CN107329125A

CN107329125A - 消除短时突发干扰信号的自闭环校准方法

Info

Publication number: CN107329125A
Application number: CN201710406063.0A
Authority: CN
Inventors: 董杰; 杜艳; 梁宇宏; 李洁
Original assignee: Southwest Electronic Technology Institute No 10 Institute of Cetc
Current assignee: Southwest Electronic Technology Institute No 10 Institute of Cetc
Priority date: 2017-06-01
Filing date: 2017-06-01
Publication date: 2017-11-07
Anticipated expiration: 2037-06-01
Also published as: CN107329125B

Abstract

本发明提出的一种消除短时突发干扰信号的自闭环校准方法，旨在提供一种能够有效消除短时突发干扰的影响、确保幅相测试数据准确可靠，提高相控阵天线在短时突发干扰环境下的校准成功率的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：校准接收机对被测天线返回的信号进行下变频，将生成的中频信号送入校准信号处理单元，根据采样和数字正交解调得到的同相分量和正交分量采样值，计算出被测信号的幅度值和信噪比SNR，将信噪比SNR与其中预先设定的判决门限SNR_th进行比较，判断被测信号信噪比是否满足要求，直到完成所需的N种状态的幅相测试得到幅相测试数据；然后根据得到的幅相测试数据进行馈电幅相分布计算，应用校准结果评估，判断是否满足收敛要求。

Description

消除短时突发干扰信号的自闭环校准方法

技术领域

本发明涉及相控阵天线监测和校准技术，尤其涉及一种消除突发干扰环境下相控阵天线自闭环校准方法。

背景技术

相控阵天线阵面是由多个辐射单元组成的阵列天线，由于各种原因，如元器件性能下降或损坏等，使得相控阵中天线各单元存在着幅度和相位误差，它会严重影响天线波瓣性能。因此必须有相应手段定期或者实时地对各天线单元的幅度和相位进行监测和校正。相控阵天线的性能很大程度上受到单元故障和误差的影响。有源部件的增加会提高故障率，加上传输线、移相器的制造公差和机械变形，造成辐射方向图畸变。因此，相控阵天线组装好之后，需要进行测量和校准，目的就在于尽量消除相关误差，如由于结构不对称造成的幅、相分布误差，移相器和位置误差等，使阵列性能达到所要求的技术条件或最佳状态。由于有源相控阵天线在交付后经长期使用，天线中的关键器件-T/R组件不可避免的会出现性能变化甚至失效，从而引起天线的性能下降甚至不能正常工作，因此，在有源相控阵天线的服役期间也必须进行天线监测和校准，以实现故障判断、定位、性能评估，并在天线通道误差达到一定程度或者更换有源通道部件后对天线阵面进行重新校准。

有源相控阵天线的监测和校准技术是随着有源相控阵天线技术的发展而不断进步的一门综合性技术。所涉及的技术几乎涵盖了电子技术的各个方面，如天线微波电磁场、校准接收机技术、测试信息提取、测试数据获取和处理、软件算法、软件编程技术等。它的主要任务是保证天线在整个生命周期内的性能特性、可靠性和可维修性，对有源相控阵天线进行故障判断、定位、性能评估和校准，完成保障和维护。

近年来随着相控阵天线的应用越来越普及，对其测试技术也提出了新的要求。相控阵天线的快速测量和校准，特别是有源相控阵天线校准，必须具备对天线每一个T/R组件通道实施幅度、相位测量及修正的能力。相控阵天线的校准主要包括天线通道幅相测试、幅相误差计算和校准补偿以及校准效果评估三个过程，一般每次校准需要进行N次天线通道幅相测试，其中N由天线的通道数量决定，然后根据N次幅相测试数据进行幅相误差计算、幅相误差补偿和校准效果评估，这就要求N次幅相测试的数据必须全部准确，才能得到正确的幅相误差计算、补偿和评估结果。为满足幅相测试精度要求，校准测试信号一般采用恒包络正弦波信号，且要求经被测天线网络后到达幅相测试校准接收机的校准测试信号具有较高的信噪比。相控阵天线系统在外场进行校准时，除校准测试信号外，进入校准接收机的还有来自外界的环境噪声和干扰信号，干扰信号的时频分布特征具有较大差异，跳频信号在特定频率上驻留一定时间后，再跳到另外频率上，在时频图上表现为不同频率上彼此衔接的短线段，定频信号在某一频率连续出现，在时频图上表现为较稳定的长线段，扫频信号的频率随时间推移而连续变化，其瞬时带宽较小，在时频图上表现为一系列较细的斜线段；脉冲干扰在时频图上表现为沿频率轴的长线段，雾态噪声是由于噪声的随机性造成的，在时频图上为随机分布的均散能量，突发信号一般在某一频率持续较短时间后，再消失，短时突发干扰信号一般由大量随机出现的突发信号组成，在时频图上表现为多个在某频率上时间断续的短线段。对于采用有源相控阵天线的二次雷达系统，一般布置于机场附近，空间电磁环境复杂，各类机载或地面设备发出大量的航管应答、ADS-B、TCAS等信号，这些信号处于二次雷达系统工作频段内，具备典型的短时突发干扰信号时频分布特征，在二次雷达系统进行天线幅相通道测试时，这些干扰信号经天线辐射单元进入幅相测试通道，并可能会叠加到校准测试信号上，降低校准测试信号的信噪比，导致幅相测试误差增大，甚至产生错误的测试数据，导致校准结果无法收敛。

近年发展起来的一些校准方法有：矩阵求逆法、FFT法和互耦技术(MCT)校准各阵元通道的方法。矩阵求逆法是一种远场校准方法。该方法需要一个远距离测试场、辅助天线和转台系统，被测相控阵天线安装在一个精密定位的转台上，接收一远场辐射信号，在N个预定的角位置，对天线总输出端口精确地测出幅度和相位，再通过矩阵求逆运算，得到天线口径分布的幅度和相位值。WU提出的自动电子FFT孔径校准技术在两方面与矩阵求逆法不同，它不需要旋转定位装置和远场辐射信号，以更快的FFT算法代替矩阵求逆得到通道的幅度和相位值。FFT技术可以扩展到两维电扫天线的情况，并适用于相控阵天线接收校准，但用于发射波瓣的校准将受实际天线扫描范围的限制。互耦技术(MCT)校准各阵元通道的方法主要适用于有源相控阵，它不需要外加辅助源，仅利用自身部件进行。这种方法要求阵元方向图具有圆对称性，且每一阵元和中心阵元与邻近6个阵元的间距相等，具有相同的互耦系数。如果用中心阵元发射，其它6个阵元接收，那么测得的接收幅度和相位应是相同的(校准偏差除外)。若由这6个接收阵元直接测得幅度和相位的不平衡值，这个值就是校准系数。该方法推广至等腰三角形栅格平面阵，要求阵元方向图上下，左右对称，而非圆对称。此时，中心阵元与周围6个阵元中的4个有相同的互耦系数。如果由该阵列中心阵元发射信号，预计在4个对称阵元上应有相同的接收值，其不平衡值即为校准系数。国内学者郑雪飞等人提出了相控阵天线中场校准技术，它与互耦技术相比较，该技术可看作是一种与之对应的外场方法。适用于各种均匀排列的平面相控阵天线，仅要求阵元阵中波瓣具有一致性。该技术特别适用于无法进行近场扫描的大型固态有源相控阵天线系统的外场校准与测试。固态有源相控阵天线具有单路收/发功能，即一个有源阵元(或通道)处于接收或发射状态时，其它有源阵元(或通道)之间相互隔离，该功能为中场校准技术提供了必要的手段。中场校准技术利用参考天线放在阵列前方一定距离处的几个特定位置对阵列进行测试，通过数据相关处理获得校准参数。上述现有的校准方法不足之处在于，都没有考虑短时突发干扰信号的对校准过程的影响，导致在干扰环境下设备校准成功率低，严重时甚至无法完成校准，这将严重影响装备的维修和保障效率，在装备使用过程中是不可接受的。本专利发明就是为了解决这一问题，开展短时突发干扰环境下有源相控阵天线自闭环校准方法研究。

发明内容

本发明的目的针对现有技术存在的不足之处，提供一种能够有效消除相控阵天线短时突发干扰影响、确保幅相测试数据准确可靠，提高相控阵天线在短时突发干扰环境下的校准成功率的相控阵天线幅相校准测试方法，进一步，通过自闭环校准控制流程和校准评估计算方法实现校准过程的自动化，便于用户使用和维护，降低操作人员专业要求和工作量。

本发明的上述目的可以通过下述技术方案来达到，一种消除短时突发干扰信号的自闭环校准方法，其特征在于包括以下步骤：

构建包括综合控制分机、相控阵天线阵面和校准测试设备的有源相控阵天线校准系统，通过综合控制分机通信接口向相控阵天线阵面和校准测试设备，发送包括校准频点和发射/接收校准状态的自闭环校准命令和校准状态序号k的校准测试命令，天线阵面和校准测试设备根据自闭环校准命令设置自身的校准状态,天线阵面的波控器根据校准状态序号k配置天线各通道移相状态，校准测试设备通过发射端口输出校准发射机产生的校准测试信号，校准测试信号经被测天线波束形成网络后返回校准测试设备的校准接收机；校准接收机对被测天线返回的信号进行下变频，将下变频生成的中频信号送入校准信号处理单元，对校准接收机输出的中频校准测试信号进行采样和数字正交解调，根据得到的同相分量和正交分量采样值，计算得到被测信号的幅度值和信噪比SNR，将信噪比SNR与其中预先设定的判决门限SNR_th进行比较，判断所述信噪比SNR是否大于判决门限SNR_th，是，则计算测试信号相对参考信号的幅相值数据；否则，返回重新进行第k种状态的幅相测试；直到完成所需的N种状态的幅相测试得到幅相测试数据；然后根据得到的幅相测试数据进行馈电幅相分布计算，应用校准结果评估，比较得到的各通道幅相误差与加权的收敛判据，判断是否满足收敛要求，是则判定校准成功并将幅相补偿码固化，输出校准结果，否则，生成新幅相补偿码，重新启动校准测试，其中，k＝1，2，…N，N为天线的通道数。SNR_th表示SNR的判决门限，其下角标字母th只是一个代号，以便与SNR进行区分，没有特定的数学含义。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

能够有效消除短时突发干扰影响。本发明通过综合控制分机向相控阵天线阵面和校准测试设备发送自闭环校准命令，对天线阵面进行N种不同移相分布状态下的幅相测试，获取所有通道的幅相分布特性，对每次通道幅相测试均进行信噪比计算并与预设门限SNR_th进行比较，丢弃不符合要求的测试数据并进行重新测试，从而有效消除短时突发干扰影响，大幅提高在短时突发干扰环境下的校准成功率，例如当短时突发干扰环境下强干扰信号叠加在幅相测试信号上的概率为QUOTE每次校准需进行N＝32次通道幅相测试，采用通常的幅相校准测试方法得到准确的幅相测试数据的概率P_d＝QUOTE而采用本发明提供的幅相校准测试方法后，当设置幅相测试最大重测次数L＝3时，得到准确的幅相测试数据的概率P_d＝QUOTE

幅相测试数据准确可靠，本发明再通过校准测试设备发射端口输出校准发射机产生的校准测试信号，校准测试信号经被测天线波束形成网络后返回校准测试设备的校准接收机；校准接收机对被测天线返回的信号进行下变频，将下变频生成的中频信号送入校准信号处理单元，对校准接收机输出的中频校准测试信号进行采样和数字正交解调，根据得到的同相分量R_i(n)和正交分量R_q(n)采样值，计算得到被测信号的幅度值AM(n)和信噪比SNR；然后通过校准信号处理单元，将信噪比SNR与其中预先设定的预设门限SNR_th进行比较，幅相测试数据准确可靠。

提高了相控阵天线在短时突发干扰环境下的校准成功率。本发明校准信号处理单元根据得到的幅相测试数据进行馈电幅相分布计算，通过对N组幅相测试数据进行快速傅里叶变换计算得到天线阵面未扫描时各通道的馈电幅相分布特性，校准测试设备将得到的天线阵未扫描时各通道的初始状态馈电幅相分布特性进行归一化后与天线设计确定的幅相分布标准值比较，将得到的各通道幅相误差逐个与加权的收敛判据比较，判断是否满足收敛要求，是则判定校准成功并将幅相补偿码固化，输出校准结果，这种自闭环校准控制和校准评估计算流程，不仅实现了校准过程的自动化，便于用户使用和维护，降低操作人员专业要求和工作量，更重要的是提高了相控阵天线在短时突发干扰环境下的校准成功率。

附图说明

下面结合附图和实施举例对本发明进一步说明。

图1是本消除相控阵天线系统短时突发干扰信号的自闭环校准控制流程图。

图2是本发明有源相控阵天线校准系统原理示意图。

图3是图2自闭环校准幅相测试控制流程图。

图4是本发明提供的校准效果评估计算流程图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

参阅图1。根据本发明，构建包括综合控制分机、相控阵天线阵面和校准测试设备的有源相控阵天线校准系统，通过综合控制分机通信接口向相控阵天线阵面和校准测试设备发送包括校准频点和发射/接收校准状态的自闭环校准命令和校准状态序号k的校准测试命令，天线阵面的波控器根据自闭环校准命令设置天线阵面的校准状态,校准测试设备的校准信号处理单元根据自闭环校准命令设置校准测试设备的校准状态,天线阵面的波控器根据校准状态序号k配置天线各通道移相状态，校准测试设备通过发射端口输出校准发射机产生的校准测试信号，校准测试信号经被测天线波束形成网络后返回校准测试设备的校准接收机；校准接收机对被测天线返回的信号进行下变频，将下变频生成的中频信号送入校准信号处理单元，对校准接收机输出的中频校准测试信号进行采样和数字正交解调，根据得到的同相分量R_i(n)和正交分量R_q(n)采样值，计算得到被测信号的幅度值AM(n)和信噪比SNR，将信噪比SNR与其中预先设定的判决门限SNR_th进行比较，判断所述信噪比SNR是否大于判决门限SNR_th，是，则计算测试信号相对参考信号的幅相值数据。幅相值数据分别为测试信号相对参考信号的幅度变化量B_AM(k)和相位变化量B_PH(k)，并保存在校准信号处理单元中供其后续进行馈电幅相分布计算，随后通过综合控制分机通信接口向相控阵天线阵面和校准测试设备发送包括校准状态序号k+1的校准测试命令，天线阵面的波控器根据校准状态序号k+1重新配置天线各通道移相状态，校准测试设备进行第k+1种状态的幅相测试；否则，认为被测信号受到干扰，返回重新进行第k种状态的幅相测试；直到完成所需的N种状态的幅相测试，得到幅相值数据[B_AM(1)，B_AM(2)，…，B_AM(N)]和[B_PH(0)，B_PH(2)，…，B_PH(N)]；然后根据得到的幅相值数据进行馈电幅相分布计算，应用校准结果评估，比较得到的各通道幅相误差与加权的收敛判据，判断是否满足收敛要求，是则判定校准成功并将幅相补偿码固化，输出校准结果，否则，生成新幅相补偿码，重新启动校准测试，其中，k＝1，2，…N，N为天线的通道数。

校准信号处理单元根据得到的幅相测试数据进行馈电幅相分布计算获得天线阵面未扫描时各通道的初始状态馈电幅相分布特性，校准测试设备将得到的天线阵未扫描时各通道的初始状态馈电幅相分布特性进行归一化后与天线设计的幅相分布标准值比较，将得到的各通道幅相误差逐个与加权的收敛判据比较，判断是否满足收敛要求，判定校准成功进行幅相补偿码固化，输出校准结果，结束校准，反之，生成新幅相补偿码，重新启动校准测试。

在以下描述的实施例中，按下述步骤：

(1)构建包括综合控制分机、相控阵天线阵面和校准测试设备的有源相控阵天线校准系统，当操作人员发起自闭环校准操作后，综合控制分机通过通信接口设置相控阵天线阵面和校准测试设备的校准状态，包括校准频点和发射/接收校准状态；

(2)综合控制分机通过通信接口向天线阵面和校准测试设备发送包括校准状态序号k(k＝1，2，…N)的校准测试命令，天线阵面根据校准状态序号k完成天线各通道移相状态配置；

(3)校准测试设备进行第k种状态的幅相测试，具体为校准发射机产生校准测试信号，通过校准测试设备发射端口输出，经被测天线波束形成网络后返回校准测试设备校准接收机；

(4)校准测试设备的校准信号处理单元对校准接收机输出的中频校准测试信号进行采样，通过数字正交鉴相得到信号的同相分量R_i(n)、正交分量R_q(n)，由R_i(n)和R_q(n)计算得到被测信号的幅度值AM(n)、和信噪比SNR；其中，R_i(n)下角标i代表同相分量，R_q(n)下角标q代表正交分量，n表示信号经数字采样后的离散采样点序号。

(5)校准信号处理单元将信噪比SNR与预设的判决门限SNR_th进行比较：当信噪比SNR大于预设门限时，校准信号处理单元计算测试信号相对参考信号的幅相值数据测试信号相对参考信号的幅度变化量B_AM(k)和相位变化量B_PH(k)，将校准序号加1后返回步骤(2)综合控制分机进行第k+1种状态的幅相测试；否则认为被测信号受到干扰，返回步骤(3)校准测试设备重新进行第k种状态的幅相测试；

(6)重复步骤(2)～(5)直到完成所需的N种状态的幅相测试，得到幅相值数据[B_AM(1)，B_AM(2)，…，B_AM(N)]和[B_PH(0)，B_PH(2)，…，B_PH(N)]，校准信号处理单元对幅相值数据进行馈电幅相分布计算，得到天线阵未扫描时各通道的初始状态馈电幅相分布数据，其中幅度分布数据为M_AM(i)，相位分布数据为M_PH(i)，下角标AM代表幅度，PH代表相位，没有特定数学含义，i＝1，2，…N表示天线阵面的第i个通道，并在校准评估计算中，将馈电幅相分布数据归一化后与天线设计的幅相分布标准值比较得到各通道的幅度误差E_AM(i)和相位误差E_PH(i)，将幅度误差逐个与幅度收敛判据ΔAM(i)比较，将相位误差逐个与相位收敛判据ΔPH(i)比较，当幅度误差和相位误差全部收敛时，通过综合控制分机发送参数写入命令通知相控阵天线阵面的波控器将幅相补偿码固化，否则通过综合控制分机将幅相分布数据发送给相控阵天线阵面波控器生产新幅相补偿码，并返回步骤(2)综合控制分机，从校准状态序号k＝1开始重新校准测试。

优选地，所述校准测试设备校准发射机发出的校准测试信号S(t)为脉冲宽度为τ的ASK调制信号，在脉冲有效时间τ范围内校准测试信号可视为脉冲宽度为τ的恒包络信号，恒包络信号可视为恒包络正弦波信号，校准测试信号通过计算脉冲有效时间τ范围内接收信号的幅度均值和方差即可得到信噪比估计值SNR。校准测试设备校准接收机接收到的校准信号R(t)＝Sa(t)+n(t)+J(t)，Sa(t)为校准测试信号S(t)经相控阵天线阵面波束形成网络合成后的响应信号，n(t)为噪声，J(t)为干扰信号。由于相控阵天线阵面的系统响应为线性非时变，故Sa(t)相对S(t)只有恒定幅度和相位变化，也为恒包络正弦波信号，通过计算R(t)的幅度均值和方差即可反映接收信号的信噪比情况，具体为所述校准测试设备校准接收机将校准信号R(t)下变频为中频信号，校准信号处理单元对所述中频信号进行采样和数字正交解调得到同相分量R_i(n)、正交分量R_q(n)采样值和信号幅度值AM(n)，在脉冲有效时间τ范围内计算信号幅度值AM(n)的均值和方差，得到校准信号信噪比为SNR＝10×log₁₀(mean(AM)/var(AM))，其中，AM(n)＝sqrt(R² _i(n)+R² _q(n))，其中，R_i(n)下角标i代表同相分量，R_q(n)下角标q代表正交分量，n表示信号经数字采样后的离散采样点序号，mean表示均值运算，var表示求方差运算。

优选地，所述校准测试设备校准信号处理单元将信噪比SNR与预设的信噪比门限SNR_th进行比较，当SNR>SNR_th，计算校准测试信号相对本地参考信号的幅度变化量B_AM(k)和相位变化量B_PH(k)，用于后续馈电幅相分布计算，具体为校准测试信号的幅度值为AM(n)＝sqrt(R² _i(n)+R² _q(n))，相位值为PH(n)＝arctan(R_q(n)/R_i(n))，其中sqrt表示开方运算，arctan表示反正切运算，同理的可计算出本地参考信号的幅度值AM_R(n)和相位值PH_R(n)，校准测试信号相对于本地参考信号的幅度变化量B_AM(k)＝mean(AM)/mean(AM_R)、相位变化量B_PH(k)＝mean(PH)-mean(PH_R)。

优选地，校准信号处理单元根据所要求的校准测试精度确定信噪比门限值SNR_th，当SNR≤SNR_th时，所述校准测试设备校准信号处理单元重新进行幅相测试和信噪比判决，校准信号处理单元根据所要求的校准成功概率和干扰影响程度确定最大重测次数L，对每一种校准状态，最多进行L次幅相测试。

优选地，校准信号处理单元根据幅相测试所得到的N种不同移相分布状态下的幅相值数据[B_AM(1)，B_AM(2)，…，B_AM(N)]和[B_PH(0)，B_PH(2)，…，B_PH(N)]后进行馈电幅相分布计算，得到天线阵未扫描时各通道的初始状态馈电幅相分布数据，其中幅度分布数据为M_AM(i)，相位分布数据为M_PH(i)(下角标AM代表幅度，PH代表相位，没有特定数学含义)，i＝1，2，…N表示天线阵面的第i个通道，并进行校准评估计算，具体为将M_AM(i)和M_PH(i)进行归一化处理后得到幅度分布数据归一化值RM_AM(i)和相位分布数据归一化值RM_PH(i)；校准信号处理单元根据天线阵面的幅度分布加权形式确定标准幅度值S_AM(i)，标准相位值为0；校准信号处理单元根据天线阵面幅度加权，对收敛判据也进行加权判断，确定各通道的幅度收敛判据为ΔAM(i)＝1+2×|1-2×i/K|，单位为dB，相位收敛判据为ΔPH(i)＝1+2×|1-2×i/K|，单位为移相码值，其代表的相位度数由通道移相器的位数决定，K为幅度分布加权系数；将各通道幅相测试数据归一化值与天线设计的标准值进行比较后得到每个通道的幅度误差值E_AM(i)＝|RM_AM(i)-S_AM(i)|，相位误差值E_PH(i)＝|RM_PH(i)|，将E_AM(i)逐个与收敛判据ΔAM(i)、将E_PH(i)逐个与收敛判据ΔPH(i)比较，当所有E_AM(i)≤ΔAM(i)，E_PH(i)≤ΔPH(i)时，判定校准结果符合要求，可以对幅相补偿码固化，否则判定校准结果不符合要求，需重新补偿校准。

进一步，综合控制分机设置最大校准次数M，若校准次数大于M时校准结果仍未满足收敛要求，则自动终止校准，返回自闭环校准失败结果。

校准信号处理单元根据所要求的校准测试精度确定信噪比门限值SNR_th，当信噪比SNR≤SNR_th时，校准信号处理单元重新进行幅相测试和信噪比判决，且对每一种校准状态，最多进行L次幅相测试，校准信号处理单元根据所要求的校准成功概率和干扰影响程度确定最大重测次数L。

参阅图2。有源相控阵天线自闭环校准系统，包括：通过功率分配/波束形成网络辐射连接的n个T/R组件，对应n个T/R组件相连的n个耦合器和辐射单元，与n个耦合器连接的功分器，以及通过综合控制分机通信接口相连的波控器构成的相控阵天线阵面、设有与相控阵天线阵面和校准测试设备通信接口的综合控制分机、功率分配/波束形成网络连接的微波开关矩阵和校准测试设备，综合控制分机通过通信接口控制相控阵天线阵面和校准测试设备的状态，相控阵天线阵面、校准测试设备和主收发信设备的射频端口均通过射频电缆与微波开关矩阵连接，其中，微波开关矩阵通过功分器辐射连接n个耦合器，波控器一端连接各T/R组件，一端连接综合控制分机；综合控制分机通过离散控制信号接口控制微波开关矩阵，微波开关矩阵与设备主功能通道进行通信。所述校准测试设备包括：通过通信接口相连上述综合控制分机的校准信号处理单元、连接上述微波开关矩阵的收发转换开关和相连所述微波开关矩阵的校准接收机和校准发射机。校准信号处理单元通过离散控制信号接口控制收发转换开关进行通道切换，将脉冲调制信号馈入校准发射机，校准发射机向收发转换开关发射校准测试信号，同时向校准接收机发送参考信号，校准接收机接收来自收发转换开关的接收信号，将接收到的射频校准测试信号和参考信号下变频为中频后送入校准信号处理单元，校准信号处理单元通过离散控制信号控制收发转换开关进行通道切换。综合控制分机根据校准测试设备的工作状态，通过它的离散控制信号接口控制微波开关矩阵进行通道切换，导通正常工作时的天线阵面的Σ通道与主收发信设备，并在天线校准工作时导通天线阵面的Σ通道、校准通道与校准测试设备的Σ通道、校准通道。当进行接收状态校准时，校准处理单元通过它的离散控制信号接口控制收发转换开关进行通道切换，将校准发射机输出端口与校准测试设备校准通道端口导通，同时将校准接收机输入端口与校准测试设备Σ通道端口导通，校准发射机产生校准测试信号从校准测试设备校准端口输出至收发转换开关，经收发转换开关传输到相控阵天线阵面，经功分器分配到n个耦合器耦合进入各T/R组件，n个T/R组件接收后的校准测试信号经功率分配/波束形成网络反馈回校准测试设备的Σ通道，校准接收机通过收发转换开关接收返回的校准测试信号，经滤波、放大后下变频为中频，校准信号处理单元中频信号进行数字采样、IQ解调及幅相值计算等处理。

当校准发射机进入发射状态校准时，校准信号处理单元通过电平控制接口控制收发转换开关进行通道切换，将校准发射机输出端口与校准测试设备Σ通道端口导通，同时将校准接收机输入端口与校准测试设备校准通道端口导通，校准发射机产生校准测试信号，从校准测试设备Σ通道端口输出，经相控阵天线阵面中的功率分配/波束形成网络分配到各T/R组件，经耦合器耦合进入功分器，功分器将信号合成后返回校准测试设备校准通道，校准接收机接收返回的校准测试信号。

参阅图3。在有源相控阵天线校准系统自闭环校准幅相测试控制流程中：

综合控制分机根据自闭环校准命令，通过通信接口对相控阵天线阵面、校准测试设备进行校准频点、接收/发射状态校准的校正状态初始化配置，通过电平控制接口控制微波开关矩阵进行开关切换，控制天线阵面和校准测试设备，对第k种移相分布状态的(k＝1，2，…N)通道进行幅相测试，天线阵面根据校准状态序号k配置天线各通道移相状态；校准测试设备校准的发射机产生校准测试信号经被测天线通道合成后得到校准信号R(t)＝Sa(t)+n(t)+J(t)，通过发射端口输出至收发转换开关，经被测天线波束形成网络后返回校准接收机，校准接收机将接收返回信号进行下变频为中频校准测试信号，校准信号处理单元对中频校准测试信号采样后进行数字正交鉴相处理，根据得到信号的同相分量R_i(n)、正交分量R_q(n)计算出被测信号的幅度值AM(n)和信噪比SNR；并据此计算校准测试信号的幅度值AM(n)＝sqrt(R² _i(n)+R² _q(n))，通过计算AM(n)的均值和方差，可得到校准信号信噪比为SNR＝10×log₁₀(mean(AM)/var(AM))，其中，sqrt表示开方运算，mean为均值运算，var为求方差运算；校准信号处理单元将信噪比SNR与预设门限SNR_th进行比较：当SNR大于预设门限SNR_th，则计算第k次幅相测试的相对参考信号的幅相值数据B_AM(k)和B_PH(k)，并保存，以供后续校准计算，校准幅相测试序号k＝k+1，k＝1，2，…N，重测次数j清零，判断k是否＞N，即判断是否已完成所需N种状态的幅相测试，是则判定校准测试数据有效，可用于后续的馈电幅相分布计算，结束幅相测试，否则返回进行第k+1种状态的幅相测试；当SNR小于预设门限SNR_th，则确认被测信号受到干扰，此时判断重测次数是否达到最大限值L，是则重测次数j++，返回重新进行第k种状态的幅相测试测试；否则判定校准测试数据无效，结束幅相测试。

校准信号处理单元根据幅相测试所得到的N种不同移相分布状态下的幅相值数据[B_AM(1)，B_AM(2)，…，B_AM(N)]和[B_PH(0)，B_PH(2)，…，B_PH(N)]进行馈电幅相分布计算，得到天线阵未扫描时各通道的初始状态馈电幅相分布数据，其中幅度分布数据为M_AM(i)，相位分布数据为M_PH(i)(解释，可删除，下角标AM代表幅度，PH代表相位，没有特定数学含义)，馈电幅相分布计算方法由相控阵天线校准系统的硬件设计决定，在本实施例中是采用基于行波馈电网络的快速傅立叶变换FFT校准法，对通道幅相测试获取的幅相值数据[B_AM(1)，B_AM(2)，…，B_AM(N)]和[B_PH(0)，B_PH(2)，…，B_PH(N)]进行的快速傅立叶变换计算，得到天线阵未扫描时各通道的初始状态馈电幅度分布数据M_AM(i)和相位分布数据M_PH(i)，其中i＝1，2，…N，i为天线阵面第i个通道。

校准信号处理单元在进行校准评估计算时，将馈电幅相分布数据归一化后与天线设计的幅相分布标准值比较，得到各通道的幅度误差E_AM(i)和相位误差E_PH(i)，将幅度误差逐个与幅度收敛判据ΔAM(i)比较，将相位误差逐个与相位收敛判据ΔPH(i)比较，当全部收敛时，通过综合控制分机发送参数写入命令，通知相控阵天线阵面的波控器将幅相补偿码固化，否则通过综合控制分机将幅相分布数据发送给相控阵天线阵面的波控器生产新幅相补偿码，并返回，从校准状态序号k＝1开始重新校准测试；

一般相控阵天线经3～5次校准即可达到收敛，为避免自闭环校准测试过程进入无限循环，在综合控制分机中设置幅相校准测试最大重测次数M＝5，当重测次数大于M时终止自闭环校准流程，输出自闭环校准失败标志，结束自闭环校准。

在幅相测试控制流程中，(1)综合控制分机对校准状态序号k初始化为1；(2)综合控制分机通过通信接口将校准状态序号k分别发送给相控阵天线阵面和校准测试设备，相控阵天线阵面波控器根据校准状态序号k配置各T/R组件移相器状态，校准测试设备校准信号处理单元对重测次数j初始化为0；(3)校准测试设备校准信号处理单元输出脉冲宽度为τ＝40us的脉冲调制信号，控制校准发射机产生校准测试信号S(t)，该信号经被测相控阵天线阵面波束形成网络合成后得到响应信号Sa(t)，经引入噪声n(t)和干扰J(t)后，返回校准接收机的信号为R(t)＝Sa(t)+n(t)+J(t)，校准发射机同时将校准测试信号通过内部耦合输出给校准接收机作为本地参考信号；校准接收机将接收的校准测试信号R(t)和本地参考信号下变频为中频后输出给校准信号处理单元；(4)所述校准信号处理单元对校准接收机输出的中频校准测试信号和参考信号进行采样，通过数字正交解调得到信号的同相分量R_i(n)、正交分量R_q(n)，信号幅度值为AM(n)＝sqrt(R² _i(n)+R² _q(n))，由于Sa(t)相对S(t)仅存在恒定幅度和相位差异，因此在脉冲有效时间τ范围为恒包络正弦波信号，而噪声n(t)和干扰J(t)通常为非恒包络信号，通过计算AM(n)的均值和方差，即可得到校准信号信噪比为SNR＝10×log₁₀(mean(AM)/var(AM))，其中mean表示均值运算，var表示求方差运算；(5)根据系统幅相测试误差要求确定信噪比门限为SNR_th＝30dB，所述校准测试设备校准信号处理单元将信噪比SNR与预设的信噪比门限SNR_th进行比较，当SNR>SNR_th，计算校准测试信号相对本地参考信号的幅相值数据B_AM(k)和B_PH(k)，用于后续馈电幅相分布计算，校准状态序号k加1后返回步骤(2)进行第k+1种状态的幅相测试；否则认为被测信号受到干扰，所得的幅相值数据无效，返回步骤(3)重新进行测试。

幅相值数据计算方法具体为校准测试信号的幅度值为AM(n)＝sqrt(R² _i(n)+R² _q(n))，相位值为PH(n)＝arctan(R_q(n)/R_i(n))，其中sqrt表示开方运算，arctan表示反正切运算，采用同样的方法可计算出本地参考信号的幅度值和相位值AM_R(n)、PH_R(n)，校准测试信号相对于本地参考信号的幅度变化值为B_AM(k)＝mean(AM)/mean(AM_R)、相位变化值为B_PH(k)＝mean(PH)-mean(PH_R)。

进一步，为避免测试过程进入无限循环，在校准信号处理单元中设置通道幅相测试最大重测次数L＝3，当重测次数大于L时终止幅相校准测试，并给出校准测试数据无效标志Valid＝0；

重复步骤(2)～(5)直到完成所需的N种幅相测试，输出校准测试数据有效标志Valid＝1和相应的幅相测试数据B_AM(k)和B_PH(k)，(k＝1，2，…N)，供后续进行幅相误差计算。

参阅图4。在校准效果评估计算流程中，对经有源相控阵天线自闭环校准系统校准计算得到的天线阵面各通道幅度分布数据M_AM(i)、相位分布数据M_PH(i)进行归一化处理后得到幅度分布数据归一化值RM_AM(i)和相位分布数据归一化值RM_PH(i)；根据天线阵面的幅度加权分布设定幅度标准值S_AM(i)，幅度标准值S_AM(i)的标准相位值取0；将幅度分布数据归一化值RM_AM(i)与上述幅度标准值S_AM(i)比较，将相位分布数据归一化值RM_PH(i)与0比较，获取每个通道的幅度误差值E_AM(i)＝|RM_AM(i)-S_AM(i)|，相位误差值E_PH(i)＝|RM_PH(i)|，设定收敛判据加权模式，计算每个通道的幅度收敛判据ΔAM(i)和相位收敛判据ΔPH(i)，将幅相差值E_AM(i)逐个与幅度收敛判据ΔAM(i)进行比较，将相位误差E_PH(i)逐个与相位收敛判据ΔPH(i)比较，当所有幅度误差值E_AM(i)≤收敛判据ΔAM(i)，相位误差值E_PH(i)≤ΔPH(i)时，判定校准结果符合要求，可以对幅相补偿码固化，否则判定校准结果不符合要求，需重新补偿校准。

根据天线阵面幅度加权，对收敛判据也进行加权判断，确定各通道的幅度和相位收敛判据，使幅度收敛判据AM(i)＝1+2×|1-2×i/K|，相位收敛判据ΔPH(i)＝1+2×|1-2×i/K|，其中，K为幅度分布加权系数，ΔAM(i)的单位为dB，ΔPH(i)的单位为移相码值，其代表的相位度数由通道移相器的位数决定，在本实施例中相控阵天线T/R组件幅度分布采用15dB泰勒加权，因此取K＝15。

Claims

1.一种消除短时突发干扰信号的自闭环校准方法，其特征在于包括以下步骤：构建包括综合控制分机、相控阵天线阵面和校准测试设备的有源相控阵天线校准系统，通过综合控制分机通信接口向相控阵天线阵面和校准测试设备，发送包括校准频点和发射/接收校准状态的自闭环校准命令和校准状态序号k的校准测试命令，天线阵面和校准测试设备根据自闭环校准命令设置自身的校准状态,天线阵面波控器根据校准状态序号k配置天线各通道移相状态,校准测试设备通过发射端口输出校准发射机产生的校准测试信号，校准测试信号经被测天线波束形成网络后返回校准测试设备的校准接收机；校准接收机对被测天线返回的信号进行下变频，将下变频生成的中频信号送入校准信号处理单元，对校准接收机输出的中频校准测试信号进行采样和数字正交解调，根据得到的同相分量和正交分量采样值，计算得到被测信号的幅度值和信噪比SNR，将信噪比SNR与其中预先设定的判决门限SNR_th进行比较，判断所述信噪比SNR是否大于判决门限SNR_th，是，则计算测试信号相对参考信号的幅相值数据；否则，返回重新进行第k种状态的幅相测试；直到完成所需的N种状态的幅相测试得到幅相测试数据；然后根据得到的幅相测试数据进行馈电幅相分布计算，应用校准结果评估，比较得到的各通道幅相误差与加权的收敛判据，判断是否满足收敛要求，是则判定校准成功并将幅相补偿码固化，输出校准结果，否则，生成新幅相补偿码，重新启动校准测试，其中，k＝1，2，…N，N为天线的通道数。

2.如权利要求1所述的消除短时突发干扰信号的自闭环校准方法，其特征在于：幅相值数据分别为测试信号相对参考信号的幅度变化量B_AM(k)和相位变化量B_PH(k)，并保存在校准信号处理单元供其后续进行馈电幅相分布计算。

3.如权利要求1所述的消除短时突发干扰信号的自闭环校准方法，其特征在于：校准信号处理单元根据幅相值数据进行馈电幅相分布计算得到天线阵面未扫描时各通道的初始状态馈电幅相分布特性，校准测试设备将得到的天线阵未扫描时各通道的初始状态馈电幅相分布特性进行归一化后与天线设计的幅相分布标准值比较，将得到的各通道幅相误差逐个与加权的收敛判据比较，判断是否满足收敛要求，判定校准成功进行幅相补偿码固化，输出校准结果，结束校准。

4.如权利要求1所述的消除短时突发干扰信号的自闭环校准方法，其特征在于：校准信号处理单元将信噪比SNR与预设的判决门限SNR_th进行比较：当信噪比SNR大于预设门限时，校准信号处理单元计算测试信号相对参考信号的幅相值数据,幅相值数据包括测试信号相对参考信号的幅度变化量B_AM(k)和相位变化量B_PH(k)，将校准序号加1后返回综合控制分机进行第k+1种状态的幅相测试；否则认为被测信号受到干扰，返回校准测试设备重新进行第k种状态的幅相测试。

5.如权利要求1所述的消除短时突发干扰信号的自闭环校准方法，其特征在于：校准信号处理单元对测试数据进行馈电幅相分布计算，得到天线阵未扫描时各通道的初始状态馈电幅相分布数据，其中幅度分布数据为M_AM(i)，相位分布数据为M_PH(i)，i＝1，2，…N表示天线阵面第i个通道，并在校准评估计算中，将馈电幅相分布数据归一化后与天线设计的幅相分布标准值比较得到各通道的幅度误差E_AM(i)和相位误差E_PH(i)，将所述幅度误差逐个与幅度收敛判据ΔAM(i)比较，将相位误差逐个与相位收敛判据ΔPH(i)比较，当全部收敛时，通过综合控制分机发送参数写入命令通知相控阵天线阵面的波控器将幅相补偿码固化，否则通过综合控制分机将幅相分布数据发送给相控阵天线阵面的波控器生产新幅相补偿码，并返回综合控制分机，从校准状态序号k＝1开始重新校准测试。

6.如权利要求1所述的消除短时突发干扰信号的自闭环校准方法，其特征在于：校准测试设备校准发射机发出的校准测试信号S(t)为脉冲宽度为τ的ASK调制信号，在脉冲有效时间τ范围内校准测试信号为恒包络正弦波信号，且校准测试设备校准接收机接收到的校准信号R(t)＝Sa(t)+n(t)+J(t)，其中，Sa(t)为校准测试信号S(t)经相控阵天线阵面波束形成网络合成后的响应信号，n(t)为噪声，J(t)为干扰信号。

7.如权利要求1所述的消除短时突发干扰信号的自闭环校准方法，其特征在于：校准测试设备校准接收机将校准信号R(t)下变频为中频信号，校准信号处理单元对所述中频信号进行采样和数字正交解调得到同相分量R_i(n)、正交分量R_q(n)采样值和信号幅度值AM(n)，在脉冲有效时间τ范围内计算信号幅度值AM(n)的均值和方差，得到校准信号信噪比为SNR＝10×log₁₀(mean(AM)/var(AM))，其中，mean表示均值运算，var表示求方差运算。

8.如权利要求1所述的消除短时突发干扰信号的自闭环校准方法，其特征在于：有源相控阵天线自闭环校准系统，包括：通过功率分配/波束形成网络辐射连接的n个T/R组件，对应n个T/R组件相连的n个耦合器和辐射单元，与n个耦合器连接的功分器，以及通过综合控制分机通信接口相连的波控器构成的相控阵天线阵面、设有与相控阵天线阵面和校准测试设备通信接口的综合控制分机、功率分配/波束形成网络连接的微波开关矩阵和校准测试设备。

9.如权利要求8所述的消除短时突发干扰信号的自闭环校准方法，其特征在于：，综合控制分机通过通信接口控制相控阵天线阵面和校准测试设备的状态，相控阵天线阵面、校准测试设备和主收发信设备的射频端口均通过射频电缆与微波开关矩阵连接，其中，微波开关矩阵通过功分器辐射连接n个耦合器，波控器一端连接各T/R组件，一端连接综合控制分机，综合控制分机通过离散控制信号接口控制微波开关矩阵，微波开关矩阵与设备主功能通道进行通信。

10.如权利要求9所述的消除短时突发干扰信号的自闭环校准方法，其特征在于：校准测试设备包括：通过通信接口相连综合控制分机的校准信号处理单元、连接微波开关矩阵的收发转换开关和相连所述微波开关矩阵的校准接收机和校准发射机；校准信号处理单元通过离散控制信号接口控制收发转换开关进行通道切换，将脉冲调制信号馈入校准发射机，校准发射机向收发转换开关发射校准测试信号，同时向校准接收机发送参考信号，校准接收机接收来自收发转换开关的接收信号，将接收到的射频校准测试信号和参考信号下变频为中频后送入校准信号处理单元，校准信号处理单元通过离散控制信号控制收发转换开关进行通道切换。