CN109001729A - 太赫兹成像中调频连续波线性度实时校准方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹成像中调频连续波线性度实时校准方法及其系统，该方法包括：将被测目标反射后的回波信号与太赫兹信号混频得到基带信号；将基带信号分为两路进行校准计算；其中一路通过带通滤波滤除耦合信号得到携带目标信息的基带信号，另一路作为实时校准数据在校准计算中对每个脉冲实时校；并在校准计算前滤除随机相位噪音以及将采集数据变换为复数数据。本发明即可以对每个脉冲实时校准，保证了校准数据及目标回波数据时间上的一致性，实现了校准实时性，同时滤除了耦合信号，保证了系统灵敏度。在随机相位噪音较大及测量精度要求较高情况的太赫兹成像测量中具有良好效果。

Description

太赫兹成像中调频连续波线性度实时校准方法及其系统

技术领域

本发明属于太赫兹成像的技术领域，尤其是涉及一种太赫兹成像中调频连续波线性度实时校准方法及其系统。

背景技术

太赫兹成像技术具有空间分辨率高、抗干扰能力强、对人体无害等优点，被广泛应用于安检与反恐、医学诊断、大气与环境检测等领域。在太赫兹成像系统中，太赫兹FMCW雷达由于其超高的成像分辨力而得到广泛的关注。理想状况下，雷达系统中信号的调频斜率为一常数，发射信号频率是线性变化的，雷达距离向分辨率仅与发射信号的带宽有关。但是在实际情况中，去调频方式下的收发信号调频斜率往往不是一个理想的常数，发射与接收信号的调频线性度好坏直接影响着雷达的距离分辨能力。在进行调频连续波成像过程中，线性度校准是保证测量精度及纵向分辨率的核心与关键。因此，在雷达信号处理中需要对回波信号进行调频非线性校正。

在实际太赫兹成像测试当中发现，FMCW雷达系统的距离向分辨率始终与其理论值存在较大差异，究其原因主要是由于在发射和接收链路中，功率放大器与倍频器在信号的有效带宽内其转化效率不平坦对最终输出的信号幅度和相位产生了扰动。幅度扰动项的加入使得发射和接收链路中信号的包络发生了改变；相位误差的引入导致被测目标回波信号的频谱发生了展宽，降低了雷达系统的距离向分辨率以及信噪比(Signal Noise Ratio,SNR)。对太赫兹成像FMCW雷达系统而言，该扰动项的加入导致重建后的图像散焦和模糊。

当被测目标反射后的信号与接收链路中提供的本振信号混频后，得到中频信号中出现了相位项，导致了脉压后信号的谱峰展宽以及分辨率的恶化。在整个调频时间内，由于信号调频斜率的非线性，使得去调频后被测目标回波信号的频率不再是一常数。而且，随着目标与雷达的距离越远，回波信号频谱展宽越严重。为能够有效地解决由系统的非线性所带来的信号频谱展宽问题，则需要消除中频信号中混杂的相位项。相位项包括接收链路中引入的相位误差和发射信号中误差项的延迟，该函数与目标探测距离有关。就目前太赫兹成像雷达系统来说，由于所感兴趣的成像场景范围一般在百米左右且场景内目标往返时间很短，目标间往返时间差也很短，因此，可以利用场景内的被测目标雷达回波作为参考来实现信号的非线性校正。目前，常用的校正方法为事先校正法和利用耦合信号校正法。

第一，事先校正法。在对实际的目标进行测试前，先在目标位置附近放置一个强反射体，利用太赫兹雷达对该目标进行照射，并存储采集到的数字中频信号。然而，利用强反射体校准缺点为：校正无法做到实时，无法去除相位噪音等与时间相关的干扰，测量时间与校准时间间隔较大时校准误差较大。通常情况下可利用测量校准体获取系统线性度进行补偿的方法，但由于校准体与目标并非同一时间测量，在校准过程中相位噪音将对测量产生难以忽略的影响，特别是在三维SAR成像中将直接影响成像效果。

第二，利用耦合信号进行校准。利用软件进行傅里叶变化，高频部分作为目标信号，低频部分耦合信号作为校准数据进行校准。然而，直接利用耦合信号校准方法缺点为：由于需要采用耦合信号，无法利用带通滤波器消除耦合。导致目标信号信噪比降低，降低系统动态范围。

综上所述，针对现有技术中如何同一时间实时测量校准体与被测目标获取系统线性度进行补偿同时保证系统灵敏度的问题，尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，解决现有技术中如何同一时间实时测量校准体与被测目标获取系统线性度进行补偿同时保证系统灵敏度的问题，本发明提供了一种太赫兹成像中调频连续波线性度实时校准方法及其系统，即可以对每个脉冲实时校准，保证了校准数据及目标回波数据时间上的一致性，有效实现了校准实时性，同时滤除了耦合信号，保证了系统灵敏度。

本发明的第一目的是提供一种太赫兹成像中调频连续波线性度实时校准方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：

一种太赫兹成像中调频连续波线性度实时校准方法，该方法包括：

将被测目标反射后的回波信号与太赫兹信号混频得到基带信号；将基带信号分为两路进行校准计算；其中一路通过带通滤波滤除耦合信号得到携带目标信息的基带信号，另一路作为实时校准数据在校准计算中对每个脉冲实时校。

作为进一步的优选方案，在本方法中，在太赫兹调频连续波模块中所述将被测目标反射后的回波信号与太赫兹信号混频得到基带信号，具体步骤包括：

同时产生两路调频连续波信号，两路调频连续波信号分别经过滤波、倍频生成太赫兹信号；

一路太赫兹信号通过发射天线发射，经过被测目标反射后的回波信号由接收天线接收，并将接收的被测目标反射后的回波信号与另一路太赫兹信号混频得到基带信号。

作为进一步的优选方案，在本方法中，所述基带信号经过信号放大分为能量不同的两路进行校准计算。

作为进一步的优选方案，在本方法中，所述经过信号放大的基带信号分为能量不同的两路进行校准计算，其中能量大的一路通过带通滤波滤除耦合信号得到携带目标信息的基带信号，能量小的一路作为所述实时校准数据在校准计算中对每个脉冲实时校。

作为进一步的优选方案，在本方法中，所述实时校准数据根据能量小的一路基带信号经过低通滤波得到。

作为进一步的优选方案，在本方法中，太赫兹调频连续波模块在同一位置获得至少两组携带目标信息的基带信号和实时校准数据，并采用相干累积法按照频率进行去除随机相位噪音后进行所述校准计算。

作为进一步的优选方案，在本方法中，将去除随机相位噪音后的携带目标信息的基带信号和实时校准数据经过IQ变换获取其虚部数据，得到复数数据形式的携带目标信息的基带信号和实时校准数据进行所述校准计算。

作为进一步的优选方案，在本方法中，根据复数数据形式的携带目标信息的基带信号、复数数据形式的实时校准数据、各频率对应波数和耦合距离的函数进行所述校准计算。

本发明的第二目的是提供一种太赫兹成像中调频连续波线性度实时校准系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：

一种太赫兹成像中调频连续波线性度实时校准系统，该系统基于所述的一种太赫兹成像中调频连续波线性度实时校准方法，包括：扫描架和安装于扫描架上的太赫兹调频连续波模块；所述太赫兹调频连续波模块被配置为采集携带目标信息的基带信号和实时校准数据，其在成像测试过程中沿着所述扫描架进行满足奈奎斯特采样定律的等间隔扫描，并将采集的数据通过数据采集卡上传至所述主控计算机进行实时校准。

作为进一步的优选方案，所述太赫兹调频连续波模块包括FPGA控制器，所述FPGA控制器分别与发射DDS单元和接收DDS单元连接，所述发射DDS单元和接收DDS单元之间通过参考时钟信号同时产生两路调频连续波信号，所述发射DDS单元依次通过第一带通滤波单元、第一微波滤波链路、第一太赫兹倍频滤波链路和发射天线连接，所述接收DDS单元依次通过第二带通滤波单元、第二微波滤波链路、第二太赫兹倍频滤波链路和混频器连接，所述混频器还与接收天线连接，将混频后的基带信号通过放大器进行信号放大，所述放大器与定向耦合器连接，所述定向耦合器分出的两路信号分别经过带通滤波器和低通滤波器得到携带目标信息的基带信号和实时校准数据，并将其传输至所述数据采集卡。

本发明的有益效果：

1、本发明所述的一种太赫兹成像中调频连续波线性度实时校准方法及其系统，通过将校准信号与目标回波数据从基带信号中分离，保证了校准数据及目标回波数据时间上的一致性，实现了校准实时性，分别进行不同的滤波操作，在实现实时校准的同时提高了系统灵敏度。

2、本发明所述的一种太赫兹成像中调频连续波线性度实时校准方法及其系统，在校准前对由于调频连续波信号在某些固定频率容易产生随机相位的噪音以及采集数据为电压值的情况进行处理，滤除随机相位噪音并将实部电压数据转换为复数数据进行校准计算，有效提高了信噪比，提升了太赫兹调频连续波三维成像的成像效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明中的一种太赫兹成像中调频连续波线性度实时校准系统结构示意图。

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。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本实施例使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要注意的是，附图中的流程图和框图示出了根据本公开的各种实施例的方法和系统的可能实现的体系架构、功能和操作。应当注意，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分可以包括一个或多个用于实现各个实施例中所规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为备选的实现中，方框中所标注的功能也可以按照不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，或者它们有时也可以按照相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。同样应当注意的是，流程图和/或框图中的每个方框、以及流程图和/或框图中的方框的组合，可以使用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以使用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例1的目的是提供本发明的第一目的是提供一种太赫兹成像中调频连续波线性度实时校准系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：

如图1所示，

一种太赫兹成像中调频连续波线性度实时校准系统，该系统包括：

扫描架和安装于扫描架上的太赫兹调频连续波模块；所述太赫兹调频连续波模块被配置为采集携带目标信息的基带信号和实时校准数据，其在成像测试过程中沿着所述扫描架进行满足奈奎斯特采样定律的等间隔扫描，并将采集的数据通过数据采集卡上传至主控计算机进行实时校准。

所述太赫兹调频连续波模块包括FPGA控制器，所述FPGA控制器分别与发射DDS单元和接收DDS单元连接，所述发射DDS单元和接收DDS单元之间通过参考时钟信号同时产生两路调频连续波信号。

所述发射DDS单元依次通过第一带通滤波单元、第一微波滤波链路、第一太赫兹倍频滤波链路和发射天线连接，将产生的一路调频连续波信号经过滤波、倍频产生太赫兹信号后通过发射天线发射，经被测目标反射后的回波信号由接收天线接收；

所述接收DDS单元依次通过第二带通滤波单元、第二微波滤波链路、第二太赫兹倍频滤波链路和THz混频器连接，所述THz混频器还与接收天线连接，将接收天线接收到的经被测目标反射后的回波信号与接收DDS单元产生的一路调频连续波信号经过滤波、倍频产生的太赫兹信号通过THz混频器进行混频得到基带信号。

将混频后的基带信号通过放大器进行信号放大，所述放大器与定向耦合器连接，所述定向耦合器分出的两路信号分别经过带通滤波器和低通滤波器得到携带目标信息的基带信号和实时校准数据，并将其传输至所述数据采集卡。

本实施例的目的还包括提出一种太赫兹成像中调频连续波线性度实时校准方法，该方法基于本实施例中所述的一种太赫兹成像中调频连续波线性度实时校准系统，该方法分别对每个脉冲信号进行实时校准，包括：

步骤(1)：将被测目标反射后的回波信号与太赫兹信号混频得到基带信号；

步骤(1)：将基带信号分为两路进行校准计算；

其中，一路通过带通滤波滤除耦合信号得到携带目标信息的基带信号，基带信号经过带通滤波后滤除耦合信号，得到高信噪比的目标信号；

另一路作为实时校准数据在校准计算中对每个脉冲实时校。

该方法保证了校准数据及目标回波数据时间上的一致性，实现了校准实时性，又保证了系统动态范围。

在本实施例的步骤(1)中，在太赫兹调频连续波模块中所述将被测目标反射后的回波信号与太赫兹信号混频得到基带信号，具体步骤包括：

步骤(1-1)：同时产生两路调频连续波信号，两路调频连续波信号分别经过滤波、倍频生成太赫兹信号；

步骤(1-2)：一路太赫兹信号通过发射天线发射，经过被测目标反射后的回波信号由接收天线接收，并将接收的被测目标反射后的回波信号与另一路太赫兹信号混频得到基带信号。

在本实施例的步骤(2)中，具体步骤包括：

步骤(2-1)：所述基带信号经过信号放大分为能量不同的两路。

步骤(2-2)：所述经过信号放大的基带信号分为能量不同的两路，其中能量大的一路通过带通滤波滤除耦合信号得到携带目标信息的基带信号，能量小的一路作为所述实时校准数据在校准计算中对每个脉冲实时校。所述实时校准数据根据能量小的一路基带信号经过低通滤波得到。

步骤(2-3)：根据携带目标信息的基带信号和实时校准数据进行校准计算。

在本实施例的步骤(2-3)中，数据采集卡采集携带目标信息的基带信号和实时校准数据后上传至主控计算机进行实时校准计算，具体步骤包括：

步骤(2-3-1)：降低相位噪音。

由于调频连续波信号在某些固定频率容易产生随机相位的噪音，且噪音频率与目标有效频率相近，无法利用带通滤波器等硬件去除，而在校准过程中如不事先消除这些噪音，校准后噪音将会提高几个数量级，导致目标信号完全淹没在相位噪音内。本实施例在采用主控计算机采用相干累积法滤除随机相位噪音。

重复步骤(1)与步骤(2)中，使得太赫兹调频连续波模块在同一位置获得至少两组携带目标信息的基带信号和实时校准数据通过数据采集卡上传至主控计算机，主控计算机采用相干累积法按照频率进行平均计算，去除随机相位噪音，进行所述校准计算。

步骤(2-3-2)：IQ变换。

由于数据采集卡采集数据为电压值，即信号实部，无法直接用于校准，主控计算机校准前需要进行IQ变换获取虚部数据，将实部数据变为复数数据。

在本实施例中，将去除随机相位噪音后的携带目标信息的基带信号和实时校准数据经过IQ变换获取其虚部数据，得到复数数据形式的携带目标信息的基带信号和实时校准数据进行所述校准计算。

在校准前考虑了相位噪音降低，IQ变换等前处理，有效提高了信噪比，提升了太赫兹调频连续波三维成像的成像效果。

步骤(2-3-3)：校准。

在本实施例中，根据复数数据形式的携带目标信息的基带信号、复数数据形式的实时校准数据、各频率对应波数和耦合距离的函数进行所述校准计算；校准具体公式为：

其中，s_校准后表示校准后数据，s_目标数据表示目标信号复数数据，s_校准数据表示校准信号复数数据，k表示各频率对应波数，r表示耦合距离。

本发明的有益效果：

1、本发明所述的一种太赫兹成像中调频连续波线性度实时校准方法及其系统，通过将校准信号与目标回波数据从基带信号中分离，保证了校准数据及目标回波数据时间上的一致性，实现了校准实时性，分别进行不同的滤波操作，在实现实时校准的同时提高了系统灵敏度。

2、本发明所述的一种太赫兹成像中调频连续波线性度实时校准方法及其系统，在校准前对由于调频连续波信号在某些固定频率容易产生随机相位的噪音以及采集数据为电压值的情况进行处理，滤除随机相位噪音并将实部电压数据转换为复数数据进行校准计算，有效提高了信噪比，提升了太赫兹调频连续波三维成像的成像效果。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种太赫兹成像中调频连续波线性度实时校准方法，其特征在于，该方法包括：

将被测目标反射后的回波信号与太赫兹信号混频得到基带信号；将基带信号分为两路进行校准计算；其中一路通过带通滤波滤除耦合信号得到携带目标信息的基带信号，另一路作为实时校准数据在校准计算中对每个脉冲实时校。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在本方法中，在太赫兹调频连续波模块中所述将被测目标反射后的回波信号与太赫兹信号混频得到基带信号，具体步骤包括：

同时产生两路调频连续波信号，两路调频连续波信号分别经过滤波、倍频生成太赫兹信号；

一路太赫兹信号通过发射天线发射，经过被测目标反射后的回波信号由接收天线接收，并将接收的被测目标反射后的回波信号与另一路太赫兹信号混频得到基带信号。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在本方法中，所述基带信号经过信号放大分为能量不同的两路进行校准计算。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在本方法中，所述经过信号放大的基带信号分为能量不同的两路进行校准计算，其中能量大的一路通过带通滤波滤除耦合信号得到携带目标信息的基带信号，能量小的一路作为所述实时校准数据在校准计算中对每个脉冲实时校。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在本方法中，所述实时校准数据根据能量小的一路基带信号经过低通滤波得到。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在本方法中，太赫兹调频连续波模块在同一位置获得至少两组携带目标信息的基带信号和实时校准数据，并采用相干累积法按照频率进行去除随机相位噪音后进行所述校准计算。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在本方法中，将去除随机相位噪音后的携带目标信息的基带信号和实时校准数据经过IQ变换获取其虚部数据，得到复数数据形式的携带目标信息的基带信号和实时校准数据进行所述校准计算。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在本方法中，根据复数数据形式的携带目标信息的基带信号、复数数据形式的实时校准数据、各频率对应波数和耦合距离的函数进行所述校准计算。

9.一种太赫兹成像中调频连续波线性度实时校准系统，其特征在于，基于权利要求1-8任一项所述的方法，包括：扫描架和安装于扫描架上的太赫兹调频连续波模块；所述太赫兹调频连续波模块被配置为采集携带目标信息的基带信号和实时校准数据，其在成像测试过程中沿着所述扫描架进行满足奈奎斯特采样定律的等间隔扫描，并将采集的数据通过数据采集卡上传至所述主控计算机进行实时校准。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述太赫兹调频连续波模块包括FPGA控制器，所述FPGA控制器分别与发射DDS单元和接收DDS单元连接，所述发射DDS单元和接收DDS单元之间通过参考时钟信号同时产生两路调频连续波信号，所述发射DDS单元依次通过第一带通滤波单元、第一微波滤波链路、第一太赫兹倍频滤波链路和发射天线连接，所述接收DDS单元依次通过第二带通滤波单元、第二微波滤波链路、第二太赫兹倍频滤波链路和混频器连接，所述混频器还与接收天线连接，将混频后的基带信号通过放大器进行信号放大，所述放大器与定向耦合器连接，所述定向耦合器分出的两路信号分别经过带通滤波器和低通滤波器得到携带目标信息的基带信号和实时校准数据，并将其传输至所述数据采集卡。