CN107064900A - 一种连续波穿墙雷达瞬变直耦波无控型对消器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种连续波穿墙雷达瞬变直耦波无控型对消器，包括信号分解模块、信号调制模块和信号合成模块；其中，所述信号分解模块，用于对接收回波信号和载波参考信号的正交分解；所述信号调制模块，用于对分解的各信号分量进行幅度和频率参数的调整和控制；所述的信号合成模块，用于对调制后的信号分量进行叠加，生成逆相的直耦波对消信号。本发明避免了繁冗耗时的参数搜索处理，不仅能够有效提高对消精度、降低系统成本、节省处理时间，同时还能针对瞬变的直耦波分量进行实时参数调整，实现自适应对消，保证系统性能的稳定性，在连续波穿墙雷达的探测领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及连续波穿墙雷达的目标探测技术领域，尤其涉及一种连续波穿墙雷达瞬变直耦波无控型对消器。
背景技术
连续波穿墙雷达是近年来将微波遥感理论和雷达成像技术相结合而产生的一种用于探测被障碍物遮挡目标的新型短距离探测系统。它通过发射一定形式的电磁波信号,能有效穿透墙壁、树丛、隔板等常见非金属障碍物，并通过分析接收到的回波信息，对隐藏在障碍物后的目标进行实时的探测、跟踪和定位，具有广泛的应用前景。
然而在实际应用中，由于穿墙雷达的特殊性，操作者所面临的探测环境通常具有复杂多变的特点，其中可能包含的干扰因素众多。其中由天线耦合、墙体反射以及静止背景散射等原因所产生的直耦波干扰通常具有最大的回波能量。而有用的目标回波信号由于受到墙体衰减、雷达横截面积以及目标距离、波达方位等诸多方面的限制，其信号幅度相对微弱。这些强直耦波分量若不经过适当地处理而直接引入雷达接收模块，容易彻底淹没相对微弱的目标回波信号，并导致雷达接收机后端的饱和与失真，影响目标的检测与提取。因此，如何在时变的动态环境下有效抑制回波信号中的直耦波分量，是影响连续波穿墙雷达探测性能的重要因素之一。
传统的直耦波对消器通常由可变增益放大器(VGA)、微波移相器(PF)、检波器以及相应的微控制单元组成(如图1示)。从发射机中引入的载波参考信号经过微波放大器与移相器的调制与接收的回波信号进行累加，累加后得到的输出信号通过检波器进行功率检测并将结果送入微控制单元中，最后由微控制单元根据检波器的输出确定最适合放大器和移相器的控制电压。这种对消电路具有结构简单，理论直观的优势，但是同时也具有许多难以避免的缺陷。首先，为了确定适合当前探测环境的控制电压，在检测开始前，雷达的微控制单元通常需要消耗较长的时间来进行相最佳参数的搜索，即直耦波对消的预处理过程。而由于大多数穿墙探测任务所特有的紧迫性，这段预处理过程往往是操作者所不乐见的。其次，由于直耦波对消器处理的是从天线接收到的原始回波数据，其信噪比通常较低，因此雷达检波器的输出容易受到环境噪声、元件误差甚至检波器自身温度漂移的干扰，从而限制对消精度。最后，由于雷达的控制单元对参数搜索往往需要消耗较长的时间，所以传统的直耦波对消模块一般采用一次对消的工作模式，即在正式检测开始后不再对预处理过程中所确定的控制电压进行调整。因此，一旦外界检测环境发生变化，雷达系统的对消性能将出现大幅的降低，甚至产生新的杂波干扰。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种瞬变直耦波无控型对消器，不仅能够有效提高对消精度、降低系统成本、节省处理时间，同时还能针对瞬变的直耦波分量进行实时参数调整，实现自适应对消，保证系统性能的稳定性。
一种连续波穿墙雷达瞬变直耦波无控型对消器，包括信号分解模块、信号调制模块和信号合成模块；其中，
所述信号分解模块，用于对接收回波信号和载波参考信号的正交分解；
所述信号调制模块，用于对分解的各信号分量进行幅度和频率参数的调整和控制；
所述的信号合成模块，用于对调制后的信号分量进行叠加，生成逆相的直耦波对消信号。
进一步地，如上所述的对消器，所述信号分解模块包括：
耦合器单元，用于对载波参考信号进行等分；
正交混频器单元，用于对载波参考信号进行移相，实现与回波信号的正交混频。
进一步地，如上所述的对消器，所述的信号调制模块包括：
低通滤波单元，用于实现有用信号和直耦波分量的分离，防止有用信号进入对消环路而受到衰减；
基带放大单元，用于实现对调制信号的幅度调整，使其充分满足矢量适配方程。
进一步地，如上所述的对消器，所述的信号合成模块包括：
正交调制器，用于将幅度调制后的信号分量进行二次混频；
叠加器，用于将两路正交信号进行叠加，生成合适的逆相信号并通过反馈环路将其引入接收信号，实现直耦波的自适应对消。
本发明的技术效果：
本发明提供的瞬变直耦波无控型对消器，通过差分混频器、低通滤波器和低噪可调增益放大器完成对信号的正交分解和参数调制，利用反馈环路代替传统对消器中的微控制单元，避免了繁冗耗时的参数搜索处理，不仅能够有效提高对消精度、降低系统成本、节省处理时间，同时还能针对瞬变的直耦波分量进行实时参数调整，实现自适应对消，保证系统性能的稳定性，在连续波穿墙雷达的探测领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为传统直耦波对消器的结构示意图；
图2为本发明瞬变直耦波无控型对消器的结构示意图；
图3为矢量适配方程的原理图；
图4(A)为雷达接收的回波信号对消前功率曲线图；
图4(B)为雷达接收的回波信号经过传统直耦波对消器对消后的功率曲线图；
图5为雷达接收的回波信号经过本申请瞬变直耦波无控型对消器对消后的功率曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明基于数字信号处理中的矢量适配方程，通过差分混频器、低通滤波器和低噪放大器(基带放大器)完成对载波参考信号和接收信号的正交分解和参数调制，结合反馈环路特点，通过矢量叠加的方法实现对接收信号中瞬变直耦波分量的实时探测和自适应对消处理。
如图2所示，本发明提供的连续波穿墙雷达瞬变直耦波无控型对消器，包括信号分解模块、信号调制模块和信号合成模块；其中，
所述信号分解模块，用于对接收回波信号和载波参考信号的正交分解；
所述信号调制模块，用于对分解的各信号分量进行幅度和频率参数的调整和控制；
所述的信号合成模块，用于对调制后的信号分量进行叠加，生成逆相的直耦波对消信号。
具体地，所述信号分解模块包括：
耦合器单元，用于对载波参考信号进行等分；
正交混频器单元，用于对载波参考信号进行移相，实现与回波信号的正交混频。
所述的信号调制模块包括：
低通滤波单元，用于实现有用信号和直耦波分量的分离，防止有用信号进入对消环路而受到衰减；
基带放大单元，用于实现对调制信号的幅度调整，使其充分满足矢量适配方程。
所述的信号合成模块包括：
正交调制器，用于将幅度调制后的信号分量进行二次混频；
叠加器，用于将两路正交信号进行叠加，生成合适的逆相信号并通过反馈环路将其引入接收信号，实现直耦波的自适应对消。
本发明对消器的原理：
如图3所示，本发明基于数字信号处理中的矢量适配方程：
这里a为接收信号中的直耦波分量，b、b’为载波参考信号及其正交分量。
具体设计步骤如下：
1.通过正交混频器将接收信号与载波参考信号及其正交分量进行点乘，完成I/Q两路信号的下变频。
2.通过低通滤波器提取I/Q两路信号中的基带直达波分量并引入对消环路中，防止有用目标回波的能量损耗。
3.通过低噪可调增益放大器对I/Q两路信号进行幅度调制。
4.再次通过正交调制器将I/Q两路信号与载波参考信号及其正交分量进行点乘，完成信号的上变频。
5.通过叠加器合成对消信号，实现对接收信号中直耦波分量的自适应对消。
本发明的瞬变直耦波无控型对消器的结构如图2所示，由正交混频器、低通滤波器和低噪可调增益放大器组成。对消的基本原理基于数字信号处理中的矢量适配方程，其矢量关系如图3所示。
假设连续波穿墙雷达的载波参考信号UR及接收回波中的直耦波分量UI可分别表示为：
UR(t)＝AR·cos(2πfc·t+θR)
UI(t)＝AI·cos(2πfc·t+θI)
其中，AI、AR、和分别表示两个信号相应的幅度和相位，fc为连续波穿墙雷达的载波频率。直耦波分量UI通过差分混频器分别与参考信号UR及其正交分量UR'进行混频，并依次通过低通滤波器和放大器。假设两个差分混频器、低通滤波器以及可调增益放大器对信号幅度的衰减系数分别为K1、K2、K3和K4，则经过放大器后的I、Q两路信号可分别表示为，
I:sI(t)＝L(UI·UR·K1·K3·K4)
Q:sQ(t)＝L(UI·U'R·K1·K3·K4)
其中函数L(x)表示信号x的低频分量。将信号UI和UR带入公式，则可得到正交调制器的两路输入信号分别为：
I:
Q:
同理可知第二个差分混频器的两路参考信号为：
I:rI(t)＝K2·UR(t)＝K2·ARcos(2πfct+θR)
Q:rQ(t)＝K2·U'R(t)＝K2·ARsin(2πfct+θR)
累加器将两路混频信号的乘积进行反相叠加，则其相应的输出信号可表示为：
由此可知，调节模块的放大器增益系数K4，使其满足条件
则可得到接收回波相应的对消信号x(t)。
实施例：
连续波穿墙雷达瞬变直耦波无控型对消器的一个优选实施例结合附图详述如下：连续波穿墙雷达的载波频率为2.41GHz，发射信号功率为15dBm，墙体距离雷达发射天线1米。连续波雷达接收的回波信号功率约为-9.87dBm。雷达接收的回波信号经过传统直耦波对消器，预处理时间约为35秒，对消后的信号功率约为-32dBm(见图4)。相同条件下，当雷达接收的回波信号经过本发明的瞬变直耦波对消器，不需要经过预处理，对消后的信号功率约为-44.78dBm(见图5)。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种连续波穿墙雷达瞬变直耦波无控型对消器，其特征在于，包括信号分解模块、信号调制模块和信号合成模块；其中，
所述信号分解模块，用于对接收回波信号和载波参考信号的正交分解；
所述信号调制模块，用于对分解的各信号分量进行幅度和频率参数的调整和控制；
所述的信号合成模块，用于对调制后的信号分量进行叠加，生成逆相的直耦波对消信号。
2.根据权利要求1所述的对消器，其特征在于，所述信号分解模块包括：
耦合器单元，用于对载波参考信号进行等分；
正交混频器单元，用于对载波参考信号进行移相，实现与回波信号的正交混频。
3.根据权利要求1所述的对消器，其特征在于，所述的信号调制模块包括：
低通滤波单元，用于实现有用信号和直耦波分量的分离，防止有用信号进入对消环路而受到衰减；
基带放大单元，用于实现对调制信号的幅度调整，使其充分满足矢量适配方程。
4.根据权利要求1所述的对消器，其特征在于，所述的信号合成模块包括：
正交调制器，用于将幅度调制后的信号分量进行二次混频；
叠加器，用于将两路正交信号进行叠加，生成合适的逆相信号并通过反馈环路将其引入接收信号，实现直耦波的自适应对消。
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