一種多芯片級聯(lián)板卡的天線校正方法

方 敏

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引 言

在煙霧、雨水、灰塵、惡劣天氣及惡劣照明的極端能見度情況下，車載主動和被動光學傳感器的識別性能可能被抑制，導致其無法準確識別目標[1]。毫米波雷達可以在汽車行駛過程中精確測量障礙物和其他車輛的距離與相對速度，完全不受光線能見度的影響，常應用于泊車輔助、變道輔助、自動剎車和自動碰撞等智能駕駛。但在許多情況下毫米波雷達依然作為二次傳感器使用，車輛收到的雷達檢測預警需要經(jīng)過光學相機傳感器驗證，才能做出最終安全決策，其根本原因是車載雷達受到角分辨率的限制，缺乏區(qū)分相同距離和相對速度靜態(tài)物體的能力[2]。

理論上克服雷達角分辨率限制的最直接方法是增加天線數(shù)量，比如軍用雷達采用上百個天線，其角分辨就很高，但是車載雷達受體積尺寸的限制，無法用該方法解決問題。汽車工程上可以采用多芯片級聯(lián)的方式實現(xiàn)，將多個低功率毫米波芯片級聯(lián)在一起，作為一個單元同步運行，類似于單片，根據(jù)實際場景的需求變換不同的工作模式，設計最佳的范圍和距離分辨率。高角分辨率的成像雷達能夠提供清晰的高分辨率圖像，利用級聯(lián)芯片組成的多發(fā)射和接收天線通道，通過MIMO天線陣列技術實現(xiàn)波束成形、掃描、追蹤、鎖定，以有效對抗毫米波移動信道的路徑損耗，能夠顯著提高雷達角分辨率和雷達性能[3-6]。

因為采用主芯片和從芯片組成多芯片級聯(lián)方式，級聯(lián)板卡在實際使用過程中可能會導致各種各樣的偏差，如主芯片和從芯片之間、電路板天線布線長度、接收發(fā)射天線路徑、芯片器件安裝誤差、天線耦合、位置誤差、通道失配等。頻率、相位、幅度偏差一定程度上可以通過最小化布線路徑長度降低，也可以通過天線測量校正方法降低。本文級聯(lián)板卡天線校正的目的是估計主芯片和從芯片之間的頻率、相位和幅度偏差，對多發(fā)射多接收多芯片級聯(lián)的天線幅度和相位進行修正，進而提高測量精度。

1 級聯(lián)板卡的天線陣列

1.1 級聯(lián)板硬件組成

級聯(lián)板射頻前端硬件組成如圖1所示。射頻前端由1個主芯片和3個從芯片組成。每個芯片有3個發(fā)射和4個接收天線，級聯(lián)之后共有12個發(fā)射天線、16個接收天線，其中主芯片1發(fā)射天線排布在垂直方向，用于測高；從芯片2～4發(fā)射天線以及主芯片和從芯片的16個接收天線排布在水平方向，用于角度測量。主芯片和從芯片的發(fā)射和接收天線陣元間距經(jīng)過特殊設計，結合MIMO天線陣列技術，可以實現(xiàn)水平、垂直方向上高分辨率的角度測量。

圖1 天線排布圖

1.2 天線陣元

發(fā)射接收天線陣元排布如圖2所示，圖中實心表示發(fā)射天線，天線陣元間距單位為1個波長λ。3個從芯片的9個發(fā)射天線在水平方向上排布組成水平陣，相鄰發(fā)射天線間距2λ。主芯片的3個發(fā)射天線在水平方向上的間距為0.5λ，均勻排布，垂直方向上波長間距為0.5λ、1.5λ、λ，垂直方向間距可以組成最小冗余陣，用于提高垂直方向測量角精度?？招谋硎窘邮仗炀€，A、B是從芯片接收陣列，C是主芯片接收陣列，A、B、C陣列中陣元間距為0.5λ。B、C陣列間距為4λ，A、C陣列間距為16λ，整個級聯(lián)板接收實孔徑為26.5λ。

1.3 MIMO虛擬天線陣元

為了解決天線孔徑與雷達尺寸的矛盾，引入MIMO虛擬孔徑技術。MIMO技術不僅可以平滑目標RCS、降低RCS閃爍效應，而且還可以獲得非相參積累增益。MIMO的核心問題是實現(xiàn)接收端通道分離，也就是接收端的每個接收天線(通道)需要分離若干發(fā)射天線的混合信號，從而實現(xiàn)虛擬孔徑合成。在發(fā)射端層面，目前用的最多的是時分TDM，如圖3所示，這種方式通過各通道交替發(fā)射波形實現(xiàn)各通道在時間上的分離。

圖3 時分TDM示意圖

根據(jù)上述天線布陣，得到MIMO模式下虛擬天線陣如圖4所示。

圖4 級聯(lián)板MIMO虛擬天線

不同顏色對應不同的發(fā)射天線，虛擬天線間距為半個波長，水平方向理論上共有9×16=144個虛擬天線。考慮到接收天線實際布線間距，水平方向上除掉重疊天線，共有86個虛擬天線，間距為0.5λ，均勻排布。MIMO利用重疊天線，可以在一定范圍內解速度模糊。在垂直方向上，每個發(fā)射天線對應16個接收天線，用于垂直方向測高。MIMO雷達天線方向圖等效于發(fā)射方向圖和接收方向圖的乘積[7]:

(1)

式中，?為Kronecker積；M=12為發(fā)射陣元數(shù)目；N=16為接收真元數(shù)目；xti和xrk分別為發(fā)射陣中第i個陣元和接收陣中第k個陣元的位置；ωti和ωrk為激勵；u=sinθ-sinθ0，θ和θ0為平面波與線陣法線的夾角及天線的波束指向。

以水平9個發(fā)射天線陣元為例，MIMO虛擬天線等效于86個間距為0.5λ的均勻陣元，圖5給出了86個均勻陣在0°合成的天線方向圖。

圖5 86個均勻陣天線方向圖

2 級聯(lián)天線校正方法

2.1 相位幅度矩陣

相位、增益校正矩陣計算流程如圖6所示:首先，級聯(lián)板卡可以通過外加數(shù)據(jù)采集板的方式，獲取12個發(fā)射和16個接收天線組成的192個通道的ADC回波數(shù)據(jù)；其次，ADC原始數(shù)據(jù)經(jīng)過距離維FFT模塊處理后，得到距離維FFT處理后的回波數(shù)據(jù)；然后，目標距離索引單元模塊根據(jù)校正目標距離模塊輸入的校正距離，計算距離單元，尋找距離維FFT輸出對應的目標距離索引單元；最后，根據(jù)FFT目標距離索引號提取校正目標的峰值及相位，保存.mat文件，得到相位、幅度校正矩陣。

圖6 相位、幅度校正矩陣計算流程圖

由上述計算流程可知，相位幅度矩陣.mat文件中包含有FFT校正目標距離索引號、發(fā)射接收參考通道(192個通道)、相位幅度參考通道(192個通道)、復數(shù)校正矩陣等信息。

2.2 MIMO天線校正

MIMO天線原始數(shù)據(jù)校正流程如圖7所示，其中虛線框表示2.1節(jié)計算的相位幅度矩陣。

圖7 MIMO天線原始數(shù)據(jù)校正流程圖

MIMO天線校正分為頻率校正、相位和幅度校正兩步。

第1步，頻率校正。192個相位、增益校正矩陣對應12個發(fā)射和16個接收天線，假設以第1個發(fā)射天線和第1個接收天線為發(fā)射接收參考通道，剩余191個通道以第1個通道為參考基準。根據(jù)192個通道的天線距離單元索引偏差和chirp波形參數(shù)計算頻率校正矢量：

(2)

第2步，相位和幅度校正。將原始數(shù)據(jù)和第1步計算出的頻率校正因子相乘，得到頻率校正后的數(shù)據(jù)，根據(jù)第1步計算的復數(shù)校正矩陣和選取的相位幅度參考通道，計算191個通道相對于參考通道的復數(shù)偏差，得到幅度與相位校正后的數(shù)據(jù)。其他通道相對于參考通道的幅度和相位偏差計算如下：

(3)

將校正幅度相位與第1步處理后的原始數(shù)據(jù)相乘，得到最終校正數(shù)據(jù)。

2.3 級聯(lián)板卡信號處理

以MIMO信號處理為例，級聯(lián)板卡基本信號處理流程如圖8所示。

級聯(lián)板卡MIMO信號處理分為4步：

第1步，原始數(shù)據(jù)讀取和校正。數(shù)據(jù)采集完成，采集板卡對前端射頻芯片采集的二進制原始數(shù)據(jù)和chirp波形參數(shù)解碼，按照發(fā)射、接收天線重新排列，解出每個通道的回波數(shù)據(jù)，形成距離、速度、發(fā)射天線、接收天線四維矩陣。按照2.2節(jié)計算校正矩陣， 代入原始數(shù)據(jù)，按照校正矩陣校正每個發(fā)射、接收天線，完成原始回波數(shù)據(jù)的頻率、幅度、相位校正；

第2步，距離維和速度維FFT。將幅度、相位校正過的數(shù)據(jù)按照發(fā)射、接收天線依次做距離維、速度維FFT，距離和速度維FFT的點數(shù)根據(jù)chirp波形參數(shù)設置，一般是等于或者大于距離、速度維點數(shù)的2次冪；

第3步，目標檢測。將距離維、速度維處理后的數(shù)據(jù)送到目標檢測模塊中，對所有發(fā)射、接收天線形成的通道進行非相關積累，然后對非相關積累的結果在檢測的目標單元做距離和速度維CFAR檢測，速度、相位補償后輸出目標檢測結果；

第4步，角度估計。角度估計分為水平和垂直兩個方向，分別通過水平和垂直天線計算，根據(jù)目標檢測結果，針對出現(xiàn)檢測目標單元的位置點，找到距離、速度維索引號，求取目標的角度范圍。

3 實 驗

級聯(lián)板卡天線測試系統(tǒng)如圖9所示，包括級聯(lián)板射頻前端、數(shù)據(jù)采集后端、暗室轉臺、目標模擬器、電腦上位機、模擬器上位機等。

圖9 級聯(lián)板卡天線測試系統(tǒng)框圖

級聯(lián)板射頻前端是雷達的主要組成部分，主要由天線與純射頻模塊構成；數(shù)據(jù)采集后端負責數(shù)據(jù)的存儲和傳輸；暗室轉臺用于模擬不同方位目標；目標模擬器用于目標及其距離速度模擬；電腦上位機負責參數(shù)配置通訊與數(shù)據(jù)存儲，可以通過網(wǎng)口獲取數(shù)據(jù)采集后端儲存的數(shù)據(jù)；模擬器上位機用于控制轉臺與模擬器。

級聯(lián)板卡工作在MIMO模式下，發(fā)射天線波形信號形式及chirp參數(shù)數(shù)據(jù)包括起始頻率77 GHz，調頻斜率10.909 MHz/μs，空閑時間5 μs，ADC起始時間5 μs，ADC采樣點數(shù)512，采樣率10 MHz，chirp上升時間60 μs，chirp周期數(shù)64。MIMO工作在分時發(fā)送模式下，12個發(fā)射天線在時間上輪流發(fā)射chirp，12個chirp為一個周期，64個周期為1幀，10幀為采集卡的一個采集周期。

天線校正實驗在暗室內完成，同時配套使用雷達目標模擬器和轉臺。實驗系統(tǒng)工作流程如下：

第1步，將級聯(lián)板固定在轉臺上，前端射頻板中心用激光正對雷達模擬器，保證水平垂直方向與天線喇叭中心重合，雷達模擬器設置校正目標距離 50 m，RCS為 50 dB，速度為 0 m/s。

第2步，啟動級聯(lián)板卡數(shù)據(jù)采集上位機軟件，連上級聯(lián)板卡后，在上位機界面運行MIMO波形配置腳本，加載射頻前端芯片配置，激活前端發(fā)射、接收天線，使級聯(lián)板工作在激活模式。當射頻前端芯片正常工作后，在上位機端運行采集數(shù)據(jù)腳本，12個發(fā)射天線按照天線次序輪流發(fā)射波形，16個接收天線按照時序接收波形，前端射頻板開始采集數(shù)據(jù)，后端采集卡將發(fā)射天線參數(shù)和接收天線原始數(shù)據(jù)存儲在本地固態(tài)硬盤(Solid State Disk，SSD)中，數(shù)據(jù)采集完成后啟動傳送程序，將采集卡SSD存儲的原始數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口導入計算機。

第3步，運行MATLAB校正程序，解析采集數(shù)據(jù)，讀取發(fā)射波形參數(shù)，重排接收天線數(shù)據(jù)，按照距離、速度、發(fā)射、接收排列數(shù)據(jù)，1幀數(shù)據(jù)大小為512×64×12×16。按照2.1節(jié)校正流程處理原始數(shù)據(jù)，輸入校正距離，做一維快速傅里葉變換后，按照輸入距離單元取得校正單元距離頻道號，保存12個發(fā)射天線、16個接收天線校正單元的頻道號、幅度、相位數(shù)據(jù)，得到相位增益矩陣。

利用一定范圍的波束響應形成的天線方向圖來檢測級聯(lián)板的幅度、相位校正性能。將級聯(lián)雷達數(shù)據(jù)采集板固定在轉臺上，轉臺轉動范圍設置為-5°～5°，轉臺步進間距設置為0.2°，按照校正設置的MIMO波形參數(shù)采集數(shù)據(jù)，雷達模擬器設置的目標距離、速度、大小不變，一共有51組數(shù)據(jù)。按照2.2節(jié)流程校正每組原始數(shù)據(jù)，得到頻率、幅度、相位校正后的數(shù)據(jù)。按照2.3節(jié)流程處理MIMO數(shù)據(jù)，得到方位角度估計后的數(shù)據(jù)，按照-5°～5°、間隔1°做接收的波束幅度響應即天線方向圖。校正和未校正實驗結果如圖11、12所示。

圖11 天線方向圖

本文沒有對ADC采樣數(shù)據(jù)進行歸一化處理，也沒有進行能量換算，未校正和校正實驗其他條件一致。從圖11(a)可以看出，未校正波束形成的角度范圍整體偏移-3°，波束主副瓣相差10 dB，波束期望合成角度輸出與實際角度相差較大，主瓣寬度較大；從圖12(a)可以看出，在法線方向50 m處角度偏差較大，分辨模糊，天線角度測量結果不理想；從圖11(b)可以看出，波束形成的角度范圍-5°～5°，角度間隔1°，波束主副瓣相差25 dB，波束輸出角度與實際角度相符；從圖12(b)可以看出，在法線方向50 m處角度正確，目標清晰，角度合成結果與未校正天線相比有了明顯提高。由此可知，對系統(tǒng)通道進行幅度相位校正后，天線方向圖的波束指向和副瓣都得到了改善。

圖12 距離方位熱力圖

4 結束語

針對級聯(lián)板卡收發(fā)通道間存在頻率、幅度、相位不一致的問題，本文通過設置一個特定距離單元的校正目標，經(jīng)過一維快速傅里葉變換后構造頻率、幅度、相位校正矩陣。利用校正矩陣對多芯片級聯(lián)板卡收發(fā)通道的頻率、幅度、相位進行校正，提高了多芯片級聯(lián)板卡波束指向精確度。實驗結果表明級聯(lián)板卡天線校正方法降低了測量誤差，提高了測量精度，取得了較好的使用效果。