CN116359871B - 一种信号处理方法和图像采集设备 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种信号处理方法和图像采集设备，方法包括：基于模拟中频频率获取目标回波信号；将目标回波信号进行复正交数字下变频处理，得到预成像信号；将预成像信号送入低阶滤波器进行滤波处理，得到雷达成像信号。本申请通过对目标回波信号采用复正交数字下变频处理，使得下变频后的目标回波信号输出的频谱基本为单边谱，仅需低阶滤波器对下变频后得到的预成像信号进行抽取即可，解决了现有技术中对回波信号进行处理时存在的处理时延较长、功耗消耗较大、处理成本较高的技术问题，实现了降低处理时延，减少功耗与处理成本的技术效果。

Description

一种信号处理方法和图像采集设备
技术领域
本发明实施例涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种信号处理方法和图像采集设备。
背景技术
步进频连续波信号是雷达、毫米波成像常用信号形式之一，但是基于平面多基MIMO(Multiple Input Multiple Output，多输入多输出)阵列高质量快速成像需要采集时间快、处理时延小、成本和功耗还要低，面临不小的挑战。
目前对于步进频连续波信号数字下变频的FPGA(Field Programmable GateArray，现场可编程逻辑门阵列)实现方式基本分为两种，一种是通过单通道ADC(Analog-to-Digital Converter，模拟数字转换器)实数采样，然后通过FPGA做实数正交下变频，再经过一个高阶的低通滤波器滤除镜像分量后抽取获得需要的信号；另一种是采用传统宽带双通道ADC，正交输出的IQ(In-phase同相，Quadrature正交)两路，再通过FPGA做复数正交下变频，最后经过抽取滤波器获得需要的信号。
但是，第一种方法对后级低通滤波器的阶数要求很高，否则会有较大的镜像泄露，因此在同等泄露水平要求下，对滤波器的阶数要求就更高，这样会大大增加处理时延和资源消耗；第二种方法会增加一倍的ADC通道数，从而增大了PCB布板面积和产品成本。
发明内容
本发明实施例提供一种信号处理方法和图像采集设备，解决了现有技术中对回波信号进行处理时存在的处理时延较长、功耗消耗较大、处理成本较高的技术问题。
本发明实施例提供了一种信号处理方法，所述信号处理方法包括：
基于模拟中频频率获取目标回波信号，其中，所述回波信号为向目标对象发射射频信号后反射回的信号，所述回波信号为单音信号，所述目标回波信号是由两个回波信号所构成的复信号，所述模拟中频频率由所述射频信号和本振混频后确定得到；
将所述目标回波信号进行复正交数字下变频处理，得到预成像信号；
将所述预成像信号送入低阶滤波器进行滤波处理，得到雷达成像信号，其中，所述低阶滤波器包括以下之一：抽取滤波器、级联积分梳状滤波器。
进一步地，所述模拟中频频率为模拟数字转换器的采样频率的四分之一。
进一步地，将所述目标回波信号进行复正交数字下变频处理，得到预成像信号包括：
将所述目标回波信号以频域的形式表示出来；
将所述目标回波信号下变频到基带频率，得到所述预成像信号的频域表示，其中，所述基带频率为0。
进一步地，将所述目标回波信号以频域的形式表示出来包括：
将所述目标回波信号用频域的形式表示为：其中，w1为所述回波信号的角频率，α为所述回波信号的初相。
进一步地，将所述目标回波信号下变频到基带频率，得到所述预成像信号的频域表示包括：
将所述目标回波信号的频率下变频到基带频率，得到所述预成像信号为：
其中，w2为数字信号处理频率，w2＝w1。
进一步地，基于模拟中频频率获取目标回波信号包括：
基于所述模拟中频频率获取一个所述回波信号作为所述实部信号，延迟一个采样时钟后获取另一个所述回波信号作为所述虚部信号，所述实部信号和所述虚部信号组成一个正交的复信号，所述复信号为所述目标回波信号，其中，所述采样时钟为模拟数字转换器的采样频率。
进一步地，在得到雷达成像信号之后，所述信号处理方法还包括：
利用所述雷达成像信号进行多输入多输出成像处理，得到图像数据，并将所述图像数据上传至上位机。
进一步地，在基于模拟中频频率获取回波信号之前，所述信号处理方法还包括：
接收上位机下发的成像指令，其中，所述成像指令中携带有采集所述回波信号的时序要求。
本发明实施例还提供了一种图像采集设备，所述图像采集设备使用上述任意实施例所述的信号处理方法实现图像的采集。
本发明实施例公开了一种信号处理方法和图像采集设备，方法包括：基于模拟中频频率获取目标回波信号；将目标回波信号进行复正交数字下变频处理，得到预成像信号；将预成像信号送入低阶滤波器进行滤波处理，得到雷达成像信号。本申请通过对目标回波信号采用复正交数字下变频处理，使得下变频后的目标回波信号输出的频谱基本为单边谱，仅需低阶滤波器对下变频后得到的预成像信号进行抽取即可，解决了现有技术中对回波信号进行处理时存在的处理时延较长、功耗消耗较大、处理成本较高的技术问题，实现了降低处理时延，减少功耗与处理成本的技术效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种信号处理方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种复正交下变频的处理流程图；
图3是本发明实施例提供的另一种信号处理方法的流程图；
图4是本发明实施例提供的又一种信号处理方法的流程图；
图5是本发明实施例提供的一种图像采集设备的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及附图中的术语“目标”等是用于区别不同对象，而不是用于限定特定顺序。本发明下述各个实施例可以单独执行，各个实施例之间也可以相互结合执行，本发明实施例对此不作具体限制。
图1是本发明实施例提供的一种信号处理方法的流程图。如图1所示，该信号处理方法具体包括如下步骤：
S101，基于模拟中频频率获取目标回波信号，其中，回波信号为向目标对象发射射频信号后反射回的信号，回波信号为单音信号，目标回波信号是由两个回波信号所构成的复信号，模拟中频频率由射频信号和本振混频后确定得到。
具体地，本申请提供的信号处理方法应用于FPGA，其获取的回波信号为射频信号，即拥有一定发射频率的电波，回波信号是由诸如雷达等成像设备发出电波，该电波在遇到目标对象时被反射所形成的，通常可以是步进频连续波(Stepped Frequency ContinuousWaveform，SFCW)，但不局限于SFCW，只要是单音信号都适用本申请提供的信号处理方法，其中，单音信号指的是单一频率的纯正弦信号。
在本发明实施例中，为了避免传统的对实信号进行正交下变频处理之后需要使用高阶的低通滤波器抽取需要的信号，需要对复信号进行复正交下变频处理，这样得到的成像信号没有镜频，仅需要低阶的滤波器即可抽取信号，更加节约成本，因此基于一定的采用时钟获取不同的回波信号作为目标回波信号的实部和虚部，组成一个复信号作为想要的目标回波信号。
可选地，模拟中频频率为模拟数字转换器的采样频率的四分之一。
具体地，射频信号与本振混频后的信号为模拟中频，模拟中频的频点通常为模拟数字转换器的采样频率的四分之一，即模拟中频频率为模拟数字转换器的采样频率的四分之一，由于对于正交信号来说，就是两路频率相同，相位相差90度的载波，一般用sin和cos表示，因此为了对采集到的目标回波信号进行复正交处理，需要设置模拟中频频率为模拟数字转换器的采样频率的四分之一，即采集的两路信号相差90度，分别作为目标回波信号的实部信号以及虚部信号，用于后续进行复正交处理。
可选地，S101具体包括：基于模拟中频频率获取一个回波信号作为实部信号，延迟一个采样时钟后获取另一个回波信号作为虚部信号，实部信号和虚部信号组成一个正交的复信号，复信号为目标回波信号，其中，采样时钟为模拟数字转换器的采样频率。
具体地，图2是本发明实施例提供的一种复正交下变频的处理流程图。如图2所示，为了避免传统的对实信号进行正交下变频处理之后需要使用高阶的低通滤波器抽取需要的信号，以及避免采用传统宽带双通道ADC输出正交信号时需要增大PCB布板面积和产品成本，在进行目标回波信号采集时，会使用混频器将发射的射频信号以及相匹配的接收到的本振信号进行混频处理，得到模拟中频频率，ADC采集会基于该模拟中频频率采集从目标对象上反射回的射频信号，即上述目标回波信号。
具体来说，ADC采集会获取一个回波信号，作为实部信号，即I＝cosw1t，再延迟一个采样时钟后采集另一个回波信号作为虚部信号Q＝sinw1t，使得目标回波信号成为一个具有实部和虚部的复信号。通过延迟一个采样时钟的方式采集目标回波信号，不仅得到了目标回波信号的实部信号以及虚部信号，还不需要使用双通道ADC，仅需要单路ADC就可以实现，降低了PCB布局布线的面积和成本。
可选地，在S101，基于模拟中频频率获取目标回波信号之前，信号处理方法还包括：接收上位机下发的成像指令，其中，成像指令中携带有采集目标回波信号的时序要求。
具体地，FPGA在接收到上位机下发的成像指令之后，基于成像指令中携带的时序要求对目标回波信号进行获取，其中，该时序要求指出了采集目标回波信号时需要间隔开的采用时钟的大小，以使得到的实部信号和虚部信号能够组成一个正交的复信号作为目标回波信号。
S102，将目标回波信号进行复正交数字下变频处理，得到预成像信号。
具体地，在基于模拟中频频率获取到目标回波信号之后，采用复正交数字下变频的方式，将目标回波信号下变频到零频，得到预成像信号。参见图2，具体使用数字控制振荡器(NCO，numerically controlled oscillator)对目标回波信号复正交数字下变频处理。
S103，将预成像信号送入低阶滤波器进行滤波处理，得到雷达成像信号，其中，低阶滤波器包括以下之一：抽取滤波器、级联积分梳状滤波器。
具体地，如图2所示，在对目标回波信号进行复正交数字下变频之后得到的预成像信号，基本是单边谱，镜像泄露较小，因此只需要选择较低阶的抽取滤波器或者级联积分梳状(Cascaded Integrator-Comb，CIC)滤波器，滤波器降低阶数后的处理时延和消耗资源会降低很多，因此可以在信号处理总体上减少处理时延以及资源消耗。
本申请通过对目标回波信号采用复正交数字下变频处理，使得下变频后的目标回波信号输出的频谱基本为单边谱，仅需低阶滤波器对下变频后得到的预成像信号进行抽取即可，解决了现有技术中对回波信号进行处理时存在的处理时延较长、功耗消耗较大、处理成本较高的技术问题，实现了降低处理时延，减少功耗与处理成本的技术效果。
在上述各技术方案的基础上，图3是本发明实施例提供的另一种信号处理方法的流程图，如图3所示，S102具体包括：
S301，将目标回波信号以频域的形式表示出来。
可选地，S301，将目标回波信号以频域的形式表示出来包括：将目标回波信号用频域的形式表示为：其中，w1为回波信号的角频率，α为回波信号的初相。
S302，将目标回波信号下变频到基带频率，得到预成像信号的频域表示，其中，所述基带频率为0。
可选地，S302具体包括：
将目标回波信号的频率下变频到基带频率，得到预成像信号为：
其中，w2为数字信号处理频率，w2＝w1。
具体地，对于传统的实信号来说，将其用频域的形式表示出来为：
由实信号的频域表达式可以看到，实信号在频域上具有对称谱，即以及将其下变频到基带频率之后，由于基带频率为零频，则需要令数字信号处理频率w2与回波信号的角频率w1相等，即令w2＝w1，此时会有和主信号幅度相当的残留频谱，需要高阶滤波器进行抑制。
但复信号(即上述目标回波信号)的频域表达式为：其在频域上不存在对称谱，因此将其下变频到基带频率之后，得到/>几乎没有镜像频谱，此时实部信号与虚部信号做复数乘法，相互抵消，最终得到的预成像信号I’以及Q’仅需要通过低阶滤波器抽取信号即可。
在上述各技术方案的基础上，图4是本发明实施例提供的又一种信号处理方法的流程图，如图4所示，S103之后，该信号处理方法还包括：
S401，利用雷达成像信号进行多输入多输出成像处理，得到图像数据，并将图像数据上传至上位机。
具体地，在利用低阶低通滤波器对预成像信号进行处理得到雷达成像信号，利用雷达成像信号进行多输入多输出(multiple input multiple output，MIMO)成像处理，由于使用本申请提供的信号处理方法对回波信号进行处理具有采集时间快，处理时延小，成本和功耗较低，完全满足MIMO快速成像所需要的采集时间快、处理时延小、成本和功耗低的需求，在得到雷达成像信号之后对其进行MIMO成像处理，得到最终的图像数据，并将图像数据上传至上位机中储存待用。
图5是本发明实施例提供的一种图像采集设备的结构图。
可选地，图像采集设备使用上述任意实施例中的信号处理方法实现图像的采集。
具体地，如图5所示，图像采集设备包括ADC采样单元51以及FPGA控制单元52，其中，ADC采样单元51的采样通道有多个，FPGA控制单元52包括下变频滤波抽取处理模块521以及MIMO成像模块522，ADC采样单元51与上位机50相连接，用于基于上位机50发送的成像指令获取目标回波信号，包括实部信号以及虚部信号，然后将实部信号以及虚部信号送入下变频滤波抽取处理模块521进行复正交数字下变频处理，得到预成像信号，再对预成像信号进行滤波抽取，得到雷达成像信号，最后将雷达成像信号送入MIMO成像模块522得到图像数据。MIMO成像模块522设置有网口驱动，能够将图像数据通过网络发送给上位机50储存待用。
在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
最后应说明的是，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种信号处理方法，其特征在于，所述信号处理方法包括：
基于模拟中频频率获取目标回波信号，其中，所述回波信号为向目标对象发射射频信号后反射回的信号，所述回波信号为单音信号，所述目标回波信号是由两个回波信号所构成的复信号，所述模拟中频频率由所述射频信号和本振混频后确定得到；
将所述目标回波信号进行复正交数字下变频处理，得到预成像信号；
将所述预成像信号送入低阶滤波器进行滤波处理，得到雷达成像信号，其中，所述低阶滤波器包括以下之一：抽取滤波器、级联积分梳状滤波器；
基于模拟中频频率获取目标回波信号包括：
基于所述模拟中频频率获取一个所述回波信号作为实部信号，延迟一个采样时钟后获取另一个所述回波信号作为虚部信号，所述实部信号和所述虚部信号组成一个正交的复信号，所述复信号为所述目标回波信号，其中，所述采样时钟为模拟数字转换器的采样频率。
2.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，所述模拟中频频率为模拟数字转换器的采样频率的四分之一。
3.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，将所述目标回波信号进行复正交数字下变频处理，得到预成像信号包括：
将所述目标回波信号以频域的形式表示出来；
将所述目标回波信号下变频到基带频率，得到所述预成像信号的频域表示，其中，所述基带频率为0。
4.根据权利要求3所述的信号处理方法，其特征在于，将所述目标回波信号以频域的形式表示出来包括：
将所述目标回波信号用频域的形式表示为：，其中，w1为所述回波信号的角频率，α为所述回波信号的初相。
5.根据权利要求4所述的信号处理方法，其特征在于，将所述目标回波信号下变频到基带频率，得到所述预成像信号的频域表示包括：
将所述目标回波信号的频率下变频到基带频率，得到所述预成像信号为：
，
其中，w2为数字信号处理频率，w2=w1。
6.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，在得到雷达成像信号之后，所述信号处理方法还包括：
利用所述雷达成像信号进行多输入多输出成像处理，得到图像数据，并将所述图像数据上传至上位机。
7.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，在基于模拟中频频率获取目标回波信号之前，所述信号处理方法还包括：
接收上位机下发的成像指令，其中，所述成像指令中携带有采集所述回波信号的时序要求。
8.一种图像采集设备，其特征在于，所述图像采集设备使用上述权利要求1至7中任一项所述信号处理方法实现图像的采集。
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