【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及毫米波雷达，涉及雷达阵列信号处理，尤其是大规模mimo阵列雷达成像系统的架构设计以及近场校准方法。
技术介绍
1、阵列信号处理是现代信号处理的一个重要分支。与单个天线相比，阵列天线的自由度更高，对目标的角度分辨能力更强。在理论研究和实际应用中，阵列信号处理迅速发展，已广泛应用于雷达、射电天文、医学成像、无线通信、无人驾驶车辆等方面。
2、对于阵列雷达成像系统而言，要获得高精度成像结果，需要较高的角度成像分辨率。角度成像分辨率与阵列孔径有关，为了实现对目标的高精度成像，通常需要较大的阵列孔径。多输入多输出(mimo)雷达是把无线通信系统中的mimo技术引入到雷达领域，并和数字阵列技术相结合而产生的一种新体制雷达。由于采用了波形分集技术，相比单输入单输出(simo)雷达，mimo雷达可以通过较少的物理通道扩展出较大的虚拟孔径，具有硬件结构简单，成本低廉，成像分辨率高等优点。因此，大规模mimo阵列雷达在具有近场高分辨率成像需求的场景下具有实用价值。
3、现有技术公开了一种全相参架构的阵列雷达成像系统，这种架构将同一高频信号馈送至不同的射频芯片用以同步信号间的延时和相位。然而，全相参架构所需的高频信号馈送和传输网络，具有复杂的硬件结构和高昂的制作成本，并且高频信号在前端的传输延时误差会导致频率和相位误差，严重干扰雷达成像结果。
4、考虑到全相参架构存在的不足，本专利技术采用准相参架构，使用低频信号同步射频元件，再由射频元件内的锁相环(pll)将信号上变频到高频段。因此，准相参架构具有结
5、对于准相参架构的大规模mimo阵列雷达系统，现有的校准方法多采用空馈方式，通过一些辅助的测试设备如频谱仪、矢量网络分析仪等仪器来校准补偿各通道间的幅度与相位误差。而这种校准方法的校准过程繁琐、校准精度较低、校准的实时性不高，容易受到测试环境的干扰。另外，大规模阵列的应用场景很难满足远场条件，所以传统的远场信号模型和远场校准方法均不适用。目前此类准相参架构的大规模mimo阵列雷达系统缺乏一种较为通用且有效的近场校准方法。
技术实现思路
1、本专利技术针对上述已有技术的不足，设计了一种基于单片微波集成电路(mmic)的准相参架构的大规模mimo阵列雷达成像系统，并根据大规模阵列的应用场景提出相应的近场校准方法，以实现对目标的高精度成像。
2、本专利技术的一种大规模mimo阵列雷达成像系统，是将多个雷达射频子系统并行布置在一个准相参架构中构成。所述的雷达射频子系统包括射频模块和mcu(微控制单元)控制模块。所述的射频模块采用包含多个射频芯片的布局设计。所述的mcu控制模块作为每个雷达射频子系统的控制核心，与射频模块中的各个射频芯片相连。各雷达射频子系统采用准相参架构连接。
3、所述的大规模mimo阵列雷达成像系统采用了一种独特的tdm(时分多路复用)发射机制，以避免准相参架构下，不同射频芯片之间，非相干信号的互扰，并通过模拟低通滤波技术获得由同一射频芯片内部，经同一本振发射和混频产生的相干信号。该机制的基本原理是：为不同射频芯片的斜波信号施加一个可控延时，在接收端混频后，经由同一lo发射和混频的同一芯片内自发自收的信号将出现在低频段，经由不同lo发射和混频的不同射频芯片间互发互收的信号将出现在高频段。
4、所述成像系统中，各射频芯片通过低通滤波获取没有引入pll带来的初始相位误差的相干信号。
5、所述的带有可控延时的tdm发射机制，发射延时与雷达最大不模糊距离的关系是：
6、
7、其中，c为光速，td为发射延时。
8、对于带有可控延时的tdm发射机制，发射延时与雷达的最大不模糊距离存在关系。发射延时越大，雷达的最大不模糊距离就越小。调整发射延时使得雷达最大不模糊距离适用于本专利技术中针对的近场成像场景。
9、进一步地，基于所述的大规模mimo阵列雷达成像系统为硬件平台，本专利技术提出一种近场校准方法，对所述的大规模mimo阵列雷达成像系统进行误差校准。该校准方法包括如下步骤：
10、步骤s1：在近场条件下，在已知距离和已知方位处放置一个强散射点目标；
11、步骤s2：使用所述的大规模mimo阵列雷达成像系统对目标进行测量，在已知目标所在的确定距离下的球面进行bp投影成像；
12、步骤s3：将成像区域划分为网格；
13、步骤s4：从主瓣和栅瓣所在的网格点中提取通道的bp图像数据；
14、步骤s5：设计凸优化的目标函数和约束条件，使经过相位补偿后，主瓣网格点的成像结果最大化，而栅瓣网格点的成像结果最小化；
15、步骤s6：求解上述的目标函数，计算出相位和权重的补偿因子。该补偿因子用于修正mimo阵列中每个发射阵元和接收阵元所存在的幅度和相位误差。
16、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
17、(1)本专利技术设计一种基于准相参架构的大规模mimo阵列雷达成像系统，并设计了一种tdm发射体制获得由同一射频芯片内部产生的相干信号，得到无pll引入的初相误差的相干信号，同时提出适用于大规模mimo阵列的通用近场校准方法，在发挥大规模mimo阵列雷达的高分辨优势的同时，满足对目标进行高精度成像的需求。
18、(2)本专利技术采用mcu控制多个射频芯片构成雷达射频子系统，再对雷达射频子系统进行复用和并行排布，使得系统更加灵活且易于控制。
19、(3)本专利技术系统采用准相参架构设计，同时在mimo阵列采用独特的tdm发射机制，在混频后通过低通滤波消除射频芯片间的非相干信号的互扰，获得射频芯片内部通过自发自收产生的相干信号。
20、(4)本专利技术校准方法是软件相位校准方案，对系统中的相参和准相参情形都进行了建模校准，因此本专利技术校准方案具有通用性。
21、(5)本专利技术基于凸优化提出近场校准方法，该方法仅需执行一次，所得补偿因子可用于后续成像，使得大规模阵列雷达能够克服繁琐的校准过程，在近场下获得高精度的成像结果。本专利技术的近场校准方法简化了校准过程，能有效克服近场成像中的误差。
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1.一种大规模MIMO阵列雷达成像系统，其特征在于，该系统是将多个雷达射频子系统并行布置在一个准相参架构中构成；其中，每个雷达射频子系统包含射频模块和一个MCU控制模块，射频模块包含多个射频芯片，MCU控制模块与每个射频芯片相连；同一个雷达射频子系统的射频芯片的各个硬件通道都连接到同一个本地振荡器LO；
2.根据权利要求1所述的大规模MIMO阵列雷达成像系统，其特征在于，所述成像系统中，各雷达射频子系统采用准相参架构连接，用一个低频信号同步各雷达射频子系统中不同的射频芯片和MCU，然后通过各射频芯片内部的PLL将低频信号上变频得到高频信号。
3.根据权利要求1所述的大规模MIMO阵列雷达成像系统，其特征在于，所述的MCU控制模块实现以下功能：
4.根据权利要求1所述的大规模MIMO阵列雷达成像系统，其特征在于，所述的TDM发射机制中为斜波信号施加一个延时，信号的发射延时与雷达最大不模糊距离Rmax的关系是：
5.根据权利要求1或4所述的大规模MIMO阵列雷达成像系统，其特征在于，所述的TDM发射机制为不同射频芯片的本地振荡器施加一个
6.根据权利要求1或3或4所述的大规模MIMO阵列雷达成像系统，其特征在于，所述的成像系统对近场目标成像，包括：
7.一种近场校准方法，用于对如权利要求1所述的大规模MIMO阵列雷达成像系统进行误差校准，其特征在于，该方法包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的近场校准方法，其特征在于，所述的步骤S2中，强散射点目标放置在方位角、俯仰角均为0°、到雷达所在平面的垂直距离R处；将目标所在的成像区域P划分为个成像网格，为方位向划分的网格数，为俯仰向划分的网格数；所述的大规模MIMO阵列雷达成像系统得到带有幅度和相位误差的BP成像的总图像如下：
9.根据权利要求7或8所述的近场校准方法，其特征在于，所述的步骤S3中，在成像网格上提取所有栅瓣对应的各个通道的BP图像形成矩阵矩阵元素表示由第i个发射阵元Ti和第j个接收阵元Rj组成的通道下，成像区域中网格位置对应的BP图像，表示第a个方位向栅瓣、第b个俯仰向栅瓣所在网格位置；
10.根据权利要求7或8所述的近场校准方法，其特征在于，所述的步骤S4中，设计凸优化目标函数及约束条件如下：
...【技术特征摘要】
1.一种大规模mimo阵列雷达成像系统，其特征在于，该系统是将多个雷达射频子系统并行布置在一个准相参架构中构成；其中，每个雷达射频子系统包含射频模块和一个mcu控制模块，射频模块包含多个射频芯片，mcu控制模块与每个射频芯片相连；同一个雷达射频子系统的射频芯片的各个硬件通道都连接到同一个本地振荡器lo；
2.根据权利要求1所述的大规模mimo阵列雷达成像系统，其特征在于，所述成像系统中，各雷达射频子系统采用准相参架构连接，用一个低频信号同步各雷达射频子系统中不同的射频芯片和mcu，然后通过各射频芯片内部的pll将低频信号上变频得到高频信号。
3.根据权利要求1所述的大规模mimo阵列雷达成像系统，其特征在于，所述的mcu控制模块实现以下功能：
4.根据权利要求1所述的大规模mimo阵列雷达成像系统，其特征在于，所述的tdm发射机制中为斜波信号施加一个延时，信号的发射延时与雷达最大不模糊距离rmax的关系是：
5.根据权利要求1或4所述的大规模mimo阵列雷达成像系统，其特征在于，所述的tdm发射机制为不同射频芯片的本地振荡器施加一个可控延时...
【专利技术属性】
技术研发人员：王俊，贺嘉诚，杨彬，鲍宇轩，赵珂，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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