CN105606906A - 一种毫米波相控阵测试标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波相控阵测试标定方法，它涉及毫米波相控阵标定误差特性分析，尤其涉及相控阵天线的通道不一致性以及单元天线的相位中心偏移的计算方法，所述方法包括：一、根据测试得到的相控阵天线方向图，建立包含相控阵天线通道不一致，单元天线相位中心偏移量的相关函数；二、对优化目标参数进行值域空间分解；三、采用确定性方法对强空间谱分量对应的值域进行求解，采用遗传算法对弱空间谱分量对应的值域进行优化。本发明提出的毫米波相控阵测试标校方法，能够在少量测试工作的条件下，实现对相控阵指向精度的标校，测试工作量大幅减少，节省了人力、物力以及工作时间，而且不需要投入复杂且精密的平面扫描框架，降低了系统的复杂度以及投入成本。

Description

一种毫米波相控阵测试标定方法

技术领域

本发明涉及到毫米波相控阵的测试标定，体现了快速、高精度的测试标定能力，尤其涉及相控阵天线的通道不一致性以及单元天线的相位中心偏移的计算方法。

背景技术

目前，在遥测测控、卫星通讯、卫星导航、预警雷达等领域中对毫米波相控阵的应用逐渐增加，对毫米波相控阵的性能，尤其是指向精度的要求也越来越高。目前，毫米波相控阵指向精度的主要测试标校方法是通过平面近场扫描框架，对相控阵每个阵元的辐射性能进行扫描，从而实现对通道间不一致性的修正。测试的仪器主要包括矢量网络分析仪、平面近场扫描转台等。

现有的标校方法的主要问题是：平面近场扫描需要对每个通道逐次扫描，工作量巨大，且不能并向进行，耗时严重；毫米波相控阵对扫描框架机械运动的精度要求非常高，设备造价高昂；该方法无法解决单元间互耦的影响，难以实现高精度的测试标定。

发明内容

本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足而提供一种毫米波相控阵的快速、高效测试标定。本发明方法能够有效的减少测试的工作量，测试设备的硬件投入成本，并能兼顾单元间互耦的影响，从而实现高精度的毫米波相控阵测试标定。

本发明的目的是这样实现的，一种毫米波相控阵测试标定方法，用于对毫米波相控阵天线的波束形成性能进行测试标定，包括以下步骤：

(101)初始化配置测试环境，配置所需的测试仪器和测试设备；

(102)根据所配置的测试环境采集得到未标校的毫米波相控阵方向图；

(103)通过峰值查找法，查找未标校的毫米波相控阵方向图得到实际的波束峰值；

(104)根据实际的波束峰值建立相控阵指向精度的分析模型，包含相控阵阵元间不一致性和单元间互耦参数；

(105)通过分析模型，建立解析的目标函数，对目标函数进行优化求解，实现对毫米波相控阵性能的标定；

完成毫米波相控阵的测试标定。

其中，步骤(105)具体为：

(501)通过分析模型，建立解析的目标函数；

(502)通过奇异值分解，对目标函数矩阵进行空间分解，得到强空间谱分量和弱空间谱分量；

(503)直接优化求解强空间谱分量对应的目标标校参数值；

(504)应用遗传算法优化求解弱空间谱分量对应的目标标校参数值；

(505)合并强空间谱分量和弱空间谱分量优化求解得到的目标标校参数值；并应用优化求解得到的目标标校参数值对相控阵天线进行标定。

其中，步骤(104)中建立的分析模型为：

其中，θ′₀为方位角，为俯仰角，(x_n,y_n,z_n)为第n个阵元的坐标，k为传播常数，p_n为第n个阵元的馈电相位，Δp_n为第n个阵元的相位不一致性，(Δx_n,Δy_n,Δz_n)为第n个阵元由于受到其它阵元的互耦作用，产生的相位中心偏移；对于尚未标校的毫米波相控阵天线，Δp_n，Δx_n,Δy_n,Δz_n均为未知参数。

其中，步骤(105)中建立的目标函数满足：

其中，i代表第i次测试数据，θ为方位角，为俯仰角，a_n为第n个阵元的馈电幅度，p_n为第n个阵元的馈电相位，(x_n,y_n,z_n)为第n个阵元的坐标。p_n为第n个阵元的馈电相位，Δp_n为第n个阵元的相位不一致性，(Δx_n,Δy_n,Δz_n)为第n个阵元由于受到其它阵元的互耦作用，产生的相位中心偏移；对于尚未标校的毫米波相控阵天线，Δp_n，Δx_n,Δy_n,Δz_n均为未知参数。

其中,步骤(502)中强空间谱分量对应的值域空间通过确定性的相关函数进行求解，弱空间谱分量对应的值域空间通过步骤优化算法对相关函数进行优化；其中为强空间谱分量,为弱空间谱分量，为强空间谱分量对应的值域空间，为弱空间谱分量对应的值域空间，为向量，p_i为第n个阵元的相位不一致性。

本发明相比背景技术具有如下优点：

(i)本发明提出的毫米波相控阵测试标校方法，能够在少量测试工作的条件下，实现对相控阵指向精度的标校，测试工作量大幅减少，节省了人力、物力以及工作时间。

(ii)本发明提出的毫米波相控阵测试标校方法，不需要投入复杂且精密的平面扫描框架，降低了系统的复杂度以及投入成本。

(iii)本发明提出的毫米波相控阵测试标校方法，对测试误差具有很高的容忍度，且考虑了互耦对相位中心的影响，能大幅提升相控阵指向的标定精度，实际试验中可实现0.1°以内的指向精度标校。

附图说明

图1是本发明的毫米波相控阵测试系统结构图；

图2是本发明的毫米波相控阵测试标定流程图。

图3是本发明的毫米波相控阵测试标定的优化算法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的描述：

本发明的系统结构如图1所示，测试转台为普通方位/俯仰旋转转台，标准增益测试天线为适应当前测试毫米波相控阵天线工作频段的标准喇叭天线。一个标准喇叭天线安装在信标塔上，通过调节信标塔高度，使喇叭天线与相控阵天线法向对齐。通过矢量网络分析仪采集相控阵天线的方向图。通过毫米波相控阵快速测试标定算法对采集的相控阵天线方向图进行处理，实现对毫米波相控阵天线的快速、高精度标定。

首先根据未标校前的毫米波相控阵的测试数据，建立分析模型。本发明的毫米波相控阵测试标定的流程图如图2所示，具体包括步骤：

(101)初始化配置测试环境，配置所需的测试仪器和测试设备；

(102)根据所配置的测试环境采集得到未标校的毫米波相控阵方向图；设定波束形成峰值指向对于未标校的毫米波相控阵，其在方向处的电场可表示为

其中，每个通道的相位设定值Φ_n为每个通道的相位误差。相位误差Φ_n主要由两部分组成，一是每个通道由于相位不一致性带来的相位差Δp_n，二是由于阵元间的互耦作用导致每个阵元的实际相位中心位置发生偏移，造成的波束合成时的相位变化，可表示为

(103)通过峰值查找法，查找未标校的毫米波相控阵方向图得到实际的波束峰值。毫米波相控阵方向图的波束实际指向即采集得到的方向图中电场最大值对应的角度，波束指向

(104)根据实际的波束峰值建立相控阵指向精度的分析模型，包含相控阵阵元间不一致性和单元间互耦参数；影响相控阵天线指向精度的主要因素为相控阵阵元间不一致性造成的单元间幅度、相位差异；单元安装误差造成的单元位置偏差；单元间互耦造成的单元辐射性能改变。相控阵单元间不一致性可通过对每个单元做幅度、相位补偿予以修正，即对每个单元的馈电相位p_n引入一个修正量Δp_n，其中在标校前Δp_n为不确定因素。单元安装误差可通过高精度摄像机进行图像处理后予以修正。对于毫米波相控阵，由于阵列间距非常小，单元间互耦是影响相控阵天线性能的重要因素，而且也难以通过测试的方法予以准确标定。通过分析，单元间互耦的主要作用方式是当所有单元同时辐射电磁信号时，单元的辐射场会造成其它单元表面辐射电流的改变。单元表面辐射电流改变后，其辐射场也会随之变化，从而导致合成的阵列方向图性能降低。从效果上来看，单元辐射场的变化可表达为单元的实际相位中心x′_n,y′_n,z′_n与原相位中心x_n,y_n,z_n存在了差异，即实际相位中心x′_n,y′_n,z′_n表达为x_n+Δx_n,y_n+Δy_n,z_n+Δz_n。

综上分析，可建立含相控阵阵元间不一致性、含单元间互耦的毫米波相控阵标校分析模型：

其中，p_n仍为第n个阵元的馈电相位，Δp_n为第n个阵元的相位不一致性，(Δx_n,Δy_n,Δz_n)为第n个阵元由于受到其它阵元的互耦作用，产生的相位中心偏移。对于尚未标校的毫米波相控阵天线，Δp_n，Δx_n,Δy_n,Δz_n均为未知参数。

(105)通过分析模型，建立解析的目标函数，对模型进行优化求解，实现对毫米波相控阵性能的标校。

本发明的毫米波相控阵测试标定的流程图如图2所示，具体包括步骤：

(501)通过分析模型，建立解析的目标函数；

定义未知参数集合建立优化目标函数：

其中，i代表第i次测试结果。对该目标函数进行简谐修订为：

$f\left(\stackrel{\‾}{A}\right)=\underset{i}{\overset{N}{\Σ}}\frac{|{\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{B}}}_i\·\stackrel{\‾}{A}-{\stackrel{\‾}{C}}_i{|}^2}{|{\mathrm{\Φ}}_i{|}^2}$

其中，为由优化目标参数Δp_n，Δx_n,Δy_n,Δz_n组成的4M阶向量，维度为目标参数的总数M，为数值矩阵共N行，4M列，其中每一行(对应Δp_n)，(对应Δx_n)，(对应Δy_n)，(对应Δz_n)，为向量，维度为N，每个向量由p_m,i(对应Δp_n)，(对应Δx_n)，(对应Δy_n)，(对应Δz_n)组成。

(502)通过奇异值分解，对目标函数矩阵进行空间分解，得到强空间谱分量和弱空间谱分量；奇异值分解(SVD)是对矩阵进行分析的一种方法，奇异值分解的作用可表达为将矩阵由当前的空间数值映射到另外一种空间的数值反应。奇异值分解会产生一个对角性质的特征矩阵，特征矩阵数值为实数，由高到低排列。这里，对数值矩阵进行空间分解后，其中高奇异值对应的空间谱分量命名为强空间谱分量低奇异值对应的空间谱分量命名为弱空间谱分量空间谱分量强弱之间的判定范围以最大空间谱分量的数值1/3处选择。

(503)空间分解得到的强空间谱分量，直接求解其对应的目标标校参数值。令求解强空间谱分量对应的目标参数值

(504)应用遗传算法对弱空间谱分量对应的目标标校参数值进行优化求解。将目标函数改写为：

$f\left(\stackrel{\‾}{A}\right)=\underset{i}{\overset{N}{\Σ}}\frac{|{\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{B}}}_w\·{\stackrel{\‾}{A}}_w+{\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{B}}}_s\·{\stackrel{\‾}{A}}_s-{\stackrel{\‾}{C}}_i{|}^2}{|{\mathrm{\Φ}}_i{|}^2}$

通过遗传算法，对弱空间谱分量对应的目标参数值进行优化。

(505)合并得到总的目标标校参数值，应用优化得到的目标标校参数值对相控阵天线进行标校。应用优化方法，对Δp_n，Δx_n,Δy_n,Δz_n等未知参数进行优化求解，求解结果即为毫米波相控阵的标校参数。Δp_n为单元之间的相位不一致性修正量，Δx_n,Δy_n,Δz_n由于单元间互耦造成的单元相位中心偏移修正量。合并步骤(503)和步骤(504)计算得到的目标参数值，最终求解得到的目标参数值为 $\stackrel{\‾}{A}={\stackrel{\‾}{A}}_s+{\stackrel{\‾}{A}}_w.$

Claims (5)

1.一种毫米波相控阵测试标定方法，用于对毫米波相控阵天线的波束形成性能进行测试标定，其特征在于包括以下步骤：

(101)初始化配置测试环境，配置所需的测试仪器和测试设备；

(102)根据所配置的测试环境采集得到未标校的毫米波相控阵方向图；

(103)通过峰值查找法，查找未标校的毫米波相控阵方向图得到实际的波束峰值；

(104)根据实际的波束峰值建立相控阵指向精度的分析模型，包含相控阵阵元间不一致性和单元间互耦参数；

(105)通过分析模型，建立解析的目标函数，对目标函数进行优化求解，实现对毫米波相控阵性能的标定；

完成毫米波相控阵的测试标定。

2.根据权利要求1所述的一种毫米波相控阵测试标定方法，其特征在于步骤(105)具体为：

(501)通过分析模型，建立解析的目标函数；

(502)通过奇异值分解，对目标函数矩阵进行空间分解，得到强空间谱分量和弱空间谱分量；

(503)直接优化求解强空间谱分量对应的目标标校参数值；

(504)应用遗传算法优化求解弱空间谱分量对应的目标标校参数值；

(505)合并强空间谱分量和弱空间谱分量优化求解得到的目标标校参数值；并应用优化求解得到的目标标校参数值对相控阵天线进行标定。

3.根据权利要求1所述的一种毫米波相控阵测试标定方法，其特征在于步骤(104)中建立的分析模型为：

其中，θ′₀为方位角，为俯仰角，x_n,y_n,z_n为第n个阵元的坐标，k为传播常数，p_n为第n个阵元的馈电相位，Δp_n为第n个阵元的相位不一致性，Δx_n,Δy_n,Δz_n为第n个阵元由于受到其它阵元的互耦作用，产生的相位中心偏移；对于尚未标校的毫米波相控阵天线，Δp_n，Δx_n,Δy_n,Δz_n均为未知参数。

4.根据权利要求1所述的一种毫米波相控阵测试标定方法，其特征在于步骤(105)中建立的目标函数满足：

其中，i代表第i次测试数据，θ为方位角，为俯仰角，a_n为第n个阵元的馈电幅度，p_n为第n个阵元的馈电相位，x_n,y_n,z_n为第n个阵元的坐标。p_n为第n个阵元的馈电相位，Δp_n为第n个阵元的相位不一致性，Δx_n,Δy_n,Δz_n为第n个阵元由于受到其它阵元的互耦作用，产生的相位中心偏移；对于尚未标校的毫米波相控阵天线，Δp_n，Δx_n,Δy_n,Δz_n均为未知参数。

5.根据权利要求2所述的一种毫米波相控阵测试标定方法，其特征在于,步骤(502)中强空间谱分量对应的值域空间通过确定性的相关函数进行求解，弱空间谱分量对应的值域空间通过步骤优化算法对相关函数进行优化；其中为强空间谱分量,为弱空间谱分量，为强空间谱分量对应的值域空间，为弱空间谱分量对应的值域空间，为向量，p_i为第n个阵元的相位不一致性。