CN101464514B - 步进频率雷达系统的校准方法与校准处理器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种步进频率雷达系统的校准方法和校准处理器，应用于步进频率探地雷达等近场测量系统的校准。校准方法包括校准数据录取、校准参数计算和校准处理三个步骤。校准处理器由减法器、乘法器、加法器、除法器和存储器构成，实现的功能是对实际测量数据进行校准处理方程的计算。利用本发明不需其它的辅助测量设备，即可完成步进频率雷达系统的整体精确校准，同时实现操作简单方便、校准精度高、处理速度快的工程实用化效果。

Description

步进频率雷达系统的校准方法与校准处理器

技术领域

本发明涉及系统的校准方法，尤其是步进频率雷达系统的校准方法，可应用于步进频率探地雷达等近场测量系统的校准方法。

背景技术

步进频率雷达系统的工作原理是发射一系列频率顺序增加或减小的脉冲调制信号，并接收回波信号，对回波信号进行处理以获得探测目标的特性。

步进频率雷达系统受各种因素影响，容易出现信号相互耦合、波形畸变、弱目标信号被杂波淹没等现象，制约了步进频率雷达系统的动态范围和分辨率。其中天线对系统性能的影响较大，主要包括收发天线间的强耦合、近场测量时天线与地面间的多次反射干扰、天线传输特性不理想造成的距离旁瓣等。雷达系统中其它部分的影响主要有：发射机和接收机的幅度和相位不一致性引起的失真、传输电路的失真、收发通道的耦合、IQ通道耦合、相位和增益误差引起的IQ通道误差等，为克服这些影响，提升步进频率雷达系统的整体性能，必须在校准技术上的取得创新性突破。

文献V.A.Mikhnev and P.Vainikainen，“Single-Reference Near-FieldCalibration Procedure for Step-Frequency Ground Penetrating Radar，”IEEE Trans.on Geoscience and Remote Sensing，Vol.41，No.1，pp.75-80，Jan.2003.和文献I.Nicolaescu，P. Genderen，and K.Palmer，“Calibration Procedures of a SteppedFrequency Continuous Wave Radar for Landmines Detection，”Proceeding of theInternational Radar Conference，pp.412-417，Sept.2003都采用了传统的双端口网络S参数计算反射系数，以完成步进频率雷达系统的校准，并且提出采用单个参考目标的S参数测量步骤。该方法考虑了天线耦合或反射、多次反射、天线传输衰减等影响因素，应用于步进频率雷达天线校准，能够取得较好的效果。但上述校准方法侧重于天线的校准，不能对雷达系统其它部分进行校准，如发射机、接收机、数据传输和采样电路等，也即不能实现雷达系统的整体校准，以全面改善系统性能。此外，上述校准方法需要从测量信号中直接或间接获得反射系数，一般需要利用矢量网络分析仪等昂贵的微波测量设备，不适于野外操作和广泛应用。若不借助其它测量设备，仅用步进频率雷达系统完成反射系数的测量，需要独立测量发射信号和接收信号，不仅操作麻烦，而且测量连接方式、测量状态不同，很难保证前后测量的信号相位和幅度的一致性，误差较大。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种步进频率雷达系统的校准方法和校准处理器，实现对步进频率雷达系统的整体系统校准，包括天线、发射机、接收机、数据传输和采样电路等。测量过程不需其它的辅助测量设备，仅利用步进频率雷达系统即可完成精确校准，达到操作简单方便、校准精度高、处理速度快的工程实用化效果。

本发明的技术方案是：一种步进频率雷达系统校准方法，其特征在于针对步进频率雷达系统频带范围内各频点，进行校准数据录取、校准参数计算、校准处理三个步骤：

第一步，校准数据录取。

利用步进频率雷达系统在微波暗室或者室外开放空间中进行校准数据的录取，录取的校准数据包括：在无目标情况下，对空测量的接收信号b₀；采用平面金属板作为参考目标，将其置于雷达天线正前方，通过移动金属板，测量不同位置时的接收信号b_k，并记录天线与金属板的间距L_k。通过对系统频带范围内各频点进行步进扫描获得完整的校准数据。

第二步，校准参数计算。

所需计算的校准参数为p₁、p₂和p₃，其中参数p₁表示雷达系统内部的耦合信号，不仅包括收发天线的耦合，而且包含了发射和接收传输通道间的耦合；参数p₂表示发射信号经包括收发天线在内的发射通道和接收通道传输衰减后的信号；参数p₃反应雷达天线辐射的多次反射特性。若将整个步进频率雷达系统视为双端口网络，则校准参数与双端口网络S参数的关系为：p₁＝a₁S₁₁，p₂＝a₁S₁₂S₂₁，p₃＝S₂₂，其中S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂为两个端口间的四个S参数，端口2代表天线一侧的网络端口，另一网络端口则为端口1，a₁表示端口1的入射波。

在无目标情况下的对空测量，由于天线末端与空气匹配，可视为终端接匹配负载的情况，此时的测量接收信号即为雷达系统内部的耦合信号，故有p₁＝b₀。

利用不同位置的金属板校准数据建立参数p₂和参数p₃的计算方程组如下：

Γ_k·(b_k-b₀)·p₃+Γ_k·p₂＝b_k-b₀，k＝1，2，…，N    (公式一)

式中Γ_k为不同位置金属板回波在雷达天线辐射口处的反射系数，可利用天线与金属板的间距L_k通过计算得到；b_k-b₀为去除雷达系统内部耦合后的金属板信号；N为移动金属板的校准数据录取次数。通过方程组求解获得参数p₂和参数p₃。

利用所录取的各频点校准数据，通过上述方法可以计算出各频点的校准参数p₁、p₂、p₃。

第三步，校准处理。

校准处理是利用校准参数对实际测量数据进行处理，计算出所对应的反射系数Γ_r。校准处理是对步进频率的每个频率点进行计算，可以有效解决发射和接收通道在各频率点的不一致性问题。校准处理的计算方程如下：

${\mathrm{\Γ}}_r=\frac{r-p_1}{p_2+p_3(r-p_1)}$ (公式二)

校准处理是基于雷达接收信号r和三个校准参数，r实际已含有雷达系统内部接收和发射传输通道各部分的影响，包括发射机、天线、接收机、采样电路、放大与滤波电路、传输电缆等。因此，校准处理后不仅能够消除天线的不利影响，而且能够消除雷达其它部分的影响，实现步进频率雷达的整体系统校准。

本发明的步进频率雷达系统校准方法的创新点在于提出新的校准参数和校准处理方程。用于校准参数计算的校准数据是利用步进频率雷达来录取获得，不需要其它测量设备，并且利用校准参数对实际测量数据直接进行校准处理，计算出反射系数。不仅简化了校准数据录取和校准处理的过程，有很好的工程实用性，而且能够消除步进频率雷达系统各部分的影响，避免独立测量发射信号和接收信号的不一致性问题，很大程度地提高系统校准效果，经校准处理后的信号在信杂比、波形、分辨率等各方面能够获得较大提高。

本发明还提供一种校准处理器装置，该装置的功能是对实际测量数据进行公式二的处理，本装置由减法器、乘法器、加法器、除法器和存储器构成。存储器内存储三个计算出的校准参数p₁，p₂和p₃。减法器的输入分别为实际测量数据r与存储器输出的参数p₁，运算结果为r-p₁。乘法器的输入分别为减法器输出r-p₁和存储器输出的参数p₃，运算结果为p₃(r-p₁)。加法器的输入分别为乘法器输出p₃(r-p₁)和存储器输出的参数p₂，运算结果为p₂+p₃(r-p₁)。除法器的输入分别为减法器输出r-p₁和加法器输出p₂+p₃(r-p₁)，运算结果为反射系数Γ_r。校准处理器置于步进频率雷达的数据采集电路之后，对实际测量数据进行校准处理。

本发明的校准处理器是基于校准处理方程而构建，用于完成所提出的校准方法中的校准处理步骤。校准处理器构成简单，计算速度快，能够实现测量数据的实时快速校准处理，并且易于工程实现。

附图说明

图1是本发明的步进频率雷达系统校准方法流程示意图；

图2是本发明一实施方式的校准处理器构成示意图；

图3是实际测量数据校准处理前后的时域合成波形对照图，(a)为实际测量数据校准处理前的时域合成波形，(b)为该测量数据利用本发明校准处理后的时域合成波形。

具体实施方式

为更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。

图1所示为本发明提出的步进频率雷达系统校准方法流程示意图，包括校准数据录取、校准参数计算、校准处理三个步骤。其中校准数据录取和校准参数计算是在实际测量前完成，可以在实际探测场地进行，也可以事先在微波暗室等其它场所进行。经过校准数据录取和校准参数计算得到校准参数，在校准处理步骤中把实际测量数据和有关参数代入计算方程即可得到输出反射系数。各步骤具体实施细节如下：

第一步，校准数据录取。

首先在室外开放空间或微波暗室中不放置任何目标，利用步进频率雷达系统对空测量，录取各频率点下的接收信号b₀；然后放置平面金属板，金属板尺寸相比于天线要足够大，将其置于雷达天线正前方，利用步进频率雷达系统进行测量并录取不同频率下的接收信号，通过移动金属板，录取不同位置时的接收信号b_k，并记录天线与金属板的间距L_k，间距L_k与实际测量时的天线与目标间距相近，移动金属板的测量次数一般取3～10次。

第二步，校准参数计算。

校准参数p₁为雷达系统内部的耦合信号，即近似为无目标情况下对空测量的接收信号b₀，故p₁＝b₀。

校准参数p₂和p₃的计算是先利用金属板校准数据b_k构建方程组。用金属板校准数据b_k减去对空测量的接收信号b₀，计算出去除雷达系统内部耦合后的金属板信号。此外，利用金属板的位置信息L_k近似估计出金属板回波的反射系数Γ_k，利用公式三，反射系数Γ_k的幅度估计采用多项式来拟合，相位则依据电磁波的传播速度进行估计：

${\mathrm{\Γ}}_k\left(f\right)=-\underset{n=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left({\mathrm{\α}}_n{f}^n\right)\·\exp (-j\frac{2\mathrm{\πf}}{C}\·2L_k)$ (公式三)

上式中C为真空电磁波速，α_n为拟合多项式系数，M为多项式阶数。金属板回波反射系数Γ_k的估计可以参考文献V.A.Mikhnev and P.Vainikainen，“Single-Reference Near-Field Calibration Procedure for Step-Frequency GroundPenetrating Radar，”IEEE Trans.on Geoscience and Remote Sensing，Vol.41，No.1，pp.75-80，Jan.2003。

由去耦合后的金属板信号b_k-b₀和反射系数Γ_k建立校准参数的计算方程组，如公式一所示。方程组含两个未知参数，校准数据录取的测量次数N一般大于2，故校准参数的计算为超定方程组的求解，可通过伪逆矩阵获得校准参数的最小二乘解。

第三步，校准处理。

校准处理可利用公式二计算完成或由校准处理器实时完成，校准处理器的内部构成如图2所示。校准处理器输入为实际测量数据，输出为校准后的反射系数。

校准处理器内部完成公式二的校准处理，输入一个频率的测量数据，先与相应频率的参数p₁进行相减运算，即完成去除系统内部耦合处理，运算结果r-p₁分两路输出，第一路输出先与相应频率的参数p₃相乘，再与相应频率的参数p₂相加得到p₂+p₃(r-p₁)，第二路输出r-p₁与第一路的运算结果p₂+p₃(r-p₁)进行相除，得到反射系数Γ_r。对每个频率的数据反复进行如上计算，最终可计算出各频率点的校准后的反射系数。

校准处理后的数据可有效去除雷达系统各部分的不利影响，如收发天线间的强耦合、近场测量时天线与地面间的多次反射干扰、天线传输特性不理想造成的距离旁瓣、发射机和接收机的幅度和相位不一致性引起的失真、传输电路的失真、收发通道的耦合等，实现步进频率雷达的整体系统校准，能够很大程度地在信杂比、波形、分辨率等各方面提高信号质量。如图3所示为实际步进频率雷达系统对一金属目标的探测数据处理结果，步进频率雷达的频率范围为400～1198MHz，频点数为400，步进频率间隔为2MHz。(a)和(b)分别为校准处理前后的时域合成波形，经对比可以看出位于前面的内部耦合波已基本去除，后面的目标回波得以突现，信杂比提高，并且去除了拖尾，波形得到较大改善，回波变窄，分辨率提高。

Claims (2)

1.一种步进频率雷达系统的校准方法，其特征在于针对步进频率雷达系统频带范围内各频点，进行校准数据录取、校准参数计算、校准处理三个步骤：

第一步，校准数据录取

利用步进频率雷达系统录取校准数据，包括：在无目标情况下，对空测量的接收信号b₀；采用平面金属板作为参考目标，将其置于雷达天线正前方，通过移动金属板，测量不同位置时的接收信号b_k，并记录天线与金属板的间距L_k；通过对系统频带范围内各频点进行步进扫描获得完整的校准数据；

第二步，校准参数计算

利用所录取的各频点校准数据计算出各频点的校准参数p₁、p₂和p₃：

参数p₁＝b₀；

通过求解公式一的方程组获得参数p₂和参数p₃；

Γ_k·(b_k-b₀)·p₃+Γ_k·p₂＝b_k-b₀，k＝1，2，…，N    (公式一)

其中Γ_k为不同位置金属板回波在雷达天线辐射口处的反射系数；N为移动金属板的测量次数；

第三步，校准处理

利用校准参数对实际测量数据进行处理，计算出所对应的各频点的反射系数Γ_r，计算方程如下：

${\mathrm{\Γ}}_r=\frac{{r-p}_1}{p_2+p_3\left({r-p}_1\right)}$ (公式二)

上式中r是实际测量数据中的接收信号。

2.根据权利要求1所述的步进频率雷达系统的校准方法，其特征在于：若将步进频率雷达系统视为双端口网络，则校准参数与双端口网络S参数的关系为：p₁＝a₁S₁₁，p₂＝a₁₁S₁₂S₂₁，p₃＝S₂₂，其中S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂为两个端口间的四个S参数，端口2代表天线一侧的网络端口，另一网络端口则为端口1，a₁表示端口1的入射波。

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