号变为超宽带信号，超宽带雷达阵列向外发射无载波超宽带信号，探测到目标后，反射的回波信号带宽没有变窄，依然保持和发射信号一样的带宽且包含更多的目标信息。在对目标进行角度测量时，传统的目标角度测量方法的分辨能力取决于雷达阵列的长度，当确定好阵列长度后，算法的分辨能力也就确定了，这被称作瑞利限[52]。而对于本文研究的超宽带雷达阵列，阵元数较少，所以采用传统的目标角度测量方法的分辨能力受到了极大的限制，对于目标的角度分辨能力不足，本章针对小规模的超宽带雷达阵列，介绍了几种超瑞利限的方法，即超分辨方法来对目标进行角度测量，通过仿真验证了几种算法的性能。
在超宽带雷达阵列中，考虑接收到的回波信号有两种情况：①回波脉冲信号中包含遇到目标后反射回来的信号和空间中的噪声，②回波脉冲信号中只有空间中的噪声。当目标个数为多个时，回波脉冲信号中会包含多个反射回来的信号，超宽带雷达阵列接收到的这些信号中存在相干信号。
5.2 MUSIC算法
多重信号分类（MUSIC）算法是最经典的超分辨目标角度测量方法，是由Schmidt R O等人于1979年最先提出来的[53]。经典的MUSIC算法（多重信号分类算法）的核心思想是先根据阵列接收到的回波信号向量得到协方差矩阵的测量值R，公式为(5-3)，其中K为快拍数，再根据协方差矩阵R进行特征值分解，公式为(5-4)，根据不同特征值对应的特征向量，构造两个彼此正交的信号子空间和噪声子空间[54]，公式为(5-5)，然后利用这两个子空间的正交性完成对目标回波信号的角度测量，最后通过谱峰搜索，公式为(5-6)，实现对目标信号角度的识别和分辨[55]。
第六章总结与展望
6.2工作展望
本文对于超宽带时控阵列波束合成方法进行了较为详细的研究，提出了一些新的方法，但由于作者的精力及知识水平有限，针对研究中遇到的一些问题，在后续的研究工作中，应对以下几个方面进行进一步的研究和分析：
(1)在对全向天线的超宽带时控阵列的时域方向图研究仿真时，本文考虑的时控阵列发射的无载波超宽带信号为高斯五阶脉冲信号，没有考虑到信号峰峰值、脉冲宽度及信号形式的变化对方向图的影响，在后续研究中，可以针对这些因素对时域方向图的影响进行进一步的研究。
(2)本文仅对定向天线的时控阵列方向图计算公式进行了推导，并没有进行仿真分析，在后续的研究中，可以根据真实天线的方向图为参考，来进行时域方向图的仿真和分析。
(3)在超宽带雷达阵列的回波信号的目标角度测量时，本文分析了阵元数、信噪比和快拍数对改进的MUSIC算法最小分辨角度的影响，后续可以进行对于目标角度分辨准确率的研究。
参考文献（略）
（本文摘自网络）