CN112630779A - 一种软件化mimo三维成像雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及雷达系统技术领域，具体涉及一种软件化MIMO三维成像雷达系统，包括信号处理分系统、控制与数据采集分系统、发射分系统和接收分系统；利用控制与数据采集分系统中的软件控制程序生成数字波形，通过发射分系统将数字波形转换成模拟基带信号，再经混频器上变频成射频信号，利用功分器分为两路，其中一路用于信号发射，另一路作为参考信号经过40dB衰减后传输至接收分系统，从而利用发射分系统缝处的参考信号实现发射和接收之间的时间、频率和相位同步，以使接收本振和发射本振具有相参性，进而提供了一套具有低成本、轻量化和高分辨率特点的MIMO雷达系统。
Description
技术领域
本发明涉及雷达系统技术领域，具体涉及一种软件化MIMO三维成像雷达系统。
背景技术
成像雷达系统能够获得的空间扩展目标高精度多维信息，包括距离、方位角和俯仰角等，且对云层、雨雪等大气环境具有良好的适应性，不受光照条件影响，能够进行全天候探测，在经济社会发展和国防建设中具有不可替代的作用。
其中，多输入多输出(Multiple-Input-Multiple-Output,MIMO)成像雷达系统通过波形分集形成虚拟阵元，可在有限阵元数目的条件下可以获得较高的方位向和俯仰向分辨力，与合成孔径雷达和逆合成孔径雷达相比，MIMO成像雷达通过空间采样，可避免复杂的运动补偿，理论上具有单次快拍成像能力，由于兼具高分辨力和实时性的特点，MIMO成像雷达已经成为成像雷达系统的重要发展方向，例如，地基MIMO成像雷达在高精度位移监测方面取得了重要进展。
虽然MIMO成像雷达的理论研究成果丰硕，但是实际应用却进展缓慢。主要原因在于，一方面，成像雷达系统的专业化和集成化程度很高，一般针对特定任务需要专门研发相对应的系统，软硬件模块的通用性和开放性不足，使得应用成本居高不下。MIMO成像雷达属于其中结构复杂度最高的一类，性能提升的同时也带来了构建成本高昂的问题。另一方面，针对特定功能开发的硬件模块不具备可重构性，常规的雷达系统由天线、发射机、接收机、射频转换器、信号处理机、显示器等基本单元组成，硬件单元的工作参数是固定的，系统工作逻辑一旦确定就很难做出更改，例如，发射机和接收机的本振只有若干固定的频率；信号处理单元只能被动处理接收机传输过来的信号，无法根据处理结果实时指导雷达调整收发参数。常规雷达系统在日益拥挤复杂的电磁环境中只能按照既有模式工作，系统存在灵活性差的问题。
近年来，市场上商用软件定义无线电(Software Defined Radio，SDR)设备的型号日益增多，性能不断增强，为SDRadar系统的构建提供了低成本和高灵活性的解决方案。商用SDR模块的价格相对低廉，并且具有实现目标探测功能的潜力，但是低成本带来的性能差距使其无法直接应用于构建雷达系统，尤其无法直接应用于构建结构复杂的MIMO成像雷达，其中存在的主要问题是无法满足收发同步的要求，商用SDR模块通常不考虑接收信号和发射信号的时间、相位同步，同一块SDR的接收和发射本振通常不具备相参性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用低成本商用SDR模块构件的软件化MIMO三维成像雷达系统，通过多通道设计和信号处理解决商用SDR模块接收和发射本振不具备相参性的问题，能够对目标实现高精度三维成像。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种软件化MIMO三维成像雷达系统，包括信号处理分系统、控制与数据采集分系统、发射分系统和接收分系统；
所述控制与数据采集分系统中的软件控制程序生成初始Python文件，在修改完初始Python文件后生成嵌入式Python文件，以实现波形产生、数据采集传输和参数控制；
所述信号处理分系统与所述控制与数据采集分系统信号连接，所述控制与数据采集分系统将采集到的信号交叉压缩打包后，通过TCP/IP协议传送至所述信号处理分系统，所述信号处理分系统将接收到的信号进行处理，并整合成三维复数信号数据块，同时显示三维成像结果；
所述发射分系统分别和所述控制与数据采集分系统、所述接收分系统信号连接，所述发射分系统采用SDR模块，所述发射分系统将接收到的数字波形通过DAC模块生产模拟基带信号，并通过混频器上变频成射频信号，同时利用功分器将射频信号分成两路，其中一路经发射天线向目标辐射出去，另一路作为参考信号经过40dB衰减后传输至所述接收分系统；
所述接收分系统与所述控制与数据采集分系统信号连接，所述接收分系统接收两路信号，其中一路接收参考信号，另一路通过接收天线获得从目标反馈回来的目标回波，两路信号经过接收本振混频后分别作为两路IQ复数数字信号传输至所述控制与数据采集分系统。
进一步的技术方案是，所述发射分系统采用PlutoSDR无线电模块，使用AD9363芯片作为射频前端，并通过修改驱动程序使芯片的频率上限提升至6GHz。
更进一步的技术方案是，所述接收分系统采用Ettus B210无线电模块，负责两路信号的下变频和数模转换，其中，接收分系统中的接收本振与发射分系统中的发射本振有一个0.1MHz的频率差。
更进一步的技术方案是，发射天线和接收天线均采用双开槽Vivaldi天线，发射天线和接收天线的等效虚拟阵源的间距小于等于1/4波长，且在收发分置结构的基础上进行隔离设计，以减小耦合信号的影响。
更进一步的技术方案是，控制与数据采集分系统以微型计算机RPi4为核心，用于控制发射分系统、接收分系统和射频转换开关，其中，发射分系统中的PlutoSDR无线电模块通过USB2.0与RPi4连接，接收分系统中的Ettus B210无线电模块通过USB3.0与RPi4连接，射频转换开关采用HMC321单刀8掷开关，且通过74LS373芯片作为地址锁存器与RPi4的GPIO接口连接，通过改变74LS373芯片上的ABC接口高低电平实现通道的选择。
更进一步的技术方案是，所述控制与数据采集分系统中的软件控制程序采用开源软件GNURadio和Python联合开发，操作系统为Linux，在RPi4上配置有与PlutoSRD和UHD相关的驱动以及相应的通信模块；
控制与数据采集分系统产生SF、LFM和PRN三种波形，从而覆盖工作频带。
更进一步的技术方案是，信号处理分系统对接收到的信号进行处理的过程包括通道校正和耦合抑制。
更进一步的技术方案是，通道校正的算法依次包括：
S101、理想情况下，对位于(x0,y0,z0)反射系数为σ0的目标，第q个频点fq＝f0+(q-1)Δf(q＝1,2,...,Q)以及第m个发射通道(m＝1,2,...,M)和第n个接收通道(n＝1,2,...,N)对应的回波信号表示为
S102、实际过程中，由于收发通道之间的不平衡，接收信号存在时延误差和增益/相位差别，因此将上式修整为
其中TDm,n,q＝exp{-j2πfqΔτm,n}，表示时延误差，
表示增益/相位差异；
S103、在不考虑发射天线和接收天线造成的时延误差和增益/相位差异的情况下，将各个收发通道通过同长度的传输线相连，采集并存储信号作为对TDm,n,q和PGm,n,q的估计，直接利用此估计对实际接收的回波信号进行校正。
更进一步的技术方案是，耦合抑制利用参考通道作为收发天线耦合信号抑制的依据，基于频域最小二乘算法对天线耦合信号进行抑制。
更进一步的技术方案是，其特征在于：信号处理分系统中的接收信号在经过耦合抑制后，接收信号被整合成一个M×N×Q的三维复数信号数据块，对接收信号根据频域后向投影算法得出成像区域的反射系数，通过相干因子对成像结果进行优化，从而减小旁瓣和杂波的影响。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用控制与数据采集分系统中的软件控制程序生成数字波形，通过发射分系统将数字波形转换成模拟基带信号，再经混频器上变频成射频信号，利用功分器分为两路，其中一路用于信号发射，另一路作为参考信号经过40dB衰减后传输至接收分系统，从而利用发射分系统的参考信号实现发射和接收之间的时间、频率和相位同步，以使接收本振和发射本振具有相参性，进而提供了一套具有低成本、轻量化和高分辨率特点的MIMO雷达系统。
附图说明
图1为本发明软件化MIMO三维成像雷达系统中各分系统的连接关系图。
图2为本发明软件化MIMO三维成像雷达系统的总体设计图。
图3为本发明中发射天线和接收天线的结构示意图。
图4为本发明中发射分系统的示意图。
图5为本发明中接收分系统的示意图。
图6为本发明中控制与数据采集分系统与信号处理分系统的上位机的连接示意图。
图7为本发明中GNURadio的配置图。
图8为本发明中控制与数据采集分系统中所生成的波形生成模块的示意图。
图9为本发明中控制与数据采集分系统中数据采集和传输的框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：
图1-9示出了本发明软件化MIMO三维成像雷达系统的一个较佳实施方式，本实施例中的软件化MIMO三维成像雷达系统具体包括信号处理分系统、控制与数据采集分系统、发射分系统和接收分系统，控制与数据采集分系统中的软件控制程序生成初始Python文件，在修改完初始Python文件后生成嵌入式Python文件，以实现波形产生、数据采集传输和参数控制，信号处理分系统与控制与数据采集分系统信号连接，控制与数据采集分系统将采集到的信号交叉压缩打包后，通过TCP/IP协议传送至信号处理分系统，信号处理分系统将接收到的信号进行处理，并整合成三维复数信号数据块，同时显示三维成像结果，所述发射分系统分别和所述控制与数据采集分系统、所述接收分系统信号连接，所述发射分系统采用SDR模块，所述发射分系统将接收到的数字波形通过DAC模块生产模拟基带信号，并通过混频器上变频成射频信号，同时利用功分器将射频信号分成两路，其中一路经发射天线向目标辐射出去，另一路作为参考信号经过40dB衰减后传输至所述接收分系统，所述接收分系统与所述控制与数据采集分系统信号连接，所述接收分系统接收两路信号，其中一路接收参考信号，另一路通过接收天线获得从目标反馈回来的目标回波，两路信号经过接收本振混频后分别作为两路IQ复数数字信号传输至所述控制与数据采集分系统。
发射分系统采用PlutoSDR无线电模块，使用AD9363芯片作为射频前端，并通过修改驱动程序使芯片的频率上限提升至6GHz。
接收分系统采用Ettus B210无线电模块，负责两路信号的下变频和数模转换，其中，接收分系统中的接收本振与发射分系统中的发射本振有一个0.1MHz的频率差。
如图3所示，发射天线和接收天线均为超宽带高增益双开槽Vivaldi天线，为了使方位向和俯仰向测量无模糊，发射天线和接收天线的等效虚拟阵源的间距小于等于1/4波长，基于对方位向和俯仰向分辨率的要求，可计算出虚拟阵列的尺寸和阵元数量，在此基础上，根据相位中心等效原理和因式分解方法可设计出对应的二维MIMO阵列。发射天线和接收天线在收发分置结构的基础上进行隔离设计，以减小耦合信号的影响。在不采取措施的情况下强耦合信号将会严重影响系统性能，因此在使用收发分置结构的基础上进行隔离设计，可以尽可能减小耦合信号的影响。
控制与数据采集分系统以微型计算机RPi4为核心，用于控制发射分系统、接收分系统和射频转换开关，其中，发射分系统中的PlutoSDR无线电模块通过USB2.0与RPi4连接，接收分系统中的Ettus B210无线电模块通过USB3.0与RPi4连接，射频转换开关采用HMC321单刀8掷开关，且通过74LS373芯片作为地址锁存器与RPi4的GPIO接口连接，通过改变74LS373芯片上的ABC接口高低电平实现通道的选择。
控制与数据采集分系统中的软件控制程序采用开源软件GNURadio和Python联合开发，操作系统为Linux，在RPi4上配置有与PlutoSRD和UHD相关的驱动以及相应的通信模块，控制与数据采集分系统产生扫频、线性调频和伪随机编码三种波形，从而覆盖工作频带。
信号处理分系统对接收到的信号进行处理的过程包括通道校正和耦合抑制。
通道校正的算法依次包括：
S101、理想情况下，对位于(x0,y0,z0)反射系数为σ0的目标，第q个频点fq＝f0+(q-1)Δf(q＝1,2,...,Q)以及第m个发射通道(m＝1,2,...,M)和第n个接收通道(n＝1,2,...,N)对应的回波信号表示为
其中，f0为起始频率，Δf为频率步进量，c为光速，Rm,n(x0,y0,z0)＝Rm(x0,y0,z0)+Rn(x0,y0,z0)为目标与第m个发射天线以及第n个接收天线之间的距离；
S102、实际过程中，由于收发通道之间的不平衡，接收信号存在时延误差和增益/相位差别，因此将上式修整为
其中TDm,n,q＝exp{-j2πfqΔτm,n}，表示时延误差，
表示增益/相位差异；
S103、在不考虑发射天线和接收天线造成的时延误差和增益/相位差异的情况下，将各个收发通道通过同长度的传输线相连，采集并存储信号作为对TDm,n,q和PGm,n,q的估计，直接利用此估计对实际接收的回波信号进行校正。
耦合抑制利用参考通道作为收发天线耦合信号抑制的依据，基于频域最小二乘算法对天线耦合信号进行抑制。
信号处理分系统中的接收信号在经过耦合抑制后，接收信号被整合成一个M×N×Q的三维复数信号数据块，对接收信号根据频域后向投影算法得出成像区域的反射系数，通过相干因子对成像结果进行优化，从而减小旁瓣和杂波的影响。前述的三维复数信号数据块由空间中MIMO方位维、俯仰维各等效阵元形成的快时间接收数据组成。由于采用双通道接收的方法，因此上位机分别接收参考信号和回波信号两个这样的数据块。
本发明利用控制与数据采集分系统中的软件控制程序生成数字波形，通过发射分系统将数字波形转换成模拟基带信号，再经混频器上变频成射频信号，利用功分器分为两路，其中一路用于信号发射，另一路作为参考信号经过40dB衰减后传输至接收分系统，从而利用发射分系统的参考信号实现发射和接收之间的时间、频率和相位同步，以使接收本振和发射本振具有相参性，进而提供了一套具有低成本、轻量化和高分辨率特点的MIMO雷达系统。
本发明是基于商业通用SDR硬件构建的一套可以通过软件编程实时控制雷达发射和接收参数的小型化SD-MIMO雷达系统，工作频带的中心频率为5GHz，长宽高分别为500mm×500mm×500mm，采用5V移动电源供电，具有小型化、轻量化的特点。
本发明的三维成像过程为：RPi4生成数字波形，通过USB线传输到PlutoSDR的DAC模块生成模拟基带信号，经过混频器上变频成射频信号，用功分器分成两路：一路选择发射通道后经天线辐射出去，另一路作为参考信号经过40dB衰减后传输至接收分系统；接收分系统同样接收两路信号，一路是接收天线传回的目标回波信号，另一路是前述的参考信号，两路信号经过同一个本振混频后变成基带信号。为了防止混频后产生直流分量，接收本振与发射本振之间设置有0.1MHz的频率差。对下变频后的模拟信号进行正交采样，得到带有幅度和相位信息的复数信号；控制与数据采集分系统将采集到的信号交叉压缩打包，通过TCP/IP传送到信号处理分系统的上位机进行信号处理；信号处理分系统的上位机通过设置好的参数命令指导控制单元修改系统参数，完成下一次发射和接收，信号处理分系统上位机对接收数据进行处理，得到最终成像结果。
如图4所示，发射分系统由PlutoSDR、功率分配器、射频转换开关、发射天线阵列等组成，负责将编程实现的数字信号转换成模拟基带信号，然后上变频成射频信号发射出去，通过控制指令调整本振频率和增益，可以实现雷达在较宽工作频带上的任意波形产生和发射，射频信号被分成两路，其中一路经过40dB衰减后作为参考信号直接送至接收端。
如图5所示，接收分系统以Ettus B210为核心，负责各通道信号的下变频和模数转换，为了减小直流分量的影响，接收本振与发射本振有一个0.1MHz的频率差。收分系统接收两路信号：一路接收发射单元产生的参考信号，一路接收从天线获得的目标回波，经过接收本振混频分别得到两路IQ复数数字信号。本振为本机振荡器。
下面以扫频信号为例，说明接收端进行相参处理的方法。
其中，Q是频率数，T是分段间隔，f0是起始频率，Δf是频率步长，
是第q个频率的不确定相位分量。时间延迟为τ0的目标回波信号可表示为：
参考信号可表示为：
对于第q个频率，分别对参考信号和目标回波信号做傅里叶变换以提高信噪比，确定最大值位置，然后通过倒数滤波方法消除不确定相位分量，可得：
对s(f)＝[s(f1),s(f2),...,s(fQ)]做逆傅里叶变换，即可得到目标一维距离像：
上式中存在着确定性未知时延分量τref，可在后续系统校正中进行补偿，采用上述设计，一方面可以实现收发信号的相参处理，另一方面可以进行连续时间内的积累，提高信噪比。
如图6所示，控制与数据采集分系统以微型计算机RPi4为核心的控制系统，主要控制PlutoSDR、Ettus B210、射频转换开关三个部件，控制与数据采集分系统中具有控制模块和数据采集模块，控制模块对雷达的控制分为预留控制和自适应调整控制两类：1、可根据预留指令按照预先设置的参数完成波形生成、发射和接收；2、也可根据上位机中信号处理分系统传输的控制指令字符，进行参数自适应调整，实时控制发射和接收分系统。数据采集模块对回波数据进行采集，并通过TCP/IP协议将数据传输至上位机之中。
控制与数据采集分系统的软件控制程序采用开源软件GNURadio和Python联合开发，操作系统为Linux，RPi4上配置有PlutoSDR和UHD相关驱动以及相应的通信模块。其主要步骤包括：
1、配置GNURadio模块，生成初始Python文件。包括：1)变量模块(采样频率/点数、发射/接收增益、发射功率、中心频率等)；2)PlutoSDR模块；3)B210模块；4)数据传输模块(ZMQ)；5)基本信号处理模块等。
2、修改初始Python文件，生成嵌入式Python文件。包括：
1)波形产生。由于硬件设备瞬时带宽有限，为了保证高距离分辨力的大带宽需求，采用合成频谱的方法产生扫频、线性调频和伪随机编码(SF、LFM和PRN)三种波形，从而覆盖工作频带。①SF波形。单次发射波形为单频余弦信号，通过改变本振频率使信号频率在fc-B/2至fc+B/2的范围内进行变换(fc为中心频率，B为带宽)。针对射频干扰环境下的认知成像任务，信号频率的变换无固定间隔。②LFM波形。单次发射波形为窄带LFM信号(带宽Bs)。③PRN波形。单次发射波形为窄带随机噪声信号(带宽Bs)，其幅度恒定，相位为随机二相编码[0,π]。PRN波形的优势在于可以进行波形分集，从而使MIMO雷达具有多通道同时收发能力。
2)参数调整模块，主要负责对GNURadio中的变量(如采样率samp_rate、采样点数N、发射增益G0、双通道接收增益G1/G2、本振频率freq、波形参数等，如图9所示)和射频转换器的收发通道进行调整。参数调整可根据预留指令按照预先设置的参数进行；也可根据上位机通过TCP/IP协议传输的控制指令字符进行。例如，若接收到“+”指令，则按预设自动提高本振频率。
表1部分发射指令设置
3)数据采集传输模块，主要负责采集和传输从B210中得到的数据。采集到的数据可以直接在微型计算机RPi4中存储和处理，也可以通过TCP/IP协议传输到上位机信号处理分系统进行存储和处理。
3、加载嵌入式Python文件至RPi4并运行，基于上位机开发相应程序(包括参数调整、数据采集传输和信号处理等)采集雷达回波数据，通过TCP/IP协议建立上位机与RPi 4的连接，输入至上位机信号处理分系统进行存储和处理。上位机发送控制指令至RPi4，上位机从ZMQ模块中读取数据至数据存储矩阵。首先定义ZMQ通信模块，接收回波数据，通过typecast函数将接收到的数据还原成单精度复数形式，用交叉取点的方式将数据对应为参考通道和回波通道。
表2参数调整和数据采集流程
其中本发明利用利用参考通道作为收发天线耦合信号抑制的依据。考虑基于频域最小二乘算法对天线耦合信号进行抑制。对于第q个频点，参考通道信号以及第m个发射通道和第n个接收通道对应的回波信号可分别表示为：
和
其中，s0(fq)系统函数，τref、
和
分别表示参考信号、天线耦合信号和目标回波信号的时延，Aref、
和σ0为对应的幅度。由于
远大于σ0，则天线耦合信号可通过下式进行抑制：
其中，sm,n和
分别为第m个发射通道和第n个接收通道对应的回波信号向量和天线耦合信号向量的估计，P为利用具有不同时延的参考通道信号构造的测量矩阵，
为P中各向量对应的系数向量，可通过如下最小二乘算法进行估计：
其中，
表示伪逆。联立前两式可得，
经过耦合抑制后，接收信号被整合成一个M×N×Q对于第m个发射天线和第n个接收天线，位于(x0,y0,z0)且反射系数为σ0的目标回波为
则整个成像场景内的目标信号为：
其中，σ(x,y,z)是位于(x,y,z)处的目标反射系数，Rm,n(x,y,z)是相应的信号传输距离。
对接收信号根据频域后向投影算法(Back Projection,BP)[19]可得成像区域的反射系数为：
用dm,n表示MIMO阵列第m个发射天线和第n个接收天线的相对距离，r表示目标到天线阵面中心的距离，在满足
的情况下[9]，Rm,n可近似为：
其中，θ表示方位角，
表示俯仰角，则上式可替换为
通过前式可以得到成像区域的三维散射系数，由于空间采样条件的限制，由BP算法直接得到的成像结果中会出现比较高的旁瓣和杂波，本文采用相干因子(Coherence Factor，CF)对成像结果进行优化，CF方法本质上是对原成像结果根据信号相干程度进行加权和滤波，从而减小旁瓣和杂波的影响。
尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。
Claims (10)
1.一种软件化MIMO三维成像雷达系统，其特征在于：包括信号处理分系统、控制与数据采集分系统、发射分系统和接收分系统；
所述控制与数据采集分系统中的软件控制程序生成初始Python文件，在修改完初始Python文件后生成嵌入式Python文件，以实现波形产生、数据采集传输和参数控制；所述信号处理分系统与所述控制与数据采集分系统信号连接，所述控制与数据采集分系统将采集到的信号交叉压缩打包后，通过TCP/IP协议传送至所述信号处理分系统，所述信号处理分系统将接收到的信号进行处理，并整合成三维复数信号数据块，同时显示三维成像结果；
所述发射分系统分别和所述控制与数据采集分系统、所述接收分系统信号连接，所述发射分系统采用SDR模块，所述发射分系统将接收到的数字波形通过DAC模块生产模拟基带信号，并通过混频器上变频成射频信号，同时利用功分器将射频信号分成两路，其中一路经发射天线向目标辐射出去，另一路作为参考信号经过40dB衰减后传输至所述接收分系统；
所述接收分系统与所述控制与数据采集分系统信号连接，所述接收分系统接收两路信号，其中一路接收参考信号，另一路通过接收天线获得从目标反馈回来的目标回波，两路信号经过接收本振混频后分别作为两路IQ复数数字信号传输至所述控制与数据采集分系统。
2.根据权利要求1所述的软件化MIMO三维成像雷达系统，其特征在于：所述发射分系统采用PlutoSDR无线电模块，使用AD9363芯片作为射频前端，并通过修改驱动程序使芯片的频率上限提升至6GHz。
3.根据权利要求1所述的软件化MIMO三维成像雷达系统，其特征在于：所述接收分系统采用Ettus B210无线电模块，负责两路信号的下变频和数模转换，其中，接收分系统中的接收本振与发射分系统中的发射本振有一个0.1MHz的频率差。
4.根据权利要求1所述的软件化MIMO三维成像雷达系统，其特征在于：发射天线和接收天线均采用双开槽Vivaldi天线，发射天线和接收天线的等效虚拟阵源的间距小于等于1/4波长，且在收发分置结构的基础上进行隔离设计，以减小耦合信号的影响。
5.根据权利要求1所述的软件化MIMO三维成像雷达系统，其特征在于：控制与数据采集分系统以微型计算机RPi4为核心，用于控制发射分系统、接收分系统和射频转换开关，其中，发射分系统中的PlutoSDR无线电模块通过USB2.0与RPi4连接，接收分系统中的EttusB210无线电模块通过USB3.0与RPi4连接，射频转换开关采用HMC321单刀8掷开关，且通过74LS373芯片作为地址锁存器与RPi4的GPIO接口连接，通过改变74LS373芯片上的ABC接口高低电平实现通道的选择。
6.根据权利要求5所述的软件化MIMO三维成像雷达系统，其特征在于：所述控制与数据采集分系统中的软件控制程序采用开源软件GNURadio和Python联合开发，操作系统为Linux，在RPi4上配置有与PlutoSRD和UHD相关的驱动以及相应的通信模块；
控制与数据采集分系统产生扫频、线性调频和伪随机编码三种波形，从而覆盖工作频带。
7.根据权利要求1所述的软件化MIMO三维成像雷达系统，其特征在于：信号处理分系统对接收到的信号进行处理的过程包括通道校正和耦合抑制。
8.根据权利要求7所述的软件化MIMO三维成像雷达系统，其特征在于：通道校正的算法依次包括：
S101、理想情况下，对位于(x0,y0,z0)反射系数为σ0的目标，第q个频点fq＝f0+(q-1)Δf(q＝1,2,...,Q)以及第m个发射通道(m＝1,2,...,M)和第n个接收通道(n＝1,2,...,N)对应的回波信号表示为
S102、实际过程中，由于收发通道之间的不平衡，接收信号存在时延误差和增益/相位差别，因此将上式修整为
其中TDm,n,q＝exp{-j2πfqΔτm,n}，表示时延误差，
表示增益/相位差异；
S103、在不考虑发射天线和接收天线造成的时延误差和增益/相位差异的情况下，将各个收发通道通过同长度的传输线相连，采集并存储信号作为对TDm,n,q和PGm,n,q的估计，直接利用此估计对实际接收的回波信号进行校正。
9.根据权利要求7所述的软件化MIMO三维成像雷达系统，其特征在于：耦合抑制利用参考通道作为收发天线耦合信号抑制的依据，基于频域最小二乘算法对天线耦合信号进行抑制。
10.根据权利要求7所述的软件化MIMO三维成像雷达系统，其特征在于：信号处理分系统中的接收信号在经过耦合抑制后，接收信号被整合成一个M×N×Q的三维复数信号数据块，对接收信号根据频域后向投影算法得出成像区域的反射系数，通过相干因子对成像结果进行优化，从而减小旁瓣和杂波的影响。
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