CN109581376A - 一种用于安检成像的vco扫频非线性校正方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于安检成像的VCO扫频非线性校正方法，首先设置VCO调整电压随时间变化的初始电压波形，将VCO调整电压进行M倍分频，通过AD采集分频信号，并通过相位解缠绕得到分频信号的相位，然后求解下次电压调整信号所需的差值，并生成新的VCO电压控制信号。本发明与现有技术相比，通过对正常工作的VCO输出信号的分频信号进行采集分析，计算得到下次线性调频连续波脉冲的电压调整信号。整个过程不需要额外的信号采集时间，具有连续校正的优点，适合应用于雷达占空比比较高的场合。

Description

一种用于安检成像的VCO扫频非线性校正方法
技术领域
本发明涉及一种用于安检成像的VCO扫频非线性校正方法。
背景技术
压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator，VCO)是一种振荡频率随控制电压变化的可调信号源，广泛应用于雷达收发机、降频变换器、雷达、自动测试***和数字无线通信***中。作为安检成像的频率源的核心元件，VCO的输出频率线性度决定了成像结果的距离分辨率和副瓣电平，然而受电调元件变容二极管固有调谐非线性和振荡器结构中高稳与宽带的矛盾的影响，VCO的射频输出在扫频过程中产生扫频非线性和功率起伏，其自身的调频线性度一般只能达到2％～5％，严重影响实际测距精度和距离分辨力。为了提高安检仪***的距离分辨能力，必须对VCO进行扫频非线性校正。
目前VCO线性校正技术主要分为3类：一是电抗补偿线性校正法，二是闭环线性校正法，三是开环线性校正法。电抗补偿线性校正的主要缺点是调试工作较繁琐，经线性校正后的VCO电调特性的波纹起伏较大，线性校正精度不易得到可靠的保证；闭环线性校正法的缺点是实现方案复杂、成本较大；开环线性校正的优点是其实现方案简单，成本小，在对VCO电调线性度有一定要求但又不是很高的场合特别适用。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于安检成像的VCO扫频非线性校正方法，该方法在***发射线性调频连续波脉冲的同时采集VCO输出的M倍分频信号，采用最小二乘法获得N阶多项式拟合系数，并根据多项式拟合结果调整下一脉冲的VCO的输入电压，从而迭代的完成线性校正。由于该方法在***发射线性调频连续波的同时采集校准信号，不需要增加单独的校准时间，实时性能好。该方法校准的是VCO输出信号的相位信息，可以长时间保持输出脉冲的初始相位的稳定，有效抑制了VCO温度漂移问题，适合用于长时间合成孔径成像中。
本发明的技术解决方案是：一种用于安检成像的VCO扫频非线性校正方法，包括如下步骤：
第一步，设置VCO调整电压随时间t变化的初始电压波形；
第二步，将VCO调整电压进行M倍分频，通过AD采集分频信号，并通过相位解缠绕得到分频信号的相位pi(t)；其中，i的初值为0；
第三步，求解第i+1次电压调整信号所需的差值Δvi(t)；
第四步，生成新的VCO电压控制信号vi+1(t)。
所述的设置VCO调整电压随时间t变化的初始电压波形v0(t)为
式中，vc为待输出线性调频连续波信号中心频率对应的VCO调整电压，vd为待输出线性调频连续波信号最高频率和最低频率对应的VCO调整电压之差，t为时间变量，T为待输出线性调频连续波信号的脉冲时长。
所述的相位解缠绕得到分频信号的相位pi(t)为
式中，为单位纯虚数，p0为对相位信号pi(t)进行Taylor展开后的第0项系数，vi(t)为迭代修正第i次后的VCO调整电压随时间t变化的电压波形和，i为正整数且初值为1，f(vi(t))为迭代修正第i次后的VCO调整电压对应的电调特性函数f(vi(t))。
所述的电调特性函数f(vi(t))的计算方法为
式中，表示对电调特性函数Taylor展开后第n阶多项式系数an的估计值，vc为待输出线性调频连续波信号中心频率对应的VCO调整电压，N为Taylor展开后多项式的阶数，为对相位信号pi(t)进行Taylor展开后的第0项系数p0的估计值，通过最小化相位误差
计算得到。
所述的第i+1次电压调整信号所需的差值Δvi(t)为
所述的生成新的VCO电压控制信号vi+1(t)的计算方法为
vi+1(t)＝vi(t)+αΔv(t),0<α≤1
其中，p(t)为VCO输出M分频信号相位对应的理想二次相位函数。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过对正常工作的VCO输出信号的分频信号进行采集分析，计算得到下次线性调频连续波脉冲的电压调整信号。整个过程不需要额外的信号采集时间，具有连续校正的优点，适合应用于雷达占空比比较高的场合；
(2)本发明通过对VCO输出信号的相位进行实时校正，相比只对频率进行校正的方法，具有温度漂移抑制好的优点，适合应用于长时间合成孔径成像中。
附图说明
图1为一种用于安检成像的VCO扫频非线性校正方法硬件图；
图2为一种用于安检成像的VCO扫频非线性校正方法流程图；
图3为基于多项式拟合的VCO线性校正效果图，a为VCO输入为锯齿波时VCO输出频率误差，b为第1次迭代校正后的频率误差，多项式阶数为5，c为第5次迭代校正后的频率误差，d为校正前后雷达脉冲压缩效果。
具体实施方式
本发明针对现有技术的不足，提出一种基于多项式拟合的VCO开环线性校正方法，该方法可以实时的完成线性校正，有效抑制了VCO温度漂移问题。
如图1所示为本发明的硬件原理框图，图2为一种用于安检成像的VCO扫频非线性校正方法流程图，其通过以下步骤实现：
第一步，通过FPGA+DA设置VCO调整电压随时间t变化的初始电压波形v0(t)，0表示该电压为未经过校正的初始电压。设置VCO调整电压为锯齿波信号，信号可以表示为：
式中，vc为待输出线性调频连续波信号中心频率对应的VCO调整电压，vd为待输出线性调频连续波信号最高频率和最低频率对应的VCO调整电压之差，t为时间变量，T为待输出线性调频连续波信号的脉冲时长。由于VCO电调特性为非线性函数，在理想锯齿波信号的控制下，VCO的振荡频率在一个脉冲时长T中不是按照线性规律变换的。所以VCO的线性度校正的目标是通过调节VCO的控制信号，使VCO的振荡频率在一个脉冲时长T中按线性规律变换。
第二步，将VCO输出的信号进行M倍分频，通过AD采集分频信号，并通过相位解缠绕得到分频信号的相位pi(t)。通常情况下VCO输出信号的频率比较高，不适合通过AD直接采集。为了既能采集VCO输出信号的相位信息，又能降低采样率，本发明中将VCO输出信号进行M倍分频，经过带通滤波器滤除谐波分量后，通过AD采集得到VCO的输出分频信号s(t)＝exp{jpi(t)}，并通过相位解缠绕方法得到分频信号的相位pi(t)。pi(t)体现了迭代修正第i次后VCO的输出信号M倍分频后信号的相位随时间t的变化，与迭代修正第i次后的VCO调整电压随时间t变化的电压波形vi(t)和VCO的电调特性函数f(vi(t))相关：
式中，为单位纯虚数。p0为对相位信号pi(t)进行Taylor展开后的第0项系数。
第三步，通过最小二乘法求解电调特性函数f(vi(t))的N阶多项式系数，得到电调特性函数f(vi(t))。VCO电调特性函数f(vi(t))为缓变的单调增函数，其高分频较小，对成像雷达***的脉冲压缩影响也小，可以忽略。因此对VCO电调特性函数用有限N阶多项式进行近似，即电调特性函数可以近似为：
式中表示对电调特性函数Taylor展开后第n阶多项式系数an的估计。式中，vc为待输出线性调频连续波信号中心频率对应的VCO调整电压。
本发明中通过最小二乘法求解估计参数和通过最小化相位误差：
求多项式系数的估计参数从而得到电调特性函数f(vi(t))，式中表示对相位信号pi(t)进行Taylor展开后的第0项系数p0的估计。
第四步，求解第i+1次电压调整信号vi+1(t)。设Δvi(t)＝vi+1(t)-vi(t)为第i+1次电压调整信号vi+1(t)与第i次电压调整信号vi(t)的差值。假设第i+1次电压调整后VCO输出的信号为理想的线性调频信号，VCO输出M分频信号的相位为理想的二次相位函数p(t)，可以通过解方程求解得到电压调整信号Δvi(t)：
第五步，生成新的VCO电压控制信号vi+1(t)。在Δvi(t)求解的过程中，存在测量误差、Taylor截断误差、多项式系数估计误差，为了增强该方法的鲁棒性，增加调整步长系数α。VCO电压调整信号vi+1(t)通过下列公式求解：
vi+1(t)＝vi(t)+αΔv(t),0<α≤1 (6)
式中α的取值，决定了迭代速度和稳定度，α越大迭代速度越快，α越小稳定度越好。
第六步，通过FPGA+DA设置VCO调整电压。将生成好的VCO调整电压存储至FPGA中，等待下一次触发到来时，通过DA输出至VCO，并跳转至第二步进行下一轮迭代。
图3为该方法的安检仪***中线性调频连续波生成模块中VCO扫频非线性校正的效果。线性调频连续波生成模块中VCO输出频率为3～3.75GHz，VCO输出信号经过耦合输出，并进行20倍分频后，通过AD采集校正。如图所示，图a为VCO输入为锯齿波时VCO输出频率误差，图b为第1次迭代校正后的频率误差，多项式阶数为5，图c为第5次迭代校正后的频率误差，可以看到通过校正，线性调频连续波脉冲信号的线性度得到了很大的提高。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种用于安检成像的VCO扫频非线性校正方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步，设置VCO调整电压随时间t变化的初始电压波形；
第二步，将VCO调整电压进行M倍分频，通过AD采集分频信号，并通过相位解缠绕得到分频信号的相位pi(t)；其中，i的初值为0；
第三步，求解第i+1次电压调整信号所需的差值Δvi(t)；
第四步，生成新的VCO电压控制信号vi+1(t)。
2.根据权利要求1所述的一种用于安检成像的VCO扫频非线性校正方法，其特征在于：所述的设置VCO调整电压随时间t变化的初始电压波形v0(t)为
式中，vc为待输出线性调频连续波信号中心频率对应的VCO调整电压，vd为待输出线性调频连续波信号最高频率和最低频率对应的VCO调整电压之差，t为时间变量，T为待输出线性调频连续波信号的脉冲时长。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于安检成像的VCO扫频非线性校正方法，其特征在于：所述的相位解缠绕得到分频信号的相位pi(t)为
式中，为单位纯虚数，p0为对相位信号pi(t)进行Taylor展开后的第0项系数，vi(t)为迭代修正第i次后的VCO调整电压随时间t变化的电压波形和，i为正整数且初值为1，f(vi(t))为迭代修正第i次后的VCO调整电压对应的电调特性函数f(vi(t))。
4.根据权利要求3所述的一种用于安检成像的VCO扫频非线性校正方法，其特征在于：所述的电调特性函数f(vi(t))的计算方法为
式中，表示对电调特性函数Taylor展开后第n阶多项式系数an的估计值，vc为待输出线性调频连续波信号中心频率对应的VCO调整电压，N为Taylor展开后多项式的阶数，为对相位信号pi(t)进行Taylor展开后的第0项系数p0的估计值，通过最小化相位误差
5.根据权利要求4所述的一种用于安检成像的VCO扫频非线性校正方法，其特征在于：所述的第i+1次电压调整信号所需的差值Δvi(t)为
6.根据权利要求5所述的一种用于安检成像的VCO扫频非线性校正方法，其特征在于：所述的生成新的VCO电压控制信号vi+1(t)的计算方法为
vi+1(t)＝vi(t)+αΔv(t),0<α≤1
其中，p(t)为VCO输出M分频信号相位对应的理想二次相位函数。
7.一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-权利要求6任一所述方法的步骤。
8.一种用于安检成像的VCO扫频非线性校正终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述的处理器执行所述的计算机程序时实现如权利要求1-权利要求6任一所述方法的步骤。
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