CN106990394B - 一种平面或柱面相控阵雷达中天线单元的幅相校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面或柱面相控阵雷达中天线单元的幅相校准方法，通过采用逻辑阵面替代相控阵雷达的阵面的方法，配合中控计算机对采样探头和转台的控制，实现了程控机械替代人为操作，降低了技术人员的工作量和对技术人员的专业要求，且操作简单，并且大大提高了校准的精度和效率；同时通过采用中控计算机控制信号源的收发、响应信号的比较和筛选，自动记录和比较每个天线单元的幅度和相位信息，替代了人工记录，既大大消除了人为操作误差的影响，又提高了校准精度和效率，使整个校准过程变得高效、简洁，且无需操作人员额外干预，大大降低了操作人员专业要求和工作量，提高了工作效率。

Description

一种平面或柱面相控阵雷达中天线单元的幅相校准方法

技术领域

本发明涉及相控阵雷达天线校准技术领域，尤其涉及一种平面或柱面相控阵雷达中天线单元的幅相校准方法。

背景技术

相控阵雷达又称作相位阵列雷达，是一种以改变雷达波相位来改变波束方向的雷达，因为是以电子方式控制波束而非传统的机械转动天线面方式，故又称电子扫描雷达。相控阵雷达的天线阵面由许多个规则地排列在阵面上的天线单元组成，天线单元数目和雷达的功能有关，可以从几百个到几万个。每个天线单元除了有天线振子之外，还有移相器等必须的器件构成的通道，利用电磁波相干原理，通过计算机控制馈往各通道的电流的相位，就可以改变雷达波束的方向进行扫描，从而实现电子扫描。雷达的天线单元数目越多，则波束在空间可能的方位就越多。相控阵雷达在工作时，接收天线单元把接收到的回波信号送入主机，完成雷达对目标的搜索、跟踪和测量。因为这种雷达的工作基础是相位可控的阵列天线，“相控阵”由此得名。

相控阵雷达具有以下优点 ：一、波束指向灵活，能实现无惯性快速扫描，数据率高；二、一个雷达可同时形成多个独立波束，分别实现搜索、识别、跟踪、制导、无源探测等多种功能；三、目标容量大，可在空域内同时监视、跟踪数百个目标；四、对复杂目标环境的适应能力强；五、抗干扰性能好。同时，相控阵雷达的可靠性高，即使少量组件失效仍能正常工作。正因具有诸多优点，相控阵雷达在目前的通信、军事等技术领域都得到了广泛的应用。

相控阵雷达系统一般比较庞大，往往具有几百甚至成千上万个天线单元，这就为相控阵雷达系统研制后期校准工作带来很大的挑战。校准的过程为由采样探头向天线单元发射一个信号源，筛选响应信号的幅度和相位不在正常值范围内的失效天线单元，进而对失效天线单元进行修复，使所有天线单元的响应信号的幅度和相位均在正常值范围内的过程。目前常规的方法多采用人工手动控制采样探头对准天线单元，然后对响应值进行人工记录的方式对每个天线单元进行校准。而对于柱面相控阵雷达的校准，则将柱面相控阵雷达放置在转台上，通过转台带动柱面相控阵雷达水平转动。人工校准和记录的方式，操作繁琐，耗费时间，对操作人员要求高，且极易出错，限制了雷达系统研制后期的测试标校工作进度和精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种平面或柱面相控阵雷达中天线单元的幅相校准方法，能够在保证精度的前提下，快速高效的实现相控阵雷达的天线单元的幅度和相位的校准，且大大提高了校准的精度，并减少了人力浪费，智能高效，精准快速，便捷实用。

本发明采用的技术方案为：

一种平面或柱面相控阵雷达中天线单元的幅相校准方法，具体包括以下步骤：

A：中控计算机根据待测相控阵雷达的物理参数，建立与待测相控阵雷达的天线阵面在空间和位置相对应的逻辑阵面：物理参数包括天线阵面中天线单元的行数M、列数N、行间距l_m、列间距l_n和天线单元的待校验频点组，根据行数M和列数N计算可得天线阵面中天线单元的数量S=M*N；

技术人员将测量所得物理参数输入中控计算机，中控计算机生成一个行数为M、列数为N、节点数量s=M*N的逻辑阵面，根据行间距l_m和列间距l_n分别对采样探头的步进距离和转台的步进角度进行设定，标定逻辑阵面中的各个节点与天线阵面中的天线单元一一对应；

待测相控阵雷达在工作时需要使用的所有频率组成天线单元的待校验频点组，待校验频点组内的所有频率均处于相控阵雷达的工作频段内；

B：在微波暗室中安装架设采样探头和待测相控阵雷达的天线阵面：技术人员在距离采样探头末端3λ～5λ的距离内安装架设待测相控阵雷达的天线阵面，并微调相控阵雷达的天线阵面，保证采样探头对不同天线单元进行校验时到达对应天线单元的距离彼此相差在2mm以内；

C：中控计算机控制采样探头对天线阵面中的所有天线单元进行校验并保存校验数据，获取的校验数据为天线单元在每个频点下响应信号的幅度和相位的正常值范围：具体包括以下步骤：

C1：中控计算机选取逻辑阵面的任意一个节点为待测节点，并控制采样探头按照步进距离移动或控制转台按照步进角度转动，使采样探头中心对准该待测节点对应的待测天线单元，同时中控计算机控制待测天线单元的通道闭合，其他天线单元的通道断开；

C2：中控计算机选取待校验频点组中的一个频点，并将采样探头发出的信号源频率和接收机的频率均设置为与该频点对应的频率；

C3：采样探头向待测天线单元发送一个具有稳定幅度和相位的信号源，接收机把待测天线单元的响应发送至中控计算机，中控计算机对响应信号的幅度、相位信息和对应的频点信息进行存储；

C4：重复步骤C2和C3，中控计算机获取所有频点对应的待测天线单元响应信号的幅度和相位信息并进行保存；

C5：重复步骤C1～C4，中控计算机获取所有天线单元响应信号的幅度和相位信息并保存；

C6：中控计算机对所有天线单元在同一频点下的响应信号进行比较分析，得到天线单元在每个频点下响应信号的幅度和相位的正常值范围，中控计算机将幅度和相位的正常值范围与对应频点进行关联后作为校验数据进行保存；

D：中控计算机根据校验数据筛选失效天线单元，并对失效天线单元在天线阵面中的位置进行标记：中控计算机中调用每个天线单元响应信号的幅度和相位信息，并与校验数据中的响应信号的幅度和相位的正常值范围进行比较，筛选出响应信号的幅度和相位不在正常值范围内的失效天线单元；

E：技术人员对标记的失效天线单元进行检修，重复步骤C和D对检修后的失效天线单元进行校验和筛选；

F：重复步骤E，直至所有天线单元的响应信号的幅度和相位值在正常值范围内，即完成校准过程。

优选地，步骤B中微调相控阵雷达的天线阵面包括以下步骤：

B1:技术人员在相控阵雷达的阵面上选取上中下三行，在每行分别选取至少三个分散的天线单元作为标记点；

B2：移动采样探头或转动转台，使采样探头的中心正对一个标记点，并记录下采样探头末端到该标记点的距离信息；

B3: 重复步骤B2，依次记录采样探头到所有标记点的距离信息；

B4：根据采样探头到所有标记点的距离信息，技术人员对待测相控阵雷达的天线阵面再次进行调整；

B5：重复步骤B1～B4，直至采样探头到各个标记点的距离信息彼此相差在2mm以内。

优选地，步骤A中待校验频点组的设定包括自动生成和手动输入，自动生成为技术人员根据需要进行校准的频率在中控计算机中设置起始频点和频点步进，由中控计算机自动生成待校验频点组，手动输入为技术人员根据需要校准的频率在中控计算机中手动输入待校验频点组。

本发明通过采用逻辑阵面替代相控阵雷达的阵面的方法，配合中控计算机对采样探头和转台的控制，实现了程控机械替代人为操作，降低了技术人员的工作量和对技术人员的专业要求，且操作简单，并且大大提高了校准的精度和效率；同时通过采用中控计算机控制信号源的收发、响应信号的比较和筛选，自动记录和比较每个天线单元的幅度和相位信息，替代了人工记录，既大大消除了人为操作误差的影响，又提高了校准精度和效率，使整个校准过程变得高效、简洁，且无需操作人员额外干预，大大降低了操作人员专业要求和工作量，提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

为了能够更好地了解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明做进一步说明

如图1所示，作为本发明第一种优选的实施方式，本发明主要包括以下步骤：

A：中控计算机根据待测相控阵雷达的物理参数，建立与待测相控阵雷达的天线阵面在空间和位置相对应的逻辑阵面：物理参数包括天线阵面中天线单元的行数M、列数N、行间距l_m、列间距l_n和天线单元的待校验频点组，根据行数M和列数N计算可得天线阵面中天线单元的数量S=M*N；

技术人员将测量所得物理参数输入中控计算机，中控计算机并生成一个行数为M、列数为N、节点数量s=M*N的逻辑阵面，根据行间距l_m和列间距l_n分别对采样探头的步进距离和转台的步进角度进行设定，标定逻辑阵面中的各个节点与天线阵面中的天线单元一一对应；对于平面相控阵雷达，行间距l_m即为采样探头竖向的步进距离，列间距l_n即为采样探头横向的步进距离，对于柱面相控阵雷达，行间距l_m即为采样探头竖向的步进距离，根据列间距l_n和柱面相控阵雷达的柱面半径即可获取转台的步进角度α；

待测相控阵雷达在工作时需要使用的所有频率组成该校验的频点组，待校验频点组内的所有频率均处于相控阵雷达的工作频段内；例如，待测相控阵雷达需要在2.0G、2.1G、……、2.9G共十个频率下进行工作，则需要对该相控阵雷达在上述十个频率下进行校准，所设频率组即由2.0G、2.1G、……、2.9G这十个频率组成；

频率组的生成包括自动生成和手动输入两种方式，自动生成时，工作人员在计算机中将起始频点和频点步进分别设置为2.0G和0.1G，由中控计算机自动生成的待校验频点组包括2.0G、2.1G、……、2.9G这一组频点，手动输入时， 工作人员在中控计算机中人工输入2.0G、2.1G、……、2.9G这一组频点即可；需要指出的是，在自动生成时，也可以通过手动添加的方式加入新的频点，例如，在自动生成时，需要对待校验频点组中不存在的频点2.15G进行校验时，则可以在中控计算机中手动添加2.15G这一频点；

B：在微波暗室中，技术人员安装架设采样探头和待测相控阵雷达的天线阵面：技术人员在距离采样探头末端3λ～5λ的距离内安装架设待测相控阵雷达的天线阵面，微调相控阵雷达的天线阵面，保证采样探头对不同天线单元进行校验时到达对应天线单元的距离彼此相差在2mm以内；在微波暗室中进行校准过程的实施，能够屏蔽外界杂波干扰和发射博干扰，有效提高校准精度，而3λ～5λ的架设距离为最佳距离，既保证了校验结果的准确度，又防止了因距离过近而引起的耦合影响，进一步提高校准精度；

C：中控计算机控制采样探头对天线阵面中的所有天线单元进行校验并保存校验数据，获取的校验数据为天线单元在每个频点下响应信号的幅度和相位的正常值范围：具体包括以下步骤：

C1：中控计算机选取逻辑阵面的任意一个节点为待测节点，并控制采样探头按照步进距离移动或控制转台按照步进角度转动，使采样探头中心对准该待测节点对应的待测天线单元，同时中控计算机控制待测天线单元的通道闭合，其他天线单元的通道断开，避免天线单元之间的耦合影响校验结果；

采样探头对准待测节点对应的天线单元的过程中，对于平面相控阵雷达，采样探头按照步进距离l_m竖向移动选择天线单元的行数，按照步进距离l_n横向移动选择天线单元的列数， 对于柱面相控阵雷达，采样探头按照步进距离l_m横向移动选择天线单元的行数，步进电机控制转台按照步进角度α转动，带动柱面相控阵雷达的天线阵面转动，使探头对准待测天线单元所在列数；

C2：中控计算机选取待校验频点组中一个频点，并将采样探头发出的信号源频率和接收机的频率均设置为与该频点对应的频率，例如，将信号源频率和接收机的频率均设置为2.0G；

C3：采样探头向待测天线单元发送一个具有稳定幅度和相位的信号源，接收机把待测天线单元的响应发送至中控计算机，中控计算机对响应信号的幅度、相位信息和对应的频点信息进行存储

C4：重复步骤C2和C3，中控计算机获取所有频点对应的待测天线单元响应信号的幅度和相位信息并进行保存；

C5：重复步骤C1～C4，中控计算机获取所有天线单元响应信号的幅度和相位信息并保存；

C6：中控计算机对所有天线单元在同一频点下的响应信号进行比较分析，得到天线单元在每个频点下响应信号的幅度和相位的正常值范围，中控计算机将幅度和相位的正常值范围与对应频点进行关联后作为校验数据进行保存；根据多组数值比较分析出正常值的过程为成熟的现有技术，在此不再赘述；

D：中控计算机根据校验数据筛选失效天线单元，并对失效天线单元在天线阵面中的位置进行标记：中控计算机中调用每个天线单元响应信号的幅度和相位信息，并与校验数据中的响应信号的幅度和相位的正常值范围进行比较，筛选出响应信号的幅度和相位不在正常值范围内的失效天线单元；

E：技术人员对标记的失效天线单元进行检修，重复步骤C和D对检修后的失效天线单元进行校验和筛选；

F：重复步骤E，直至所有天线单元的响应信号的幅度和相位均在正常值范围内，即完成校准过程。

获取天线单元在所有频点下响应信号的幅度和相位的正常值，并将天线阵面中所有天线单元调试至正常后，在相控阵雷达正常工作发射雷达波束时，根据雷达波束要求的相位和幅度值与正常值之间的差值，即可计算出为了达到雷达波束要求的幅度和相位值需要对雷达波束进行补偿的幅度相位信息，实现了雷达工作时的自动化和高效率。计算补偿值和具体补偿过程，属于现有成熟技术，在此不再详细说明。

其中，步骤B中微调相控阵雷达的天线阵面包括以下步骤：

B1:技术人员在相控阵雷达的阵面上选取上中下三行，在每行分别选取至少三个分散的天线单元作为标记点；

B2：移动采样探头或转动转台，使采样探头的中心正对一个标记点，并记录下采样探头末端到该标记点的距离信息；

B3: 重复步骤B2，依次记录采样探头到所有标记点的距离信息；

B4：根据采样探头到所有标记点的距离信息，技术人员对待测相控阵雷达的天线阵面再次进行调整；

B5：重复步骤B1～B4，直至采样探头到各个标记点的距离信息彼此相差在2mm以内。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种平面或柱面相控阵雷达中天线单元的幅相校准方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

A：中控计算机根据待测相控阵雷达的物理参数，建立与待测相控阵雷达的天线阵面在空间和位置相对应的逻辑阵面：物理参数包括天线阵面中天线单元的行数M、列数N、行间距l_m、列间距l_n和天线单元的待校验频点组，根据行数M和列数N计算可得天线阵面中天线单元的数量S=M*N；

技术人员将测量所得物理参数输入中控计算机，中控计算机生成一个行数为M、列数为N、节点数量s=M*N的逻辑阵面，根据行间距l_m和列间距l_n分别对采样探头的步进距离和转台的步进角度进行设定，标定逻辑阵面中的各个节点与天线阵面中的天线单元一一对应；

待测相控阵雷达在工作时需要使用的所有频率组成天线单元的待校验频点组，待校验频点组内的所有频率均处于相控阵雷达的工作频段内；

B：在微波暗室中安装架设采样探头和待测相控阵雷达的天线阵面：技术人员在距离采样探头末端3λ～5λ的距离内安装架设待测相控阵雷达的天线阵面，并微调相控阵雷达的天线阵面，保证采样探头对不同天线单元进行校验时到达对应天线单元的距离彼此相差在2mm以内；

C：中控计算机控制采样探头对天线阵面中的所有天线单元进行校验并保存校验数据，获取的校验数据为天线单元在每个频点下响应信号的幅度和相位的正常值范围：具体包括以下步骤：

C1：中控计算机选取逻辑阵面的任意一个节点为待测节点，并控制采样探头按照步进距离移动或控制转台按照步进角度转动，使采样探头中心对准该待测节点对应的待测天线单元，同时中控计算机控制待测天线单元的通道闭合，其他天线单元的通道断开；

C2：中控计算机选取待校验频点组中的一个频点，并将采样探头发出的信号源频率和接收机的频率均设置为与该频点对应的频率；

C3：采样探头向待测天线单元发送一个具有稳定幅度和相位的信号源，接收机把待测天线单元的响应发送至中控计算机，中控计算机对响应信号的幅度、相位信息和对应的频点信息进行存储；

C4：重复步骤C2和C3，中控计算机获取所有频点对应的待测天线单元响应信号的幅度和相位信息并进行保存；

C5：重复步骤C1～C4，中控计算机获取所有天线单元响应信号的幅度和相位信息并保存；

C6：中控计算机对所有天线单元在同一频点下的响应信号进行比较分析，得到天线单元在每个频点下响应信号的幅度和相位的正常值范围，中控计算机将幅度和相位的正常值范围与对应频点进行关联后作为校验数据进行保存；

D：中控计算机根据校验数据筛选失效天线单元，并对失效天线单元在天线阵面中的位置进行标记：中控计算机中调用每个天线单元响应信号的幅度和相位信息，并与校验数据中的响应信号的幅度和相位的正常值范围进行比较，筛选出响应信号的幅度和相位不在正常值范围内的失效天线单元；

E：技术人员对标记的失效天线单元进行检修，并重复步骤C和D对检修后的失效天线单元进行校验和筛选；

F：重复步骤E，直至所有天线单元的响应信号的幅度和相位均在正常值范围内，即完成校准过程。

2.根据权利要求1所述的平面或柱面相控阵雷达中天线单元的幅相校准方法，其特征在于：步骤B中微调相控阵雷达的天线阵面包括以下步骤：

B1：技术人员在相控阵雷达的阵面上选取上中下三行，在每行分别选取至少三个分散的天线单元作为标记点；

B2：移动采样探头或转动转台，使采样探头的中心正对一个标记点，并记录下采样探头末端到该标记点的距离信息；

B3: 重复步骤B2，依次记录采样探头到所有标记点的距离信息；

B4：根据采样探头到所有标记点的距离信息，技术人员对待测相控阵雷达的天线阵面再次进行调整；

B5：重复步骤B1～B4，直至采样探头到各个标记点的距离信息彼此相差在2mm以内。

3.根据权利要求2所述的平面或柱面相控阵雷达中天线单元的幅相校准方法，其特征在于：所述步骤A中待校验频点组的设定包括自动生成和手动输入，自动生成为技术人员根据需要进行校准的频率在中控计算机中设置起始频点和频点步进，由中控计算机自动生成待校验频点组的一组待校验频点，手动输入为技术人员根据需要校准的频率在中控计算机中手动输入待校验频点组的一组待校验频点。