CN103630884B - 一种毫米波天线阵列的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种毫米波天线阵列的校准方法，利用校准金属板采用外部参考的校准方法实现天线阵列的幅度和相位的粗校准，然后利用借助空间频率内插的波前重构算法实现对校准金属板的三维空间重构，通过三维空间散射强度分布切面图的自聚焦来修正天线阵列的相位实现相位的精校准。本发明在无需增加额外的校准算法利用成像算法和外部参考校准方法大幅度提高了毫米波天线阵列的校准精度。

Description

一种毫米波天线阵列的校准方法

技术领域

本发明涉及一种毫米波天线阵列的校准方法。

背景技术

随着近距离主动式毫米波圆柱扫描成像系统的不断推广，系统中采用的毫米波天线阵列的幅度和相位的不均衡，限制了成像系统的图像质量以及危险品的有效检测，如何有效的减小毫米波天线阵列的幅度和相位的不平衡成为了近距离主动式毫米波圆柱扫描成像的关键技术。

目前，已经申请的毫米波天线阵列的校准方法有：硬件通道校准、天线互耦校准、外部参考校准以及目标成像校准。硬件通道校准是通过在天线阵列的每个通道通过增加硬件的方法进行幅度和相位的补偿。这种方法具有校准速度快，实时性好等优点，但是由于对成本要求较高，而且由于校准器件本身幅相特性的影响，导致校准的精度很难控制。天线互耦校准是利用天线之间的互耦信号进行校准的方法，这种方法优点在于能够实时校准，缺点是由于天线互耦信号的不确定性，导致校准引入的误差较大。外部参考校准是利用外部的参考信号或者参考目标进行校准的方法，这种校准方法校准时包括了天线和路径的幅相特性，而且不需要增加硬件成本，缺点是校准的精度与外部参考目标的摆放位置有紧密的关系以及校准的实时性较差。目标成像校准是通过对标准目标或参考目标的采样数据进行相应的变换来实现天线阵列的方法，这种校准方法通过成像的结果来修正天线阵列的各个收发通道的幅度和相位。这种方法的优点在于工程实现简单，缺点在于实现算法复杂，校准的精度受系统参数和校准算法的控制。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明的一种目的是提供一种毫米波天线阵列的校准方法，以提高毫米波天线阵列的各个通道幅度和相位的校准精度。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种毫米波天线阵列的校准方法，该校准方法包括如下步骤：

S1利用校准金属板对毫米波天线阵列粗校准；

S2对毫米波天线阵列进行三维重构，得到校准金属板的三维空间散射强度分布；

S3利用校准金属板的三维空间散射强度分布σ(x,y,z)的切面图，实现毫米波天线阵列各个收发通道的相位精校准。

所述S1对毫米波天线阵列粗校准包括：

S101.校准金属板放到成像区域的中间，毫米波信号通过天线阵列的各个通道自上而下对校准金属板扫描得到采样数据S_Cal(θ₀,ω,z)；

S102.确定校准金属板的理论参考回波信号并得到毫米波天线阵列的粗校准因子

S103.粗校准因子S_Calfactor乘以成像系统工作时的每一列采样数据得到毫米波天线阵列不同收发通道采样数据的幅度校准和相位的粗校准。

所述校准金属板的三维空间散射强度分布为

$\mathrm{\σ}(x,y,z)=F_{(k_x,k_y,k_z)}^{-1}\left\{F_{\left(\mathrm{\ξ}\right)}^{-1}\right[S(\mathrm{\ω},\mathrm{\ξ},k_z)e^{-j\sqrt{{4k}_r^2{R}^2-{\mathrm{\ξ}}^2}}\left]\right\}$

其中，S(ω,ξ,k_z)是对S(ω,θ,z)沿着θ和z方向的二维傅立叶变换，R为成像系统的扫描半径，

本发明的优点在于：

本发明的优点是在无需增加额外的校准算法利用成像算法和外部参考校准方法大幅度提高了毫米波天线阵列的校准精度。

附图说明

图1是毫米波天线阵列校准结构示意图。

图2是校准金属板重构后水平切面示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的说明。一种毫米波天线阵列的校准方法具体步骤如下：

第一步：毫米波天线阵列的粗校准。

将校准金属板1放到成像系统3的成像区域的中间，校准金属板的反射面到毫米波天线阵列2的各个收发通道天线口面的距离尽量一致。天线阵列在保持静止条件下，毫米波信号通过天线阵列的各个收发通道完成自上而下的对校准金属板的扫描得到采样数据，定义为S_Cal(θ₀,ω,z)，其中，θ₀表示天线阵列在此时的固定角度下进行采样，ω表示成像系统3发射信号的频率，z表示每个收发通道的天线口面沿着Z轴方向的位置。校准金属板的反射面沿着天线阵列波束方向到天线阵列口面的最短距离为r₀，如图1所示，此时，假设校准金属板的反射为理论点目标反射，则定义理论的参考回波信号为

$S_{\mathrm{Caltheory}}(\mathrm{\ω},z)=e^{-j2k_{\mathrm{\ω}}{r}_0}---\left(1\right)$

其中，k_ω=ω/c定义为波数，毫米波天线阵列的粗校准因子为

$S_{\mathrm{Calfactor}}(\mathrm{\ω},z)=\frac{S_{\mathrm{Caltheory}}(\mathrm{\ω},z)}{S_{\mathrm{Cal}}({\mathrm{\θ}}_0,\mathrm{\ω},z)}---\left(2\right)$

利用粗校准因子S_Calfactor乘以成像系统工作时的每一列采样数据就可以完成毫米波天线阵列不同收发通道采样数据的幅度校准和相位的粗校准。

第二步：为了得到校准金属板的三维空间散射强度分布，对毫米波阵列天线进行三维重构。

在直角坐标系下，利用现有的借助空间频率内插的波前重构算法得到校准金属板的三维空间散射强度分布为

$\mathrm{\σ}(x,y,z)=F_{(k_x,k_y,k_z)}^{-1}\left\{F_{\left(\mathrm{\ξ}\right)}^{-1}\right[S(\mathrm{\ω},\mathrm{\ξ},k_z)e^{-j\sqrt{{4k}_r^2{R}^2-{\mathrm{\ξ}}^2}}\left]\right\}---\left(3\right)$

毫米波天线阵列在扫描状态下完成校准金属板的采样，得到回波数据S(ω,θ,z)，利用三维重构公式（3）得到校准金属板的三维空间散射强度分布σ(x,y,z)，其中S(ω,ξ,k_z)是对S(ω,θ,z)沿着θ和z方向的二维傅立叶变换，R为成像系统的扫描半径，根据平面波分量的色散关系有其中，k_x、k_y、k_z是k_ω沿直角坐标系坐标轴方向的分量，于是，

第三步：利用校准金属板的三维空间散射强度分布σ(x,y,z)的切面图，实现毫米波天线阵列各个收发通道的相位精校准。

定义天线阵列某一个收发通道的天线口面沿着Z轴方向的位置为z′，于是，校准金属板的三维空间散射强度分布σ(x,y,z)在Z轴方向位置为z′处的水平切面为σ(x,y,z′)。由于校准金属板的长度大于毫米波天线阵列的长度，天线阵列每个收发通道都有唯一的校准金属板的三维空间散射强度分布σ(x,y,z)的水平切面与其对应。利用水平切面σ(x,y,z′)中的校准金属板的两个反射面的位置（如图2中1所示）与理论上校准金属板的两个反射面位置（如图2中2所示）的偏差得到距离修正因子L_n，其中，为了方便计算(x,y)和(x′,y′)为校准金属板反射面的边沿对应位置。于是，得到与该位置z′对应的收发通道的相位修正信息通过该相位信息补偿天线阵列的各个收发通道的相位，实现相位的精校准。

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种毫米波天线阵列的校准方法，其特征在于，该校准方法包括如下步骤：

S1.利用校准金属板对毫米波天线阵列粗校准；

S2.对毫米波天线阵列进行三维重构，得到校准金属板的三维空间散射强度分布；

S3.利用校准金属板的三维空间散射强度分布σ(x,y,z)的切面图，实现毫米波天线阵列各个收发通道的相位精校准；

步骤S1包括：

S101.校准金属板放到成像区域的中间，毫米波信号通过天线阵列的各个通道自上而下对校准金属板扫描得到采样数据S_Cal(θ₀,ω,z)；

S102.确定校准金属板的理论参考回波信号并得到毫米波天线阵列的粗校准因子ω表示成像系统发射信号的频率,k_ω＝ω/c定义为波数,r₀为校准金属板的反射面沿着天线阵列波束方向到天线阵列口面的最短距离；

S103.粗校准因子S_Calfactor乘以成像系统工作时的每一列采样数据得到毫米波天线阵列不同收发通道采样数据的幅度校准和相位的粗校准；

所述校准金属板的三维空间散射强度分布为：

$\mathrm{\σ}(x,y,z)=F_{(k_x,k_y,k_z)}^{-1}\{F_{\left(\mathrm{\ξ}\right)}^{-1}\[S(\mathrm{\ω},\mathrm{\ξ},k_z)e^{-j\sqrt{4k_r^2{R}^2-{\mathrm{\ξ}}^2}}\]\}$

其中，表示沿着k_x，k_y，k_z三个方向的三维傅立叶逆变换，k_x是k_ω沿直角坐标系x轴方向的分量，k_y是k_ω沿直角坐标系y轴方向的分量，k_z是k_ω沿直角坐标系z轴方向的分量，S(ω,ξ,k_z)是对毫米波天线阵列在扫描状态下完成校准金属板的采样得到回波数据S(ω,θ,z)沿着θ和z方向的二维傅立叶变换，ξ为S(ω,θ,z)沿着θ和z方向的二维傅立叶变换后θ对应的变量，表示沿着ξ方向的一维傅立叶逆变换，R为成像系统的扫描半径，

步骤S3包括：

校准金属板的三维空间散射强度分布σ(x,y,z)在Z轴方向位置为z′处的水平切面为σ(x,y,z′)，利用水平切面σ(x,y,z′)中的校准金属板的两个反射面的位置与理论上校准金属板的两个反射面位置的偏差得到距离修正因子L_n，其中，(x,y)为校准金属板三维重构后反射面的边沿对应位置,(x′,y′)为理论上校准金属板反射面的边沿对应位置,得到与该位置z′对应的收发通道的相位修正信息通过该相位修正信息补偿天线阵列的各个收发通道的相位，实现相位的精校准。