CN103308767B - 一种基于gps和相位检测芯片的低频天线阵相位测量的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种基于GPS和相位检测芯片的低频天线阵相位测量的方法及其装置，方法以GPS中的时间信号作为控制信源的起始信号，控制天线阵中各个定标信号的控制电路配置各个信号输出芯片的初始输出相位信息，同步授权天线阵中各个单元天线的定标信号同时、同相位、同频率输出，使多个定标信号成为相干的信号。装置为硬件部分包括GPS信号接收电路，信号产生及控制电路以及相位差检测对比电路。本发明具有高效、高精度以及不需依靠经验值的优点。

Description

一种基于GPS和相位检测芯片的低频天线阵相位测量的方法及其装置

技术领域

本发明是射电天文观测测量方法及其装置，尤其是适用于射电天文低频天线阵的数字信号分析处理方法技术领域。

背景技术

低频射电天线阵具有天线体积大，分布面积广的特点，从各天线单元接收到信号经过低噪声放大器初步放大，通过数控移相器进行加权形成综合方向图，再由长电缆将多路信号传到固定点汇合并进行数字量化。其中，通过数控移相器进行加权而形成方向图是整个相控阵的核心，不同的加权函数，使得天线阵能对不同的天区进行观测。现有技术过程示意图见图5。

对于N阵元的天线阵的加权向量为：

$a\left(\mathrm{\θ}\right)=\left[\begin{array}{c}1\\ e^{j(\mathrm{kd}\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{\δ})}\\ e^{2j(\mathrm{kd}\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{\δ})}\\ \·\·\·\·\·\·\\ e^{(N-1)j(\mathrm{kd}\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{\δ})}\end{array}\right]$

δ为相控阵调相参数，在理想情况下，我们认为每根电缆产生的相位差恒定，则δ包涵了两部分：1.由移相器引起的相位差δ_shifter，这是天线阵调相所需要的，通过改变δ_shifter来调整天线阵指向；2.来自长电缆引起的相位差δ_cable，如果在外界自然条件不变的条件下，该相位差不变。

δ_tot=δ_shifter+δ_cable

但是，由于温度、湿度以及形变对电缆和其他元件的影响，δ_cable并不恒定，因此：

δ'_tot=δ_shifter+δ_cable+Δδ_env

其中，Δδ_env为自然环境影响给整个天线阵加权向量带来的影响，必须修正这个参数，否则无法得到天线阵理想的方向图。

传统的办法是通过测量当前的温度，湿度等信息，通过电缆材料在不同温度、湿度下的变化情况的经验值来修正Δδ_env，这种方法无法克服其余电子元件，例如：前端放大器，移相器以及射频接头带来的影响，并且经验值引入的误差也是无法消除的。

发明内容

本发明的目的就是针对射电天文低频天线阵中前端模拟信号传至后端数据采集器之间的长电缆由于温度、湿度以及压力形变所引起的信号相位的改变，而信号校验装置还比较少，所以提出一种基于GPS和相位检测芯片的低频天线阵相位测量的方法及其装置。

本发明采用的技术方案是：

一种基于GPS和相位检测芯片的低频天线阵相位测量方法，本发明将天线阵接收链路作为一个整体，通过GPS时间信号做为给阵元定标信号的起始控制信号，使得各天线单元同时输入同相位的相干信号；该信号经历整个接收模拟链路以后，通过相位检测系统将两两链路之间的相位差_Δδ转化为电压差Δv，通过高精度数据采集卡采集这个电压差，在软件中转化为电位差。扣除原始的相位差δ₀，即可知道现在由于温度、湿度以及形变等条件引起的相位差变化，从而可以在软件或者移相器处进行修正。

本发明特征在于：

1)利用GPS时钟信号作为各阵元定标信源相干输出的起始控制信号，使得各定标信源能够同时刻、同相位输出，为后端的检测提供相干信源；

2)将中心天线作为相位标准天线，用其余天线链路信号与之相比求得两两链路的相位差，将阵元的整个接收链路作为一个整体来计算其相位差；

3)利用先进的相位差检测芯片AD8302，将经接收机和传输馈线的两两阵元的定标信源信号的相位差转化为与之对应的直流电压，有利于对相位差的精准测量；

4)利用美国nationalinstrument公司高精度数据采集卡NI921516bit量化精度4通道同步100Ksps速率采集。采集得到相位差电压信号，通过在计算机LABVIEW软件中恢复两两链路的相位差。

本发明在馈线输出，采用相位检测电路将两两定标信号经过不同的接收链路后的输出信号的相位差转化为电压，以天线阵中心单元为参考，即可通过电压差情况推断得到各个天线阵单元相对于中心单元的相位差。

一种基于GPS和相位检测芯片的低频天线阵相位测量方法的装置，该装置为硬件部分包括GPS信号接收电路，信号产生及控制电路以及相位差检测对比电路。

各分立部分硬件之间的连接关系如下：

1.GPS信号接收电路数据输出端与信号产生及控制电路的数据接收端相连，

2.信号产生及控制电路中主控芯片与DDS（AD9852）的信号控制端相连；DDS信号输出端与接收机的定标信号输入端相连；

3.接收机输出端经长电缆传输后，两两为一组与相位差检测对比电路的两个模拟输入端相连；

4.相位差检测对比电路的直流检测输出端与AD采集板的模拟输出端相连。

本发明的效果是：本发明解决低频天线阵中各部件受自然环境影响，产生的各阵元相位差不恒定从而影响天线阵方向图的难题。本发明还具有高效、高精度以及不需依靠经验值等优点。1.采用GPS控制定标信源精度能达到10纳秒级，使得多阵元的定标信号成为同时刻、同相位输出的相干信号；2.通过相位检测芯片将两两信号的相位差转化为电压差，方便数据采集和分析，并且不依赖经验值，克服需要对自然环境了解的问题。

附图说明

图1为本发明信源控制部分联接框图；

图2为本发明相位检测部分联接框图；

图3为本发明信源控制部分程序流程框图；

图4为本发明三部分硬件之间的连接框图；

图5为现有技术过程示意图；

图6为AD8302相位检测原理图。

具体实施方法

一种基于GPS和相位检测芯片的低频天线阵相位测量方法，本发明将天线阵接收链路作为一个整体，通过GPS时间信号做为给阵元定标信号的起始控制信号，使得各天线单元同时输入同相位的相干信号；该信号经历整个接收模拟链路以后，通过相位检测系统将两两链路之间的相位差_Δδ转化为电压差Δv，通过高精度数据采集卡采集这个电压差，在软件中转化为电位差。扣除原始的相位差δ₀，即可知道现在由于温度、湿度以及形变等条件引起的相位差变化，从而可以在软件或者移相器处进行修正。

本发明特征在于：

1.利用GPS时钟信号作为各阵元定标信源相干输出的起始控制信号，使得各定标信源能够同时刻、同相位输出，为后端的检测提供相干信源；

2.将中心天线作为相位标准天线，用其余天线链路信号与之相比求得两两链路的相位差，将阵元的整个接收链路作为一个整体来计算其相位差；

3.利用先进的相位差检测芯片AD8302，将经接收机和传输馈线的两两阵元的定标信源信号的相位差转化为与之对应的直流电压，有利于对相位差的精准测量；

4.利用美国nationalinstrument公司高精度数据采集卡NI921516bit量化精度4通道同步100Ksps速率采集。采集得到相位差电压信号，通过在计算机LABVIEW软件中恢复两两链路的相位差。

本发明在馈线输出，采用相位检测电路将两两定标信号经过不同的接收链路后的输出信号的相位差转化为电压，以天线阵中心单元为参考，即可通过电压差情况推断得到各个天线阵单元相对于中心单元的相位差。

一种基于GPS和相位检测芯片的低频天线阵相位测量方法的装置，该装置为硬件部分包括GPS信号接收电路，信号产生及控制电路以及相位差检测对比电路。

各分立部分硬件之间的连接关系如下：

1.GPS信号接收电路数据输出端与信号产生及控制电路的数据接收端相连，

2.信号产生及控制电路中主控芯片与DDS（AD9852）的信号控制端相连；DDS信号输出端与接收机的定标信号输入端相连；

3.接收机输出端经长电缆传输后，两两为一组与相位差检测对比电路的两个模拟输入端相连；

4.相位差检测对比电路的直流检测输出端与AD采集板的模拟输出端相连。

本发明采用GPS授时控制多阵元定标信源信号，使之达到相干源的目的；采用相位检测芯片，将两两信号的相位差转换为与之对应的电压，通过数据采集分析得到相位差。

1.首先各阵元天线定标信源控制板与GPS接收电路相连，控制板读取并分析GPS接收信号的时间信息。通过在控制板上预置定标时间，GPS接收电路起到为信源控制板授时的作用。采用DDS芯片AD9852作为信源产生芯片，当定标时间到达时，各个信源控制板向信号源电路写入初始发出相位和频率参数，并同时启动信号源，这样在GPS的同步控制下，各阵元的定标信源同时刻发出了同相位，同频率信号；

2.各阵元天线收到的信号和定标信源信号通过一个微波开关可选择的接入到前端LNA中，当进行观测时微波开关接通天线信号，当进行定标时微波开关选择定标信源输入；

3.在每阵元天线接收链路的后端，用一个二功分器，一路接入合路器，另一路全部接入微波开关；

4.通过微波开关的选择，每次选择两输入信号进行相位差比较，采用相位检测芯片AD8302作为相位检测系统的核心，将相位差信号转化为与之对应电压信号。

5.同时将中心阵元的定标信号作为参考，计算得到每阵元接收链路相对于中心阵元相位差，这个相位差减去在当前加权条件下的两阵元的相位差即是受自然条件影响产生的相位差。

Claims (3)

1.一种基于GPS和相位检测芯片的低频天线阵相位测量方法，其特征在于：将天线阵接收链路作为一个整体，通过GPS时间信号作为给阵元定标信号的起始控制信号，使得各天线单元同时输入同相位的相干信号；该信号经历整个接收模拟链路以后，通过相位检测系统将两两链路之间的相位差Δδ转化为电压差Δv，通过高精度数据采集卡采集这个电压差，在软件中转化为电位差，扣除原始的相位差δ₀，即可知道现在由于温度、湿度以及形变条件引起的相位差变化，从而可以在软件或者移相器处进行修正；具体为，

1)利用授时精度高达10纳秒级的GPS时钟信号作为各阵元定标信源相干输出的起始控制信号，使得各定标信源能够同时刻、同相位输出，为后端的检测提供相干信源；

2)将中心天线作为相位标准天线，用其余天线链路信号与之相比求得两两链路的相位差，将阵元的整个接收链路作为一个整体来计算其相位差；

3)利用先进的相位差检测芯片AD8302，将经接收机和传输馈线的两两阵元的定标信源信号的相位差转化为与之对应的直流电压，有利于对相位差的精准测量；

4)利用美国nationalinstrument公司高精度数据采集卡NI921516bit量化精度4通道同步100Ksps速率采集，采集得到相位差电压信号，通过在计算机LABVIEW软件中恢复两两链路的相位差。

2.根据权利要求1所述的一种基于GPS和相位检测芯片的低频天线阵相位测量方法，其特征在于：在馈线输出，采用相位检测电路将两两定标信号经过不同的接收链路后的输出信号的相位差转化为电压，以天线阵中心单元为参考，即可通过电压差情况推断得到各个天线阵单元相对于中心单元的相位差。

3.使用权利要求1所述的一种基于GPS和相位检测芯片的低频天线阵相位测量方法的装置，其特征在于，该装置的硬件部分包括GPS信号接收模块、信号产生及控制电路、相位差检测对比电路；

各分立部分硬件之间的连接关系如下：

1)GPS信号接收模块的电路数据输出端与信号产生及控制电路的数据接收端相连，

2)信号产生及控制电路中主控芯片与DDS的信号控制端相连；DDS信号输出端与接收机的定标信号输入端相连；

3)接收机输出端经长电缆传输后，两两为一组与相位差检测对比电路的两个模拟输入端相连；

4)相位差检测对比电路的直流检测输出端与AD采集板的模拟输出端相连。