本發(fā)明涉及調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)，特別是涉及一種fmcw雷達(dá)的非線性誤差校正方法、系統(tǒng)、設(shè)備和介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、隨著雷達(dá)技術(shù)的迅猛發(fā)展，寬帶線性調(diào)頻連續(xù)波(fmcw)雷達(dá)在高分辨率成像領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。采用解線調(diào)體制的fmcw成像系統(tǒng)能夠以較低的采樣率獲取中頻信號(hào)，從而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。然而，實(shí)際系統(tǒng)中不可避免地存在非線性誤差，例如調(diào)制器非線性、溫度漂移和器件老化等。這些誤差對(duì)成像質(zhì)量產(chǎn)生了負(fù)面影響，降低了目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別的準(zhǔn)確性。

2、傳統(tǒng)的非線性校正方法主要分為硬件校正和軟件校正。硬件校正方法通過在硬件電路中動(dòng)態(tài)調(diào)整實(shí)時(shí)輸出的信號(hào)來減小非線性誤差，常見技術(shù)包括預(yù)失真補(bǔ)償、延遲相位檢測(cè)和延遲鎖相等。盡管這些方法可以實(shí)時(shí)輸出高線性的線性調(diào)頻信號(hào)，但對(duì)環(huán)境干擾極為敏感，導(dǎo)致校正結(jié)果不穩(wěn)定。此外，這些方法調(diào)試周期長(zhǎng)、設(shè)備成本高，且只能補(bǔ)償發(fā)射端的非線性誤差，無法解決接收端的非線性問題。

3、軟件校正方法則通過對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理來補(bǔ)償非線性誤差，具有靈活性高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。然而，現(xiàn)有的非線性誤差補(bǔ)償方法通常要求參考差頻信號(hào)具有較高的信噪比(snr)，并且在多個(gè)參考目標(biāo)彼此接近的情況下，難以有效提取非線性誤差。這些限制在實(shí)際工程應(yīng)用中顯著降低了補(bǔ)償方法的適用性和可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種fmcw雷達(dá)的非線性誤差校正方法、系統(tǒng)、設(shè)備和介質(zhì)，能夠從包含多個(gè)緊密間隔的噪聲目標(biāo)的參考信號(hào)中提取非線性誤差系數(shù)，并通過匹配解調(diào)來提高非線性誤差系數(shù)的估計(jì)精度，達(dá)到對(duì)非線性誤差的有效校正，從而提高fmcw雷達(dá)系統(tǒng)的成像質(zhì)量的效果。

2、第一方面，本發(fā)明提供了一種fmcw雷達(dá)的非線性誤差校正方法，所述方法包括：

3、根據(jù)fmcw雷達(dá)的回波信號(hào)，得到包含非線性誤差的差頻信號(hào)，采用變分非線性啁啾模式分解技術(shù)從所述差頻信號(hào)中提取第一時(shí)頻信號(hào)，并根據(jù)所述差頻信號(hào)和所述第一時(shí)頻信號(hào)，得到差頻信號(hào)誤差系數(shù)與第一時(shí)頻信號(hào)誤差系數(shù)之間的第一轉(zhuǎn)換關(guān)系；

4、對(duì)所述第一時(shí)頻信號(hào)進(jìn)行相位擬合，得到第一時(shí)頻信號(hào)誤差系數(shù)，根據(jù)所述第一轉(zhuǎn)換關(guān)系對(duì)所述第一時(shí)頻信號(hào)誤差系數(shù)進(jìn)行誤差系數(shù)轉(zhuǎn)換，得到差頻信號(hào)誤差系數(shù)，所述相位擬合包括高階多項(xiàng)式相位擬合和周期性多正弦相位擬合；

5、根據(jù)所述差頻信號(hào)誤差系數(shù)，構(gòu)建所述差頻信號(hào)對(duì)應(yīng)的匹配信號(hào)，并根據(jù)所述匹配信號(hào)對(duì)所述差頻信號(hào)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)和低通濾波，得到殘余信號(hào)；

6、判斷所述回波信號(hào)的信號(hào)類型，并根據(jù)所述信號(hào)類型，采用對(duì)應(yīng)的優(yōu)化算法，計(jì)算所述殘余信號(hào)的殘余信號(hào)誤差系數(shù)，所述信號(hào)類型包括單目標(biāo)信號(hào)和多目標(biāo)信號(hào)；

7、將所述差頻信號(hào)誤差系數(shù)和所述殘余信號(hào)誤差系數(shù)進(jìn)行組合，得到相位誤差校正因子，對(duì)所述差頻信號(hào)進(jìn)行時(shí)域重采樣，并根據(jù)所述相位誤差校正因子對(duì)重采樣的所述差頻信號(hào)進(jìn)行非線性校正，得到校正的所述差頻信號(hào)。

8、進(jìn)一步地，所述對(duì)所述第一時(shí)頻信號(hào)進(jìn)行相位擬合，得到第一時(shí)頻信號(hào)誤差系數(shù)的步驟包括：

9、采用最小二乘法對(duì)所述第一時(shí)頻信號(hào)進(jìn)行高階多項(xiàng)式擬合，得到高階多項(xiàng)式誤差系數(shù)；

10、獲取所述第一時(shí)頻信號(hào)的周期性多正弦相位誤差，對(duì)所述周期性多正弦相位誤差進(jìn)行自相關(guān)矩陣構(gòu)建和頻率搜索，得到頻率估計(jì)值；

11、根據(jù)所述頻率估計(jì)值構(gòu)建相位匹配函數(shù)，并根據(jù)所述相位匹配函數(shù)和所述周期性多正弦相位誤差，計(jì)算周期性多正弦相位誤差系數(shù)；

12、將所述高階多項(xiàng)式誤差系數(shù)和所述周期性多正弦相位誤差系數(shù)作為第一時(shí)頻信號(hào)誤差系數(shù)。

13、進(jìn)一步地，所述獲取所述第一時(shí)頻信號(hào)的周期性多正弦相位誤差，對(duì)所述周期性多正弦相位誤差進(jìn)行自相關(guān)矩陣構(gòu)建和頻率搜索，得到頻率估計(jì)值的步驟包括：

14、根據(jù)所述高階多項(xiàng)式誤差系數(shù)，得到高階多項(xiàng)式相位誤差，將所述第一時(shí)頻信號(hào)減去所述高階多項(xiàng)式相位誤差，得到周期性多正弦相位誤差；

15、構(gòu)建所述周期性多正弦相位誤差的自相關(guān)矩陣，對(duì)所述自相關(guān)矩陣進(jìn)行譜分解，并根據(jù)特征空間正交性對(duì)譜函數(shù)進(jìn)行峰值點(diǎn)的頻率搜索，得到頻率估計(jì)值。

16、進(jìn)一步地，所述并根據(jù)所述信號(hào)類型，采用對(duì)應(yīng)的優(yōu)化算法，計(jì)算所述殘余信號(hào)的殘余信號(hào)誤差系數(shù)的步驟包括：

17、響應(yīng)于所述信號(hào)類型為單目標(biāo)信號(hào)，對(duì)所述殘余信號(hào)進(jìn)行相位解纏，得到殘余信號(hào)相位，并對(duì)所述殘余信號(hào)相位進(jìn)行相位擬合，得到殘余信號(hào)誤差系數(shù)；

18、響應(yīng)于所述信號(hào)類型多目標(biāo)信號(hào)，采用變分非線性啁啾模式分解技術(shù)提取所述殘余信號(hào)的第二時(shí)頻信號(hào)，并根據(jù)所述殘余信號(hào)和所述第二時(shí)頻信號(hào)，得到殘余信號(hào)誤差系數(shù)與第二時(shí)頻信號(hào)誤差系數(shù)之間的第二轉(zhuǎn)換關(guān)系；

19、對(duì)所述第二時(shí)頻信號(hào)進(jìn)行相位擬合，得到第二時(shí)頻信號(hào)誤差系數(shù)，根據(jù)所述第二轉(zhuǎn)換關(guān)系對(duì)所述第二時(shí)頻信號(hào)誤差系數(shù)進(jìn)行誤差系數(shù)轉(zhuǎn)換，得到殘余信號(hào)誤差系數(shù)。

20、進(jìn)一步地，所述對(duì)所述差頻信號(hào)進(jìn)行時(shí)域重采樣，并根據(jù)所述相位誤差校正因子對(duì)重采樣的所述差頻信號(hào)進(jìn)行非線性校正，得到校正的所述差頻信號(hào)的步驟包括：

21、對(duì)所述差頻信號(hào)進(jìn)行時(shí)域重采樣，得到重采樣的所述差頻信號(hào)；

22、根據(jù)重采樣的所述差頻信號(hào)，構(gòu)建差頻信號(hào)相位模型，并對(duì)所述差頻信號(hào)相位模型進(jìn)行非線性校正，得到校正的差頻信號(hào)模型；

23、根據(jù)所述相位誤差校正因子，對(duì)校正的差頻信號(hào)模型進(jìn)行計(jì)算，得到校正的所述差頻信號(hào)。

24、進(jìn)一步地，采用如下公式表示所述差頻信號(hào)：

25、

26、式中，sbeat(t)表示t時(shí)刻包含非線性誤差的差頻信號(hào)，exp表示自然指數(shù)函數(shù)，j表示虛數(shù)單位，k表示高階多項(xiàng)式相位誤差的階數(shù)，ak表示差頻信號(hào)中高階多項(xiàng)式相位誤差的系數(shù)，m表示周期性多正弦相位誤差的階數(shù)，bm、fem和θm分別表示差頻信號(hào)中周期性多正弦相位誤差的幅值、頻率和初始相位；

27、采用如下公式表示所述第一時(shí)頻信號(hào)：

28、

29、式中，q表示回波信號(hào)中非線性調(diào)頻信號(hào)的個(gè)數(shù)，表示第一時(shí)頻信號(hào)中第q個(gè)非線性調(diào)頻信號(hào)的高階多項(xiàng)式相位誤差在第k階的系數(shù)，和分別表示第一時(shí)頻信號(hào)中第q個(gè)非線性調(diào)頻信號(hào)的周期性多正弦相位誤差在第m階的幅值、頻率和初始相位。

30、進(jìn)一步地，采用如下公式表示所述校正的差頻信號(hào)模型：

31、

32、a0＝f0τz

33、a1＝krτz

34、式中，nts表示重采樣之后的時(shí)間，η(nts)表示新的時(shí)間變量，z表示目標(biāo)數(shù)量，a0表示常數(shù)項(xiàng)，a1表示一次項(xiàng)，τz表示第z個(gè)目標(biāo)的時(shí)延，f0表示載波頻率，kr表示調(diào)頻率。

35、第二方面，本發(fā)明提供了一種fmcw雷達(dá)的非線性誤差校正系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

36、時(shí)頻分析模塊，用于根據(jù)fmcw雷達(dá)的回波信號(hào)，得到包含非線性誤差的差頻信號(hào)，采用變分非線性啁啾模式分解技術(shù)從所述差頻信號(hào)中提取第一時(shí)頻信號(hào)，并根據(jù)所述差頻信號(hào)和所述第一時(shí)頻信號(hào)，得到差頻信號(hào)誤差系數(shù)與第一時(shí)頻信號(hào)誤差系數(shù)之間的第一轉(zhuǎn)換關(guān)系；

37、誤差系數(shù)估計(jì)模塊，用于對(duì)所述第一時(shí)頻信號(hào)進(jìn)行相位擬合，得到第一時(shí)頻信號(hào)誤差系數(shù)，根據(jù)所述第一轉(zhuǎn)換關(guān)系對(duì)所述第一時(shí)頻信號(hào)誤差系數(shù)進(jìn)行誤差系數(shù)轉(zhuǎn)換，得到差頻信號(hào)誤差系數(shù)，所述相位擬合包括高階多項(xiàng)式相位擬合和周期性多正弦相位擬合；

38、誤差系數(shù)優(yōu)化模塊，用于根據(jù)所述差頻信號(hào)誤差系數(shù)，構(gòu)建所述差頻信號(hào)對(duì)應(yīng)的匹配信號(hào)，并根據(jù)所述匹配信號(hào)對(duì)所述差頻信號(hào)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)和低通濾波，得到殘余信號(hào)；

39、判斷所述回波信號(hào)的信號(hào)類型，并根據(jù)所述信號(hào)類型，采用對(duì)應(yīng)的優(yōu)化算法，計(jì)算所述殘余信號(hào)的殘余信號(hào)誤差系數(shù)，所述信號(hào)類型包括單目標(biāo)信號(hào)和多目標(biāo)信號(hào)；

40、非線性誤差校正模塊，用于將所述差頻信號(hào)誤差系數(shù)和所述殘余信號(hào)誤差系數(shù)進(jìn)行組合，得到相位誤差校正因子，對(duì)所述差頻信號(hào)進(jìn)行時(shí)域重采樣，并根據(jù)所述相位誤差校正因子對(duì)重采樣的所述差頻信號(hào)進(jìn)行非線性校正，得到校正的所述差頻信號(hào)。

41、第三方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)上述方法的步驟。

42、第四方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述方法的步驟。

43、本發(fā)明提供了一種fmcw雷達(dá)的非線性誤差校正方法、系統(tǒng)、設(shè)備和介質(zhì)。本發(fā)明針對(duì)差頻信號(hào)中的非線性誤差，建立了完整而精確的誤差模型，涵蓋高階多項(xiàng)式相位誤差和周期性多正弦相位誤差，并通過基于變分非線性啁啾模式分解的校正方法，能夠有效地從多個(gè)目標(biāo)的回波中提取參考回波的時(shí)頻信息，同時(shí)，針對(duì)現(xiàn)有非線性估計(jì)方法在低信噪比環(huán)境下抗噪性能不足的問題，本發(fā)明結(jié)合了最小二乘法、高分辨率譜估計(jì)和相位匹配技術(shù)，能夠精確估計(jì)fmcw雷達(dá)系統(tǒng)中的非線性相位誤差，并且通過采用匹配解調(diào)的方法，能夠進(jìn)一步提高非線性誤差系數(shù)的估計(jì)精度，從而顯著提升雷達(dá)系統(tǒng)的整體性能。