CN102901954A - 一种线性调频连续波雷达非线性软件校正方法 - Google Patents

Abstract

一种线性调频连续波雷达软件非线性校正方法，属于信号处理与检测技术领域，它具体为：在线性调频连续波雷达接收机中，对视频回波接收信号放大滤波后进行模数变换变为数字信号，然后对数字回波信号进行分数阶傅里叶变换分析，对分数傅里叶变换的结果在阶数和变换频域两维进行峰值搜索，峰值所对应的分数阶数和频率反应了调频非线性主要和目标时延，通过计算可以得到调频非线性参数，至此完成本方法处理过程。经此方法得到的调频非线性参数，用于构建非线性校正参考函数，将参考函数与雷达回波信号进行卷积可以有效的消除回波信号中非线性的影响。

Description

一种线性调频连续波雷达非线性软件校正方法

技术领域

本发明属于信号处理和检测技术领域，特别涉及一种基于分数阶傅里叶变换的线性调频连续波雷达非线性软件校正方法。

背景技术

近年来由于超大规模集成电路和阵列处理技术促进了数字信号处理器的迅速发展，可利用微型数字信号处理器实现快速傅里叶变换（FFT）来代替模拟窄带滤波器组结构，从而大大减小了线性调频连续波（FMCW）雷达的设备量；同时，固态微波和毫米波器件的发展使得线性调频连续波雷达可采用全固态化甚至全集成化结构。这两方面结合起来，已使线性调频连续波雷达的工程实现变得容易，并具备了结构简单，体积小重量轻和成本低的特点。FMCW雷达系统的FMCW信号的线性度对于整机系统至关重要，由于信号接收端采用混频器将本机与回波信号进行混频，从频域上即为两个信号的差频，因此调频连续波(FMCW)雷达的距离分辨率正比于射频输出信号的线性度,所以发射端线性度不好，将导致射频输出与回波混频后得到的差频结果没有明显的峰值，甚至接收的完全是噪声信号，无法进行后期处理。现在一个明显的实现调频线性的方法是使用DDS（直接数字频率合成器）来产生低频线性调频波形，然后通过频率相乘或上变频来产生微波雷达调频信号。但是由于压控振荡器（VCO）具有非线性的电压-频率调谐曲线，因此当前许多应用是基于较为低成本的模拟产生技术，使用线性电压控制压控振荡器（VCO）实现调频信号，这时VCO输出信号就会产生非线性调频信号输出。一些方法通过分析VCO非线性调谐曲线，通过预校正VCO控制电压来实现校正，这种方法受到温度和预校正精度的影响。其他方法包括通过延时线闭环修正VCO控制电压来达到非线性校正的目的，但是这种方法设备较为复杂，同时受到延时线的精度影响。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种线性调频连续波雷达非线性软件校正方法，该方法能有效解决低成本应用下线性调频连续波雷达调频非线性问题。

如上构思，本发明的技术方案是：一种线性调频连续波雷达非线性软件校正方法，其特征在于：压控振荡器受线性控制电压控制产生调频连续波经功率放大器放大送入发射天线，发射天线辐射电磁波到空间遇到目标后发射回电磁波，接收天线接收返回的电磁波通过低噪声放大送入混频器，混频器的本振是从VCO的输出的分路信号，混频后的差频信号经过滤波放大，模数变换形成数字信号，在数字信号处理器中完成非线性软件校正方法，在数字信号处理器中实现对差频数字信号的分数阶傅里叶变换和二维峰值搜索，对非线性参数进行估算，构建分线性补偿参考函数；应用非线性补偿参考函数与回波信号的差频信号相乘实现对非线性分量的补偿，在后续的处理中可以采用常规目标检测方法来进行处理。

上述差频数字信号呈现非线性因子，其提取方法为：

①设调频非线性曲线为：f(t)=f₀+αt+βt²

其中f(t)为调频函数，α和β为调频线性和非线性参数；

②则雷达发射信号为 $S_T\left(t\right)=A_0\cos \left[2\mathrm{\π}(f_{0}t+\mathrm{\α}\frac{t^2}{2}+\mathrm{\β}\frac{t^3}{3})\right];$

③具有时延τ的目标回波信号为

$S_R\left(t\right)=A_1\cos \left[2\mathrm{\π}(f_0(t-\mathrm{\τ})+\mathrm{\α}\frac{{(t-\mathrm{\τ})}^2}{2}+\mathrm{\β}\frac{{(t-\mathrm{\τ})}^3}{3})\right];$

④则差频信号为：

其中

上述非线性软件校正方法的具体步骤为：

①将雷达照向一个已知点目标，目标与雷达的距离可以先用精密激光测距仪测得，设距离为R，这样目标到雷达的回波时延τ可以写为

τ=2R/C

其中C为光速；

②雷达发射调频信号，上述已知点目标反射雷达电磁波，经雷达接收天线接收后，经低噪声放大和本振信号进行混频后形成视频模拟差频信号，对差频信号进行滤波放大，然后进行模数变换，形成数字回波信号，将每个扫频周期内的回波作为一组数据，设扫频周期内的回波数据为：

S=[s₁ s₂…s_i…s_L]^T

式中s_i为回波信号数字采样数据，i＝1,2…L，L为数据长度，T表示矩阵转置；

③对上述数据进行分数阶傅里叶变换，获得分数阶傅里叶变换结果为：

$X_p\left(u\right)=F_p\left[S\left(k\right)\right]=\sqrt{1-j\cot \left(\frac{\mathrm{p\π}}{2}\right)}\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}S\left(k\right)\exp \left\{\mathrm{j\π}((k^2+u^2)\cot \left(\frac{\mathrm{p\π}}{2}\right)-2\mathrm{uk}\csc \left(\frac{\mathrm{p\π}}{2}\right))\right\}$

其中p为分数阶傅里叶变换阶数，对于实际信号来说取值范围为0-2，u为频率分量。

④对公式（6）的分数阶傅里叶变换的结果在（p，u）两维平面上按照公式（7）搜索最大峰值，峰值表明分数阶与调频信号调频率的一致性，峰值所对应的分数阶阶数和频域数据

反映了调频非线性参数。

$\{p_0,{\hat{u}}_0\}=\arg \max {\left|X_p\left(u\right)\right|}^2$

并由此可以得到调频参数

α=2f₀/τ

⑤根据步骤三获得的调频信号的参数，构建非线性补偿函数，非线性补偿参考函数的表达式为式（7）

$h\left(t\right)=\exp [-j2\mathrm{\π}(\left(\mathrm{\β\τ}\right)t^2+(\mathrm{\α\τ}-{\mathrm{\β\τ}}^2)t)]\·\exp [-j2\mathrm{\π}(\frac{\mathrm{\α}}{2}{\mathrm{\τ}}^2-\frac{\mathrm{\β}}{3}{\mathrm{\τ}}^3)]$

⑥将雷达按照正常工作模式进行工作，对目标区域进行探测，获得目标回波信号后，具有时延τ的目标回波信号如公式（3），差频信号如公式（4），将（7）式与（2）式相乘即可将差频信号中的非线性因素消除，然后再进行常规的目标检测算法。至此，该基于分数阶傅里叶变换的线性调频连续波雷达非线性软件校正方法处理完毕。

本发明的有益效果是：

具有VCO的调频连续波雷达由于具有调频非线性，目标回波信号经过差频处理后，目标时延所对应的差频频率呈现随时间变化的特性，影响了对目标的检测。将雷达先照射已知距离的目标，得到其回波差频信号，对其差频信号进行分数阶傅里叶变换分析从而估算出调频非线性参数，应用估计出的调频非线性参数构建补偿函数，并对一般目标的回波差频信号进行补偿运算，基本消除调频非线性的影响。然后可以采用常规的调频连续波雷达目标检测算法进行目标检测和处理。调频非线性补偿的效果与非线性参数的估计精度有关。经过本发明提出的处理方法，将大大提高调频连续波雷达的目标检测能力和目标距离测量精度。

附图说明

图1是本发明的一种基于分数阶傅里叶变换的线性调频连续波雷达非线性软件校正方法处理流程图；

图2是本发明的一种基于分数阶傅里叶变换的调频连续波雷达软件校正方法实现原理框图。

具体实施方式

图1是基于分数阶傅里叶变换的线性调频连续波雷达非线性软件校正方法处理流程，图2基于分数阶傅里叶变换的调频连续波雷达软件校正方法实现原理框图。压控振荡器受线性控制电压控制产生调频连续波经功率放大器放大送入发射天线，发射天线辐射电磁波到空间遇到目标后发射回电磁波，接收天线接收返回的电磁波通过低噪声放大送入混频器，混频器的本振是从VCO的输出的分路信号，混频后的差频信号经过滤波放大，模数变换形成数字信号，在数字信号处理器中完成本发明的非线性软件校正方法，在数字信号处理器中实现对差频数字信号的分数阶傅里叶变换和二维峰值搜索，对非线性参数进行估算，构建分线性补偿参考函数。应用非线性补偿参考函数与回波信号的差频信号相乘实现对非线性分量的补偿，在后续的处理中可以采用常规目标检测方法来进行处理。

上述差频数字信号呈现非线性因子，其提取方法为：

①设调频非线性曲线为：f(t)=f₀+αt+βt²

其中f(t)为调频函数，α和β为调频线性和非线性参数；

②则雷达发射信号为 $S_T\left(t\right)=A_0\cos \left[2\mathrm{\π}(f_{0}t+\mathrm{\α}\frac{t^2}{2}+\mathrm{\β}\frac{t^3}{3})\right];$

③具有时延τ的目标回波信号为

$S_R\left(t\right)=A_1\cos \left[2\mathrm{\π}(f_0(t-\mathrm{\τ})+\mathrm{\α}\frac{{(t-\mathrm{\τ})}^2}{2}+\mathrm{\β}\frac{{(t-\mathrm{\τ})}^3}{3})\right];$

④则差频信号为：

其中

调频非线性形成的差频信号呈现非线性因子，基于此信号特性本发明提出在视频信号中采用分数阶傅里叶变换的非线性参数的提取方法。具体步骤为：

步骤1：将雷达照向一个已知点目标，目标与雷达的距离可以先用精密激光测距仪测得，设距离为R，这样目标到雷达的回波时延τ可以写为

τ=2R/C

其中C为光速。

步骤2：雷达发射调频信号，上述已知点目标反射雷达电磁波，经雷达接收天线接收后，经低噪声放大和本振信号进行混频后形成视频模拟差频信号，对差频信号进行滤波放大，然后进行模数变换，形成数字回波信号，将每个扫频周期内的回波作为一组数据，设扫频周期内的回波数据为：

S=[s₁ s₂…s_i…s_L]^T    （5）

式中s_i为回波信号数字采样数据，i＝1,2…L，L为数据长度，T表示矩阵转置；

步骤3：对上述数据进行分数阶傅里叶变换，获得分数阶傅里叶变换结果为：

$X_p\left(u\right)=F_p\left[S\left(k\right)\right]=\sqrt{1-j\cot \left(\frac{\mathrm{p\π}}{2}\right)}\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}S\left(k\right)\exp \left\{\mathrm{j\π}((k^2+u^2)\cot \left(\frac{\mathrm{p\π}}{2}\right)-2\mathrm{uk}\csc \left(\frac{\mathrm{p\π}}{2}\right))\right\}---\left(6\right)$

其中p为分数阶傅里叶变换阶数，对于实际信号来说取值范围为0-2，u为频率分量。

步骤4：对公式（6）的分数阶傅里叶变换的结果在（p，u）两维平面上按照公式（7）搜索最大峰值，峰值表明分数阶与调频信号调频率的一致性，峰值所对应的分数阶阶数和频域数据

反映了调频非线性参数。

$\{p_0,{\hat{u}}_0\}=\arg \max {\left|X_p\left(u\right)\right|}^2---\left(7\right)$

并由此可以得到调频参数

α=2f₀/τ

步骤5：根据步骤三获得的调频信号的参数，构建非线性补偿函数，非线性补偿参考函数的表达式为式（7）

$h\left(t\right)=\exp [-j2\mathrm{\π}(\left(\mathrm{\β\τ}\right)t^2+(\mathrm{\α\τ}-{\mathrm{\β\τ}}^2)t)]\·\exp [-j2\mathrm{\π}(\frac{\mathrm{\α}}{2}{\mathrm{\τ}}^2-\frac{\mathrm{\β}}{3}{\mathrm{\τ}}^3)]---\left(7\right)$

步骤6：将雷达按照正常工作模式进行工作，对目标区域进行探测，获得目标回波信号后，具有时延τ的目标回波信号如公式（3），差频信号如公式（4），将（7）式与（2）式相乘即可将差频信号中的非线性因素消除，然后再进行常规的目标检测算法。至此，该基于分数阶傅里叶变换的线性调频连续波雷达非线性软件校正方法处理完毕。

Claims (3)

1.一种线性调频连续波雷达非线性软件校正方法，其特征在于：压控振荡器受线性控制电压控制产生调频连续波经功率放大器放大送入发射天线，发射天线辐射电磁波到空间遇到目标后发射回电磁波，接收天线接收返回的电磁波通过低噪声放大送入混频器，混频器的本振是从VCO的输出的分路信号，混频后的差频信号经过滤波放大，模数变换形成数字信号，在数字信号处理器中完成非线性软件校正方法，在数字信号处理器中实现对差频数字信号的分数阶傅里叶变换和二维峰值搜索，对非线性参数进行估算，构建分线性补偿参考函数；应用非线性补偿参考函数与回波信号的差频信号相乘实现对非线性分量的补偿，在后续的处理中可以采用常规目标检测方法来进行处理。

2.根据权利要求1所述的一种线性调频连续波雷达非线性软件校正方法，其特征在于：上述差频数字信号呈现非线性因子，其提取方法为：

①设调频非线性曲线为：f(t)=f₀+αt+βt²

其中f(t)为调频函数，α和β为调频线性和非线性参数；

②则雷达发射信号为 $S_T\left(t\right)=A_0\cos \left[2\mathrm{\π}(f_{0}t+\mathrm{\α}\frac{t^2}{2}+\mathrm{\β}\frac{t^3}{3})\right];$

③具有时延τ的目标回波信号为

$S_R\left(t\right)=A_1\cos \left[2\mathrm{\π}(f_0(t-\mathrm{\τ})+\mathrm{\α}\frac{{(t-\mathrm{\τ})}^2}{2}+\mathrm{\β}\frac{{(t-\mathrm{\τ})}^3}{3})\right];$

④则差频信号为：

其中

3.根据权利要求1所述的一种线性调频连续波雷达非线性软件校正方法，其特征在于：上述非线性软件校正方法的具体步骤为：

①将雷达照向一个已知点目标，目标与雷达的距离可以先用精密激光测距仪测得，设距离为R，这样目标到雷达的回波时延τ可以写为

τ=2R/C

其中C为光速；

②雷达发射调频信号，上述已知点目标反射雷达电磁波，经雷达接收天线接收后，经低噪声放大和本振信号进行混频后形成视频模拟差频信号，对差频信号进行滤波放大，然后进行模数变换，形成数字回波信号，将每个扫频周期内的回波作为一组数据，设扫频周期内的回波数据为：

S=[s₁ s₂…s_i…s_L]^T

式中s_i为回波信号数字采样数据，i＝1,2…L，L为数据长度，T表示矩阵转置；

③对上述数据进行分数阶傅里叶变换，获得分数阶傅里叶变换结果为：

$X_p\left(u\right)=F_p\left[S\left(k\right)\right]=\sqrt{1-j\cot \left(\frac{\mathrm{p\π}}{2}\right)}\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}S\left(k\right)\exp \left\{\mathrm{j\π}((k^2+u^2)\cot \left(\frac{\mathrm{p\π}}{2}\right)-2\mathrm{uk}\csc \left(\frac{\mathrm{p\π}}{2}\right))\right\}$

其中p为分数阶傅里叶变换阶数，对于实际信号来说取值范围为0-2，u为频率分量。

④对公式（6）的分数阶傅里叶变换的结果在（p，u）两维平面上按照公式（7）搜索最大峰值，峰值表明分数阶与调频信号调频率的一致性，峰值所对应的分数阶阶数和频域数据

反映了调频非线性参数。

$\{p_0,{\hat{u}}_0\}=\arg \max {\left|X_p\left(u\right)\right|}^2$

并由此可以得到调频参数

α=2f₀/τ

⑤根据步骤三获得的调频信号的参数，构建非线性补偿函数，非线性补偿参考函数的表达式为式（7）

$h\left(t\right)=\exp [-j2\mathrm{\π}(\left(\mathrm{\β\τ}\right)t^2+(\mathrm{\α\τ}-{\mathrm{\β\τ}}^2)t)]\·\exp [-j2\mathrm{\π}(\frac{\mathrm{\α}}{2}{\mathrm{\τ}}^2-\frac{\mathrm{\β}}{3}{\mathrm{\τ}}^3)]$

⑥将雷达按照正常工作模式进行工作，对目标区域进行探测，获得目标回波信号后，具有时延τ的目标回波信号如公式（3），差频信号如公式（4），将（7）式与（2）式相乘即可将差频信号中的非线性因素消除，然后再进行常规的目标检测算法。至此，该基于分数阶傅里叶变换的线性调频连续波雷达非线性软件校正方法处理完毕。

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