CN109597033A - 一种机场异物检测雷达中频泄漏信号的消除与校准方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于连续波雷达信号处理领域，公开了一种机场异物检测雷达中频泄漏信号的消除与校准方法及系统，方法包括下述步骤：(1)在暗室条件下采集探测器中频信号中的泄漏信号并对所述泄漏信号进行处理后获得校准波形；(2)当进行目标探测时，采集目标中频信号，并将所述目标中频信号与所述校准波形进行相消处理后获得目标的探测信号。本发明通过信号叠加的方法实现机场FOD雷达系统应用的调频连续波雷达泄漏三角波信号自动相消，提高系统的探测灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及连续波雷达信号处理领域，特别涉及一种应用于机场跑道异物检测雷达(FOD)中频泄漏信号的消除与校准方法及系统。
背景技术
机场跑道上可能存在各类外来遗留物体碎片，被称为Foreign Object Debris(FOD)，目前国内外的机场主要还是依靠人工检查的方式监察跑道。人工检查需要关闭机场跑道，使得航班次数被迫减少，降低跑道的交通流量。而遇到恶劣的天气时，完全依靠人工检查则存在很大的偏差，运行安全隐患依旧存在。因此需要FOD检测系统来完成跑道异物检测工作。
采用毫米波波段的FOD毫米波探测器，可以在全天候情况下，在跑道距离内探测到地面的微小物体，并给出目标的距离方位信息。再通过高清的摄像头对指定目标进行查证比对，可以实现机场跑道连续不间断的侦测，具有很大的优势。图1是一种典型的FOD单元安装方式，阵列化安装于跑道两侧，每个FOD单元覆盖一定的距离范围，从而实现整个跑道的覆盖。
FOD雷达一般基于调频连续波(FMCW)的雷达体制，其工作的原理如下图所示。FOD组件向外发射频率线性变化的毫米波信号，当遇到地面反射体后会产生反射，因为发射信号与振荡信号的延迟物体的反射信号到达FOD系统后与本振信号会产生频差，相混频得到中频信号，中频信号中含有与物体距离相关信息。发射信号可以通过三角波信号进行调制，差频的频率值与物体的距离成线性关系，差频的幅度与物体的大小与距离有关。
其工作波形的示意图如图2所示；距离为R的中频信息可由以下公式求得：根据雷达方程设计链路预算，最终合理分配FOD毫米波探测器核心芯片组电平指标针对FMCW雷达体制，链路预算中有以下几个关键参数： 其中，Pr接收功率；Pt发射功率；Gt发射天线增益(方向性)；Gr接收天线增益(方向性)；λ射频信号波长(空气中)；σ目标截面积；R目标距离；Simin最小可检测信号；k波尔兹曼常数，1.38E-23；T0工作温度；Bn噪声带宽；Fn接收机噪声系数；(S/N)omin最小信噪比(检测因子)；Pfa虚警概率；Pd发现概率；fm中频频率；ΔF有效调频带宽；C为光速。
对于系统可检测的信号幅度可由接收机噪声系统计算的工程公式求得，取工作带宽BW为10kHz，最小可检测信噪比S/N为10dB，接收机噪声系数为10，则最小可检测信号：Pmin＝-174dBm+10logBW+S/N+NF＝-114dBm；另一方面，对于在最远距离100米上测出RCS在0.01m2的物体，采用高增益天线G＝30dBi，λ＝3mm，则：
由此可见，可以满足信噪比的要求，但目标回波信号的大小往往幅度较小，需要进行较高增益的放大。一般的信号处理方法，首先对得到的中频信号进行滤波、放大，进入A/D采样完成数字化，最后进入数字信号处理分析，形成相关数据。
由前述分析可知，FOD的探测距离最远需要测到100米，最近需要测到3米～5米的目标，同等目标两者相差50dB以上。另外，由于振荡器发射信号的不平坦与隔离度有限，会产生调制信号相近的泄漏信号。单天线的隔离度一般较差，不超过30dB，双天线的隔离度一般不超过50dB，意味着与远处小目标的功率相差60dB以上。没有远处目标时系统泄漏与较近处目标的中频回波信号如图3所示。
单一的滤波可以抑制三角波或锯齿波的泄漏信号的幅度，但同时，因为在近距离范围内，目标信号在相近的频段，也受到了很大的抑制，信号损失很大，影响探测。如果采用较小的抑制滤波，则抑制度不够，在低频段会有较大的泄漏信号，数几倍或数十倍于干扰信号，这种情况下，不能采用较高的放大倍数，容易产生饱和。放大倍数减少后，远距离小目标由于幅度较小，受限于A/D的采样位数，较大的有用信号被采样量化损失了，降低了对于小目标的探测性能。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种机场异物检测雷达中频泄漏信号的消除与校准方法，旨在解决现有技术中由于泄漏信号幅度较大，泄漏到接收通道会产生较大的输出，影响有用信号的高灵敏度处理，导致对目标的探测性能差的问题。
本发明提供了一种机场异物检测雷达中频泄漏信号的消除与校准方法，包括下述步骤：
(1)在暗室条件下采集探测器中频信号中的泄漏信号并对所述泄漏信号进行处理后获得校准波形；
(2)当进行目标探测时，采集目标中频信号，并将所述目标中频信号与所述校准波形进行相消处理后获得目标的探测信号。
更进一步地，在步骤(1)中，对所述泄漏信号进行处理具体为：通过修改参数注入的幅度、频率、非线性参数，使得在探测频段达到最小的噪声水平，同时使三角波的泄漏控制在较小的范围，并将最优的波形作为所述校准波形。
更进一步地，暗室为微波暗室。
更进一步地，步骤(2)中，将所述目标中频信号与所述校准波形进行相消处理具体包括：
将采集的泄漏信号除去放大倍数后获得泄漏的原始信号；
产生与所述泄漏信号相位相反的加载信号；
将加载信号与泄漏的原始信号相减后获得所述目标的探测信号。
更进一步地，生成所述加载信号的过程中，当新的周期开始，若输出波形序列仍有数据则作舍弃处理；当新的周期开始，若输出波形不够输出的情况则以最后一个数值为定值补齐，直至新的周期开始。
本发明还提供了一种机场异物检测雷达中频泄漏信号的消除与校准系统，包括：
第一采集单元，用于在暗室条件下采集探测器中频信号中的泄漏信号；
处理单元，用于对所述泄漏信号进行处理后获得校准波形；
目标探测单元，用于当进行目标探测时将采集的目标中频信号与所述校准波形进行相消处理后获得目标的探测信号。
更进一步地，所述处理单元通过修改参数注入的幅度、频率、非线性参数，使得在探测频段达到最小的噪声水平，同时使三角波的泄漏控制在较小的范围，并将最优的波形作为所述校准波形。
更进一步地，所述目标探测单元包括：
第二采集单元，用于当进行目标探测时采集目标中频信号，
预处理单元，用于将采集的泄漏信号除去放大倍数后获得泄漏的原始信号；
加载信号获取单元，用于产生与所述泄漏信号相位相反的加载信号；
探测信号获取单元，用于将加载信号与泄漏的原始信号相减后获得所述目标的探测信号。
更进一步地，所述加载信号获取单元生成所述加载信号的过程中，当新的周期开始，若输出波形序列仍有数据则作舍弃处理；当新的周期开始，若输出波形不够输出的情况则以最后一个数值为定值补齐，直至新的周期开始。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述的消除与校准方法。
本发明利用泄漏信号相消的方法提高系统的探测性能。本发明通过信号叠加的方法实现机场FOD雷达系统应用的调频连续波雷达泄漏三角波信号自动相消，提高系统的探测灵敏度。同时，可以降低由于雷达系统泄漏引起的低频信号过大，提升探测距离范围内信号的放大倍数，减小系统A/D采样的量化误差，提升FOD系统的探测距离。
附图说明
图1为现有技术中提供的机场异物检测雷的安装方法示意图；
图2为现有技术中提供的FOD信号发射及回波波形示意图；
图3为现有技术中提供的系统泄漏与较近处目标的回波信号示意图；
图4为本发明实施例提供的FOD雷达系统暗室校准示意图；
图5为本发明实施例提供的FOD雷达系统注入相消及测试框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的方法是利用暗室条件下对探测器的中频信号进行采集，因为此时没有目标反射信号，中频信号只取决于系统中VCO功率输出的平坦度水平、输入的调制波波形、天线及组件的隔离度水平。将第一级放大器接入中频输出后，通过AD转换器对信号进行采集，得到系统的泄漏信号。将泄漏信号除去放大倍数，得到泄漏的原始信号，通过信号发生器产生与泄漏信号相反的加载信号。通过运算放大器将加载信号与泄漏信号相减得到处理后的中频信号，可以将泄漏信号的幅度降到较低的水平，同时可以对相消后的中频信号进行所需要的放大滤波处理，并通过A/D采样，得到相消后的系统噪声频谱。
当系统进行目标探测时，目标中频信号首先进入前续的中频放大与滤波。中频相消部分按照预设的相消波形进行注入，得到相消后的信号，相消后的信号幅度上明显下降，可以进行中频放大电路中进行放大得到较高的增益，有利于微小目标的探测。
本发明中，FOD雷达组件通过在微波暗室，或接收、发射天线通道接吸波材料，模拟无外部反射体的情况。通过高精度A/D采集仪进行采集，利用计算机进行频谱分析，不断调整对消波型参数实现在探测频段引入噪声最优，同时形成较高的三角波(锯齿波)等调制信号抑制。
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本发明提供了一种基于对消技术实现的FOD雷达探测系统三角波泄漏抵消方法，有效降低了中频信号中的三角波的信号幅度，可以实现较大增益的信号放大。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现机场异物检测雷达中频泄漏信号的消除与校准方法。
该消除与校准方法包括两个步聚：
第一步是在暗室条件下实现的，通过高精度的AD采样记录调制泄漏信号的波形，利用计算机软件进行时域与频域分析。通过修改参数注入的幅度、频率、非线性等参数，使无目标的情况下在探测频段达到最小的噪声水平，同时使三角波的泄漏控制在较小的范围。将最优的波形作为校准波形，用于后期的目标探测。
第二步，系统通过D/A转换器输出生成的校准波形，同时根据调整三角波的起始点作为输出波形的初始相位，一方面可以做到同步，另外一方面可以避免由于多周期相消后引起时序上的累积误差。在生成的波形中，如果新的周期开始，输出波形序列仍有数据作舍弃处理，如果新的周期开始，输出波形不够输出的情况则以最后一个数值为定值补齐，直至新的周期开始。系统采用晶体的时钟模式，精度较高，在整个周期内，由于时钟的误差，最多不会超过1-2个点数，几乎可以忽略。
本发明涉及一种基于波形相消技术实现FOD雷达中频信号泄漏相消的方法，在暗室条件下进行静态校准，在暗室条件下目标反射较小，系统的中频信号可以近似认为是由系统的泄漏信号导致的，从而实现系统泄漏信号的检测；在暗室条件下，通过采集泄漏信号，得到时域波形，并计算相应的频谱，通过在中频输出中注入与之相反的时域信号，实现最佳噪声条件下的较小泄漏波形输出。完成校准后的FOD雷达系统，通过预先存储的校准波形，可以达到较小的泄漏，系统实现较大的放大增益，从而实现高性能探测。
本发明利用中频对消技术实现FOD雷达调制泄漏信号的抵消，经抵消后的中频泄漏信号中的三角波成份明显下降，可以进行较大倍数的中频放大，满足后期A/D采样的信号幅度要求，减小量化误差，提高探测性能。
本发明还提供了一种机场异物检测雷达中频泄漏信号的消除与校准系统，包括：第一采集单元、处理单元和目标探测单元，其中，第一采集单元用于在暗室条件下采集探测器中频信号中的泄漏信号；处理单元用于对所述泄漏信号进行处理后获得校准波形；目标探测单元用于当进行目标探测时将采集的目标中频信号与所述校准波形进行相消处理后获得目标的探测信号。
作为本发明的一个实施例，处理单元通过修改参数注入的幅度、频率、非线性参数，使得在探测频段达到最小的噪声水平，同时使三角波的泄漏控制在较小的范围，并将最优的波形作为所述校准波形。
在本发明实施例中，标探测单元包括：第二采集单元、预处理单元、加载信号获取单元和探测信号获取单元，其中，第二采集单元用于当进行目标探测时采集目标中频信号；预处理单元用于将采集的泄漏信号除去放大倍数后获得泄漏的原始信号；加载信号获取单元用于产生与所述泄漏信号相位相反的加载信号；探测信号获取单元用于将加载信号与泄漏的原始信号相减后获得所述目标的探测信号。
作为本发明的一个实施例，加载信号获取单元生成所述加载信号的过程中，当新的周期开始，若输出波形序列仍有数据则作舍弃处理；当新的周期开始，若输出波形不够输出的情况则以最后一个数值为定值补齐，直至新的周期开始。
本发明通过信号叠加的方法实现机场FOD雷达系统应用的调频连续波雷达泄漏三角波信号自动相消，提高系统的探测灵敏度。同时，可以降低由于雷达系统泄漏引起的低频信号过大，提升探测距离范围内信号的放大倍数，减小系统A/D采样的量化误差，提升FOD系统的探测距离。本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种机场异物检测雷达中频泄漏信号的消除与校准方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)在暗室条件下采集探测器中频信号中的泄漏信号并对所述泄漏信号进行处理后获得校准波形；
(2)当进行目标探测时，采集目标中频信号，并将所述目标中频信号与所述校准波形进行相消处理后获得目标的探测信号。
2.如权利要求1所述的消除与校准方法，其特征在于，在步骤(1)中，对所述泄漏信号进行处理具体为：通过修改参数注入的幅度、频率、非线性参数，使得在探测频段达到最小的噪声水平，同时使三角波的泄漏控制在较小的范围，并将最优的波形作为所述校准波形。
3.如权利要求1或2所述的消除与校准方法，其特征在于，所述暗室为微波暗室。
4.如权利要求1-3任一项所述的消除与校准方法，其特征在于，步骤(2)中，将所述目标中频信号与所述校准波形进行相消处理具体包括：
将采集的泄漏信号除去放大倍数后获得泄漏的原始信号；
产生与所述泄漏信号相位相反的加载信号；
将加载信号与泄漏的原始信号相减后获得所述目标的探测信号。
5.如权利要求4所述的消除与校准方法，其特征在于，生成所述加载信号的过程中，当新的周期开始，若输出波形序列仍有数据则作舍弃处理；当新的周期开始，若输出波形不够输出的情况则以最后一个数值为定值补齐，直至新的周期开始。
6.一种机场异物检测雷达中频泄漏信号的消除与校准系统，其特征在于，包括：
第一采集单元，用于在暗室条件下采集探测器中频信号中的泄漏信号；
处理单元，用于对所述泄漏信号进行处理后获得校准波形；
目标探测单元，用于当进行目标探测时将采集的目标中频信号与所述校准波形进行相消处理后获得目标的探测信号。
7.如权利要求6所述的消除与校准系统，其特征在于，所述处理单元通过修改参数注入的幅度、频率、非线性参数，使得在探测频段达到最小的噪声水平，同时使三角波的泄漏控制在较小的范围，并将最优的波形作为所述校准波形。
8.如权利要求6或7所述的消除与校准系统，其特征在于，所述目标探测单元包括：
第二采集单元，用于当进行目标探测时采集目标中频信号，
预处理单元，用于将采集的泄漏信号除去放大倍数后获得泄漏的原始信号；
加载信号获取单元，用于产生与所述泄漏信号相位相反的加载信号；
探测信号获取单元，用于将加载信号与泄漏的原始信号相减后获得所述目标的探测信号。
9.如权利要求6-8任一项所述的消除与校准系统，其特征在于，所述加载信号获取单元生成所述加载信号的过程中，当新的周期开始，若输出波形序列仍有数据则作舍弃处理；当新的周期开始，若输出波形不够输出的情况则以最后一个数值为定值补齐，直至新的周期开始。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述的消除与校准方法。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109597033B (zh) | 2020-05-22 |
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