CN103399305B - 数字阵二次雷达射频通道和天线阵子的幅相校准方法 - Google Patents

数字阵二次雷达射频通道和天线阵子的幅相校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及二次雷达技术领域，本发明公开了一种数字阵二次雷达射频通道和天线阵子的幅相校准方法，数字阵二次雷达不同的射频通道和天线阵子在对应频率收发，确定数字阵二次雷达不同的射频通道和天线阵子在对应频率收发的条件下，所有射频通道和天线阵子的发射波束和接收波束的相对幅相关系；然后根据天线阵子间对应频率的互耦关系，再接合数字阵二次雷达所有射频通道和天线阵子在对应频率下发射波束和接收波束的相对幅相关系，将对应频率下数字阵二次雷达所有射频通道和天线阵子的收发幅相特性全部校准。

Description

数字阵二次雷达射频通道和天线阵子的幅相校准方法
技术领域
本发明涉及二次雷达技术领域，尤其涉及数字阵二次雷达射频通道和天线阵子的幅相校准方法。
背景技术
数字阵二次雷达系统采用分布式收发组件设计，多通道天线阵子收发，由于分布式收发组件为有源射频通道，随着时间的推移，射频通道间的收发幅相特性会发生变化，这将导致二次雷达系统的发射和接收波束形状发生变化，影响系统性能，这时，需要通过某种方法对射频通道和天线阵子的收发幅相特性进行校准。
目前，对阵列天线的校准方法有很多，按照校准时其信号注入的路径不同可以分为内校准和外校准两大类。外校准是指在距待测天线一定距离处架设辅助天线进行信号注入或采样，辅助天线可架设在阵列天线的近场、中场和远场，再经过幅相监测和比较，得出天线单元通道幅相误差。与内校准方法相比，外校准方法不需要在天线阵列内设置大量定向耦合器和矩阵开关元件，因此操作简便。
然而现有技术中的三种外校准方法都存在不同程度的不足。近场校准方法要解决的主要问题是矩阵病态，这必须解决有限扫描面截断问题以及非均匀扫描问题，同时还需要解决矩阵的快速求解问题。中场校准方法则要求天线具有高频开关用于选通被测通道，同时经过实验的验证，该方法的精度有待提高。远场校准的的关键在于要有精密的旋转定位装置。
发明内容
本发明的目的是针对：克服现有技术的不足，提供一种射频通道和天线阵子的幅相校准方法，该校准方法实现简单，校准精度高。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
本发明公开了一种数字阵二次雷达射频通道和天线阵子的幅相校准方法，其具体包括以下过程：先采用外校准模块得到对应频率下通过每一个射频通道和天线阵子的发射波束和接收波束的幅相特性；然后采用互耦系数测试模块得到对应频率下所有射频通道和天线阵子之间的发射波束和接收波束的相对幅相关系，再去除外校准模块得到的通过每一个射频通道和天线阵子的发射波束和接收波束的幅相特性，得到对应频率下天线阵子间的收发耦合幅相系数；最后采用幅相校准模块在不同外界环境条件的对应频率下对射频通道和天线阵子的收发幅相特性进行校准，在不同外界环境条件下，得到射频通道和天线阵子间的收发相对幅相关系，再去除互耦系数测试模块得到的相应天线阵子的收发耦合幅相系数，得到射频通道和天线阵子的最终收发幅相关系，从而实现射频通道和天线阵子的收发幅相校准。
更进一步地，上述采用互耦系数测试模块得到对应频率下每一个射频通道和天线阵子与其他的射频通道和天线阵子之间的发射波束的幅相关系的具体过程为：射频通道和天线阵子2K-1和2K+1依次发射，射频通道和天线阵子2K接收，得到奇数射频通道和天线阵子之间的发射波束的相对幅相关系；射频通道和天线阵子2K-2和2K依次发射，射频通道和天线阵子2K-1接收，得到偶数射频通道和天线阵子之间的发射波束的相对幅相关系；相邻的某两个特定奇数和偶数射频通道和天线阵子依次发射，与这两个射频通道和天线阵子相邻的另外一个特定射频通道和天线阵子接收，此时得到特定奇数射频通道和天线阵子和特定偶数射频通道和天线阵子之间的发射波束的相对幅相关系；测试得到上述相邻两个特定奇数和偶数射频通道和天线阵子之间的发射波束的相对幅相关系，再根据上述两个特定奇数和偶数的射频通道和天线阵子之间的发射波束的相对幅相关系，最终得到所有射频通道和天线阵子之间的发射波束的相对幅相关系；其中二次雷达射频通道和天线阵子个数为N，0<K<N/2。
更进一步地，上述采用互耦系数测试模块得到对应频率下每一个射频通道和天线阵子与其他的射频通道和天线阵子之间的接收波束的幅相关系的具体过程为：射频通道和天线阵子2K发射，射频通道和天线阵子2K-1和2K+1同时接收，得到奇数射频通道和天线阵子之间的接收波束的相对幅相关系，射频通道和天线阵子2K-1发射，射频通道和天线阵子2K-2和2K同时接收，得到偶数射频通道和天线阵子之间的接收波束的相对幅相关系，其中某一个特定射频通道和天线阵子发射，与之相邻的某两个特定奇数和偶数射频通道和天线阵子同时接收，此时得到特定奇数射频通道和天线阵子和特定偶数射频通道和天线阵子之间的接收幅相关系，测试得到的上述两个特定奇数和偶数射频通道和天线阵子之间的接收波束的相对幅相关系，再根据上述两个特定奇数和偶数的射频通道和天线阵子之间的接收波束的相对幅相关系，最终得到所有射频通道和天线阵子间的接收波束的相对幅相关系。
更进一步地，上述采用外校准模块得到对应频率下通过每一个射频通道和天线阵子的发射波束的幅相特性具体为：采用外部探头在天线阵子正对方向依次扫描，外部探头连接到测试仪，当探头正对每个天线阵子时，测试仪发出同步脉冲，控制探头正对的天线阵子所连接的收发组件发射，测试仪将接收到的信号转换为基带I/Q数据传输给计算机存储；每一个与收发组件连接的天线阵子分别测试，从而得到每一个射频通道和天线阵子所对应的发射波束幅相值。
更进一步地，上述采用外校准模块得到对应频率下通过每一个射频通道和天线阵子的接收波束的幅相特性具体为：在同步脉冲触发下，测试仪发射，收发组件将接收到的信号转换为基带I/Q数据传输给计算机存储起来，每一个与收发组件连接的天线阵子分别测试，从而得到每一个射频通道和天线阵子所对应的接收波束幅相值。
通过采用以上的技术方案，本发明具有以下的有益效果：根据天线阵子间对应频率的互耦关系，再接合数字阵二次雷达不同射频通道和天线阵子在对应频率下的收发相对幅相特性，可一次性将对应频率下数字阵二次雷达所有射频通道和天线阵子的收发幅相特性全部校准，本发明的方法实现简单，易于在工程上大规模推广实现，同时校准精度高。本发明作为一种新的一种数字阵二次雷达射频通道和天线阵子的幅相校准方法，可以通过数字阵二次雷达不同射频通道和天线阵子的收发来对不同频率下的射频通道和天线阵子的收发幅相特性进行快速准确地校准。
附图说明
图1为本发明的功能模块组成框图。
图2为数字阵二次雷达射频通道和天线阵子间外校准模块的实现示意图。
图3为奇数射频通道和天线阵子之间的接收幅相关系的实现示意图。
图4为奇数射频通道和天线阵子之间的发射幅相关系的实现示意图。
图5为整个发射过程中各模块的实现流程图。
图6为整个接收过程中各模块的实现流程图。
图7为发射过程中幅相校准模块的实现流程图。
图8为接收过程中幅相校准模块的实现流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，详细说明本发明的具体实施方式。
为了统一描述，本发明中的“收发幅相特性”是指发射或者接收波束的幅度以及相位特征。“射频通道和天线阵子的幅相特性”是指经过射频通道以及天线阵子的发射或者接收波束的幅相值。“射频通道和天线阵子之间的幅相关系”是指每一个射频通道和天线阵子与其他的射频通道和天线阵子之间的幅相的相对关系。如图3和图4所示，射频通道1对应天线阵子1，射频通道2对应天线阵子2，射频通道3对应天线阵子３，依次类推，射频通道Ｎ对应天线阵子N，每一个射频通道和天线阵子的幅相特性是指通过这个射频通道和天线阵子的波束的幅相值。“射频通道和天线阵子之间的幅相关系”是指每一个射频通道和天线阵子与其他的射频通道和天线阵子之间的幅相的相对关系，例如通过天线阵子1和天线阵子2两个天线阵子的波束的相对相位差。
如图1所示的本发明的功能模块组成框图，其主要包括三个功能模块：数字阵二次雷达射频通道和天线阵子间外校准模块、数字阵二次雷达射频通道和天线阵子互耦系数测试模块、数字阵二次雷达射频通道和天线阵子间的幅相校准模块。三个模块依序进行工作，完成射频通道和天线阵子的幅相校准。
本发明的数字阵二次雷达射频通道和天线阵子的幅相校准方法，其具体包括以下过程：先采用外校准模块得到对应频率下通过每一个射频通道和天线阵子的发射波束和接收波束的幅相特性；然后采用互耦系数测试模块得到对应频率下每一个射频通道和天线阵子与其他的射频通道和天线阵子之间的发射和接收的幅相关系，再去除外校准模块得到的射频通道和天线阵子本身的收发幅相特性，得到所有天线阵子间的发射和接收耦合幅相系数；最后采用幅相校准模块在不同外界环境状态下对射频通道和天线阵子的幅相特性进行校准。通过先检测每一个射频通道和天线阵子对应的在发射和接收状态下的具体的幅相特性（具体的每个通道的天线阵子的幅度值和相位值），再得到射频通道和天线阵子与其他射频通道和天线阵子在发射和接收状态下相互之间的幅相关系（每个射频通道和天线阵子与其他的射频通道和天线阵子之间的相对幅度值和相位值），并去除每一个射频通道和天线阵子对应的在发射和接收状态下的具体的幅相特性（具体的每个通道的天线阵子的幅度值和相位值），比如幅相，将相对幅相值去除绝对的幅相值，得到所有天线阵子间的发射和接收耦合幅相系数（分为耦合幅度系数和耦合相位系数），并根据发射和接收耦合幅相系数校准不同外界环境状态下射射频通道和天线阵子的幅相特性。本发发明的方法简单易于实现，且实现精度高。
为了方便描述，本发明的实施例固定在某一个频率F(n)下进行。包括N个天线阵子，对应N个射频通道。其中0<K<N/2，K是为了便于描述奇数通道和偶数通道而引入的值。
实施例一，发射校准。
采用外部探头在天线阵子正对方向（从左到右或者其他方式移动）依次步进进行扫描，外部探头连接到测试仪，当探头正对每个天线阵子时，测试仪发出同步脉冲，控制探头正对的天线阵子所连接的收发组件发射，测试仪将接收到的信号转换为基带I/Q数据传输给计算机存储。每一个与收发组件连接的天线阵子分别测试，从而得到每一个射频通道和天线阵子所对应的幅相值。如图2所示的数字阵二次雷达射频通道和天线阵子间外校准模块的实现示意图。当探头移动到正对天线阵子1时，收发组件1发射，通过天线阵子1，与天线阵子1连接的测试仪将接收到的信号转为基带I/Q数据传输给计算机。当探头移动到正对天线阵子2时，收发组件2发射，通过天线阵子2，与天线阵子2连接的测试仪将接收到的信号转为基带I/Q数据传输给计算机。依次类推，逐一完成N个天线阵子与射频通道的幅相特性测试。
图4为奇数射频通道和天线阵子之间的发射幅相关系的实现示意图。当K等于2时。射频通道和天线阵子2K-1和2K+1依次发射，射频通道和天线阵子2K接收，则两个奇数的射频通道和天线阵子（3和5）发射，射频通道和天线阵子4接收，此时得到奇数射频通道和天线阵子（3和5）之间的发射幅相之间的相对关系；射频通道和天线阵子2K-2和2K（即2和4）依次发射，射频通道和天线阵子2K-1（3）接收，此时得到偶数射频通道和天线阵子之间的发射幅相的相对关系；射频通道和天线阵子2、3依次发射，射频通道和天线阵子1接收，此时得到奇数射频通道和天线阵子和偶数射频通道和天线阵子之间（2和3）的发射幅相的相对关系。图5为整个发射过程中各模块的实现流程图。在已知天线阵子2、3之间的幅相关系的情况下，必然可以很方便地得到每一个射频通道和天线阵子与其他射频通道与天线阵子之间的幅相的相对关系。比如，假设两个奇数射频通道和天线阵子之间（3,5）相位差为20度，两个偶数射频通道和天线阵子之间的相位差也为20度（2，4），在已知道2和3之间的相位差为10度的情况下，必然可以很清楚地知道2，3，4，5每个射频通道和天线阵子之间的相位差。而两个基准天线阵子（2和3）之间的相位差可以用仪器测得，不属于本发明的重点，在此不再赘述。
通过得到的每一个射频通道和天线阵子与其他的射频通道和天线阵子的幅相之间在发射时的相对关系，再去除数字阵二次雷达射频通道和天线阵子间外校准模块得到的数字阵二次雷达每一个射频通道和天线阵子的发射幅相值，就得到所有天线阵子之间的发射耦合幅度系数和发射耦合相位系数。其中发射耦合幅相系数包括发射耦合幅度系数和发射耦合相位系数。
当K等于2时。图7为发射过程中幅相校准模块的实现流程图。射频通道和天线阵子2K-1和2K+1依次发射，射频通道和天线阵子2K接收，得到天线阵子2K-1和2K+1的发射幅度相对值A(t)2K-1和A(t)2K+1，发射相位相对值P(t)2K-1和P(t)2K+1，假设天线阵子2K-1和2K+1的发射耦合幅度系数为A’(t)2K-1和A’(t)2K+1，发射耦合相位系数P’(t)2K-1和P’(t)2K+1，那么将此时的发射幅相特性去除天线阵子间的发射耦合幅相系数，得到此时天线阵子2K-1和2K+1的最终发射幅度。最终的发射幅度为A(t)2K-1/A’(t)2K-1和A(t)2K+1/A’(t)2K+1，最终的发射相位P(t)2K-1- P’(t)2K-1和P(t)2K+1- P’(t)2K+1。从而实现发射幅度和发射相位的校准。依次类推，最终得到所有射频通道和天线阵子间的发射幅相关系。
实施例二，接收校准。
在同步脉冲触发下，测试仪发射，收发组件将接收到的信号转换为基带I/Q数据传输给计算机存储起来。根据上述存储的基带I/Q数据可以得到每一个数字阵二次雷达射频通道和天线阵子的接收幅相特性。
图3为奇数射频通道和天线阵子之间的接收幅相关系的实现示意图。数字阵二次雷达射频通道和天线阵子个数为N，则射频通道和天线阵子2K发射，射频通道和天线阵子2K-1和2K+1同时接收，其中0<K<N/2，此时得到奇数射频通道和天线阵子之间的接收幅相关系，射频通道和天线阵子2K-1发射，射频通道和天线阵子2K-2和2K同时接收，其中0<K<N/2，此时得到偶数射频通道和天线阵子之间的接收幅相关系，射频通道和天线阵子1发射，射频通道和天线阵子2、3同时接收，此时得到奇数射频通道和天线阵子和偶数射频通道和天线阵子之间的接收幅相关系，根据其中一个奇数射频通道和天线阵子、和偶数射频通道和天线阵子之间的幅相关系，最终得到所有射频通道和天线阵子间的接收幅相关系。根据此时得到的所有射频通道和天线阵子间的接收幅相关系，再去除数字阵二次雷达射频通道和天线阵子间外校准模块得到的数字阵二次雷达射频通道和天线阵子的接收幅相特性，得到所有天线阵子间的接收耦合幅相系数。
图6为整个发射过程中各模块的实现流程图。通过接收耦合幅相系数进行校准。在不同外界环境状态下，射频通道和天线阵子2K发射，射频通道和天线阵子2K-1和2K+1同时接收，其中0<K<N/2，此时得到了天线阵子2K-1和2K+1的接收幅度A(r)2K-1和A(r)2K+1，接收相位P(r)2K-1和P(r)2K+1，再根据数字阵二次雷达射频通道和天线阵子互耦系数实现模块中得到的接收耦合幅相系数，假设天线阵子2K-1和2K+1的接收耦合幅度系数为A’(r)2K-1和A’(r)2K+1，接收耦合相位系数P’(r)2K-1和P’(r)2K+1，那么将此时的接收幅相特性去除天线阵子间的接收耦合幅相系数，得到此时天线阵子2K-1和2K+1的最终接收幅度关系为：接收幅度关系为A(r)2K-1/A’(r)2K-1和A(r)2K+1/A’(r)2K+1，接收相位关系P(r)2K-1- P’(r)2K-1和P(r)2K+1- P’(r)2K+1，依次类推，最终得到所有射频通道和天线阵子间的接收幅相关系。
本发明的频率逐一进行改变，从而得到所有频率下射频通道和天线阵子间的发射和接收幅相关系。
上述的实施例中所给出的系数和参数，是提供给本领域的技术人员来实现或使用本发明的，本发明并不限定仅取前述公开的数值，在不脱离本发明的发明思想的情况下，本领域的技术人员可以对上述实施例做出种种修改或调整，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (5)

1.一种数字阵二次雷达射频通道和天线阵子的幅相校准方法，具体包括以下过程：
先采用外校准模块得到对应频率下通过每一个射频通道和天线阵子的发射波束和接收波束的幅相特性；然后采用互耦系数测试模块得到对应频率下所有射频通道和天线阵子之间的发射波束和接收波束的相对幅相关系，再去除外校准模块得到的通过每一个射频通道和天线阵子的发射波束和接收波束的幅相特性，得到对应频率下天线阵子间的收发耦合幅相系数；最后采用幅相校准模块在不同外界环境条件的对应频率下对射频通道和天线阵子的收发幅相特性进行校准，在不同外界环境条件下，得到射频通道和天线阵子间的收发相对幅相关系，再去除互耦系数测试模块得到的相应天线阵子的收发耦合幅相系数，得到射频通道和天线阵子的最终收发幅相关系，从而实现射频通道和天线阵子的收发幅相校准。
2.如权利要求1所述的数字阵二次雷达射频通道和天线阵子的幅相校准方法，其特征在于所述采用互耦系数测试模块得到对应频率下所有射频通道和天线阵子之间的发射波束的相对幅相关系的具体过程为：射频通道和天线阵子2K-1和2K+1依次发射，射频通道和天线阵子2K接收，得到奇数射频通道和天线阵子之间的发射波束的相对幅相关系；射频通道和天线阵子2K-2和2K依次发射，射频通道和天线阵子2K-1接收，得到偶数射频通道和天线阵子之间的发射波束的相对幅相关系；相邻的一个奇数和一个偶数射频通道和天线阵子依次发射，与这两个射频通道和天线阵子相邻的另外一个射频通道和天线阵子接收，此时得到特定奇数射频通道和天线阵子和特定偶数射频通道和天线阵子之间的发射波束的相对幅相关系；测试得到相邻的上述特定奇数和偶数射频通道和天线阵子之间的发射波束的相对幅相关系，再根据上述特定奇数和偶数的射频通道和天线阵子之间的发射波束的相对幅相关系，最终得到所有射频通道和天线阵子之间的发射波束的相对幅相关系；其中二次雷达射频通道和天线阵子个数为N，0<K<N/2。
3.如权利要求2所述的数字阵二次雷达射频通道和天线阵子的幅相校准方法，其特征在于所述采用互耦系数测试模块得到对应频率下所有射频通道和天线阵子之间的接收波束的相对幅相关系的具体过程为：射频通道和天线阵子2K发射，射频通道和天线阵子2K-1和2K+1同时接收，得到奇数射频通道和天线阵子之间的接收波束的相对幅相关系，射频通道和天线阵子2K-1发射，射频通道和天线阵子2K-2和2K同时接收，得到偶数射频通道和天线阵子之间的接收波束的相对幅相关系，其中一个射频通道和天线阵子发射，与之相邻的一个奇数和一个偶数射频通道和天线阵子同时接收，此时得到特定奇数射频通道和天线阵子和特定偶数射频通道和天线阵子之间的接收幅相关系，测试得到上述特定奇数和偶数射频通道和天线阵子之间的接收波束的相对幅相关系，再根据上述特定奇数和偶数的射频通道和天线阵子之间的接收波束的相对幅相关系，最终得到所有射频通道和天线阵子间的接收波束的相对幅相关系。
4.如权利要求3所述的数字阵二次雷达射频通道和天线阵子的幅相校准方法，其特征在于所述采用外校准模块得到对应频率下通过每一个射频通道和天线阵子的发射波束的幅相特性具体为：采用外部探头在天线阵子正对方向依次扫描，外部探头连接到测试仪，当探头正对每个天线阵子时，测试仪发出同步脉冲，控制探头正对的天线阵子所连接的收发组件发射，测试仪将接收到的信号转换为基带I/Q数据传输给计算机存储；每一个与收发组件连接的天线阵子分别测试，从而得到每一个射频通道和天线阵子所对应的发射波束幅相值。
5.如权利要求4所述的数字阵二次雷达射频通道和天线阵子的幅相校准方法，其特征在于所述采用外校准模块得到对应频率下通过每一个射频通道和天线阵子的接收波束的幅相特性具体为：在同步脉冲触发下，测试仪发射，收发组件将接收到的信号转换为基带I/Q数据传输给计算机存储起来，每一个与收发组件连接的天线阵子分别测试，从而得到每一个射频通道和天线阵子所对应的接收波束幅相值。
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