一种手持便携式雷达目标散射特性检测方法与流程

1.本发明涉及微波探测技术领域，特别涉及一种手持便携式雷达目标散射特性检测方法。


背景技术：

2.雷达目标散射特性测量技术是对目标散射缺陷进行检测和判别的重要手段，在低散射技术研究、生产和维护等全流程中有着不可或缺的作用；目前对散射性能进行检测基本是依靠紧缩场、近场等大型微波暗室进行，近些年也有一些机动式散射测试的相关设备，但是也对场地，运输、存储以及使用等方面存在较高的技术要求。
3.大型紧缩场、近场等微波暗室的建设成本包含基础设施建设，暗室内部吸波材料建设，系统建设等，日常维护费也居高不下，对被测物体进行单次雷达散射特性检测时的时长以及单次检测成本也是所有测试手段中最高的，优势是可进行整体测试，一般用于待测物体的出厂检验，无法解决待测物体出厂后的日常维护检测问题。
4.机动式散射测试设备可作为日常维护检测设备，可对待测物体进行局部检测，虽然解决了定期在设备停放区域进行高精度局部检查的难题，但考虑到所有频段的高分辨率及高低俯仰测量的稳定性，原理上也必须采用大合成孔径角的导轨及车体，整体体积较大，在使用情境上也存在一定局限性，同时设备的制造成本较高。
5.其中《一种便携式雷达散射特性测试装置及方法》(申请公开号：cn111948178a)的主要作用是检测并分析被测雷达吸波涂层的诊断与评估，获得被测雷达吸波涂层的高精度散射图像。通过对比此发明发现，此发明的被测物体为雷达，检测目标为待测雷达的吸波涂层，属于单天线自发自收的模式。而本发明则是对待测物体，待测装备等的综合雷达散射特性评估，包括但不限于吸波涂层的剥落问题，也包括对外型以及各种姿态下的雷达散射特性评估，采用多发多收的方式，极大的提高了检测效率。
6.此外，由于是手持，人体持有装置时的抖动极容易影响检测的质量，这个可以参考相机拍摄，例如人体持有相机并曝光拍照物体，曝光的时间越长人体的抖动对相片成品的影响越大；因此为了满足本技术的手持需要，需要实现单次快拍（快速采集拍摄），避免在长时间的物体检测过程中，由于手持的抖动影响到检测的质量。


技术实现要素：

7.本发明针对现有技术中的不足，提供一种手持便携式雷达目标散射特性检测方法，以提供一个满足手持便捷需要的雷达目标散射特性检测方法。雷达目标散射特性测量技术是对目标散射缺陷进行检测和判别的重要手段，在低散射技术研究、生产和维护等全流程中有着不可或缺的作用，通过背景技术的描述可得知，目前的雷达散射特性测量技术存在成本高，耗时长，体积大等问题。本技术利用超宽带多通道雷达结合稀疏多天线阵列实现了一种可在多个频段，由单人手持本检测仪对被测目标进行快速检测的装置，并且可以实时获得不同频段下的雷达目标散射量值，为快速检修提供可靠的依据和支撑，本检测装
置作为散射特性检测领域的补充，具有超宽带、单人化，小型化，轻量化，快速化等优势。
8.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种手持便携式雷达目标散射特性检测方法，包括以下步骤：s1：通过m组发射链路产生多路微波信号，并通过限制各路微波信号不同带宽的方案使得各组发射链路产生不同频段的微波信号，以实现各发射链路所产生微波信号的区分；s2：m组发射链路对各自所产生的微波信号进行调制，合成后输出至各发射链路所对应的各自发射天线；其中，通过多发多收的天线设计方案得到m*n个虚拟阵元的阵列，以将m个发射天线发射的微波信号至待检测目标进行探测，经过反射后到达n个接收天线，达到用一定数量的天线获取大面积的检测区域；s3：n个接收天线将反射的信号传输至n组接收链路，其中每个接收链路都能接收到全频段的数据信号，并进行解调，然后传输给数据采集及处理模块；s4：数据采集及处理模块通过内部的fpga单元和高速ad单元对传入的信号进行采集，具体为通过fpga单元进行时序的控制，配合高速ad单元对信号进行采集，获取到n个接收链路的数据信号，实现单次快拍；然后通过fpga单元对n个接收链路的数据信号进行并行运算后，从中得到待检测目标的时域或频域数据，并进行近远场变换得到成像数据；s5：通过空间定位模块获取待测目标的成像数据，结合步骤s4得到的成像数据对待检测目标进行三维重建，并标识出有散射缺陷的位置。
9.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：进一步地，步骤s1中所述通过限制各路微波信号不同带宽的方案使得各组发射链路产生不同频段的微波信号的具体内容为：在m组发射链路中，设定发射链路1以f0频点作为起始频点，发射链路2在f0频点的基础上增加一个δ的带宽作为f1频点，δ作为发射链路频点的变量；同理，下一个发射链路的频点是在上一发射链路频点的基础上增加变量δ，直至发射链路m在fm频点进行信号发射；以此各组发射链路产生不同频段的微波信号。
10.进一步地，变量δ作为发射链路频点的变量，是一个不固定且不均匀的值。
11.进一步地，步骤s2中所述通过多发多收的天线设计方案得到m*n个虚拟阵元的阵列的具体内容为： s2.1：将多个发射天线和接收天线设置在一条直线上，设定该条直线为x轴，待检测目标至x轴距离的所在直线为y轴；并将待检测目标位置记为，发射天线位置记为，i= 1~m，接收天线位置记为，j= 1~n；则发射链路时延有：接收链路时延有：式中，c表示为光的传播速度；
s2.2：设定待检测目标距离由发射天线和接收天线组成的天线阵列距离为，且设定大于天线阵列的尺寸，此时对公式（1）公式（2）进行泰勒级数展开，在取前三阶展开时，发射链路时延和接收链路时延近似为：级数展开，在取前三阶展开时，发射链路时延和接收链路时延近似为：则第i个天线发射，第j个天线接收的通道链路整个时延为： s2.3：对公式（5）的相位进行补偿，补偿值设为：则通道补偿后对于第i个天线发射，第j个天线接收的通道时延为：s2.4：根据公式（7）得知，其为的三阶泰勒展开，因此在经过步骤s2.3补偿方案后的多发多收的天线阵列视为等效为m*n个等效阵元，即m*n个虚拟阵元的阵列；其中该阵列是位于处的阵列，为等效相位中心。
12.进一步地，步骤s4中所述通过fpga单元对n个接收链路的数据信号进行并行运算的具体内容为：s4.1：任意一个发射天线发射信号至待检测目标后有对应的一个回波信号至接收天线中，该回波信号包括有i、q信号，因此每个接收链路都会接收到m个回波信号，其中：i信号具体为：q信号具体为：式中，a表示为幅度，f表示为对应一个回波信号中的频点，t表示为时间，指产生信号以后的某一个时刻；s4.2：对n个接收链路中的多个回波信号进行并行运算，即对n个接收链路中的各
个回波信号同时进行数据运算；数据运算的内容依次包括现有的距离脉冲压缩运算、距离维插值运算以及距离徙动曲线相位补偿；其中，脉冲压缩运算具体为：共进行了x次脉冲压缩，每次脉冲压缩需要进行一定运算次数的变换运算，变换运算内容包括进行了一次y点的fft计算，一次y点相乘，一次y点的ifft计算，而所述一定运算次数的变换运算数值为：其中，距离维插值运算具体为：设定采用频域补零的插值方式，插值倍数为l，则每次插值运算需要进行x次y点的fft运算，x次ly点的ifft运算，总的插值运算次数为：其中，距离徙动曲线相位补偿的具体内容为：对经过脉冲压缩运算、距离维插值运算后的数据进行相位补偿。
13.进一步地，步骤s5还包括将步骤s4得到的时域或频域数据、成像数据通过显示模块进行展示以及进行结构化存储。
14.本发明的有益效果是：1、本发明可用于手持式的目标雷达散射特性检测，具备质量轻，便携，单人化，快速诊断等特点。由背景技术可知，当前的检测装置较大、厚重，不易于实现单人便携式的检测，而本技术通过多发多收的天线设计方案得到m*n个虚拟阵元的阵列，以将m个发射天线发射的微波信号至待检测目标进行探测，经过反射后到达n个接收天线，达到用一定数量的天线获取大面积的检测区域，避免了因为装置小型化而造成的检测区域小的问题。此外由于是手持，人体的抖动对拍摄检测的质量有较为重要的影响，因此本技术设计数据采集及处理模块通过内部的fpga单元和高速ad单元对传入的信号进行采集，具体为通过fpga单元进行时序的控制，配合高速ad单元对信号进行采集，获取到n个接收链路的数据信号，实现单次快拍的目的，该设计通过类似快门的触发按钮，给出一个触发指令，通过多通道收发进行微波成像，实现单次快拍的微波成像，可作为微波照相机使用，也可以连续不间断的进行微波成像，实现微波摄像机的功能。
15.2、本发明可解决其他散射特性检测需要具备扫描设备配合的问题，通过多发多收的天线布阵可以去除对扫描设备才能达到大孔径角成像的依赖。
16.3、本发明可解决其他散射特性检测需要使用扫描设备扫描时的时长问题，目前最快的机动式测试设备单次测量时间也会在3分钟左右，本设备通过多通道收发，低延时的ad采集，以及fpga的并行近远场变换计算可以实现3秒钟以内进行成像。
17.4、本发明结合空间定位以及三维重建技术，可以实现目标散射特性缺陷与目标轮廓进行叠加的功能，对后续散射特性的维修提供较高精度的定位。
18.5、本发明采用工程化思维，模组化设计，有利于于后续的维修，更换模组以及功能扩展。
附图说明
19.图1是本发明整体系统结构示意图。
20.图2是本发明整体系统中各模块连接关系示意图。
21.图3是本发明多发多收天线原理示意图。
22.图4是本发明频分发射与接收原理示意图。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
24.如图1所示，本发明由多组发射链路、多组接收链路、多个赋型波束天线、数据采集及处理模块、数据传输及存储模块、显示模块、空间定位及存储模块以及其他配套附件构成。如图2所示，微波信号由发射链路产生，经过多个发射赋形波束天线发出，信号在空间传输并被待测物体反弹后，再由多个接收赋形波束天线接收，接收到的微波信号经由接收链路被数据采集及处理模块进行采集及近远场变换处理后，通过显示模块进行显示，同时通过存储模块进行存储，空间定位模块可辅助获取待测物体的坐标，同时配合显示模块进行位置的标示。
25.首先，本发明由多组发射链路进行微波信号的产生，发射链路中的微波源具有频分或者码分的功能，可以同时产生多路微波信号。发射链路各路的微波信号首先通过低通滤波器（lpf）限制该路信号的带宽，避免它们的频谱出现相互混叠。然后，各路信号分别对各自的载波进行调制、合成后输出至各路对应的发射天线。调制的一般过程（注：具体调制方法不做限制）为将输入信号进行数字编码，编码完成后进行串并转换，然后进行ifft变换，变换后需要添加循环前缀来实现载波功能，最后通过窗函数加窗通过低通滤波器（lpf）发射。
26.进一步的，本发明由多个赋形波束天线进行信号的收发，通过多通道形成虚拟阵列，使得系统的自由度得到大大提高。本发明的赋型波束天线支持水平或垂直极化，也支持双极化检测，同时具备赋形波束天线的优势，在工作极化的方向上产生扁波束，一方面可以增加检测面积，另一方面也可以增强发射信号。
27.多发多收的天线设计方案为：多个发射和接收天线均位于一条直线上，假设该条直线为x轴，与远处的目标方向为y轴，如图3所示。远处目标上散射点位置记为(x0,y0,z0)，共有m个发射天线以及n个接收天线，其中发射天线位置为(xi,0,0)，i= 1~m，接收单元位置记为(xj,0,0)，j = 1~n。
28.则发射链路时延有：接收链路时延有：当满足目标距离天线阵列的距离远大于发射接收阵列尺寸时，可对上两式进行泰勒级数展开，在取前三阶展开时，发射接收链路时延可近似为：
则第i个天线发射，第j个天线接收的通道链路整个时延为：如果对其相位进行补偿，补偿值设为：则补偿后的通道时延为：观察此公式，可以发现其为泰勒展开，因此，补偿后的多发多收天线阵列可以看做为m*n个等效阵元，且等效阵元位于处的阵列。其中可称为等效相位中心。
29.则本发明的天线排布可认为是一个mn阵列单元，其单元位置为，因此可通过m n个物理单元来实现m*n个虚拟阵元的阵列，使用较少的天线来获得更大面积的检测区域。
30.再进一步的，由多组接收链路接收到目标的反射信号后，经过滤波器过滤掉其他带外信号或干扰信号后，再经过低噪放将信号中的噪声降低，放大信号中的有效信息，结合发射链路中的耦合器的参考信号，通过下变频器将频率较高的射频信号下变频至频率较低的中频信号。其中调制与解调的关系如下：发射链路与接收链路涉及到调制解调相关功能，假设发射链路1的信号的i、q信号如下：如下：经过调制以后生成发射链路1的发射信号：本发明的带宽可以满足n个接收链路将接收到的i、q信号进行解调从而获取到全
频段，全带宽下的目标回波信息。频分微波源发射与接收原理示意如图4所示。
31.更进一步的，通过数据采集及处理模块进行接收到的多路信号采集，使用数据采集及处理模块的多路ad进行接收到的多路中频信号进行采集，再通过数据采集及处理模块的fpga进行采集时序的控制，配合不同频段的信号，调整不同的时序对不同的信号进行采样率控制。将多路采样到的信号的i、q数据进行处理，获取到多路的幅度和相位信息，同时再使用fpga进行数据的并行运算，得到散射特性的数据，一方面可通过显示模块进行散射数及参数的显示，另一方面可将数据发送到数据传输及存储模块的上位机进行数据保存，采用数据持久化与标准化技术，将数据保存至数据库，通过以太网将数据可导出至其他设备，以便后续的分析与更进一步的处理。
32.对探测区域以脉冲重复间隔发射连续脉冲信号，并接收探测区域的回波信号。探测区域内任意一个散射目标(x,y)的回波信号为i、q信号，如公式8和公式9所示。
33.对i、q信号的并行运算效率主要看进行复数乘法的次数。包含运算的步骤有：距离脉冲压缩、距离维插值运算。
34.距离脉冲压缩：共进行了x次脉冲压缩，每次脉冲压缩进行了一次y点fft，一次y点相乘，一次y点ifft，运算次数：插值运算：假设在确定徙动曲线过程的插值方式采用频域补零的插值方式，插值倍数为l，则插值运算为x次y点fft，x次ly点ifft，运算次数：本技术以6点fft运算为例，回波信号的i、q值均可表达为公式13，其中：，s为某一时刻的时域值，时域值。
35.依据矩阵运算可将式(13)分解为：每一个频点数据s对fft的输出系数j是独立的，可以单独计算。通过fpga的并行运算，当采集到频点数据后，开始1到y项的fft计算，即可输出完整的变换结果。这种并行计算不需要从频点1开始按顺序进行直至频点n，而是可以采用并行计算，同时计算频点1到频点
n的所有fft计算，非常适合在fpga中实现从而实现单次快拍中的最后一步，快速成像。
36.在单次快拍的操作中，m个发射链路在频分机制下，发射时长不超过不超过20毫秒，在典型位置3m处的目标将信号反射后，由n个接收链路进行接收，传输时长以及接收时长不超过50毫秒，整体的拍摄时间不超过100毫秒，经由多路ad采集后的信号再由fpga进行并行处理，成像时间及整体散射特性位置标示不超过3秒。成像可以采用基于mimo阵列修正的卷积近远场快速变换方法或者其他各种近远场变换算法。
37.最后通过空间定位及诊断模块，将目标在空间上进行三维重建与定位，空间定位装置包括但不限于双目摄像头、激光跟踪仪、激光雷达等。通过上述装置获取到空间的坐标信息，同时通过三维重建技术进行被测物体及其场景的三维化，通过获取物体的不同位置的深度信息，转换成物体的点云信息，从而对待测物体进行三维重建，再通过坐标系变换，将目标空间定位的坐标系以及本发明的坐标系转换到世界坐标系中，统一坐标系后，可将散射缺陷叠加在被测物体三维模型上，便于定位散射缺陷。
38.通过本发明配套附件的电源模块对系统整体供电和功耗进行管理，同时将所有模块安装在自行设计的结构件中进行集成，本发明具有主动及被动散热模块，功耗较高的有源器件通过主动散热模块将其热量与外部进行交换，保证设备的稳定运行。
39.经过上述测量以及处理过程，得到被测物体的散射特性检测结果。
40.下面介绍具体实施时候的步骤：第一步，本发明具有一个触发按钮，通过对按钮的按压产生一个触发信号，发射链路接收到触发信号后，由发射链路模块产生微波信号，微波信号具备频分或码分的功能，可在不同频段同时产生多路微波信号，多路微波信号经过调制后具备了发射状态后，可进行第二步，调制的方法一般可采用离散傅里叶变换（dft）的方式进行，调制方法不做限定。
41.第二步，调制后的多路微波信号经由多个发射端双极化赋型波束天线将微波信号同时发出对被测物体进行检测，双极化赋型波束天线具有波束扁平的优点，在关注的水平或者垂直极化方向上，可获取到更大的检测面积。
42.第三步，发射的微波信号通过被测物体将信号反射后，再由接收端双极化赋形波束天线接收。
43.第四步，通过接收链路模块将接收端双极化赋形波束天线的信号进行解调处理，每一个接收链路的解调信号皆可获取到全频段的信号，解调方法一般可采用逆离散傅里叶变换（idft）的方式进行，解调方法不做限定。
44.第五步，将接收链路的信号通过数据采集及处理模块进行数据采集，数据采集功能通过fpga以及高速ad来完成，fpga通过对时序的控制，配合高速ad，进行信号采样，获取到待测物体的信号i、q值，再通过处理模块采用fpga并行计算的方式对i、q值进行计算得到待测物体的时域或频域数据，将时域或频域数据进行近远场变换成像计算，成像一般采用基于mimo阵列修正的卷积近远场快速变换方法或者其他各种近远场变换算法。
45.第六步，将时域或者频域数据以及成像通过显示模块进行图形化展示。
46.第七步，将时域或者频域数据以及成像通过数据存储模块进行结构化存储。
47.第八步，最后再通过双目摄像头、激光跟踪仪、激光雷达等空间定位装置结合散射性能的成像数据，对目标进行三维重建，再结合空间定位，标示出有散射缺陷的目标位置。
48.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
49.需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
50.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。