CN111679254B - 一种线性调频信号mimo雷达系统的多通道校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种线性调频信号MIMO雷达系统的多通道校准方法，首先在正对雷达的位置设置一个强散射目标作为辅助校正装置，其次通过强散射目标对应的回波数据获取相位校正因子、幅度校正因子以及距离校正因子，实现对线性调频信号MIMO雷达系统在发送大带宽信号的情况下，对各收发通道间幅度、相位不一致性参数的准确提取，最后根据三个校正因子对回波数据与成像距离进行校正；由此可见，本发明在实现对多通道间幅度、相位的不一致性进行高精度校准的同时，仅需简单的辅助校正装置即可实现满足成像要求的校准精度，可去除传统方法中复杂的内定标装置及高精度校准件，整体校准方法简单易实施，解决了传统内定标系统、高精度校准件或复杂处理方法带来的成本高、复杂度高等问题。

Description

一种线性调频信号MIMO雷达系统的多通道校准方法

技术领域

本发明属于雷达探测技术领域，尤其涉及一种线性调频信号MIMO雷达系统的多通道校准方法。

背景技术

我国是世界上地质灾害最严重、受威胁人口最多的国家之一，其中滑坡灾害是地质灾害中发生频率最高和危害最大的一种。传统的非接触式测量手段主要包含近景摄影测量、激光扫描测量和星载差分干涉测量等，近年来MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多入多出)边坡形变监测雷达由于其扫描速度快，分辨率高，可连续探测等优势，已成为大家研究的热点。而由于线性调频连续波体制在动态范围、扫描速度、硬件实现等方面的综合优势，成为了MIMO边坡形变监测雷达的常用信号体制。

为了实现基于线性调频信号MIMO雷达的高精度形变监测，首先要实现高分辨率成像问题，这就要求系统工作在毫米波波段，且需同时具备大带宽及多通道。由于毫米波波长极短，多通道间连接线缆长度、弯折的不一致或接插件、天线等的细微差距都会造成多通道间幅度和相位的不一致，造成成像散焦等问题。目前针对MIMO系统多通道间的幅相不一致问题，主要采用内定标系统或高精度校准件对多通道之间幅度、相位差异进行测量校正，而这些方式会极大地提高对系统硬件的要求，校正的复杂度和成本均很高。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种线性调频信号MIMO雷达系统的多通道校准方法，仅需简单的辅助校正装置即可实现满足成像要求的校准精度，能够有效降低MIMO系统校准的成本与MIMO多通道校正的复杂度。

一种线性调频信号MIMO雷达系统的多通道校准方法，包括以下步骤：

S1：将MIMO雷达系统放置于室外空旷区域，在正对雷达且与雷达垂直距离为设定距离R的位置放置一个反射目标，其中，所述MIMO雷达系统包括N_t个发射天线与N_r个接收天线，则有N＝N_t×N_r个收发通道，且N_t与N_r至少为2；

S2：依次导通各收发通道，得到所述反射目标对应的N×M维回波数据矩阵Y，其中，M为单个脉冲重复周期的时域采样点数；

S3：对回波数据矩阵Y进行一维快速傅里叶变换，并将变换后的矩阵记为Y_FFT；

S4：分别获取Y_FFT矩阵各行数据中幅度最高的数据的相位，得到N×1维的相位矩阵P，同时，根据各收发通道对应的理论相位差得到N×1维的理论相位矩阵P0，然后根据相位矩阵P与理论相位矩阵P0的差值得到N×1维的相位误差矩阵err_p，并将相位误差矩阵err_p作为相位校正因子；

S5：分别获取Y_FFT矩阵各行数据中幅度最高的数据的幅值，得到N×1维的幅值矩阵A，然后根据幅值矩阵A得到幅度校正因子

其中，max(A)表示获取幅值矩阵A中的最大值；

S6：获取所述反射目标的实测距离

其中，c为光速，f_s为采样率，Num为排在最中心的收发通道中幅度最高的数据所在的采样点位置，K为线性调频率，然后将实测距离R′与设定距离R的差值作为距离校正因子err_r；

S7：依次导通各收发通道，获取实景目标对应的回波数据矩阵Y_new与实测距离R′_new，然后采用相位校正因子err_p、幅度校正因子err_a以及距离校正因子err_r对矩阵Y_new的各行数据以及成像距离进行校正，具体为：

Y_cal(n,m)＝Y_new(n,m)×err_a(n)×exp(-j×err_p(n))

R_cal＝R′_new+err_r

其中，Y_cal(n,m)为校正后的第n行第m个采样点的数据，Y_new(n,m)为回波数据矩阵Y_new的第n行第m个采样点的数据，err_a(n)为幅度校正因子的第n个元素，err_p(n)为相位校正因子的第n个元素，n＝1,2,…,N，m＝1,2,…,M，R_cal为校正后的成像距离。

进一步地，所述设定距离R满足如下条件：

其中，L为MIMO雷达系统的天线阵列方位向上的等效阵列长度，λ为发射信号中心频率的波长，△r为设定距离R的测量误差，

为由测量误差△r在多通道间引入的最大相位误差，其中：

其中，x为等效相位中心与原点的距离。

进一步地，一种线性调频信号MIMO雷达系统的多通道校准方法，还包括以下步骤：

在放置反射目标之前，MIMO雷达系统对空放置，依次导通各收发通道，得到预设长度范围内的空场景对应的N×M维回波数据矩阵Y_couple；

对回波数据矩阵Y_couple进行一维快速傅里叶变换，并将变换后的矩阵记为Y_couple_FFT；

获取Y_couple_FFT矩阵各行数据中幅度最高的数据，得到N×1维的直耦波矩阵Y_couple_saved；

在完成矩阵Y_new与成像距离的校正后，重新获取预设长度范围内的空场景对应的回波数据并作一维快速傅里叶变换，然后获取变换后的矩阵各行数据中幅度最高的数据，得到N×1维的直耦波矩阵Y_couple_new；

更新幅度校正因子err_a与相位校正因子err_p：

err_a(n)^new＝err_a(n)×amp(Y_couple_saved(n))/amp(Y_couple_new(n))

err_p(n)^new＝err_p(n)+phase(Y_couple_new(n))-phase(Y_couple_saved(n))

其中，err_a(n)^new为更新后的幅度校正因子err_a的第n行数据，err_p(n)^new为更新后的相位校正因子err_p的第n行数据，Y_couple_saved(n)为直耦波矩阵Y_couple_saved的第n行数据，Y_couple_new(n)为直耦波矩阵Y_couple_new的第n行数据，amp(*)为取括号中数据的幅度，phase(*)为取括号中数据的相位；

将更新后的幅度校正因子err_a ^new与相位校正因子err_p ^new分别代替幅度校正因子err_a与相位校正因子err_p对后续的回波数据矩阵与成像距离进行校正。

有益效果：

1、本发明提供一种线性调频信号MIMO雷达系统的多通道校准方法，首先在正对雷达的位置设置一个强散射目标作为辅助校正装置，其次通过强散射目标对应的回波数据获取相位校正因子、幅度校正因子以及距离校正因子，实现对线性调频信号MIMO雷达系统在发送大带宽信号的情况下，对各收发通道间幅度、相位不一致性参数的准确提取，最后根据三个校正因子对回波数据与成像距离进行校正；由此可见，本发明在实现对多通道间幅度、相位的不一致性进行高精度校准的同时，仅需简单的辅助校正装置即可实现满足成像要求的校准精度，可去除传统方法中复杂的内定标装置及高精度校准件，整体校准方法简单易实施，解决了传统内定标系统、高精度校准件或复杂处理方法带来的成本高、复杂度高等问题。

2、本发明提供一种线性调频信号MIMO雷达系统的多通道校准方法，可以通过调整强散射目标与雷达之间的距离R来降低测距误差对矫正精度的影响。

3、本发明提供一种线性调频信号MIMO雷达系统的多通道校准方法，在产品正常使用过程中，基于两次接收的直耦波幅度、相位信息的比对，对多通道的幅度、相位校正因子进行周期性更新，以新的校正因子替换原有校正因子，可使系统在长期使用过程中持续有较好的校正效果。

附图说明

图1为本发明提供的一种线性调频信号MIMO雷达系统的多通道校准方法的流程图；

图2为本发明提供的MIMO雷达系统多通道校准场景示意图；

图3为本发明提供的天线阵列与等效相位中心示意图；

图4为本发明提供的无通道差异理想成像结果示意图；

图5为本发明提供的无通道差异方位向聚焦成像结果示意图；

图6为本发明提供的有通道差异成像结果示意图；

图7为本发明提供的有通道差异方位向聚焦成像结果示意图；

图8为本发明提供的有通道差异校正后成像结果示意图；

图9为本发明提供的有通道差异校正后方位向聚焦成像结果示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种线性调频信号MIMO雷达系统的多通道校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将MIMO雷达系统放置于室外空旷区域，在正对雷达且与雷达垂直距离为设定距离R的位置放置一个强反射目标，其中，所述MIMO雷达系统包括N_t个发射天线与N_r个接收天线，则有N＝N_t×N_r个收发通道，且N_t与N_r至少为2。

例如，如图2所示，将MIMO雷达系统放置于室外空旷区域，在正对雷达距雷达垂直距离为R的位置放置一个强反射目标，如角反射器，调整角反射器的位置使角反射器位于雷达中垂线上。

此处需考虑实际操作过程中测距误差对通道间相位校正的影响。为了使由测距误差引入的通道间的相位误差满足系统校正精度的要求，R应满足：

其中，L为MIMO雷达系统的天线阵列方位向上的等效阵列长度，λ为发射信号中心频率的波长，△r为设定距离R的测量误差，

为由测量误差△r在多通道间引入的最大相位误差。

上式的推导过程如下：

通道相位误差的测量思想是计算实际回波相位与理论回波相位之差，因此理论回波相位的准确度会影响到通道相位校正的结果。而理论回波相位取决于天线与强散射点之间的距离。由于天线的坐标误差由结构机械精度决定，目前可做到亚毫米级以上，对系统的影响可忽略。而对于目标位置，影响聚焦的重要因素是距离向的准确度，因此重点分析强散射点测量距离R的测量误差对理论回波相位的影响。

本方案所述线性MIMO雷达系统，各收发通道的等效相位中心位于方位向的一条直线上，如图3所示，则天线阵列上偏离原点处x的位置与原点位置的相位差可表述为：

当R存在测量误差△r时，在通道间引入的相位差为：

因此，可根据系统参数与相位精度要求，计算所需的R值，如：对边坡形变监测雷达常见的Ku波段，当阵列长度为2m，x最大值为1m，当测量误差△r为0.5m，引入的最大相位误差为±1°时，可计算得R至少取70m。

S2：依次导通各收发通道，得到所述强反射目标对应的N×M维回波数据矩阵Y，其中，M为单个脉冲重复周期的时域采样点数。

也就是说，依次切换各路发射、接收通道导通，使每次仅有一对收发通道在开启状态。为了降低噪声对通道校准的影响，在每个收发通道导通时，控制雷达以脉冲重复周期PRT为周期，持续发送并接收多个PRT的数据，其中每个PRT的数据为带宽为B，线性调频率为K的线性调频连续波信号，信号形式为：

-PRT/2≤t≤PRT/2，f₀为中心频率。

接收回波数据后，对同属一个收发通道的多个PRT采样数据进行积累后，将数据记录在回波矩阵Y中，Y为N*M维，其中N为收发通道总数。

S3：对回波数据矩阵Y进行一维快速傅里叶变换，并将变换后的矩阵记为Y_FFT。

S4：分别获取Y_FFT矩阵各行数据中幅度最高的数据的相位，得到N×1维的相位矩阵P，同时，根据各收发通道对应的理论相位差得到N×1维的理论相位矩阵P0，然后根据相位矩阵P与理论相位矩阵P0的差值得到N×1维的相位误差矩阵err_p，并将相位误差矩阵err_p作为相位校正因子。

需要说明的是，通道相位校正因子是指多个收发通道间的相位差异；根据步骤S1测量得到的强散射目标与雷达的距离R和MIMO天线的位置关系，计算各收发通道间理论相位差，并记录在理论相位矩阵P0中，则在远场条件下，理论相位计算公式为：

其中，

为发射天线坐标，1≤i≤N_t，

为接收天线坐标，1≤k≤N_r，(x₀，y₀，z₀)为强散射点坐标，在这里x₀＝z₀＝0，y₀＝R；由此可计算得各通道的相位误差矩阵为err_p＝P-P₀，err_p为一个N×1维矩阵，对应各通道间的相位差。

S5：分别获取Y_FFT矩阵各行数据中幅度最高的数据的幅值，得到N×1维的幅值矩阵A，然后根据幅值矩阵A得到幅度校正因子

其中，max(A)表示获取幅值矩阵A中的最大值。

需要说明的是，幅度校正因子是指多个收发通道间的幅度差异；由于当前场景中，各路通道间由路径差异或目标RCS引入的幅度差异很小，可认为回波信号幅度的差异主要是由硬件系统引入，则可参照上述方法计算通道幅度校正因子；同时，err_a为一个N×1维矩阵，对应各收发通道间的幅度差。

S6：获取所述强反射目标的实测距离

其中，c为光速，f_s为采样率，Num为排在最中心的收发通道中幅度最高的数据所在的采样点位置，K为线性调频率，然后将实测距离R′与设定距离R的差值作为距离校正因子err_r。

需要说明的是，距离校正因子是指由线性调频信号中频回波频率推导得到的距离与真实目标距离的差异；也就是说，在一维FFT后的矩阵Y_FFT中，提取排在最中心收发通道幅度最高的数据的位置，记为Num，则测得的目标距离为R′，而实际到目标的距离为测量值R，距离校正因子err_r＝R-R′。

S7：依次导通各收发通道，获取实景目标对应的回波数据矩阵Y_new与实测距离R′_new，然后采用相位校正因子err_p、幅度校正因子err_a以及距离校正因子err_r对矩阵Y_new的各行数据以及成像距离进行校正，具体为：

Y_cal(n,m)＝Y_new(n,m)×err_a(n)×exp(-j×err_p(n))

R_cal＝R′_new+err_r

其中，Y_cal(n,m)为校正后的第n行第m个采样点的数据，Y_new(n,m)为回波数据矩阵Y_new的第n行第m个采样点的数据，err_a(n)为幅度校正因子的第n个元素，err_p(n)为相位校正因子的第n个元素，n＝1,2,…,N，m＝1,2,…,M，R_cal为校正后的成像距离，j为虚部。

需要说明的是，在获取实景目标对应的回波数据矩阵Y_new，也可以采用与获取强散射目标的回波数据不同的脉冲重复周期。

进一步地，在完成一段时间的数据收发后，为了在系统在长期使用过程中可持续维持较好的校正效果，保证数据的准确性性，本发明还可以基于直耦波幅相信息比对，更新系统幅相校正因子，以新的校正因子替换原有校正因子，具体包括以下步骤：

在放置强反射目标之前，MIMO雷达系统对空放置，依次导通各收发通道，得到预设长度范围内，如5～10米范围内的空场景对应的N×M维回波数据矩阵Y_couple。

对回波数据矩阵Y_couple进行一维快速傅里叶变换，并将变换后的矩阵记为Y_couple_FFT。

获取Y_couple_FFT矩阵各行数据中幅度最高的数据，得到N×1维的直耦波矩阵Y_couple_saved。需要说明的是，直耦波矩阵Y_couple_saved为一个复数矩阵，其作为初始标定数据存储在MIMO雷达系统。

在完成矩阵Y_new与成像距离的校正后，重新获取预设长度范围内的空场景对应的回波数据并作一维快速傅里叶变换，然后获取变换后的矩阵各行数据中幅度最高的数据，得到N×1维的直耦波矩阵Y_couple_new。

更新幅度校正因子err_a与相位校正因子err_p：

err_a(n)^new＝err_a(n)×amp(Y_couple_saved(n))/amp(Y_couple_new(n))

err_p(n)^new＝err_p(n)+phase(Y_couple_new(n))-phase(Y_couple_saved(n))

其中，err_a(n)^new为更新后的幅度校正因子err_a的第n行数据，err_p(n)^new为更新后的相位校正因子err_p的第n行数据，Y_couple_saved(n)为直耦波矩阵Y_couple_saved的第n行数据，Y_couple_new(n)为直耦波矩阵Y_couple_new的第n行数据，amp(*)为取括号中数据的幅度，phase(*)为取括号中数据的相位。

最后，在执行校正因子更新后，更新后的幅度校正因子err_a ^new与相位校正因子err_p ^new分别代替原有的幅度校正因子err_a与相位校正因子err_p，用于下次实景目标回波数据与成像距离的校正；同时，以Y_couple_new替代Y_couple_saved存储在MIMO雷达系统，用于下次校正因子的更新。

图4～图9给出了应用本专利所提系统校正方法对线性调频信号MIMO雷达系统执行校准前后的成像效果。在该场景中雷达中心为原点，目标位于(0，100)m处。图4和图5给出了理想无通道间幅相差异情况下的二维成像效果及目标方位向聚焦的效果。图6-图7给出了通道间加入0-2π的随机相位误差及0-3dB的随机幅度误差且无校正的情况下的二维成像效果及目标方位向聚焦结果，可见由于通道间幅度、相位误差的存在，无法实现方位向聚焦。图8和图9给出了应用所提方法进行系统校准后的成像效果，可见在执行了所述校准方法后，可有效改善通道间不一致性对方位向成像的影响，提升MIMO系统的成像效果。

由此可见，针对MIMO系统多通道间的幅相不一致问题，现有方法主要采用内定标系统或高精度校准件对多通道之间幅度、相位差异进行测量校正，而这些方式会极大地提高对系统硬件的要求，且校正的复杂度和成本均很高。而本发明所提供的校准方法，有以下优点：

1.可以实现对线性调频信号MIMO雷达系统在发送大带宽信号的情况下，对各通道间幅度、相位不一致性参数的准确提取。

2.根据所述的校准装置的设置方法，仅需简单的辅助测试装置即可实现满足成像要求的校准精度，可去除复杂的内定标装置及高精度校准件，有效降低MIMO系统校准的成本。

3.整体校准方法简单易实施，有效降低了MIMO多通道校正的复杂度。

4.在产品正常使用过程中，可对多通道的幅度、相位校正因子进行周期性更新，在设备的长期使用过程中可持续维持较好的校正效果。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种线性调频信号MIMO雷达系统的多通道校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将MIMO雷达系统放置于室外空旷区域，在正对雷达且与雷达垂直距离为设定距离R的位置放置一个反射目标，其中，所述MIMO雷达系统包括N_t个发射天线与N_r个接收天线，则有N＝N_t×N_r个收发通道，且N_t与N_r至少为2；

S2：依次导通各收发通道，得到所述反射目标对应的N×M维回波数据矩阵Y，其中，M为单个脉冲重复周期的时域采样点数；

S3：对回波数据矩阵Y进行一维快速傅里叶变换，并将变换后的矩阵记为Y_FFT；

S4：分别获取Y_FFT矩阵各行数据中幅度最高的数据的相位，得到N×1维的相位矩阵P，同时，根据各收发通道对应的理论相位差得到N×1维的理论相位矩阵P0，然后根据相位矩阵P与理论相位矩阵P0的差值得到N×1维的相位误差矩阵err_p，并将相位误差矩阵err_p作为相位校正因子；

S5：分别获取Y_FFT矩阵各行数据中幅度最高的数据的幅值，得到N×1维的幅值矩阵A，然后根据幅值矩阵A得到幅度校正因子

其中，max(A)表示获取幅值矩阵A中的最大值；

S6：获取所述反射目标的实测距离

其中，c为光速，f_s为采样率，Num为排在最中心的收发通道中幅度最高的数据所在的采样点位置，K为线性调频率，然后将实测距离R′与设定距离R的差值作为距离校正因子err_r；

S7：依次导通各收发通道，获取实景目标对应的回波数据矩阵Y_new与实测距离R′_new，然后采用相位校正因子err_p、幅度校正因子err_a以及距离校正因子err_r对矩阵Y_new的各行数据以及成像距离进行校正，具体为：

Y_cal(n,m)＝Y_new(n,m)×err_a(n)×exp(-j×err_p(n))

R_cal＝R′_new+err_r

其中，Y_cal(n,m)为校正后的第n行第m个采样点的数据，Y_new(n,m)为回波数据矩阵Y_new的第n行第m个采样点的数据，err_a(n)为幅度校正因子的第n个元素，err_p(n)为相位校正因子的第n个元素，n＝1,2,…,N，m＝1,2,…,M，R_cal为校正后的成像距离，j为虚部。

2.如权利要求1所述的一种线性调频信号MIMO雷达系统的多通道校准方法，其特征在于，所述设定距离R满足如下条件：

其中，L为MIMO雷达系统的天线阵列方位向上的等效阵列长度，λ为发射信号中心频率的波长，△r为设定距离R的测量误差，

为由测量误差△r在多通道间引入的最大相位误差，其中：

其中，x为等效相位中心与原点的距离。

3.如权利要求1所述的一种线性调频信号MIMO雷达系统的多通道校准方法，其特征在于，还包括以下步骤：

在放置反射目标之前，MIMO雷达系统对空放置，依次导通各收发通道，得到预设长度范围内的空场景对应的N×M维回波数据矩阵Y_couple；

对回波数据矩阵Y_couple进行一维快速傅里叶变换，并将变换后的矩阵记为Y_couple_FFT；

获取Y_couple_FFT矩阵各行数据中幅度最高的数据，得到N×1维的直耦波矩阵Y_couple_saved；

在完成矩阵Y_new与成像距离的校正后，重新获取预设长度范围内的空场景对应的回波数据并作一维快速傅里叶变换，然后获取变换后的矩阵各行数据中幅度最高的数据，得到N×1维的直耦波矩阵Y_couple_new；

更新幅度校正因子err_a与相位校正因子err_p：

err_a(n)^new＝err_a(n)×amp(Y_couple_saved(n))/amp(Y_couple_new(n))

err_p(n)^new＝err_p(n)+phase(Y_couple_new(n))-phase(Y_couple_saved(n))

其中，err_a(n)^new为更新后的幅度校正因子err_a的第n行数据，err_p(n)^new为更新后的相位校正因子err_p的第n行数据，Y_couple_saved(n)为直耦波矩阵Y_couple_saved的第n行数据，Y_couple_new(n)为直耦波矩阵Y_couple_new的第n行数据，amp(*)为取括号中数据的幅度，phase(*)为取括号中数据的相位；

将更新后的幅度校正因子err_a ^new与相位校正因子err_p ^new分别代替幅度校正因子err_a与相位校正因子err_p对后续的回波数据矩阵与成像距离进行校正。

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