CN108828539A - 一种vco开环线性校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种VCO开环线性校正方法，包括以下步骤：步骤(a)，对VCO控制电压进行取样，测量取样的控制电压对应的VCO输出频率，数据存储为数组M；步骤(b)，将数组M进行平均和插值运算；步骤(c)，根据上述平均和插值运算后获得的运算结果，通过锁定运算结果中的两点拟合出一条相对应的直线，形成新的数组N；步骤(d)，存储数组N中的数据，通过DAC输出校正后的调制电压值。本发明提高了输出电压的分辨率，使VCO输出频率与电压在整个扫描过程中基本保持线性状态，保证了FMCW雷达测量的准确性。

Description

一种VCO开环线性校正方法

技术领域

本发明涉及雷达领域，特别涉及一种VCO开环线性校正方法。

背景技术

对于FMCW雷达来说，压控振荡器VCO(Voltage Controlled Oscillator)的非线性是影响其工作性能的主要问题之一，VCO的非线性对FMCW雷达的分辨率有直接的影响。由于VCO中变容二极管固有非线性，使得原本线性的电压-频率曲线产生了非线性，这种非线性最后直接导致了FMCW系统的测量误差。

常用的VCO线性校正方案有三种：开环线性校正、闭环线性校正、电抗补偿校正。

闭环线性校正法通过负反馈对VCO电调特性进行线性校正，可以自动跟踪补偿由于振动、老化及环境温度改变等因素导致的VCO电调特性的变化，根据VCO实际输出信号频率偏离理想线性频率的多少，通过负反馈控制实时修正控制电压，使输出信号的频率与控制电压呈线性变化。

闭环线性校正法虽然线性校正精度高，可靠性好，但无论是采用模拟还是数字的实现方案，都存在电路较为复杂，成本较高的问题，不适用于小型化FMCW雷达系统。

电抗补偿线校正法是通过电抗补偿回路调整谐振回路的拓扑结构，来调整VCO电调端电压与输出信号频率之间的函数关系，从而实现对其扫频非线性的校正，是一种通过硬件方式对VCO内部电路改进与优化的方法。

电抗补偿线性度校正的优点是不会因线性度校正本身而增加输出噪声及限制其电调速度；其缺点是由于至今没有具体固定的实现方式和理论公式可以依据，故调试工作较为繁琐，经线性校正后的电调特性的波纹起伏较大，线性校正精度较低。

开环校正法是一种单向校正方式，即控制系统中不存在反馈控制与其他控制回路，开环校正法实现方案具体包括模拟断点式线性校正、模拟乘法器线型校正和数字式线性校正等等。模拟断点式线性校正只适用于对电调特性曲线一阶导数绝对值单调下降的VCO进行线性校正，且开关三级管亦存在通导阈值问题，不能盲目地增加分段数目；从原理上讲，模拟乘法器式线性校正可以生成任意阶多项式线性校正曲线,但是多项式阶数越高，校正器电路所用乘法器的数目也就越多，从而增加了电路的复杂性，因此这里也存在一个折衷的问题。数字式线性校正法利用数字拟合VCO线性度曲线，从而实现对VCO电调特性的开环线性校正。通过三种方法对比得出，校正后线性度最好的方法是数字式线性校正法。且该方法容易实现，性能稳定。本文就是采用该方法并进行改进优化。

开环线性校正虽然对VCO电调信号带宽有一定限制，但开环线性校正实现方案简单，成本小，且改进后的方法对校正精度有一定的保障，适用于雷达系统对VCO电调线性度的要求。但存在以下问题：

(1)由于VCO电调特性曲线无法用解析式精确表达，导致开环线性校正电路设计存在较大误差；

(2)线性校正器电路本身存在的底噪声会增加输出噪声；

(3)对电调速度有一定限制；

(4)校正电路通用性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的VCO开环线性校正方法，在保证实现方案简单，成本小的前提下，最大程度地减小误差，提高线性校准精度，抑制噪声，进而保证FMCW雷达系统的准确性。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种VCO开环线性校正方法，包括以下步骤：

步骤(a)，对VCO控制电压进行取样，测量取样的控制电压对应的VCO输出频率，数据存储为数组{(1,A₁)，(2,A₂)，…，(n,A_n)}，记为数组M，其中，1、2、……n代表取样点序号，A₁、A₂、……A_n代表该取样点对应的VCO输出频率；

步骤(b)，将数组M进行平均和插值运算；

步骤(c)，根据上述平均和插值运算后获得的运算结果，通过锁定运算结果中的两点拟合出一条相对应的直线y＝kx，x＝1,2,…n，通过计算得出x＝i时对应的y_i，i＝1,2,…n，形成新的数组{(1,C₁)，(2,C₂)，…，(n,C _n)}，记为数组N；

步骤(d)，存储数组N中的数据，通过DAC输出校正后的调制电压值。

可选地，所述平均运算的过程具体为：

对数组M的数据进行平均，每个点的值由该点的前后多点值求平均得到，依次对n点进行平均，记为数组Ave。

可选地，所述插值运算的过程具体为：采用MATLAB中的interp1函数对数组Ave进行插值运算。

可选地，采用MATLAB中的三次样条插值spline。

可选地，用于拟合直线的两点之间的间隔至少为1000个点。

可选地，通过锁定运算结果中的最大值和最小值拟合出一条相对应的直线。

可选地，对控制电压进行取样时，采用多次测量取平均的方式。

可选地，对所述数组M的插值和平均运算在可编程逻辑控制器中进行，或者，将所述数组M发送到计算机端，在计算机端对所述数组M进行插值和平均运算。

可选地，将数组N中的数据存入可编程逻辑控制器的ROM，或者将数组N中的数据存入外置存储设备。

本发明的有益效果是：

(1)在VCO线性校正的过程中，通过对采集数据进行插值和平均，提高了输出电压的分辨率；

(2)再通过与理想线性对比频率值，获得校正后的调制电压值，使VCO输出频率与电压在整个扫描过程中基本保持线性状态，保证了FMCW雷达测量的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种VCO开环线性校正方法的一个具体实施例的原理图；

图2为图1所示实施例的VCO校正结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

本发明提出了一种新的VCO开环线性校正方法，包括以下步骤：

步骤(a)，对VCO控制电压进行取样，测量取样的控制电压对应的VCO输出频率，数据存储为数组{(1,A₁)，(2,A₂)，…，(n,A_n)}，记为数组M。

对控制电压进行取样可以采用均匀取样，例如，控制电压范围为(0.294V～2.574)，对控制电压采用0.57mV步进进行取样。当然，对控制电压取样也可以采用非均匀的方式进行取样，取样步进不是固定值。

取样后的控制电压通过分析仪器测量得出雷达系统不同控制电压对应的VCO输出频率。为了减少分析仪器的测量误差，提高数据采集的精度，可以采用多次测量取平均的方式，有效减少仪器的测量误差。

本发明采用宽带调制域分析仪对取样后的控制电压进行测量，获得雷达系统不同控制电压对应的VCO输出频率。当然，本领域技术人员可以采用任何可用仪器对取样后的控制电压进行测量，以获得相应的VCO输出频率。

取样数据存储为数组{(1,A₁)，(2,A₂)，…，(n,A_n)}，记为数组M，其中1、2、……n代表取样点，A₁、A₂、……A_n代表该取样点对应的VCO输出频率。

根据本发明的一个具体实施例，取样数据数组M由多次采集后平均得到，多次采集平均可以有效降低采集时仪器的测量噪声，采集次数越多越好，但工作量也会随之增加，且采集次数增加到一定值时，效果也会越来越不明显，可以采取折中值，例如32次。

由于VCO中变容二极管固有非线性的原因，VCO电调特性曲线为非线性，非线性的VCO电调特性曲线会导致测量误差，与频率对应的距离值和速度值也是不准确的，因此，接下来，本发明对VCO电调特性曲线进行如下操作。

步骤(b)，将数组M进行平均运算和插值运算，平均运算和插值运算的过程可以采用现有的平均方法和插值方法。

根据本发明的一个具体实施例，本发明的上述将数组M进行平均和插值运算过程具体采用如下步骤进行：

对数组M的数据进行平均，每个点的值由该点的前后多点值求平均得到，例如对前后各4点，共9个点求平均，第i点的实际值A_i＝(A_i-4+A_i-3+A_i-2+A_i-1+A_i+A_i+1+A_i+2+A_i+3+A_i+4)/9，如i-4<0，则在计算时去掉该点，平均点数对应减少，依次对n点进行平均，记为数组Ave。这样做可以去掉采集时的毛刺，同时可以减少采集时的突变值产生的误差。

对数组Ave进行插值运算，采用MATLAB中的interp1函数，三次样条插值spline所形成的曲线最平滑，效果最好，例如：将数组Ave的n点数据插值为4000点。

上述对数组M的插值和平均运算可以在可编程逻辑控制器中进行，例如FPGA等可编程逻辑器件，当然，为了节省硬件开销，降低成本，可以将上述对数组M的插值和平均运算发送到计算机端运行，在计算机上可以进行大量的计算，不会影响系统运算时间，且得到的线性校准精度较高，能够保证FMCW雷达系统的准确性。插值和平均运算的程序并没有特殊的限制，任何能够进行插值和平均运算的程序都可以对数组M进行处理，例如Matlab等仿真软件。

在上述步骤(b)中，通过对数组M进行插值和平均，提高了输出电压的分辨率，插值点和平均次数越多，得到的数据精度越准确。在AD器件位数精度允许的情况下，电压范围由硬件参数确定，则插值点越多，得到的电压值分辨率越高，雷达的测量精度相应的越高。而采用多次平均的方法，能够降低采集时的误差，相应地就提高了数据的准确度，提高了电压值的准确度。

接下来进入步骤(c)，根据上述插值和平均运算后获得的结果，通过锁定任意两个值拟合出一条相对应的直线y＝kx(x＝1,2,…n)，通过计算得出x＝i时对应的y_i，i＝1,2,…n，形成新的数组{(1,C₁)，(2,C₂)，…，(n,C _n)}，记为数组N。

根据两点确定一条直线，因此，通过锁定插值和平均运算结果中的任意两个值可以拟合出一条相对应的直线，为了提高拟合曲线的精确性，用于拟合直线的两个值的间隔至少为1000个点。例如，通过锁定运算结果中的最大值和最小值拟合出一条相对应的直线。通过锁定运算结果中的最大值和最小值拟合出的直线并不一定是精确性最佳的直线，但该直线的精确性较高，而且最容易获得。

获得新的数组N之后，进行步骤(d)，存储数组N中的数据，将数组N中的数据存入可编程逻辑控制器的ROM，或者将数组N中的数据存入外置存储设备，然后通过DAC输出校正后的调制电压值，实现VCO输出的线性校正。

图1示出了本发明VCO开环线性校正方法的一个具体实施例，该实施例中，对雷达系统中控制电压进行取样，取样后的控制电压通过宽带调制域分析仪测量出雷达系统不同控制电压对应的VCO输出频率，存储为数组M，将所述数组M发送到计算机端，在计算机端对所述数组M进行插值和平均运算，例如采用Matlab软件进行数组M的插值和平均运算。

图1所示实施例的校正结果如图2所示，横坐标代表取样点序号，该实施例中，取样点为4000个，i＝1、2、……4000，纵坐标代表VCO输出频率，上方弧线为校正前的VCO电调特性曲线，下方直线为校正后的VCO电调特性曲线。图2所示实施例是通过锁定运算结果中的最大值和最小值拟合出相对应的直线。

由图2可知，由于VCO中变容二极管固有非线性，导致矫正前的VCO电调特性曲线为弧线，经过本发明的上述校正过程，使VCO输出频率与电压在整个扫描过程中基本保持线性状态，保证了FMCW雷达测量的准确性。通过与理想线性对比频率值，得到校正后的VCO线性曲线，使VCO输出频率与电压在整个扫描过程中基本保持线性状态，保证了FMCW雷达测量的准确性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种VCO开环线性校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(a)，对VCO控制电压进行取样，测量取样的控制电压对应的VCO输出频率，数据存储为数组{(1,A₁)，(2,A₂)，…，(n,A_n)}，记为数组M，其中，1、2、……n代表取样点序号，A₁、A₂、……A_n代表该取样点对应的VCO输出频率；

步骤(b)，将数组M进行平均和插值运算；

步骤(c)，根据上述平均和插值运算后获得的运算结果，通过锁定运算结果中的两点拟合出一条相对应的直线y＝kx，x＝1,2,…n，通过计算得出x＝i时对应的y_i，i＝1,2,…n，形成新的数组{(1,C₁)，(2,C₂)，…，(n,C_n)}，记为数组N；

步骤(d)，存储数组N中的数据，通过DAC输出校正后的调制电压值。

2.如权利要求1中所述的一种VCO开环线性校正方法，其特征在于，所述平均运算的过程具体为：

对数组M的数据进行平均，每个点的值由该点的前后多点值求平均得到，依次对n点进行平均，记为数组Ave。

3.如权利要求2中所述的一种VCO开环线性校正方法，其特征在于，所述插值运算的过程具体为：采用MATLAB中的interp1函数对数组Ave进行插值运算。

4.如权利要求3中所述的一种VCO开环线性校正方法，其特征在于，采用MATLAB中的三次样条插值spline。

5.如权利要求1中所述的一种VCO开环线性校正方法，其特征在于，用于拟合直线的两点之间的间隔至少为1000个点。

6.如权利要求5中所述的一种VCO开环线性校正方法，其特征在于，通过锁定运算结果中的最大值和最小值拟合出一条相对应的直线。

7.如权利要求1中所述的一种VCO开环线性校正方法，其特征在于，对控制电压进行取样时，采用多次测量取平均的方式。

8.如权利要求1中所述的一种VCO开环线性校正方法，其特征在于，对所述数组M的插值和平均运算在可编程逻辑控制器中进行，或者，将所述数组M发送到计算机端，在计算机端对所述数组M进行插值和平均运算。

9.如权利要求1中所述的一种VCO开环线性校正方法，其特征在于，将数组N中的数据存入可编程逻辑控制器的ROM，或者将数组N中的数据存入外置存储设备。