用于毫米波安检成像的双定标天线射频通道校准方法与流程
本发明涉及射频通道校准技术领域，具体涉及一种用于毫米波安检成像的双定标天线射频通道校准方法。
背景技术：
主动式毫米波安检成像仪，通常采用多通道mimo工作模式，如图1所示，以降低系统硬件成本，同时提升系统成像速度。为提升系统成像性能，成像前需对各射频收/发通道间幅频特性、相频特性、电长度进行校准。此外，根据成像算法相关要求，天线阵列中任意收发天线对针对待测目标的检测信号，应以相应天线相位中心为零相位参考点。如图2所示，将定标喇叭天线置于射频收/发天线阵列远场区，或保证足够距离以使定标喇叭天线位于所有射频收/发天线的主瓣波束照射范围内，可通过一次校准测量快速获取所有通道的校准数据，提升校准效率，有利于产品的批量化生产。
然而该方法需要精确测量定标喇叭天线相对于射频收/发天线阵列的位置坐标，对于毫米波波段，毫米级定位误差即会对系统校准精度产生较大影响，进而影响成像效果。
因此，亟待提供一种新的技术方案解决上述问题。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服现有技术存在的射频通道校准成像效果不佳的问题，提供一种用于毫米波安检成像的双定标天线射频通道校准方法，所述用于毫米波安检成像的双定标天线射频通道校准方法无需直接测量定标天线的位置坐标，而是通过数据统计分析获取定标天线位置的真值，从而精准实现对射频收发通道的校准，使得毫米波安检成像仪的成像效果更佳。
为了实现上述目的，本发明提供一种用于毫米波安检成像的双定标天线射频通道校准方法，具体包括以下步骤：s1，提供两个外接定标天线，具体为第一定标天线及第二定标天线，分别获取相应定标测试值，即所有接收天线相对第一定标天线及第二定标天线的接收定标信号；s2，对两组定标测试值进行互校准及相关分析处理，得到两个外接定标天线坐标的真值；s3，利用两个所述外接定标天线坐标的真值对射频通道进行校准。
优选地，所述s1中第一定标天线和第二定标天线接收定标的测试值分别为：
其中，l1rl为第一定标天线定标发射通路的长度，lref为参考通路的长度，lrx(nr)为各接收通道的长度，l1rx(nr),cal为第一定标天线至各接收天线空间距离的真值，s1rx(nr,f)为“第一定标天线+第nr个接收天线通路”相对参考通路的相位相对值；l2rl为第二定标天线定标发射通路的长度，lref为参考通路的长度，lrx(nr)为各接收通道的长度，l2rx(nr),cal为第二定标天线至各接收天线空间距离的真值，s2rx(nr,f)为“第二定标天线+第nr个接收天线通路”相对参考通路的相位相对值；λ为工作频点对应波长，j为复数虚部表示符。
优选地，所述s2具体包括以下步骤：s21，获取第一定标天线及第二定标天线的坐标范围，并分别在第一定标天线及第二定标天线的坐标范围内取一点，计算该点至各接收天线的距离；
s22，结合第一定标天线及第二定标天线上取的点，对式(1)及式(2)中的接收定标信号进行预校准，得到接收预校准信号；及
s23，对第一定标天线及第二定标天线取的点对应的接收预校准信号进行数学运算，求出第一定标天线及第二定标天线的坐标的真值。
优选地，所述s21中第一定标天线及第二定标天线的坐标范围通过目测或尺量得到，两个外接定标天线的坐标及分别在坐标范围内选取的该点至各接收天线的距离具体为：
第一定标天线：x1cal∈(x11,x1nx1)y1cal∈(y11,y1ny1)z1cal∈(z11,z1nz1)
第二定标天线：x2cal∈(x21,x2nx2)y2cal∈(y21,y2ny2)z2cal∈(z21,z2nz2)其中，(x1cal,y1cal,z1cal)即为第一定标天线的坐标的真值，(x2cal,y2cal,z2cal)即为第二定标天线的坐标的真值；第一定标天线上的选取的该点坐标记为(x1nx1,y1ny1,z1nz1)，第二定标天线上的选取的该点坐标记为(x2nx2,y2ny2,z2nz2)，则第一定标天线上的选取的该点至各接收天线的距离为l1rx(nr),(x1nx1,y1ny1,z1nz1)，第二定标天线上的选取的该点至各接收天线的距离为l2rx(nr),(x2nx2,y2ny2,z2nz2)。
优选地，所述s22中第一定标天线及第二定标天线上取的点，利用第一定标天线上的选取的该点至各接收天线的距离l1rx(nr),(x1nx1,y1ny1,z1nz1)，第二定标天线上的选取的该点至各接收天线的距离l2rx(nr),(x2nx2,y2ny2,z2nz2)，对式(1)及式(2)中的接收定标信号进行预校准，得到接收预校准信号分别为：
优选地，所述s23中通过数学运算，利用第一定标天线及第二定标天线上分别取的点得到的接收预校准信号的相位差值具体为：
其中，
遍历第一定标天线位置(x1nx1,y1ny1,z1nz1)和第二定标天线位置(x2nx2,y2ny2,z2nz2)，使
优选地，所述s3具体包括以下步骤：s31，获取定标发射至各接收天线的链路相对参考通路的相位相对值及各发射天线至定标接收的链路相对参考通路的相位相对值；s32，测得全部的收发天线对相对于目标点的散射测量值，完成实际应用时链路的相位值与测量时的相位值的预校准；s33，利用背景定标，得到s32中的相位残余量；s34，通过补充所述相位残余量以实现射频通道的最终校准。
优选地，所述s31中所述定标发射至各接收天线的链路相对参考通路的相位相对值及各发射天线至定标接收的链路相对参考通路的相位相对值具体为：
其中，lrl为定标发射通路的长度(含外接定标电缆和定标天线)，lref为参考通路的长度，lrx(nr)为各接收通道的长度，lrx(nr),cal为定标天线至各接收天线的空间距离，srx(nr,f)为定标发射至各接收天线的链路相对参考通路的相位相对值；ltl为定标接收通路的长度(含外接定标电缆和定标天线)，ltx(nt)为各发射通道的长度，ltx(nt),cal为定标天线至各发射天线的空间距离，stx(nt,f)为各发射天线至定标接收的链路相对参考通路的相位相对值。
优选地，全部的收发天线对相对于目标点的散射测量值为：
其中，(xn，yn，zn)为目标点坐标。
优选地，对式(8)信号利用式(6)、式(7)以及通过s21\s22\s23求得的确定量lrx(nr),cal和ltx(nt),cal，进行预校准，得到预校准信号：
其中，
优选地，所述s33中利用背景定标，通过获取某一收发天线对的互耦测试信号，并对其值进行处理，计算得到s32中的相位残余量
优选地，s32中获得的预校准值stx(nt),rx(nr),f,(xnynzn)(预校准)与s33中获得的相位残余量
通过上述技术方案，本发明提供一种用于毫米波安检成像的双定标天线射频通道校准方法，所述用于毫米波安检成像的双定标天线射频通道校准方法利用两个只需粗略估算位置的外接定标天线分别获取定标测试数据，并通过两组定标测试数据之间的互校准及相关分析处理，精确推算出两个定标天线的位置坐标，进而完成对射频收/发通道的校准。所述用于毫米波安检成像的双定标天线射频通道校准方法无需直接测量定标天线的位置坐标，而是通过数据统计分析精确获取定标天线位置，使得定位精度高，从而确保相应系统射频收/发通道校准结果能够满足成像质量需求。
附图说明
图1是毫米波人体安检成像仪校准系统组成示意图；
图2是单定标射频通道天线校准方法示意图；
图3是本发明所述的用于毫米波安检成像的双定标天线射频通道校准方法具体实施过程的结构示意图；
图4是本发明所述的用于毫米波安检成像的双定标天线射频通道校准方法的步骤流程示意图；
图5是点目标测试示意图；
图6是本发明所述的用于毫米波安检成像的双定标天线射频通道校准方法的背景定标示意图；
图7是系统实际成像效果图。
附图标记说明
1、接收天线；2、发射天线；3、参考通路；4、定标收/发通路；5、定标天线；51、第一定标天线；52、第二定标天线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示相对重要性，或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，除非另有说明，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；“多个”的含义是两个或两个以上。术语“包括”及其任何变形，意为不排他的包含，可能存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。
另外，“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系的术语，是基于附图所示的方位或相对位置关系描述的，仅是为了便于描述本申请的简化描述，而不是指示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
请参阅图3-4，本发明提供一种用于毫米波安检成像的双定标天线射频通道校准方法s10，所述用于毫米波安检成像的双定标天线射频通道校准方法s10适用于毫米波安检成像仪，具体包括以下步骤：
s1，提供两个外接定标天线，具体为第一定标天线及第二定标天线，分别获取相应定标测试值，即所有接收天线相对第一定标天线及第二定标天线的接收定标信号；
s2，对两组定标测试值进行互校准及相关分析处理，得到两个外接定标天线坐标的真值；
s3，利用两个所述外接定标天线坐标的真值对射频通道进行校准。
所述用于毫米波安检成像的双定标天线射频通道校准方法无需直接测量定标天线的位置坐标，而是通过数据统计分析获取定标天线位置的真值，从而精准实现对射频收发通道的校准，使得毫米波安检成像仪的成像效果更佳。
具体地，所述s1中第一定标天线和第二定标天线接收定标的测试值分别为：
其中，l1rl为第一定标天线定标发射通路的长度，lref为参考通路的长度，lrx(nr)为各接收通道的长度，l1rx(nr),cal为第一定标天线至各接收天线空间距离的真值，s1rx(nr,f)为“第一定标天线+第nr个接收天线通路”相对参考通路的相位相对值；l2rl为第二定标天线定标发射通路的长度，lref为参考通路的长度，lrx(nr)为各接收通道的长度，l2rx(nr),cal为第二定标天线至各接收天线空间距离的真值，s2rx(nr,f)为“第二定标天线+第nr个接收天线通路”相对参考通路的相位相对值；λ为工作频点对应波长，j为复数虚部表示符。
在此需要说明，s1rx(nr,f)、s2rx(nr,f)是两个定标天线接收定标能够自动获得的测量值，l1rx(nr),cal、l2rx(nr),cal是客观存在的定值，但是只有在(x1cal，y1cal，z1cal)、(x2cal，y2cal，z2cal)定位精确的前提下，l1rx(nr),cal、l2rx(nr),cal才能作为精确的已知量参与相关的定标运算。
本发明采用的用于毫米波安检成像的双定标天线射频通道校准方法，就是在两个定标天线位置(x1cal，y1cal，z1cal)和(x2cal，y2cal，z2cal)未知的情况下，通过相应的测试及算法分析，求得(x1cal，y1cal，z1cal)和(x2cal，y2cal，z2cal)的真值，进而提升定标精度，从而确保能够实现对射频通道的一致性校准。
进一步地，所述s2具体包括以下步骤：
s21，获取第一定标天线及第二定标天线的坐标范围，并分别在第一定标天线及第二定标天线的坐标范围内取一点，计算该点至各接收天线的距离；
s22，结合第一定标天线及第二定标天线上取的点，对式(1)及式(2)中的接收定标信号进行预校准，得到接收预校准信号；及
s23，对第一定标天线及第二定标天线取的点对应的接收预校准信号进行数学运算，求出第一定标天线及第二定标天线的坐标的真值。
更进一步地，所述s21中第一定标天线及第二定标天线的坐标范围通过目测或尺量得到，只需精确到分米级即可。两个外接定标天线的坐标及分别在坐标范围内选取的该点至各接收天线的距离具体为：
第一定标天线：x1cal∈(x11,x1nx1)y1cal∈(y11,y1ny1)z1cal∈(z11,z1nz1)
第二定标天线：x2cal∈(x21,x2nx2)y2cal∈(y21,y2ny2)z2cal∈(z21,z2nz2)
在第一定标天线及第二定标天线的坐标范围内分别取一点，分别记为(x1nx1,y1ny1,z1nz1)和(x2nx2,y2ny2,z2nz2)，则第一定标天线上的选取的该点至各接收天线的距离为l1rx(nr),(x1nx1,y1ny1,z1nz1)，第二定标天线上的选取的该点至各接收天线的距离为l2rx(nr),(x2nx2,y2ny2,z2nz2)。
在此需要说明，(x1cal,y1cal,z1cal)即为第一定标天线的坐标的真值，(x2cal,y2cal,z2cal)即为第二定标天线的坐标的真值。
所述s22中第一定标天线及第二定标天线上取的点，利用第一定标天线上的选取的该点至各接收天线的距离l1rx(nr),(x1nx1,y1ny1,z1nz1)，第二定标天线上的选取的该点至各接收天线的距离l2rx(nr),(x2nx2,y2ny2,z2nz2)，对式(1)及式(2)中的接收定标信号进行预校准，得到接收预校准信号分别为：
对于第一定标天线和第二定标天线的两次定标测试过程中，限定使用相同的连接电缆，则：l1rl＝l2rl。当然，使用相同的连接电缆不是必须，而是为了简化处理过程，亦可以采用不同的连接电缆。
用式(4)乘以式(3)的共轭，消除未知的参考通路长度lref、射频接收通道长度lrx(nr)及定标通路长度l1rl和l2rl，可得所述s23中通过数学运算，利用第一定标天线及第二定标天线上分别取的点得到的接收预校准信号的相位差值，具体为：
其中，
遍历第一定标天线位置(x1nx1,y1ny1,z1nz1)和第二定标天线位置(x2nx2,y2ny2,z2nz2)，使
通过上述双天线定标测试及数据分析，获得的定标天线位置(x1cal,y1cal,z1cal)和(x2cal,y2cal,z2cal)已经具备足够高的精度(为真值)，从而能够为实现毫米波安检成像仪射频收/发通道的精确校准奠定基础，满足系统成像需求。
本发明中，所述s3具体包括以下步骤：
s31，获取定标发射至各接收天线的链路相对参考通路的相位相对值及各发射天线至定标接收的链路相对参考通路的相位相对值；
s32，测得全部的收发天线对相对于目标点的散射测量值，完成实际应用时链路的相位值与测量时的相位值的预校准；
s33，利用背景定标，得到s32中的相位残余量；
s34，通过补充所述相位残余量以实现射频通道的最终校准。
对于已经精确得到的定标天线位置坐标(xcal，ycal，zcal)，毫米波安检成像仪射频校准过程具体分为三步，分别为接收定标、发射定标及背景定标，其中，定标指的是相控阵列天线系统中对各个发射/接收天线通道的一致性校正，是一个校准过程。
进一步地，所述s31中所述定标发射至各接收天线的链路相对参考通路的相位相对值为：
其中，lrl为定标发射通路的长度(含外接定标电缆和定标天线)，lref为参考通路的长度，lrx(nr)为各接收通道的长度(需要被校准的量)，lrx(nr),cal为定标天线至各接收天线的空间距离，srx(nr,f)为定标发射至各接收天线的链路相对参考通路的相位相对值，是测得的已知量。式(6)是接收定标的过程，通过定标发射至各接收天线的链路采集信号与参考通路采集信号共轭相乘得到。
所述s31中各发射天线至定标接收的链路相对参考通路的相位相对值具体为：
其中，ltl为定标接收通路的长度(含外接定标电缆和定标天线)，ltx(nt)为各发射通道的长度(需要被校准的量)，ltx(nt),cal为定标天线至各发射天线的空间距离，stx(nt,f)为各发射天线至定标接收的链路相对参考通路的相位相对值，是测得的已知量。式(7)是发射定标的过程，通过发射天线至定标接收的链路采集信号与参考通路采集信号共轭相乘得到。
所述s32中得到全部的收发天线对相对于目标点的散射测量值，具体为：
其中，(xn，yn，zn)为目标点坐标，如图5所示。
接着利用式(6)、式(7)以及通过s21\s22\s23求得的确定量lrx(nr),cal和ltx(nt),cal对式(8)进行预校准，得到预校准信号：
其中，
进一步地，所述s33中利用背景定标，通过获取某一收发天线对的互耦测试信号，并对其值进行处理，计算得到s32中的相位残余量
具体地，如图6所示，背景定标通过获得发射天线4、接收天线1(互耦信号最强的天线对)的互耦测试信号，并与参考通路采集信号共轭相乘得到，定标测试值为：
其中，l4-1为发射天线4喇叭口至接收天线1喇叭口的空间距离，为已知量,lref为参考通路的长度，s4-1，f为发射天线4、接收天线1组成的天线对相对参考通路的相位相对值。
利用式(6)、式(7)及式(8.1)，对式(6)取nr＝1，对式(7)取nt＝4，可得：
即：
式(8.2)右端均是通过三组定标测试获得的量或已知量，那么式(8.2)左边的量
s32中获得的预校准值stx(nt),rx(nr),f,(xnynzn)(预校准)与s33中获得的相位残余量
所述s32中通过式(6)、式(7)及式(8.2)对式(8)进行校准，最终得到实际应用时需要的链路相位值：
式(9)具体校准过程为：
其中，stx(nt),rx(nr),f,(xnynzn)、srx(nr,f)、stx(nt,f)均为已测得的数据，
最终式(9)即为实际应用时毫米波安检成像仪所需要的有效测试数据，实际成像效果如图7所示，当然，实际运用中校准这一过程具体通过程序控制自动完成。
通过上述技术方案，本发明提供一种用于毫米波安检成像的双定标天线射频通道校准方法，所述用于毫米波安检成像的双定标天线射频通道校准方法利用两个只需粗略估算位置的外接定标天线分别获取定标测试数据，并通过两组定标测试数据之间的互校准及相关分析处理，精确推算出两个定标天线的位置坐标，进而完成对射频收/发通道的校准。所述用于毫米波安检成像的双定标天线射频通道校准方法无需直接测量定标天线的位置坐标，而是通过数据统计分析精确获取定标天线位置，使得定位精度高，从而确保相应系统射频收/发通道校准结果能够满足成像质量需求。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！