CN109581310B - 一种时域脉冲雷达等效采样延时校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时域脉冲雷达等效采样延时校准方法，其包括：S1：粗调,通过直接向延时芯片写入延时控制字的方式实现；S2：细调,通过调节芯片FTUNE管脚的调谐电流/电压实现延时精度的微调；S3：快速校准,通过校准减小命令控制字的值，同时增加细调值使实际延时逼近理想值。本发明具有原理简单、操作简便、可提高采样速率和波形重建速率等优点。

Description

一种时域脉冲雷达等效采样延时校准方法

技术领域

本发明主要涉及到雷达检测技术领域，特指一种时域脉冲雷达等效采样延时校准方法。

背景技术

时域脉冲体制超宽带雷达结构简洁、性价比高，在隐蔽目标探测、目标识别和成像领域应用广泛。基于无载频脉冲的生命信号检测是超宽带雷达应用的研究热点，雷达生命探测仪、穿墙雷达是其中的典型应用。

雷达生命探测仪是一种用于灾后废墟下被困人员探测搜索的救援设备，一般采用超宽带雷达技术和多普勒频移原理，结合生物医学工程技术，实现生命体征目标的非接触探测，因其具有建筑废墟的强穿透性能、全天候适应能力等特性，成为灾后救援的重要设备。穿墙雷达是一种用于墙后或隐匿区域的人员探测搜索设备，一般采用超宽带雷达技术，能够穿透墙壁对墙后人员进行检测识别、墙后建筑结构进行反演成像，广泛用于反恐处突等场景，近年来需求广泛。

时域脉冲超宽带雷达基于目标回波信号的准周期、准静态特性，多采用等效时间采样方式完成对回波信号的高精度采样接收，参见图3为等效采样的原理示意图。等效采样又可分为模拟等效采样和数字等效采样两种。模拟等效采样信号在降频的过程中，可能会丢失部分原始信息，且回波利用率较低、电路调试难度大。而数字等效采样接收利用高速模数转换（A/D）对信号进行实时采样，回波利用率很高，电路灵活性好，实时采样不需要对信号进行降频，从而保留了信号的所有信息。

两种等效采样方式均利用延时芯片实现，受延时芯片自身的延时精度、温漂等影响，会导致系统的延时误差累计、误差增大，出现虚警、精度降低、系统稳定性差等现象，从而影响设备的性能。

也就是说，不管哪种等效采样技术，均需通过延时芯片实现。芯片自身存在延时误差及个体差异、延时精度随温度变化明显等问题，且雷达系统在工作过程中，随工作时间的延长、温升显著，导致系统的延时误差累积，当延时误差累积到一定程度时，接收数据产生错乱，导致虚警、测试误差增大等问题。急需通过校准的方式、把系统延时累积误差控制在系统性能可以接收的范围内，消除因延时误差雷达造成的虚警等问题，使雷达系统保持预设的测试精度。

目前等效采样系统延时方案存在如下问题：

1、延时芯片延时数值存在温度漂移以及芯片间的个体差异，导致系统延时误差存在长时积累，误差逐渐增大。

2、系统时钟周期T即ADC时钟周期（T=10ns）与延时芯片的50次（ts=200ps）的延时接缝存在偏差，容易导致虚警出现。

上述问题的根本原因为：

1）FPGA设置的延时值Tset与相对FPGA时钟刻度的实际延时值Ttrue存在误差；

2）延时芯片延时精度存在温度漂移；

3）整机系统的其他芯片的延时精度也会随着温度变化产生漂移；延时芯片的延时精度随温度变化如图4所示。

4）整机延时芯片的延时精度存在个体差异，如图5所示；

5）延时芯片设置的延时量以及FPGA时钟抖动和稳定度之间无相关性，两种延时量必然存在较大误差。

综上所述，延时系统的误差产生的原因包括：延时芯片的温度偏移、器件的个体差异、系统本身FPGA延时值与延时芯片的延时值之间的相对误差。针对上述分析，要消除上述延时误差必须精确测量出：延时芯片的延迟量相对FPGA的实际延时值Ttrue。得到Ttrue即可得到其与FPGA设置的延时值Tset之间的精确误差，并通过某种方式校正，相对误差最小化，从而解决上述问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、操作简便、可提高采样速率和波形重建速率的时域脉冲雷达等效采样延时校准方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种时域脉冲雷达等效采样延时校准方法，其包括：

S1：粗调；通过直接向延时芯片写入延时控制字的方式实现；

S2：细调；通过调节芯片FTUNE管脚的调谐电流/电压实现延时精度的微调；

S3：快速校准；通过校准减小命令控制字的值，同时增加细调值使实际延时逼近理想值。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S3的流程为：

在每帧开始前，首先测试当前时刻的实际延时值，然后与标准值作差求得差值Δt，并将Δt与延时芯片的数控延时步进Δts分别做除法运算和求余运算得到商值N和余数M；

设置下一帧的粗调值=CMD-N-1时，其中CMD为当前帧的命令控制字，距离标准值还差Δts-M个单位的时间；细调时通过调节细调值Δts-M个时间；

依此类推，在每一帧都会测试一次，计算出下一帧的粗调值和细调值。

作为本发明的进一步改进：所述粗调的分辨率是芯片自身具备的数控延时步进。

作为本发明的进一步改进：，所述校准方法用于模拟等效采样，或用于数字等效采样。

作为本发明的进一步改进：所述整机系统时钟为T、等效采样时钟ts计算，数据采样速率提升倍数为a=T/ts。

作为本发明的进一步改进：所述等效采样是通过多次触发、多次采样而获得并重建信号波形。

作为本发明的进一步改进：通过多次采样把在信号的不同周期中采样得到的数据进行重组，实现原始信号波形的重建。

作为本发明的进一步改进：采样一个点所需间隔的周期数=等效采样的速率/被测信号的频率，把高频、快速信号变成低频、慢速重复信号；在重复信号的每个周期或相隔几个周期取一个样，而每个取样点分别取自每个输入信号波形不同的位置上，若干个取样点成为一个周期，组成类似于原信号的一个周期的波形。

作为本发明的进一步改进：所述信号是可重复的。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的时域脉冲雷达等效采样延时校准方法，原理简单、操作简便，针对解决时域脉冲雷达等效采样延时误差累计造成的虚警、系统稳定性差等问题而提出，适用于模拟、数字等效采样模式的时域脉冲雷达接收机，同时也适用于类似需求的数据采样系统。

2、本发明的时域脉冲雷达等效采样延时校准方法，采用交织采样方法，可有效提升数据采样速率以及等效采样波形重建速率。同时，本发明提出的延时校准仿真模型，可以精确的模拟、预测延时误差，并展示校准后的效果，对延时系统误差的校准提供技术支持、校准效果预先展示，使预测、校准效果更直观。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是本发明在具体应用实例中快速校准的流程示意图。

图3是等效采样的原理示意图。

图4是芯片延时精度随温度变化图。

图5是延时精度个体差异的示意图。

图6是交织采样的原理示意图。

图7是数据排列的连接形式的示意图。

图8是本发明在具体应用实例中延时校准电路模型的示意图。

图9是本发明在具体应用实例中电路仿真波形图。

图10是本发明在具体应用实例中细调值测试曲线图。

图11是本发明在具体应用实例中细调延时与电压关系图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

接收机是超宽带脉冲雷达的核心单元，接收机性能决定了雷达系统的整体探测性能。时域脉冲超宽带雷达基于目标回波信号的准周期、准静态特性，多采用等效采样方式完成对回波信号的高精度采样接收。

超宽带雷达发射的时域脉冲信号一般为ns级，根据Nyquist （奈奎斯特）采样定理，采样频率至少应为信号最高频率的2倍， 对于ns量级的信号，存在难以实现或者实现代价太大而不能接受的问题。即：fs=2 ×fmax，其中fs为采样频率，fmax为最高频率。

本发明的时域脉冲雷达等效采样延时校准方法，就是利用等效采样的方式来化解此难题。本发明方法的原理为：通过多次触发、多次采样而获得并重建信号波形。具体为：通过多次采样， 把在信号的不同周期中采样得到的数据进行重组，从而实现原始信号波形的重建。采样一个点所需间隔的周期数=等效采样的速率/被测信号的频率。即等效采样的基本原理是把高频、快速信号变成低频、慢速重复信号。一般在重复信号的每个周期或相隔几个周期取一个样，而每个取样点分别取自每个输入信号波形不同的位置上，若干个取样点成为一个周期， 可以组成类似于原信号的一个周期的波形， 但是周期拉长了。

可以理解，在上述方案中，其前提条件信号必须是可重复的。

如图1所示，本发明的时域脉冲雷达等效采样延时校准方法，具体包括：

S1：粗调；

粗调是延时芯片的数控延时步进，通过直接向延时芯片写入延时控制字的方式实现，粗调的分辨率是芯片自身具备的数控延时步进（如：10ps）。

S2：细调；

细调是指通过调节芯片FTUNE管脚的调谐电流/电压实现延时精度的微调。

如通过DAC输出电流为0-20mA，经过放大电路后输出的电压范围为0-3V。接延时芯片的FTUNE管脚，通过调节电压对延时精度进行微调，其变化范围为0-60ps。延时芯片细调曲线如图11所示。

S3：快速校准；

在每帧开始前，首先测试当前时刻的实际延时值，然后与标准值作差求得差值Δt，并将Δt与延时芯片的数控延时步进Δts（如Δts=10ps）分别做除法运算和求余运算得到商值N和余数M。

由于根据实际测试的结果表明测试值一般都大于标准值，因此此时校准的目的就是要减小命令控制字的值，同时增加细调值使实际延时逼近理想值。

由于粗调的1个刻度为数控延时步进Δts（如Δts=10ps），因此设置下一帧的粗调值=CMD-N-1(CMD为当前帧的命令控制字)时，距离标准值还差10ps-M个单位的时间。

由于细调值的精度为1ps，此时通过调节细调值Δts-M个时间刚好使测试值逼近理想值。

然后，依此类推，在每一帧都会测试一次，并根据本次测试的结果而快速计算出下一帧的粗调值和细调值，整个流程如图2所示。

本发明的方法既适用于模拟等效采样又适用于数字等效采样方式。

进一步，参见图6，本发明基于数字等效采样方式又提出采用交织采样方式，用以提升整机系统数据刷新率的方案，其刷新率可提升倍数a=系统时钟周期T/采样周期ts（如T=10ns，ts=200ps，则a=50）。即，以整机系统时钟为T、等效采样时钟ts计算，数据采样速率可提升倍数a=T/ts。

根据等效采样原理，假设以每次ts=200ps的等效采样间隔采集1个点的数据，采样500次后将这500个点累加排列成一道完整的波形；而如果按照图6的（交织采样）模式则每次接收脉冲的上升沿到来时会一次连续采样m个点的数据，这m个点之间的时间间隔是10ns；如果按照200ps的延时间隔计算，则这两点之间刚好有50个时间间隔，因此交织采样的方法即每次接收脉冲到来时连续采样m个点，50轮(次)采样为1个周期，将数据按每列首尾相连即形成了50×m个点一道的回波数据。例如图7是每次采样10个点，共采样50次后排列形成一道回波的排列方式，按此方式排列一道回波数据的点数为10×50=500点。

基于上述本发明的方法，针对系统延时误差校准问题，本发明提出一种延时校准仿真模型，该延时校准仿真模型包括延时芯片、分频器、反相器、逻辑门（如：与门）等部分，如图8所示。用Modelsim仿真该电路模型可得仿真波形，如图9所示，通过仿真可以发现在P1为高期间P2、P3、P4的周期相同，并且周期T3=2×(Tand+Tdelay+Tnot)（Tand表示与门时延，Tdelay表示延时芯片时延，Tnot表示反相器时延），因此在Tp1已知的情况下，通过计数P3有多少个时钟周期，然后根据公式T3=TP1/cntP3（cntP3表示P3的数目）就可以算出T3的值，进而可测得Tdelay的值。如果Tp1越大cntP3就越多，最后计算的T3就越精确。由于T3的值一般非常小，在FPGA内部难检测到，因此对P3做分频（如：8分频），通过测分频时钟的周期再反推就可得到Tdelay的值，图10是实测的细调值曲线图。

通过上述延时校准仿真模型，可以精确的模拟、预测延时误差，并展示校准后的效果，对延时系统误差的校准提供技术支持、校准效果预先展示，使预测、校准效果更直观。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种时域脉冲雷达等效采样延时校准方法，其特征在于，包括：

S1：粗调；通过直接向延时芯片写入延时控制字的方式实现；

S2：细调；通过调节芯片FTUNE管脚的调谐电流/电压实现延时精度的微调；

S3：快速校准；通过校准减小命令控制字的值，同时增加细调值使实际延时逼近理想值；

所述步骤S3的流程为：

在每帧开始前，首先测试当前时刻的实际延时值，然后与标准值作差求得差值Δt，并将Δt与延时芯片的数控延时步进Δts分别做除法运算和求余运算得到商值N和余数M；

设置下一帧的粗调值＝CMD-N-1时，其中CMD为当前帧的命令控制字，距离标准值还差Δts-M个单位的时间；细调时通过调节细调值Δts-M个时间；

依此类推，在每一帧都会测试一次，计算出下一帧的粗调值和细调值。

2.根据权利要求1所述的时域脉冲雷达等效采样延时校准方法，其特征在于，所述粗调的分辨率是芯片自身具备的数控延时步进。

3.根据权利要求1-2中任意一项所述的时域脉冲雷达等效采样延时校准方法，其特征在于，所述校准方法用于模拟等效采样，或用于数字等效采样。

4.根据权利要求1-2中任意一项所述的时域脉冲雷达等效采样延时校准方法，其特征在于，整机系统时钟为T、等效采样时钟ts计算，数据采样速率提升倍数为a＝T/ts。

5.根据权利要求1-2中任意一项所述的时域脉冲雷达等效采样延时校准方法，其特征在于，所述等效采样是通过多次触发、多次采样而获得并重建信号波形。

6.根据权利要求5所述的时域脉冲雷达等效采样延时校准方法，其特征在于，通过多次采样把在信号的不同周期中采样得到的数据进行重组，实现原始信号波形的重建。

7.根据权利要求6所述的时域脉冲雷达等效采样延时校准方法，其特征在于，采样一个点所需间隔的周期数＝等效采样的速率/被测信号的频率，把高频、快速信号变成低频、慢速重复信号；在重复信号的每个周期或相隔几个周期取一个样，而每个取样点分别取自每个输入信号波形不同的位置上，若干个取样点成为一个周期，组成类似于原信号的一个周期的波形。

8.根据权利要求7所述的时域脉冲雷达等效采样延时校准方法，其特征在于，所述信号是可重复的。

Images