步进频率雷达系统的校准方法与校准处理器
专利汇可以提供步进频率雷达系统的校准方法与校准处理器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种步进 频率 雷达系统的校准方法和校准处理器，应用于 步进频率 探地雷达等近场测量系统的校准。校准方法包括校准数据录取、校准参数计算和校准处理三个步骤。校准处理器由减法器、乘法器、加法器、除法器和 存储器 构成，实现的功能是对实际测量数据进行校准处理方程的计算。利用本发明不需其它的辅助测量设备，即可完成步进频率雷达系统的整体精确校准，同时实现操作简单方便、校准 精度 高、处理速度快的工程实用化效果。，下面是步进频率雷达系统的校准方法与校准处理器专利的具体信息内容。
1.一种步进频率雷达系统的校准方法，其特征在于针对步进频率雷达系统 频带范围内各频点，进行校准数据录取、校准参数计算、校准处理三个步骤：
第一步，校准数据录取
利用步进频率雷达系统录取校准数据，包括：在无目标情况下，对空测量 的接收信号b0；采用平面金属板作为参考目标，将其置于雷达天线正前方，通过 移动金属板，测量不同位置时的接收信号bk，并记录天线与金属板的间距Lk； 通过对系统频带范围内各频点进行步进扫描获得完整的校准数据；
第二步，校准参数计算
利用所录取的各频点校准数据计算出各频点的校准参数p1、p2和p3：
参数p1＝b0；
通过求解公式一的方程组获得参数p2和参数p3；
Γk·(bk-b0)·p3+Γk·p2＝bk-b0，k＝1，2，...，N (公式一)
其中Γk为不同位置金属板回波在雷达天线辐射口处的反射系数；N为移动金属 板的测量次数；
第三步，校准处理
利用校准参数对实际测量数据进行处理，计算出所对应的各频点的反射系 数Γr，计算方程如下：
(公式二)
上式中r是实际测量数据中的接收信号。
2.根据权利要求1所述的步进频率雷达系统的校准方法，其特征在于：若 将步进频率雷达系统视为双端口网络，则校准参数与双端口网络S参数的关系 为：p1＝a1S11，p2＝a1S12S21，p3＝S22，其中S11、S12、S21、S22为两个端口间的四 个S参数，端口2代表天线一侧的网络端口，另一网络端口则为端口1，a1表示 端口1的入射波。
3.一种校准处理器，其特征在于由减法器、乘法器、加法器、除法器和存 储器构成；存储器中存储有三个参数p1、p2和p3；减法器的输入分别为外部输 入数据r与存储器输出的参数p1，运算结果为r-p1；乘法器的输入分别为减法器 输出r-p1和存储器输出的参数p3，运算结果为p3(r-p1)；加法器的输入分别为乘 法器输出p3(r-p1)和存储器输出的参数p2，运算结果为p2+p3(r-p1)；除法器的 输入分别为减法器输出r-p1和加法器输出p2+p3(r-p1)，校准处理器的输出为除 法器的输出
技术领域
本发明涉及系统的校准方法，尤其是步进频率雷达系统的校准方法，可应 用于步进频率探地雷达等近场测量系统的校准方法。
背景技术
步进频率雷达系统受各种因素影响，容易出现信号相互耦合、波形畸变、 弱目标信号被杂波淹没等现象，制约了步进频率雷达系统的动态范围和分辨率。 其中天线对系统性能的影响较大，主要包括收发天线间的强耦合、近场测量时 天线与地面间的多次反射干扰、天线传输特性不理想造成的距离旁瓣等。雷达 系统中其它部分的影响主要有：发射机和接收机的幅度和相位不一致性引起的 失真、传输电路的失真、收发通道的耦合、IQ通道耦合、相位和增益误差引起 的IQ通道误差等，为克服这些影响，提升步进频率雷达系统的整体性能，必须 在校准技术上的取得创新性突破。
文献V.A.Mikhnev and P.Vainikainen，“Single-Reference Near-Field Calibration Procedure for Step-Frequency Ground Penetrating Radar，”IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing，Vol.41，No.1，pp.75-80，Jan.2003.和文献I. Nicolaescu，P.Genderen，and K.Palmer，“Calibration Procedures of a Stepped Frequency Continuous Wave Radar for Landmines Detection，”Proceeding of the International Radar Conference，pp.412-417，Sept.2003都采用了传统的双端口网 络S参数计算反射系数，以完成步进频率雷达系统的校准，并且提出采用单个参 考目标的S参数测量步骤。该方法考虑了天线耦合或反射、多次反射、天线传输 衰减等影响因素，应用于步进频率雷达天线校准，能够取得较好的效果。但上 述校准方法侧重于天线的校准，不能对雷达系统其它部分进行校准，如发射机、 接收机、数据传输和采样电路等，也即不能实现雷达系统的整体校准，以全面 改善系统性能。此外，上述校准方法需要从测量信号中直接或间接获得反射系 数，一般需要利用矢量网络分析仪等昂贵的微波测量设备，不适于野外操作和 广泛应用。若不借助其它测量设备，仅用步进频率雷达系统完成反射系数的测 量，需要独立测量发射信号和接收信号，不仅操作麻烦，而且测量连接方式、 测量状态不同，很难保证前后测量的信号相位和幅度的一致性，误差较大。
发明内容
本发明的技术方案是：一种步进频率雷达系统校准方法，其特征在于针对 步进频率雷达系统频带范围内各频点，进行校准数据录取、校准参数计算、校 准处理三个步骤：
第一步，校准数据录取。
利用步进频率雷达系统在微波暗室或者室外开放空间中进行校准数据的录 取，录取的校准数据包括：在无目标情况下，对空测量的接收信号b0；采用平面 金属板作为参考目标，将其置于雷达天线正前方，通过移动金属板，测量不同 位置时的接收信号bk，并记录天线与金属板的间距Lk。通过对系统频带范围内 各频点进行步进扫描获得完整的校准数据。
第二步，校准参数计算。
所需计算的校准参数为p1、p2和p3，其中参数p1表示雷达系统内部的耦合 信号，不仅包括收发天线的耦合，而且包含了发射和接收传输通道间的耦合； 参数p2表示发射信号经包括收发天线在内的发射通道和接收通道传输衰减后的 信号；参数p3反应雷达天线辐射的多次反射特性。若将整个步进频率雷达系统 视为双端口网络，则校准参数与双端口网络S参数的关系为：p1＝a1S11， p2＝a1S12S21，p3＝S22，其中S11、S12、S21、S22为两个端口间的四个S参数，端口2 代表天线一侧的网络端口，另一网络端口则为端口1，a1表示端口1的入射波。
在无目标情况下的对空测量，由于天线末端与空气匹配，可视为终端接匹 配负载的情况，此时的测量接收信号即为雷达系统内部的耦合信号，故有p1＝b0。
利用不同位置的金属板校准数据建立参数p2和参数p3的计算方程组如下：
Γk·(bk-b0)·p3+Γk·p2＝bk-b0，k＝1，2，…，N (公式一) 式中Γk为不同位置金属板回波在雷达天线辐射口处的反射系数，可利用天线与 金属板的间距Lk通过计算得到；bk-b0为去除雷达系统内部耦合后的金属板信 号；N为移动金属板的校准数据录取次数。通过方程组求解获得参数p2和参数 p3。
利用所录取的各频点校准数据，通过上述方法可以计算出各频点的校准参 数p1、p2、p3。
第三步，校准处理。
校准处理是利用校准参数对实际测量数据进行处理，计算出所对应的反射 系数Γr。校准处理是对步进频率的每个频率点进行计算，可以有效解决发射和 接收通道在各频率点的不一致性问题。校准处理的计算方程如下：
(公式二)
校准处理是基于雷达接收信号r和三个校准参数，r实际已含有雷达系统内 部接收和发射传输通道各部分的影响，包括发射机、天线、接收机、采样电路、 放大与滤波电路、传输电缆等。因此，校准处理后不仅能够消除天线的不利影 响，而且能够消除雷达其它部分的影响，实现步进频率雷达的整体系统校准。
本发明的步进频率雷达系统校准方法的创新点在于提出新的校准参数和校 准处理方程。用于校准参数计算的校准数据是利用步进频率雷达来录取获得， 不需要其它测量设备，并且利用校准参数对实际测量数据直接进行校准处理， 计算出反射系数。不仅简化了校准数据录取和校准处理的过程，有很好的工程 实用性，而且能够消除步进频率雷达系统各部分的影响，避免独立测量发射信 号和接收信号的不一致性问题，很大程度地提高系统校准效果，经校准处理后 的信号在信杂比、波形、分辨率等各方面能够获得较大提高。
本发明还提供一种校准处理器装置，该装置的功能是对实际测量数据进行 公式二的处理，本装置由减法器、乘法器、加法器、除法器和存储器构成。存 储器内存储三个计算出的校准参数p1，p2和p3。减法器的输入分别为实际测量 数据r与存储器输出的参数p1，运算结果为r-p1。乘法器的输入分别为减法器输 出r-p1和存储器输出的参数p3，运算结果为p3(r-p1)。加法器的输入分别为乘法 器输出p3(r-p1)和存储器输出的参数p2，运算结果为p2+p3(r-p1)。除法器的输 入分别为减法器输出r-p1和加法器输出p2+p3(r-p1)，运算结果为反射系数Γr。 校准处理器置于步进频率雷达的数据采集电路之后，对实际测量数据进行校准 处理。
本发明的校准处理器是基于校准处理方程而构建，用于完成所提出的校准 方法中的校准处理步骤。校准处理器构成简单，计算速度快，能够实现测量数 据的实时快速校准处理，并且易于工程实现。
附图说明
图1是本发明的步进频率雷达系统校准方法流程示意图；
图2是本发明一实施方式的校准处理器构成示意图；
图3是实际测量数据校准处理前后的时域合成波形对照图，(a)为实际测 量数据校准处理前的时域合成波形，(b)为该测量数据利用本发明校准处理后 的时域合成波形。
具体实施方式
图1所示为本发明提出的步进频率雷达系统校准方法流程示意图，包括校 准数据录取、校准参数计算、校准处理三个步骤。其中校准数据录取和校准参 数计算是在实际测量前完成，可以在实际探测场地进行，也可以事先在微波暗 室等其它场所进行。经过校准数据录取和校准参数计算得到校准参数，在校准 处理步骤中把实际测量数据和有关参数代入计算方程即可得到输出反射系数。 各步骤具体实施细节如下：
第一步，校准数据录取。
首先在室外开放空间或微波暗室中不放置任何目标，利用步进频率雷达系 统对空测量，录取各频率点下的接收信号b0；然后放置平面金属板，金属板尺寸 相比于天线要足够大，将其置于雷达天线正前方，利用步进频率雷达系统进行 测量并录取不同频率下的接收信号，通过移动金属板，录取不同位置时的接收 信号bk，并记录天线与金属板的间距Lk，间距Lk与实际测量时的天线与目标间 距相近，移动金属板的测量次数一般取3～10次。
第二步，校准参数计算。
校准参数p1为雷达系统内部的耦合信号，即近似为无目标情况下对空测量 的接收信号b0，故p1＝b0。
校准参数p2和p3的计算是先利用金属板校准数据bk构建方程组。用金属板 校准数据bk减去对空测量的接收信号b0，计算出去除雷达系统内部耦合后的金属 板信号。此外，利用金属板的位置信息Lk近似估计出金属板回波的反射系数Γk， 利用公式三，反射系数Γk的幅度估计采用多项式来拟合，相位则依据电磁波的 传播速度进行估计：
(公式三)
上式中C为真空电磁波速，αn为拟合多项式系数，M为多项式阶数。金属板回 波反射系数Γk的估计可以参考文献V.A.Mikhnev and P.Vainikainen， “Single-Reference Near-Field Calibration Procedure for Step-Frequency Ground Penetrating Radar，”IEEE Trans.on Geoscience and Remote Sensing，Vol.41，No.1， pp.75-80，Jan.2003。
由去耦合后的金属板信号bk-b0和反射系数Γk建立校准参数的计算方程组， 如公式一所示。方程组含两个未知参数，校准数据录取的测量次数N一般大于2， 故校准参数的计算为超定方程组的求解，可通过伪逆矩阵获得校准参数的最小 二乘解。
第三步，校准处理。
校准处理可利用公式二计算完成或由校准处理器实时完成，校准处理器的 内部构成如图2所示。校准处理器输入为实际测量数据，输出为校准后的反射 系数。
校准处理器内部完成公式二的校准处理，输入一个频率的测量数据，先与 相应频率的参数p1进行相减运算，即完成去除系统内部耦合处理，运算结果r-p1 分两路输出，第一路输出先与相应频率的参数p3相乘，再与相应频率的参数p2相 加得到p2+p3(r-p1)，第二路输出r-p1与第一路的运算结果p2+p3(r-p1)进行相 除，得到反射系数Γr。对每个频率的数据反复进行如上计算，最终可计算出各 频率点的校准后的反射系数。
校准处理后的数据可有效去除雷达系统各部分的不利影响，如收发天线间 的强耦合、近场测量时天线与地面间的多次反射干扰、天线传输特性不理想造 成的距离旁瓣、发射机和接收机的幅度和相位不一致性引起的失真、传输电路 的失真、收发通道的耦合等，实现步进频率雷达的整体系统校准，能够很大程 度地在信杂比、波形、分辨率等各方面提高信号质量。如图3所示为实际步进 频率雷达系统对一金属目标的探测数据处理结果，步进频率雷达的频率范围为 400～1198MHz，频点数为400，步进频率间隔为2MHz。(a)和(b)分别为校 准处理前后的时域合成波形，经对比可以看出位于前面的内部耦合波已基本去 除，后面的目标回波得以突现，信杂比提高，并且去除了拖尾，波形得到较大 改善，回波变窄，分辨率提高。
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