CN108226884B - 一种有源相控阵雷达天线近场校准的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有源相控阵雷达天线近场校准的方法，主要解决现有技术中存在的校准扫描范围大、精度低、计算工作量大等问题。包括以下步骤：标定通道序号，建立通道映射关系；配置失网的频率参数，输入通道间间距；天线单元依次加电；逐一设置天线单元通道幅度为0，相位为0度，该天线单元剩余通道设置极点；再将通道幅度设置为0，相位为180度；求得通道的第一实时幅度和第一实时相位；将通道幅度设置为0，相位依次置K度和180+K度，求得通道的第二实时幅度和第二实时相位；将第一实时相位的数据反打至通道。本发明具有校准效率高、能耗低、精度高、计算工作量少等优点，在有源相控阵雷达天线技术领域具有广阔的市场前景和推广价值。

Description

一种有源相控阵雷达天线近场校准的方法
技术领域
本发明涉及有源相控阵雷达天线技术领域，尤其是一种有源相控阵雷达天线近场校准的方法。
背景技术
相控阵雷达，即相位控制电子扫描阵列雷达，利用大量个别控制的小型天线元件排列成天线阵面，每个天线单元都由独立的开关控制，基于惠更斯原理通过控制各天线元件发射的时间差，就能合成不同相位(指向)的主波束，而且在两个轴向上均可进行相位变化。相控阵雷达分为无源相控阵雷达和有源相控阵雷达两种，有源相控阵雷达较无源相控阵雷达更优异。相控阵雷达具有波束指向灵活，可同时形成多个独立波束，目标容量大，适应能力强，抗干扰性良好等优点，被广泛运用于雷达探测领域。
目前，有源相控阵雷达天线近场校准多采用天线组装后整体通电，并进行整体扫描校准的方式，其扫描的范围呈矩形状。但是，采用整体扫描的方式存在以下不足之处，第一，由于相控阵雷达天线不一定成完全规则的矩形，因此，为了校准齐全，波控探头势必存在非天线区域的的扫描、采集，如此一来，增加了波控探头采集工作量，如图2所示，传统的检测校准至少需要采集144个点。第二，采用整体上电，并配合波控探头移动采集，相控阵雷达天线任意通道均产生能量辐射，在采集过程中，波控探头采集点容易受周边通道辐射干扰，通道辐射干扰将直接影响雷达天线的幅度和相位，若校准的幅度和相位并非真实值，将影响雷达天线的发送或接受信号的性能，使天雷天线无法满足用户需求。另外，波控探头所测量的幅度和相位需要经过傅里叶运算才能获得较为真正的幅度和相位数据。不仅增加了计算工作量，还降低了校准精度，直接影响有源相控阵雷达天线生产质量。
因此，急需提出一种有源相控阵雷达天线近场校准的方法，以克服校准扫描范围大、计算工作量大、校准精度低等问题，实现精准、高效、快捷校准，降低各通道间的辐射干扰，使有源相控阵雷达天线近场校准更简便。
发明内容
针对上述不足之处，本发明的目的在于提供一种有源相控阵雷达天线近场校准的方法，主要解决现有技术中存在的校准扫描范围大、计算工作量大、校准精度低等问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种有源相控阵雷达天线近场校准的方法，包括以下步骤：
步骤S01，以相控阵雷达天线正面为基准，标定相控阵雷达天线各通道序号，建立通道序号与相控阵雷达天线正面通道的映射关系，其中，所述相控阵雷达天线由数个平行排列的天线单元组成，并且该天线单元由至少4个通道组成，按照通道序号顺序标定天线单元编号。
步骤S02，配置近场校准矢网的频率参数，并将相控阵雷达天线各通道间的实际加工距离输入至矢网，用于排除相控阵雷达天线加工精度造成的校准误差。
步骤S03，根据天线单元编号顺序逐一加电，并设置其他天线单元为断电状态，直至天线单元加电完毕；当前加电的该天线单元的通道序号为N，其中N为自然数。
步骤S04，将当前加电的天线单元的第N通道幅度设置为0，相位设置为0度，该天线单元剩余通道均置极点，采集该通道对应第一实部Re1和第一虚部Im1；再将该通道设置幅度为0，相位为180度，该天线单元剩余通道保持极点，采集该通道对应的第二实部Re2和第二虚部Im2，将该天线单元的第N通道的第一实部Re1与第二实部Re2去偶得到实部Re，将该天线单元的第N通道的第一虚部Im1与第二虚部Im2去偶得到虚部Im。
根据通道的幅度A和相位Ψ的公式：
Figure GDA0002675106740000021
Figure GDA0002675106740000031
其中，Re表示通道的实部，Im表示通道的虚部，log为对数函数，arctan为反正切函数，π为圆周率；
求得天线单元的第N通道当前的第一实时幅度A1和第一实时相位Ψ1。
步骤S05，重复步骤S04，依次设置该天线单元的其余通道幅度和相位，求得该天线单元所有通道的第一实时幅度A1和第一实时相位Ψ1。
步骤S06，保持当前加电的天线单元的第N通道的幅度设置为0，相位依次置K度和180+K度，该天线单元剩余通道均置极点，采集天线单元对应的第三实部Re3、第三虚部Im3、第四实部Re4和第四虚部Im4，将第三实部Re3与第四实部Re4、第三虚部Im3与第四虚部Im4进行去偶处理，根据公式①和②求得第N通道相位为K度和180+K度时该通道对应的第二实时幅度A2和第二实时相位Ψ2。
步骤S07，重复步骤S06至少2次，设置K的度数逐次增加均匀间隔T度，并累积第二实时相位Ψ2，用于检验通道间的距离，其中，K和T均为正整数。
步骤S08，根据通道第一实时相位Ψ1的数据，对相控阵雷达天线各通道进行反打，将各通道相位补偿至0度，并生成相位补偿至0度对应的幅度和相位补偿数据。
进一步地，所述步骤S02中，配置近场校准矢网的频率参数包括开始频率、结束频率和频率间距。
优选地，所述步骤S07中，K和T均为4。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明巧妙地将有源相控阵雷达天线的各通道进行标定，给通道设定序号的目的在于为波控探头采集数据提供一个行进路线，克服传统校准整体采集数据繁多的问题，进而，减少波控探头采集工作量，提高校准效率。另外，标定通道并建立与相控阵雷达天线正面通道的映射关系，波控探头采集的通道的位置即为天线通道实际空间位置，不仅能直观观察每一通道的幅度和相位数据，在通道故障时，也能快速确定故障通道位置，免去通道与采集数据对应查找的过程，解决故障通道查找错误的问题。
(2)本发明采用单一天线单元加电的方式，不仅仅可以排除相邻通道的辐射干扰，还能降低校准过程中有源相控阵雷达天线能耗。具体地，天线单元作为雷达天线加电最小单元，将加电的天线单元某一通道设置为零输入，该天线的其他通道则设置为极点，此时，波控探头检测到该通道的当前实部和虚部，经简单换成即可得到该通道的幅度和相位，将传统繁琐的计算相比，大大减少了计算工作量，获得的幅度和相位数据更为准确，如此一来，为雷达天线反打提供了保障。
(3)本发明通过对通道设置相位角度的逐次增加，通过多次增加相位角度获得的当前实时相位，用于判定实时相位增加的角度与设置角度增加的对应关系，用于判定该校准通道的运行状况，为通道故障排除提供保障。不仅如此，通过将相位0度和180度对应的相位进行反打至雷达天线，将天线输出的相位角度统一补充至0度，提供雷达天线输出的精度。
附图说明
图1为本发明的校准流程图。
图2为本发明的通道序号图。
图3为本发明的天线单元编号图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1至图3所示，本发明提供了一种有源相控阵雷达天线近场校准的方法，目的在于减少计算工作量，提高校准效率，降低通道间的干扰，具体包括以下步骤：
第一步，以相控阵雷达天线正面为基准，标定相控阵雷达天线各通道序号，通道序号如图2所示，该控阵雷达天线包括128个通道，建立通道序号与相控阵雷达天线正面通道的映射关系，其中，所述相控阵雷达天线由32块平行排列的天线单元组成，并且该天线单元由4个通道组成，按照通道序号顺序标定天线单元编号。
第二步，配置近场校准矢网的频率参数，并将相控阵雷达天线各通道间的实际加工距离输入至矢网，用于排除相控阵雷达天线加工精度造成的校准误差。其中，配置近场校准矢网的频率参数包括开始频率、结束频率和频率间距。
第三步，根据天线单元编号顺序逐一加电，并设置其他天线单元为断电状态，直至天线单元加电完毕。以0号天线单元为例，该0号天线单元的通道号为0号至3号。
第四步，将0号天线单元的第0号通道幅度设置为0，相位设置为0度，该天线单元1至3号通道均置极点，采集该通道对应第一实部Re1和第一虚部Im1。再将0号通道设置幅度为0，相位为180度，1至3号通道均置极点，采集该通道对应的第二实部Re2和第二虚部Im2，将该天线单元的第N通道的第一实部Re1与第二实部Re2去偶得到实部Re，将该天线单元的第N通道的第一虚部Im1与第二虚部Im2去偶得到虚部Im。并求得0号天线单元的第0号通道当前的第一实时幅度A1和第一实时相位Ψ1；
第五步，重复第四步，依次设置该天线单元的其余通道幅度和相位，求得该天线单元0-3号通道的第一实时幅度A1和第一实时相位Ψ1。依次类推，直至求得32块天线单元的128个通道的第一实时幅度A1和第一实时相位Ψ1。
第六步，保持0号天线单元的第0号通道的幅度设置为0，相位依次置4度和184度，该0至3号通道均置极点，采集天线单元对应的第三实部Re3、第三虚部Im3、第四实部Re4和第四虚部Im4，将第三实部Re3与第四实部Re4、第三虚部Im3与第四虚部Im4进行去偶处理，求得第0号通道相位为4度和184度时该通道对应的第二实时幅度A2和第二实时相位Ψ2。如当0号通道的相位设置为0度时，计算出该通道实时相位为20度，那么，当0号通道的相位置为4度时，该通道的实时相位应当是叠加后的24±1度，
第七步，以此类推，保持0号通道的幅度不变，将其相位依次设置为8度/188度，12度/192度，计算出三组实时相位值。判定三组实时相位值叠加后的间隔是否均匀，若间隔均匀并且为增加的相位度数值，则说明该通道完好。否则，需要对该通道进行故障检测。
第八步，根据通道第一实时相位Ψ1的数据，对相控阵雷达天线各通道进行反打，如0号通道的第一实时相位为20度，此时，需要将该通道相位补偿至0度，使雷达天线通道值0度时，计算出的实时相位也为0度，如此一来，便将所有的通道设置成相同的初始相位，排除通道本身对相控阵雷达天线信号的影响。将第一实时相位反打至雷达天线通道后，需要再次采集每一个通道的幅度，根据有源相控阵雷达天线用户需求，得到所需的幅度补充数据。如此一来，便完成对有源相控阵雷达天线各通道的校准。
本发明巧妙地利用相控阵雷达天线的各天线单元和通道位置关系，以最小加电单元进行幅度和相位检测，并结合雷达天线通道结构加工的间距，排除因加工精度差异，造成校准数据误差。在每一个通道设置时，本天线单元的其他通道均置极点，如此一来，便能降低周边通道对该测试通道的实部和虚部干扰，提高幅度和相位校准的精度。另外，采用最小天线单元加电，还能降低校准过程中的能耗。不仅如此，通过计算所得的实时相位反打至对应的通道，将所有通道相位均规成零相位输出，如此，解决各通道制造差异对相控阵雷达天线信号发射和接收的影响的问题。并且，本发明仅通过简单的换算即可得到任意通道的准确相位和幅度，较传统繁琐的计算更为简便。可以说，本发明具有校准效率高、校准能耗低、计算工作量少、校准精度高等优点，与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，在有源相控阵雷达天线技术领域具有广阔的市场前景和推广价值。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种有源相控阵雷达天线近场校准的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01，以相控阵雷达天线正面为基准，标定相控阵雷达天线各通道序号，建立通道序号与相控阵雷达天线正面通道的映射关系，其中，所述相控阵雷达天线由数个平行排列的天线单元组成，并且该天线单元由至少4个通道组成，按照通道序号顺序标定天线单元编号；
步骤S02，配置近场校准矢网的频率参数，并将相控阵雷达天线各通道间的实际加工距离输入至矢网，用于排除相控阵雷达天线加工精度造成的校准误差；
步骤S03，根据天线单元编号顺序逐一加电，并设置其他天线单元为断电状态，直至天线单元加电完毕；当前加电的该天线单元的通道序号为N，其中N为自然数；
步骤S04，将当前加电的天线单元的第N通道幅度设置为0，相位设置为0度，该天线单元剩余通道均置极点，采集该通道对应第一实部Re1和第一虚部Im1；再将该通道设置幅度为0，相位为180度，该天线单元剩余通道保持极点，采集该通道对应的第二实部Re2和第二虚部Im2，将该天线单元的第N通道的第一实部Re1与第二实部Re2去偶得到实部Re，将该天线单元的第N通道的第一虚部Im1与第二虚部Im2去偶得到虚部Im；
根据通道的幅度A和相位Ψ的公式：
Figure FDA0002675106730000011
Figure FDA0002675106730000012
求得天线单元的第N通道当前的第一实时幅度A1和第一实时相位Ψ1；
步骤S05，重复步骤S04，依次设置该天线单元的其余通道幅度和相位，求得该天线单元所有通道的第一实时幅度A1和第一实时相位Ψ1；
步骤S06，保持当前加电的天线单元的第N通道的幅度设置为0，相位依次置K度和180+K度，该天线单元剩余通道均置极点，采集天线单元对应的第三实部Re3、第三虚部Im3、第四实部Re4和第四虚部Im4，将第三实部Re3与第四实部Re4、第三虚部Im3与第四虚部Im4进行去偶处理，根据公式①和②求得第N通道相位为K度和180+K度时该通道对应的第二实时幅度A2和第二实时相位Ψ2；
步骤S07，重复步骤S06至少2次，设置K的度数逐次增加均匀间隔T度，并累积第二实时相位Ψ2，用于检验通道间的距离，其中，K和T均为正整数；
步骤S08，根据通道第一实时相位Ψ1的数据，对相控阵雷达天线各通道进行反打，将各通道相位补偿至0度，并生成相位补偿至0度对应的幅度和相位补偿数据。
2.根据权利要求1所述的有源相控阵雷达天线近场校准的方法，其特征在于，所述步骤S02中，配置近场校准矢网的频率参数包括开始频率、结束频率和频率间距。
3.根据权利要求1或2所述的有源相控阵雷达天线近场校准的方法，其特征在于，所述步骤S07中，K和T均为4。
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