CN109001698B - 一种小景深线性调频连续波雷达的线性度校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种小景深线性调频连续波雷达的线性度校准方法，包括以下步骤：一、获取一个金属板目标的中频回波信号S'_b(n)；二、基于雷达系统中各器件的非线性效应，对S'_b(n)进行傅里叶变换和去基准处理，得到由于非均匀线性度所引起的相位抖动误差c(n,τ)，对相位抖动误差c(n,τ)进行积累从而完成对非线性误差项ξ(n,τ)的估计；三、利用非线性误差项ξ(n,τ)，对待校准的被测目标中频回波信号S_b(n)进行修正，得到修正后的中频回波信号S_b2(n)；四、对修正后的中频回波信号S_b2(n)进行校准处理，得到中频回波信号S_b4(n)，完成线性度校准，本发明能够精确有效地完成距离向上所有目标中频回波的非线性校准，提升雷达距离向的探测分辨率和探测能力。

Description

一种小景深线性调频连续波雷达的线性度校准方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，具体涉及一种小景深线性调频连续波雷达的线性度校准方法。

背景技术

线性调频连续波雷达是一种采用线性频率调制技术(LFM)的连续波雷达，其具有峰值发射功率低、时间带宽积大、距离测试无模糊、测距分辨率高等特点。而采用准光聚焦等波束聚焦形式的小景深线性调频连续波雷达系统，因其横向分辨率高的特点而被广泛地用于人体安检、无损检测等领域。

线性度是线性调频连续波雷达的一个重要指标，它描述了有效频带内频率调制的线性程度。当线性调频连续波雷达的线性度较差的时候，对于某一个固定目标而言，其回波将不再是一个单频信号，它的回波频谱将被展宽、主瓣幅值降低、副瓣幅值提升、波形不对称度增加，这将严重地影响雷达距离向的探测能力和探测分辨率。而在人体安检和无损检测等领域，恰恰需要完成距离向上多个邻近目标的探测与有效区分，从而保障对人体随身携带的违禁品或被测材料缺陷的有效检测。因而线性度问题成为小景深线性调频连续波雷达在上述领域应用的严重障碍，所以迫切地需要一种简单、精确、有效的技术来完成小景深线性调频连续波雷达的线性度校准，提升雷达距离向的探测能力和探测分辨率。

目前，相关的学术论文中关于小景深线性调频连续波雷达的线性度校准方法包括：相位梯度自聚焦法、残余视频相位滤波法、同态反卷积法、直接数字频率合成法、预失真压控振荡器信号控制法等。相位梯度自聚焦方法可以实现对系统非线性的有效估计，从而完成系统的线性度校准，但其需要提前获取距离向被测目标的个数及大概位置，这阻碍了此方法在实际中的应用。残余视频相位滤波法无需预知被测目标的信息，其可以一次性完成所有目标中频回波的线性度校准，但未考虑收发天线、混频器、放大器等器件对雷达系统非线性的影响，因而制约了此方法的校准精度；同时此方法需要使用一段标准延时线来完成非线性误差估计，因而增加了测试系统的复杂度。同态反卷积法将时间域回波信号变换到同态域进行滤波，进而完成线性度校准，但其同样没有考虑器件的非线性对系统的影响，因此也同样难以达到较高的校准精度。直接数字频率合成法和预失真压控振荡器信号控制法都是基于硬件的校准方法。直接数字频率合成的方法可以借助于数字器件实现较高的线性度，但其发射带宽和频率转换速度受到数字器件的限制，这就制约了雷达距离向探测的分辨率。而预失真压控振荡器信号控制法则通过反馈补偿电压的方式来改善压控振荡器的频率线性度，从而改善整个雷达的线性度，但此方法增加了系统的复杂度。并且基于硬件的线性度校准方法容易受到外界因素如温度等的影响，从而恶化了雷达的工作稳定性。因此，获取目标中频回波之后采用软件的信号处理方法来完成线性度的校准则显得十分必要。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种小景深线性调频连续波雷达的线性度校准方法，能够精确有效地完成距离向上所有目标中频回波的非线性校准，提升雷达距离向的探测分辨率和探测能力。

实现本发明的技术方案如下：

一种小景深线性调频连续波雷达的线性度校准方法，包括以下步骤：

步骤一、获取一个金属板目标的中频回波信号S_b'(n)；

步骤二、基于雷达系统中各器件的非线性效应，对S_b'(n)进行傅里叶变换和去基准处理，得到由于非均匀线性度所引起的相位抖动误差c(n,τ)，对相位抖动误差c(n,τ)进行积累从而完成对非线性误差项ξ(n,τ)的估计；

步骤三、利用非线性误差项ξ(n,τ)，对待校准的被测目标中频回波信号S_b(n)进行修正，得到修正后的中频回波信号S_b2(n)；

步骤四、对修正后的中频回波信号S_b2(n)进行校准处理，得到中频回波信号S_b4(n)，完成线性度校准。

进一步地，非线性误差项ξ(n,τ)为：

其中，phase()为取复信号相位的操作，n为离散的时间，m＝1,2,...,n，τ为目标的延时时间，

f₀为调制信号的起始频率，K为调制信号的调频斜率，f_s为采样频率，ω_max为金属板目标主瓣峰值所对应的角频率，ε(m)表示调制信号的非线性误差，ε'(m-τf_s)表示调制信号和非线性器件共同引入的非线性误差并经过了τ的传输时间延时。

进一步地，步骤四中的校准处理为残余视频相位滤波处理。

有益效果：

本发明方法考虑了雷达系统中各器件的非线性效应，可以更有效的提升校准精度，同时在非线性误差估计步骤中，只需使用一个金属板目标而避免了标准延时线的使用，降低了对标准目标的要求，简化了校准步骤。

附图说明

图1是一种小景深线性调频连续波雷达线性度校准方法的流程图。

图2是一种典型的金属板目标的一维距离向回波图。

图3是一种典型的金属板目标校准前后的一维距离像回波图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明首先基于一个金属板目标的回波信号而进行非线性误差估计，进而根据此估计结果实时、精确、有效的完成距离向上所有目标中频回波的非线性校准。如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤一、获取一个金属板目标的中频回波信号S_b'(n)；

在小景深线性调频连续波雷达的景深范围内放置一个具有强反射率的金属板目标，并记录此目标的中频回波信号S_b'(n)，其可以表示为

其中n为离散的时间，rect(n)表示时间窗，T为调制信号的调频周期，f_s为采样频率，即中频信号只在一个完整的调频周期内有效，而在此调频周期外置零。f₀为调制信号的起始频率，τ为目标的延时时间，K为调制信号的调频斜率，ε(n)为接收端混频器中参考信号的非线性误差项，ε'(n-τf_s)为考虑了雷达系统中器件的非线性效应后接收端混频器中接收信号的非线性误差项。

因为宽带雷达系统中收发天线、混频器、放大器等器件均存在抖动的群时延，因而也都会恶化雷达系统的线性度。所以将接收端混频器中参考信号的非线性误差项ε(n)与接收端混频器中接收信号的非线性误差项ε'(n-τf_s)在函数形式上加以区别，ε(n)表示调制信号的非线性误差，ε'(n)表示调制信号和上述器件共同引入的非线性误差，ε'(n-τf_s)表示接收端混频器接收信号经过了τ的传输时间延时。因此如式(1)所示的中频信号模型可以更加完整、精确地表述雷达系统中各部分所引入的非线性误差项，进而提升整个线性度校准方法的精度。

步骤二、综合考虑调制信号所引入的非线性误差和收发天线、混频器、放大器等宽带器件的群延时抖动所引入的非线性误差，基于提出的中频信号回波模型，对步骤1中获取的金属板目标中频回波信号S_b'(n)进行傅里叶变换和去基准处理，得到由于非均匀线性度所引起的相位抖动误差c(n,τ)，最终对相位抖动误差c(n,τ)进行积累从而完成非线性误差项ξ(n,τ)的精确估计。

对金属板目标的中频回波信号进行快速傅里叶变换，得到金属板目标的一维距离向回波(中频信号频谱)，并获取金属板目标主瓣峰值所对应的角频率ω_max。一个典型的金属板目标的一维距离向回波如图2所示。

对金属板目标的中频回波信号进行去基准处理

取去基准信号S_b'₁(n)的相位项c(n,τ)，表示由于非均匀的线性度所引起的相位抖动误差

c(n,τ)＝θ(n,τ)+ε(n)-ε'(n-τf_s) (3)

其中

令

得到估计的非线性误差项

步骤三、利用非线性误差项ξ(n,τ)，对待校准的被测目标中频回波信号S_b(n)进行修正，得到修正后的中频回波信号S_b2(n)；

在使用小景深线性调频连续波雷达对目标进行探测时，为了达到更高的横向探测分辨率，通常要求被测目标的位置在雷达系统的景深范围内，因而被测目标的时间延时和第一步中金属板目标的时延延时相差不大，所以可以使用步骤二中估计的非线性误差项ξ(n,τ)来对需要校准的中频回波信号S_b(n)进行修正

S_b2(n)＝S_b(n)·e^-jξ(n,τ) (5)

步骤四、对修正后的中频回波信号S_b2(n)进行残余视频相位滤波处理，得到校准后的中频回波信号S_b4(n)，完成线性度校准。

其中DFT()为离散傅里叶变换，IDFT()为离散傅里叶逆变换，k为离散的频率，N为离散傅里叶变换的点数，K'＝K·τf_s为修正的调制信号的调频斜率。

利用DFT(rect(n))这一辛格函数(SINC)的窄脉冲性质，得到以下的近似形式

其中()_N为以N为基数的循环移位。

式中

其中

为ζ_RVP(n,τ)的共轭项，在忽略缓变的幅度调制情况下得到以下的近似形式

至此得到了线性度校准之后的中频信号S_b4(n)，完成了小景深线性调频连续波雷达的线性度校准，校准之后的中频信号已经剔除了非线性误差的影响。

一个典型的校准前后的单目标一维距离向(频谱)如图3所示(此被测目标的距离比步骤一中使用的金属板目标的的距离远约3cm)，可以看出线性度校准之后的中频回波信号(点画线)比校准前的中频回波信号(实线)频谱聚焦性更好、主瓣幅度更高且对称性更好、副瓣幅度降低。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (2)

1.一种小景深线性调频连续波雷达的线性度校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、获取一个金属板目标的中频回波信号S_b'(n)；

步骤二、基于雷达系统中各器件的非线性效应，对S_b'(n)进行傅里叶变换和去基准处理，得到由于非均匀线性度所引起的相位抖动误差c(n,τ)，对相位抖动误差c(n,τ)进行积累从而完成对非线性误差项ξ(n,τ)的估计；

非线性误差项ξ(n,τ)为：

其中，phase()为取复信号相位的操作，n为离散的时间，m＝1,2,...,n，τ为目标的延时时间，

f₀为调制信号的起始频率，K为调制信号的调频斜率，f_s为采样频率，ω_max为金属板目标主瓣峰值所对应的角频率，ε(m)表示调制信号的非线性误差，ε'(m-τf_s)表示调制信号和非线性器件共同引入的非线性误差并经过了τ的传输时间延时；

步骤三、利用非线性误差项ξ(n,τ)，对待校准的被测目标中频回波信号S_b(n)进行修正，得到修正后的中频回波信号S_b2(n)；

步骤四、对修正后的中频回波信号S_b2(n)进行校准处理，得到中频回波信号S_b4(n)，完成线性度校准。

2.如权利要求1所述的一种小景深线性调频连续波雷达的线性度校准方法，其特征在于，步骤四中的校准处理为残余视频相位滤波处理。

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