阅读说明：本技术 一种快速的多发多收的阵列校正系统及方法 (Rapid multi-transmitting multi-receiving array correction system and method ) 是由 黄勇 杨晓飞 王宏达 许冰 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及雷达技术领域,具体地说,是一种快速的多发多收的阵列校正系统及方法,解决MIMO阵列系统、尤其是均匀线阵中多天线和多收发通道由于通道间耦合导致的幅度和相位不一致的问题,包括多发多收阵列雷达,雷达信号接收和转发分系统,校正计算和验证单元；多发多收阵列雷达由多通道发射机,发射天线阵列,接收天线阵列,多通道接收机,信号处理机和总线通讯控制器构成,包括M个发射机通道和发射天线通道,N个接收机通道和接收天线通道,其中发射通道个数M接收通道个数N根据用户需要选择,根据不同的发射通道和接收通道数,以及不同的波形体制可以做简单阵列,分时MIMO,正交波形分集MIMO等,本实施例中采用分时MIMO体制。(The invention relates to the technical field of radars, in particular to a quick multi-transmitting and multi-receiving array correction system and a quick multi-transmitting and multi-receiving array correction method, which solve the problem of inconsistent amplitude and phase caused by coupling among channels of a multi-antenna and a multi-transmitting channel in an MIMO array system, especially a uniform linear array, and comprise a multi-transmitting and multi-receiving array radar, a radar signal receiving and forwarding subsystem and a correction calculation and verification unit; the multiple-transmitting multiple-receiving array radar comprises a multi-channel transmitter, a transmitting antenna array, a receiving antenna array, a multi-channel receiver, a signal processor and a bus communication controller, and comprises M transmitter channels, M transmitting antenna channels, N receiver channels and N receiving antenna channels, wherein the number of the transmitting channels, M, of the receiving channels, N, is selected according to user requirements, simple arrays, time-sharing MIMO, orthogonal waveform diversity MIMO and the like can be manufactured according to different numbers of the transmitting channels and the receiving channels and different waveform systems, and a time-sharing MIMO system is adopted in the embodiment.)

一种快速的多发多收的阵列校正系统及方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，具体地说，是一种快速的多发多收的阵列校正系统及方法，用于校正或多发多收(MIMO)多天线阵列雷达中通道误差的系统及方法，用于解决MIMO阵列系统、尤其是均匀线阵中多天线和多收发通道由于通道间耦合导致的幅度和相位不一致的问题。

背景技术

目前，国内外在雷达阵列校正技术领域中，校正发射或接收系统的耦合校正一般是采用的分开校正的方法。常见的校正方法有注入参考源法和盲校正法。

廖桂生等人在其专利申请文件《一种多输入多输出雷达系统阵列误差自校正的方法》(公开号CN101251597A)中公开了一种多输入多输出雷达系统阵列误差自校正的方法。该方法是在多输入多输出雷达系统发射阵列已经校正的前提下，对接收阵列方位依赖的幅度和相位误差进行自校正。该方法利用多输入多输出雷达系统的2个已经校正的发射阵元发射相互正交的信号，然后利用发射信号的正交性用匹配滤波的方法分离各发射阵元的回波信号，利用回波信号构造自相关矩阵和互相关矩阵，，利用旋转不变子空间方法估计阵列的真实导向矢量和目标角度，最后利用估计得到的阵列的真实导向矢量和目标角度，实现校正阵列方位依赖的幅度相位误差的目的。这种方法只能校正接收通道的幅度相位一致性，对接收通道间的耦合做补偿和校正。不能同时补偿发射通道的耦合和幅度相位一致性，而且系统复杂，发射通道的信号正交性对最终的校正影响较大，很难保证发射通道中发射信号的正交性。

S.Kobayakawa,M.Tsutsui and Y.Tanaka等人在文献“ABlind CalibrationMethod for an Adaptive Array Antena in DS-CDMA System Using an MMSEAlgorithm”(VTC 2000-Spring Tokyo.2000 IEEE 51st,Vol 1,page 21)中公开了一种盲校正装置。该装置采用自适应算法，对从发射天线通道直接耦合得到的参考信号和经过发射天线各射频通道的采样信号做迭代运算，从而得到每个发射通道的校正权值。盲校正方法对所应用的环境和采集的信号数据要求苛刻。它要求由发射天线通道直接耦合得到的参考信号数据和经过发射天线各射频通道的采样数据严格同步，否则自适应迭代算法将发散，达不到校正的目的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种快速的收发通道联合的校正系统，以及应用此系统校正收发通道耦合和幅相误差的方法。从而可以使MIMO阵列中各收发通道的幅相响应一致。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种快速的多发多收的阵列通道校正系统，包括多发多收阵列雷达，雷达信号接收和转发分系统，旋转控制单元，校正计算和验证单元。多发多收阵列雷达包括多通道发射机，发射天线阵列，接收天线阵列，多通道接收机，信号处理机和总线通讯控制器。旋转控制单元包括一个转台和一个高精度的转台控制器。多发多收阵列雷达固定在旋转控制单元上，雷达信号接收和转发分系统固定在暗室的另一端，旋转控制单元和雷达信号接收和转发分系统之间的距离符合远场条件。多发多收阵列雷达的总线通讯控制器连接校正计算和验证单元。雷达信号接收和转发分系统由接收喇叭天线、发射喇叭天线、微波前端模块、信号处理和通信模块、电源模块、金属外壳、保护罩组成。接收喇叭天线接收多发多收阵列雷达发射的信号，通过微波前端模块下变到中频，信号处理和通信模块接收校正计算和验证单元的控制，将中频信号经过信号处理附加多普勒频率调制后给微波前端模块，微波前端模块上变频后将信号通过发射喇叭天线发射出去。多发多收雷达接收到雷达信号接收和转发分系统的发射信号后将目标点提取出来通过总线通讯控制器传给校正计算和验证单元。校正计算和验证单元计算完校正矩阵后通过CAN总线写入多发多收阵列雷达。旋转控制单元控制转台转动，验证雷达测角精度是否符合要求，从而确定校正是否成功。

本发明的进一步改进，旋转控制单元包括转台和转台控制器，转台为一个具有俯仰和方位二维旋转的机械装置，该转台的俯仰范围从-80°到+80°、刻度精度为0.1°、方位范围从-120°到+120°、刻度精度为0.1°；转台控制器用于控制转台满足精度要求进行旋转，并通过图形用户界面GUI控制方位或俯仰的旋转范围和旋转步进。

本发明还披露了一种快速的多发多收的阵列校正方法，使用上述系统，对M个发射通道，N个接收通道通过分时MIMO虚拟的M*N个接收通道的快速的幅相误差校正方法的步骤如下：

获取回波信号信息

1a)使旋转控制单元上的零点对准雷达信号接收和转发分系统发射喇叭天线和接收喇叭天线的中心，保证其俯仰和方位上的一致性

1b)在校正计算和验证单元界面设置目标速度Vm/s，以及转台旋转速度K°/s，并将两组数据通过CAN总线分别传给雷达信号接收和转发分系统以及旋转控制单元的状态控制器。

1c)接收到指令后，多发多收阵列雷达和雷达信号接收和转发分系统开始工作。之后旋转控制单元的转台开始工作。

1d)多发多收雷达将预定选取的9个方位的每一个角度下的M*N个虚拟通道的快速傅里叶变换FFT后的复数平面做恒虚警检测和目标检测，将符合设定速度和距离的目标点对应的M*N个复数FFT数据通过总线传递给校正计算和验证单元。

计算校正矩阵和阵元间距

2a)校正计算和验证单元将不同角度的目标回波信号存储在SDRAM内，当旋转控制单元完成所有角度的遍历后开始计算校正矩阵。

2b)将各个角度的不同帧不同通道的复数排列成一个复平面，每一行是不同通道和不同帧的复数，每一列是不同的角度下的复数值。

2c)估算(M*N)*(M*N)的校正矩阵和虚拟接收阵元间距。

2d)将估算的校正矩阵和阵元间距通过总线写入多发多收雷达。

验证校正矩阵

3a)校正计算和验证单元发送验证角度指令给旋转控制单元。

3b)旋转控制单元每隔L°验证测角结果并和真值比较。

3c)遍历完所有验证角度后，如果每个角度和真值的误差都在规定范围内则验证完成，校正矩阵和阵元间距估计正确。

3d)如果有角度不满足误差要求则重新校正，返回步骤(1)。如果校正两次都不满足则认为是坏件，更换雷达。

其中，上述步骤2c)流程中，估算出一个12*12的校正矩阵和总共12个虚拟接收阵元的间距，采用的方法如下：

首先给各通道间相位和各阵元间距进行初始化，设定初始相位和初始间距为0；其次将2b)的复平面重排成一个三位矩阵，第一维(行)为9个不同的角度，第二维(列)为12个不同的通道，第三维(页)为10帧不同的数据，对每一帧数据，先求出不同通道之间的相位差，并解卷绕；再次对每帧数据12个通道之间解算出的实际的相位差与理论差值做线性插值，将其差做每帧阵元间距误差的估计值；再次建立一个幅度对角矩阵，将每帧12个通道9个角度下的数据做如下处理：

其中data_uncal8为9*12的二维矩阵，将Am_matrix乘以导向矢量得到期望的回波信号，导向矢量的阵元间距用上述的估计值，之后以第一个通道为基准对回波信号整形，最后利用最小二乘法从整形后的回波信号和期望的回波信号中得到本帧信号估计的校正矩阵，对每一帧的校正矩阵和阵元间距的估计值求平均便得到期望的校正矩阵和阵元间距。

本发明的有益效果：本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明对包括发射天线通道在内的发射通道，包括接收天线通道在内的接收通道进行校正，一个校正矩阵就校正了收发通道耦合和通道间幅度和相位的不一致性，克服了现有方法仅发射天线通道或接收通道分别进行校正的不足，使得各通道的幅相响应更加一致，并简化了测试环境的搭建和测试系统的复杂度，节省了测试时间。

(2)本发明通道校正方法充分利用发射通道的发射信号作为校准信号，克服了现有方法必须将校正信号分时注入到每个通道的缺点，可以保证多个收发通道中校正信号特性参数的一致性，使得获取的误差校正系数更准确。

(3)本发明的雷达信号接收与转发分系统可以调节发射功率和信号叠加多普勒频率，所以使得本发明对所应用的环境和校正信号没有严格要求，具有更广泛的适用范围。

(4)本发明通道校正方法和验证方案只需要在雷达方位角范围内选择固定的几个角度，大量节省计算时间，并减少设备的使用，克服了传统方法在计算系统校正系数方面繁琐的缺点。

附图说明

图1为本发明系统的方框图。

图2为本发明雷达信号接收和转发分系统方框图。

图3为本发明校正计算和验证单元方框图。

图4为本发明方法流程图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例：如图1、图2和图3所示，一种快速的多发多收的阵列校正系统，包括多发多收阵列雷达，雷达信号接收和转发分系统，校正计算和验证单元。

多发多收阵列雷达由多通道发射机，发射天线阵列，接收天线阵列，多通道接收机，信号处理机和总线通讯控制器构成，包括M个发射机通道和发射天线通道，N个接收机通道和接收天线通道，其中发射通道个数M接收通道个数N根据用户需要选择，本实施例中选取通道个数M为3，选取通道个数N为4。根据不同的发射通道和接收通道数，以及不同的波形体制可以做简单阵列，分时MIMO，正交波形分集MIMO等，本实施例中采用分时MIMO体制。

多发多收阵列雷达固定在旋转控制单元上，与雷达信号接收和转发单元在同一水平面上。旋转控制单元由一个具有俯仰和方位二维旋转的机械装置转台和一个高精度的转台控制器构成，转台的方位范围从-120°到+120°，刻度精度为0.1°。高精度的转台控制器控制转台满足精度要求进行旋转，并通过图形用户界面GUI控制方位或俯仰的旋转范围和旋转步进。

图2中的雷达信号接收和转发分系统通过接收天线接收雷达在不同角度时发射的信号，接收喇叭天线将接收到的雷达电磁信号经微波前端混频到中频信号，中频信号经过信号处理单元的多普勒调制后转到微波前端，经滤波混频，功放到发射喇叭天线。雷达信号接收和转发分系统的发射喇叭天线和接收喇叭天线方位上一致，仅高低不同，即俯仰上略有区别。这样就避免了收发喇叭天线方位的不一致对雷达测角的影响。

图3中的校正计算和验证单元通过总线分别与多发多收阵列雷达，雷达信号接收和转发分系统相连，多发多收阵列雷达将几个校正点的多帧数据传给校正计算和验证单元，这里是选取了9个角度，分别是-60°,-38°,-15°,-8°,0°,8°,15°,38°,60°。每个角度取10帧的复数FFT数据。校正计算和验证单元收到复数FFT数据后根据通道耦合的幅相误差校正相关算法计算12*12的校正矩阵并估计阵元间距，将校正矩阵和阵元间距向量通过CAN总线写入多发多收阵列雷达的存储空间，并控制雷达重新上电读入校正矩阵和阵元间距向量。多发多收阵列雷达上电后系统进入验证模式，校正结算和验证单元控制转台从方位视角的一端，间隔固定角度到另一端，这里从-60°每隔5°转台驻留一次，此时雷达计算10帧数据的角度，并将计算出的测量数据通过总线传给校正计算和验证单元，校正计算和验证单元判断测量角度与真值之间的差，符合预定要求则认为测角通过要求，如果每次驻留计算都通过则认为校正成功。否则认为校正失败重新校正或更换雷达校正。

下面结合附图4对本发明实现3发4收分时MIMO的幅相误差校正的方法做进一步描述，其具体步骤如下：

步骤1.获取回波信号信息

1a)使旋转控制单元上的零点对准雷达信号接收和转发分系统发射喇叭天线和接收喇叭天线的中心，保证其俯仰和方位上的一致性

1b)在校正计算和验证单元界面设置目标速度5m/s，以及转台旋转速度1°/s，并将两组数据通过CAN总线分别传给雷达信号接收和转发分系统以及旋转控制单元的状态控制器。

1c)接收到指令后，多发多收阵列雷达和雷达信号接收和转发分系统开始工作。之后旋转控制单元的转台开始工作。

1d)多发多收雷达将预定选取的9个方位的每一个角度下的3*4个虚拟通道的快速傅里叶变换FFT后的复数平面做恒虚警检测和目标检测，将符合设定速度和距离的目标点对应的12个复数FFT数据通过总线传递给校正计算和验证单元。

步骤2.计算校正矩阵

2a)校正计算和验证单元将每次固定计算的角度目标回波信号存储在SDRAM内，当旋转控制单元完成所有9个角度的遍历后开始计算校正矩阵。

2b)将9个角度的10帧12个通道的复数排列成一个复平面，每一行是12个通道10帧的复数，其中每12个复数为一组，是12个通道的一帧数据，10帧共120个复数。每一列是9个不同的角度下同一个通道的复数值。

2c)估算出一个12*12的校正矩阵和总共12个虚拟接收阵元的间距。

首先给各通道间相位和各阵元间距进行初始化，本案例设定初始相位和初始间距为0。

其次将2b)的复平面重排成一个三位矩阵，第一维(行)为9个不同的角度，第二维(列)为12个不同的通道，第三维(页)为10帧不同的数据。对每一帧数据，先求出不同通道之间的相位差，并解卷绕。

再次对每帧数据12个通道之间解算出的实际的相位差与理论差值做线性插值，将其差做每帧阵元间距误差的估计值。

再次建立一个幅度对角矩阵，将每帧12个通道9个角度下的数据做如下处理：

其中data_uncal8为9*12的二维矩阵。将Am_matrix乘以导向矢量得到期望的回波信号，注意此时导向矢量的阵元间距用上述的估计值。之后以第一个通道为基准对回波信号整形。

最后利用最小二乘法从整形后的回波信号和期望的回波信号中得到本帧信号估计的校正矩阵。

对每一帧的校正矩阵和阵元间距的估计值求平均便得到期望的校正矩阵和阵元间距。

2d)将估算的校正矩阵和阵元间距通过总线写入多发多收雷达。

步骤3.验证校正矩阵

3a)校正计算和验证单元发送验证角度指令给旋转控制单元。

3b)旋转控制单元每隔5°验证测角结果并和真值比较。

3c)遍历完所有验证角度后，如果每个角度和真值的误差都在1°的规定范围内则验证完成，校正矩阵和阵元间距估计正确。

3d)如果有角度不满足误差要求则重新校正，返回步骤(1)。如果校正两次都不满足则认为是坏件，更换雷达。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。