一种分区域式的MIMO阵列校准方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种分区域式的MIMO阵列校准方法。
技术介绍
MIMO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。MIMO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。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；设某一时刻有一对收发天线工作，照射的目标为p，发射单元发射电磁波经过路线到达目标p，经p后的散射回波再经过路线被接收单元接收；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上；发射单元、接收单元及目标p构成了一个三角形，等效相位中心同时在该三角形角p的角平分线上，因此所述角平分线与的交点即为所要求的等效相位中心；设等效相位中心向量为根据三角形几何对应关系，则与之间有如下关系 p o → s = p → c ( | r r → x | | r t → x | + 1 ) - - - ( 1 ) . ]]>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 e r r = | p o → s | - | p → c | 2 - - - ( 2 ) . ]]>实际应用中，MIMO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。目前国内关于近场散射成像的MIMO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：一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。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。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Epole，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Etheory。于是补偿矩阵可以表示为Etheory/Epole，该矩阵与频率及等效相位中心位置有关。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。
技术实现思路
本专利技术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MIMO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。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种分区域式的MIMO阵列校准方法，过程如下：步骤(1)：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；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；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；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。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。所述步骤(4)包括如下步骤：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l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)；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；l的取值范围是1-n，其中，n表示每个区域里面的等效相位中心单元的个数；步骤(4-2)：计算第i个区域第l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Smo_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Smo_sta(il,k)，计算等效相位中心阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分区域式的MIMO阵列校准方法，其特征是，过程如下：步骤(1)：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；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；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；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。

【技术特征摘要】
1.一种分区域式的MIMO阵列校准方法，其特征是，过程如下：步骤(1)：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；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；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；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。2.如权利要求1所述的一种分区域式的MIMO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。3.如权利要求1所述的一种分区域式的MIMO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)：当采用等效相位中心阵列进行数据采集时，对于第i个区域第l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)；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；l的取值范围是1-n，其中，n表示每个区域里面的等效相位中心单元的个数；步骤(4-2)：计算第i个区域第l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Smo_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Smo_sta(il,k)，计算等效相位中心阵列的第i个区域第l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)；步骤(4-4)：第i个区域第l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)乘以步骤(4-3)的第i个区域第l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l个等效相位中心单元(x(il),y(il),0)相位校准后的回波数据，完成第i区域内第l个等效相位中心单元(x(l),y(l),0)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心单元的相位校准；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MIMO阵列校准方法，其特征是，所述步骤(1)的MIMO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MIMO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。6.如权利要求3所述的一种分区域式的MIMO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l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)。7.如权利要求3所述的一种分区域式的MIMO阵列校准方法，其特征是，所述步骤(4-2)的步骤为：根据式(3)计算等效相位中心阵列进行单站等效成像时，接收天线接收的理论回波信号Smo_sta(il,k)； S m o _ s t a ...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡大海，杜刘革，常庆功，王亚海，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十一研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37