專利名稱：一種基于僅幅度檢測的相位檢波方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信號與圖像處理、微波測量、微波或THZ成像等技術(shù) 領(lǐng)域，尤其涉及一種僅由測量信號的幅度來檢測接收信號相位的相位 檢波方法，以大大降低接收機系統(tǒng)的復(fù)雜性，減少接收機的硬件成本， 提高相位測量精度。
背景技術(shù)：
信號的相位測量幾乎是隨著軍事無線電電子學(xué)和通訊廣播事業(yè)的 發(fā)展而迅速發(fā)展起來的，尤其是相控陣雷達技術(shù)的發(fā)展，要求對天線 陣元的電控移相器等部件進行大量的測量。目前信號的相位測量應(yīng)用 非常廣泛，如天線的近場測量，微波成像，THZ成像，微波器件的生 產(chǎn)和研制等。
目前已經(jīng)發(fā)展了許多相位測量的方法，如相位比較法、相位檢波 法、過零時間法和變頻測相法等。這些方法在頻率較低時能較為有效 地測量信號的相位，但是在微波頻段，尤其是當頻率大于10GHz后， 由于測量過程中探頭定位偏差、接收機相位解調(diào)電路引起的固有噪聲 及溫漂等因素的影響，相位測量很不準確甚至無法直接測量。這種現(xiàn) 象在毫米波/亞毫米波及太赫茲頻段尤為突出，并且相位測量會大大增 加硬件成本。
因此，目前無論是在軍用還是民用設(shè)備中降低接收機系統(tǒng)的成本 都是設(shè)計者追求的重要目標。
在目前的相位檢波中用的最為普遍的是正交解調(diào)，其原理框圖如 圖1所示。圖1為現(xiàn)有技術(shù)中用于檢測信號相位的正交解調(diào)器的原理 結(jié)構(gòu)示意圖，其中需要用到0'及90'功分器、混頻器、低通濾波器， 這些器件不但會引起信號的損耗及非線性失真，且價格很高。
在微波頻段的正交解調(diào)器主要受如下參數(shù)限制(1) 中心頻率決定系統(tǒng)的工作頻率；
(2) 帶寬通常的正交解調(diào)器帶寬很難達到中心頻率的10%;
(3) 最大輸入功率決定最大輸入信號的功率；
(4) 本振功率決定本振信號最大功率；
(5) 變頻損耗，插入損耗會造成接收信號的衰減；
(6) ldB壓縮點，三階交調(diào)會造成接收信號的非線性失真；
(7) 1/Q通道的信號失衡。 如果能僅從測量信號的幅度檢測出接收信號的相位將大大降低接
收機系統(tǒng)的復(fù)雜性，并能減少硬件成本，提高產(chǎn)品的競爭力。
目前在x射線結(jié)晶學(xué)、光學(xué)以及天文圖像處理等領(lǐng)域中己發(fā)展了
一些相位復(fù)原方法，這些方法是從所得到的信號傅立葉變換的幅度重 建信號的幅度和相位。它的實施需要利用所復(fù)原信號的支持域及其傅 立葉(或逆傅立葉)變換域的先驗信息。但是在通常的微波測量中只 能得到信號的幅度，沒有其傅立葉(或逆傅立葉)變換域的先驗信息， 因此限制了這些相位復(fù)原方法在微波測量領(lǐng)域的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
(一) 要解決的技術(shù)問題
有鑒于此，為了解決x射線結(jié)晶學(xué)、光學(xué)以及天文圖像處理等領(lǐng)
域中的相位復(fù)原方法需要先驗信息的難題，本發(fā)明提供了一種基于僅 幅度檢測的相位檢波方法，以實現(xiàn)僅幅度檢測的相位檢波。
(二) 技術(shù)方案
為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于僅幅度檢測的相位檢波
方法，該方法包括
選定任意參考信號WO，并給待重建的接收信號S(t)賦任意初值； 計算價格函數(shù)纟的梯度= -4S
A2—k((
-2Re
(s(" +魂))e
2W+1
計算價格函數(shù)々的Polak-Ribere共軛梯度:
—一 ■ Re〈H H
計算沿共軛梯度方向變化的最佳步長A， A使得四次多項式
小O +義")二 a義4 + za3 + c義2 + + e取極小值，"為共軛方向；
判斷巾是否小于所需滿足的誤差標準，若小于，則利用
KO= Zd〃Oe"^^」計算得到所期望復(fù)原的信號，然后退出循
環(huán)；否則，若大于或等于，則繼續(xù)迭代。
上述方案中，所述接收信號S(t)與參考信號So(t)滿足如下關(guān)系
l"ol2 -1 (《=一)l2+2 Re [ . "。 ]
上述方案中，所述價格函數(shù)(K^H
D2— k0 -2Re
粉(W
苴
中，D2 =|s(《-|&《)|2 。
上述方案中，所述計算沿共軛梯度方向變化的最佳步長A時，在四
次多項式小(x+義")="義4 + 6義3+c義2++ e中， 。=別4，
"42 (^)《+魂)《)，
-2 Re
粉(W
+4S(Re[^)《w。("w;])2，
4》
D-k"- -2 Re
s("々。(")*T|.Re[S,: + S。C:]j ，<formula>formula see original document page 7</formula>
上述方案中，所述判斷價格函數(shù)^是否小于所需滿足的誤差標準的 步驟中，所述誤差標準視實際情況而定，通常為一極小值。
(三)有益效果
從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果
1、 本發(fā)明提供的這種基于僅幅度檢測的相位檢波方法，通過測量 信號(即待重建信號與某已知參考信號之和)的幅度來復(fù)原信號的幅 度和相位，實現(xiàn)了僅幅度檢測的相位檢波，解決了X射線結(jié)晶學(xué)、光 學(xué)以及天文圖像處理等領(lǐng)域中的相位復(fù)原方法需要先驗信息的難題，
2、 本發(fā)明提供的這種基于僅幅度檢測的相位檢波方法，僅通過測 量信號的幅度實現(xiàn)復(fù)原接收信號的幅度和相位，簡化了接收機系統(tǒng)的 復(fù)雜性，降低了硬件成本。
3、 本發(fā)明提供的這種基于僅幅度檢測的相位檢波方法，所需參考
信號為任意參考信號，可以采用頻率非常低的參考信號，有利于信號 源的設(shè)計。
4、 本發(fā)明提供的這種基于僅幅度檢測的相位檢波方法，處理速度 非?？欤诮档拖到y(tǒng)復(fù)雜性的同時不會導(dǎo)致相位測量精度的降低。
5、 本發(fā)明提供的這種基于僅幅度檢測的相位檢波方法，對任意頻 率接收信號均有效，可用于不同的接收機系統(tǒng)。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中用于檢測信號相位的正交解調(diào)器的原理結(jié)構(gòu)示 意圖2為本發(fā)明提供的基于僅幅度檢測的相位檢波的方法流程圖； 圖3為本發(fā)明提供的基于最優(yōu)化技術(shù)的僅幅度檢測的相位檢波示 意圖4為采用本發(fā)明方法由測量信號的幅度復(fù)原出的接收信號幅度和相位。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具 體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。 首先，介紹本發(fā)明的實現(xiàn)原理
設(shè)接收信號為W)，其具體表示形式為s(fH"(Ocos[ KO]，設(shè)參考 信號為 (0 = 。。 Wcos0。 (f)]。本發(fā)明給出了僅通過檢測+ 4(0的包絡(luò) 或者幅度(若為頻域信號，將t變?yōu)轭l率f)就可以復(fù)原接收信號S(t)。
設(shè)測量信號為^(，小)"。(0"(Ocos
，則有如下關(guān)系
4 H" (0 exP [X0] + "o (0 ，[鳳(,)]
(D W = Angle [a (0 exp[y》(0] + a。 (Oexp[乂^ ")]]
其中，Angle表示取復(fù)信號的相位。上式表明，檢測時域信號的包 絡(luò)等同于檢測該信號對應(yīng)復(fù)信號的幅度；檢測時域信號的相位等同于 檢測該信號對應(yīng)復(fù)信號的相位。為此下面我們就在復(fù)信號域討論，從 測量信號的幅度A(t)復(fù)原接收信號s(t)幅度和相位的技術(shù)。本發(fā)明將實
現(xiàn)僅幅度檢測的信號檢波。
由于，接收信號s(t)和參考信號So(t)滿足如下關(guān)系 K -K(《+(,)|2十2Re[粉,)']
，并定義價格函數(shù)<formula>formula see original document page 8</formula>
為了復(fù)原信號S(t)，將其表示為一有限長序列{、}的傅立葉變換:其中s(O表示為第k個時刻的信號采樣，l, ^分別為、的實部和
通過迭代尋找使價格函數(shù)Mx)最小的序列kL最后從ki的傅立
葉變換即可確定待重建信號的幅度和相位。本發(fā)明建議釆用
Polak-Ribiere共軛梯度法進行最優(yōu)化，其中需解決梯度V纟和沿共軛梯
度方向變化的最佳步長義。
如圖2所示，圖2為本發(fā)明提供的基于僅幅度檢測的相位檢波的
方法流程圖，該方法包括
STEP1:選定任意參考信號4(f)，并給待重建的接收信號s(t)賦任
意初值；
STEP2:計算價格函數(shù)纟的梯度
▽((> = —4刀
A2-lA
—2Re
粉(魂))'
fe 、
STEP3:計算價格函數(shù)小的Polak-Ribere共軛梯度:
一—■ Refe,H〉
STEP4:計算沿共軛梯度方向變化的最佳步長^， A使得四次多項 式+義")=a義4 + 6義3 + c義2 + 6/義+ e取極小值，"為共軛方向；
其中，"=!]1^〔
"《IA^2 R+( W +魂)《)
A2-k((
—2 Re
+ 4Z(Re|>,;+A(W])2
9"=—4S {[A2 — |啦)|2 -2Re[4) &))*]].Re)《+ s。&)《]j =S
STEP5:判斷價格函數(shù)^是否小于所需滿足的誤差標準(該值視實 際情況而定，通常為一小值，例如，le-5),若小于，則利用
40=i("^y〔^〕計算得到所期望復(fù)原的信號，然后退出循
環(huán)；否則，若大于或等于，則繼續(xù)迭代。
圖3為本發(fā)明提供的基于最優(yōu)化技術(shù)的僅幅度檢測的相位檢波示 意圖。從圖3可以看到采用本發(fā)明提供的方法，所需硬件只需一個加 法器，大大簡化了硬件系統(tǒng)的復(fù)雜性，也減少了硬件成本。
圖4示出了采用本發(fā)明方法由測量信號的幅度復(fù)原出的接收信號 幅度和相位。從圖4可以看到采用該方法復(fù)原出的接收信號幅度和相 位(實部和虛部)與真實值吻合非常好。
盡管本發(fā)明是結(jié)合具體實施例來表述的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在以 上說明的基礎(chǔ)上顯然還能看出許多選擇，修改和變更。因此，所有這 些選擇，修改和變更都應(yīng)該被納入附帶的權(quán)利要求書所要求保護的范 圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種基于僅幅度檢測的相位檢波方法，其特征在于，該方法包括選定任意參考信號s0(t)，并給待重建的接收信號s(t)賦任意初值；計算價格函數(shù)φ的梯度計算價格函數(shù)φ的Polak-Ribere共軛梯度計算沿共軛梯度方向變化的最佳步長λ，λ使得四次多項式φ(x+λn)＝aλ4+bλ3+cλ2+dλ+e取極小值，n為共軛方向；判斷φ是否小于所需滿足的誤差標準，若小于，則利用計算得到所期望復(fù)原的信號，然后退出循環(huán)；否則，若大于或等于，則繼續(xù)迭代。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于僅幅度檢測的相位檢波方法，其特 征在于，所述接收信號S(t)與參考信號So(t)滿足如下關(guān)系I W)l2 - h (Of = l順f + 2 Re [順'"(O)']。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于僅幅度檢測的相位檢波方法，其特征在于，所述價格函數(shù)*(勾=— k0 -2Re，其中
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于僅幅度檢測的相位檢波方法，其特 征在于，所述計算沿共軛梯度方向變化的最佳步長A時，在四次多項式<formula>formula see original document page 3</formula>
5、根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于僅幅度檢測的相位檢波方法，其特 征在于，所述判斷價格函數(shù)^是否小于所需滿足的誤差標準的步驟中，所述誤差標準視實際情況而定，通常為一極小值,
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于僅幅度檢測的相位檢波方法，該方法包括選定任意參考信號s₀(t)，并給待重建的接收信號s(t)賦任意初值；計算價格函數(shù)φ的梯度；計算價格函數(shù)φ的Polak-Ribere共軛梯度計算沿共軛梯度方向變化的最佳步長λ；判斷φ是否小于所需滿足的誤差標準，若小于，則利用s(t_k)＝∑(ξ_n+jγ_n)e^{-j2π(kn/(2N+1))}計算得到所期望復(fù)原的信號，然后退出循環(huán)；否則，若大于或等于，則繼續(xù)迭代。利用本發(fā)明，實現(xiàn)了僅幅度檢測的相位檢波，解決了X射線結(jié)晶學(xué)、光學(xué)以及天文圖像處理等領(lǐng)域中的相位復(fù)原方法需要先驗信息的難題，并為無相位檢測成像理論奠定了基礎(chǔ)，從而可大大降低微波、太赫茲以及光學(xué)成像系統(tǒng)的硬件成本。
文檔編號G01R25/00GK101545929SQ20081010280
公開日2009年9月30日 申請日期2008年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月26日
發(fā)明者張文吉, 芳 李, 李廉林 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所