CN111693955A - 一种太赫兹调频连续波雷达高分辨率距离向重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太赫兹调频连续波雷达高分辨率距离向重建方法，目的是针对太赫兹调频连续波雷达距离向分辨率受限的问题，提出一种基于连续小波变换和多峰高斯拟合的高分辨率距离向软件重建方法；首先使用连续小波变换从原始的一维距离向中提取峰值信息，从而获取回波的数目与各个峰值的初值估计；然后，对各个回波进行多峰高斯拟合，提取各个回波精确的峰值幅度、位置和宽度等信息；最终使用上述参数对一维距离向进行重建，提升太赫兹调频连续波雷达的距离向分辨率。

Description

一种太赫兹调频连续波雷达高分辨率距离向重建方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，具体涉及一种太赫兹调频连续波雷达高分辨率距离向重建方法。

背景技术

由于太赫兹波独特的穿透性与非电离特性，太赫兹检测为艺术品保护、工业产品质量控制、封装集成电路(IC)无损检测和人员安检等提供了新的解决方案。而线性调频连续波技术，因其具有功率大、小型化、成本低、扫描速度快等特点，而得到广泛的应用。然而，由于混频器、倍频器和波导等器件的限制，信号的调频带宽有限，因而也制约了距离向的分辨率，给上述应用带来了诸多不便。

目前已提出多种方法来解决这一问题。硬件方面，包括在更高的频带工作或组合多个频带，来拓宽信号带宽。但这无疑增加了系统的实现难度。此外，多种信号处理方法也致力于提高距离向分辨率，同时保持系统的简便、小型和低成本等特点。Bing Dai将连续小波变换(CWT)用于距离向重建，此方法可以定性地识别一些小的或黏连的峰值，但是对于定量化的信息，例如峰值的幅度或精确的位置等信息，在变换前后会发生变化。因而只适合于定性分析。而在只有一个回波目标的前提下，Tak Ming Wong使用Sinc函数拟合回波峰值，实现峰值幅度、位置及宽度等信息的精确提取。但此方法的假设前提过于苛刻，制约了其适用性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种太赫兹调频连续波雷达高分辨率距离向重建方法，可以提高分辨率。

一种太赫兹调频连续波雷达高分辨率距离向重建方法，包括以下步骤：

步骤一：获取调频连续波雷达的一维距离向；

步骤二、使用连续小波变换从步骤一获得的一维距离向中提取峰值信息，从而获取回波峰值数目n与各个峰值的幅度、位置与宽度的初值；

步骤三、基于步骤二中获得的各个峰值的幅度、位置与宽度的初值，采用高斯函数来拟合一维距离向中的峰值：

G(f)＝aexp[-((f-b)/c)²]

其中系数a，b，c分别对应于回波峰值的振幅、位置与宽度；

则整个距离向可被多个高斯函数拟合：

上式中a_i，b_i，c_i为最终迭代后拟合得到的不同回波峰值所对应的振幅、位置与宽度。

步骤四、使用步骤三拟合参数a_i，b_i，c_i对一维距离向进行重建，得到R_fit(f)，由此提升太赫兹调频连续波雷达的距离向分辨率。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种太赫兹调频连续波雷达高分辨率距离向重建方法，目的是针对太赫兹调频连续波雷达距离向分辨率受限的问题，提出一种基于连续小波变换和多峰高斯拟合的高分辨率距离向软件重建方法；首先使用连续小波变换从原始的一维距离向中提取峰值信息，从而获取回波的数目与各个峰值的初值估计；然后，对各个回波进行多峰高斯拟合，提取各个回波精确的峰值幅度、位置和宽度等信息；最终使用上述参数对一维距离向进行重建，提升太赫兹调频连续波雷达的距离向分辨率。

附图说明

图1是本发明一种太赫兹调频连续波雷达高分辨率距离向重建方法流程图。

图2和3是两种典型的基于小波变换和高斯拟合的太赫兹调频连续波雷达距离向分辨率提升方法效果示意图。

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。

本发明的一种太赫兹调频连续波雷达高分辨率距离向重建方法，方法实施流程如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤一：获取调频连续波雷达的一维距离向：

线性调频连续波雷达的发射信号形式为：

S_T(t)＝exp[j2π(f₀t+1/2Kt²)] (1)

接收信号形式为：

S_RF(t)＝exp[j2π(f₀(t-τ)+1/2K(t-τ)²)] (2)

其中f₀为载频，t是脉冲重复间隔T内的时间变化，K为扫频速率，其等于信号带宽B与脉冲重复周期T的比，τ＝2R/c为目标时延，其中c为光速。

经去调频处理(混频滤波)后，中频回波的信号形式为

S_ZF(t)＝rect(t)·exp[j2π(f₀τ+Ktτ-1/2Kτ²)] (3)

其中矩形时间窗rect(t)保证了拍频信号的有效性并消除了由调制不连续性引起的误差。

对中频回波时域信号加汉宁窗后做傅里叶变换，从而获取一维距离向：

R(f)＝FFT[[S_ZF(t)]_{Hanning-window}] (5)

其中Hanning-window为汉宁窗函数，用于降低回波的副瓣；FFT为傅里叶变换。由于脉冲间隔T内的频率分辨率有限，一维距离向R(f)的距离分辨率ΔR受到信号带宽B的限制ΔR＝αc/2B，其中α为汉宁窗引入的主瓣展宽系数。

步骤二、使用连续小波变换从原始的一维距离向中提取峰值信息，从而获取回波的数目与各个峰值的初值估计；

对于距离向R(f)的连续小波变换为：

其中W(u,s)是小波母函数ψ(f)基于比例系数s和位置系数u的变换系数。为了得到更好的峰值信息提取效果，即变换系数和一维距离向中的目标回波得到更好的匹配，本发明使用Gauss2函数作为小波母函数。于此同时，选择合适的比例系数s，从而实现W(u,s)中峰值分辨率与峰值识别能力之间的折中。最后根据W(u,s)，完成回波峰值数目n、各个峰值幅度、位置与宽度的初值估计。

步骤三、对一维距离向进行多峰高斯拟合，提取各个回波精确的峰值幅度、位置和宽度等信息；

使用高斯函数来拟合一维距离向中的峰值：

G(f)＝aexp[-((f-b)/c)²] (7)

其中系数a，b，c分别对应于回波的振幅、位置与宽度。

因此整个距离向可被多个高斯函数拟合：

在拟合时，代入步骤二中估计的峰值初值(回波峰值数目、幅度、位置)，可以有效的提升拟合的速度与精度。其中n是步骤二中提取的回波数目。拟合过程中通过迭代使得原始距离向与拟合距离向的最小二范数ε最小，直至满足条件：最后一次迭代与上一次迭代最小二范数ε之差小于1％，此时对应的a_i，b_i，c_i为最终迭代后拟合得到的不同回波峰值所对应的振幅、位置与宽度。

步骤四、使用步骤三拟合参数a_i，b_i，c_i对一维距离向进行重建，提升太赫兹调频连续波雷达的距离向分辨率。

使用拟合得到的参数重建一维距离向

可以实现各峰值幅度、位置、宽度等参数更为准确的估计，提升太赫兹调频连续波雷达的距离向分辨率。于此同时，在二维扫描成像时，对整个扫描区域各扫描点的一维距离向拟合结果，可以对个峰值回波位置进行有效的调整，从而使某些成像面得到对齐，实现更好的成像效果。

一个典型的实施例如图2和3所示，图2实线为原始一维距离向(第二第三回波重叠)，虚线为经连续小波变换后的峰值检测。图3实线为原始一维距离向，虚线为高斯拟合后重建距离向，可见重建后距离分辨率提升(第二第三回波可分辨)。

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 (1)

1.一种太赫兹调频连续波雷达高分辨率距离向重建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：获取调频连续波雷达的一维距离向；

步骤二、使用连续小波变换从步骤一获得的一维距离向中提取峰值信息，从而获取回波峰值数目n与各个峰值的幅度、位置与宽度的初值；

步骤三、基于步骤二中获得的各个峰值的幅度、位置与宽度的初值，采用高斯函数来拟合一维距离向中的峰值：

G(f)＝aexp[-((f-b)/c)²]

其中系数a，b，c分别对应于回波峰值的振幅、位置与宽度；

则整个距离向可被多个高斯函数拟合：

上式中a_i，b_i，c_i为最终迭代后拟合得到的不同回波峰值所对应的振幅、位置与宽度。

步骤四、使用步骤三拟合参数a_i，b_i，c_i对一维距离向进行重建，得到R_fit(f)，由此提升太赫兹调频连续波雷达的距离向分辨率。

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