一种分区域式的mimo阵列校准方法
【专利摘要】本发明公开了一种分区域式的MIMO阵列校准方法，过程：根据MIMO阵列的布局情况，建立三维坐标系，确定每个发射天线和接收天线的坐标位置；根据双站雷达等效理论及每个发射天线和接收天线的坐标位置，确定每一对收发天线与其相应的等效相位中心之间的对应关系，得到等效相位中心阵列及等效相位中心阵列坐标位置；根据等效相位中心阵列与收发天线的对应关系、金属校准球与等效相位中心阵列平面的距离R和收发天线波束宽度对等效相位中心阵列进行区域划分；分别对各个区域的等效相位中心阵列进行相位校准处理。通过对阵列进行分区处理，多次校准，能够在近场天线波束较窄的情况下完成阵列校准工作，实现高质量的阵列成像。
【专利说明】
一种分区域式的ΜI MO阵列校准方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种分区域式的mbto阵列校准方法。
【背景技术】
[0002] ΜΙΜΟ阵列成像技术在安检、无损探伤和地质探测等方面具有重要的应用价值。阵 列在成像处理之前，首先需要对各个通道进行相位校准，校准主要原因是各个通道的硬件、 电缆、天线性能等相位不一致，通道相位校准是阵列成像的关键，传统上一般采用金属圆柱 或金属球作为校准件，测试一次即可获得校准数据，这种方法适用于远场校准，在近场阵列 成像时(尤其是暗室环境下，区域较小），如果天线波束较窄，收发天线覆盖区域有限，很难 保证在一次性校准测试过程中，所有收发天线均能覆盖校准目标，因此该方法具有局限性。
[0003] ΜΠΚ)阵列成像技术在成像方面潜力巨大，它一般是由多个发射单元和接收单元构 成，采用开关控制的工作形式，每次有且只有一对收发天线工作，因此能够有效地抑制天线 之间的耦合，产生出远远多于实际天线数目的虚拟阵列单元，从而大大的节省阵列的硬件 成本和建造难度。距离徙动算法(RMA)是一种比较精确的散射成像算法，可以应用于多探头 阵列散射成像。下面分析单站等效的原理。
[0004] 如图1所示，双站雷达等效理论:具有设定距离的发射天线和接收天线等效为收发 天线在发射天线和接收天线之间中心处的单站情况；
[0005] 设某一时刻有一对收发天线工作，照射的目标为ρ，发射单元发射电磁波经过路线 疮到达目标ρ，经ρ后的散射回波再经过路线愈被接收单元接收；
[0006] 根据单站等效理论，等效相位中心在发射单元与接收单元所在的直线和上；
[0007]发射单元、接收单元及目标ρ构成了一个三角形，等效相位中心同时在该三角形角 Ρ的角平分线上，因此所述角平分线与和的交点即为所要求的等效相位中心；
[0008]设等效相位中心向量为;根据三角形几何对应关系，则与和之间有如下关 系
[0010] 实际应用中，等效相位中心被认为在发射单元与接收单元的中心处，即；^? = ?^/2， 当目标距离收发单元较远时，公式（1)近似成立，而在近场当等效相位中心误差较大时，则 需要进行相位校准处理;定义等效相位中心误差为
[0012]实际应用中，ΜΜ0阵列除了存在上述等效相位中心误差外，还存在因微波器件、开 关、天线的不一致而引起的硬件相位误差，这些误差在阵列成像测试之前如果不加以去除 校准处理，将会使阵列接收的目标相位信息紊乱，从而导致图像无法正常聚焦。
[0013]目前国内关于近场散射成像的ΜΜ0阵列的校准方法文献较少。当把多探头阵列应 用与近场成像时，国内外研究者一般采用如下两种措施：
[0014] -是从阵列的设计上降低等效相位中心误差，合适的天线阵列布局也可以有效降 低阵列的等效相位中心误差，提高成像质量。如实现同样的虚拟等效单元，矩形阵列的等效 相位中心误差就比十字形阵列的小。这种方法缺点是需要花费大量精力在阵列设计上，而 且合理的阵列设计也只能在一定程度上降低等效相位误差，硬件相位误差则必须通过实物 测试进行校准。
[0015] 二是采用采用金属圆柱或金属球的校准方法，具体是在阵列中心的正前方一定距 离处放置一个金属的细圆柱或金属丝，其示意图如图2所示。
[0016] 实际应用中，首先测量金属圆柱或金属丝相应的阵列接收回波，记为Epcile，对于一 维阵列成像而言，成像平面为xz面，因此金属圆柱或金属丝可以看作一个理想点目标，其相 应的等效相位中心阵列接收回波可以通过理论计算的方式计算出来，记为Ethecxry。于是补偿 矩阵可以表示为E the。ry/EP。le，该矩阵与频率及等效相位中心位置有关。
[0017] 该方法存在的最大问题是:特定情况下不适合于近场阵列校准。近场测试条件下， 如果天线波束较窄，阵列边缘的天线将难以接收到校准目标的有效信号，从而导致边缘天 线对用的通道误差没有被校准去除，影响了成像效果。
【发明内容】
[0018] 本发明的目的就是为了解决传统校准方法在近场测试环境下存在的问题，提供一 种分区域式的ΜΜ0阵列校准方法，通过对阵列进行分区处理，多次校准操作，能够在近场天 线波束较窄的情况下完成阵列校准工作，实现高质量的阵列成像。
[0019] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0020] 一种分区域式的Μπω阵列校准方法，过程如下：
[0021] 步骤（1):根据ΜΜ0阵列的布局情况，建立三维坐标系，确定每个发射天线和接收 天线的坐标位置；
[0022] 步骤(2):根据双站雷达等效理论及每个发射天线和接收天线的坐标位置，确定每 一对收发天线与其相应的等效相位中心之间的对应关系，得到等效相位中心阵列及等效相 位中心阵列坐标位置;在等效相位中心阵列所在平面的中心的距离R处放置一个金属校准 球；
[0023] 步骤(3):根据等效相位中心阵列与收发天线的对应关系、金属校准球与等效相位 中心阵列平面的距离R和收发天线波束宽度对等效相位中心阵列进行区域划分；
[0024] 步骤(4):分别对各个区域的等效相位中心阵列进行相位校准处理。
[0025] 所述步骤(2)金属校准球与等效相位中心阵列所在平面的中心的连线垂直于等效 相位中心阵列所在平面。
[0026] 所述步骤(4)包括如下步骤：
[0027] 步骤(4-1):当采用等效相位中心阵列进行数据采集时，对于第i个区域第1个等效 相位中心单元(x(il)，y(il)，〇)相应的接收天线接收的测试回波信号记为Sm easure(il，k);
[0028] i的取值范围是1-m，其中，m表示对等效相位中心阵列划分的区域的个数；
[0029] 1的取值范围是1-n，其中，η表示每个区域里面的等效相位中心单元的个数；
[0030] 步骤(4-2):计算第i个区域第1个等效相位中心单元(x(il)，y(il)，0)相应的接收 天线接收的理论回波信号s?_sta(il，k);
[0031] 步骤(4-3):根据步骤(4-1)的测试回波信号Smeas_(il，k)和步骤(4-2)的理论回 波信号Sm〇_ sta(il，k)，计算等效相位中心阵列的第i个区域第1个等效相位中心单元(x(il)， y(il)，0)相应的相位补偿矩阵Factor(il，k);
[0032] 步骤(4-4):第i个区域第1个等效相位中心单元(x(il)，y(il)，0)相应的接收天线 接收的测试回波信号记为S m__(il，k)乘以步骤(4-3)的第i个区域第1个等效相位中心单 元(x(il)，y(il)，0)相应的相位补偿矩阵Factor(il，k)，得到第i个区域第1个等效相位中 心单元(1(11)，7(11)，〇)相位校准后的回波数据，完成第1区域内第1个等效相位中心单元 (x(l)，y(l)，0)相位校准；
[0033] 重复步骤(4-1)-步骤(4-4)，直至完成对第i区域内所有的等效相位中心单元的相 位校准；
[0034]同理，完成对所有区域的校准处理。
[0035]所述步骤（1)的ΜΜ0阵列的布局情况包括:十字阵、矩形阵、圆形阵或其他形式的 不规则阵列。
[0036] 所述步骤(3)的区域划分的原则是：
[0037] 当金属校准球距离等效相位中心阵列平面为R时，改变金属校准球的X方向和Y方 向的坐标位置，使波束能覆盖金属校准球的收发天线的数目满足设定阈值，则以波束能覆 盖金属校准球的收发天线对应等效相位中心阵列所在的区域为第一区域，同理寻找下个区 域，直到所有等效相位中心阵列被划分为止。
[0038] 在区域尽量大的情况下保证每个区域内的收发天线的主波束均能覆盖金属校准 球，得到若干区域。
[0039]所述步骤(4-1)的步骤为：
[0040] 根据第i个区域的等效相位中心阵列中心位置确定金属校准球位置坐标(Xi，yi， R);进行金属校准球的实际校准测试，得到第i个区域第1个等效相位中心单元（x(il)，y (il)，0)相应的接收天线接收的测试回波信号，记为Smeasure(il，k)。
[0041] 所述步骤(4-2)的步骤为：
[0042]根据式(3)计算等效相位中心阵列进行单站等效成像时，接收天线接收的理论回 波 ? 曰 ^jfSm。-sta( i 1，k);
[0044] 其中k = 2Jif/c为发射信号波数，f表示工作频率，c表示电磁波在真空中的传播速 度。
[0045] 所述步骤(4-3)的步骤为：
[0046] 使步骤(4-2)的接收天线接收的理论回波信号SM_sta(il，k)比上步骤(4-1)的接收 天线接收的测试回波信号S me3asure3(il，k)，得到等效相位中心阵列的相位补偿矩阵Factor (il，k)〇
[0047] 所述步骤(4-3)的公式为：
[0049]本发明的有益效果：
[0050] 1本发明的阵列校准方法可适用于超宽带、窄波束、近场、远场MBTO成像；
[0051] 2本发明需要根据收发天线位置、等效相位中心阵列、天线波束宽度、校准球位置 对阵列进行分区域处理。
[0052] 3本发明在高分辨率成像和节省硬件资源成本等方面有巨大优势，采用本发明进 行校准的Μ頂0阵列可以有效的对目标进行一维、二维或三维成像。
【附图说明】
[0053] 图1为等效相位中心不意图；
[0054] 图2为传统多探头阵列成像的相位补偿示意图；
[0055] 图3为十字形MBTO阵列；
[0056]图4为阵列分区域示意图；
[0057]图5为等效单元与收发天线对应关系示意图；
[0058]图6为校准球摆放示意图；
[0059] 图7为分区域式的MBTO阵列校准流程图。
【具体实施方式】
[0060] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0061] 首先根据ΜΙΜΟ阵列布局形式，确定其等效相位中心单元阵列，为了更形象的说明 本发明的校准原理，以简单的十字形ΜΜ0阵列为例，其阵列布局形式如图3所示，相邻发射 天线和接收天线的间隔均为2 △，△一般为阵列工作波长的一半。图4给出了该阵列相应的 等效相位中心阵列，假设近场成像条件下，天线的波束宽度有限，譬如区域1中等效单元对 应的收发天线波束不能覆盖或不能完全覆盖区域2、3、4内的待测目标，假设根据天线波束 宽度把等效相位中心阵列分成4个部分。
[0062]以区域1为例，找出其等效单元与收发天线对应关系，如图5所示，等效单元位于收 发天线的中点，可见等效单元间隔为Α。计算区域内等效相位中心阵列的中心位置坐标 (X〇，y〇)(本例中为(-4Δ，4Δ))，设校准球位于等效相位中心阵列中心前距离R(-般取0.5 到1.0m之间）处，在三维坐标系下，校准球的位置坐标为(xo，yo，R)(本例中为(-4 Δ，4 Δ，R)， 如图6所示。
[0063]当采用图2所示等效相位中心阵列进行数据采集时，对于第η个等效相位中心单元 (x(n)，y(n)，0)其相应的接收天线接收回波信号(不考虑幅度)记为Smeasure(n，k)，该等效相 位中心对应的理论回波近似为
[0065]其中k = 2Jif/c为发射信号波数，f表示工作频率，c表示电磁波在真空中的传播速 度。
[0066] 设校准矩阵为Factor(n，k)，定义
[0068]只需对区域1内每个等效相位单元对应的目标回波数据乘以Factor(n，k)即可完 成区域1内相位校准。同理，对于其他区域内，需重新确定校准球位置坐标，根据等效相位中 心与收发天线的对应关系，按照(4)式校准因子完成剩余区域内相位校准。
[0069] 如图7所示，一种分区域式的MBTO阵列校准方法，过程如下：
[0070] 步骤（1):首先，根据ΜΜ0的布局情况，建立坐标系确定每个发射天线和接收天线 的坐标位置；
[0071 ]步骤(2):根据双站雷达等效理论及步骤（1)的结果，确定每一对收发天线及其相 应的等效相位中心的对应关系，得到等效相位中心阵列及其坐标位置;如图1所示；
[0072] 步骤(3):根据等效相位中心阵列与收发天线的对应关系、金属校准球与等效相位 中心阵列平面的距离R和天线波束宽度对等效相位中心阵列进行区域划分，区域划分的原 则是在区域尽量大的情况下保证每个区域内的收发天线的主波束均能覆盖金属球，得到若 干区域；
[0073] 步骤(4):分别对各个区域的等效相位中心阵列进行相位校准处理。根据区域1中 等效相位中心阵列中心位置确定校准球位置坐标(1〇,7〇，1〇。进行实际测试，得到第11个等效 相位中心单元(x(n)，y(n)，0)相应的接收天线回波信号(不考虑幅度），记为S me3asure3(n，k); [0074]步骤(5):根据式(3)计算ΜΙΜΟ阵列进行单站等效成像时，接收天线接收的理论回 波{曰 ^5"Smo_ sta (n,k)；
[0075] 步骤(6):使步骤(5)的回波信号SmQ_s ta (η，k)比上步骤(4)的回波信号Smeas ure (η， k)，即根据式(4)计算ΜΙΜΟ的相位补偿矩阵Factor(n，k);
[0076] 步骤(7) :ΜΜ0阵列区域1的相位补偿矩阵已经求解完毕，使用距离徙动算法对实 际目标进行成像处理前，对区域1内的采样信号乘以步骤(6)的结果补偿矩阵，完成区域1内 阵列相位校准；
[0077]步骤(8):按照同样的原理，分别对剩余所有区域进行类似的阵列校准处理。
[0078]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范 围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不 需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【主权项】
1. 一种分区域式的ΜΙΜΟ阵列校准方法，其特征是，过程如下： 步骤（1):根据ΜΙΜΟ阵列的布局情况，建立Ξ维坐标系，确定每个发射天线和接收天线 的坐标位置； 步骤(2):根据双站雷达等效理论及每个发射天线和接收天线的坐标位置，确定每一对 收发天线与其相应的等效相位中屯、之间的对应关系，得到等效相位中屯、阵列及等效相位中 屯、阵列坐标位置;在等效相位中屯、阵列所在平面的中屯、的距离R处放置一个金属校准球； 步骤(3):根据等效相位中屯、阵列与收发天线的对应关系、金属校准球与等效相位中屯、 阵列平面的距离R和收发天线波束宽度对等效相位中屯、阵列进行区域划分； 步骤(4):分别对各个区域的等效相位中屯、阵列进行相位校准处理。2. 如权利要求1所述的一种分区域式的ΜΙΜΟ阵列校准方法，其特征是，所述步骤(2)金 属校准球与等效相位中屯、阵列所在平面的中屯、的连线垂直于等效相位中屯、阵列所在平面。3. 如权利要求1所述的一种分区域式的ΜΙΜΟ阵列校准方法，其特征是，所述步骤(4)包 括如下步骤： 步骤(4-1):当采用等效相位中屯、阵列进行数据采集时，对于第i个区域第1个等效相位 中屯、单元(x(il)，y(il)，〇)相应的接收天线接收的测试回波信号记为SmeasureQl，k); i的取值范围是1-m，其中，m表示对等效相位中屯、阵列划分的区域的个数； 1的取值范围是1-n，其中，η表示每个区域里面的等效相位中屯、单元的个数； 步骤(4-2):计算第i个区域第1个等效相位中屯、单元(x(il)，y(il)，0)相应的接收天线 接收的理论回波信号SmD_sta( il，k); 步骤(4-3):根据步骤(4-1)的测试回波信号Smeasure(il，k)和步骤(4-2)的理论回波信号 5。。_3*3(11，1〇，计算等效相位中屯、阵列的第1个区域第1个等效相位中屯、单元^。1)，7。1)， 0)相应的相位补偿矩阵化ctor(il，k); 步骤(4-4):第i个区域第1个等效相位中屯、单元(x(il)，y(il)，0)相应的接收天线接收 的测试回波信号记为Smeasure(il，k)乘W步骤(4-3)的第i个区域第1个等效相位中屯、单元(X (11)，7(11)，0)相应的相位补偿矩阵化(3*〇^11，1〇，得到第1个区域第1个等效相位中屯、单 元^。1)，7。1)，0)相位校准后的回波数据，完成第1区域内第1个等效相位中屯、单元^ (l)，y(l)，〇)相位校准； 重复步骤(4-1)-步骤(4-4)，直至完成对第i区域内所有的等效相位中屯、单元的相位校 准； 同理，完成对所有区域的校准处理。4. 如权利要求1所述的一种分区域式的ΜΙΜΟ阵列校准方法，其特征是，所述步骤（1)的 ΜΙΜΟ阵列的布局情况包括:十字阵、矩形阵、圆形阵或其他形式的不规则阵列。5. 如权利要求1所述的一种分区域式的ΜΙΜΟ阵列校准方法，其特征是，所述步骤(3)的 区域划分的原则是： 当金属校准球距离等效相位中屯、阵列平面为R时，改变金属校准球的X方向和Υ方向的 坐标位置，使波束能覆盖金属校准球的收发天线的数目满足设定阔值，则W波束能覆盖金 属校准球的收发天线对应等效相位中屯、阵列所在的区域为第一区域，同理寻找下个区域， 直到所有等效相位中屯、阵列被划分为止。6. 如权利要求3所述的一种分区域式的ΜΙΜΟ阵列校准方法，其特征是，所述步骤(4-1) 的步骤为： 根据第i个区域的等效相位中屯、阵列中屯、位置确定金属校准球位置坐标(xi，yi，R);进 行金属校准球的实际校准测试，得到第i个区域第1个等效相位中屯、单元(x(il)，y(il)，〇) 相应的接收天线接收的测试回波信号，记为Smeasure(il，k)。7. 如权利要求3所述的一种分区域式的ΜΙΜΟ阵列校准方法，其特征是，所述步骤(4-2) 的步骤为： 根据式（3)计算等效相位中屯、阵列进行单站等效成像时，接收天线接收的理论回波信 亏 Smo_sta ( i 1 , k );其中k = 2灶/c为发射信号波数，f表示工作频率，c表示电磁波在真空中的传播速度。8. 如权利要求3所述的一种分区域式的ΜΙΜΟ阵列校准方法，其特征是，所述步骤(4-3) 的步骤为:使步骤(4-2)的接收天线接收的理论回波信号SmD_sta(il，k)比上步骤(4-1)的接 收天线接收的测试回波信号Smeasure(il，k)，得到等效相位中屯、阵列的相位补偿矩阵化Ctor (il'k)。9. 如权利要求3所述的一种分区域式的ΜΙΜΟ阵列校准方法，其特征是，所述步骤(4-3) 的公式为：(4)。
【文档编号】G01S7/40GK106093898SQ201610701933
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月23日
【发明人】胡大海, 杜刘革, 常庆功, 王亚海
【申请人】中国电子科技集团公司第四十研究所, 中国电子科技集团公司第四十一研究所