一种基于PSK技术的宽带模拟复相关器实时校准方法

摘要

本发明公开了一种基于PSK技术的宽带模拟复相关器实时校准方法，涉及到采用模拟复相关器的综合孔径辐射计中，模拟复相关器会受到很多因素(环境温度、信号串扰等)的影响而引入随时间变化的相关偏置。引入的相关偏置对高灵敏度室内被动毫米波成像系统的影响是很大的，实时的消除复相关偏置也成了室内被动毫米波成像系统中的关键点和难点。该方法包括以下步骤：在室内被动毫米波成像系统本振链路加入两级移相器；放置噪声源，调整其增益参数；控制两级移相器作相位变化；用计算机对相关值进行数据采集；对采集数据进行处理校正。利用本发明可以实现实时消除系统相关偏置，其算法简单易实现，可以广泛应用于需要实时消除此类干扰的系统中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于PSK技术的宽带模拟复相关器实时校准方法，属于复相关器技术领域。

背景技术

在综合孔径辐射计是通过对不同基线干涉测量的复相关值进行处理，从而反演出被观察区域的亮温分布来识别刀具、易燃易爆等危险品。综合孔径辐射计由于其对人体无害、保护隐私、快速便捷等优点被广泛应用于地铁、机场等需要进行人体安检的场所。相关器是综合孔径辐射计的核心模块，而相关器又分为模拟相关器和数字相关器。模拟相关器与数字相关器比较具有以下优点：(1)高灵敏度。理论上讲，数字复相关器是对模拟信号进行了量化，是存在量化误差。其精度的极限是模拟复相关器的精度。因此，模拟复相关器比数字相关器的精度高。(2)实现上。体积小，功耗低，电路实现简单。(3)高速运算和宽带宽。对于数字复相关器在运算之前，需要要把模拟信号先量化采集，要实现高速运算就需要采用高速的AD采集，高速的AD采集难度是比较大的。而对于模拟复相关器的核心器件有移相器、检波器、低通滤波器和差分放大器，这些器件都可以很容易做到高速运算及宽带宽。

鉴于以上优点，模拟复相关器被广泛应用于高灵敏度快速成像辐射计中。但同时，模拟复相关器也存在一些难以避免的问题。模拟复相关的模拟器件受环境影响比较大，譬如器件的非线性、环境温度等因素。这些因素会导致相关偏置随时间漂移，而高灵敏度的辐射计检测的是微弱信号，很小的相关偏置对成像都会产生较大的影响，所以消除这些随时间变化的相关偏置成为采用复相关器的一个关键点也是难点。

现有的模拟复相关器模块，如图1所示，一般由公分模块、功率合成模块、低通滤波模块和差分放大器模块组成。提到的相关偏置为当无信号输入时，差分放大器输出端口的电压。相关偏置产生的原因由两部分组成：1)差分放大器输入端输入不同造成；2)差分放大器的不理想自身引入的偏置。传统的调节偏置电压的方法为：通过调节差分放大器输入的偏置电阻，以达到差分放大器输出端电压为0V。

传统的调试方法存在以下缺点：1)通过物理电阻的调节方式，手动调节，很难达到很高的精度；2)一次调节成型后，当偏置电压漂移时，需要再次调节时就需要拆开部件，调节偏置电阻，不仅麻烦而且在集成到系统的情况下是不允许的。3)当偏置电压漂移时间短到一定时间时，手动调节不能实现。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的什不足，提供一种基于PSK技术的宽带模拟复相关器实时校准方法，实现实时消除系统相关偏置，且方法简单易实现，可广泛应用于需要实时消除此类干扰的系统中。

本发明技术解决方案：一种基于PSK技术的宽带模拟复相关器实时校准方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤一：在采用宽带模拟复相关器的室内被动毫米波成像系统中的本振链路加入两级移相器，频率源模块的输出端接入到第一级移相器的输入端，第一级移相器的输出端接入到第二级移相器的输入端，第二级移相器的输出端接入到接收机混频器的输入端；

步骤二：放置噪声源，调整噪声源增益参数，在天线阵列前端放置一个噪声源，调整噪声源增益到采集卡可采集电压范围(±10V)；

步骤三：控制两级移相器作相位变化，控制第一级移相器相位做0°和180°交替变化；同时，控制第二级移相器相位做0°、20°…360°间隔变化；

步骤四：用计算机对相关值进行数据采集，采集相关结果对应的电压值；

步骤五：对采集数据进行处理校正，采用数据翻转对消处理方法得到相关值；

步骤六：拟合圆校准，对步骤五得到相关值的数据进行圆拟合校准。

所述步骤二，采用噪声源作为校准源，在天线阵列前端1m处放置一个点源。

所述步骤三中，控制第一级移相器相位做0°和180°交替变化时，变化周期为0.5ms。

所述步骤三中，控制第二级移相器相位做0°、20°…360°间隔变化时，间隔为20°，变化周期为1ms。

所述步骤四中，采集频率设置为3×10⁴bps。

所述步骤五中，数据翻转对消处理方法具体如下：把采集到的数据以1ms为周期进行分割，分别处理，再把1ms内的数据再分割为前0.5ms和后0.5ms，然后把前后0.5ms数据分别做平均运算后做差作为0°相位相关值，按照同样的方法得出20°、40°…360°的相隔20°的相关值。

所述拟合圆校正处理方法具体如下：

第一步：中心移位，也即去偏置

第二步：长短轴变换

第三步：相位变换

其中，(c_x，c_y)为椭圆中心坐标常数，为参数方程x分量的初始相位常数，为参数方程y分量的初始相位常数，r_x为参数方程x分量的轴长变量，r_y为参数方程y分量的轴长变量，θ为参数方程相位变量。

下面进一步说明本发明上述的原理及过程。

首先本发明探究产生模拟复相关器的相关偏置的原因，其次是使用移相器对复相关器进行实时消除的方法的原理，以及其具体实现步骤和数据校正处理。

(1)模拟复相关器原理及其相关偏置误差分析

复相关器通过对两个具有相位信息的信号进行乘法运算，得到复数乘法结果的实部和虚部。假设具有相同频率ω的两信号V₁(t)和V₂(t)，可以写成指数形式如下：

其中，A₁、A₂分别为信号V₁(t)和V₂(t)的幅度，θ₁、θ₂分别为信号V₁(t)和V₂(t)的初始相位。信号V₁(t)和V₂(t)的R₁₂复相关可以用期望形式表示为：

其中，A₁、A₂分别为信号V₁(t)和V₂(t)的幅度，θ₁、θ₂分别为信号V₁(t)和V₂(t)的初始相位，T为积分时间。

复相关器的功能框图如图1所示。根据图1，可以把式(1)和式(2)的两个信号V₁(t)和V₂(t)写为：

其中，a和信号V₁(t)的实部和虚部，b和信号V₁(t)的实部和虚部，A₁、A₂分别为信号V₁(t)和V₂(t)的幅度，θ₁、θ₂分别为信号V₁(t)和V₂(t)的初始相位，

功率合成后的信号分别为：

其中，R₁为a和b合成后信号；R₂为和合成后信号；I₁为a和合成后信号；I₂为和b合成后信号；A₁、A₂分别为信号V₁(t)和V₂(t)的幅度，θ₁、θ₂分别为信号V₁(t)和V₂(t)的初始相位。

经过功率检测和低通滤波后信号可写成：

其中R₁'、R₂'、I₁'和I₂'分别为信号R₁、R₂、I₁和I₂经检波器和滤波器后的信号，A₁、A₂分别为信号V₁(t)和V₂(t)的幅度，θ₁、θ₂分别为信号V₁(t)和V₂(t)的初始相位。K为二极管的检测灵敏度，为常数。而C_R+(t)、C_R-(t)、C_I+(t)、C_I-(t)分别表示对应差分放大器差分输入端的偏置电压，它们是时间的函数，随着时间不同温度环境发生变化会导致偏置电压发生漂移。

差分放大器的输出为：

其中V_real和V_imag分别为相关器运算后输出复信号的实部和虚部，A₁、A₂分别为信号V₁(t)和V₂(t)的幅度，θ₁、θ₂分别为信号V₁(t)和V₂(t)的初始相位。K为二极管的检测灵敏度常数，G为放大器的放大倍数，式(13)、(14)的最后一项G[C_R+(t)-C_R-(t)]和G[C_I+(t)-C_I-(t)]即为复相关器引入的随时间变化的相关偏置，也即本发明要消去的部分。

(2)PSK技术的宽带模拟复相关器实时校准算法

把式(1)和式(2)信号分别接入两个不同移相器的输入端，在时刻t，复相关器的输出信号即为式(14)、式(15)所示。经过很小的时间Δt后，假设信号基本保持不变，即V₁(t+Δt)≈V₁(t)和V₂(t+Δt)≈V₂(t)。下一时刻，保持信号V₁(t)的相位不变，而对信号V₂(t)的相位交上一时刻进行180度的移相后得到：

其中，V₁(t+Δt)为信号V₁(t)经过Δt后的信号，V₂₊₁₈₀(t+Δt)为信号V₂(t)经过Δt后在移相180度后的信号，a和信号V₁(t)的实部和虚部，b和信号V₁(t)的实部和虚部，A₁、A₂分别为信号V₁(t)和V₂(t)的幅度，θ₁、θ₂分别为信号V₁(t)和V₂(t)的初始相位。

然后再把移相后的信后经过功率检测和低通滤波后可写成：

其中R'₁₊₁₈₀、R'₂₊₁₈₀、R'₂₊₁₈₀和I'₂₊₁₈₀分别为信号R₁、R₂、I₁和I₂为输入信号为V₁(t+Δt)和V₂₊₁₈₀(t+Δt)时经检波器和滤波器后的信号，A₁、A₂分别为信号V₁(t)和V₂(t)的幅度，θ₁、θ₂分别为信号V₁(t)和V₂(t)的初始相位，K为二极管的检测灵敏度常数，C_R+(t+Δt)、C_R-(t+Δt)、C_I+(t+Δt)、C_I-(t+Δt)分别表示对应t+Δt时刻差分放大器差分输入端的偏置电压，而差分放大器的输出为：

其中V_real+180和V_imag+180分别为信号V₁(t+Δt)和V₂₊₁₈₀(t+Δt)相关运算后输出复信号的实部和虚部，A₁、A₂分别为信号V₁(t+Δt)和V₂₊₁₈₀(t+Δt)的幅度，θ₁、θ₂分别为信号V₁(t+Δt)和V₂₊₁₈₀(t+Δt)的初始相位。K为二极管的检测灵敏度，G为放大器的放大倍数，经过很小的时间Δt后，认为差分放大器的偏置电压也是基本保持不变的，也即C_R+(t+Δt)≈C_R+(t)、C_R-(t+Δt)≈C_R-(t)、C_I+(t+Δt)≈C_I+(t)和C_I-(t+Δt)≈C_I-(t)。

那么式(14)-(22)、(15)-(23)得到：

V_real-V_real+180＝KGA₁A₂cos(θ₁-θ₂)(24)

V_imag-V_imag+180＝KGA₁A₂sin(θ₁-θ₂)(25)

其中，A₁、A₂分别为信号V₁(t)和V₂(t)的幅度，θ₁、θ₂分别为信号V₁(t)和V₂(t)的初始相位，则式(24)、(25)即为得到消去偏置电压后的实部与虚部。

(3)数据采集处理

用计算机对相关值进行数据采集。用采集卡采集相关结果对应的电压值，采集频率设置为30k。把采集到的数据以1ms为周期进行分割，分别处理。再把1ms内的数据再分割为前0.5ms和后0.5ms，而后把前后0.5ms数据分别平均后做差作为0°行为相关值。同理得出20°、40°…360°的相关值。

(4)数据拟合圆校正算法

理想状态下，3)步骤中采集到的20°、40°…360°的相关值在一个圆周上，其轨迹方程可以写为：

圆的方程：(x-c_x)²+(y-c_y)²＝r²(26)

对应的参数方程：

其中，(cx,cy)为圆心坐标常数，为参数方程初始相位常数，r为圆参数方程半径变量，θ为参数方程相位变量。

但实际上，每个相位旋转点受到控制精度、随机噪声等影响下，不会理想的分布在圆周上而是离散的分布在圆周附近，这样加入误差的参数方程变化为(x和y中的参数r、不一致)：

其中，(c_x，c_y)为椭圆中心坐标常数，为参数方程x分量的初始相位常数，为参数方程y分量的初始相位常数，r_x为参数方程x分量的轴长变量，r_y为参数方程y分量的轴长变量，θ为参数方程相位变量。

此方程式即为带有一定误差的非标准椭圆模型。需要的是圆心的位置及半径的大小，以便为系统和复相关器提供调试参数，所以就需要把非标准椭圆方程校正为圆方程。接下来要把(28)式变换到中心为坐标原点的圆方程

第一步：中心移位，也即去偏置

第二步：长短轴变换

第三步：相位变换

式(30)可以改写为：

进一步可以变换为：

也即：

其中以上推导过程中，(c_x，c_y)均表示为椭圆中心坐标常数，均表示为参数方程x分量的初始相位常数，均表示为参数方程y分量的初始相位常数，r_x均表示为参数方程x分量的轴长变量，r_y均表示为参数方程y分量的轴长变量，θ均表示为参数方程相位变量。

以(33)为参数方程进行修正后，就能得到坐标在原点的圆，如图5所示。其中，“*”线型为原始数据，“.”线型数据为修正后的数据。

本发明与现有技术相比的优点在于：

传统的调试方法存在以下缺点：1)通过物理电阻的调节方式，手动调节，很难达到很高的精度；2)一次调节成型后，当偏置电压漂移时，需要再次调节时就需要拆开部件，调节偏置电阻，不仅麻烦而且在集成到系统的情况下是不允许的。3)当偏置电压漂移时间短到一定时间时，手动调节不能实现。

本发明的方法很好的解决了传统方法的不足，新方法的优点有：1)采用数字信号处理的方法消除相关偏置，非物理的手动调节，故只要有足够的数据采集精度就可以达到很高的相关偏置调节精度；2)由于新方法采用的是数字信号处理的方法，而当前数字信号的采集和处理速度是能够实现高速、实时消除相关偏置的；3)实施方法简单，不需要拆卸模块器件，也不需要借助实验室仪器就能完成，故可以方便的用于外场集成设备中。

附图说明

图1是本发明中的复相关器功能框图；

图2是本发明中的相关偏置数据采集系统；

图3是本发明中的相位翻转对消处理；

图4是本发明中的相关偏置消除前后点源成像；

图5是本发明中的拟合圆校准实例。

具体实施方式

下面将结合附图和实例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，现有的模拟复相关器模块，一般由公分模块、功率合成模块、低通滤波模块和差分放大器模块组成。本发明提到的相关偏置为当无信号输入时，差分放大器输出端口的电压。相关偏置产生的原因由两部分组成：1)差分放大器输入端输入不同造成；2)差分放大器的不理想自身引入的偏置。

如图2所示，本发明提供的一种基于PSK技术的宽带模拟复相关器实时校准方法是通过以下步骤实现的，具体系统实施框图如图2所示。

步骤一：在系统本振链路加入两级移相器。频率源的输出端接入到第一级移相器的输入端，第一级移相器的输出端接入到第二级移相器的输入端，第二级移相器的输出端接入到接收机混频器的输入端。如图2所示的本振链路部分。

步骤二：放置噪声源，调整其增益参数。在天线阵列前端特1m处放置一个可变增益噪声源，调整其增益到采集卡可采集电压范围(±10V)。

步骤三：控制两级移相器作相位变化。控制第一级移相器相位做0°和180°交替变化，变化周期为0.5ms；同时，控制第二级移相器相位做0°、20°…360°变化，间隔20°，变化周期为1ms。

步骤四：用计算机对相关值进行数据采集。用采集卡采集相关结果对应的电压值，采集频率设置为30k。

步骤五：对采集数据进行处理校正。把采集到的数据以1ms为周期进行分割，分别处理。再把1ms内的数据再分割为前0.5ms和后0.5ms，而后把前后0.5ms数据分别做平均运算后做差作为0°相位相关值。同理得出20°、40°…360°的相关值。最后对得到不同相位的相关值进行圆的拟合校准。图3为相位翻转对消前后数据处理结果，圆心的位置的物理意义为系统偏置，可以很明显的看出，翻转对消前后可以很好的消除了系统偏置。图4表示，翻转对消前后对点源成像的效果图，图4中的A为相关偏置消除前的图像，图4中的B为相关偏置消除后的图像，采用翻转对消算法后，可以直观上很清楚的看出点源。

步骤六：拟合圆校准。对步骤五中的翻转对消后的数据进行圆拟合校准。图5是翻转后采用拟合圆校准图。通过反旋转数据的离散程度，可以看出，拟合圆校准后进一步的消除了偏置。