CN105162536A - 一种相控阵天线在轨幅相校正系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种相控阵天线在轨幅相校正系统及方法，校正用的微波信号源输出信号通过位于相控阵近场的信标天线发射，并由相控阵天线的某一待测通道接收，输出信号经过下变频和AD采集，由信号处理模块完成信号的幅度、相位测量，最后对测得的信号幅度、相位进行数据处理，完成待测通道的幅度、相位的获取，并完成幅相校正。本发明基于相控阵近场信标，借助于干扰对消原理，消除了泄露(多径)信号对被测通道的幅相测量影响，提高了测量结果的准确度，实现原理简单，节省了系统软件资源。在幅相测量实现上，选用了单通道幅相测量方案，不采用辅助参考通道，节约了系统硬件资源及成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种校正系统及方法，特别是一种相控阵天线在轨幅相校正系统及方法，属于信号处理技术领域。
背景技术
相控阵天线采用机电热一体化设计，组成相控阵天线的辐射单元、有源通道、功分网络等各个器件，特别是有源器件，在轨应用时老化、温度变化等均会引起通道间增益一致性、相位一致性变化，这将对相控阵天线合成波束的性能造成影响。因此，在轨应用时必须有相应的手段定期对各个通道间的幅相一致性进行精确测量，并校准。
现有方法多集中在基于数字波束形成处理系统中，该类系统由于实际工作是采用对各个通道进行独立下变频以及采样模块采集，并辅助一独立的下变频以及采样模块作为参考通道，公开的文献如：有源相控阵雷达多通道幅相校准研究，左平，现代雷达，2009等。上述方法存在以下问题：
(i)该方法通常需要有参考通道，并且参考通道需要配备独立的变频及AD采集硬件资源，本方法需要额外的硬件资源，因此不能直接用于单路变频及采样模块的硬件平台。
另一类方法是REV、UTE以及CCE等方法，该类方法需要耗费的时间长，个别算法需要矩阵求逆，计算复杂度高，公开的文献如：
(1)MeasurementandEvaluationTechniquesforAnAirborneActivePhasedArrayAntenna,NakatoKojima,IEEE,1996(REV方法)
(2)ApplicationofOrthogonalCodestotheCalibrationofActivePhasedArrayAntennasforCommunicationSatellites,IEEETransactionsonsignalprocessing,Vol.45,No.1,January1997(UTE&CCE方法)
上述方法存在以下问题：
支持在轨应用的校正方法有：REV、UTE以及CCE等，但是此类方法均需要耗费较多的软硬件资源，时间开销大；并且基于功率测量校正方法，如：REV方法，存在对功率测量灵敏度要求较高、计算复杂度高的缺点。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种相控阵天线在轨幅相校正系统及方法，基于近场信标，借助于干扰对消原理，消除了泄露(多径)信号对被测通道的幅相测量影响，提高了测量结果的准确度，算法实现原理简单，节省了系统软件资源。在幅相测量实现上，选用了单通道幅相测量方案，不采用辅助参考通道，节约了系统硬件资源及成本。
本发明的技术解决方案是：一种相控阵天线在轨幅相校正系统，包括：微波信号源、选通开关、近场信标天线、有源阵列天线、下变频模块、采样模块、信号幅相测量模块、幅相数据处理及校准通道选择控制模块；
所述微波信号源产生微波信号，并通过选通开关选择位于相控阵近场的信标天线将微波信号发射，
所述相控阵天线包括TR组件，每个TR组件包含多个通道，进行在轨幅相校正时，幅相数据处理及校准通道选择控制模块给选通开关发送选通使能，选择待测通道，并将待测通道置为零衰减，将待测通道所在TR组件的其它通道置为最大衰减模式，其它TR组件断电；
所述相控阵天线的待测通道接收微波信号并输出，输出的微波信号经过下变频模块和采样模块分别完成下变频处理和AD采样后，由信号幅相测量模块完成AD采样后微波信号的幅度和相位测量，并将测量结果发送给幅相数据处理及校准通道选择控制模块，
所述幅相数据处理及校准通道选择控制模块对接收到的微波信号幅度和相位进行数据处理，获取待测通道的幅度和相位，并根据获取的幅度和相位对待测通道进行校正。
所述微波信号源在整个校正过程中相位连续，并且与下变频模块、采样模块以及信号幅相测量模块同源。
所述信号幅相测量模块在校正过程中产生本地参考信号，并在整个校正过程中保持本地参考信号相位连续。
所述校正系统采取干扰对消策略，具体为：对待测通道进行反相前和反相后两次处理，通过两次相减去除泄露/多径信号对待测通道的影响；并通过对多个通道分时串行的幅度相位测量来获取通道间的幅度相位一致性。
一种基于相控阵天线在轨幅相校正系统的校正方法，步骤如下：
(1)将待测通道所在的TR组件通电，待测通道置为零衰减，其它通道置为最大衰减，其他TR组件断电，对待测通道反相前进行幅相测量，测得幅度Amp_yi、相位Phi_yi；
(2)将待测通道所在的TR组件通电，待测通道置为零衰减，其它通道置为最大衰减，其他TR组件断电，对待测通道反相后进行幅相测量，测得幅度Amp_180_yi、相位Phi_180_yi；
(3)利用步骤(1)和步骤(2)中的结果，获取待测通道幅度Amp_i和相位Phi_i；具体由公式：
Amp_i＝0.5*abs[Amp_yi*exp(j*Phi_yi)-Amp_180_yi*exp(j*Phi_180_yi)]
Phi_i＝phase[Amp_yi*exp(j*Phi_yi)-Amp_180_yi*exp(j*Phi_180_yi)]给出；
(4)将步骤(3)中的幅度相位结果与预先给定的标校表比对，并根据比对结果完成该通道的校准；
(5)依次逐一选通相控阵天线的各个通道，重复步骤(1)～步骤(4)，，完成相控阵天线全阵的幅度相位校准。
所述步骤(1)中对待测通道反相前进行幅相测量和步骤(2)中对待测通道反相后进行幅相测量的方法相同，其中步骤(1)中对待测通道反相前的幅相进行测量具体为：
(1-1)对采样模块输出信号进行正交下变频，变为I支路和Q支路；
(1-2)分别对步骤(1-1)中的I支路和Q支路进行低通滤波，去除高频分量，I支路和Q支路低通滤波后的输出信号分别为YI和YQ；
(1-3)利用步骤(1-2)中I支路和Q支路低通滤波后的输出信号计算待测通道反相前的幅度和相位，具体由公式：
Amp_yi＝sqrt(YI*YI+YQ*YQ)
Phi_yi＝arctan2(YQ/YI)
给出。
所述步骤(1)中对待测通道反相前的幅相进行测量和步骤(2)中对待测通道反相后的幅相进行测量之间的时间间隔小于30ms。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明中的校正方法是一种基于相控阵天线近场信标的外校准方法，通过对TR模块的加断电操作(待测通道所在TR模块加电，其它TR模块断电)，实现了对待测通道的选通，省去了其它校正方法中需要定向耦合器或高频矩阵开关等额外的硬件资源；
(2)本发明通过对待测通道同时进行信号功率(幅度)和相位测量，弥补了现有的只通过功率测量校正方法的对功率测量灵敏度高、时间开销大、计算复杂度高的缺点；
(3)本发明通过优选及合理设计信号的相位测量方法，即通过本地生成载波，并通过开环载波估计实现了信号相位的测量，本方法基于单路变频及采样模块硬件平台实现了对多个通道的分时串行幅度相位测量，与现有方法相比，省去了参考通道及配套的变频模块、采样模块等硬件资源；
(4)本发明通过设计干扰对消策略，消除了泄露(多径)的信号对被测通道的幅相特性测量的影响，与现有方法相比，以最小的时间开销，提高了测量结果的准确度。
附图说明
图1为本发明中校正系统框图；
图2为开环载波估计算法测量信号幅度和相位的原理框图；
图3幅相校正处理流程框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
如图1所示为本发明中系统的系统框图，从图1可知，本发明提出的一种相控阵天线在轨幅相校正系统，其特征在于包括：微波信号源、选通开关、近场信标天线、有源阵列天线、下变频模块、采样模块、信号幅相测量模块、幅相数据处理及校准通道选择控制模块；
所述微波信号源产生微波信号，并通过选通开关选择位于相控阵近场的信标天线将微波信号发射，
所述相控阵天线包括TR组件，每个TR组件包含多个通道，进行在轨幅相校正时，幅相数据处理及校准通道选择控制模块给选通开关发送选通使能，选择待测通道，并将待测通道置为零衰减(信号最大)，将待测通道所在TR组件的其它通道置为最大衰减模式，其它TR组件断电；
相控阵天线的组成单元之一是TR组件，每个TR组件包含多个通道，每个TR组件统一供电，因此测量某一个待测通道的幅度相位特性，无法将其所在的其它通道完全关闭，只能置为最大衰减模式，其它TR全部断电，使得泄露(多径)的信号最小，但是泄露(多径)信号依然会对待测通道的幅度相位测量产生影响；TR组件中每个通道都会有一独立的的衰减器，此出所述的最大衰减就是讲该衰减器衰减量置为最大模式；
所述相控阵天线的待测通道接收微波信号并输出，输出的微波信号经过下变频模块和采样模块分别完成下变频处理和AD采样后，由信号幅相测量模块完成AD采样后微波信号的幅度和相位测量，并将测量结果发送给幅相数据处理及校准通道选择控制模块，
所述幅相数据处理及校准通道选择控制模块对接收到的微波信号幅度和相位进行数据处理，获取待测通道的幅度和相位，并根据获取的幅度和相位对待测通道进行校正。
另外，在相控阵天线内部，受限于收发隔离度的影响，也存在其它途径的泄露(多径)信号。为了消除泄露(多径)信号对待测通道幅相测量的影响，需要采取干扰对消策略，具体方法是采用对待测通道进行反相前和反相后两次处理，通过两次相减去除泄露(多径)信号对待测通道的影响。并通过对多个通道分时串行的幅度相位测量来获取通道间的幅度相位一致性。
由于本方法是基于单路下变频和单个采样模块的硬件平台，而相控阵天线幅相校正需要完成通道间的幅度、相位一致性测量，为了避免不同通道间测量时，测量系统带来的相位漂移，因此需要微波信号源在整个校正过程中相位连续，并且与接收下变频模块、采样模块以及信号幅度相位测量模块同源，同时需要信号幅度相位测量模块中产生本地参考信号，并在整个校正过程中保持相位连续，以便于通过对各个通道的分时串行测量获取通道间的幅度相位一致性。
如图3为本发明中的方法流程图，从图3可知，本发明中方法的步骤如下：
(1)将待测通道所在的TR组件通电，待测通道置为零衰减，其它通道置为最大衰减，其他TR组件断电，对待测通道反相前(相位置为初相)进行幅相测量，测得幅度Amp_yi、相位Phi_yi；
(2)将待测通道所在的TR组件通电，待测通道置为零衰减，其它通道置为最大衰减，其他TR组件断电，对待测通道反相后(相位置为：初相+180度)进行幅相测量，测得幅度Amp_180_yi、相位Phi_180_yi；
(3)待测通道幅度相位的获取。根据步骤(1)和步骤(2)的测量结果，组建方程：
Amp_i*exp(j*Phi_i)+B*exp(phi)+delta＝Amp_yi*exp(j*Phi_yi)
Amp_i*exp(j*Phi_i+j*π)+B*exp(phi)+delta＝Amp_180_yi*exp(j*Phi_180_yi)
其中，B和phi分别是置于最大衰减的单元输出组合信号的幅度和相位；delta是两次测试结果的相对误差，如果在步骤(1)和步骤(2)两次测试时间间隔较短(两次测试间隔在30ms以内)，delta相对稳定，则不会影响求解。
根据待测通道移相反相后和反相后的幅相测量结果，不难得出第1组第i个单元的幅度Amp_i与相位Phi_i：
Amp_i＝0.5*abs[Amp_yi*exp(j*Phi_yi)-Amp_180_yi*exp(j*Phi_180_yi)]
Phi_i＝phase[Amp_yi*exp(j*Phi_yi)-Amp_180_yi*exp(j*Phi_180_yi)]
(4)将步骤(3)中的幅度相位结果与预先给定的标校表比对，并根据比对结果完成该通道的校准；所述标校表是指在相控阵幅相配平状态下，基于本发明所述校正系统及方法获取的各个通道的幅相值，以作为在轨幅相校正的基准。具体实施方法是，在地面实验室条件下，首先采用相控阵中远场校准手段完成相控阵幅相一致校准，以实现相控阵幅相配平，在此基础上，依次逐一选通各个通道，并对每个按照步骤(1)～步骤(3)的处理流程获取各个通道的幅相和相位值作为在轨校正的标校表；
(5)依次逐一选通相控阵天线的各个通道，重复步骤(1)～步骤(4)，，完成相控阵天线全阵的幅度相位校准。
所述步骤(1)中对待测通道反相前进行幅相测量和步骤(2)中对待测通道反相后进行幅相测量的方法相同，原理框图如图2所示，从图2可知，实现信号幅度、相位测量，具体实现是基于开环载波估计实现信号的幅度和相位测量。由于本方法是基于单路下变频和单个采样模块的硬件平台，需要信号幅度相位测量模块中产生本地参考信号(本地参考信号与图1中的微波信号源同源)，并在整个校正过程中保持相位连续，以便于通过对各个通道的分时串行测量获取通道间的相位一致性。幅相测量采用开环载波估计方式进行幅度相位测量。步骤(1)中对待测通道反相前的幅相进行测量具体为：
(1-1)对采样模块输出信号进行正交下变频，变为I支路和Q支路；
(1-2)分别对步骤(1-1)中的I支路和Q支路进行低通滤波，去除高频分量，I支路和Q支路低通滤波后的输出信号分别为YI和YQ；
(1-3)利用步骤(1-2)中I支路和Q支路低通滤波后的输出信号计算待测通道反相前的幅度和相位，具体由公式：
Amp_yi＝sqrt(YI*YI+YQ*YQ)
Phi_yi＝arctan2(YQ/YI)
给出。
具体实施例：
将微波信号源输出Ka波段信号经近场信标天线辐射给相控阵阵面，由通道选择控制逻辑选通1号通道，1号通道幅度衰减置为零，1号通道所在TR模块的其它7个通道幅度置为最大衰减15dB，信号经由1号通道所在TR模块(共8个通道)进入下变频模块，设定下变频输出频率76M，设定ADC采样钟为60M，经AD采样后数字中频为16M。幅相测量模块在本地通过载波NCO生成与数字中频同频率(均为16M)的SIN、COS两路正交信号，并分别与数字中频信号相乘，得到I、Q两路信号，对I、Q两路信号进行积分处理，以滤除高频分量，根据积分器输出分别求取信号的幅度和相位。将1号通道相位翻转180度，再次求取信号的幅度和相位。根据1号通道反相前和反相后测得的信号幅度和相位运用干扰对消处理计算出1号通道的幅度和相位。将1号通道的幅度和相位与标校表进行比对，并根据幅度相位差异量对1号通道幅度相位权值进行补偿，完成1号通道的校准。依次逐一切换全阵每一个通道，重复上述过程，实现全阵的幅相校正。
本发明技术方案已在某型相控阵天线上成功运用并通过相关应用测试。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (7)
1.一种相控阵天线在轨幅相校正系统，其特征在于包括：微波信号源、选通开关、近场信标天线、有源阵列天线、下变频模块、采样模块、信号幅相测量模块、幅相数据处理及校准通道选择控制模块；
所述微波信号源产生微波信号，并通过选通开关选择位于相控阵近场的信标天线将微波信号发射，
所述相控阵天线包括TR组件，每个TR组件包含多个通道，进行在轨幅相校正时，幅相数据处理及校准通道选择控制模块给选通开关发送选通使能，选择待测通道，并将待测通道置为零衰减，将待测通道所在TR组件的其它通道置为最大衰减模式，其它TR组件断电；
所述相控阵天线的待测通道接收微波信号并输出，输出的微波信号经过下变频模块和采样模块分别完成下变频处理和AD采样后，由信号幅相测量模块完成AD采样后微波信号的幅度和相位测量，并将测量结果发送给幅相数据处理及校准通道选择控制模块，
所述幅相数据处理及校准通道选择控制模块对接收到的微波信号幅度和相位进行数据处理，获取待测通道的幅度和相位，并根据获取的幅度和相位对待测通道进行校正。
2.根据权利要求1所述的一种相控阵天线在轨幅相校正系统，其特征在于：所述微波信号源在整个校正过程中相位连续，并且与下变频模块、采样模块以及信号幅相测量模块同源。
3.根据权利要求1所述的一种相控阵天线在轨幅相校正系统，其特征在于：所述信号幅相测量模块在校正过程中产生本地参考信号，并在整个校正过程中保持本地参考信号相位连续。
4.根据权利要求1所述的一种相控阵天线在轨幅相校正系统，其特征在于：所述校正系统采取干扰对消策略，具体为：对待测通道进行反相前和反相后两次处理，通过两次相减去除泄露/多径信号对待测通道的影响；并通过对多个通道分时串行的幅度相位测量来获取通道间的幅度相位一致性。
5.一种基于权利要求1中相控阵天线在轨幅相校正系统的校正方法，其特征在于步骤如下：
(1)将待测通道所在的TR组件通电，待测通道置为零衰减，其它通道置为最大衰减，其他TR组件断电，对待测通道反相前进行幅相测量，测得幅度Amp_yi、相位Phi_yi；
(2)将待测通道所在的TR组件通电，待测通道置为零衰减，其它通道置为最大衰减，其他TR组件断电，对待测通道反相后进行幅相测量，测得幅度Amp_180_yi、相位Phi_180_yi；
(3)利用步骤(1)和步骤(2)中的结果，获取待测通道幅度Amp_i和相位Phi_i；具体由公式：
Amp_i＝0.5*abs[Amp_yi*exp(j*Phi_yi)-Amp_180_yi*exp(j*Phi_180_yi)]
Phi_i＝phase[Amp_yi*exp(j*Phi_yi)-Amp_180_yi*exp(j*Phi_180_yi)]给出；
(4)将步骤(3)中的幅度相位结果与预先给定的标校表比对，并根据比对结果完成该通道的校准；
(5)依次逐一选通相控阵天线的各个通道，重复步骤(1)～步骤(4)，，完成相控阵天线全阵的幅度相位校准。
6.根据权利要求5所述的一种相控阵天线在轨幅相校正方法，其特征在于：所述步骤(1)中对待测通道反相前进行幅相测量和步骤(2)中对待测通道反相后进行幅相测量的方法相同，其中步骤(1)中对待测通道反相前的幅相进行测量具体为：
(1-1)对采样模块输出信号进行正交下变频，变为I支路和Q支路；
(1-2)分别对步骤(1-1)中的I支路和Q支路进行低通滤波，去除高频分量，I支路和Q支路低通滤波后的输出信号分别为YI和YQ；
(1-3)利用步骤(1-2)中I支路和Q支路低通滤波后的输出信号计算待测通道反相前的幅度和相位，具体由公式：
Amp_yi＝sqrt(YI*YI+YQ*YQ)
Phi_yi＝arctan2(YQ/YI)
给出。
7.根据权利要求5所述的一种相控阵天线在轨幅相校正方法方法，其特征在于：所述步骤(1)中对待测通道反相前的幅相进行测量和步骤(2)中对待测通道反相后的幅相进行测量之间的时间间隔小于30ms。
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