CN106209269B - 一种射频仿真系统中球面复合阵列近场效应的校准方法 - Google Patents

一种射频仿真系统中球面复合阵列近场效应的校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种射频仿真系统中球面复合阵列近场效应的校准方法，属于仪器设备校准技术领域。球面复合阵列是由微波与毫米波天线阵列组成，从而产生微波与毫米波频段的电磁波信号的装置。校准方法的步骤：联合全波算法和高频算法精确计算复合阵列中给定子阵（三元组）天线在周围同频、异频天线单元存在的环境中发射时，接收天线位置处（通常位于发射三元组天线的辐射近场）的电场分布；基于此电场相位分布，应用相位梯度法求出三元组辐射场的等效相位中心，并计算与基于重心公式所得等效相位中心估计值的偏差；根据偏差值校准三元组各单元输入功率比例。本发明可制成校准表，便于在工程中对复合阵列近场效应进行快速、实时校准。

Description

一种射频仿真系统中球面复合阵列近场效应的校准方法
技术领域
本发明属于仪器设备校准技术领域，涉及一种射频仿真系统中球面复合阵列近场效应的校准方法。
背景技术
射频半实物仿真系统在导弹制导系统性能评估、系统参数调试与验证、飞行试验结果预测与故障复现等方面有着不可替代的作用，不但能够有效的缩短导弹研制周期，还可大大节约科研经费。半实物仿真能够在雷达系统仿真中，解决数学仿真中某些部分不易建模和物理仿真中费用较高，结构难以进行修改的问题。半实物射频仿真系统一般包括以下六个部分：电磁波暗室、射频目标仿真器、计算机及其接口、目标和干扰环境模型的数据库及相应的软件、监控操作台及显示设备、校准系统。射频仿真中，电磁波信号由暗室中的球面天线阵列中的一个相应子阵(由三个辐射天线组成，以下称三元组)辐射，通过馈电装置给予目标位置三元组一定比例的功率，射频目标仿真器便能产生目标信号，提供试验所需要的外界电磁环境。由于电磁波暗室和仿真测试系统造价昂贵，通常半实物仿真系统并不能满足测试所需的“远场条件”，待测系统一般是工作于三元组的“辐射近场”区，为保证测试精度，必须对仿真系统的近场效应进行有效的校正；随着应用发展需要，试验要求射频半实物仿真系统能够提供更加复杂的电磁环境，在同一个发射天线阵列上实现多个频段的目标信号的球面复合阵列也已提出，单阵列近场效应的校正方法不能满足球面复合阵列近场效应的校正精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种射频仿真系统中球面复合阵列近场效应的校准方法。
本发明要解决的技术问题是：
在被测单元处实现较高测角精度，校准了因为球面复合阵列近场效应所带来的误差，通过误差校准表，实现半实物仿真系统中各发射“三元组”的快速、准确控制。
本发明所采用的技术方案是：
一种射频仿真系统中球面复合阵列近场效应的校准方法，该方法包括以下具体步骤：
步骤1：以发射天线球面阵列球心即被测目标的接收天线位置为坐标原点，根据所需电磁波信号的方位角与俯仰角，用重心公式计算阵列中对应三元组(球面复合阵列上任意相邻的三个同频天线组成的子阵)各单元的输入功率初值，以及在被测目标处来波等效相位中心的估计值；
步骤2：使用重心公式所得三元组各单元输入功率的初值，用全波方法和一致性几何绕射理论(UTD)相结合的混合算法，计算工作三元组及近旁同频和异频单元存在时的复杂电磁环境下接收天线附近的三元组辐射近场的幅度和相位分布；
步骤3：根据计算所得的三元组辐射场的相位分布，
用相位梯度法计算三元组电磁波信号的等效相位中心的准确值与估计值的方位偏差lx和俯仰偏差ly，lx与ly分别除以阵面半径便得到方位方向和俯仰方向的测角偏差，即所谓“测角误差”；
步骤4：如测角误差小于所给定的误差范围，则以重心公式所得的功率作为三元组各单元实际输入功率；否则按修正公式对三元组各单元的输入功率值进行修正，得到更精确的输入功率值，重复上述步骤1至步骤3直到获得满足给定误差范围的测角误差；其中，修正公式如下所示：
三元组中三个天线分别命名为Mic1、Mic2以及Mic3，其相应的输入幅度分别为M1、M2以及M3，以Mic1的输入幅度为基准，即M1＝1，L为三元组中任意两天线连线长度，M3和M2为指定等效相位中心位置处Q(τQ,υQ)并考虑了由于近场效应引起的方位方向和俯仰方向的偏差(lx,ly)的修正后的输入幅度；根据修正后的输入幅度能够计算三元组各单元相应的修正后输入功率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是:克服了射频半实物仿真系统中球面复合阵列近场效应所带来的误差。
附图说明
图1球面复合阵列局部示意图；
图2本发明流程图；
图3收发天线(以接收天线中点为坐标原点)关系图；
图4收发天线(以三元组等效相位中心点为坐标原点)关系图；
图5 Q点位置修正计算原理图；
图6球面复合阵列中微波三元组近场效应修正前后比较图；
图7球面复合阵列中毫米波三元组近场效应修正前后比较图。
具体实施方式
本发明所述的球面复合阵列由微波阵列与毫米波阵列组成，如图1所示，显示了球面复合阵列局部；图中，●为微波天线，■为毫米波天线，a为微波三元组，b为毫米波三元组。
参阅图2，本发明的流程如下：
(1)以接收天线中心为坐标原点O建立笛卡尔坐标系，天线Mic1、Mic2、Mic3组成三元组并且分布在半径为R的阵面上，接收天线轴线指向Mic1，如图3所示，描述了接收天线与发射天线之间的关系，图中，◇为接收天线，●为微波天线，■为毫米波天线，微波天线与毫米波天线均表示发射天线。选择三元组所在面上任意一点Q(如图5所示)作为等效相位中心点，即目标信号的发射位置。根据以下重心公式即可获得归一化的三元组各单元的激励幅度比例，根据归一化的幅度比例计算相应的功率，作为三元组各单元输入功率初值。
式中的φ与θ分别表示该坐标系下等效相位中心的方位角和俯仰角，φi与θi分别表示三元组各单元的方位角与俯仰角，等效相位中心方位角和俯仰角的变化范围为固定值分别为Δφ和Δθ，Ei表示三元组各单元的幅度。
(2)以上一步等效相位中心Q点为坐标原点O建立笛卡尔坐标系，建立三元组仿真模型，接收天线位于辐射近场区，如图4所示，其中O’为仿真计算得到的等效相位中心的位置。给予三元组上一步计算的输入功率初值，接着仿真得到接收天线处的幅度和相位分布，根据相位梯度法计算三元组仿真得到的新的等效相位中心点。
上式的含义是仿真计算得到的新的等效相位中心点的方位偏差和俯仰偏差。该坐标系中的ψ和η分别表示接收天线中心处的方位角和俯仰角，α和β分别表示接收天线位置处相位沿着η和ψ方向的梯度除以传播常数k。
上式中dx和dy分别表示方位方向和俯仰方向的测角误差，其中R表示球面复合阵列的阵面半径。
(3)判断测角误差是否超过给定的误差范围，如果超过了给定的误差范围则需要求取该等效相位中心点的修正的幅度比例。当等效相位中心点位于点Q(τQ,υQ)时，方位偏差和俯仰偏差分别为lx和ly，σ值为Q点位置的角度，L为三元组天线中任意两天线之间的间距。具体如图5所示，横坐标τ表示天线1与天线3连线上不同位置距离天线1的长度所占总长度的比例值，纵坐标υ表示天线1天线3连线中点与天线2连线上不同位置与连线中点的长度所占总长度的比例值。
以Mic1的输入幅度作为基准，Mic1幅度M1＝1；先修正等效相位中心点在方位方向的偏差，再修正因为Mic2的引入而存在的沿着过Q点的斜线方向的偏差。方位方向的偏差值为lx与ly的方位方向分量的和为lx+ly.tanσ，Mic2与Q连线方向存在的偏差值为俯仰方向偏差值沿着该连线方向的一个分量为ly/cosσ。经过化简整理可得修正后的天线2，天线3的辅助修正公式：
求修正后归一化幅度比例对应的功率值并且作为三元组实际的输入功率，返回到(2)计算测角偏差，循环直到获得满足给定测角偏差范围的三元组输入功率。
(4)由以上三个步骤可以求取三个天线连线区域内任意位置作为等效相位中心点的修正后的三个天线幅度比例，接着归一化幅度比例，给出相对应的功率比例并且制成修正表以供试用。
根据上述球面复合阵列近场效应校准的流程分析的实例见实施例1。
本发明结合以下实施例1作具体说明，但不用来限制本发明的保护范围。
实施例1
球面复合阵列中微波/毫米波三元组近场效应校准，包括以下内容：
首先建立仿真模型，选择球面复合阵列中任意一组相邻的微波/毫米波天线组成三元组并且给予其输入功率初值，其它位置的微波天线和毫米波天线不给予输入功率。接收天线轴线指向三元组天线Mic1。
将等效相位中心设置为三元组所在平面两天线连线中垂线上，中垂线分为十等份，九个间隔点便是等效相位中心的位置。根据重心公式获得目标信号来源于中垂线不同位置时三元组各单元应给予的输入功率初值，仿真、计算获得目标信号来源于中垂线上不同位置时的测角误差值，接着根据球面复合阵列近场效应修正原理得到三元组输入功率的修正值，仿真、计算获得修正后的目标信号来源于中垂线上不同位置时的测角误差值。因为目标信号来源于中垂线上不同位置时天线1和天线2的对称性，所以测角误差主要发生在俯仰方向，方位方向测角误差可以忽略不计。如图6所示，显示了微波三元组修正前后中垂线上俯仰测角误差的变化情况，其中▲线条表示修正前俯仰方向测角误差，◆线条表示修正后俯仰方向测角误差，通过近场效应修正使得最大等效相位中心俯仰测角误差降低了97.50％；如图7所示，显示了毫米波三元组修正前后中垂线上俯仰测角误差的变化情况，其中▲线条表示修正前俯仰方向测角误差，◆线条表示修正后俯仰方向测角误差，通过近场效应修正使得最大等效相位中心俯仰测角误差降低了99.76％。

Claims (1)

1.一种射频仿真系统中球面复合阵列近场效应的校准方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：以发射天线球面阵列球心即被测目标的接收天线位置为坐标原点，根据所需电磁波信号的方位角与俯仰角，用重心公式计算阵列中对应三元组各单元的输入功率初值，以及在被测目标处来波等效相位中心的估计值；其中，所述三元组为球面复合阵列上任意相邻的三个同频天线组成的子阵；
步骤2：使用重心公式所得三元组各单元输入功率的初值，用全波方法和一致性几何绕射理论(UTD)相结合的混合算法，计算工作三元组及近旁同频和异频单元存在时的复杂电磁环境下接收天线附近的三元组辐射近场的幅度和相位分布；
步骤3：根据计算所得的三元组辐射场的相位分布，用相位梯度法计算三元组电磁波信号的等效相位中心的准确值与估计值的方位偏差lx和俯仰偏差ly；lx与ly分别除以阵面半径便得到方位方向和俯仰方向的测角偏差，即所谓“测角误差”；
步骤4：若测角误差小于所给定的误差范围，则以重心公式所得的功率作为三元组各单元实际输入功率；否则按修正公式对三元组各单元的输入功率值进行修正，得到更精确的输入功率值，重复上述步骤1至步骤3直至获得满足给定误差范围的测角误差；其中，修正公式如下所示：
三元组中三个天线分别命名为Mic1、Mic2以及Mic3，其相应的输入幅度分别为M1、M2以及M3，以Mic1的输入幅度为基准，即M1＝1，L为三元组中任意两天线连线长度，M3和M2为指定等效相位中心位置处Q(τQ,υQ)并考虑了由于近场效应引起的方位方向和俯仰方向的偏差(lx,ly)的修正后的输入幅度；σ值为Q点位置的角度；横坐标τ表示Mic1与Mic3连线上不同位置距离Mic1的长度所占总长度的比例值，纵坐标υ表示Mic1、Mic3连线中点与Mic2连线上不同位置与连线中点的长度所占总长度的比例值；根据修正后的输入幅度能够计算三元组各单元相应的修正后输入功率。
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