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一種近距離寬帶CSAR成像系統(tǒng)通道均衡方法*

溫鑫1,2,3，黃培康4，年豐2,3，楊于杰2，馮克明2,3

(1. 中國傳媒大學 信息工程學院，北京100024；2．計量與校準技術(shù)重點實驗室，北京100854；

3. 北京無線電計量測試研究所，北京100854；4．電磁散射重點實驗室，北京100854)

摘要：在傳統(tǒng)的外部參考校準方法基礎(chǔ)上，提出了一種利用校準金屬板成像實現(xiàn)近距離寬帶毫米波CSAR三維成像系統(tǒng)中多通道幅度和相位均衡的方法。該方法分為兩步完成毫米波天線陣列的幅度和相位校準。首先，采用外部參考的校準方法,利用校準金屬板來完成天線陣列的幅度和相位粗校準，然后，借助空間頻率內(nèi)插的波前重構(gòu)算法完成對校準金屬板的三維空間重構(gòu)，通過三維空間散射數(shù)據(jù)切面圖的自聚焦來修正天線陣列的相位實現(xiàn)相位的精校準。通過搭建的近距離毫米波CSAR三維成像系統(tǒng)，驗證了該通道均衡方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：近距離；圓柱合成孔徑雷達；天線陣列；校準

0引言

1992年美國西北太平洋國家實驗室(PNNL)的Sheen和McMakin等人首次提出了近距離平面掃描全息成像系統(tǒng), 為了克服平面掃描成像系統(tǒng)成像范圍有限的缺點，1995年他們提出了近距離圓柱掃描合成孔徑雷達(CSAR)成像系統(tǒng)[1-2]。提高CSAR成像系統(tǒng)的分辨率能夠有效提高成像目標的檢測和識別能力，使其具有廣泛的應(yīng)用前景，是近距離雷達探測重要的發(fā)展方向之一。CSAR成像系統(tǒng)采用了寬帶毫米波信號來提高距離方向的分辨率，而在圓周方向和高度方向的分辨率是由多通道毫米波天線陣列保證。寬帶毫米波多通道成像系統(tǒng)中子通道之間的幅度和相位特性不一致，直接影響最終的寬帶合成結(jié)果，惡化系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

目前，天線陣列的校準方法可以分為：硬件通道校準、天線互耦校準、外部參考校準以及目標成像校準。硬件通道校準是在天線陣列的每個通道通過增加硬件的方法進行幅度和相位的補償。例如，Alfred等人提出利用不同延時量的延時單元和開關(guān)組合可以實現(xiàn)每個收發(fā)通道的相位補償[3]，Br?utigam等人提出利用發(fā)射通道和接收通道之間的耦合實現(xiàn)收發(fā)通道的幅度和相位的校準方法[4]。該校準方法具有校準速度快，實時性好等優(yōu)點，但是對成本要求較高，而且校準器件本身幅相特性的影響，導(dǎo)致校準的精度很難控制。天線互耦校準是利用天線之間的互耦信號進行校準的方法[5]，該方法優(yōu)點在于能夠?qū)崟r校準，缺點是由于天線互耦信號的不確定性，導(dǎo)致校準引入的誤差較大[6-7]。外部參考校準是利用外部的參考信號或者參考目標進行不同通道之間的幅度和相位的校準。例如，Erik等人使用了相參外置信號源作為發(fā)射信號來校準所有的接收通道[8]，Gregory等人使用了固定位置點散射目標來校準天線陣列[9]，該方法只要外設(shè)一個固定位置的參考目標就可以完成天線陣列的幅度和相位校準，此類校準方法校準時包括了天線和路徑的幅相特性，而且不需要增加硬件成本，缺點是由于外部參考目標引入的誤差因素較多，影響了校準精度。目標成像校準是通過對標準目標的采樣數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的變換來實現(xiàn)天線陣列幅度和相位校準。例如，Popova等人和John等人利用二維平面像的結(jié)果來修正天線陣列的各個收發(fā)通道的幅度和相位，完成了天線陣列的校準[10-11]，這種方法的優(yōu)點在于工程實現(xiàn)簡單，而且具有較高的校準精度，缺點在于實現(xiàn)算法復(fù)雜，影響了系統(tǒng)的實時性。 本文基于外部參考校準方法在工程上易于實現(xiàn)的優(yōu)點以及目標成像校準方法校準精度高的優(yōu)點，提出了利用一種特制金屬板作為外部參考目標并對其進行成像的毫米波天線陣列的校準方法。

1毫米波天線陣列的結(jié)構(gòu)

近距離主動毫米波圓柱掃描成像系統(tǒng)中天線陣列的發(fā)射通道和接收通道分別是2n個，發(fā)射天線的口面和接收天線的口面都是等間距排列，并且發(fā)射天線的口面與接收天線口面平行排列，如圖1所示。根據(jù)n的大小選擇合適的開關(guān)級數(shù)以及開關(guān)形式，常用的開關(guān)形式有單刀雙擲、單刀四擲、單刀八擲、單刀十六擲等。成像系統(tǒng)采用天線陣列的發(fā)射通道和接收通道同步的工作方式，這樣天線陣列完成自上而下的掃描后，就形成了2n個收發(fā)通道。由于一路信號到2n路信號的切換方式，每一路信號必然有一部分相對獨立的電纜，即使采用等長傳輸線的結(jié)構(gòu)，也很難做到幅度和相位一致，尤其是采用寬帶毫米波信號時，而且成本要求較高，所以需要采用合適的校準方法將天線陣列的各個收發(fā)通道幅度和相位校準一致。校準過程中采用的外部參考校準目標為如圖1所示的校準金屬板，兩個金屬反射面的夾角為120°，構(gòu)成“V”字型的切面。通過天線陣列在一個固定位置下對校準金屬板進行采樣，利用采樣數(shù)據(jù)來構(gòu)建校準因子，實現(xiàn)天線陣列的幅度和相位的粗校準，保證校準金屬板位置不變的條件下，成像系統(tǒng)在掃描狀態(tài)下對校準金屬板進行三維空間重構(gòu)，通過調(diào)整天線陣列所有通道對應(yīng)位置上校準金屬板的三維散射數(shù)據(jù)切面圖“V”字型的聚焦情況來修正天線陣列的相位補償，完成相位的精校準。

圖1　天線陣列以及校準金屬板的結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure of antenna array and calibration metal plate

2毫米波天線陣列的校準方法

2.1毫米波天線陣列的粗校準

圖2　近距離毫米波CSAR成像系統(tǒng)模型Fig.2　Model of near range millimeter wave　　　 CSAR imaging system

(1)

(2)

利用粗校準因子SCalfactor乘以成像系統(tǒng)工作時的每一列采樣數(shù)據(jù)就可以完成毫米波天線陣列不同收發(fā)通道采樣數(shù)據(jù)的幅度校準和相位的粗校準。

2.2毫米波天線陣列的精校準

假定雷達的輻射圖在聚束目標區(qū)上是不變，Pn點回波信號的全程相位為

(3)

(4)

式中：指數(shù)項為球面波信號的形式，它可以被分解為平面波信號的形式[13]，定義zc-zn=z′，

(5)

球面波信號的分解可以認為是由位于(x,y,z)點的目標發(fā)射的平面波信號的累加，平面波分量的色散關(guān)系式為

(6)

則有

(7)

(8)

于是

(9)

對式(9)中的θ作傅里葉變換，并用ξ代替θ，則卷積變?yōu)槌朔e

(10)

式(10)可以簡化為

(11)

式中：定義2krcosθ=kx和2krsinθ=ky為空間頻率域。

(12)

3工程系統(tǒng)的實驗

近距離毫米波CSAR成像系統(tǒng)平臺如圖4所示，成像區(qū)域中心的目標為校準金屬板。成像系統(tǒng)的天線陣列在電機驅(qū)動下完成360°的掃描，高速旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)的采樣間隔為Δθ=0.3°，則沿著θ方向的采樣點數(shù)為1 200點。天線陣列采用的是256個收發(fā)通道，則沿著z方向的采樣點數(shù)為256點。系統(tǒng)采用20~30 GHz的寬帶信號，頻率方向采樣間隔為50 MHz，則沿著ω方向的采樣點數(shù)為200點。通過高速的頻率源捷變、開關(guān)通道的切換以及天線陣列的旋轉(zhuǎn)，整個系統(tǒng)工作的采樣時間小于2 s。

圖3　毫米波天線陣列的校準過程流程圖Fig.3　Calibration flow chart of millimeter　　　wave antenna array

毫米波天線陣列在如圖4所示的角度下，得到校準金屬板的采樣數(shù)據(jù)，構(gòu)建粗校準因子，完成天線陣列的幅度和相位粗校準，粗校準前后天線陣列的256個收發(fā)通道的幅度和相位波動如圖5所示。

圖4　近距離毫米波CSAR成像系統(tǒng)平臺Fig.4　Platform of near range millimeter wave　　　 CSAR imaging system

圖5　粗校準后的天線陣列幅度和相位的波動Fig.5　Amplitude and phase fluctuation of the antenna array after coarse calibration

經(jīng)過粗校準后天線陣列通道之間的幅度波動近似為1.5 dB，相位的波動近似為0.3 rad，粗校準有效的均衡了天線陣列收發(fā)通道的幅度波動，但是天線陣列的收發(fā)通道的相位波動仍然較大。保證校準金屬板位置不變的條件下，利用近距離主動毫米波圓柱掃描成像系統(tǒng)對校準金屬板進行成像，利用校準金屬板三維空間散射數(shù)據(jù)的切面圖中兩個反射面的自聚焦來修正天線陣列的每個收發(fā)通道相位，自聚焦前后校準金屬板的三維空間散射數(shù)據(jù)的切面圖如圖6所示。

通過相位修正以后的天線陣列所有通道的幅度和相位波動如圖7所示，經(jīng)過精校準后天線陣列所有通道的幅度沒有發(fā)生任何變化，相位的波動近似為0.1 rad，有效地較小了天線陣列的收發(fā)通道的相位波動。

圖6　校準金屬板三維散射數(shù)據(jù)的二維切面圖Fig.6　Section view of the calibration plate’s three-dimensional scattering data

圖7　精校準后的天線陣列幅度和相位的波動Fig.7　Amplitude and phase fluctuation of the antenna array after fine calibration

4結(jié)束語

本文在傳統(tǒng)外部參考校準方法的基礎(chǔ)上，利用近距離毫米波CSAR波前重構(gòu)算法，提出了一種能夠有效應(yīng)用于近距離毫米波CSAR成像系統(tǒng)中的通道均衡方法，該方法不需要增加硬件成本以及復(fù)雜的校準算法，明顯的提高了傳統(tǒng)外部參考校準方法的精度，為近距離毫米波CSAR成像系統(tǒng)的工程化提供了保障。

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Channel Equalization Method of Near Range Wideband CSAR Imaging System

WEN Xin1,2，3,HUANG Pei-kang4, NIAN Feng2，3, YANG Yu-jie2,FENG Ke-ming2，3

(1.Communication University of China,Information Engineering School,Beijing 100024,China;2. Science and Technology on Metrology and Calibration Laboratory, Beijing 100854, China；3. Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement, Beijing 100854, China；4. National Electromagnetic Scattering Laboratory, Beijing 100854, China)

Abstract:On the basis of the traditional external reference calibration method, a new amplitude and phase equalization method of the array antennas in near range wideband millimeterwave CSAR imaging system using the calibration metal plate is presented. This method uses two steps to calibrate the amplitude and phase of the millimeterwave array antennas. The first step is to use calibration mental plate to coarsely calibrate the amplitude and phase of the array antennas through external reference calibration method. The second step is to usespatial frequency interpolation of wave front reconstruction algorithm to reconstruct the calibration metal plate in three-dimensional space, and then auto-focusing in the section view of the scattering data in three-dimensional space is used to correct the phase of the array antennas to finely calibrate the phase. The near range millimeterwave CSAR imaging system is set up to verify the effectiveness and feasibility of the equalization method.

Key words:near range; cylindrical synthetic aperture radar(CSAR); array antennas; calibration

中圖分類號：TN958；TN957.52

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-02-0089-07

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.02.015

通信地址：100854北京142信箱408分箱E-mail：wenxin_203@163.com

作者簡介：溫鑫(1982-)，男，黑龍江哈爾濱人。高工，博士生，研究方向為雷達信號處理。

基金項目：中國博士后基金資助項目(2014M550782)

* 收稿日期：2014-06-23；
修回日期：2014-07-20