CN111708023B - 毫米波多发多收线阵的相位不一致性校正方法及成像*** - Google Patents

毫米波多发多收线阵的相位不一致性校正方法及成像*** Download PDF

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Abstract

一种毫米波多发多收线阵的相位不一致性校正方法及成像***，利用毫米波多发多收线阵录取目标回波信号；采取金属平板作为参考目标，录取参考目标回波信号；结合金属平板的尺寸、位置和毫米波多发多收线阵的阵元分布方式，采用电磁计算软件得到相同场景下金属平板的仿真回波信号；利用参考目标回波信号和仿真回波信号对目标回波信号进行补偿，得到相位不一致性校正后的目标回波信号，校正后的目标回波信号直接用于目标的成像与重构。本发明采用电磁计算软件仿真的金属平板回波信号作为距离恢复的补偿数据，无需计算需要补偿的真实距离，可直接恢复多发多收稀疏阵列成像场景下真实的成像几何关系，保证成像质量。

Description

毫米波多发多收线阵的相位不一致性校正方法及成像***
技术领域
本发明属于雷达信号处理技术领域，具体地涉及一种毫米波多发多收线阵的相位不一致性校正方法及成像***。
背景技术
毫米波通常指频率在30GHz到300GHz（对应波长1mm-10mm）之间的电磁波，是近年来研究最热门的电磁频谱。相比于微波以及更低频段的电磁波，毫米波雷达载频更高，波长更短，更容易实现大带宽的雷达信号，因此可以实现更高距离和方位分辨率的成像，在安全检查、无损探测等领域具有重大的应用前景。
近年来，随着毫米波源和检测器件的重大突破，已经有多个国内外研究机构开发了毫米波安检成像***，其按照阵列结构主要可以分为两大类：准单站阵列成像***和稀疏多站阵列成像***。准单站阵列成像***的发射阵元间隔和接收阵元间隔都是均匀的，收发线阵左右错开半个阵元间隔，形成准单站分布。这种阵列***的优势是可以实现对目标的全方位波束覆盖，***结构、成像算法简单，但是阵元通道数多，成本较高。稀疏多站阵列成像***的发射阵元和接收阵元是按照一定的设计规则稀疏分布的，通过等效阵元中心分布或者采用相应的稀疏阵列成像算法，可以以较少的阵元数目实现与准单站阵列成像***相同的功能，极大的降低了硬件成本和***功耗，是目前毫米波成像***的主流发展趋势。
对于毫米波阵列成像***，由于器件制造差异和传输通道电尺寸长度的影响，相同的源信号通过不同发射通道和接收通道，对应的射频信号和本振信号的初相往往是不一致的。这个不一致的相位会破坏阵列录取目标回波的横向多普勒信息，进而导致成像结果散焦甚至模糊。对于传统的准单站毫米波阵列***，通常采用一个金属平板作为参考目标校正相位的不一致性，再补偿金属平板到线阵之间的直线距离从而恢复真实的成像几何关系。对于多发多收的稀疏阵列，收发阵元之间存在一定的距离，导致准单站近似失效，在采取金属平板作为参考目标校正相位的不一致性后，需要补偿的距离大于金属平板到线阵之间的距离，此时准确的计算收发阵元之间需要补偿的距离存在较大的难度。以一种四发八收线阵为例，其阵元分布如图1所示。在图1中，圆圈为接收阵元，叉号为发射阵元，线阵总长度为0.17米。毫米波***工作在超外差模式，发射信号为宽带线性调频信号，脉冲宽度为T P 。四个发射阵元依次发射该信号，阵元之间发射信号的时间间隔为T A (T A >T P )，每个阵元发射信号的同时，八个接收通道同步开启同时接收目标的回波信号，以此保证信号之间的相参性。由于天线等器件水平差异和传输通道电尺寸长度不一致的影响，相同的源信号通过不同发射通道和接收通道，对应的射频信号和本振信号的初相也存在一定的差异。不一致的相位会破坏阵列录取目标回波的真实横向多普勒信息，导致成像结果散焦甚至模糊。
目前，大部分文献的毫米波稀疏线阵由一个发射通道和一个接收通道通过扫描等效得到，此时不存在通道间的相位不一致性问题。对于实孔径多发多收线阵的相位不一致性，可以通过测量的手段测出通道间的相位差异，在实际应用中对该相位差进行预补偿处理，但是测量不可避免会存在一定误差，而且当收发阵元非常多的时候，工作量巨大，精确的测量不易实现。现有技术中也有采用一个金属小球作为参考目标对***初始相位进行校正，这种校正方法只适用于阵列长度远小于参考目标和成像目标距离的成像场景，不需要再进一步补偿阵元到参考目标之间的距离。当阵列尺寸与目标距离相当时，这种方法并不适用。此外，金属小球属于滑动型散射中心，其双站散射强度很弱，会导致参考数据的信噪比较低，进而引入新的误差相位。
发明内容
针对毫米波多发多收线阵成像***在实际应用中存在的阵元通道相位不一致的问题，本发明提出了一种毫米波多发多收线阵的相位不一致性校正方法及成像***，保证毫米波多发多收线阵的成像性能。
为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：
毫米波多发多收线阵的相位不一致性校正方法，包括：
（1）利用毫米波多发多收线阵录取目标回波信号S r 。
（2）利用金属平板作为参考目标，金属平板与毫米波多发多收线阵的扫描平面平行，录取金属平板的回波信号，将其作为相位不一致性的参考目标回波信号S ref ；
（3）利用电磁计算软件仿真得到与步骤（2）相同场景下的金属平板的仿真回波信号S fek ，其中相同场景是指仿真中的毫米波多发多收线阵的阵元分布、***的工作频率、金属平板的尺寸以及设置位置均与步骤（2）相同；
（4）利用参考目标回波信号S ref 和仿真回波信号S fek 对目标回波信号S r 进行补偿，即可得到相位不一致性校正后的目标回波信号S t_comp ，
Figure 538791DEST_PATH_IMAGE001
。
作为优选方案，本发明所述毫米波多发多收线阵为四发八收的毫米波多发多收线阵。
作为优选方案，本发明所述毫米波多发多收线阵顺序发射宽带调频连续波。
作为优选方案，本发明步骤（2）中所设置的金属平板需要满足毫米波多发多收线阵中的发射阵元的主瓣波束照射不到金属平板的边缘。
作为优选方案，本发明步骤（3）中利用电磁计算软件FEKO仿真得到与步骤（2）相同场景下的金属平板的电磁散射回波信号。
作为优选方案，本发明步骤（1）中，利用毫米波多发多收线阵录取目标回波信号，其中毫米波多发多收线阵中任意收发阵元组合的目标回波信号表达式为：
Figure 10224DEST_PATH_IMAGE002
其中坐标为(x p ,y p ,z p )点目标与毫米波多发多收线阵中发射阵元天线和接收阵元天线的距离分别为R Tm和R Rn ，其中m为发射阵元天线序号，n为接收阵元天线序号，目标散射系数为σ(x p ,y p ,z p )，位置为(x Tm ,z)的发射阵元天线到目标的距离为
Figure 395594DEST_PATH_IMAGE003
，位置为(x Rn ,z)的发射阵元天线到目标的距离为
Figure 294279DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 129380DEST_PATH_IMAGE005
，t为距离快时间，f c 为雷达载频，γ为调频率，c为光速，exp表示e为底的指数函数，θ m 为第m个发射阵元天线的附加相位，
Figure 138925DEST_PATH_IMAGE006
为第n个接收阵元天线的附加相位。
本发明步骤（2）中，不考虑电磁波传输路线的距离，设毫米波多发多收线阵中任意收发阵元之间的传输距离为R ref_mn ，毫米波多发多收线阵中任意收发阵元组合的参考目标回波信号的表达式为：
Figure 516816DEST_PATH_IMAGE007
其中σ mn 对应第m个发射阵元天线发射信号和第n个接收阵元天线接收信号时金属平板的散射强度。
本发明步骤（3）中，电磁计算软件仿真得到的毫米波多发多收线阵中任意收发阵元组合的金属平板的电磁散射回波信号的表达式为：
Figure 445458DEST_PATH_IMAGE008
本发明步骤（4）中，相位不一致性校正后的目标回波信号S t_comp ，其中校正后的毫米波多发多收线阵中任意收发阵元组合的目标回波信号表达式为：
Figure 908800DEST_PATH_IMAGE009
本发明还提供一种毫米波多发多收线阵成像***，采用上述毫米波多发多收线阵的相位不一致性校正方法获取相位不一致性校正后的目标回波信号用于目标的成像与重构。
本发明的有益效果如下：
本发明采取金属平板作为参考目标录取参考目标回波信号，在录取参考目标回波信号后，测量金属平板到毫米波多发多收线阵的直线距离，相比于大量不同收发阵元位置与金属平板复杂的几何关系，金属平板到毫米波多发多收线阵的直线距离可以很容易的直接测量得到。获得直线距离后，结合金属平板的尺寸和毫米波多发多收线阵的阵元分布方式，可以采用电磁计算软件仿真得到相同场景下金属平板的电磁散射回波信号，电磁计算数据结果的相位信息包含了需要补偿的参考目标距离。此外，电磁计算数据结果的幅度信息对应着金属平板真实的电磁散射强度，利用该电磁计算数据结果可以同时实现参考目标引入的偏移距离和散射强度不一致性的补偿。本发明提供的方法是最准确的毫米波多发多收线阵的相位不一致性校正方法。
本发明方法不需要繁琐的测量毫米波多发多收线阵的相位不一致的数值。在采取光滑金属平板作为参考目标时，对参考目标引入的偏移距离通过精确的相同场景下的电磁计算数据来补偿恢复，无需计算毫米波多发多收线阵其阵元分布与参考目标复杂几何关系下的补偿距离，本发明的补偿精度更高，更易于实现，极大的提升了工作效率。另一方面，本发明提出采用电磁计算软件仿真的金属平板回波信号作为距离恢复的补偿数据，无需计算需要补偿的真实距离，可以直接恢复多发多收稀疏阵列成像场景下真实的成像几何关系，进而保证***的成像质量。
附图说明
图1是四发八收线阵阵元分布示意图;
图2是四发八收阵列的成像几何关系示意图;
图3是金属平板回波距离示意图;
图4是FEKO电磁计算场景示意图;
图5是本发明流程图。
具体实施方式
为了使本发明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用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
本实施例提供一种毫米波多发多收线阵的相位不一致性校正方法，包括：
S1: 目标宽带回波获取。
本实施例针对的是宽带雷达***，毫米波阵列雷达顺序发射宽带调频连续波。
以四发八收的毫米波多发多收线阵为例，其成像的几何关系如图2所示。毫米波多发多收线阵任意位置的发射信号的都具有如下式所示的模式。
Figure 722036DEST_PATH_IMAGE010
Figure 954434DEST_PATH_IMAGE011
其中，t为距离快时间，T P 为调频连续波雷达的脉冲宽度，f c 为雷达载频，γ为调频率，rect( )表示方脉冲。假设坐标为(x p ,y p ,z p )的点目标与发射阵元天线和接收阵元天线的距离分别为R Tm和R Rn ，其中m为发射阵元序号，n为接收阵元序号。目标散射系数为σ(x p ,y p ,z p )，任意收发阵元组合的回波可以写为：
Figure 585135DEST_PATH_IMAGE012
Figure 270195DEST_PATH_IMAGE013
其中c为光速，exp表示e为底的指数函数，j表示虚数单位，位置为(x Tm ,z)的发射阵元天线到目标的距离为
Figure 887121DEST_PATH_IMAGE014
，位置为(x Rn ,z)的发射阵元天线到目标的距离为
Figure 833080DEST_PATH_IMAGE015
。
以发射信号作为本振信号，***通过解线频调的方式接收得到的目标回波信号，在消除视频相位项并且忽略信号的包络后，此时任意收发阵元组合的回波信号表达式为：
Figure 510049DEST_PATH_IMAGE016
Figure 682404DEST_PATH_IMAGE017
也可以表示为
Figure 696497DEST_PATH_IMAGE018
Figure 903487DEST_PATH_IMAGE019
其中
Figure 485778DEST_PATH_IMAGE020
。以上是理想条件下目标的宽带回波信号，对于实际的稀疏阵列成像***，不同通道间会存在相位不一致性，实际的毫米波多发多收线阵中任意收发阵元组合的目标回波信号可表达为
Figure 270063DEST_PATH_IMAGE021
Figure 228792DEST_PATH_IMAGE022
其中θ m 为第m个发射阵元天线的附加相位，
Figure 759131DEST_PATH_IMAGE023
为第n个接收阵元天线的附加相位。
S2: 参考目标宽带回波获取。
参考目标为一个金属平板，与图2中稀疏线阵的扫描平面平行放置，距离向坐标为y ref 。金属平板的尺寸需要保证毫米波多发多收线阵中任意发射天线的波束照射不到金属平板的边缘。根据镜面反射定理，每一组收发阵元得到的金属平板的回波信号只存在一个固定的距离。以任意一组收发阵元为例，其距离示意图如图3所示。其中入射波与水平面的夹角与反射波与水平面的夹角相同，此时接收阵元才能够接收到对应发射阵元经金属平板散射后的回波信号。
不考虑电磁波传输路线的距离，设任意收发阵元之间的传输距离为R ref_mn ，毫米波多发多收线阵中任意收发阵元组合的参考目标回波信号可表达为
Figure 902536DEST_PATH_IMAGE024
Figure 49484DEST_PATH_IMAGE025
其中σ mn 对应第m个发射阵元天线发射信号和第n个接收阵元天线接收信号时金属平板的散射强度。
S3: 利用电磁计算软件FEKO仿真和图3完全相同的场景下的金属平板的散射回波，其仿真场景如图4所示。箭头为发射阵元位置，叉号为接收阵元位置，目标为纯金属平板，采用物理光学法计算目标的电磁散射回波，单次计算可得到一个发射阵元发射信号，8个接收阵元同时接收的回波信号。通过MATLAB软件控制FEKO软件的.PRE文件可以改变发射阵元的位置，通过多次计算即可得到完整的稀疏阵列的回波信号。
由于电磁计算软件计算目标散射数据时，仿真条件均处于理想条件，不存在通道间的相位不一致的问题。此时电磁计算的毫米波多发多收线阵中任意收发阵元组合的金属平板的电磁散射回波信号可以表达为：
Figure 811903DEST_PATH_IMAGE026
Figure 727907DEST_PATH_IMAGE027
S4: 利用参考数据和电磁计算数据对目标的回波信号进行补偿，可得
Figure 508125DEST_PATH_IMAGE028
Figure 142369DEST_PATH_IMAGE029
此时完成了毫米波多发多收线阵通道间相位不一致性的校正。
实施例2：
本实施例提供一种毫米波多发多收线阵成像***，采用实施例1所述毫米波多发多收线阵的相位不一致性校正方法获取相位不一致性校正后的目标回波信号，校正后的目标回波信号直接用于目标的成像与重构。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.毫米波多发多收线阵的相位不一致性校正方法，其特征在于，包括：
（1）利用毫米波多发多收线阵录取目标回波信号
Figure 100537DEST_PATH_IMAGE001
；
（2）利用金属平板作为参考目标，金属平板与毫米波多发多收线阵的扫描平面平行，录取金属平板的回波信号，将其作为相位不一致性的参考目标回波信号S ref ；
（3）利用电磁计算软件仿真得到与步骤（2）相同场景下的金属平板的仿真回波信号S fek ，其中相同场景是指仿真中的毫米波多发多收线阵的阵元分布、***的工作频率、金属平板的尺寸以及设置位置均与步骤（2）相同；
（4）利用参考目标回波信号S ref 和仿真回波信号S fek 对目标回波信号S r 进行补偿，即可得到相位不一致性校正后的目标回波信号S t_comp ，
Figure 486519DEST_PATH_IMAGE002
。
2.根据权利要求1所述的毫米波多发多收线阵的相位不一致性校正方法，其特征在于，所述毫米波多发多收线阵为四发八收的毫米波多发多收线阵。
3.根据权利要求1所述的毫米波多发多收线阵的相位不一致性校正方法，其特征在于，所述毫米波多发多收线阵顺序发射宽带调频连续波。
4.根据权利要求1、2或3所述的毫米波多发多收线阵的相位不一致性校正方法，其特征在于，步骤（2）中所设置的金属平板的尺寸需要满足毫米波多发多收线阵中的发射阵元的主瓣波束照射不到金属平板的边缘。
5.根据权利要求4所述的毫米波多发多收线阵的相位不一致性校正方法，其特征在于，步骤（3）中利用电磁计算软件FEKO仿真得到与步骤（2）相同场景下的金属平板的电磁散射回波信号。
6.根据权利要求3所述的毫米波多发多收线阵的相位不一致性校正方法，其特征在于，步骤（1）中，利用毫米波多发多收线阵录取目标回波信号，其中毫米波多发多收线阵中任意收发阵元组合的目标回波信号表达式为：
Figure 125310DEST_PATH_IMAGE003
其中坐标为(x p ,y p ,z p )点目标与毫米波多发多收线阵中发射阵元天线和接收阵元天线的距离分别为R Tm和R Rn ，其中m为发射阵元天线序号，n为接收阵元天线序号，目标散射系数为σ(x p ,y p ,z p )，位置为(x Tm ,z)的发射阵元天线到目标的距离为
Figure 254940DEST_PATH_IMAGE004
，位置为(x Rn ,z)的发射阵元天线到目标的距离为
Figure 538154DEST_PATH_IMAGE005
；
Figure 219671DEST_PATH_IMAGE006
，t为距离快时间，f c 为雷达载频，γ为调频率，c为光速，exp表示e为底的指数函数，θ m 为第m个发射阵元天线的附加相位，
Figure 221125DEST_PATH_IMAGE007
为第n个接收阵元天线的附加相位。
7.根据权利要求6所述的毫米波多发多收线阵的相位不一致性校正方法，其特征在于，步骤（2）中，不考虑电磁波传输路线的距离，设毫米波多发多收线阵中任意收发阵元之间的传输距离为R ref_mn ，毫米波多发多收线阵中任意收发阵元组合的参考目标回波信号的表达式为：
Figure 154446DEST_PATH_IMAGE008
其中σ mn 对应第m个发射阵元天线发射信号和第n个接收阵元天线接收信号时金属平板的散射强度。
8.根据权利要求7所述的毫米波多发多收线阵的相位不一致性校正方法，其特征在于，步骤（3）中，电磁计算软件仿真得到的毫米波多发多收线阵中任意收发阵元组合的金属平板的电磁散射回波信号的表达式为：
Figure 557746DEST_PATH_IMAGE009
。
9.根据权利要求8所述的毫米波多发多收线阵的相位不一致性校正方法，其特征在于，步骤（4）中，相位不一致性校正后的目标回波信号S t_comp ，其中校正后的毫米波多发多收线阵中任意收发阵元组合的目标回波信号表达式为：
Figure 413094DEST_PATH_IMAGE010
。
10.一种毫米波多发多收线阵成像***，其特征在于，采用权利要求1至9中任一权利要求所述毫米波多发多收线阵的相位不一致性校正方法获取相位不一致性校正后的目标回波信号用于目标的成像与重构。
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