CN105353229B - 一种基于一维旋转的相控阵幅相误差近场校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于一维旋转的相控阵幅相误差近场校准方法，包含：S1、搭建相控阵幅相误差的测试系统，将相控阵天线固定在初始旋转角度，测量校准源及参考阵元的初始位置；S2、测量相控阵天线的接收通道幅度信息和相位测量信息；S3、测量相控阵天线的发射通道幅度信息和相位测量信息；S4、是否完成所有预定旋转角度的测量；如是，执行S5；如否，将相控阵天线旋转至预定的其他旋转角度，执行S2和S3；S5、计算相控阵幅度误差的校准值；S6、通过最优化原理计算校准源以及参考阵元的初始位置；S7、计算相控阵相位误差的校准值。本发明只需满足相控阵天线中单个天线单元的远场条件，校准方法简单，可操作性强，测量精度较高，易于工程实现。

Description

一种基于一维旋转的相控阵幅相误差近场校准方法

技术领域

本发明涉及一种基于一维旋转的相控阵幅相误差近场校准方法，属于雷达领域。

背景技术

相控阵幅相误差对于相控阵天线性能的影响是多方面的。为了减小影响，需要对相控阵幅相误差进行校准，而学者们对此进行了大量卓有成效的工作并取得了丰富的研究成果。相控阵幅相误差的校准方法主要分为内校准法和外校准法。而外校准法则分为远场校准法和平面近场校准法两种。

内校准法是在相控阵天线系统内利用附加设备，如设置开关矩阵、行波馈电网络等实现校准，其在技术上是一种传统的、较为成熟的方法。例如，申请号为201510263339.5的中国专利所公开的一种非相参校正相控阵系统及方法，该专利解决了非相参设计中的校正功能实现，设计了频率源分置的设计体制，降低了现有技术的复杂性，方便了小型化和集成化。另外，公开号为CN104330777A的中国专利所公开的一种有源相控阵雷达的收发通道自校准方法，该专利利用输入输出信号耦合电路收发通道，利用多路功分电路将多个收发通道耦合信号合并成一路，实现有源相控阵的每个收发通道在线单独校准。概括来说，内校准法的优点是能实现在线校准，校准速度快、技术成熟、可靠性高、性能稳定、校准精确度较高。但内校准法的校准结果不包括天线单元自身的幅相误差，并且该方法需要做一个专门的校准矩阵网络，其系统复杂、设备量大、成本高，会给相控阵的电磁兼容性设计和结构设计带来了一定的难度。

远场校准法需要在相控阵天线的远场设置一个或多个辅助校准源，然后从辅助校准源获得校准信号或者发射校准信号，稳定的相参信号经过各通道之后，改变后的幅相信息能够被采集到，从而得到相控阵幅相误差数据。例如，申请号为201410631380.9的中国专利所公开的一种相控阵雷达发射通道远场校准方法及系统，该专利在远场架设两个天线，在雷达阵面旁边安装一个辅助天线，用于接收远场第二个天线发射回来的信号，通过控制发射组件的移相器，使其按照相位修正量进行相移，以此实现发射通道远场校准。概括来说，远场校准法的优点是所需系统设备量较少，结构简单，能有效地降低雷达成本，同时考虑到了天线单元自身的幅相误差，校准后的幅相值更接近真实值。但远场校准法的远场条件限制对校准场地提出了较高要求，特别是频段较高，阵面较大的相控阵天线很难满足远场校准法的远场条件。

平面近场校准法作为一种现代天线测量的重要手段，其理论日趋成熟，应用也日益广泛。通过平面近场测量能反演出相控阵天线的口径场分布，故能利用其进行天线的诊断，同时得到所有阵元的初始幅相信息，用来对各阵元通道进行幅相误差校准。例如，公开号为CN103616569A的中国专利所公开的一种毫米波平面近场测试相位修正方法，该专利通过记录扫描面上指定的采样点位置及在该位置下的采样数据来建立采样点对应的相位漂移和时间的函数关系，通过插值的方式实现对整个扫描面数据的相位补偿。与传统的远场校准法相比，平面近场校准法具有测量精度高、不易受到外界电磁环境的干扰、能全天候工作、保密性高等优点。但平面近场校准法需要专用的天线近场测量系统和测试场地，通用性不高。

基于上述，目前亟需提出一种能够避免现有技术中不足之处的相控阵幅相误差的校准方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于一维旋转的相控阵幅相误差近场校准方法，只需满足相控阵天线中单个天线单元的远场条件，不需要设置专门的校准矩阵网络或者复杂的近场测量设备，校准方法简单，可操作性强，测量精度较高，易于工程实现。

为了达到上述目的，本发明提供一种基于一维旋转的相控阵幅相误差近场校准方法，包含以下步骤：

S1、搭建相控阵天线的相控阵幅相误差的测试系统，将相控阵天线固定在预定的初始旋转角度，初步测量校准源以及相控阵天线的参考阵元在柱面坐标系中的初始位置；

S2、测试系统测量相控阵天线的接收通道幅度信息和相位测量信息；

S3、测试系统测量相控阵天线的发射通道幅度信息和相位测量信息；

S4、判断是否已经完成了对相控阵天线的所有预定旋转角度的测量；如是，则继续执行S5；如否，则将相控阵天线旋转至预定的其他旋转角度后，返回执行S2和S3；

S5、计算相控阵幅度误差的校准值；

S6、通过最优化原理计算校准源以及相控阵天线的参考阵元在柱面坐标系中的初始位置；

S7、计算相控阵相位误差的校准值。

所述的S1中，具体包含以下步骤：

S11、搭建相控阵天线的相控阵幅相误差的测试系统；该测试系统包含：

相控阵天线，其包含天线阵面、和差网络、TR组件和波控机；

一维旋转机构，所述的相控阵天线通过固定装置设置在该一维旋转机构上；

测控设备，其通过旋转控制电缆与一维旋转机构连接，通过控制一维旋转机构来控制相控阵天线的天线阵面转动；该测控设备还通过相控阵天线控制电缆与相控阵天线的波控机连接，通过控制波控机来控制相控阵天线的TR组件的接收和发射通道；

校准天线，其与相控阵天线相对设置，且与相控阵天线之间间隔一定距离；

功率放大器，其与校准天线连接；

网络分析仪，其通过网络分析仪控制电缆与测控设备连接；该网络分析仪的第一端口与功率放大器连接，该网络分析仪的第二端口与相控阵天线的和差网络和路端口连接；

S12、保持设置在一维旋转机构上的相控阵天线固定不动，其预定的初始旋转角度为θ₁，以相控阵天线的第1个天线阵元为参考阵元，初步测量校准源在柱面坐标系中的初始位置为(r_c,θ_c,z_c)，参考阵元在柱面坐标系中的初始位置为(r_ref,θ_ref,z_ref)；

S13、根据相控阵天线的尺寸结构以及天线阵面的安装位置，确定相控阵天线的其他各个天线阵元相对参考阵元的初始位置矢量为：

n＝2,3,…,N；

其中，n为相控阵天线的其他各个天线阵元的阵元号，N为相控阵天线的天线阵元总数。

所述的S12中，柱面坐标系(r,θ,z)与测试系统的直角坐标系(x,y,z)之间的转换关系为：

其中，所述的测试系统的直角坐标系(x,y,z)以一维旋转机构的旋转轴与相控阵天线的天线阵面的交点为直角坐标系的原点o；以一维旋转机构的旋转轴为z轴，向上为正；以一维旋转机构的旋转轴的垂面为xoy平面；以天线阵面与xoy平面的交线为y轴；根据已经确定的z轴和y轴，按照右手定理确定x轴。

当天线阵面的安装位置与一维旋转机构的旋转轴平行时，则确定一维旋转机构的旋转轴上的任一点为测试系统的直角坐标系的原点。

所述的S2中，功率放大器的输出端连接校准天线；具体包含以下步骤：

S21、测控设备通过网络分析仪控制电缆控制网络分析仪产生第一参考信号，其经由网络分析仪的第一端口传输至功率放大器，被功率放大器放大后通过校准天线发射；

S22、在S21进行的过程中，测控设备通过波控机控制相控阵天线的TR组件的各个接收通道依次打开，且每次只打开TR组件中的一个接收通道；

其中，TR组件的每个接收通道分别一一对应相控阵天线的各个天线阵元，因此，TR组件共有N个接收通道，且将其中第1个接收通道作为参考接收通道，其他各个接收通道的通道号可用n表示，n＝2,3,…,N；

S23、在TR组件的各个接收通道单独打开时，分别由当前打开的接收通道接收从校准天线发射的第一参考信号，通过和差网络以及和差网络和路端口，再经由网络分析仪的第二端口传输返回至网络分析仪，并通过测控设备将网络分析仪测量得到的TR组件的各个接收通道的幅度信息ρ_r1n和相位测量信息ψ_r1n记录下来，其中，r表示接收通道，1表示是在初始旋转角度θ₁时进行的测量。

所述的S3中，功率放大器的输入端连接校准天线；具体包含以下步骤：

S31、测控设备通过网络分析仪控制电缆控制网络分析仪产生第二参考信号，其通过网络分析仪的第二端口依次经由相控阵天线的和差网络和路端口以及和差网络后传输至TR组件的发射输入端；

S32、在S31进行的过程中，测控设备通过波控机控制相控阵天线的TR组件的各个发射通道依次打开，且每次只打开TR组件中的一个发射通道；

其中，TR组件的每个发射通道分别一一对应相控阵天线的各个天线阵元，因此，TR组件共有N个发射通道，且将其中第1个发射通道作为参考发射通道，其他各个发射通道的通道号可用n表示，n＝2,3,…,N；

S33、在TR组件的各个发射通道单独打开时，分别由当前打开的发射通道发射第二参考信号，被校准天线接收后经功率放大器放大，经由网络分析仪的第一端口传输返回至网络分析仪，并通过测控设备将网络分析仪测量得到的TR组件的各个发射通道的幅度信息ρ_t1n和相位测量信息ψ_t1n记录下来，其中，t表示发射通道，1表示是在初始旋转角度θ₁时进行的测量。

所述的S4中，具体包含以下步骤：

S41、判断是否已经完成了对相控阵天线的所有预定旋转角度的测量；如是，则继续执行S5；如否，则继续执行S42；

S42、测控设备通过控制一维旋转机构将相控阵天线旋转至其他预定旋转角度θ_m，其中，m＝2,3,…,M且M≥2，M表示所有预定旋转角度的总数，也就是总的测量次数；当m＝1时，即表示相控阵天线1旋转至初始旋转角度θ₁；

S43、保持校准源的位置不变，此时参考阵元的位置为：

(r_ref,θ_ref+θ_m-θ₁,z_ref)；

根据相控阵天线的尺寸结构以及天线阵面的安装位置，确定此时相控阵天线的其他各个天线阵元相对参考阵元的位置矢量为：

(Δr_1n,Δθ_1n+θ_m-θ₁,Δz_1n)；

S44、返回执行S2和S3，在预定旋转角度为θ_m时，测量得到的TR组件的各个接收通道的幅度信息ρ_rmn和相位测量信息ψ_rmn，以及测量得到TR组件的各个发射通道的幅度信息ρ_tmn和相位测量信息ψ_tmn。

所述的S5中，具体包含以下步骤：

S51、相控阵天线的TR组件的各个接收通道的幅度误差校准值为：

S52、相控阵天线的TR组件的各个发射通道的幅度误差校准值为：

所述的S6中，具体包含以下步骤：

S61、根据各个接收或发射通道的相位测量信息是由固定电缆传输相位值，空间传输相位值以及相控阵天线、TR组件的接收或发射通道自身带来的相位变化值所组成的原理，进行如下计算：

其中，表示第m次测量时的第n个接收通道与参考接收通道间的相位差，α_rmn表示第m次测量时的第n个接收通道与参考接收通道间的空间相位差，μ_rmn表示第m次测量时的第n个接收通道与参考接收通道间的通道相位误差；表示第m次测量时的第n个发射通道与参考发射通道间的相位差，α_tmn表示第m次测量时的第n个发射通道与参考发射通道间的空间相位差，μ_tmn表示第m次测量时的第n个发射通道与参考发射通道间的通道相位误差；

S62、由于μ_rmn和μ_tmn是因相控阵天线和TR组件自身特性而引起的相位误差，其不随旋转角度的变化而变化，因此有μ_rmn＝μ_r1n,μ_tmn＝μ_t1n，即：

其中，σ_rmn表示第n个天线阵元在接收时，第m次测量与第1次测量间的空间相位差之差，σ_tmn表示第n个天线阵元在发射时，第m次测量与第1次测量间的空间相位差之差；

S63、根据S43和S62中得到的公式，进行以下计算：

R_mnx＝r_ref cos(θ_ref+θ_m-θ₁)+Δr_1n cos(Δθ_1n+θ_m-θ₁)-r_c cosθ_c；

R_mny＝r_ref sin(θ_ref+θ_m-θ₁)+Δr_1n sin(Δθ_1n+θ_m-θ₁)-r_c sinθ_c；

R_mnz＝z_ref+Δz_1n-z_c；

其中，λ为工作波长；R₁₁表示m＝n＝1时的R_mn，R_m1表示n＝1时的R_mn，R_1n表示m＝1时的R_mn；σ_mn表示空间相位差，且σ_mn＝σ_rmn＝σ_tmn；

S64、构造代价函数为：

通过最优化方法寻找到校准源初始位置的最优估计值以及相控阵天线的参考阵元的初始位置的最优估计值使得所述的代价函数的值为最大。

所述的S7中，具体包含以下步骤：

S71、在初始旋转角度为θ₁时，计算得到相控阵天线的TR组件的各个接收通道的相位误差校准值为：

S72、在初始旋转角度为θ₁时，计算得到相控阵天线的TR组件的各个发射通道的相位误差校准值为：

综上所述，本发明提供的基于一维旋转的相控阵幅相误差近场校准方法，只需满足相控阵天线中单个天线单元的远场条件，不需要设置专门的校准矩阵网络或者复杂的近场测量设备，校准方法简单，可操作性强，测量精度较高，易于工程实现。

附图说明

图1为本发明中的相控阵天线的相控阵幅相误差的测试系统的示意图；

图2为本发明中的相控阵天线的相控阵幅相误差的测试系统的直角坐标系的示意图；

图3为本发明中的基于一维旋转的相控阵幅相误差近场校准方法的流程图。

具体实施方式

以下结合图1～图3，详细说明本发明的一个优选实施例。

如图3所示，为本发明提供的基于一维旋转的相控阵幅相误差近场校准方法，包含以下步骤：

S1、搭建相控阵天线的相控阵幅相误差的测试系统，将相控阵天线固定在预定的初始旋转角度，初步测量校准源以及相控阵天线的参考阵元在柱面坐标系中的初始位置；

S2、测试系统测量相控阵天线的接收通道幅度信息和相位测量信息；

S3、测试系统测量相控阵天线的发射通道幅度信息和相位测量信息；

S4、判断是否已经完成了对相控阵天线的所有预定旋转角度的测量；如是，则继续执行S5；如否，则将相控阵天线旋转至预定的其他旋转角度后，返回执行S2和S3；

S5、计算相控阵幅度误差的校准值；

S6、通过最优化原理计算校准源以及相控阵天线的参考阵元在柱面坐标系中的初始位置；

S7、计算相控阵相位误差的校准值。

所述的S1中，具体包含以下步骤：

S11、如图1所示，搭建相控阵天线的相控阵幅相误差的测试系统；该测试系统包含：

相控阵天线1，其包含天线阵面、和差网络、TR(发射接收)组件和波控机；

一维旋转机构2，所述的相控阵天线1通过固定装置3设置在该一维旋转机构2上；

测控设备4，其通过旋转控制电缆41与一维旋转机构2连接，通过控制一维旋转机构2来控制相控阵天线1的天线阵面转动；该测控设备还通过相控阵天线控制电缆42与相控阵天线1的波控机连接，通过控制波控机来控制相控阵天线1的TR组件的接收和发射通道；

校准天线5，其与相控阵天线1相对设置，且与相控阵天线1之间间隔一定距离；

功率放大器6，其与校准天线5连接；

网络分析仪7，其通过网络分析仪控制电缆71与测控设备4连接；该网络分析仪7的S1端口与功率放大器6连接，该网络分析仪7的S2端口与相控阵天线1的和差网络和路端口连接；

S12、保持设置在一维旋转机构2上的相控阵天线1固定不动，其预定的初始旋转角度为θ₁，以相控阵天线1的第1个天线阵元为参考阵元，初步测量校准源在柱面坐标系中的初始位置为(r_c,θ_c,z_c)，参考阵元在柱面坐标系中的初始位置为(r_ref,θ_ref,z_ref)；

S13、根据相控阵天线1的尺寸结构以及天线阵面的安装位置，确定相控阵天线1的其他各个天线阵元相对参考阵元的初始位置矢量为：

n＝2,3,…,N；

其中，n为相控阵天线1的其他各个天线阵元的阵元号，N为相控阵天线1的天线阵元总数。也就是说，当n＝3时，表示相控阵天线1的第3个天线阵元相对于参考阵元(第1个天线阵元)的初始位置矢量。

所述的S12中，柱面坐标系(r,θ,z)与测试系统的直角坐标系(x,y,z)之间的转换关系为：

如图2所示，为所述的测试系统的直角坐标系(x,y,z)的示意图，其以一维旋转机构2的旋转轴与相控阵天线1的天线阵面的交点为直角坐标系的原点o；以一维旋转机构2的旋转轴为z轴，向上为正；以一维旋转机构2的旋转轴的垂面为xoy平面；以天线阵面与xoy平面的交线为y轴；根据已经确定的z轴和y轴，按照右手定理确定x轴。

进一步，当天线阵面的安装位置与一维旋转机构2的旋转轴平行时，则确定一维旋转机构2的旋转轴上的任一点为测试系统的直角坐标系的原点。

所述的S2中，功率放大器6的输出端连接校准天线5；具体包含以下步骤：

S21、测控设备4通过网络分析仪控制电缆71控制网络分析仪7产生第一参考信号S1，其经由网络分析仪7的S1端口传输至功率放大器6，被功率放大器6放大后通过校准天线5发射；

S22、在S21进行的过程中，测控设备4通过波控机控制相控阵天线1的TR组件的各个接收通道依次打开，且每次只打开TR组件中的一个接收通道；

其中，TR组件的每个接收通道分别一一对应相控阵天线1的各个天线阵元，因此，TR组件共有N个接收通道，且将其中第1个接收通道作为参考接收通道，其他各个接收通道的通道号可用n表示，n＝2,3,…,N；

S23、在TR组件的各个接收通道单独打开时，分别由当前打开的接收通道接收从校准天线5发射的第一参考信号S1，通过和差网络以及和差网络和路端口，再经由网络分析仪7的S2端口传输返回至网络分析仪7，并通过测控设备4将网络分析仪7测量得到的TR组件的各个接收通道的幅度信息ρ_r1n和相位测量信息ψ_r1n记录下来，其中，r表示接收通道，1表示是在初始旋转角度θ₁时进行的测量。

所述的S23中，各个接收通道的相位测量信息包含：固定电缆传输相位值，空间传输相位值以及相控阵天线、TR组件的接收通道自身带来的相位变化值。

所述的S3中，功率放大器6的输入端连接校准天线5；具体包含以下步骤：

S31、测控设备4通过网络分析仪控制电缆71控制网络分析仪7产生第二参考信号S2，其通过网络分析仪7的S2端口依次经由相控阵天线1的和差网络和路端口以及和差网络后传输至TR组件的发射输入端；

S32、在S31进行的过程中，测控设备4通过波控机控制相控阵天线1的TR组件的各个发射通道依次打开，且每次只打开TR组件中的一个发射通道；

其中，TR组件的每个发射通道分别一一对应相控阵天线1的各个天线阵元，因此，TR组件共有N个发射通道，且将其中第1个发射通道作为参考发射通道，其他各个发射通道的通道号可用n表示，n＝2,3,…,N；

S33、在TR组件的各个发射通道单独打开时，分别由当前打开的发射通道发射第二参考信号S2，被校准天线5接收后经功率放大器6放大，经由网络分析仪7的S1端口传输返回至网络分析仪7，并通过测控设备4将网络分析仪7测量得到的TR组件的各个发射通道的幅度信息ρ_t1n和相位测量信息ψ_t1n记录下来，其中，t表示发射通道，1表示是在初始旋转角度θ₁时进行的测量。

所述的S33中，各个接收通道的相位测量信息包含：固定电缆传输相位值，空间传输相位值以及相控阵天线、TR组件的发射通道自身带来的相位变化值。

所述的S4中，具体包含以下步骤：

S41、判断是否已经完成了对相控阵天线1的所有预定旋转角度的测量；如是，则继续执行S5；如否，则继续执行S42；

S42、测控设备4通过控制一维旋转机构2将相控阵天线1旋转至其他预定旋转角度θ_m，其中，m＝2,3,…,M且M≥2，M表示所有预定旋转角度的总数，也就是总的测量次数；而当m＝1时，即表示相控阵天线1旋转至初始旋转角度θ₁；

S43、保持校准源的位置不变，此时参考阵元的位置为：

(r_ref,θ_ref+θ_m-θ₁,z_ref)；

根据相控阵天线1的尺寸结构以及天线阵面的安装位置，确定此时相控阵天线1的其他各个天线阵元相对参考阵元的位置矢量为：

(Δr_1n,Δθ_1n+θ_m-θ₁,Δz_1n)；

S44、返回执行S2和S3，在预定旋转角度为θ_m时，测量得到的TR组件的各个接收通道的幅度信息ρ_rmn和相位测量信息ψ_rmn，以及测量得到TR组件的各个发射通道的幅度信息ρ_tmn和相位测量信息ψ_tmn。

所述的S5中，具体包含以下步骤：

S51、相控阵天线1的TR组件的各个接收通道的幅度误差校准值为：

S52、相控阵天线1的TR组件的各个发射通道的幅度误差校准值为：

所述的S6中，具体包含以下步骤：

S61、根据各个接收或发射通道的相位测量信息是由固定电缆传输相位值，空间传输相位值以及相控阵天线、TR组件的接收或发射通道自身带来的相位变化值所组成的原理，进行如下计算：

其中，表示第m次测量时(也就是旋转角度为θ_m时)的第n个接收通道与参考接收通道间的相位差，α_rmn表示第m次测量时的第n个接收通道与参考接收通道间的空间相位差，μ_rmn表示第m次测量时的第n个接收通道与参考接收通道间的通道相位误差；表示第m次测量时的第n个发射通道与参考发射通道间的相位差，α_tmn表示第m次测量时的第n个发射通道与参考发射通道间的空间相位差，μ_tmn表示第m次测量时的第n个发射通道与参考发射通道间的通道相位误差；

S62、由于μ_rmn和μ_tmn是因相控阵天线和TR组件自身特性而引起的相位误差，其不随旋转角度的变化而变化，因此有μ_rmn＝μ_r1n,μ_tmn＝μ_t1n，即：

其中，σ_rmn表示第n个天线阵元在接收时(也就是第n个接收通道)，第m次测量(也就是旋转角度为θ_m)与第1次测量(也就是旋转角度为θ₁)间的空间相位差之差，σ_tmn表示第n个天线阵元在发射时，第m次测量与第1次测量间的空间相位差之差；

S63、根据S43和S62中得到的公式，进行以下计算：

R_mnx＝r_ref cos(θ_ref+θ_m-θ₁)+Δr_1n cos(Δθ_1n+θ_m-θ₁)-r_c cosθ_c；

R_mny＝r_ref sin(θ_ref+θ_m-θ₁)+Δr_1n sin(Δθ_1n+θ_m-θ₁)-r_c sinθ_c；

R_mnz＝z_ref+Δz_1n-z_c；

其中，λ为工作波长；R₁₁表示m＝n＝1时的R_mn，R_m1表示n＝1时的R_mn，R_1n表示m＝1时的R_mn；σ_mn表示空间相位差，其与发射或者接收状态无关，即σ_mn＝σ_rmn＝σ_tmn；

S64、构造代价函数为：

通过最优化方法寻找到校准源初始位置的最优估计值以及相控阵天线的参考阵元的初始位置的最优估计值使得所述的代价函数的值为最大。

由于之前在S1中进行了初步测量，因此在初步测量中得到的这些参数r_c,θ_c,z_c,r_ref,θ_ref,z_ref的初值较准确，因此，最优化方法基本可以收敛得到全局最优值。

所述的S7中，具体包含以下步骤：

S71、在初始旋转角度为θ₁时，计算得到相控阵天线1的TR组件的各个接收通道的相位误差校准值为：

S72、在初始旋转角度为θ₁时，计算得到相控阵天线1的TR组件的各个发射通道的相位误差校准值为：

与现有技术相比，本发明提供的基于一维旋转的相控阵幅相误差近场校准方法，具有以下优点和有益效果：

1、相对于内校准方法而言，本发明不需要专门的校准矩阵网络，系统简单、设备量少、成本低，并且校准结果包括相控阵天线自身的幅相误差，校准结果更接近真实值；

2、相对于远场校准法而言，本发明不需要满足整个相控阵天线的远场条件，只需满足单个天线单元的远场条件，降低了校准场地的要求，解决了高频段、大天线实验室远场条件难以满足的难题；

3、相对于平面近场校准法而言，本发明不需要专用的天线近场测量系统和测试场地，通用性更好。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种基于一维旋转的相控阵幅相误差近场校准方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、搭建相控阵天线的相控阵幅相误差的测试系统，将相控阵天线固定在预定的初始旋转角度，初步测量校准源以及相控阵天线的参考阵元在柱面坐标系中的初始位置；

S2、测试系统测量相控阵天线的接收通道幅度信息和相位测量信息；

S3、测试系统测量相控阵天线的发射通道幅度信息和相位测量信息；

S4、判断是否已经完成了对相控阵天线的所有预定旋转角度的测量；如是，则继续执行S5；如否，则将相控阵天线旋转至预定的其他旋转角度后，返回执行S2和S3；

S5、计算相控阵幅度误差的校准值；

S6、通过最优化原理计算校准源以及相控阵天线的参考阵元在柱面坐标系中的初始位置；

S7、计算相控阵相位误差的校准值。

2.如权利要求1所述的基于一维旋转的相控阵幅相误差近场校准方法，其特征在于，所述的S1中，具体包含以下步骤：

S11、搭建相控阵天线的相控阵幅相误差的测试系统；该测试系统包含：

相控阵天线，其包含天线阵面、和差网络、TR组件和波控机；

一维旋转机构，所述的相控阵天线通过固定装置设置在该一维旋转机构上；

测控设备，其通过旋转控制电缆与一维旋转机构连接，通过控制一维旋转机构来控制相控阵天线的天线阵面转动；该测控设备还通过相控阵天线控制电缆与相控阵天线的波控机连接，通过控制波控机来控制相控阵天线的TR组件的接收和发射通道；

校准天线，其与相控阵天线相对设置，且与相控阵天线之间间隔一定距离；

功率放大器，其与校准天线连接；

网络分析仪，其通过网络分析仪控制电缆与测控设备连接；该网络分析仪的第一端口与功率放大器连接，该网络分析仪的第二端口与相控阵天线的和差网络和路端口连接；

S12、保持设置在一维旋转机构上的相控阵天线固定不动，其预定的初始旋转角度为θ₁，以相控阵天线的第1个天线阵元为参考阵元，初步测量校准源在柱面坐标系中的初始位置为(r_c,θ_c,z_c)，参考阵元在柱面坐标系中的初始位置为(r_ref,θ_ref,z_ref)；

S13、根据相控阵天线的尺寸结构以及天线阵面的安装位置，确定相控阵天线的其他各个天线阵元相对参考阵元的初始位置矢量为：

n＝2,3,…,N；

其中，n为相控阵天线的其他各个天线阵元的阵元号，N为相控阵天线的天线阵元总数。

3.如权利要求2所述的基于一维旋转的相控阵幅相误差近场校准方法，其特征在于，所述的S12中，柱面坐标系(r,θ,z)与测试系统的直角坐标系(x,y,z)之间的转换关系为：

其中，所述的测试系统的直角坐标系(x,y,z)以一维旋转机构的旋转轴与相控阵天线的天线阵面的交点为直角坐标系的原点o；以一维旋转机构的旋转轴为z轴，向上为正；以一维旋转机构的旋转轴的垂面为xoy平面；以天线阵面与xoy平面的交线为y轴；根据已经确定的z轴和y轴，按照右手定理确定x轴。

4.如权利要求3所述的基于一维旋转的相控阵幅相误差近场校准方法，其特征在于，当天线阵面的安装位置与一维旋转机构的旋转轴平行时，则确定一维旋转机构的旋转轴上的任一点为测试系统的直角坐标系的原点。

5.如权利要求4所述的基于一维旋转的相控阵幅相误差近场校准方法，其特征在于，所述的S2中，功率放大器的输出端连接校准天线；具体包含以下步骤：

S21、测控设备通过网络分析仪控制电缆控制网络分析仪产生第一参考信号，其经由网络分析仪的第一端口传输至功率放大器，被功率放大器放大后通过校准天线发射；

S22、在S21进行的过程中，测控设备通过波控机控制相控阵天线的TR组件的各个接收通道依次打开，且每次只打开TR组件中的一个接收通道；

其中，TR组件的每个接收通道分别一一对应相控阵天线的各个天线阵元，因此，TR组件共有N个接收通道，且将其中第1个接收通道作为参考接收通道，其他各个接收通道的通道号可用n表示，n＝2,3,…,N；

S23、在TR组件的各个接收通道单独打开时，分别由当前打开的接收通道接收从校准天线发射的第一参考信号，通过和差网络以及和差网络和路端口，再经由网络分析仪的第二端口传输返回至网络分析仪，并通过测控设备将网络分析仪测量得到的TR组件的各个接收通道的幅度信息ρ_r1n和相位测量信息ψ_r1n记录下来，其中，r表示接收通道，1表示是在初始旋转角度θ₁时进行的测量。

6.如权利要求5所述的基于一维旋转的相控阵幅相误差近场校准方法，其特征在于，所述的S3中，功率放大器的输入端连接校准天线；具体包含以下步骤：

S31、测控设备通过网络分析仪控制电缆控制网络分析仪产生第二参考信号，其通过网络分析仪的第二端口依次经由相控阵天线的和差网络和路端口以及和差网络后传输至TR组件的发射输入端；

S32、在S31进行的过程中，测控设备通过波控机控制相控阵天线的TR组件的各个发射通道依次打开，且每次只打开TR组件中的一个发射通道；

其中，TR组件的每个发射通道分别一一对应相控阵天线的各个天线阵元，因此，TR组件共有N个发射通道，且将其中第1个发射通道作为参考发射通道，其他各个发射通道的通道号可用n表示，n＝2,3,…,N；

S33、在TR组件的各个发射通道单独打开时，分别由当前打开的发射通道发射第二参考信号，被校准天线接收后经功率放大器放大，经由网络分析仪的第一端口传输返回至网络分析仪，并通过测控设备将网络分析仪测量得到的TR组件的各个发射通道的幅度信息ρ_t1n和相位测量信息ψ_t1n记录下来，其中，t表示发射通道，1表示是在初始旋转角度θ₁时进行的测量。

7.如权利要求6所述的基于一维旋转的相控阵幅相误差近场校准方法，其特征在于，所述的S4中，具体包含以下步骤：

S41、判断是否已经完成了对相控阵天线的所有预定旋转角度的测量；如是，则继续执行S5；如否，则继续执行S42；

S42、测控设备通过控制一维旋转机构将相控阵天线旋转至其他预定旋转角度θ_m，其中，m＝2,3,…,M且M≥2，M表示所有预定旋转角度的总数，也就是总的测量次数；当m＝1时，即表示相控阵天线1旋转至初始旋转角度θ₁；

S43、保持校准源的位置不变，此时参考阵元的位置为：

(r_ref,θ_ref+θ_m-θ₁,z_ref)；

根据相控阵天线的尺寸结构以及天线阵面的安装位置，确定此时相控阵天线的其他各个天线阵元相对参考阵元的位置矢量为：

(Δr_1n,Δθ_1n+θ_m-θ₁,Δz_1n)；

S44、返回执行S2和S3，在预定旋转角度为θ_m时，测量得到的TR组件的各个接收通道的幅度信息ρ_rmn和相位测量信息ψ_rmn，以及测量得到TR组件的各个发射通道的幅度信息ρ_tmn和相位测量信息ψ_tmn。

8.如权利要求7所述的基于一维旋转的相控阵幅相误差近场校准方法，其特征在于，所述的S5中，具体包含以下步骤：

S51、相控阵天线的TR组件的各个接收通道的幅度误差校准值为：

S52、相控阵天线的TR组件的各个发射通道的幅度误差校准值为：

9.如权利要求8所述的基于一维旋转的相控阵幅相误差近场校准方法，其特征在于，所述的S6中，具体包含以下步骤：

S61、根据各个接收或发射通道的相位测量信息是由固定电缆传输相位值，空间传输相位值以及相控阵天线、TR组件的接收或发射通道自身带来的相位变化值所组成的原理，进行如下计算：

其中，表示第m次测量时的第n个接收通道与参考接收通道间的相位差，α_rmn表示第m次测量时的第n个接收通道与参考接收通道间的空间相位差，μ_rmn表示第m次测量时的第n个接收通道与参考接收通道间的通道相位误差；表示第m次测量时的第n个发射通道与参考发射通道间的相位差，α_tmn表示第m次测量时的第n个发射通道与参考发射通道间的空间相位差，μ_tmn表示第m次测量时的第n个发射通道与参考发射通道间的通道相位误差；

S62、由于μ_rmn和μ_tmn是因相控阵天线和TR组件自身特性而引起的相位误差，其不随旋转角度的变化而变化，因此有μ_rmn＝μ_r1n,μ_tmn＝μ_t1n，即：

其中，σ_rmn表示第n个天线阵元在接收时，第m次测量与第1次测量间的空间相位差之差，σ_tmn表示第n个天线阵元在发射时，第m次测量与第1次测量间的空间相位差之差；

S63、根据S43和S62中得到的公式，进行以下计算：

R_mnx＝r_ref cos(θ_ref+θ_m-θ₁)+Δr_1n cos(Δθ_1n+θ_m-θ₁)-r_c cosθ_c；

R_mny＝r_ref sin(θ_ref+θ_m-θ₁)+Δr_1n sin(Δθ_1n+θ_m-θ₁)-r_c sinθ_c；

R_mnz＝z_ref+Δz_1n-z_c；

其中，λ为工作波长；R₁₁表示m＝n＝1时的R_mn，R_m1表示n＝1时的R_mn，R_1n表示m＝1时的R_mn；σ_mn表示空间相位差，且σ_mn＝σ_rmn＝σ_tmn；

S64、构造代价函数为：

通过最优化方法寻找到校准源初始位置的最优估计值以及相控阵天线的参考阵元的初始位置的最优估计值使得所述的代价函数的值为最大。

10.如权利要求9所述的基于一维旋转的相控阵幅相误差近场校准方法，其特征在于，所述的S7中，具体包含以下步骤：

S71、在初始旋转角度为θ₁时，计算得到相控阵天线的TR组件的各个接收通道的相位误差校准值为：

S72、在初始旋转角度为θ₁时，计算得到相控阵天线的TR组件的各个发射通道的相位误差校准值为：