一种连续波探测干扰波形自适应对消方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种连续波探测干扰波形自适应对消方法，包括以下步骤：步骤1、初始化；步骤2、屏蔽目标回波信号；步骤3、发射、接收和一级抵消；步骤4、判断是否探测周期中的训练时间，若是，屏蔽探测目标回波，并执行步骤5；否则，取消对探测目标的屏蔽，执行步骤6；步骤5、训练：数字信号处理模块根据发出信号和回波信号训练干扰传递函数，执行步骤3；步骤6、二次抵消。本发明还公开了一种实现连续波探测干扰波形自适应对消方法的装置，包括：发射模块、发射天线、接收天线、干扰抵消模块、接收处理模块和数字信号处理模块。具有电平对消适应性强、效果好、实现方便、系统实现简单和稳定可靠等优点。
【专利说明】一种连续波探测干扰波形自适应对消方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种连续波探测技术，特别涉及一种连续波探测干扰波形自适应对消方法及装置。
【背景技术】
[0002]随着电子信息技术的迅速发展，无线探测已广泛应用于铁路交通、电力设备、桥梁建筑等各类基础设施的检测与预警，飞机、汽车零部件、压力容器、油气管道等工业产品质量检测，生物体组织检测与预警等诸多行业，在国防建设、国民经济、人民生活及科学技术等各个领域发挥着不可替代的作用。
[0003]连续波无线探测与其他形式的探测信号相比具有一定的优越性。首先连续波探测具有较大的脉宽时宽积，从而具有较高的灵敏度和距离分辨率，能够测量很近的距离，并且平均发射功率低；其次，能够采用微波固态源代替电真空器件，探测器件体积小、重量轻。
[0004]然而，连续波探测在使用中，存在着制约其发展的根本问题，即信号的泄露问题。从发射通道泄露的强发射信号、近距离目标的强回波信号和天线罩的强反射信号会对接收机性能造成严重影响。例如，接收通道和发射通道的距离比较近，如果隔离度比较低，强发射信号泄露入接收机，会引起中放饱和，甚至使得微波混频器或者前置低噪声放大器饱和。另外，近距离目标的回波幅度大，也会使接收机饱和无法工作或淹没远距离目标频谱而降低雷达探测距离。
[0005]现有的解决连续波泄露的方法主要有:1)隔离:提高收发天线之间的隔离度，减小微波器件的泄露；2)抑制:选择某些发射信号，如正弦调频信号并使接收机选用回波信号的高次谐波来抑制泄露；3)对消:基于硬件系统的各种对消技术，采用适当的幅度和相位变换来得到和接收机端的同频干扰信号幅度相等、相位相反的对消信号，和干扰信号对消。
[0006]然而，以目前的工程技术水平，要解决连续波泄露还存在很多困难:
[0007]I)微波器件的收发隔离难以做得很高；
[0008]2)选用正弦调频信号进行探测，接收机选择回波信号的某些谐波分量会使得回波信号的能量有较大的损失；
[0009]3)传统的对消技术对发射信号进行简单的幅度和相位的调整后来和干扰信号进行对消，精度低、适应性差；且目前的对消技术大多需要多路的A/D转换，硬件要求比较高。专利CN102023292中提出了一种连续波雷达泄露对消系统及方法，将信号分为同相信号I分量和正交信号Q分量，该方法实时估计需要对消信号的I分量和Q分量电平，在两个通道中分别对信号进行补偿。该方法通过硬件比较来实现干扰电平的估算，需要多路A/D和D/A，实现较为复杂，且所估算电平不能实时逼近信号波形变化。
【发明内容】
[0010]本发明的首要目的在于克服现有连续波泄露对消技术的不足，提出一种连续波探测干扰波形自适应对消方法，该方法先自适应地估计出探测中干扰系统的传递函数，根据发射信号与该传递函数得到干扰信号的估计值，在接收处理前端完成干扰信号一级抵消，在信号处理模块完成干扰信号二级抵消。
[0011]本发明的另一目的在于克服现有连续波泄露对消技术的不足，提出一种实现连续波探测干扰波形自适应对消方法的装置，该装置能更好地消除干扰。
[0012]本发明的首要目的通过下述技术方案实现:一种连续波探测干扰波形自适应对消方法，包括以下步骤:
[0013]1、初始化:系统开机，无线探测系统预设初始干扰系统传递函数，执行步骤2 ；
[0014]2、屏蔽目标回波信号，S卩:使系统工作在没有目标回波的环境下；
[0015]3、发射、接收和一级抵消:无线探测系统中的数字信号处理模块产生连续波信号，并将该信号送入发射模块，同时，信号处理模块将探测信号与干扰系统传递函数进行卷积得到干扰信号波形送至干扰抵消模块，经过D/A变换器后送入减法器的一端；同时，由接收天线接收回波至干扰抵消模块，经过低通滤波后进入减法器的另一端；回波信号和估计得到的干扰信号波形通过减法器硬件实现抵消，即一级干扰抵消；将完成一级干扰抵消后的回波信号经过下变频模块、滤波放大器和A/D转换器后输入数字信号处理模块；
[0016]4、判断是否探测周期中的训练时间，若是，屏蔽探测目标回波，并执行步骤5 ;若不是，取消对探测目标的屏蔽，执行步骤6 ;
[0017]5、训练:数字信号处理模块根据发出信号和回波信号训练干扰传递函数，执行步骤3;
[0018]6、二次抵消:数字信号处理模块判断回波信号中是否包含目标回波，若包含则进行软件二次抵消，二次抵消后的信号可用于后续处理，并执行步骤3 ;若不包含，执行步骤5。
[0019]本发明的连续波探测干扰波形自适应对消方法中，每个探测周期均分为训练时间Tl和探测时间T2。
[0020]在训练时间Tl中，利用发射信号和接收信号在数字信号处理模块自适应地训练学习得到干扰系统传递函数。所述的干扰系统传递函数是描述发射天线发射信号后，直达波以及近处环境回波所经历的信道的传递函数。该传递函数包含了发射信号中直接从发射天线泄露到接收天线以及近处环境回波对发射信号的影响。过程为:屏蔽探测目标回波，由数字信号处理模块产生数字连续波信号送入发射模块，同时预设干扰系统传递函数初值，由数字信号处理模块将连续波信号与干扰系统传递函数初值卷积作用得到干扰信号估计波形送入干扰抵消模块。连续波信号送入发射模块，经过D/A转换得到模拟基带信号，上变频模块将信号上变频至所需的射频信号，经过低通滤波器和功率放大器后，通过发射天线辐射出去。接收天线接收回波信号，并将该信号输入到干扰抵消模块。在干扰抵消模块的减法器中，回波信号与经过D/A转换的干扰信号估计波形相消，干扰抵消后的信号经过接收处理模块的下变频模块、滤波放大器和A/D转换，输入到数字信号处理模块。数字信号处理模块根据发射连续波信号和输入的回波信号，利用软件算法求解干扰系统传递函数。
[0021]在探测时间T2中，取消对目标回波的屏蔽，由数字信号处理模块产生数字连续波信号送入发射模块，同时将连续波信号与干扰系统传递函数(即在训练时间得到的最新干扰系统传递函数)卷积作用得到干扰信号的估计波形送入干扰抵消模块。连续波信号送入发射模块，经过D/A转换得到模拟基带信号，上变频模块将信号上变频至所需的射频信号，经过低通滤波器和功率放大器后，通过发射天线辐射出去。接收天线接收回波信号，并将该信号输入到干扰抵消模块。在干扰抵消模块，干扰信号经过D/A转换后输入减法器的一端，与输入减法器另一端的回波信号波形相消，完成一级干扰抵消，干扰抵消后的信号经过接收处理模块的下变频、滤波放大和A/D转换，输入到数字信号处理模块。一级干扰抵消后的信号在数字信号处理模块中通过软件计算进行二级干扰抵消。
[0022]本发明的另一目的通过以下技术方案实现:一种实现连续波探测干扰波形自适应对消方法的装置，包括:发射模块、发射天线、接收天线、干扰抵消模块、接收处理模块和数字信号处理模块。所述的发射模块包括D/A转换器、低通滤波器、上变频模块、功率放大器。干扰抵消模块包括D/A转换器、低通滤波器和减法器。接收处理模块包括下变频模块、滤波放大器和A/D转换器。A/D和D/A转换器实现模拟与数字信号之间的转换，D/A转换器将数字信号处理模块输出的数字信号转换成模拟电信号，A/D转换器将模拟电信号转换成数字信号发送到数字信号处理模块；低通滤波器完成信号的低通滤波，滤除高频噪声；下变频模块将高频信号变为低频基带信号，上变频模块用于将低频基带信号变为高频信号。
[0023]本发明的工作原理:本发明通过软件算法产生发射连续波信号并输出；在每个探测周期的训练时间利用神经网络等学习算法训练得到干扰系统传递函数；在每个探测周期，根据干扰系统传递函数和发射信号计算干扰信号并输出；通过软件计算的方法实现干扰波形二级抵消。
[0024]本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
[0025](I)自适应估计干扰系统传递函数，提供干扰信号波形消除，比仅仅采用幅度与相位或进行电平对消适应性强、效果好；
[0026](2)在消除干扰的同时，不会削弱目标反射波；
[0027](3)在处理前端，在回波信号进入到功率放大器和A/D转换之前就主动抵消了干扰信号，有效避免运算放大器、功率放大器和A/D转换饱和；
[0028](4)信号输入数字信号处理模块之后，进行硬件和软件两级对消，能更好地消除干扰。
[0029](5)系统仅需要一路A/D转换，且对A/D转换器要求下降，所需A/D动态范围小，实现方便。
[0030](6)系统实现简单、稳定可靠。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1a是实现本发明的干扰信号主动自适应对消方法的系统结构图。
[0032]图1b是发射模块的结构图。
[0033]图1c是干扰对消模块的结构图。
[0034]图1d是接收处理模块的结构图。
[0035]图2是探测周期的分配图。
[0036]图3是本发明系统的工作流程框图。
【具体实施方式】[0037]下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0038]实施例
[0039]如图1a所示，是本发明干扰信号主动自适应对消方法的系统结构图。该系统包括发射模块、发射天线、接收天线、干扰对消模块、接收处理模块以及数字信号处理模块。如图1b所示为发射模块的结构图，如图1c所示为干扰对消模块的结构图，如图1d所示为接收处理模块的结构图，发射模块由D/A转换器、上变频模块、低通滤波模块、功率放大器组成，干扰对消模块则有低通滤波器和减法器。接收处理模块包含下变频模块、滤波放大器和A/D转换器。数字信号处理模块与发射模块、干扰对消模块、接收处理模块均相连。发射模块中的D/A转换器将数字信号处理模块产生的数字电信号转换成模拟信号；上变频模块与D/A转换模块相连，将模拟信号上变频至所需要的射频信号；射频信号经过低通滤波器进行低通滤波，并经过功率放大器后由发射天线辐射。接收天线接收回波信号后，输入干扰对消模块。与此同时，数字信号处理模块根据干扰系统传递函数与发射信号得到干扰信号，并输入干扰对消模块。在干扰对消模块，经过低通滤波的回波信号与经过D/A转换器的干扰信号通过减法器相抵消，减法器输出的信号输入到接收处理模块，在接收处理模块信号经过下变频模块、滤波放大器和A/D转换器后输入数字信号处理模块。
[0040]如图2所示，是探测周期的分配图。探测周期的前Tl (例如:取30ms)时间，所述系统屏蔽探测目标，训练学习得到实时的干扰系统传递函数。探测周期后T2 (例如:70ms)时间，所述系统在探测目标环境下工作。每个探测周期，系统均自适应地训练学习干扰系统传递函数。每个探测周期的探测时间T2，数字信号处理模块判断接收到的信号中是否包含目标回波，若不包含，该数据也可以用于训练干扰系统传递函数。
[0041]系统发射信号的产生、干扰系统的传递函数训练学习和干扰信号估计波形的计算均在数字信号处理单元实现。
[0042]所述的预置干扰系统传递函数初值，可以采用系统上一次训练结果作为初值或者用全通系统传递函数作为初值。
[0043]如图3所示，是实现连续波探测干扰主动自适应对消方法的流程框图。下面我们结合附图具体说明本发明的实现流程:
[0044]步骤1:初始化:系统启动，在数字信号处理模块预置干扰系统传递函数h (η)；
[0045]步骤2:系统屏蔽探测目标回波；
[0046]步骤3:发射、接收和一级干扰抵消:数字信号处理模块产生单频连续波信号X (η)，送至发射模块；同时，计算干扰信号估计值:
[0047]X 扰(η) =x (n) *h (η),(公式 I)
[0048]干扰信号估计值通过D/A转换后得到Xtjt⑴送至干扰抵消模块。接收天线接收信号并送至干扰抵消模块，回波信号h(t)和干扰信号估计波形在减法器处相减，得到一级干扰抵消后的信号yi(t):
[0049]y1(t)=yr(t)_xa(t),(&S2)
[0050]设模拟减法器造成的误差为Λ (t)。干扰抵消后的信号yi (t)经过接收处理模块，处理后的数字信号y (η)到达数字信号处理模块；
[0051]步骤4:判断是否处于探测周期中的训练时间，若是，屏蔽探测目标回波，执行步骤5 ;若否，探测系统取消对目标回波屏蔽，执行步骤6 ;
[0052]步骤5:训练学习:数字信号处理模块根据产生的信号x(n)和接收到的信号y (η)，利用神经网络算法训练学习，得到系统传递函数h (η)，根据系统框图，可知:
[0053]y (n) = [x (n) ^h1 (η) -χ (η) *h (η) ] *h2 (η)，(公式 3 )
[0054]其中，Ill (η)是指发射模块、发射天线、无线传输信道、接收天线以及干扰消除前的低通滤波模块所构成的信道的传递函数，h2(n)是指接收处理模块的系统传递函数，训练的目标是使得在没有目标回波的情况下，数字信号处理模块接收的信号y(n)能量最小，即:
【权利要求】
1.一种连续波探测干扰波形自适应对消方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1、初始化:系统开机，无线探测系统预设初始干扰系统传递函数，执行步骤2 ； 步骤2、屏蔽目标回波信号； 步骤3、发射、接收和一级抵消； 步骤4、判断是否探测周期中的训练时间，若是，屏蔽探测目标回波，并执行步骤5;否贝U，取消对探测目标的屏蔽，执行步骤6 ; 步骤5、训练:数字信号处理模块根据发出信号和回波信号训练干扰传递函数，执行步骤3 ; 步骤6、二次抵消:数字信号处理模块判断回波信号中是否包含目标回波，若包含，则进行软件二次抵消，二次抵消后的信号可用于后续处理，并执行步骤3 ;否则，执行步骤5。
2.根据权利要求1所述的连续波探测干扰波形自适应对消方法，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤: 步骤3-1、无线探测系统中的数字信号处理模块产生连续波信号，并将该信号送入发射模块，同时，信号处理模块将探测信号与干扰系统传递函数进行卷积得到干扰信号波形送至干扰抵消模块，经过D/A变换器后送入减法器的一端；并且，由接收天线接收回波至干扰抵消模块，经过低通滤波后进入减法器的另一端； 步骤3-2、回波信号和估计得到的干扰信号波形通过减法器硬件实现抵消，即:一级干扰抵消； 步骤3-3、将完成一级干扰抵消后的回波信号经过下变频模块、滤波放大器和A/D转换器后输入数字信号处理模块。
3.根据权利要求1所述的连续波探测干扰波形自适应对消方法，其特征在于，在步骤4中，每个所述的探测周期均分为训练时间Tl和探测时间T2。
4.根据权利要求3所述的连续波探测干扰波形自适应对消方法，其特征在于，在所述的训练时间Tl中，利用发射信号和接收信号在数字信号处理模块自适应地训练学习得到干扰系统传递函数；所述的干扰系统传递函数是描述发射天线发射信号后，直达波以及近处环境回波所经历的信道的传递函数；所述传递函数包含了发射信号中直接从发射天线泄露到接收天线以及近处环境回波对发射信号的影响；过程为:屏蔽探测目标回波，由数字信号处理模块产生数字连续波信号送入发射模块，同时预设干扰系统传递函数初值，由数字信号处理模块将连续波信号与干扰系统传递函数初值卷积作用得到干扰信号估计波形送入干扰抵消模块；连续波信号送入发射模块，经过D/A转换得到模拟基带信号，上变频模块将信号上变频至所需的射频信号，经过低通滤波器和功率放大器后，通过发射天线辐射出去；接收天线接收回波信号，并将该信号输入到干扰抵消模块；在干扰抵消模块的减法器中，回波信号与 经过D/A转换的干扰信号估计波形相消，干扰抵消后的信号经过接收处理模块的下变频模块、滤波放大器和A/D转换，输入到数字信号处理模块；数字信号处理模块根据发射连续波信号和输入的回波信号，利用软件算法求解干扰系统传递函数。
5.根据权利要求3所述的连续波探测干扰波形自适应对消方法，其特征在于，在所述的探测时间T2中，取消对目标回波的屏蔽，由数字信号处理模块产生数字连续波信号送入发射模块，同时将连续波信号与干扰系统传递函数卷积作用得到干扰信号的估计波形送入干扰抵消模块；连续波信号送入发射模块，经过D/A转换得到模拟基带信号，上变频模块将信号上变频至所需的射频信号，经过低通滤波器和功率放大器后，通过发射天线辐射出去；接收天线接收回波信号，并将该信号输入到干扰抵消模块；在干扰抵消模块，干扰信号经过D/A转换后输入减法器的一端，与输入减法器另一端的回波信号波形相消，完成一级干扰抵消，干扰抵消后的信号经过接收处理模块的下变频、滤波放大和A/D转换，输入到数字信号处理模块；一级干扰抵消后的信号在数字信号处理模块中通过软件计算进行二级干扰抵消。
6.一种权利要求1所述的实现连续波探测干扰波形自适应对消方法的装置，其特征在于，包括:发射模块、发射天线、接收天线、干扰抵消模块、接收处理模块和数字信号处理模块； 所述的发射模块包括D/A转换器、低通滤波器、上变频模块和功率放大器； 所述的干扰抵消模块包括D/A转换器、低通滤波器和减法器； 所述的接收处理模块包括下变频模块、滤波放大器和A/D转换器；A/D和D/A转换器实现模拟与数字信号之间的转换，D/A转换器将数字信号处理模块输出的数字信号转换成模拟电信号，A/D转换器将模拟电信号转换成数字信号发送到数字信号处理模块；低通滤波器用于完成信号的低通滤波和滤除高频噪声； 所述的下变频模块用于将高频信号变为低频基带信号，所述的上变频模块用于将低频基带信号变为高频信号。
【文档编号】G01S7/41GK103760541SQ201410009222
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月8日 优先权日:2014年1月8日
【发明者】韦岗, 杨萃, 曹燕 申请人:华南理工大学