一种适用于精细手势识别的太赫兹雷达系统的制作方法

本发明属于太赫兹雷达技术领域，具体涉及一种适用于精细手势识别的太赫兹雷达系统。

背景技术：

对于人机交互领域中的手势识别，基于雷达的识别方案有其自身的优势：对光照不敏感、计算复杂度低、具有穿透能力和设置灵活。目前，对手势的识别研究大多集中在以手部或者连同胳膊为整体目标的运动上面，无法精确捕捉集中在手部手掌和手指上的微小运动变化。定义这种以单个手部为目标、集中在手指和手掌的小幅度运动手势为精细手势。然而，对于人机交互过程中使用精细手势来实现特殊的控制需求，低分辨率雷达难以捕捉精细手势的位置和分析手的形状和运动轨迹，导致无法识别人机交互过程中的精细手势，无法实现控制指令的精确传达。

太赫兹雷达是工作频率在0.1～10thz范围内的雷达系统，通常发射的是高频率、大带宽的信号，以此获得在径向距离上高分辨率，使得目标微小的运动也能够反应出来。同时，目标的回波当中还携带了目标的几何形状与结构信息。通过分析连续时间序列当中目标径向距离上散射点的强度以及分布来提取精细手势的运动特征，实现手势的分类识别。因此，构建一种适用于精细手势识别的太赫兹雷达系统是有必要的。

对于构建太赫兹雷达系统，有许多问题需要考虑：由于频率源功率低，混频器功率损耗大，一个频率源很难同时驱动发射链和接收链；太赫兹雷达系统的发射带宽非常大，很难直接对信号进行采样；即使能够对信号直接采样，也需要考虑大量数据带来的存取和储存问题；线性调频源的线性度直接影响太赫兹雷达系统的距离分辨率等。结合精细手势识别的应用，太赫兹雷达如何有效地捕捉手势的运动特征描述。因此，太赫兹雷达系统存在的一些问题，严重的限制了其工作性能和应用场景。

技术实现要素：

针对上述问题，结合太赫兹器件发展水平，吸取常规雷达系统的结构特点，本发明提出的一种适用于精细手势识别的太赫兹雷达系统。该雷达系统结构设计如下，系统总体框图见附图1。

本发明的太赫兹雷达系统由4个部分组成，包括波形产生模块、线性调频源模块、天线收发模块和信号处理模块。

在波形产生模块中，采用锁相技术构成的两个稳定频率源分别与线性调频模块当中的扫频源进行混频后，将混频输出信号分别驱动该雷达系统的信号发送链路和信号接收链路，同时该双频率源的混频输出信号经倍频器后驱动信号处理模块中的本振链，构成了双频率源太赫兹雷达系统。

在线性调频源模块中，本发明采用了并行的直接数字合成(directdigitalsynthesis,dds)结构产生线性调频(linearfrequencymodulation，lfm)信号。数模转换器将dds输出的数字信号转变为模拟信号送至混频器，与晶体振荡器产生的双频率源信号分别进行混频。其中，扫频源的性能直接影响着雷达的距离分辨率，差的线性度会导致脉压信号主瓣的展宽。扫频源中的并行dds结构由现场可编程门阵列(fpga)实现，能够获得良好的线性度以及保证跳变时间在纳秒级。与传统方式相比，采用压控振荡器(voltagecontrolledoscillator，vco)的方式可以实现大带宽的调制信号，但是其线性度较差；采用锁相环的结构虽然可以获得很好的线性度，但是其信号的跳变时间无法维持在纳秒级，从而限制了调制信号的带宽。

在天线收发模块中，采用两个发送天线，四个接收天线，发送天线的间距是接收天线间距的4倍，以此获得较高的角度分辨率。与传统的主振放大式发射机相比，本发明中用发射链路取代了射频放大链。其主要原因在于要实现太赫兹雷达系统中极大带宽的发射信号，需对调制后上变频的信号进行倍频处理以达到逐级倍频的效果并最终实现大带宽的发射信号。而采用传统的信号调制方法要求扫频源中信号在低频率点上直接实现十吉赫兹甚至几十吉赫兹的大带宽调制信号且保证高线性度是困难的。对于接收链路来说，在波形产生模块中的频率源信号与扫频源信号进行混频放大滤波后，将输出信号送至接收链路，经倍频和放大后作为接收机第一级本振信号。从天线接收的射频信号与第一级本振信号进入二次谐波混频器(sub-harmonicmixer，shm)相混频，从而将雷达回波信号降为中频信号。

在信号处理模块中，对天线收发模块里产生的中频信号与波形产生模块输出的本振信号混频后得到零中频基带信号。该基带信号经数模转换器(adc)采样后，利用数控振荡器和滤波器将基带信号中感兴趣的频率搬移至零频附近获得i/q两路信号。通过数字的方式获取正交性很好的基带i/q数据，避免了采用模拟方式直接获取基带i/q信号带来的幅相不一致问题，从而能够获取到极高的镜频抑制度指标。

本发明的有益效果为，采用双频率源分别驱动天线的发射链和接收链，同时双频率源的混合输出信号驱动本振链，这不仅降低adc的采样速率，还实现了雷达回波的相干接收。采用线性调频源来增加发送信号的带宽，获取距离上的高分辨率。采用两发四收的模式实现较高的角度分辨率。因此，该太赫兹雷达系统的实现，能够进一步推动雷达精细手势识别应用的发展。

附图说明

图1为该太赫兹雷达系统总体框图；

图2为附图1中各个元件说明图；

图3为该太赫兹雷达系统信号处理模块处理流程；

图4为该太赫兹雷达系统天线放置示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步对本发明进行说明。

附图1描述了一种工作频段在340ghz的频率调制连续波太赫兹雷达系统，系统主要由4个模块构成：波形产生模块、线性调频源模块、天线收发模块和信号处理模块。

在波形产生模块当中包含2个频率源：一个是用于驱动天线发射链的7.95ghz频率源，另一个是驱动天线接收链的8ghz频率源。同时，双频率源的混频输出频率为0.05ghz的信号，通过36倍倍频器产生频率为1.8ghz的本振信号来实现信号处理模块的信号解调。线性调频源产生1.4～1.6ghz的扫频信号分别与波形产生模块的双频率源混频、滤波、放大以后，分别驱动天线收发模块发射链路和接收链路。

在天线收发模块当中，收发天线放置示意图见附图4，信号发射天线之间的距离是信号接收天线之间距离的4倍，以此获得较高的角度分辨率。在发射链路中，由波形产生模块和线性调频源模块产生用于驱动发射链的信号通过多级倍频器获得频率范围为336.6～343.8ghz的宽带信号，从而发射到自由空间中。在接收链路当中，由波形产生模块和线性调频源模块混频产生用于驱动接收链的信号通过多级倍频器获得频率范围为169.2～172.8ghz宽带信号，该信号与接收天线将接收到的雷达回波信号通过次谐波混频器获得频率为1.8ghz的中频信号。

在信号处理模块当中，信号处理流程见附图3。首先，由天线收发模块获得的中频信号与波形产生模块获得的本振信号实现解调和adc采样，获得i/q两路数字基带信号。随后进行存储或者数字信号处理，实现算法验证或者应用实现。

技术特征：

1.一种适用于精细手势识别的太赫兹雷达系统，其特征在于，包括波形产生模块、线性调频源模块、天线收发模块和信号处理模块；

所述波形产生模块用于驱动天线收发模块和信号处理模块，波形产生模块包括2个频率源，分别为7.95ghz频率源和8ghz频率源，其中2个频率源混频后输出频率为0.05ghz的信号，再通过36倍倍频器产生频率为1.8ghz的本振信号输出到信号处理模块；

所述线性调频源模块用于产生1.4～1.6ghz的扫频信号与波形产生模块的2个频率源进行混频，2个频率源混频后的信号驱动天线收发模块；

所述天线收发模块包括两个发送天线和四个接收天线，发送天线的间距是接收天线间距的4倍，在发射链路中，波形产生模块当中产生驱动发射链路的信号经过逐级倍频和功率放大，从而实现大带宽的发射信号；在接收链路中，波形产生模块当中产生驱动接收链路的信号经倍频和放大后作为第一级本振信号，从天线接收的射频信号与第一级本振信号进入二次谐波混频器混频，从而将雷达回波信号降为中频信号；

所述信号处理模块用于对天线收发模块里产生的中频信号与波形产生模块输出的本振信号混频后得到零中频基带信号，实现消除由两个频率源分别驱动接收链路和发送链路带来的发射信号与第一级接收本振信号相位不同步问题，实现对信号的相干接收。

2.根据权利要求1所述的一种适用于精细手势识别的太赫兹雷达系统，其特征在于，所述线性调频源模块采用了并行的直接数字合成结构产生线性调频信号，即数模转换器将直接数字合成结构输出的数字信号转变为模拟信号送至波形产生模块的混频器，与波形产生模块当中使用晶体振荡器产生的双频率源信号分别进行混频。

技术总结
本发明属于太赫兹雷达技术领域，具体涉及一种适用于精细手势识别的太赫兹雷达系统。本发明的该系统主要包括4个模块：波形产生模块、线性调频源模块、天线收发模块和信号处理模块。在波形产生模块中采用双频率源分别驱动天线的发射链和接收链，同时双频率源的混合输出驱动信号本振链。在线性调频模块中产生的扫频源与频率源混频获得宽带信号，获得在距离向上的高分辨率。在天线收发模块中采用二发四收的模式来获得较高的角度分辨率。在信号处理模块中信号进行解调与采样，获得数字基带信号。该太赫兹雷达系统的实现能够进一步推动精细手势识别应用的发展。

技术研发人员：李晋;王星;闵锐;崔宗勇;曹宗杰;皮亦鸣
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2020.07.09
技术公布日：2020.10.16