一种多芯片级联板卡的天线校正方法

方 敏

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引 言

在烟雾、雨水、灰尘、恶劣天气及恶劣照明的极端能见度情况下，车载主动和被动光学传感器的识别性能可能被抑制，导致其无法准确识别目标[1]。毫米波雷达可以在汽车行驶过程中精确测量障碍物和其他车辆的距离与相对速度，完全不受光线能见度的影响，常应用于泊车辅助、变道辅助、自动刹车和自动碰撞等智能驾驶。但在许多情况下毫米波雷达依然作为二次传感器使用，车辆收到的雷达检测预警需要经过光学相机传感器验证，才能做出最终安全决策，其根本原因是车载雷达受到角分辨率的限制，缺乏区分相同距离和相对速度静态物体的能力[2]。

理论上克服雷达角分辨率限制的最直接方法是增加天线数量，比如军用雷达采用上百个天线，其角分辨就很高，但是车载雷达受体积尺寸的限制，无法用该方法解决问题。汽车工程上可以采用多芯片级联的方式实现，将多个低功率毫米波芯片级联在一起，作为一个单元同步运行，类似于单片，根据实际场景的需求变换不同的工作模式，设计最佳的范围和距离分辨率。高角分辨率的成像雷达能够提供清晰的高分辨率图像，利用级联芯片组成的多发射和接收天线通道，通过MIMO天线阵列技术实现波束成形、扫描、追踪、锁定，以有效对抗毫米波移动信道的路径损耗，能够显著提高雷达角分辨率和雷达性能[3-6]。

因为采用主芯片和从芯片组成多芯片级联方式，级联板卡在实际使用过程中可能会导致各种各样的偏差，如主芯片和从芯片之间、电路板天线布线长度、接收发射天线路径、芯片器件安装误差、天线耦合、位置误差、通道失配等。频率、相位、幅度偏差一定程度上可以通过最小化布线路径长度降低，也可以通过天线测量校正方法降低。本文级联板卡天线校正的目的是估计主芯片和从芯片之间的频率、相位和幅度偏差，对多发射多接收多芯片级联的天线幅度和相位进行修正，进而提高测量精度。

1 级联板卡的天线阵列

1.1 级联板硬件组成

级联板射频前端硬件组成如图1所示。射频前端由1个主芯片和3个从芯片组成。每个芯片有3个发射和4个接收天线，级联之后共有12个发射天线、16个接收天线，其中主芯片1发射天线排布在垂直方向，用于测高；从芯片2～4发射天线以及主芯片和从芯片的16个接收天线排布在水平方向，用于角度测量。主芯片和从芯片的发射和接收天线阵元间距经过特殊设计，结合MIMO天线阵列技术，可以实现水平、垂直方向上高分辨率的角度测量。

图1 天线排布图

1.2 天线阵元

发射接收天线阵元排布如图2所示，图中实心表示发射天线，天线阵元间距单位为1个波长λ。3个从芯片的9个发射天线在水平方向上排布组成水平阵，相邻发射天线间距2λ。主芯片的3个发射天线在水平方向上的间距为0.5λ，均匀排布，垂直方向上波长间距为0.5λ、1.5λ、λ，垂直方向间距可以组成最小冗余阵，用于提高垂直方向测量角精度。空心表示接收天线，A、B是从芯片接收阵列，C是主芯片接收阵列，A、B、C阵列中阵元间距为0.5λ。B、C阵列间距为4λ，A、C阵列间距为16λ，整个级联板接收实孔径为26.5λ。

1.3 MIMO虚拟天线阵元

为了解决天线孔径与雷达尺寸的矛盾，引入MIMO虚拟孔径技术。MIMO技术不仅可以平滑目标RCS、降低RCS闪烁效应，而且还可以获得非相参积累增益。MIMO的核心问题是实现接收端通道分离，也就是接收端的每个接收天线(通道)需要分离若干发射天线的混合信号，从而实现虚拟孔径合成。在发射端层面，目前用的最多的是时分TDM，如图3所示，这种方式通过各通道交替发射波形实现各通道在时间上的分离。

图3 时分TDM示意图

根据上述天线布阵，得到MIMO模式下虚拟天线阵如图4所示。

图4 级联板MIMO虚拟天线

不同颜色对应不同的发射天线，虚拟天线间距为半个波长，水平方向理论上共有9×16=144个虚拟天线。考虑到接收天线实际布线间距，水平方向上除掉重叠天线，共有86个虚拟天线，间距为0.5λ，均匀排布。MIMO利用重叠天线，可以在一定范围内解速度模糊。在垂直方向上，每个发射天线对应16个接收天线，用于垂直方向测高。MIMO雷达天线方向图等效于发射方向图和接收方向图的乘积[7]:

(1)

式中，⊗为Kronecker积；M=12为发射阵元数目；N=16为接收真元数目；xti和xrk分别为发射阵中第i个阵元和接收阵中第k个阵元的位置；ωti和ωrk为激励；u=sinθ-sinθ0，θ和θ0为平面波与线阵法线的夹角及天线的波束指向。

以水平9个发射天线阵元为例，MIMO虚拟天线等效于86个间距为0.5λ的均匀阵元，图5给出了86个均匀阵在0°合成的天线方向图。

图5 86个均匀阵天线方向图

2 级联天线校正方法

2.1 相位幅度矩阵

相位、增益校正矩阵计算流程如图6所示:首先，级联板卡可以通过外加数据采集板的方式，获取12个发射和16个接收天线组成的192个通道的ADC回波数据；其次，ADC原始数据经过距离维FFT模块处理后，得到距离维FFT处理后的回波数据；然后，目标距离索引单元模块根据校正目标距离模块输入的校正距离，计算距离单元，寻找距离维FFT输出对应的目标距离索引单元；最后，根据FFT目标距离索引号提取校正目标的峰值及相位，保存.mat文件，得到相位、幅度校正矩阵。

图6 相位、幅度校正矩阵计算流程图

由上述计算流程可知，相位幅度矩阵.mat文件中包含有FFT校正目标距离索引号、发射接收参考通道(192个通道)、相位幅度参考通道(192个通道)、复数校正矩阵等信息。

2.2 MIMO天线校正

MIMO天线原始数据校正流程如图7所示，其中虚线框表示2.1节计算的相位幅度矩阵。

图7 MIMO天线原始数据校正流程图

MIMO天线校正分为频率校正、相位和幅度校正两步。

第1步，频率校正。192个相位、增益校正矩阵对应12个发射和16个接收天线，假设以第1个发射天线和第1个接收天线为发射接收参考通道，剩余191个通道以第1个通道为参考基准。根据192个通道的天线距离单元索引偏差和chirp波形参数计算频率校正矢量：

(2)

第2步，相位和幅度校正。将原始数据和第1步计算出的频率校正因子相乘，得到频率校正后的数据，根据第1步计算的复数校正矩阵和选取的相位幅度参考通道，计算191个通道相对于参考通道的复数偏差，得到幅度与相位校正后的数据。其他通道相对于参考通道的幅度和相位偏差计算如下：

(3)

将校正幅度相位与第1步处理后的原始数据相乘，得到最终校正数据。

2.3 级联板卡信号处理

以MIMO信号处理为例，级联板卡基本信号处理流程如图8所示。

级联板卡MIMO信号处理分为4步：

第1步，原始数据读取和校正。数据采集完成，采集板卡对前端射频芯片采集的二进制原始数据和chirp波形参数解码，按照发射、接收天线重新排列，解出每个通道的回波数据，形成距离、速度、发射天线、接收天线四维矩阵。按照2.2节计算校正矩阵， 代入原始数据，按照校正矩阵校正每个发射、接收天线，完成原始回波数据的频率、幅度、相位校正；

第2步，距离维和速度维FFT。将幅度、相位校正过的数据按照发射、接收天线依次做距离维、速度维FFT，距离和速度维FFT的点数根据chirp波形参数设置，一般是等于或者大于距离、速度维点数的2次幂；

第3步，目标检测。将距离维、速度维处理后的数据送到目标检测模块中，对所有发射、接收天线形成的通道进行非相关积累，然后对非相关积累的结果在检测的目标单元做距离和速度维CFAR检测，速度、相位补偿后输出目标检测结果；

第4步，角度估计。角度估计分为水平和垂直两个方向，分别通过水平和垂直天线计算，根据目标检测结果，针对出现检测目标单元的位置点，找到距离、速度维索引号，求取目标的角度范围。

3 实 验

级联板卡天线测试系统如图9所示，包括级联板射频前端、数据采集后端、暗室转台、目标模拟器、电脑上位机、模拟器上位机等。

图9 级联板卡天线测试系统框图

级联板射频前端是雷达的主要组成部分，主要由天线与纯射频模块构成；数据采集后端负责数据的存储和传输；暗室转台用于模拟不同方位目标；目标模拟器用于目标及其距离速度模拟；电脑上位机负责参数配置通讯与数据存储，可以通过网口获取数据采集后端储存的数据；模拟器上位机用于控制转台与模拟器。

级联板卡工作在MIMO模式下，发射天线波形信号形式及chirp参数数据包括起始频率77 GHz，调频斜率10.909 MHz/μs，空闲时间5 μs，ADC起始时间5 μs，ADC采样点数512，采样率10 MHz，chirp上升时间60 μs，chirp周期数64。MIMO工作在分时发送模式下，12个发射天线在时间上轮流发射chirp，12个chirp为一个周期，64个周期为1帧，10帧为采集卡的一个采集周期。

天线校正实验在暗室内完成，同时配套使用雷达目标模拟器和转台。实验系统工作流程如下：

第1步，将级联板固定在转台上，前端射频板中心用激光正对雷达模拟器，保证水平垂直方向与天线喇叭中心重合，雷达模拟器设置校正目标距离 50 m，RCS为 50 dB，速度为 0 m/s。

第2步，启动级联板卡数据采集上位机软件，连上级联板卡后，在上位机界面运行MIMO波形配置脚本，加载射频前端芯片配置，激活前端发射、接收天线，使级联板工作在激活模式。当射频前端芯片正常工作后，在上位机端运行采集数据脚本，12个发射天线按照天线次序轮流发射波形，16个接收天线按照时序接收波形，前端射频板开始采集数据，后端采集卡将发射天线参数和接收天线原始数据存储在本地固态硬盘(Solid State Disk，SSD)中，数据采集完成后启动传送程序，将采集卡SSD存储的原始数据通过网口导入计算机。

第3步，运行MATLAB校正程序，解析采集数据，读取发射波形参数，重排接收天线数据，按照距离、速度、发射、接收排列数据，1帧数据大小为512×64×12×16。按照2.1节校正流程处理原始数据，输入校正距离，做一维快速傅里叶变换后，按照输入距离单元取得校正单元距离频道号，保存12个发射天线、16个接收天线校正单元的频道号、幅度、相位数据，得到相位增益矩阵。

利用一定范围的波束响应形成的天线方向图来检测级联板的幅度、相位校正性能。将级联雷达数据采集板固定在转台上，转台转动范围设置为-5°～5°，转台步进间距设置为0.2°，按照校正设置的MIMO波形参数采集数据，雷达模拟器设置的目标距离、速度、大小不变，一共有51组数据。按照2.2节流程校正每组原始数据，得到频率、幅度、相位校正后的数据。按照2.3节流程处理MIMO数据，得到方位角度估计后的数据，按照-5°～5°、间隔1°做接收的波束幅度响应即天线方向图。校正和未校正实验结果如图11、12所示。

图11 天线方向图

本文没有对ADC采样数据进行归一化处理，也没有进行能量换算，未校正和校正实验其他条件一致。从图11(a)可以看出，未校正波束形成的角度范围整体偏移-3°，波束主副瓣相差10 dB，波束期望合成角度输出与实际角度相差较大，主瓣宽度较大；从图12(a)可以看出，在法线方向50 m处角度偏差较大，分辨模糊，天线角度测量结果不理想；从图11(b)可以看出，波束形成的角度范围-5°～5°，角度间隔1°，波束主副瓣相差25 dB，波束输出角度与实际角度相符；从图12(b)可以看出，在法线方向50 m处角度正确，目标清晰，角度合成结果与未校正天线相比有了明显提高。由此可知，对系统通道进行幅度相位校正后，天线方向图的波束指向和副瓣都得到了改善。

图12 距离方位热力图

4 结束语

针对级联板卡收发通道间存在频率、幅度、相位不一致的问题，本文通过设置一个特定距离单元的校正目标，经过一维快速傅里叶变换后构造频率、幅度、相位校正矩阵。利用校正矩阵对多芯片级联板卡收发通道的频率、幅度、相位进行校正，提高了多芯片级联板卡波束指向精确度。实验结果表明级联板卡天线校正方法降低了测量误差，提高了测量精度，取得了较好的使用效果。