CN102680950B - 一种步进频率穿墙雷达频点功率自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种步进频率穿墙雷达频点功率自适应控制方法，包括步骤：墙体衰减特性测定步骤：测定超宽带步进频率信号的各个离散频点在来回两次穿透墙体过程中的功率衰减特性；频点发射功率控制步骤：确定当前探测建筑物的墙体类型对应的功率衰减特性，利用两次穿透墙体的功率衰减特性对超宽带步进频率发射机上各离散频点的发射功率进行预补偿。本发明能够保证人体目标回波各个频点功率的平坦性，消除步进频率目标回波频点功率起伏造成的脉冲波形展宽和扭曲，提高建筑物内部隐蔽人体目标定位的准确度。

Description

一种步进频率穿墙雷达频点功率自适应控制方法

技术领域

本发明涉及雷达技术，特别涉及步进频率穿墙雷达技术。

背景技术

穿墙雷达作为唯一能够穿透建筑物墙体探测建筑物内部隐蔽人体目标的探测装置，采用对建筑物墙体具有穿透能力的特定频率的电磁波，通过回波信号处理，提取人体目标的位置、状态和生命特征等信息，实现对建筑物内部隐蔽人体目标的检测、定位、跟踪、成像和识别。穿墙雷达能够广泛应用在公安、武警、海关、安全、消防等领域，具有重要的研究价值和广阔的应用前景。

根据国内外的研究成果，穿墙雷达的一个主要探测功能为建筑物内部隐蔽人体目标定位，为了保证较高的定位精度，要求穿墙雷达在穿透墙体条件下具备很高的距离分辨能力，因此，穿墙雷达通常采用超宽带电磁波信号波形，如窄脉冲信号(英国剑桥顾问公司穿墙雷达PRISM200)、步进频率连续波信号(美国AKELA公司穿墙雷达)、线性调频连续波信号(德国伊尔梅瑙工业大学穿墙雷达)等。根据电磁波传播基本原理，电磁波在穿透墙体过程中，传播路径、传播速度和传播衰减都由电磁波的频率决定，由于超宽带电磁波信号占据很宽的频带范围，频率成分丰富，因此，超宽带电磁波信号中不同频率的电磁波成分会经历不同的传播路径、传播速度和传播衰减，称为色散效应，造成人体目标超宽带回波中不同频率成分具有不同的传播延迟和功率衰减，最终导致目标回波脉冲波形展宽和扭曲。目标回波脉冲展宽会降低穿墙雷达的距离分辨能力，而目标回波脉冲扭曲会引入测距误差(雷达与目标之间的传播距离)，综合产生较大的定位误差，无法实现对建筑物内部隐蔽人体目标的精确定位。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种使得回波脉冲波形更标准的步进频率穿墙雷达频点功率自适应控制方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种步进频率穿墙雷达频点功率自适应控制方法，包括以下步骤：

墙体衰减特性测定步骤：测定超宽带步进频率信号的各个离散频点在来回两次穿透墙体过程中的功率衰减特性；

频点发射功率控制步骤：确定当前探测建筑物的墙体类型对应的功率衰减特性，利用两次穿透墙体的功率衰减特性对超宽带步进频率发射机上各离散频点的发射功率进行预补偿。

本发明根据测定的步进频率信号各个离散频点穿透不同类型墙体的功率衰减特性，针对当前探测建筑物墙体类型，自适应控制发射机数控衰减器调整各个离散频点的发射功率，实现对穿透墙体造成的人体目标回波各个离散频点功率衰减差异的有效补偿，保证目标回波功率在步进频率信号频带范围内的平坦性。

本发明的有益效果是，保证人体目标回波各个频点功率的平坦性，消除步进频率目标回波频点功率起伏造成的脉冲波形展宽和扭曲，提高建筑物内部隐蔽人体目标定位的准确度。

附图说明

图1为墙体衰减特性测定实验设置示意图。

图2为典型步进频率穿墙雷达部分结构框图。

具体实施方式

一种步进频率穿墙雷达频点功率自适应控制方法，主要包括以下两个部分：

(1)墙体衰减特性测定：

选取国内建筑物M种类型的典型墙体，如(24cm)粘土砖墙、煤渣砖墙、水泥砖墙等，测定超宽带步进频率信号的各个离散频点在来回两次穿透墙体过程中的功率衰减。如图1所示，包括矢量网络分析仪VNA、计算机PC、一发一收天线。

步骤1：设置VNA。产生带宽为B的步进频率信号S(t，W)，W＝[w₁，w₂，…，w_N]，N为测定超宽带步进频率信号的离散频点总数，t为控制各离散频点步进变化的时间变量。

步骤2：设置收发天线布局。收发天线间距d对照，中间无墙体隔离，发射天线辐射信号S(t，W)，接收天线收集信号R₁(t，W)。

步骤3：信号预处理与存储。VNA重采样接收信号R₁(t，W)，保证每个离散频点对应一个采样值，形成N维接收信号频率响应向量R₁(W)，送入PC存储。

步骤4：设置墙体隔离。收发天线布局保持不变，中间加入墙体隔离，发射天线辐射信号S(t，W)，接收天线收集信号R₂(t，W)。

步骤5：信号预处理与存储。VNA重采样接收信号R₂(t，W)，形成N维接收信号频率响应向量R₂(W)，送入PC存储。

步骤6：墙体衰减特性计算。根据PC存储的两个频率响应向量R₁(W)和R₂(W)，求得幅频特性20·lg(|R₁(W)|)和20·lg(|R₂(W)|)，有无墙体隔离的幅频特性差值作为单次穿透墙体的功率衰减D₁(W)＝20·lg(|R₂(W)|)-20·lg(|R₁(W)|)，由于电磁波在雷达与目标之间两次穿透墙体的功率衰减近似相同，因此步进频率信号的各个离散频点来回两次穿透墙体的功率衰减特性为DD₁(W)＝2·D₁(W)。

步骤7：改变墙体类型，重复步骤4至步骤6，测定各种墙体对步进频率各个频点的功率衰减，保存为功率衰减矩阵DD＝[DD₁(W)，DD₂(W)，…，DD_M(W)]^T，其中T表示矩阵转置，矩阵中每一行对应一种墙体类型，共有M种墙体类型。

(2)频点发射功率控制：

针对当前探测建筑物的墙体类型，将该墙体类型的功率衰减特性预补偿至步进频率发射机产生的各离散频点的发射功率，即补偿两次穿透墙体造成的目标回波各个离散频点功率衰减的差异性，保证目标回波功率在步进频率信号频带范围内的平坦性。

典型的步进频率发射机结构如图2所示，发射机包括数控衰减器、功分器、频率源、发射机现场可编程门阵列FPGA、参考晶振RIF，参考晶振RIF与频率源的参考信号输入端相连，发射机FPGA的控制参数输出端与频率源的控制参数输入端相连，频率源的射频输出端通过功分器与数控衰减器的射频输入端相连，数控衰减器的射频输出端与发射天线相连。发射机FPGA接收来自于数据采集与时序控制模块的FPGA输出的控制参数。

发射机频点功率控制的实现步骤如下：

步骤1：频点功率控制数据表格制作。将测定的各种墙体功率衰减矩阵DD中的每个元素DD_m(w_n)转换为L位二进制的功率控制数据，形成步进频率频点功率控制数据表格。制表过程分为以下两步：

●对功率衰减矩阵DD中的每一行DD_m(W)，m＝1，2，…，M处理，输出各个频点功率衰减与其中最小功率衰减的差值AD_m(W)，W＝[w₁，w₂，…，w_N]，DD的每一行处理完毕形成功率衰减差值矩阵AD＝[AD₁(W)，AD₂(W)，…，AD_M(W)]^T。

AD_m(w_n)＝DD_m(w_n)-min(DD_m(W))，n＝1，2，…，N

●对功率衰减差值矩阵AD中的所有元素AD_m(w_n)，选取L位二进制数进行量化表示。L的选取必须满足三个条件：第一，L小于发射机数控衰减器的控制信号线的数量；第二，量化范围大于等于0～max(AD)的数值范围；第三，保证较高的量化精度。量化后的功率衰减差值矩阵为M×N×L的三维数据矩阵，记为步进频率频点功率控制数据表格DAD，包含对应M种墙体类型的M个N×L的二维数据矩阵。

步骤2：表格导入数据采集与时序控制模块。将频点功率控制数据表格DAD存储在数据采集与时序控制模块的FPGA中，并与显控终端建立控制协议，实现显控终端中M个墙体类型选项与DAD中M个N×L的二维频点功率控制数据矩阵DAD(m，:，:)，m＝1，2，…，M按对应墙体类型关联，:表示所有元素。

步骤3：频点功率自适应控制。根据探测建筑物墙体类型，在显控终端选择对应墙体类型选项，与该选项关联的墙体标识参数连同其他控制参数发送给数据采集与时序控制模块的FPGA，根据墙体标识参数FPGA读取DAD中关联的频点功率控制数据矩阵DAD(m，:，:)，在同步脉冲触发控制下，FPGA一方面控制频率源顺序工作在各个离散频点，同时另一方面将当前工作频点对应的L位二进制功率控制数据发送给发射机数控衰减器，调整当前频点电磁波的发射功率，实现步进频率发射机频点功率针对墙体类型的自适应控制。

实施例

一个具备频点功率自适应控制的步进频率穿墙雷达实例，其中，发射机的频率源基于直接数字频率合成器(DDS)来实现，DDS产生0.5GHz-1.5GHz的步进频率连续波信号，共设置251个离散频点，相邻频点间隔为4MHz；计算机PC作为装置的信号处理机和显控终端，基于VC++的显控图形化人机交互界面设置了粘土砖墙、煤渣砖墙和水泥砖墙三种墙体类型选项。

基于上述所示的步进频率穿墙雷达系统，本发明频点功率自适应控制方法的具体工作流程如下：

(1)采用VNA产生同穿墙雷达系统相同参数的步进频率连续波信号，分别测定粘土砖墙、煤渣砖墙和水泥砖墙三种墙体类型对于0.5GHz-1.5GHz的步进频率连续波信号251个离散频点的两次穿透功率衰减特性，形成功率衰减矩阵DD＝[DD₁(W)，DD₂(W)，DD₃(W)]^T，W＝[w₁，w₂，…，w₂₅₁]。

(2)根据频点功率控制数据表格的制作步骤，针对型号为HMC542ALP4的六位数控衰减器，采用四位二进制数据对功率衰减矩阵DD中的每一个元素量化为维的数组，形成维数为(M＝3)×(N＝251)×(L＝4)的频点功率控制数据三维表格DAD，其中，M＝3对应三种墙体类型，N＝251对应251个频点，L＝4对应四位功率衰减控制数据，每种墙体类型对应一个(N＝251)×(L＝4)维频点功率控制数据矩阵DAD(m，:，:)，m＝1，2，3。

(3)将频点功率控制数据表格DAD导入数据采集与时序控制模块的FPGA中，与PC显控终端建立控制协议，通过与显控界面三种墙体类型选项关联的墙体类型标识参数，建立三种墙体类型选项与三个(N＝251)×(L＝4)维频点功率控制数据矩阵DAD(m，:，:)，m＝1，2，3的对应关系，粘土砖墙、煤渣砖墙和水泥砖墙分别对应DAD(1，:，:)、DAD(2，:，:)和DAD(3，:，:)；

(4)假设当前探测建筑物墙体类型为水泥砖墙，显控界面对应水泥砖选项被选中，与该选项关联的墙体类型标识参数和其他控制参数发送给数据采集与时序控制模块的FPGA，根据墙体类型标识参数，FPGA读取DAD中对应的频点功率控制数据矩阵DAD(3，:，:)，在同步脉冲触发控制下，FPGA一方面控制频率源工作在第n个离散频点，同时另一方面将对应的四位二进制功率控制数据DAD(3，n，:)发送给发射机数控衰减器，n＝1，2，…，251，调整当前第n个频点的发射功率，即对每个频点的发射功率引入一个衰减，衰减值为频点对应的二进制功率控制数据DAD(m，n，L)，完成步进频率发射机频点功率针对墙体类型的自适应控制。

Claims (4)

1.一种步进频率穿墙雷达频点功率自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

墙体衰减特性测定步骤：测定超宽带步进频率信号的各个离散频点在来回两次穿透不同类型墙体过程中对应的功率衰减特性；

频点发射功率控制步骤：确定当前探测建筑物的墙体类型对应的功率衰减特性，利用两次穿透墙体的功率衰减特性对超宽带步进频率发射机上各离散频点的发射功率进行预补偿。

2.如权利要求1所述一种步进频率穿墙雷达频点功率自适应控制方法，其特征在于，墙体衰减特性测定的具体步骤为：

步骤1：产生带宽为B的步进频率信号S(t，W)，W＝[w₁，w₂，…，w_N]，w₁，w₂，…，w_N对应各离散频点的频率；N为测定超宽带步进频率信号的离散频点总数，t为控制各离散频点步进变化的时间变量；

步骤2：在无墙体隔离的情况下，记录发射天线辐射信号S(t，W)与接收天线收集信号R₁(t，W)，每个离散频点对应一个采样值，形成N维接收信号频率响应向量R₁(W)进行存储；

步骤3：在设置墙体隔离的情况下，记录发射天线辐射信号S(t，W)与接收天线收集信号R₂(t，W)，每个离散频点对应一个采样值，形成N维接收信号频率响应向量R₂(W)进行存储；

步骤6：计算无墙体隔离的接收信号频率响应向量R₁(W)对应的幅频特性20·lg(|R₁(W)|)；计算在设置墙体隔离的接收信号频率响应向量R₂(W)对应的幅频特性20·lg(|R₂(W)|)；利用有无墙体隔离的幅频特性差值作为单次穿透墙体的功率衰减D(W)＝20·lg(|R₂(W)|)-20·lg(|R₁(W)|)，各个离散频点在来回两次穿透该类型墙体过程中的功率衰减特性为DD(W)＝2·D(W)。

3.如权利要求2所述一种步进频率穿墙雷达频点功率自适应控制方法，其特征在于，墙体衰减特性测定步骤中，以功率衰减矩阵DD＝[DD₁(W)，DD₂(W)，…，DD_M(W)]^T的形式保存各类型墙体对步进频率信号各个离散频点的功率衰减特性，功率衰减矩阵的每一行对应一种墙体类型，M为墙体类型的总数。

4.如权利要求3所述一种步进频率穿墙雷达频点功率自适应控制方法，其特征在于，频点发射功率控制步骤具体为：

步骤1：将功率衰减矩阵DD中的每一行DD_m(W)中每个元素DD_m(w_n)转换为L位二进制的功率控制数据，其中m表示墙体类型，取值范围为1至M；n表示离散频点的序号，取值范围为1至N；

步骤2：计算功率衰减矩阵DD中的每一行DD_m(W)中各个频点功率衰减与其中最小功率衰减的差值AD_m(W)，每一行处理完毕形成功率衰减差值矩阵AD＝[AD₁(W)，AD₂(W)，…，AD_M(W)]^T；AD_m(w_n)＝DD_m(w_n)-min(DD_m(W))；

再对功率衰减差值矩阵AD中的所有元素AD_m(w_n)选取L位二进制数进行量化表示；量化后的功率衰减差值矩阵为M×N×L的三维数据矩阵，形成步进频率频点功率控制数据表格DAD，频点功率控制数据表格中包含对应M种墙体类型的M个N×L的二维数据矩阵DAD(m，N，L)，m＝1，2，…，M；

步骤3：根据待测墙体类型读取对应的二维数据矩阵DAD(m，N，L)中的二进制功率控制数据来控制发射机对各频点的发射功率进行，所述预补偿为对每个频点的发射功率引入一个衰减值，衰减值为该频点对应的二进制功率控制数据DAD(m，n，L)。

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