CN108037374A

CN108037374A - 一种阵列天线近场标定方法

Info

Publication number: CN108037374A
Application number: CN201710948180.XA
Authority: CN
Inventors: 黄超; 王艳苹
Original assignee: XIAN TIANHE DEFENCE TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: XIAN TIANHE DEFENCE TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2018-05-15
Anticipated expiration: 2037-10-12
Also published as: CN108037374B

Abstract

本发明提供一种阵列天线近场标定方法，属于天线测量技术领域，该方法包括：对阵列天线接收的第一方向的信号进行采样，得到第一采样信号，对所述第一采样信号进行运算，得出不同基线长度的第一相位差；对阵列天线接收的第二方向的信号进行采样，得到第二采样信号，对所述第二采样信号进行运算，得出不同基线长度的第二相位差；根据所述第二相位差与所述第一相位差，计算得出所述第二方向与所述第一方向夹角的第一测量值；根据所述第一测量值和所述第二方向与所述第一方向夹角的真实值，计算得出所述第二方向的偏移误差。该方法可以以最小的场地要求完成对大型阵列天线的幅度相位标定。

Description

一种阵列天线近场标定方法

技术领域

本发明涉及天线测量技术领域，尤其涉及一种阵列天线近场标定方法。

背景技术

天线作为无线电通讯的发射和接收设备，直接影响电波信号的质量，因而，天线在无线电通讯中占有极其重要的地位。而相控阵天线因具有快速波束扫描、易于波束形状捷变以及空间定向能力强等优点，在通信、导航、雷达和电子对抗等领域得到了日益广泛的应用。在天线与某个应用进行匹配时，需要进行精确的天线测量，因此，天线测试技术成为了指导天线设计和验证检验天线性能的重要手段。按照天线场区的划分，天线测试技术分为远场测量技术和近场测量技术。

最早出现并发展成熟的天线测试技术是远场测量技术，需要比较纯净的空间电磁环境及大型测试场地作为被测天线的远场测量条件，但随着深空探测天线和高增益天线的发展，地球表面电磁环境愈加恶劣，天线孔径越来越大，被测天线的远场测量条件很难得到满足。近场测量技术的基本方法是采用一个电特性已知的探头在被测天线近场区域的某一平面或曲面上按照空间采样定理进行扫描，将采集到的幅度和相位数据通过近远场变换计算出被测天线的远场特性，进一步通过口面反演重构被测天线的口径场分布。

近场测量技术与远场测量技术相比，具有明显的优点：测量可全天候进行，不受来自室外环境的影响；测量距离要求短，适用于大孔径天线；室内测量可以屏蔽外界复杂电磁环境的干扰，且满足保密要求。因此，近场测量已经成为指导相控阵天线设计和验证高增益、超低副瓣天线性能的重要手段。

对于相控阵雷达，在使用前必须对阵列天线进行幅度和相位外标定，只有完成此步骤，雷达才能够形成正确的波束指向和形状，并且融入到指定的坐标系当中(通常是大地坐标系)。传统的天线测量方法一般是进行远场测量，均假设满足远场平面波入射条件，信号处理简单a，远场测量要求测试距离R满足条件：D为天线孔径，λ为波长。然而，对于大型相控阵天线阵列，天线孔径D很大，得到的测量误差一般比较大，远场测量实现比较困难，天线近场测试方法就是解决这类问题的有效方法。

需要说明的是，在上述背景技术部分发明的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阵列天线近场标定方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供一种阵列天线近场标定方法，包括：

对阵列天线接收的第一方向的信号进行采样，得到第一采样信号，对所述第一采样信号进行运算，得出不同基线长度的第一相位差；

对阵列天线接收的第二方向的信号进行采样，得到第二采样信号，对所述第二采样信号进行运算，得出不同基线长度的第二相位差；

根据所述第二相位差与所述第一相位差，计算得出所述第二方向与所述第一方向夹角的第一测量值；

根据所述第一测量值和所述第二方向与所述第一方向夹角的真实值，计算得出所述第二方向的偏移误差；

其中，所述第一方向的信号和所述第二方向的信号由信号源发出；所述第二方向与所述第一方向夹角的真实值通过测角仪测得。

在本公开的一种示例性实施例中，还包括：

对阵列天线接收的第三方向的信号进行采样，得到第三采样信号，对所述第三采样信号进行运算，得出不同基线长度的第三相位差；

根据所述第三相位差与所述第一相位差，计算得出所述第三方向与所述第一方向夹角的第二测量值；

根据所述第二测量值与所述偏移误差，计算得出所述第三方向与所述第一方向夹角的真实值。

在本公开的一种示例性实施例中，所述根据所述第一测量值和所述第二方向与所述第一方向夹角的真实值，计算得出所述第二方向的偏移误差，

其计算公式为：

其中，θ_real为真实值，θ_measure为测量值，Δθ₀为偏移误差。

在本公开的一种示例性实施例中，所述根据所述第二测量值与所述偏移误差，计算得出所述第三方向与所述第一方向夹角的真实值，

其计算公式为：

在本公开的一种示例性实施例中，所述对所述第一采样信号进行运算，包括：

根据所述第一采样信号，计算被测阵列天线的各T/R组件、各天线单元的第一幅相信息；

将所述第一幅相信息进行互相关运算，得出所述第一相位差；

所述对所述第二采样信号进行运算，包括：

根据所述第二采样信号，计算被测阵列天线的各T/R组件、各天线单元的第二幅相信息；

将所述第二幅相信息进行互相关运算，得出所述第二相位差。

在本公开的一种示例性实施例中，所述对所述第三采样信号进行运算，包括：

根据所述第三采样信号，计算被测阵列天线的各T/R组件、各天线单元的第三幅相信息；

将所述第三幅相信息进行互相关运算，得出所述第三相位差。

在本公开的一种示例性实施例中，所述根据所述第二相位差与所述第一相位差，计算得出所述第一测量值，包括：根据所述第一相位差对所述第二相位差进行校正，得出第一校正值；

对所述第一校正值进行幅值相位变换，找出变换后幅值最大时对应的第一角频率；

根据所述第一角频率，计算得出所述第一测量值。

在本公开的一种示例性实施例中，所述根据所述第三相位差与所述第一相位差，计算得出所述第二测量值，包括：

根据所述第一相位差对所述第三相位差进行校正，得出第二校正值；

对所述第二校正值进行幅值相位变换，找出变换后幅值最大时对应的第二角频率；

根据所述第二角频率，计算得出所述第二测量值。

在本公开的一种示例性实施例中，还包括：

选取所述阵列天线的天线阵面中心作为参考点，所述信号源到所述参考点的距离为R；

选取经过所述参考点且垂直于所述天线阵面的法线作为参考天线。

在本公开的一种示例性实施例中，确定所述R，包括：

对R进行赋值；

当R为某一确定值时，对阵列天线接收的第一方向的信号进行采样，得到第一采样信号，对所述第一采样信号进行运算，得出不同基线长度的第一相位差；

根据所述第一测量值和所述第二方向与所述第一方向夹角的真实值，计算得出所述第二方向的偏移误差，所述偏移误差亦为所述参考天线的偏移误差；

根据所述参考天线的偏移误差的范围要求确定R值。

本发明提供的一种阵列天线近场标定方法，包括：接收信号源发出的信号；计算被测阵列天线的各T/R组件、各天线单元的幅相信息；通过对不同基线长度的相位差进行校正得出测量值；根据测量值和测角仪测出的角度的真实值计算偏移误差，从而实现对具有超大型天线阵列的相控阵雷达的标定。该信号源处于近场条件，根据具体项目对误差范围的要求，可以以最小的场地完成对大型阵列天线的幅度相位标定，摆脱苛刻的远场条件，把雷达接收阵列要求的数公里远场条件降级为几百米，大大方便了标定程序的进行，降低了大型阵列天线幅相标定对场地的要求。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种阵列天线近场标定方法的流程图。

图2为本发明一实施例提供的一种阵列天线近场标定方法中阵列天线与信号源的几何关系示意图。

图3为本发明一实施例提供的一种阵列天线近场标定方法中阵列天线的编号方式示意图。

图4为本发明一实施例提供的一种阵列天线近场标定方法中得出第一测量值方法的流程图。

图5为本发明另一实施例提供的一种阵列天线近场标定方法的流程图。

图6为本发明一实施例提供的一种阵列天线近场标定方法的操作示意图。

图7为本发明一实施例提供的一种阵列天线近场标定方法中变化R，得到几个不同角度下的误差曲线图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

本示例实施例中首先提供了一种阵列天线近场标定方法，可以应用于相控阵雷达，相控阵雷达在使用前需对阵列天线进行幅度和相位的标定，该近场标定方法可以以最小的场地要求完成对大型阵列天线的幅度相位标定，摆脱苛刻的远场条件，把雷达接收阵列要求的数公里远场条件降级为几百米，大大方便了标定程序的进行，降低了大型阵列天线幅相标定对场地的要求。参考图1所示，上述阵列天线近场标定方法可以包括如下步骤：

步骤S101，对阵列天线接收的第一方向的信号进行采样，得到第一采样信号，对第一采样信号进行运算，得出不同基线长度的第一相位差；

步骤S102，对阵列天线接收的第二方向的信号进行采样，得到第二采样信号，对第二采样信号进行运算，得出不同基线长度的第二相位差；

步骤S103，根据第二相位差与第一相位差，计算得出第二方向与第一方向夹角的第一测量值；

步骤S104，根据第一测量值和第二方向与第一方向夹角的真实值，计算得出第二方向的偏移误差。

本示例实施例提供的一种阵列天线近场标定方法，首先接收信号源发出的信号，并计算被测阵列天线的各T/R组件、各天线单元的幅相信息，通过对不同基线长度的相位差进行校正得出测量值，然后根据测量值和测角仪测出的角度的真实值计算偏移误差，从而实现对具有超大型天线阵列的相控阵雷达的标定。该信号源处于近场条件，可以以最小的场地要求完成对大型阵列天线的幅度相位标定，摆脱苛刻的远场条件，把雷达接收阵列要求的数公里远场条件降级为几百米，大大方便了标定程序的进行，降低了大型阵列天线幅相标定对场地的要求。

下面，将结合附图及实施例对本示例实施方式中的阵列天线近场标定方法的各个步骤进行更详细的说明。

在步骤S101中，可建立如图2所示的模型，以阵列天线中的某一天线作为参考天线，参考天线与阵列天线阵面的交点作为参考点，信号源与参考点的连线和参考天线的夹角为θ，信号源到参考点的距离为R。

可以通过改变θ角改变信号源的方位，确定信号源的两个方位，即为第一方向和第二方向，阵列天线接收信号源处于第一方位和第二方位的信号，并对接收的信号进行幅度相位的采样。针对现有的雷达设备分两种情况进行采样：一种情况是雷达波束在前端通过移相器和衰减器进行波束形成，一种情况是雷达波束在后端信号处理中形成。第一种情况按照时分方式进行，第二种情况可同时进行，具体采样方式在此不做限定。无论哪种情况，都可以在经过最终的模数转换通道时按照天线的前端进行编号。

进一步地，可对阵列天线进行编号。阵列天线个数可以为奇数个，也可以为偶数个，本示例性实施例中对此不做特殊限定。当阵列天线为奇数个时，参考天线为最中心那个天线；当阵列天线为偶数个数时，参考天线假定为在中间两个天线之间，编号方式如图3所示，编号方式也可采用其他编号方式，在此不做限定。信号源开机，每个天线(对于奇数个为：1、2、…2k+1；对于偶数个为：1、2、…2k)记录下信号源的幅度相位值。不失一般性，以下讨论按照奇数个天线的情况进行，那么，空间的正弦波经过天线、接收机、模数转换器之后，得到2k+1个数字信号x₁(n)、x₂(n)、…x_2k+1(n)。

对信号组{x₁(n)、x₂(n)、…x_2k+1(n)}进行快速傅里叶变换，也可进行其他幅频变换，得到{X₁(n)、X₂(n)、…X_2k+1(n)}，可以以1通道作为主通道，通过取绝对值找最大值的方式找到所有天线的同一最大值位置对应的结果(不失一般性，假设结果都进行了幅度归一化)，结果为{C₁、C₂、...C_2k+1}。这组结果代表了每个天线接收到的信号的相位信息。

可对{C₁、C₂、...C_2k+1}进行两两互相关运算，得到2k个结果：{L1、L2、...L_2k}

假定此时信号源位于第一方向，那么，{L1、L2、...L_2k}记录的就是第一方向的不同基线长度的相位差，即第一相位差。

在步骤S102中，对阵列天线接收的第二方向的信号进行采样，得到第二采样信号，对第二采样信号进行运算，得出不同基线长度的第二相位差。

举例而言，可以通过测角仪将信号源调到第二方向，测角仪测出第一方向与第二方向的夹角的真实值θ_real，按照同样上述流程进行信号源探测，得到第二方向的一组新的基线结果{L'₁、L'₂...L'_2k}，即第二相位差。

在步骤S103中，根据第二相位差与第一相位差，计算得出第二方向与第一方向夹角的第一测量值。

此步骤可以包括如下步骤，如图4所示：

步骤S301，根据第一相位差对第二相位差进行校正，得出第一校正值；

举例而言，可以对结果进行校正，得到校正后的不同基线的结果：{T1、T2、…T2k}，即第一校正值，校正公式可以为如下公式：

步骤S302，对第一校正值进行幅值相位变换，找出变换后幅值最大时对应的第一角频率；

举例而言，可对{T1、T2、…T2k}进行傅里叶变换，得到2k个结果，当然也可进行其他幅频变换，在此不作限定。找到最大值位置kmax，即为第一角频率：

步骤S303，根据第一角频率，计算得出第一测量值。

根据公式求得第一测量值θ_measure。

在步骤S104中，根据第一测量值和第二方向与第一方向夹角的真实值，计算得出第二方向的偏移误差。

可以通过以上步骤求得真实值θ_real和第一测量值θ_measure，然后通过如下公式：得出Δθ₀，Δθ₀即为第二方向的偏移误差。

如图5所示，本公开另一实施例提供了一种阵列天线近场标定方法的流程图，该方法可以包括如下步骤：

步骤S501，对阵列天线接收的第三方向的信号进行采样，得到第三采样信号，对第三采样信号进行运算，得出不同基线长度的第三相位差；

步骤S502，根据第三相位差与第一相位差，计算得出第三方向与第一方向夹角的第二测量值；

步骤S503，根据第二测量值与偏移误差，计算得出第三方向与第一方向夹角的真实值。

本示例实施例中第二测量值的计算方法与上面实施例中提到的第一测量值的计算方法相同，在此不再赘述。第三方向与第一方向夹角的真实值通过公式得出，此时求得的θ_real即为第三方向与第一方向夹角的真实值。

举例而言，先确定近场标定所需要的距离R，对阵列天线进行编号。在0°方位(此时0°方位即为第一方向)，R处架设标定源，标定源即为信号源，切换到相应的标定频点，标定源的方位通过标准设备得到，视精度的不同，标准设备可以是GPS或者北斗定向设备、全站仪或摄像头等，在此不做限定。

进一步地，可以按照事先确定的编号顺序，同时或顺序切换到各个接收通道，把各个接收通道的数字化结果记录下来，然后对数字化结果进行互相关运算，得到各个通道的幅度和相位误差。

可以将标定源放在45°方位(此时45°方位即为第二方向)，R距离不变，重复上述过程，得到标定源在45°方位，R处的各个通道的幅度和相位误差。对两个方位的相位误差进行校正，根据校正值得出标定源偏移角度的测量值(此时的测量值即为第一测量值)，然后根据计算公式：

求得偏移误差Δθ₀。

举例而言，相控阵雷达阵列天线的相位外校正场景如图6，主要标定用仪器设备可以包括天线阵面和喇叭天线两个部分。主要轴可以包括理想光轴、工作法线OA、工作45°和工作-45°四个轴。

理想光轴可以由安装在雷达天线阵面的光电瞄准镜初步确定，由于加工误差和装配误差，光电瞄准镜视场的十字架中心所得到的轴OA和理想光轴总会有一个固定的系统误差，通常要求这个误差满足Δθ₀＜1°。

工作法线是可以由光电瞄准镜确定，如在远处R处让喇叭天线位于光电瞄准镜的十字架中心。在此位置，通知雷达标定自己的工作法线(电轴)，即0°方向。

工作+45°方向可以由高精度测角设备得到，一旦0°工作法线确定后，可以旋转高精度测角设备到45°方向，在光电瞄准镜的十字架中心架设喇叭天线，此处即定义为雷达的工作45°方向。

也可将工作方向确定在-45°方向，其工作原理同+45°方向。

由于理想光轴和工作法线总存在一个Δθ₀误差，所以雷达测得的方位角需要进行修正，尤其是在大角度的时候。经过推导，雷达的直接测量值θ_measure、真实值θ_real和修正值之间服从如下公式：

综上，雷达系统相位外校正可以按照如下步骤进行：

可将全站仪(类似设备)架设在雷达天线中心，指向喇叭位置A点，与喇叭位置A点的距离为R；

雷达开机，接收喇叭发射的信号，进行第一次标定，此时雷达测量值显示为0°；

全站仪角度旋转45°，指向喇叭位置B点，R不变，读取雷达此时的测量值θ_measure；

将θ_real＝45°，θ_measure代入公式(1)，求得Δθ₀；

雷达正常工作，再进行一次-45°角度的标定，按照公式(1)实时计算目标的方位角度。

进一步地，对于信号源与参考点距离R的确定，根据项目的需求，如某项目要求对于最终的测角精度必须小于0.1°，那么，我们是按照如下步骤进行计算用以确定R值。

首先，在给定R和θ_real的前提下，按照上述编号方法和算法，对雷达进行标定，使得雷达最终输出目标的方位角度。

接着，保持R不变，变化不同的θ_real，得到雷达的θ_measure与θ_real的误差Δθ₀。

变化R进行仿真，把R从0到1000m进行变化，得到几个不同角度下的误差曲线如图7。

通过读取曲线，可以知道，按照该项目的天线尺寸，在距离R＝200m左右时，在测量45°目标时，出现最大误差0.02°，这代表此种测试方法带来的误差最大为0.02°，远远小于要求的0.1°

经过和要求测角精度的比对，最终确定200m为最近标定距离。

本实例实施例提供的一种阵列天线近场标定方法，根据偏移误差范围的要求，确定信号源的方位和距离，最终确定偏移误差，根据偏移误差和测量值对相控阵雷达进行标定。

需要说明的是，本文中“第一”、“第二”、“第三”仅仅用来区分名称相同的实体或操作，并不暗示这些实体或操作之间的顺序或关系。

本领域普通技术人员可以理解：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各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；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims

1.一种阵列天线近场标定方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的阵列天线近场标定方法，其特征在于，还包括：

3.根据权利要求1所述的阵列天线近场标定方法，其特征在于，所述根据所述第一测量值和所述第二方向与所述第一方向夹角的真实值，计算得出所述第二方向的偏移误差，

其计算公式为：

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4.根据权利要求2所述的阵列天线近场标定方法，其特征在于，所述根据所述第二测量值与所述偏移误差，计算得出所述第三方向与所述第一方向夹角的真实值，

其计算公式为：

5.根据权利要求1所述的阵列天线近场标定方法，其特征在于，所述对所述第一采样信号进行运算，包括：

所述对所述第二采样信号进行运算，包括：

6.根据权利要求2所述的阵列天线近场标定方法，其特征在于，所述对所述第三采样信号进行运算，包括：

7.根据权利要求1所述的阵列天线近场标定方法，其特征在于，

所述根据所述第二相位差与所述第一相位差，计算得出所述第一测量值，包括：

根据所述第一相位差对所述第二相位差进行校正，得出第一校正值；

根据所述第一角频率，计算得出所述第一测量值。

8.根据权利要求2所述的阵列天线近场标定方法，其特征在于，

所述根据所述第三相位差与所述第一相位差，计算得出所述第二测量值，包括：

根据所述第二角频率，计算得出所述第二测量值。

9.根据权利要求1所述的阵列天线近场标定方法，其特征在于，还包括：

10.根据权利要求9所述的阵列天线近场标定方法，其特征在于，确定所述R，包括：

对R进行赋值；

根据所述参考天线的偏移误差的范围要求确定R值。