CN109581279B - 一种超宽带多波束系统测向精度的校正方法及装置 - Google Patents

一种超宽带多波束系统测向精度的校正方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超宽带多波束系统测向精度的校正方法及装置，使用微波暗室平面测试系统对系统中间波束进行测试，记录平面近场测试数据；根据获得的平面近场测试数据反演获得天线单元口径场的幅度相位分布信息；判断天线口径场的幅度相位分布信息与理论值的误差是否满足要求；使用微波暗室平面测试系统对系统所有波束、全频段进行测试；根据获得的平面近场数据反演系统的远场方向图，将测向表写入系统中；完成波束校正补偿后，输入计算的码值，获得每个通道的校正参数。本发明具有简单方便的工程实施性,提高系统测向精度,尤其是目标频率偏离中心频率且目标方位偏离中间波束的情况,有利于后续目标跟踪处理。

Description

一种超宽带多波束系统测向精度的校正方法及装置
技术领域
本发明涉及一种宽带有源相控阵系统，尤其涉及的是一种超宽带多波束系统测向精度的校正方法及装置。
背景技术
为了适应复杂电磁环境条件下对多种电子信号的侦收需求，对天线系统提出了高增益、大瞬时带宽、宽空域覆盖、大动态范围、高测向精度等要求。罗特曼透镜是一种低剖面、轻重量、小体积的真时延网络，可以在宽扫面角度条件下实现宽带信号波束合成。基于罗特曼透镜的多波束天线系统具有全方位截获概率大、动态范围大、灵敏度高、多目标跟踪等特点。由于实际工程中设备的材料、加工和装配安装的不一致性，导致透镜波束形成性能与理想仿真结果存在差异，同时通道间的幅度、相位也存在差异，使得基于罗特曼透镜的超宽带天线系统的性能无法保证。
为保证系统性能的发挥，需要对通道、罗特曼透镜的幅度、相位进行校正，传统校正方法针对单一频点，单一波束进行幅度相位补偿。由于超宽带系统的瞬时带宽很宽，工作频段内的幅度、相位存在非线性且各通道间一致性存在差异，无法对整个频段内进行校正补偿；同时罗特曼透镜的所有波束输出是由所有通道共同作用形成，透镜波束形成网络中的幅度、相位误差无法同时对所有波束进行校正补偿；随着工作环境的变化，器件的状态随时间变化，系统性能会发生未知的变化。
采用多波束测向时，测向角度结果基于相邻波束幅度之比。实际上，只有在目标频率接近中心频率且目标方位接近中间波束时比较准确，当目标频率偏离中心频率时，由于系统的误差的存在，测向精度恶化，当目标方位偏离中心波束时，由于天线、透镜的特性导致测向精度恶化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，现有系统测向精度容易恶化，特别是目标频率偏移中心频率且目标方位偏离中心波束的情况测向精度更容易恶化，提供了一种超宽带多波束系统测向精度的校正方法及装置。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明的一种超宽带多波束系统测向精度的校正方法，包括以下步骤：
(1)波束校正补偿
具体过程如下：
(11)使用微波暗室平面测试系统对系统中间波束进行测试，记录平面近场测试数据；
(12)根据获得的平面近场测试数据反演获得天线单元口径场的幅度相位分布信息；
(13)判断天线口径场的幅度相位分布信息与理论值的误差是否满足要求，如果不满足要求，进入下一步，反之，则完成波束校正补偿；
(14)根据步骤(12)计算的幅度、相位值与理论值计算得到需要补偿的码值，在射频前端输入相应的码值补偿幅度、相位误差，然后进入步骤(11)测量校正后的结果；
(2)测向误差预处理
具体过程如下：
(21)使用微波暗室平面测试系统对系统所有波束、全频段进行测试；
(22)根据获得的平面近场数据反演系统的远场方向图，建立相邻波束幅度比与角度、工作频率对应的测向表；
(23)将测向表写入系统中；
(3)测向误差实时处理
具体过程如下：
(31)系统完成波束校正补偿后，输入计算的码值，获得每个通道的校正参数；
(32)系统正常工作时，在开机自检、校正及周期自检、校正过程中执行系统内校正，获得通道的实时校正参数；
(33)如果通道状态产生变化，可以根据实时校正参数和步骤(31)获取的校正参数计算新的码值，完成针对器件状态变化的实时校正。
所述波束校正补偿完成系统中间波束、中心频率的天线单元幅相误差、射频前端幅相误差、电缆组件幅相误差的校正补偿。
所述步骤(12)中，对近场测量数据在z＝d的扫描面上进行傅利叶变换，然后再z＝0的阵面口径面进行傅利叶逆变换，天线阵面口径面上任一点的切向场Ex,y(x,y,0)都可以由有限的离散值Ex,y(n,m)，重构得到：n，m为近场测量数据的横纵坐标，
Figure BDA0001855611380000021
N，M为横纵坐标最大值。
所述测向误差预处理中，测量系统不同工作频率的所有波束的远场方向图，根据实测方向图建立测向表，其中地址包含相邻波束幅度比的编码及工作频率等参数的编码，数据为实测角度数据，地址与数据一一对应。
所述测向误差实时处理步骤中，校正参数获取采用的方法是BIT检测校正法。校正信号通过校正网络馈入待检系统中，设通道电流矢量为an，θk角度的合成电场矢量E(θk)为：
Figure BDA0001855611380000031
矩阵表达式为：
Figure BDA0001855611380000032
Figure BDA0001855611380000033
选取适当的校正角度，构造N元线性方程，求解出通道的幅度相位信息。
一种利用所述的超宽带多波束系统测向精度的校正方法进行校正的装置，包括校正源、校正网络、射频电缆、校正处理板、校正接收机、光纤、微波暗室平面测试系统；所述校正源与校正网络的总口通过射频电缆连接，将校正信号传输给校正网络；所述校正网络与待测系统通过射频电缆连接；所述校正接收机与待测系统的波束口通过射频电缆连接；所述校正处理板与系统阵面波控通过光纤连接，校正处理板与校正接收机通过光纤连接；将微波暗室平面测试系统计算完成的波束校正补偿的码值存入校正处理板的存储器中，每次开机初始化过程中读取数据打入相应通道的射频前端中；测向误差预处理步骤中根据实测系统方向图建立的测向表存储于校正处理板的存储器中，由信号处理模块将接收机各个通道接收的数据求出相邻波束的幅度比，根据实测测向表数据校正测向误差；测向误差实时处理由校正源产生校正信号，通过校正网络将校正信号馈入每个通道的射频前端中，由校正处理板通过阵面控制打入N组码值，由校正接收机获得N组幅度、相位信息，反演求出各个通道的幅度、相位信息，获取校正参数。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明提出一种提高基于罗特曼透镜的超宽带有源天线系统测向精度的方法和装置,具有简单方便的工程实施性,提高系统测向精度,尤其是目标频率偏离中心频率且目标方位偏离中间波束的情况,有利于后续目标跟踪处理。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明的实施流程图；
图3是本发明10GHz方向图；
图4是本发明中测向预处理中由方向图得到的比幅-角度曲线图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1～图4所示，本实施例的提高基于罗特曼透镜的超宽带侦收测向精度的装置，包括天线阵面8、射频前端9、阵面控制10、罗特曼透镜11(40波束输出)、开关12、校正源1、校正网络2、校正处理板4、校正接收机5、暗室平面测试系统7、射频电缆3和光纤6；所述校正源1与校正网络2的总口通过射频电缆3连接，将校正信号传输给校正网络2；所述校正网络2与待测系统通过射频电缆3连接；所述校正接收机5与待测系统的波束口通过射频电缆3连接；所述校正处理板4与系统阵面波控13通过光纤6连接，校正处理板4与校正接收机5通过光纤6连接；将微波暗室平面测试系统7计算完成的波束校正补偿的码值存入校正处理板4的存储器中，每次开机初始化过程中读取数据打入相应通道的射频前端9中；测向误差预处理步骤中根据实测系统方向图建立的测向表存储于校正处理板4的存储器中，由信号处理模块将接收机各个通道接收的数据求出相邻波束的幅度比，根据实测测向表数据校正测向误差；测向误差实时处理由校正源1产生校正信号，通过校正网络2将校正信号馈入每个通道的射频前端9中，由校正处理板4通过阵面控制10打入N组码值，由校正接收机5获得N组幅度、相位信息，反演求出各个通道的幅度、相位信息，获取校正参数。
首先对系统进行波束校正补偿，系统按工作状态在微波暗室架设，天线阵面8面向采样架，天线阵面8与探头相距120mm，天线阵面8几何中心离地高度大于2m，系统21波束输出与测试系统由射频电缆3连接。系统架设调整完毕后，暗室平面测试系统7采用天线接收、探头发射模式，首先将系统幅度、相位码值置为零态，探头在天线阵面8近场范围内逐行扫描，获得z＝120mm扫描面上的近场测量数据。
由公式：
Figure BDA0001855611380000041
n，m为近场测量数据的横纵坐标，N，M为横纵坐标最大值。
可以计算出天线口径面的幅度、相位分布，通过21波束理论口径幅度、相位和实际测试差值计算系统的波控码值，由于移相器和衰减器本身存在寄身调幅和寄身调相，需要反复校正几次以达到波束校正补偿至系统精度以内，最终校正补偿的码值记录下来。波束校正只是针对中心波束、中心频率的误差校正，本实施例的扫描角度覆盖-45°到+45°，瞬时工作带宽4GHz，校正补偿的码值在波束、频率偏离中心的情况下波束形状与理论形状存在误差，明显影响测向精度。
完成波束校正补偿后进行测向误差预处理，系统仍按波束校正补偿状态在微波暗室架设，暗室平面测试系统7采用天线接收、探头发射多波位测试模式，将系统幅度、相位码值置为波束校正补偿记录的码值，探头在天线阵面8近场范围内逐行扫描，在每个测试点暗室平面测试系统7完成频点、波位的切换，获得z＝120mm扫描面上的多频点多波位的近场测试数据，通过近场远场变换得到多频点的所有波束方向图，根据实测波束方向图确定相邻波束的角度中心，图4示例中为1.25°，随后确定有效角范围，图4示例中取为0.1°～2.4°，对有效角范围内的相邻波束比幅曲线进行拟合处理，得到图4示例的数据，对频率、幅度比、角度进行量化处理，随后建立测向表，频率、波束序号、幅度比信息对应表的地址，角度为数据，数据与地址一一对应。测向表存储于校正处理板4，系统测向工作时，根据波束序号、工作频率、相邻波束幅度比查表得到测向角度，精度较校正前明显提高。
随后进行测向误差实时处理，系统按工作状态完成架设，开启校正信号，通过校正网络2馈入系统射频前端9中，依次打入54组幅度、相位码值(对应54个射频前端9)，记录54组波束幅度、相位信息，通过下述公式可以反解出54通道的校正参数，将系数存储于校正处理板4中。在后续系统工作中，器件状态可能发生变化，工作前通过测向误差实时处理可以监测通道实时状态，通过与校正参数对比，完成对变化通道的校正，提高系统测向精度。
校正参数获取采用的方法是BIT检测校正法。校正信号通过校正网络2馈入待检系统中，设通道电流矢量为an，θk角度的合成电场矢量E(θk)为
Figure BDA0001855611380000051
矩阵表达式可写为
Figure BDA0001855611380000061
Figure BDA0001855611380000062
合理选取校正角度，构造N元线性方程、可以求解出通道的幅度相位信息。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超宽带多波束系统测向精度的校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)波束校正补偿
具体过程如下：
(11)使用微波暗室平面测试系统对系统中间波束进行测试，记录平面近场测试数据；
(12)根据获得的平面近场测试数据反演获得天线单元口径场的幅度相位分布信息；
(13)判断天线口径场的幅度相位分布信息与理论值的误差是否满足要求，如果不满足要求，进入下一步，反之，则完成波束校正补偿；
(14)根据步骤(12)计算的幅度、相位值与理论值计算得到需要补偿的码值，在射频前端输入相应的码值补偿幅度、相位误差，然后进入步骤(11)测量校正后的结果；
所述步骤(12)中，对近场测量数据在z＝d的扫描面上进行傅利叶变换，然后再z＝0的阵面口径面进行傅利叶逆变换，天线阵面口径面上任一点坐标(x,y)的切向场Ex,y(x,y,0)都可以由有限的离散值Ex,y(n,m)，重构得到：n，m为近场测量数据的横纵坐标，
Figure FDA0002457788620000011
N，M为横纵坐标最大值；
(2)测向误差预处理
具体过程如下：
(21)使用微波暗室平面测试系统对系统所有波束、全频段进行测试；
(22)根据获得的平面近场数据反演系统的远场方向图，建立相邻波束幅度比与角度、工作频率对应的测向表；
(23)将测向表写入系统中；
(3)测向误差实时处理
具体过程如下：
(31)系统完成波束校正补偿后，输入计算的码值，获得每个通道的校正参数；
(32)系统正常工作时，在开机自检、校正及周期自检、校正过程中执行系统内校正，获得通道的实时校正参数；
(33)如果通道状态产生变化，可以根据实时校正参数和步骤(31)获取的校正参数计算新的码值，完成针对器件状态变化的实时校正。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带多波束系统测向精度的校正方法，其特征在于，所述波束校正补偿完成系统中间波束、中心频率的天线单元幅相误差、射频前端幅相误差、电缆组件幅相误差的校正补偿。
3.根据权利要求1所述的一种超宽带多波束系统测向精度的校正方法，其特征在于，所述测向误差预处理中，测量系统不同工作频率的所有波束的远场方向图，根据实测方向图建立测向表，其中地址包含相邻波束幅度比的编码及工作频率等参数的编码，数据为实测角度数据，地址与数据一一对应。
4.根据权利要求1所述的一种超宽带多波束系统测向精度的校正方法，其特征在于，所述测向误差实时处理步骤中，校正参数获取采用的方法是BIT检测校正法，校正信号通过校正网络馈入待检系统中，设通道电流矢量为an，θk角度的合成电场矢量Ε(θk)为：
Figure FDA0002457788620000021
矩阵表达式为：
Figure FDA0002457788620000022
Figure FDA0002457788620000023
选取适当的校正角度，构造N元线性方程，求解出通道的幅度相位信息。
5.一种利用如权利要求1所述的超宽带多波束系统测向精度的校正方法进行校正的装置，其特征在于，包括校正源、校正网络、射频电缆、校正处理板、校正接收机、光纤、微波暗室平面测试系统；所述校正源与校正网络的总口通过射频电缆连接，将校正信号传输给校正网络；所述校正网络与待测系统通过射频电缆连接；所述校正接收机与待测系统的波束口通过射频电缆连接；所述校正处理板与系统阵面波控通过光纤连接，校正处理板与校正接收机通过光纤连接；将微波暗室平面测试系统计算完成的波束校正补偿的码值存入校正处理板的存储器中，每次开机初始化过程中读取数据打入相应通道的射频前端中；测向误差预处理步骤中根据实测系统方向图建立的测向表存储于校正处理板的存储器中，由信号处理模块将接收机各个通道接收的数据求出相邻波束的幅度比，根据实测测向表数据校正测向误差；测向误差实时处理由校正源产生校正信号，通过校正网络将校正信号馈入每个通道的射频前端中，由校正处理板通过阵面控制打入N组码值，由校正接收机获得N组幅度、相位信息，反演求出各个通道的幅度、相位信息，获取校正参数。
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