利用发射泄露对太赫兹FMCW成像雷达实时校正的方法

技术领域

本发明涉及太赫兹雷达与成像技术，具体是一种利用发射泄露对太赫兹FMCW成像雷达实时校正的方法。 

背景技术

太赫兹FMCW雷达由于其超高的成像分辨力而得到广泛的关注，然而，由于经过多次倍频和放大，这些器件的非线性会使雷达发射支路的调频连续波信号及接收支路混频器的本振信号都发生畸变，形成幅度和相位调制，分别用dj(t)和A(t)来表示，他们的存在会影响信号带内平坦度和与频率有关的相位延迟。 

发射和本振信号的相位和幅度调制也会被引入到中频信号，因此，一个单一目标的检测信号不再是理想的正弦波，而是变为： 

式中幅度和相位的调制项来自雷达信号和接收本振的乘积： 

A_IF(t，R)＝A_LO(t)·A_T(t-2R/c) 

与距离相关的幅度和相位调制来自发射信号到达和目标回波信号的传输时间。 

对于浅度调制，中频信号包含一个频率为f_IF的单频信号，其频谱会被一个表达式为 的频谱宽度展宽。该展宽会使雷达的距离分辨力恶化，并使太赫兹雷达图像变坏。需要对此非线性调制进行校正。 

目前常用的校正方法为事先校正法，在对实际的目标进行测试前，先在目标位置附近R0处放置一个强反射体，利用太赫兹雷达对该目标进行照射，并存储采集到的数字中频信号， 

接下来雷达所有的测量在进行谱分析之前都要扣除这一校正波形，因此，检测到的中频信号的幅度和相位调制表达式需要做如下修正： 

$A_{\mathrm{IF}}(t,R)\to \frac{A_{\mathrm{IF}}(t,R)}{A_0(t,R_0)}$

信号的频率也将偏移一个已知量Df_IF＝2KR₀/c，该值可以加回去从而得到绝对距离。只要幅度调制的补偿达到统一并且相位调制补偿到0，距离的展宽将会不明显。 

该方法具有如下缺陷： 

1.使用不方便，需随机器携带一个强反射体，并且校正前需将机器预热到实际工作时的状态，一般为半小时。 

2.校正无法做到实时，工作条件(如温度、目标距离等)一旦改变，需重新校正。 

由于太赫兹FMCW成像雷达多应用于对近程目标进行高分辨力成像(几米到几十米)，且一般采用收发分离的架构，发射信号不可避免的会泄露到接收机中，在一般系统中，需尽量进行隔离，以较小对接收机的影响。本设计中，正是利用该泄露信号完成对太赫兹雷达收发信道的实时校正。 

发明内容

本发明提出了一种利用发射泄露信号对太赫兹FMCW成像雷达进行实时校正的方法，利用对FMCW成像雷达系统不利但又难以消除的发射泄露信号进行收发信道进行校正，变不利为有利，校正可以对每个脉冲实时完成，能做到实时校正，不需要多长时间预热，并且校正率较高。 

本发明的技术方案如下： 

利用发射泄露对太赫兹FMCW成像雷达实时校正的方法，其特征在于：发射信号经发射天线的旁瓣耦合到接收天线的旁瓣上，信号被接收天线收集，假定发射天线到接收天线电磁波的传播路径长度为2R₀，根据FMCW雷达理论，耦合到接收机的发射信号会在FMCW雷达的中频上产生一个频率为Df_IF0＝2KR₀/c的频移，其中，Df_IF0为耦合产生的中频偏移频率，K为调频斜率，c为电磁波传播速度；同时，发射信号照射到距离为R的被测目标上经目标散射的回波信号也被接收天线收集，同样在会中频上产生一个频率为Df_IF＝2KR/c的频移，其中Df_IF为目标产生的中频偏移频率，R为被测成像目标与雷达的中心距离。由于目标可能不是点目标，故Df_IF可能不是一个单频信号，而是具有一定 的带宽。由于在一般的应用条件下，满足R>>R₀，从而有Df_IF>>Df_IF0，故在频域上，耦合产生的中频偏移频率Df_IF0和目标产生的中频偏移频率Df_IF可通过滤波实现分离，从而分别获得耦合信号产生的中频信号S₀(t,R₀)(I，Q两路，复信号)和由于目标散射产生的回波中频信号S(t,R)(I,Q两路，复信号)，计算S(t,R)/S₀(t,R₀),获得校正后的目标回波信号S_IF(t,R')＝S(t,R)/S₀(t,R₀)，从而完成对收发信道非线性的实时校正。其中，t为时间，R'为经过校正后计算获得的目标距离，目标实际距离R＝R'+R₀。 

其中，发射天线到接收天线的传播路径长度为2R₀(该值由收发天线间距决定，一般为几十厘米)，实际成像目标的中心距离为R(一般为几米到几十米)。 

该方法的具体处理流程如下： 

A.FMCW雷达开机并发射太赫兹信号，照射被成像目标； 

B.对信号处理单元中A/D采集每个脉冲得到的中频信号，进行N点复数的快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)得到中频信号频谱H(f)； 

C.取出中频信号频谱H(f)中频率范围在[0，f₀]∪[(f_s-f₀)，f_s](Df_IF0<f₀<Df_IF)范围内的信号，获得泄露产生的频谱H_R0(f)，即将H(f)频谱中f₀～(f_s-f₀)部分的频谱值置0得到H_R0(f)，其中，f_s为信号处理系统采样率，f₀为分离低通滤波器的截止频率，Df_IF0<f₀<Df_IF，其大小可根据收发天线的距离和目标的位置进行选取，具体方法为：根据雷达调频斜率参数K和收发天线距离2R₀估算Df_IF0，根据雷达调频斜率参数K和目标位置R估算Df_IF，f₀取两者之间的值均可，简便起见，可取f₀＝(Df_IF+Df_IF0)/2。 

D.取出H(f)频谱中频率范围在区间[f₀,(f_s-f₀)]内的频谱值，H(f)频谱中其余部分置0得到目标回波产生的频谱H_R(f)； 

E.分别对泄露产生的频谱H_R0(f)和目标回波产生的频谱H_R(f)进行N点逆快速傅里叶变换(Inversed FFT，IFFT)得到耦合信号产生的中频信号S₀(t,R₀)和目标散射产生的回波中频信号S(t,R)； 

F.计算S(t,R)/S₀(t,R₀),获得校正后的目标回波信号S_IF(t,R')＝S(t,R)/S₀(t,R₀)； 

G.利用校正后的数据S_IF(t,R')完成成像，目标上散射点的相对位置不变，距离雷达的位置通过R＝R'+R₀完成补偿。 

本发明的有益效果如下： 

1)利用对FMCW成像雷达系统不利但又难以消除的发射泄露信号对收发信道的非线性进行校正，变不利为有利，这也是本设计的创新点。 

2)校正可以对每个脉冲实时完成，环境变化对信道和回波造成的漂移可被校正在内，不需再单独考虑或者重新校正。 

3)除了增加部分的处理代码，无需额外增加或者改动硬件即可实现实时校正，也不需自带校正用的强散射体。 

附图说明

图1为采用本发明进行的实时校正示意图 

具体实施方式

如图1所示，驱动发射链的点频源和驱动接收链的点频源共用参考信号，以保证收发系统的相参性，基带信号一般为线性调频信号，通过与发射链驱动点频源和接收链驱动点频源混频分别调制到发射和接收链路，带通滤波后作为发射倍频放大链和接收倍频放大链的驱动信号。发射倍频放大链的输出经发射喇叭天线辐射出去形成太赫兹发射信号，发射信号经发射天线的旁瓣耦合到接收天线的旁瓣上，同时发射信号经发射天线的主瓣照射到目标上，经目标散射的回波信号也会进入接收天线主瓣，旁瓣耦合信号和目标回波信号均通过接收天线收集，假定发射天线到接收天线的传播路径长度为2R₀(该值由收发天线间距决定，一般为几十厘米)，则从太赫兹波传播路径上来讲，相当于在R₀处放置一反射目标，对于FMCW雷达来说，会在中频上产生一个频率为Df_IF0＝2KR₀/c的频移；假设实际成像目标的中心距离为R(一般为几米到几十米)，则目标产生的频率偏移在Df_IF＝2KR/c附近，由于R>>R₀，故在频域上，Df_IF0和Df_IF不会产生混叠，可以通过滤波的方法将其分离。从而分别获得耦合信号产生的中频信号S₀(t,R₀)(I，Q两路，复信号)和由于目标散射产生的回波中频信号S(t,R)(I,Q两路，复信号)，计算S(t,R)/S₀(t,R₀),获得校正后的目标回波信号S_IF(t,R')＝S(t,R)/S₀(t,R₀)，从而完成对收发 信道非线性的实时校正。其中，t为时间，R'为经过校正后计算获得的目标距离，目标实际距离R＝R'+R₀。 

该方法的具体处理流程如下： 

A.FMCW雷达开机并发射太赫兹信号，照射被成像目标； 

B.对信号处理单元中A/D采集每个脉冲得到的中频信号，进行N点复数的快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)得到中频信号频谱H(f)； 

C.取出中频信号频谱H(f)中频率范围在[0，f₀]∪[(f_s-f₀)，f_s](Df_IF0<f₀<Df_IF)范围内的信号，获得泄露产生的频谱H_R0(f)，即将H(f)频谱中f₀～(f_s-f₀)部分的频谱值置0得到H_R0(f)，其中，f_s为信号处理系统采样率，f₀为分离低通滤波器的截止频率，Df_IF0<f₀<Df_IF，其大小可根据收发天线的距离和目标的位置进行选取，具体方法为：根据雷达调频斜率参数K和收发天线距离2R₀估算Df_IF0，根据雷达调频斜率参数K和目标位置R估算Df_IF，f₀取两者之间的值均可，简便起见，可取f₀＝(Df_IF+Df_IF0)/2。 

D.取出H(f)频谱中频率范围在区间[f₀,(f_s-f₀)]内的频谱值，H(f)频谱中其余部分置0得到目标回波产生的频谱H_R(f)； 

E.分别对泄露产生的频谱H_R0(f)和目标回波产生的频谱H_R(f)进行N点逆快速傅里叶变换(Inversed FFT，IFFT)得到耦合信号产生的中频信号S₀(t,R₀)和目标散射产生的回波中频信号S(t,R)； 

F.计算S(t,R)/S₀(t,R₀),获得校正后的目标回波信号S_IF(t,R')＝S(t,R)/S₀(t,R₀)； 

G.利用校正后的数据S_IF(t,R')完成成像，目标上散射点的相对位置不变，距离雷达的位置通过R＝R'+R₀完成补偿。