CN102565769A - 探地雷达系统误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及探地雷达系统误差补偿方法，利用幅相均衡技术，对理想的线性调频信号进行均衡后，并且将这些均衡后的信号放入FPGA的ROM中，使之能输出理想的线性调频信号。该方法提高了整个探地雷达系统的分辨率，且简单，易于实现和推广。

Description

探地雷达系统误差补偿方法

技术领域

本发明属于雷达成像技术领域，具体涉及一种基于在线性调频体制的探地雷达三维系统误差补偿方法即探地雷达系统误差补偿方法。

背景技术

近年来，雷达近场探测技术由于需求的牵引逐渐成为雷达应用研究的热点问题之一，近场雷达可以应用于不同的场合，例如；穿墙探测、地雷探测、公路无损检测、地下掩体的探测以及考古挖掘。目前，雷达工作在近场模式，基本是以探测为主，还没有成像功能。

国外和国内的探地雷达的产品大多是采用的无载波冲击的信号形式，采用无载波冲击的探地雷达具有系统简单的优点，一般只需要冲击信号发生器，发射天线，接收天线，以及接收处理单元便可以实现，但无载波冲击的雷达不能利用回波的相位信息，雷达分辨率会受到一定的限制。而采用线性调频体制的探地雷达其分辨率要比无载波冲击的探地雷达分辨率大大的提高。

在线性调频体制下的探地雷达中，由于其利用了回波的相位特性，系统的幅度误差不仅会影响成像的质量，并且系统的相位误差也会引起成像质量的恶化。只有对探地雷达系统误差进行校正后，才能发挥线性调频体制探地雷达的优势。

发明内容

本发明的目的是对线性调频体制的探地雷达中的系统误差进行校正，以得到较好分辨率的地下图像。

为达上述目的，本发明提供了探地雷达系统误差补偿方法，包括如下步骤：

1)、将理想的线性调频信号放入FPGA的ROM中；

2)、对信号源输出的信号的同相分量和正交分量进行测量，确定其相位误差和幅度误差；

3)、将步骤2)中提取的幅度误差和相位误差对理想线性调频信号进行均衡，均衡后的结果存放入FPGA的ROM中，并替换掉其中之前存放的理想的线性调频信号；

4)、将步骤3)中存放到FPGA的ROM中的均衡后的理想的线性调频信号经信号源输出，经过发射机和接收机，确定经dechip接收机后的幅度误差；

5)、用步骤4)中确定的幅度误差进一步对步骤3)中存放到FPGA的ROM中的信号进行均衡，将最后的均衡结果存放入FPGA的ROM中，并替换掉其中之前存放的步骤3)中均衡后的结果。

上述步骤1)的具体过程是：将理想的线性调频信号放入到FPGA的ROM中，具体的信号形式为：

$S\left(n\right)=\cos \left(\mathrm{\π\γ}{\left(\frac{n}{f_s}\right)}^2\right)\mathrm{rect}\left(\frac{n}{{\mathrm{Tf}}_s}\right)+j.\sin \left(\mathrm{\π\γ\π\γ}{\left(\frac{n}{f_s}\right)}^2\right)\mathrm{rectrect}\left(\frac{n}{{\mathrm{Tf}}_s}\right)$

(1)

上式中，γ为理想的线性调频信号的调频斜率，f_s为理想的线性调频信号的采样率。

上述步骤2)的具体过程是：经过信号源的DA芯片的输出信号为：

(2)

式中H_DA(f)为DA的频率衰落相应；

由于理想的线性调频信号的时间和频率具有如下的锁定关系：

f＝γt                (3)，

利用驻定相位定理，式(2)写成如下形式：

(4)；

该输出信号的相位误差

和幅度误差H_DA(γt)的确定过程如下：

对于该相位误差

用下式求得：

(5)；

对于该幅度误差H_DA(γt)用下式求得：

(6)。

上述步骤3)的具体过程是：利用式(5)和式(6)求出的输出信号的相位误差

和幅度误差H_DA(γt)的分量对该输出信号进行均衡，也就是放入到FPGA的ROM的信号形式为：

(7)

式(7)中的信号经过FPGA和DA变换后，输出的就是理想的线性调频信号：

$S\left(t\right)=\exp \left(\mathrm{j\π\γ}{t}^2\right)\mathrm{rect}\left(\frac{t}{T}\right)$ (8)

式(8)表示的理想的线性调频信号经过发射机后的信号的频域形式为：

$S\left(f\right)=\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{f^2}{\mathrm{\γ}}\right)\·A_{\mathrm{tr}}\left(f\right)$ (9)

根据驻定相位定理，利用理想的线性调频信号的时间和频率的锁定关系，则发射机输出的理想的线性调频信号近似的表示为：

S_tr(t)＝exp(jπγt²)·A_tr(γt)                 (10)

上述步骤4)的具体过程是：经过dechirp接收机后，经步骤3)均衡后的线性调频信号的输出形式为：

S_de(t)＝S_tr(t-t_d)·S_tr ^*(t)

(11)

＝A_tr(γ(t-t_d))·exp(jπγ(t-t_d)²)A_tr(γt)·exp(jπγt²)

由于在探地雷达中，在近距离的情况下，作用距离非常小，对于发射信号的包络A_tr可以表示为：

A_tr(γ(t-t_d))≈A_tr(γt)                    (12)

因此，式(11)写成：

S_de(t)＝A_tr ²(γt)exp(-j2πγtt_d+j·πγt_d ²)(13)

因此，A_tr(γt)表示为：

$\left|A_{\mathrm{tr}}\left(\mathrm{\γt}\right)\right|=\sqrt{\left|S_{\mathrm{de}}\left(t\right)\right|}$ (14)

上述步骤5)的具体过程是：将式(13)放入到FPGA中ROM的信号形式为：

本发明的优点是：通过本发明的方法，提高了线性调频体制的探地雷达系统的分辨率，且该方法简单，易于实现和推广。

附图说明

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明：

图1整个探地雷达的流程图；

图2信号源产生正交信号的流程图；

图3探地雷达系统误差校正流程图。

具体实施方式

基于在线性调频体制的探地雷达三维系统误差校正主要包括：信号源误差的校正方法以及发射机误差的校正方法。

对于信号源的误差，本发明的基本思路是利用幅相均衡技术，对理想的线性调频信号进行预处理。线性调频信号一般采用的FPGA+DA的模式，将想要产生的信号预存到FPGA的ROM中，通过DA变换后输出波形。信号源的误差主要有两部分，一部分是由于信号源输入的相位不一致导致的输出信号并不完全正交，另外一部分是由于DA的输出的频带衰落而引起的在幅度上的不一致性。对理想的线性调频信号进行均衡后，并且将这些均衡后的信号放入FPGA的ROM中，使之能输出理想的线性调频信号。

对于发射机误差，本发明是利用线性调频信号在dechirp接收后在时间和频率上有锁定关系，利用这种锁定关系，进行幅度均衡，去除发射接收机的幅度误差。

图1所示为整个探地雷达即基于在线性调频体制的探地雷达三维系统的流程图，由该图可以看出，整个探地雷达主要包括频率源、调制器、功率放大器、耦合器、雷达主控逻辑、DDS产生线性调频信号、AD采样模块、混频器、带通滤波器、放大环节，当然有发射天线和接收天线、控制命令和雷达数据等。

本发明为校正基于在线性调频体制的探地雷达三维系统误差，所提供的方法具体包括以下步骤：1)、将理想的线性调频信号放入FPGA的ROM中；2)、对信号源输出的信号的同相分量和正交分量进行测量，确定其相位误差和幅度误差；3)、将步骤2)中提取的幅度误差和相位误差对理想线性调频信号进行均衡，均衡后的结果存放入FPGA的ROM中，并替换掉其中之前存放的理想的线性调频信号；4)、将步骤3)中存放到FPGA的ROM中的均衡后的理想的线性调频信号经信号源输出，经过发射机和接收机，确定经dechip接收机后的幅度误差；5)、用步骤4)中确定的幅度误差进一步对步骤3)中存放到FPGA的ROM中的信号进行均衡，将最后的均衡结果存放入FPGA的ROM中，并替换掉其中之前存放的步骤3)中均衡后的结果。

具体的实施方式为：

将理想的线性调频信号放入到FPGA的ROM中，具体的信号形式为：

$S\left(n\right)=\cos \left(\mathrm{\π\γ}{\left(\frac{n}{f_s}\right)}^2\right)\mathrm{rect}\left(\frac{n}{{\mathrm{Tf}}_s}\right)+j.\sin \left(\mathrm{\π\γ\π\γ}{\left(\frac{n}{f_s}\right)}^2\right)\mathrm{rectrect}\left(\frac{n}{{\mathrm{Tf}}_s}\right)$

(1)

上式中，γ为线性调频信号的调频斜率，f_s为信号的采样率。

式1)经过DA时，一方面由于同相分量和正交分量所经历的路程差并不完全一致，有着微小的差别，另外一方面，DA芯片的输出有一定的起伏，存在一定的衰落。则经过DA芯片输出的信号为：

(2)

式中H_DA(f)为DA的频率衰落相应。

由于理想的线性调频信号的时间和频率具有如下的锁定关系：

f＝γt            (3)

利用驻定相位定理，式(2)可以写成如下形式：

(4)

对于相位误差

可以用下式求得：

(5)

对于输出信号的幅度误差可以用

(6)

利用上式求得的H_DA(γt)会有许多高频分量，会影响估计的效果，因此可以利用多项式二次拟合来抑制这种高频误差。

利用式(5)和式(6)求出的误差分量对信号进行均衡，也就是放入到FPGA的ROM的信号形式为：

(7)

式(7)中的信号经过FPGA和DA变换后，输出的就是为理想的线性调频信号：

$S\left(t\right)=\exp \left(\mathrm{j\π\γ}{t}^2\right)\mathrm{rect}\left(\frac{t}{T}\right)$ (8)

式(8)的信号经过发射机后的信号的频域形式为：

$S\left(f\right)=\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{f^2}{\mathrm{\γ}}\right)\·A_{\mathrm{tr}}\left(f\right)$ (9)

根据驻定相位定理，利用线性调频信号的频率和时间(相位)的锁定关系，则发射机输出的信号可以近似的表示为：

S_tr(t)＝exp(jπγt²)·A_tr(γt)          (10)

则经过dechirp接收机后，信号的输出形式为：

S_de(t)＝S_tr(t-t_d)·S_tr ^*(t)

(11)

＝A_tr(γ(t-t_d))·exp(jπγ(t-t_d)²)A_tr(γt)·exp(jπγt²)

由于在探地雷达中，在近距离的情况下，作用距离非常小，对于发射信号的包络A_tr存在如下关系：

A_tr(γ(t-t_d))≈A_tr(γt)                (12)

因此式(11)可以写成：

S_de(t)＝A_tr ²(γt)exp(-j2πγtt_d+j·πγt_d ²)     (13)

因此A_tr(γt)可以表示为：

$\left|A_{\mathrm{tr}}\left(\mathrm{\γt}\right)\right|=\sqrt{\left|S_{\mathrm{de}}\left(t\right)\right|}---\left(14\right)$

因此放入到FPGA中ROM的信号形式为：

至此，完成对整个探地雷达系统即基于在线性调频体制的探地雷达三维系统的误差的补偿(校正)。

图2信号源产生正交信号的流程图，输入参考频率fclk，根据线性调频信号计算的相位累加器，产生相位控制字，从ROM中读出正交线性调频信号的同相分量和正交分量。两路正交信号通过DA变换和低通滤波器LPF产生两路正交的模拟信号。

图3探地雷达系统误差校正流程图，其中的理想信号即指理想的线性调频信号。系统误差校正主要包括三个部分，一个部分是产生理想的线性调频信号，其它两个部分是信号源均衡和发射接收机均衡。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.探地雷达系统误差补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)、将理想的线性调频信号放入FPGA的ROM中；

2)、对信号源输出的信号的同相分量和正交分量进行测量，确定其相位误差和幅度误差；

3)、将步骤2)中提取的幅度误差和相位误差对理想线性调频信号进行均衡，均衡后的结果存放入FPGA的ROM中，并替换掉其中之前存放的理想的线性调频信号；

4)、将步骤3)中存放到FPGA的ROM中的均衡后的理想的线性调频信号经信号源输出，经过发射机和接收机，确定经dechip接收后的幅度误差；

5)、用步骤4)中确定的幅度误差进一步对步骤3)中存放到FPGA的ROM中的信号进行均衡，将最后的均衡结果存放入FPGA的ROM中，并替换掉其中之前存放的步骤3)中均衡后的结果。

2.如权利要求1所述的补偿方法，其特征在于，所述步骤1)的具体过程是：将理想的线性调频信号放入到FPGA的ROM中，具体的信号形式为：

$S\left(n\right)=\cos \left(\mathrm{\π\γ}{\left(\frac{n}{f_s}\right)}^2\right)\mathrm{rect}\left(\frac{n}{{\mathrm{Tf}}_s}\right)+j.\sin \left(\mathrm{\π\γ\π\γ}{\left(\frac{n}{f_s}\right)}^2\right)\mathrm{rectrect}\left(\frac{n}{{\mathrm{Tf}}_s}\right)$

(1)

上式中，γ为理想的线性调频信号的调频斜率，f_s为理想的线性调频信号的采样率。

3.如权利要求2所述的补偿方法，其特征在于，所述步骤2)的具体过程是：经过信号源的DA芯片的输出信号为：

(2)

式中H_DA(f)为DA的频率衰落相应；

由于理想的线性调频信号的时间和频率具有如下的锁定关系：

f＝γt             (3)，

利用驻定相位定理，式(2)写成如下形式：

(4)；

该输出信号的相位误差

和幅度误差H_DA(γt)的确定过程如下：

对于该相位误差

用下式求得：

(5)；

对于该幅度误差H_DA(γt)用下式求得：

(6)。

4.如权利要求3所述的补偿方法，其特征在于，所述步骤3)的具体过程是：利用式(5)和式(6)求出的输出信号的相位误差

和幅度误差H_DA(γt)的分量对该输出信号进行均衡，也就是放入到FPGA的ROM的信号形式为：

(7)

式(7)中的信号经过FPGA和DA变换后，输出的就是理想的线性调频信号：

$S\left(t\right)=\exp \left(\mathrm{j\π\γ}{t}^2\right)\mathrm{rect}\left(\frac{t}{T}\right)$ (8)

式(8)表示的理想的线性调频信号经过发射机后的信号的频域形式为：

$S\left(f\right)=\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{f^2}{\mathrm{\γ}}\right)\·A_{\mathrm{tr}}\left(f\right)$ (9)

根据驻定相位定理，利用理想的线性调频信号的时间和频率的锁定关系，则发射机输出的理想的线性调频信号近似的表示为：

S_tr(t)＝exp(jπγt²)·A_tr(γt)                  (10)。

5.如权利要求4所述的补偿方法，其特征在于，所述步骤4)的具体过程是：经过dechirp接收机后，经步骤3)均衡后的的线性调频信号的输出形式为：

S_de(t)＝S_tr(t-t_d)·S_tr ^*(t)

(11)

＝A_tr(γ(t-t_d))·exp(jπγ(t-t_d)²)A_tr(γt)·exp(jπγt²)

由于在探地雷达中，在近距离的情况下，作用距离非常小，对于发射信号的包络A_tr存在如下关系：

A_tr(γ(t-t_d))≈A_tr(γt)                              (12)

因此，式(11)写成：

S_de(t)＝A_tr ²(γt)exp(-j2πγtt_d+j·πγt_d ²)          (13)

因此，A_tr(γt)表示为：

$\left|A_{\mathrm{tr}}\left(\mathrm{\γt}\right)\right|=\sqrt{\left|S_{\mathrm{de}}\left(t\right)\right|}$ (14)。

6.如权利要求5所述的补偿方法，其特征在于，所述步骤5)的具体过程是：将式(13)放入到FPGA中ROM的信号形式为：

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