1、在現(xiàn)代信號(hào)處理中，人們對(duì)信息需求量的不斷增長(zhǎng)使得攜帶信息的信號(hào)帶寬變得越來(lái)越寬，對(duì)信號(hào)數(shù)字化帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。因此對(duì)超寬帶信號(hào)的數(shù)據(jù)獲取方法研究已成為信號(hào)處理領(lǐng)域中一個(gè)非常重要的研究?jī)?nèi)容。如果根據(jù)Nyquist采樣定理對(duì)超寬帶信號(hào)采樣，鑒于現(xiàn)有ADC(Analog-to-Digital Converter)芯片的工藝水平，單個(gè)ADC芯片所獲得的樣本無(wú)法同時(shí)具有高采樣率和高分辨率的性質(zhì)。在本文中，我們針對(duì)超寬帶信號(hào)的數(shù)據(jù)獲取方法展開(kāi)研究探

2、討，一方面，在具有信號(hào)先驗(yàn)的合作性環(huán)境下，研究了基于壓縮感知理論，利用主動(dòng)式雷達(dá)的先驗(yàn)知識(shí)，低速率獲取超寬帶回波信號(hào)的方法。為了有效地應(yīng)用壓縮感知理論對(duì)超寬帶雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行低速獲取，分別對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)的稀疏表示方法和模擬信號(hào)的隨機(jī)觀測(cè)方法進(jìn)行了研究。另一方面，在無(wú)法獲得信號(hào)先驗(yàn)的非合作環(huán)境下，研究超寬帶信號(hào)的高速率高分辨率獲取方法。
　　 1.我們從模擬信息轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Information Converter，A

3、IC)入手，研究其構(gòu)成組件和等效的觀測(cè)矩陣。然后將其應(yīng)用于雷達(dá)回波信號(hào)的低速獲取，提出了基于AIC結(jié)構(gòu)的雷達(dá)回波信號(hào)獲取系統(tǒng)。在構(gòu)造了回波信號(hào)的稀疏字典的前提條件下，所提出的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)回波信號(hào)的隨機(jī)觀測(cè)與優(yōu)化重構(gòu)。該系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景是使用主動(dòng)式雷達(dá)對(duì)靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，因此可以根據(jù)感興趣目標(biāo)的特點(diǎn)確定回波信號(hào)的數(shù)學(xué)模型。在通常使用的主動(dòng)式探測(cè)模型中，由多個(gè)目標(biāo)回波構(gòu)成的回波信號(hào)可以表示為發(fā)射信號(hào)移位形式的線性疊加。因此，把發(fā)射信號(hào)離散

4、化后進(jìn)行能量歸一化處理，利用處理后信號(hào)的多個(gè)時(shí)移形式構(gòu)成字典，可達(dá)到稀疏表示回波信號(hào)的目的。這樣，通過(guò)構(gòu)造回波信號(hào)的稀疏字典，可以滿(mǎn)足應(yīng)用壓縮感知理論對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行低速觀測(cè)的前提條件，保障回波信號(hào)低速觀測(cè)后能夠被高概率地成功重構(gòu)。
　　 2.考慮到AIC結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)的稀疏變換矩陣缺乏普適性，為了在理論上得到對(duì)信號(hào)變換具有普適性的觀測(cè)矩陣，即不論稀疏表示處理采用的基函數(shù)具有何種時(shí)長(zhǎng)特性，對(duì)系數(shù)向量的觀測(cè)矩陣(即信號(hào)的觀測(cè)矩陣與信

5、號(hào)變換矩陣的乘積)都具有良好的性質(zhì)，提出了基于隨機(jī)投影的并行采樣結(jié)構(gòu)(Parallel Sampling StructureBased on Random Projection，PSRP)。在該多通路結(jié)構(gòu)中，每個(gè)通道對(duì)信號(hào)進(jìn)行隨機(jī)調(diào)制、積分與采樣，得到信號(hào)的一個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)。由于PSRP結(jié)構(gòu)的等效觀測(cè)矩陣具有良好性能，因此，把該結(jié)構(gòu)用作觀測(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，與基于AIC結(jié)構(gòu)的雷達(dá)回波獲取系統(tǒng)相比，為了達(dá)到同等的重構(gòu)質(zhì)量，采用所提

6、出的PSRP結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)需要的觀測(cè)數(shù)量會(huì)大大減少。而且后者的噪聲魯棒性能更優(yōu)。
　　 3.為了在實(shí)踐中降低觀測(cè)系統(tǒng)的復(fù)雜度，使其與常規(guī)的A/D轉(zhuǎn)換電路具有兼容性，提出了直接欠采樣率隨機(jī)感知(Direct Sub-Nyquist Random Sampling，DSRS)方法，通過(guò)調(diào)整常規(guī)基于Nyquist定理的A/D電路的采樣時(shí)序即可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的隨機(jī)觀測(cè)。除了需要重新設(shè)計(jì)采樣時(shí)鐘，傳統(tǒng)采樣電路的其他部分并不需要重新設(shè)計(jì)就可以用于壓

7、縮感知框架下的信號(hào)觀測(cè)處理。利用DSRS結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)處理，大大降低了壓縮感知框架下信號(hào)采集系統(tǒng)的尺寸、重量、耗能以及成本。把該結(jié)構(gòu)用于超寬帶雷達(dá)接收系統(tǒng)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)，仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在一定的條件下，該結(jié)構(gòu)可以在壓縮感知的框架下實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)隨機(jī)觀測(cè)的目的。
　　 4.在非合作性環(huán)境下，研究了超寬帶信號(hào)的高速率高分辨率采樣方法。對(duì)一般的超寬帶信號(hào)，我們?nèi)匀谎赜脗鹘y(tǒng)的信號(hào)模型，即待采樣信號(hào)是帶限的。為了同時(shí)達(dá)到高速率和高分辨率

8、，本文中超寬帶信號(hào)的采樣使用了所提出的基于隨機(jī)投影的并行采樣結(jié)構(gòu)，即PSRP結(jié)構(gòu)。使用M通道的PSRP結(jié)構(gòu)進(jìn)行信號(hào)采樣時(shí)，由于每個(gè)通道中ADC的速率是整個(gè)結(jié)構(gòu)采樣速率的1/M，因此每個(gè)通道可使用低速率、高分辨率的ADC芯片，該結(jié)構(gòu)的輸出是高速率高分辨率的信號(hào)樣本。不同于基于壓縮感知的采樣系統(tǒng)，該系統(tǒng)既沒(méi)有利用信號(hào)的先驗(yàn)信息，也不把降低采樣數(shù)量作為目的，所以獲取的數(shù)據(jù)量與未知的信號(hào)樣本量相同。因此信號(hào)重構(gòu)可通過(guò)快速求解一個(gè)線性方程組實(shí)現(xiàn)。

9、
　　 為了在并行系統(tǒng)中控制通道數(shù)，進(jìn)而降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，對(duì)信號(hào)需要進(jìn)行分段處理，分段處理會(huì)帶來(lái)截?cái)嗾`差。為了抑制截?cái)嗾`差，本文給出了兩種解決策略。一種是基于軟件計(jì)算的方法，采用反對(duì)稱(chēng)的信號(hào)擴(kuò)展技術(shù)，該方法雖然不能徹底消除截?cái)嗾`差，但不會(huì)帶來(lái)硬件設(shè)備上的負(fù)擔(dān)。另一種方法是在信號(hào)投影采樣處理前，采用一個(gè)高速的采樣保持器(Sampling-and-Hold，S/H)對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，該處理可以完全消除截?cái)嗾`差，但S/H電路會(huì)在一定