通過頻譜校正來改善成像質(zhì)量的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及數(shù)字信號(hào)處理和圖像處理領(lǐng)域，為提高FMCW雷達(dá)測(cè)距精度，提高頻率測(cè)量精度和測(cè)距精度，并最終提高成像質(zhì)量。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，通過頻譜校正來改善成像質(zhì)量的方法，根據(jù)當(dāng)前頻率值調(diào)整采樣點(diǎn)數(shù)，以滿足整周期采樣的要求，然后對(duì)譜線進(jìn)行精確校正，從而減少頻譜泄露和截?cái)嗾`差，提高頻率測(cè)量精度和測(cè)距精度，并最終提高成像質(zhì)量。本發(fā)明主要應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理和圖像處理。
【專利說明】通過頻譜校正來改善成像質(zhì)量的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及數(shù)字信號(hào)處理和圖像處理領(lǐng)域，尤其涉及通過頻譜校正來提高FMCW 雷達(dá)測(cè)距精度的方法，通過提高測(cè)距精度最終改善FMCW雷達(dá)成像質(zhì)量的方法。具體講，涉 及通過頻譜校正來改善成像質(zhì)量的方法。 技術(shù)背景
[0002] 近幾年來，調(diào)頻連續(xù)波（FMCW)雷達(dá)的理論和技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，F(xiàn)MCW雷達(dá)成像 主要是通過與（合成孔徑雷達(dá)）SAR相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)成像，主要應(yīng)用于軍用或者航空探測(cè)遙感 領(lǐng)域，成像規(guī)模較大、成本較高、遠(yuǎn)距離探測(cè)，而小型、近距離、高分辨率的利用FMCW雷達(dá)測(cè) 距方式的成像的方法卻很少見。
[0003] FMCW雷達(dá)成像的基本原理是利用發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)之間的頻率差測(cè)定距離，通 過將目標(biāo)物體的距離信息和差拍信號(hào)的幅值信息轉(zhuǎn)化為圖像的灰度信息，進(jìn)而獲得目標(biāo)的 輪廓圖像，為了實(shí)現(xiàn)較好的成像質(zhì)量，就要得到準(zhǔn)確的目標(biāo)距離值和差拍信號(hào)幅值，從而將 如何改善成像質(zhì)量的問題轉(zhuǎn)換為如何提高FMCW雷達(dá)測(cè)距精度問題。通常為了準(zhǔn)確得到差 拍信號(hào)的頻率值，要對(duì)差拍信號(hào)進(jìn)行頻譜分析來獲取目標(biāo)距離信息，即采用利用離散傅里 葉變換（DFT)或快速傅里葉變換（FFT)的方法將時(shí)域離散信號(hào)變?yōu)轭l域離散信號(hào)，然后根 據(jù)峰值譜線的位置和幅值確定回波信號(hào)的頻率和幅值信息。而在數(shù)據(jù)采集環(huán)境下，采集電 路和被測(cè)信號(hào)一般不具備同步關(guān)系，采集信號(hào)時(shí)一個(gè)被隨機(jī)截?cái)嗟碾x散信號(hào)。因此，會(huì)產(chǎn)生 頻率泄露和截?cái)嗾`差。采用FFT存在能量泄露和欄柵效應(yīng)，當(dāng)信號(hào)頻譜峰值譜線不能與頻 譜主瓣的中心重合時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生頻率測(cè)量誤差。通過提高信號(hào)采樣頻率、增加采樣窗口寬度 或在截?cái)鄶?shù)據(jù)后補(bǔ)零，均可降低旁瓣，減少泄露。但是，這些方法都增加計(jì)算量，不能滿足實(shí) 時(shí)測(cè)量的要求。通過選擇適當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)可以減少頻率泄露，但加窗傅里葉變換在抑制濾波 器組的副瓣時(shí)，也使主瓣的幅度下降、寬度增加，導(dǎo)致頻率分辨率下降、幅值不精確?，F(xiàn)有的 提高測(cè)距精度算法如采樣內(nèi)插法、FFT-CZT算法其基本思想都是先對(duì)信號(hào)做FFT變換、找到 譜峰所對(duì)應(yīng)的位置，然后再對(duì)譜峰所在區(qū)域局部增加采樣點(diǎn)，從而提高測(cè)距精度，這種方法 雖然在一定程度上減少了運(yùn)算量，但是為了達(dá)到一定的測(cè)距精度，需要增加的計(jì)算量還是 很大的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提高FMCW雷達(dá)測(cè)距精度，提高頻率測(cè)量精度 和測(cè)距精度，并最終提高成像質(zhì)量。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，通過頻譜校正來改善 成像質(zhì)量的方法，根據(jù)當(dāng)前頻率值調(diào)整采樣點(diǎn)數(shù)，以滿足整周期采樣的要求，然后對(duì)譜線進(jìn) 行精確校正，從而減少頻譜泄露和截?cái)嗾`差，提高頻率測(cè)量精度和測(cè)距精度，并最終提高成 像質(zhì)量。
[0005] 首先，調(diào)整采樣參數(shù)，實(shí)現(xiàn)整周期采樣，得到較為準(zhǔn)確的頻譜線，減少非整周期采 樣造成的誤差，主要分為兩步：
[0006] 1)確定第一次采樣參數(shù)，設(shè)定采樣頻率fs，按照調(diào)頻連續(xù)波FMCW中頻信號(hào)公式 A f = 4B A R/TC，B為發(fā)射信號(hào)帶寬，A R為距離分辨率，C是電磁波傳播速度，T為發(fā)射 信號(hào)掃頻周期，計(jì)算出頻率分辨率A f，再根據(jù)A f = fs/N，得到采樣點(diǎn)數(shù)N，進(jìn)行第一次采 樣得到校正前的差拍信號(hào)頻率f。
[0007] 2)固定采樣頻率fs，按照整周期采樣的要求，確定新的采樣點(diǎn)數(shù)M，M的計(jì)算方法 主要分為三步：（1)用fs除以f，f為校正前差拍信號(hào)頻率，得到一個(gè)信號(hào)周期包含的采樣 點(diǎn)數(shù)A = fs/f，（2)用N除以A得到實(shí)際采樣信號(hào)周期數(shù)Z，（3)對(duì)Z取整數(shù)并乘以A得到 調(diào)整后的采樣點(diǎn)數(shù)M，用新的采樣點(diǎn)數(shù)M和采樣頻率fs對(duì)信號(hào)進(jìn)行第二次采樣，經(jīng)過快速傅 里葉變換FFT計(jì)算后得到調(diào)整后的頻譜。
[0008] 對(duì)譜線進(jìn)行精確校正具體為，首先確定主瓣內(nèi)相鄰譜峰最高的兩條譜線，其中一 條是頻譜最大值譜線，設(shè)A坐標(biāo)為（fl，kl)，距離譜主瓣看做是關(guān)于中央峰值譜線對(duì)稱的， 則A關(guān)于其的對(duì)稱點(diǎn)B坐標(biāo)為（fl+2e，kl)，e為離散譜線中最大值與包絡(luò)曲線中央峰值譜 線最大值之間的間距，相當(dāng)于A所對(duì)應(yīng)的峰值譜線最大值是中央峰值譜線左偏e所得，此時(shí) 所有復(fù)包絡(luò)曲線中理論幅度為〇的譜線也均左偏e，從而產(chǎn)生點(diǎn)C，C點(diǎn)坐標(biāo)為（f2, k2)，經(jīng) 過分析可以知道，f2 = fl+l/T，T為發(fā)射信號(hào)的掃頻周期，D點(diǎn)為實(shí)際復(fù)包絡(luò)曲線的零點(diǎn)， 則D點(diǎn)位置為（f2+e，0)，B⑶三點(diǎn)可以近似為一條直線，則有如式（1)的線性關(guān)系：

【權(quán)利要求】
1. 一種通過頻譜校正來改善成像質(zhì)量的方法，其特征是，根據(jù)當(dāng)前頻率值調(diào)整采樣點(diǎn) 數(shù)，以滿足整周期采樣的要求，然后對(duì)譜線進(jìn)行精確校正，從而減少頻譜泄露和截?cái)嗾`差， 提1?頻率測(cè)量精度和測(cè)距精度，并最終提1?成像質(zhì)量。
2. 如權(quán)利要求1所述的通過頻譜校正來改善成像質(zhì)量的方法，其特征是，首先，調(diào)整采 樣參數(shù)，實(shí)現(xiàn)整周期采樣，得到較為準(zhǔn)確的頻譜線，減少非整周期采樣造成的誤差，分為兩 I K 少： 1) 確定第一次采樣參數(shù)，設(shè)定采樣頻率fs，按照調(diào)頻連續(xù)波FMCW中頻信號(hào)公式Λ f = 4B Λ R/TC，B為發(fā)射信號(hào)帶寬，Λ R為距離分辨率，C是電磁波傳播速度，T為發(fā)射信號(hào)掃頻 周期，計(jì)算出頻率分辨率Λ f，再根據(jù)Λ f = fs/N，得到采樣點(diǎn)數(shù)Ν，進(jìn)行第一次采樣得到校 正前的差拍信號(hào)頻率f。 2) 固定采樣頻率fs，按照整周期采樣的要求，確定新的采樣點(diǎn)數(shù)M，M的計(jì)算方法主要 分為三步：（1)用fs除以f，f為校正前差拍信號(hào)頻率，得到一個(gè)信號(hào)周期包含的采樣點(diǎn)數(shù) A = fs/f，（2)用N除以A得到實(shí)際采樣信號(hào)周期數(shù)Z，（3)對(duì)Z取整數(shù)并乘以A得到調(diào)整 后的采樣點(diǎn)數(shù)M，用新的采樣點(diǎn)數(shù)M和采樣頻率fs對(duì)信號(hào)進(jìn)行第二次采樣，經(jīng)過快速傅里葉 變換FFT計(jì)算后得到調(diào)整后的頻譜。
3. 如權(quán)利要求1所述的通過頻譜校正來改善成像質(zhì)量的方法，其特征是，對(duì)譜線進(jìn)行 精確校正具體為，首先確定主瓣內(nèi)相鄰譜峰最高的兩條譜線，其中一條是頻譜最大值譜線， 設(shè)A坐標(biāo)為（fl，kl)，距離譜主瓣看做是關(guān)于中央峰值譜線對(duì)稱的，則A關(guān)于其的對(duì)稱點(diǎn)B 坐標(biāo)為（fl+2e，kl)，e為離散譜線中最大值與包絡(luò)曲線中央峰值譜線最大值之間的間距， 相當(dāng)于A所對(duì)應(yīng)的峰值譜線最大值是中央峰值譜線左偏e所得，此時(shí)所有復(fù)包絡(luò)曲線中理 論幅度為〇的譜線也均左偏e，從而產(chǎn)生點(diǎn)C，C點(diǎn)坐標(biāo)為（f2, k2)，經(jīng)過分析可以知道，f2 =Π +1/Τ，T為發(fā)射信號(hào)的掃頻周期，D點(diǎn)為實(shí)際復(fù)包絡(luò)曲線的零點(diǎn)，則D點(diǎn)位置為（f2+e， 0)，BCD三點(diǎn)可以近似為一條直線，則有如式（1)的線性關(guān)系：

令 則式（1)可轉(zhuǎn)變?yōu)椋? 9
通過計(jì)算得到e，則根據(jù)f〇 = Π +e得到距離譜最大值對(duì)應(yīng)的頻率，即為校正后的差拍 信號(hào)頻率。頻譜峰值點(diǎn)也認(rèn)為在BCD所近似的直線上，則根據(jù)已知的BCD點(diǎn)的坐標(biāo)可以構(gòu) 造 BCD所在的直線方程式（3)，
將得到的f〇帶入式（3)中，得到距離譜最大值y，從而可以得到原信號(hào)的幅值信息。
【文檔編號(hào)】G01S13/89GK104391282SQ201410682029
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月24日
【發(fā)明者】史再峰, 張晨, 龐科, 吳憲順, 吳鵬飛, 郭煒 申請(qǐng)人:天津大學(xué)