CN109100713B - 具有杂波抑制功能的协作式微波测量装置、系统及方法 - Google Patents

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CN109100713B CN201810738225.5A CN201810738225A CN109100713B CN 109100713 B CN109100713 B CN 109100713B CN 201810738225 A CN201810738225 A CN 201810738225A CN 109100713 B CN109100713 B CN 109100713B
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Abstract

本发明公开了一种具有杂波抑制功能的协作式微波测量装置、系统及方法，属于微波测量技术领域。本发明所述测量装置包括信号发射部分和信号接收处理部分，测量系统包括作为主装置的测量装置和从装置；基于测量系统，本发明还公开了一种协作式微波测量装置方法。本发明具有杂波抑制效果，且对于所有满足互易定理的杂波均可以做到有效的抑制。

Description

具有杂波抑制功能的协作式微波测量装置、系统及方法
技术领域
本发明属于微波测量技术领域，具体涉及一种具有杂波抑制功能的协作式微波测量装置、系统及方法。
背景技术
协作式微波测量装置，用于测量被测目标相对距离与速度，被广泛用在各种距离和速度监测的场景。其基本的原理是微波测量装置发射测量信号，然后接收来自被测目标反射或转发的信号，再通过计算信号传播时延来实现距离测量；通过计算多普勒频移来实现速度测量。
在实际应用中，微波距离和速度测量技术会受到来自其他物体散射或反射回波的影响。在微波测量领域，这类回波被定义为杂波。杂波会影响微波测量装置的测量精度，在强杂波背景下，当待测目标回波信号被杂波淹没，无法实现有效的测量。
现有的微波测量技术，如中国专利“微波测量装置、系统及方法”(申请号:CN201710308024.7)公开的微波距离和速度测量装置、系统及方法，和中国专利“具有杂波抑制功能的远程位移测量装置、系统及方法”(申请号：CN 201710307730.X)公开的一种位移测量装置、系统及方法。二者都利用转发器的极化正交性，可以抑制同极化杂波，即一般的面反射机制带来的杂波，如平面、导电球等简单物体。但是以上发明提出的方法无法抑制具有交叉极化特性的杂波，因为上述发明的杂波抑制原理是基于测量场景的杂波没有交叉极化分量的假设，然后再从交叉极化回波能量的角度去检测目标，完成距离和速度的测量。这一假设在现实的复杂场景显然是不满足的。45度角旋转的二面角、螺旋线、斜放的导线等都有强的交叉极化回波分量。室内、走廊墙壁、隧道、电梯井等场景，因场景的几何结构，背景杂波都有上述强交叉极化回波分量，因此上述专利都无法在这类复杂的现实环境中得到有效的应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种具有杂波抑制功能的协作式微波测量装置、系统及方法。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种具有杂波抑制功能的协作式微波测量装置，包括信号发射部分和信号接收处理部分；
信号发射部分包括信号源、功率放大器A、功率放大器B、天线A和天线B；
信号源分别耦接功率放大器A与功率放大器B；功率放大器A耦接天线A，功率放大器B耦接天线B；天线A的极化状态为(τ,ε)，其中τ为极化椭圆的椭圆倾角，ε为极化椭圆的椭圆曲率角，天线B的极化方式为(τ+π/2,-ε)，因此天线A与天线B正交极化；
信号接收处理部分包括天线C、天线D、功分器A、功分器B、接收信号预处理单元A、接收信号预处理单元B、接收信号预处理单元C、接收信号预处理单元D和数字信号处理器；
信号接收处理部分中，天线C耦接功分器A；天线D耦接功分器B；
接收信号预处理单元A耦接功分器A，包括依次耦接的混频器A、低通滤波器A、模数转换器A，混频器A与信号源耦接；
接收信号预处理单元B耦接功分器A，包括依次耦接的混频器B、带通滤波器B、模数转换器B，混频器B与信号源耦接；
接收信号预处理单元C耦接功分器B，包括依次耦接的混频器C、低通滤波器C、模数转换器C，混频器C还信号源耦接；
接收信号预处理单元D耦接功分器B，包括依次耦接的混频器D、带通滤波器D、模数转换器D，混频器D与信号源耦接；
数字信号处理器与模数转换器A、模数转换器B、模数转换器C、模数转换器D耦接；
信号接收处理部分的天线C极化状态与信号发射部分天线A极化状态一致，天线D极化状态与天线B极化状态一致。四组天线的收、发各自构成一组极化正交基，可实现回波的全极化接收。
优选的，信号源包括时钟源和分别与时钟源连接的锁相频率合成器A、锁相频率合成器B；
优选的，信号源包括直接数字频率合成器和分别与直接数字频率合成器连接的带有不同本振的上变频器A、上变频器B；
一种具有杂波抑制功能的协作式微波测量系统，包括主装置和从装置，主装置为所述协作式微波测量装置，从装置为依次耦接的天线E，放大器和天线F；天线E接收主装置中信号发射部分发射的信号，经过放大器将信号放大后由天线F发出；天线E的极化状态同天线A极化状态一致；天线F的极化状态与天线B的极化状态一致。
一种具有杂波抑制功能的协作式微波测量方法，包括以下步骤：
步骤1.协作式微波测量装置的信号发射部分中，信号源产生两路对称三角波调制的线性调频连续波信号S1(t)与S2(t)，分别输出至功率放大器A和功率放大器B，经放大后分别由天线A和天线B输出；S1(t)与S2(t)为协作式微波测量装置的距离测量信号，有相同的调频斜率u、带宽B、扫频周期T、起始扫频时间t0，但S1(t)与S2(t)的起始扫频频率不同，信号S1(t)与S2(t)的起始扫频频率分别为f1与f2，起始扫频频率差ΔF＝f2-f1；
S1(t)与S2(t)分别由信号源中的锁相频率合成器A和锁相频率合成器B或信号源中的带有不同本振的上变频器A和上变频器B产生；
步骤2.信号源产生参考信号S01(t)并输出至混频器A，产生参考信号S02(t)并输出至混频器B，产生参考信号S03(t)并输出至混频器C，产生参考信号S04(t)并输出至混频器D；参考信号满足：
S01(t)＝S1(t)；
S02(t)＝S2(t)；
S03(t)＝S1(t)；
S04(t)＝S2(t)；
另外，参考信号也可以通过以下方式获得：从信号源处或功率放大器A与天线A中间处添加定向耦合器模块，以获取参考信号S01(t)与S03(t)，然后从信号源处或功率放大器B与天线B中间处添加定向耦合器模块，以获取参考信号S02(t)与S04(t)；
步骤3.协作式微波测量系统的从装置作为协作目标，天线E接收信号，经放大后由天线F发射信号，协作式微波测量系统的主装置中的天线C和天线D接收回波信号；
步骤4.功分器A将天线C接收的回波信号分离为S3(t)与S4(t)，功分器B将天线D接收的回波信号分离为S5(t)与S6(t)；
步骤5.接收信号预处理单元A接收来自功分器A的信号S3(t)，接收信号预处理单元A中的混频器A将来自功分器A的信号S3(t)与来自信号源的参考信号S01(t)混频，混频器A的输出信号经低通滤波器A滤波后得到信号S7(t)；
低通滤波器A的截止频率fca满足fca≥2*Lm/c*u，其中Lm是测量系统的预设测量距离，c为光速，u为调频连续波信号的调频斜率；
接收信号预处理单元B接收来自功分器A的信号S4(t)，接收信号预处理单元B中的混频器B将来自功分器A的信号S4(t)与来自信号源的参考信号S02(t)混频，混频器B的输出信号经带通滤波器B滤波后得到信号S8(t)；
带通滤波器B的中心频率为ΔF+Lm/c*u，带宽为2*Lm/c*u；
接收信号预处理单元C接收来自功分器B的信号S5(t)，接收信号预处理单元C中的混频器C将来自功分器B的信号S5(t)与来自信号源的参考信号S03(t)混频，混频器C的输出信号经低通滤波器C滤波后得到信号S9(t)；
低通滤波器C的截止频率fcc满足fcc≥2*Lm/c*u；
接收信号预处理单元D接收来自功分器B的信号S6(t)，接收信号预处理单元D中的混频器D将来自功分器的信号S6(t)与来自信号源的参考信号S04(t)混频，混频器D的输出信号经带通滤波器D滤波后得到信号S10(t)；
带通滤波器D的中心频率为ΔF+Lm/c*u，带宽为2*Lm/c*u；
步骤6.模数转换器A将S7(t)采样得到对应离散信号S7(n)输入至数字信号处理器；模数转换器B将S8(t)采样得到对应离散信号S8(n)输入至数字信号处理器；模数转换器C将S9(t)采样得到对应离散信号S9(n)输入至数字信号处理器；模数转换器D将S10(t)采样得到对应离散信号S10(n)输入至数字信号处理器；n为正整数，1≤n≤采样点个数；
步骤7.将信号S8(n)与信号S10(n)作数字下变频，下变频频率fn＝ΔF/fs1，即使得信号S8(n)与信号S10(n)的频谱向负频率部分搬移fn，然后将所得信号变采样率至fs1，分别得到信号S81(n)与信号S101(n)；
优选的，采用正交数字下变频方式，模数转换器A与模数转换器C的采样率为fs1，fs1≥4*Lm/c*u；模数转换器B与模数转换器D的采样率为fs2,fs2≥2*(ΔF+2*Lm/c*u)；
优选的，采用带通采样实现下变频，模数转换器A与模数转换器C的采样率为fs1，fs1≥4*Lm/c*u；模数转换器B与模数转换器D的采样率为fs2,fs2＝m*ΔF，其中m为≥1的正整数；
步骤8.数字信号处理器对输入信号S7(n)、S81(n)、S9(n)、S101(n)进行处理，解算协作目标的位置x与协作目标的速度v。
步骤8的具体过程如下：
步骤8-1.将信号S7(n)、S81(n)、S9(n)、S101(n)分别按调频斜率的正斜率段和负斜率段拆分，并通过补零使其数据长度增加为2M，得到八路数字信号S7+(n)、S7-(n)、S8+(n)、S8-(n)、S9+(n)、S9-(n)、S10+(n)、S10-(n)；其中M为正整数，2M≥采样点个数；
步骤8-2.对步骤7-2得到的八路数字信号作长度为的快速傅里叶变换，得到八个序列：S7+(k)、S7-(k)、S8+(k)、S8-(k)、S9+(k)、S9-(k)、S10+(k)、S10-(k)，1≤k≤2M；
步骤8-3.分离出正斜率段信号S7+(k)、S8+(k)、S9+(k)、S10+(k)，作归一化：
Saa(k)＝S7+(k)；
Sbb(k)＝S8+(k)/S7+(k)；
Scc(k)＝S9+(k)/S7+(k)；
Sdd(k)＝S10+(k)/S7+(k)；
Saa(k)、Sbb(k)、Scc(k)、Sdd(k)分别构成一组正交极化基表示下的第k个距离单元回波的极化散射矩阵Z(k)的一个元素：
Figure BDA0001722571050000041
步骤8-4.计算Z(k)与协作目标极化散射矩阵Z0的相似性：
Figure BDA0001722571050000051
其中协作目标极化散射矩阵Z0为：
Figure BDA0001722571050000052
步骤8-5.分离出负斜率段信号S7-(k)、S8-(k)、S9-(k)、S10-(k)，作归一化：
Saa-(k)＝S7-(k)；
Sbb-(k)＝S8-(k)/S7-(k)；
Scc-(k)＝S9-(k)/S7-(k)；
Sdd-(k)＝S10-(k)/S7-(k)；
Saa-(k)、Sbb-(k)、Scc-(k)、Sdd-(k)分别构成一组正交极化基表示下的第k个距离单元回波的极化散射矩阵Z-(k)的一个元素：
Figure BDA0001722571050000053
步骤8-6.计算Z-(k)与协作目标极化散射矩阵Z0的相似性：
Figure BDA0001722571050000054
步骤8-7.分别对Ψ(k)与Ψ-(k)做谱峰搜索，分别找到各自的谱峰对应的k值k+与k-并计算协作目标的距离x与速度v：
Figure BDA0001722571050000055
Figure BDA0001722571050000056
本发明利用协作目标与杂波的极化散射特性，来分离回波中的协作目标与杂波。步骤8-3至8-6可认为是回波信号被输入至了一个杂波抑制系统。杂波抑制系统比较了测量装置的回波与已知的具有有特殊性质的协作目标极化散射矩阵之间的相似性。杂波抑制系统输出结果中，Ψ(k)或Ψ-(k)的谱峰对应的位置k即为协作目标所在距离单元。
单基雷达的回波信号满足互易定理，在后向散射坐标系下，回波的极化散射矩阵反对角元素相等。也就是说，自然物体的回波的极化散射矩阵为对称矩阵，这与本发明中的协作目标极化散射矩阵有着显著的差异。本发明即是利用了这一性质，在步骤8-3至8-4中，计算了回波信号中各距离单元对应的极化散射矩阵与协作目标的极化散射矩阵的相似性，而协作目标的极化散射矩阵是已知的、具有特殊性质的，因此实现了协作目标回波与杂波的分离。
本发明的有益效果是：
(1)本发明具有杂波抑制效果。本发明杂波抑制的原理基于的是协作目标与杂波极化特性的不同，极化特性与回波能量强度无关，所以在低信杂比下，也能做到将杂波与协作目标回波信号分离，实现协作目标距离与速度的测量。
(2)本发明对于所有满足互易定理的杂波均可以做到有效的抑制。在本技术领域，对于单基雷达，所有的自然物体或人造无源物体的杂波，其极化散射特性与本发明系统中协作目标极化散射特性均不相同，利用本发明的方法均能得到有效的抑制。因此本专利特别适合应用在室内、走廊墙壁、隧道、电梯井等场景。
(3)本发明采用频分的方式实现了发射信号的全极化发射与回波的全极化接收，实现了目标极化散射矩阵的接收与距离速度的测量。
附图说明
图1为信号发射部分的结构示意图；
图2为信号接收处理部分的结构示意图；
图3为从装置的结构示意图；
图4为应用场景图，本场景是一个复杂室内环境，本环境下的测量装置的回波信号，有来自地面、墙壁、天花板的杂波；
图5为Ψ(k)与|Scc(k)|2的对比图，|Scc(k)|2可认为是原始回波一维距离像，Ψ(k)可认为是回波经过杂波抑制后的结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种具有杂波抑制功能的协作式微波测量装置，包括信号发射部分和信号接收处理部分；
信号发射部分的结构示意图如图1所示，包括信号源、功率放大器A、功率放大器B、天线A和天线B；
信号源分别耦接功率放大器A与功率放大器B；功率放大器A耦接天线A，功率放大器B耦接天线B；天线A的极化状态为(τ,ε)，其中τ为极化椭圆的椭圆倾角，ε为极化椭圆的椭圆曲率角，天线B的极化方式为(τ+π/2,-ε)，因此天线A与天线B正交极化；
信号接收处理部分的结构示意图如图2所示，包括天线C、天线D、功分器A、功分器B、接收信号预处理单元A、接收信号预处理单元B、接收信号预处理单元C、接收信号预处理单元D和数字信号处理器；
信号接收处理部分中，天线C耦接功分器A；天线D耦接功分器B；
接收信号预处理单元A耦接功分器A，包括依次耦接的混频器A、低通滤波器A、模数转换器A，混频器A与信号源耦接；
接收信号预处理单元B耦接功分器A，包括依次耦接的混频器B、带通滤波器B、模数转换器B，混频器B与信号源耦接；
接收信号预处理单元C耦接功分器B，包括依次耦接的混频器C、低通滤波器C、模数转换器C，混频器C还信号源耦接；
接收信号预处理单元D耦接功分器B，包括依次耦接的混频器D、带通滤波器D、模数转换器D，混频器D与信号源耦接；
数字信号处理器与模数转换器A、模数转换器B、模数转换器C、模数转换器D耦接；
信号接收处理部分的天线C极化状态与信号发射部分天线A极化状态一致，天线D极化状态与天线B极化状态一致。四组天线的收、发各自构成一组极化正交基，可实现回波的全极化接收。
优选的，信号源包括时钟源和分别与时钟源连接的锁相频率合成器A、锁相频率合成器B；
优选的，信号源包括直接数字频率合成器和分别与直接数字频率合成器连接的带有不同本振的上变频器A、上变频器B。
一种具有杂波抑制功能的协作式微波测量系统，包括主装置和从装置，主装置为所述协作式微波测量装置，从装置的结构示意图如图3所示，其为依次耦接的天线E，放大器和天线F；天线E接收主装置中信号发射部分发射的信号，经过放大器将信号放大后由天线F发出；天线E的极化状态同天线A极化状态一致；天线F的极化状态与天线B的极化状态一致。
一种具有杂波抑制功能的协作式微波测量方法，包括以下步骤：
步骤1.协作式微波测量装置的信号发射部分中，信号源产生两路对称三角波调制的线性调频连续波信号S1(t)与S2(t)，S1(t)与S2(t)分别由信号源中的锁相频率合成器A和锁相频率合成器B或信号源中的带有不同本振的上变频器A和上变频器B产生，分别输出至功率放大器A和功率放大器B，经放大后分别由天线A和天线B输出；S1(t)与S2(t)为协作式微波测量装置的距离测量信号，有相同的调频斜率u、带宽B、扫频周期T、起始扫频时间t0，但S1(t)与S2(t)的起始扫频频率不同，信号S1(t)与S2(t)的起始扫频频率分别为f1与f2，起始扫频频率差ΔF＝f2-f1；本实施例中，测量微波信号在X波段，调频斜率u＝8*10^11，带宽B＝400MHz，扫频周期T＝1ms。在本实施例中ΔF的选取的依据如下：
预先设定本发明测量装置的测量范围，这里取100米。计算此时接收信号预处理单元A与接收信号预处理单元C输出的最大频率为533KHz，计算公式为：Fmax＝100*2/c*u。因此这里为避免接收信号预处理单元A与接收信号预处理单元B所处理的不同信号间的串扰，选择ΔF＝2*Fmax≈1MHz。即f2-f1＝1MHz。
步骤2.信号源产生参考信号S01(t)并输出至混频器A，产生参考信号S02(t)并输出至混频器B，产生参考信号S03(t)并输出至混频器C，产生参考信号S04(t)并输出至混频器D；参考信号满足：
S01(t)＝S1(t)；
S02(t)＝S2(t)；
S03(t)＝S1(t)；
S04(t)＝S2(t)；
步骤3.协作式微波测量系统的从装置作为协作目标，天线E接收信号，经放大后由天线F发射信号，协作式微波测量系统的主装置中的天线C和天线D接收回波信号；
步骤4.功分器A将天线C接收的回波信号分离为S3(t)与S4(t)，功分器B将天线D接收的回波信号分离为S5(t)与S6(t)；
步骤5.接收信号预处理单元A接收来自功分器A的信号S3(t)，接收信号预处理单元A中的混频器A将来自功分器A的信号S3(t)与来自信号源的参考信号S01(t)混频，混频器A的输出信号经低通滤波器A滤波后得到信号S7(t)；
低通滤波器A的截止频率fca满足fca≥2*Lm/c*u，其中Lm是测量系统的预设测量距离，c为光速，u为调频连续波信号的调频斜率；计算得fca≥533KHz，这里取fca＝533KHz。
接收信号预处理单元B接收来自功分器A的信号S4(t)，接收信号预处理单元B中的混频器B将来自功分器A的信号S4(t)与来自信号源的参考信号S02(t)混频，混频器B的输出信号经带通滤波器B滤波后得到信号S8(t)；
带通滤波器B的中心频率为ΔF+Lm/c*u，带宽为2*Lm/c*u；带通滤波器B的中心频率为1267KHZ，带宽为533KHz。
接收信号预处理单元C接收来自功分器B的信号S5(t)，接收信号预处理单元C中的混频器C将来自功分器B的信号S5(t)与来自信号源的参考信号S03(t)混频，混频器C的输出信号经低通滤波器C滤波后得到信号S9(t)；
低通滤波器C的截止频率fcc满足fcc≥2*Lm/c*u；这里取fcc＝fca＝533KHz。
接收信号预处理单元D接收来自功分器B的信号S6(t)，接收信号预处理单元D中的混频器D将来自功分器的信号S6(t)与来自信号源的参考信号S04(t)混频，混频器D的输出信号经带通滤波器D滤波后得到信号S10(t)；
带通滤波器D的中心频率为ΔF+Lm/c*u，带宽为2*Lm/c*u；带通滤波器D的中心频率为1267KHZ，带宽为533KHz。
步骤6.模数转换器A将S7(t)采样得到对应离散信号S7(n)输入至数字信号处理器；模数转换器B将S8(t)采样得到对应离散信号S8(n)输入至数字信号处理器；模数转换器C将S9(t)采样得到对应离散信号S9(n)输入至数字信号处理器；模数转换器D将S10(t)采样得到对应离散信号S10(n)输入至数字信号处理器；n为正整数，1≤n≤采样点个数；
步骤7.将信号S8(n)与信号S10(n)作数字下变频，下变频频率fn＝ΔF/fs1，即使得信号S8(n)与信号S10(n)的频谱向负频率部分搬移fn，然后将所得信号变采样率至fs1，分别得到信号S81(n)与信号S101(n)；
优选的，采用正交数字下变频方式，模数转换器A与模数转换器C的采样率为fs1，fs1≥4*Lm/c*u；模数转换器B与模数转换器D的采样率为fs2,fs2≥2*(ΔF+2*Lm/c*u)；
在本实施例中取fs1＝2MHz；fs2＝4MHz，满足采样的需求。
步骤8.数字信号处理器对输入信号S7(n)、S81(n)、S9(n)、S101(n)进行处理，解算协作目标的位置x与协作目标的速度v。
这里以本发明在室内环境中的应用为例，图4为应用场景图。其中协作目标与本发明的测量装置间距离设置为19米。为简化分析，这里设置场景内只有1个协作目标且协作目标与本发明的测量装置保持相对静止。本场景的信号流程如下所述。
步骤8的具体过程如下：
步骤8-1.将信号S7(n)、S81(n)、S9(n)、S101(n)分别按调频斜率的正斜率段和负斜率段拆分，并通过补零使其数据长度增加为2M，得到八路数字信号S7+(n)、S7-(n)、S8+(n)、S8-(n)、S9+(n)、S9-(n)、S10+(n)、S10-(n)；其中M为正整数，2M≥采样点个数；这里取M＝10，2M＝4096。
步骤8-2.对步骤7-2得到的八路数字信号作长度为的快速傅里叶变换，得到八个序列：S7+(k)、S7-(k)、S8+(k)、S8-(k)、S9+(k)、S9-(k)、S10+(k)、S10-(k)，1≤k≤2M；
步骤8-3.分离出正斜率段信号S7+(k)、S8+(k)、S9+(k)、S10+(k)，作归一化：
Saa(k)＝S7+(k)；
Sbb(k)＝S8+(k)/S7+(k)；
Scc(k)＝S9+(k)/S7+(k)；
Sdd(k)＝S10+(k)/S7+(k)；
Saa(k)、Sbb(k)、Scc(k)、Sdd(k)分别构成一组正交极化基表示下的第k个距离单元回波的极化散射矩阵Z(k)的一个元素：
Figure BDA0001722571050000101
步骤8-4.计算Z(k)与协作目标极化散射矩阵Z0的相似性：
Figure BDA0001722571050000102
其中协作目标极化散射矩阵Z0为：
Figure BDA0001722571050000103
步骤8-5.分离出负斜率段信号S7-(k)、S8-(k)、S9-(k)、S10-(k)，作归一化：
Saa-(k)＝S7-(k)；
Sbb-(k)＝S8-(k)/S7-(k)；
Scc-(k)＝S9-(k)/S7-(k)；
Sdd-(k)＝S10-(k)/S7-(k)；
Saa-(k)、Sbb-(k)、Scc-(k)、Sdd-(k)分别构成一组正交极化基表示下的第k个距离单元回波的极化散射矩阵Z-(k)的一个元素：
Figure BDA0001722571050000104
步骤8-6.计算Z-(k)与协作目标极化散射矩阵Z0的相似性：
Figure BDA0001722571050000105
步骤8-7.分别对Ψ(k)与Ψ-(k)做谱峰搜索，分别找到各自的谱峰对应的k值k+与k-，计算得到的k+＝k-＝207，并计算协作目标的距离x与速度v：
Figure BDA0001722571050000106
Figure BDA0001722571050000107
图5为S65步骤输出结果Ψ(k)与|Scc(k)|2的对比图，|Scc(k)|2可认为是原始回波一维距离像。对比图5可以看出，步骤7-4至7-7可认为是回波信号被输入至了一个杂波抑制系统，Ψ(k)是杂波抑制的结果。图5直观的展示了本发明的杂波抑制效果。
前文所述的为本发明的优选实施例，优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有杂波抑制功能的协作式微波测量装置，其特征在于，包括信号发射部分和信号接收处理部分；
信号发射部分包括信号源、功率放大器A、功率放大器B、天线A和天线B；
信号源分别耦接功率放大器A与功率放大器B；功率放大器A耦接天线A，功率放大器B耦接天线B；天线A与天线B正交极化；
信号接收处理部分包括天线C、天线D、功分器A、功分器B、接收信号预处理单元A、接收信号预处理单元B、接收信号预处理单元C、接收信号预处理单元D和数字信号处理器；
信号接收处理部分中，天线C耦接功分器A；天线D耦接功分器B；
接收信号预处理单元A耦接功分器A，包括依次耦接的混频器A、低通滤波器A、模数转换器A，混频器A与信号源耦接；
接收信号预处理单元B耦接功分器A，包括依次耦接的混频器B、带通滤波器B、模数转换器B，混频器B与信号源耦接；
接收信号预处理单元C耦接功分器B，包括依次耦接的混频器C、低通滤波器C、模数转换器C，混频器C还信号源耦接；
接收信号预处理单元D耦接功分器B，包括依次耦接的混频器D、带通滤波器D、模数转换器D，混频器D与信号源耦接；
数字信号处理器与模数转换器A、模数转换器B、模数转换器C、模数转换器D耦接；
信号接收处理部分的天线C极化状态与信号发射部分天线A极化状态一致，天线D极化状态与天线B极化状态一致。
2.根据权利要求1所述的具有杂波抑制功能的协作式微波测量装置，其特征在于，信号源包括时钟源和分别与时钟源连接的锁相频率合成器A、锁相频率合成器B。
3.根据权利要求1所述的具有杂波抑制功能的协作式微波测量装置，其特征在于，信号源包括直接数字频率合成器和分别与直接数字频率合成器连接的带有不同本振的上变频器A、上变频器B。
4.一种具有杂波抑制功能的协作式微波测量系统，其特征在于，包括主装置和从装置，主装置为权利要求2或3所述的协作式微波测量装置，从装置为依次耦接的天线E，放大器和天线F；天线E接收主装置中信号发射部分发射的信号，经过放大器将信号放大后由天线F发出；天线E的极化状态同天线A极化状态一致；天线F的极化状态与天线B的极化状态一致。
5.一种使用权利要求4所述的具有杂波抑制功能的协作式微波测量系统的具有杂波抑制功能的协作式微波测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.信号发射部分中，信号源产生两路对称三角波调制的线性调频连续波信号S1(t)与S2(t)，分别输出至功率放大器A和功率放大器B，经放大后分别由天线A和天线B输出；S1(t)与S2(t)为协作式微波测量装置的距离测量信号，有相同的调频斜率u、带宽B、扫频周期T、起始扫频时间t0，但S1(t)与S2(t)的起始扫频频率不同，信号S1(t)与S2(t)的起始扫频频率分别为f1与f2，起始扫频频率差ΔF＝f2-f1；
S1(t)与S2(t)分别由信号源中的锁相频率合成器A和锁相频率合成器B或信号源中的带有不同本振的上变频器A和上变频器B产生；
步骤2.信号源产生参考信号S01(t)并输出至混频器A，产生参考信号S02(t)并输出至混频器B，产生参考信号S03(t)并输出至混频器C，产生参考信号S04(t)并输出至混频器D；参考信号满足：
S01(t)＝S1(t)；
S02(t)＝S2(t)；
S03(t)＝S1(t)；
S04(t)＝S2(t)；
步骤3.从装置作为协作目标，天线E接收信号，经放大后由天线F发射信号，主装置中的天线C和天线D接收回波信号；
步骤4.功分器A将天线C接收的回波信号分离为S3(t)与S4(t)，功分器B将天线D接收的回波信号分离为S5(t)与S6(t)；
步骤5.接收信号预处理单元A接收来自功分器A的信号S3(t)，接收信号预处理单元A中的混频器A将来自功分器A的信号S3(t)与来自信号源的参考信号S01(t)混频，混频器A的输出信号经低通滤波器A滤波后得到信号S7(t)；
接收信号预处理单元B接收来自功分器A的信号S4(t)，接收信号预处理单元B中的混频器B将来自功分器A的信号S4(t)与来自信号源的参考信号S02(t)混频，混频器B的输出信号经带通滤波器B滤波后得到信号S8(t)；
接收信号预处理单元C接收来自功分器B的信号S5(t)，接收信号预处理单元C中的混频器C将来自功分器B的信号S5(t)与来自信号源的参考信号S03(t)混频，混频器C的输出信号经低通滤波器C滤波后得到信号S9(t)；
接收信号预处理单元D接收来自功分器B的信号S6(t)，接收信号预处理单元D中的混频器D将来自功分器的信号S6(t)与来自信号源的参考信号S04(t)混频，混频器D的输出信号经带通滤波器D滤波后得到信号S10(t)；
步骤6.模数转换器A将S7(t)采样得到对应离散信号S7(n)输入至数字信号处理器；模数转换器B将S8(t)采样得到对应离散信号S8(n)输入至数字信号处理器；模数转换器C将S9(t)采样得到对应离散信号S9(n)输入至数字信号处理器；模数转换器D将S10(t)采样得到对应离散信号S10(n)输入至数字信号处理器；n为正整数，1≤n≤采样点个数；
步骤7.数字信号处理器对输入信号S7(n)、S8(n)、S9(n)、S10(n)进行处理，将信号S8(n)与信号S10(n)作数字下变频，下变频频率fn＝ΔF/fs1，即使得信号S8(n)与信号S10(n)的频谱向负频率部分搬移fn，然后将所得信号变采样率至模数转换器A与模数转换器C的采样率fs1，分别得到信号S81(n)与信号S101(n)；
步骤8.数字信号处理器对输入信号S7(n)、S81(n)、S9(n)、S101(n)进行处理，解算协作目标的位置x与协作目标的速度v。
6.根据权利要求5所述的具有杂波抑制功能的协作式微波测量方法，其特征在于，低通滤波器A的截止频率fca满足fca≥2*Lm/c*u，其中Lm是测量系统的预设测量距离，c为光速，u为调频连续波信号的调频斜率；
带通滤波器B的中心频率为ΔF+Lm/c*u，带宽为2*Lm/c*u；
低通滤波器C的截止频率fcc满足fcc≥2*Lm/c*u；
带通滤波器D的中心频率为ΔF+Lm/c*u，带宽为2*Lm/c*u。
7.根据权利要求5所述的具有杂波抑制功能的协作式微波测量方法，其特征在于，步骤8的具体过程如下：
步骤8-1.将信号S7(n)、S81(n)、S9(n)、S101(n)分别按调频斜率的正斜率段和负斜率段拆分，并通过补零使其数据长度增加为2M，得到八路数字信号S7+(n)、S7-(n)、S8+(n)、S8-(n)、S9+(n)、S9-(n)、S10+(n)、S10-(n)；其中M为正整数，2M≥采样点个数；
步骤8-2.对步骤7-2得到的八路数字信号作长度为的快速傅里叶变换，得到八个序列：S7+(k)、S7-(k)、S8+(k)、S8-(k)、S9+(k)、S9-(k)、S10+(k)、S10-(k)，1≤k≤2M；
步骤8-3.分离出正斜率段信号S7+(k)、S8+(k)、S9+(k)、S10+(k)，作归一化：
Saa(k)＝S7+(k)；
Sbb(k)＝S8+(k)/S7+(k)；
Scc(k)＝S9+(k)/S7+(k)；
Sdd(k)＝S10+(k)/S7+(k)；
Saa(k)、Sbb(k)、Scc(k)、Sdd(k)分别构成一组正交极化基表示下的第k个距离单元回波的极化散射矩阵Z(k)的一个元素：
Figure FDA0003538163620000031
步骤8-4.计算Z(k)与协作目标极化散射矩阵Z0的相似性：
Figure FDA0003538163620000041
其中协作目标极化散射矩阵Z0为：
Figure FDA0003538163620000042
步骤8-5.分离出负斜率段信号S7-(k)、S8-(k)、S9-(k)、S10-(k)，作归一化：
Saa-(k)＝S7-(k)；
Sbb-(k)＝S8-(k)/S7-(k)；
Scc-(k)＝S9-(k)/S7-(k)；
Sdd-(k)＝S10-(k)/S7-(k)；
Saa-(k)、Sbb-(k)、Scc-(k)、Sdd-(k)分别构成一组正交极化基表示下的第k个距离单元回波的极化散射矩阵Z-(k)的一个元素：
Figure FDA0003538163620000043
步骤8-6.计算Z-(k)与协作目标极化散射矩阵Z0的相似性：
Figure FDA0003538163620000044
步骤8-7.分别对Ψ(k)与Ψ-(k)做谱峰搜索，分别找到各自的谱峰对应的k值k+与k-并计算协作目标的距离x与速度v：
Figure FDA0003538163620000045
Figure FDA0003538163620000046
8.根据权利要求5所述的具有杂波抑制功能的协作式微波测量方法，其特征在于，步骤7中，采用正交数字下变频方式，模数转换器A与模数转换器C的采样率为fs1，fs1≥4*Lm/c*u；模数转换器B与模数转换器D的采样率为fs2,fs2≥2*(ΔF+2*Lm/c*u)。
9.根据权利要求5所述的具有杂波抑制功能的协作式微波测量方法，其特征在于，步骤7中，采用带通采样实现下变频，模数转换器A与模数转换器C的采样率为fs1，fs1≥4*Lm/c*u；模数转换器B与模数转换器D的采样率为fs2,fs2＝m*ΔF，其中m为≥1的正整数。
10.根据权利要求5所述的具有杂波抑制功能的协作式微波测量方法，其特征在于，参考信号通过以下方式获得：从信号源处或功率放大器A与天线A中间处添加定向耦合器模块，以获取参考信号S01(t)与S03(t)，然后从信号源处或功率放大器B与天线B中间处添加定向耦合器模块，以获取参考信号S02(t)与S04(t)。
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