CN109765437A - 一种全空域相控阵天线的模拟曲面校准系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全空域相控阵天线的模拟曲面校准系统及方法,包括计算机设备、空间位置测量组件、校准天线组件、被测相控阵天线和数字信号处理平台；所述数字信号处理平台分别与校准天线组件、被测相控阵天线和计算机设备连接，计算机设备还与空间位置测量组件连接；所述计算机设备，用于控制校准天线组件与被测相控阵天线的相对位置关系形成理想电曲面，实现全向目标模拟，同时将空间位置测量组件的测量结果传输给数字信号处理平台，并对数字信号处理平台的校准工作进行控制；数字信号处理平台，用于根据计算机设备的信号控制指令，完成被测相控阵天线的标校。本发明实现了全向目标模拟和对全空域相控阵的高效标校，有利于保证天线的工作性能。

Description

一种全空域相控阵天线的模拟曲面校准系统及方法

技术领域

本发明涉及天线校准，特别是涉及一种全空域相控阵天线的模拟曲面校准系统进行天线校准的方法。

背景技术

目前，在移动通信基站、探测站、卫星通信等无线电设备中，相控阵天线应用越来越广泛。相控阵天线的波束形成、波束控制、搜索捕获的精度取决于天线阵元的初始相位精度和移相精度，采用数字波束形成的相控阵天线具有极高的移相精度，所以天线面阵元初始相位精度标校就成为该天线工作性能的决定性因素。影响天线面阵元相位的因素主要有两个方面：一是阵面结构及阵元安装误差引入的阵元空间位置误差；二是天线阵元及TR组件性能不一致引起的各阵元发射接收信号的相位变化；这两种误差都会引起通道的不一致性。

因此，相控阵天线经过标校，才能有效指向、跟踪目标，建立无线电链路；就目前而言一维相控阵天线、二维平面相控阵天线都有成熟的标校方法，但对于三维全空域相控阵天线，如用类似一维和二维的校准方法，会存在工作量大、可行性差、误差大的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种全空域相控阵天线的模拟曲面校准系统进行天线校准的方法，通过控制校准天线组件与被测相控阵天线的相对位置关系形成理想电曲面，实现全向目标模拟，进而对全空域相控阵天线通道一致性、天线指向性能进行高效标校，有利于保证天线的工作性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种全空域相控阵天线的模拟曲面校准系统，包括计算机设备、空间位置测量组件、校准天线组件、被测相控阵天线和数字信号处理平台；

所述数字信号处理平台分别与校准天线组件、被测相控阵天线和计算机设备连接，所述计算机设备还与空间位置测量组件连接；

所述计算机设备，用于控制校准天线组件与被测相控阵天线的相对位置关系形成理想电曲面，实现全向目标模拟，同时将空间位置测量组件的测量结果传输给数字信号处理平台，并对数字信号处理平台的校准工作进行控制；

所述数字信号处理平台，用于根据计算机设备的信号控制指令，对被测相控阵天线的各个天线阵元的幅度、相位和收发通道进行控制，对校准过程中的发射信号幅度、相位进行控制；并接收来自校准天线组件、被测相控阵天线和计算机设备的信息完成被测相控阵天线的标校。

进一步地，所述计算机设备包括：

电曲面控制单元，用于控制校准天线组件与被测相控阵天线的相对位置关系模拟理想电曲面；

测量控制单元，用于控制空间测量组件测量校准天线组件和被测相控阵天线的空间位置信息，接收测量结果传输给数字信号处理平台；

指令生成单元，用于生成信号控制指令和通道控制指令发送给数字信号处理平台。

进一步地，所述数字信号处理平台包括：信号控制模块，用于接收计算机设备的信号控制指令，对被测相控阵天线的各个天线阵元的幅度、相位进行控制，对校准过程中的发射信号幅度、相位进行控制；收发通道控制模块，用于接收计算机设备的通道控制指令，对被测相控阵天线的信号收发通道进行控制；幅相测量模块，用于接收来自校准天线组件和被测相控阵天线的信息，完成校准天线组件和被测相控阵天线的幅相测量；标校模块，用于结合校准天线组件的空间位置信息、被测相控阵天线的空间位置信息和幅相测量结果，对被测相控阵天线进行标校。

进一步地，所述空间位置测量组件包括光学仪器，所述光学仪器的数据控制端口与计算机设备连接；所述校准天线组件包括一根或多根校准天线。

一种全空域相控阵天线的模拟曲面校准系统进行天线校准的方法，包括以下步骤：

S1.计算机设备控制校准天线组件与被测相控阵天线的相对位置关系形成理想电曲面，实现全向目标模拟；

S2.计算机设备向控制空间测量组件测量校准天线组件和被测相控阵天线的空间位置信息，接收测量结果传输给数字信号处理平台；并生成信号控制指令和通道控制指令发送给数字信号处理平台；

S3.数字信号处理平台根据计算机设备的信号控制指令，对被测相控阵天线的各个天线阵元的幅度、相位和收发通道进行控制，对校准过程中的发射信号幅度、相位进行控制；并接收来自校准天线组件、被测相控阵天线和计算机设备的信息完成被测相控阵天线的标校。

所述步骤S1中计算机设备控制校准天线组件与被测相控阵天线的相对位置关系形成理想电曲面，实现全向目标模拟的方式包括但不限于如下四种：

第一，将校准天线安装于弧形同轴标校杆上，计算机设备控制弧形同轴标校杆旋转近似形成理想电曲面，实现全向目标模拟；

第二，将被测相控阵天线安装于三维云台上，一个或多个校准天线安装于符合远场条件的固定位置，计算机设备通过三维云台控制被测相控阵天线旋转近似形成理想电曲面，实现全向目标模拟；

第三，利用不同高度的标校杆，在不同方位、俯仰角安装位置、角度、距离精确标定的校准天线，近似形成理想电曲面，实现全向目标模拟；

第四，将校准天线安装在带有机载校准设备的飞行器上，控制飞行器围绕被测天线飞行，实现在不同方位、俯仰角的位置、角度、距离精确标定，近似形成理想电曲面，实现全向目标模拟。

本发明的有益效果是：本发明通过控制校准天线组件与被测相控阵天线的相对位置关系形成理想电曲面，实现全向目标模拟，进而对全空域相控阵天线通道一致性、天线指向性能、进行高效标校，有利于保证天线的工作性能。

附图说明

图1为本发明的系统原理框图；

图2为本发明的方法流程图；

图3为第一个实施例中校准系统的架构示意图；

图4为第二个实施例中校准系统的架构示意图；

图5为第三个实施例中校准系统的架构示意图；

图6为第四个实施例中校准系统的架构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种全空域相控阵天线的模拟曲面校准系统，包括计算机设备、空间位置测量组件、校准天线组件、被测相控阵天线和数字信号处理平台；

所述数字信号处理平台分别与校准天线组件、被测相控阵天线和计算机设备连接，所述计算机设备还与空间位置测量组件连接；

所述计算机设备，用于控制校准天线组件与被测相控阵天线的相对位置关系形成理想电曲面，实现全向目标模拟，同时将空间位置测量组件的测量结果传输给数字信号处理平台，并对数字信号处理平台的校准工作进行控制；

所述数字信号处理平台，用于根据计算机设备的信号控制指令，对被测相控阵天线的各个天线阵元的幅度、相位和收发通道进行控制，对校准过程中的发射信号幅度、相位进行控制；并接收来自校准天线组件、被测相控阵天线和计算机设备的信息完成被测相控阵天线的标校。

其中，所述计算机设备包括：

电曲面控制单元，用于控制校准天线组件与被测相控阵天线的相对位置关系模拟理想电曲面；

测量控制单元，用于控制空间测量组件测量校准天线组件和被测相控阵天线的空间位置信息，接收测量结果传输给数字信号处理平台；

指令生成单元，用于生成信号控制指令和通道控制指令发送给数字信号处理平台。

所述数字信号处理平台包括：信号控制模块，用于接收计算机设备的信号控制指令，对被测相控阵天线的各个天线阵元的幅度、相位进行控制，对校准过程中的发射信号幅度、相位进行控制；收发通道控制模块，用于接收计算机设备的通道控制指令，对被测相控阵天线的信号收发通道进行控制；幅相测量模块，用于接收来自校准天线组件和被测相控阵天线的信息，完成校准天线组件和被测相控阵天线的幅相测量；标校模块，用于结合校准天线组件的空间位置信息、被测相控阵天线的空间位置信息和幅相测量结果，对被测相控阵天线进行标校。所述空间位置测量组件包括光学仪器，所述光学仪器的数据控制端口与计算机设备连接；所述校准天线组件包括一根或多根校准天线。

如图2所示，一种全空域相控阵天线的模拟曲面校准系统进行天线校准的方法，包括以下步骤：

S1.计算机设备控制校准天线组件与被测相控阵天线的相对位置关系形成理想电曲面，实现全向目标模拟；

S2.计算机设备向控制空间测量组件测量校准天线组件和被测相控阵天线的空间位置信息，接收测量结果传输给数字信号处理平台；并生成信号控制指令和通道控制指令发送给数字信号处理平台；

S3.数字信号处理平台根据计算机设备的信号控制指令，对被测相控阵天线的各个天线阵元的幅度、相位和收发通道进行控制，对校准过程中的发射信号幅度、相位进行控制；并接收来自校准天线组件、被测相控阵天线和计算机设备的信息完成被测相控阵天线的标校。

所述步骤S1中计算机设备控制校准天线组件与被测相控阵天线的相对位置关系形成理想电曲面，实现全向目标模拟的方式包括但不限于如下四种：

第一，将校准天线安装于弧形同轴标校杆上，计算机设备控制弧形同轴标校杆旋转近似形成理想电曲面，实现全向目标模拟；

第二，将被测相控阵天线安装于三维云台上，一个或多个校准天线安装于符合远场条件的固定位置，计算机设备通过三维云台控制被测相控阵天线旋转近似形成理想电曲面，实现全向目标模拟；

第三，利用不同高度的标校杆，在不同方位、俯仰角安装位置、角度、距离精确标定的校准天线，近似形成理想电曲面，实现全向目标模拟。

第四，将校准天线安装在带有机载校准设备的飞行器上，控制飞行器围绕被测天线飞行，实现在不同方位、俯仰角的位置、角度、距离精确标定，近似形成理想电曲面，实现全向目标模拟。

在本申请的第一个实施例中，采用弧形同轴标校杆旋转模拟理想电曲面，该实施例中校准系统如图3所示，具体地，所述校准天线组包含n根均匀安装在弧形同轴标校杆上的校准天线；每一个校准天线均通过传输线与数字信号处理平台连接，各个校准天线的幅度特性为A_cal，相位特性为θ_cal；所述被测相控阵天线包括m个天线阵元，每一个所述的天线阵元均与通过传输线与数字信号处理平台连接；所述数字信号处理平台到各个天线阵元和各个校准天线的传输线严格等长；

所述计算机设备包含五个端口，计算机设备的第一个端口A连接至数字信号处理平台的信号控制模块，向数字信号处理平台传输信号控制指令；计算机设备的第二个端口B连接至弧形同轴标校杆的位置控制端口，控制弧形同轴标校杆以被测相控阵天线轴心为中心模拟理想电曲面进行转动；计算机设备的第三个端口C连接至数字信号处理平台的收发通道控制模块，向数字信号处理平台传输通道控制指令；计算机设备的第四个端口D连接至数字信号处理平台的标校模块，用于将来自光学仪器的信息传输给数字信号处理平台；计算机设备的第五个端口E连接至光学仪器的数据控制端口，控制光学仪器测量校准天线组和被测相控阵天线的空间位置信息，并从光学仪器接收测量结果。

在进行校准时，按照如下步骤进行：

1.将被测相控阵天线的天线阵元分为I组，设每组天线阵元的个数为k，在本申请的实施例中，校准天线的个数n≥1；k小于或等于校准天线的个数n,在k等于n时，校准过程中所有校准天线均需要进行工作，当k小于n时，只需要前k个校准天线工作即可；具体地，在该实施例中，可以令k＝n＝4；

2.计算机设备控制弧形标校杆以被测相控阵天线轴心为中心，模拟理想电曲面进行转动；直至弧形同轴标校杆上的校准天线组与被测相控阵天线的第i组天线阵元中心法线共面；

3.计算机设备控制光学仪器测量第p个校准天线的空间坐标P_Calp(x_Calp,y_Calp,z_Calp)和第i组天线阵元中第q个天线阵元的空间坐标P_Antq(x_Antq,y_Antq,z_Antq)，其中p＝1,2,3……k，q＝1,2,3……k，光学仪器将测量结果传输给计算机设备；计算机设备将接收到的信息传输给数字信号处理平台；数字信号处理平台根据P_Calp、P_Antq和校准频率计算出由相对位置造成的第p个校准天线和第q个天线阵元之间的幅度差A_{q_p}、相位差θ_{q_p}；

4.在不同的移相值下，对第i组天线阵元的发射通道相位误差进行标校：

4.1.在计算机设备的信号控制指令和通道控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线，打开第i组天线阵元的发射通道，将第i组中天线阵元幅度设置为A_{con_tiq}，相位设置为θ_{con_tiq}，并关闭其余组所有的天线阵元；

4.2.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线发送信号，并设置发射信号的幅度为A_tiq相位为θ_tiq，校准天线组接收信号并传输给数字信号处理平台，数字信号处理平台测量校准天线组接收到的来自被测相控阵天线第i组第q个天线阵元的信号幅度A_riq和信号相位θ_riq；

4.3.数字信号处理平台按照如下关系：

计算出发射链路校准需要补偿的差量：

其中，表示经过第q个天线阵元和第p个校准天线的链路总的幅相传输系数；

4.4.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线第i组上所有天线阵元发射通道的相位θ_{con_tiq}从-π变化至π，重复步骤4.1～4.3，依次对第i组天线阵元的发射通道在不同的移相值下的相位误差进行标校，得到第i组天线阵元的发射通道校准参数对第i组天线进行补偿校准。

5.在不同的移相值下，对第i组天线阵元的接收通道相位误差进行标校:

5.1.在计算机设备的信号控制指令和通道控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线，打开第i组天线阵元的接收通道，将第i组中天线阵元幅度设置为A_{con_tiq}，相位设置为θ_{con_tiq}，并关闭其余组所有的天线阵元；

5.2.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制校准天线组发送信号，并设置发射信号的幅度为A_tiq相位为θ_tiq，被测相控阵天线通过第i组天线阵元的接收通道接收信号传输给数字信号处理平台，数字信号处理平台测量被测相控阵天线第i组第q个天线阵元接收到的信号幅度A_riq和信号相位θ_riq；

5.3.数字信号处理平台按照如下关系：

计算出接收链路校准需要补偿的差量：

其中，表示经过第q个天线阵元和第p个校准天线的链路总的幅相传输系数；

5.4.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线第i组上所有天线阵元的接收通道的相位θ_{con_riq}从-π变化至π，重复步骤5.1～5.3，依次对第i组天线阵元的接收通道在不同的移相值下的相位误差进行标校，得到第i组天线阵元的接收通道校准参数对第i组天线进行补偿校准。

6.在计算机设备的控制下，弧形同轴标校杆旋转至校准天线组与下一组天线阵元的中心法线共面，重复步骤1～5，依次对被测相控阵天线上每一组天线阵元的收发通道进行标校，直至完成所有天线阵元的收发通道标校完成。

在上述实施例中，所述弧形同轴标校杆包括标校杆本体、转轴和转轴驱动装置，所述标校杆本体安装在所述转轴上，转轴驱动装置于转轴链接，弧形同轴标校杆的位置控制端口即转轴驱动装置的控制端口，计算机设备通过转轴驱动装置控制转轴旋转，来实现对标校杆的运动进行控制；该实施例中，转轴驱动装置可以采用电机来实现；所述步骤1划分得到的每组天线阵元中，k个天线阵元可以分时工作，也可以同时工作；校准天线组中的各个校准天线可以分时工作，也可以同时工作。

在本申请的第二个实施例中，采用被测相控阵天线旋转模拟理想电曲面，该实施例的校准系统架构如图4所示，将被测相控阵天线安装于三维云台上，计算机设备通过三维云台控制被测相控阵天线转动；

该实施例中，所述校准天线组包括n个高低不同且安装位置固定的校准天线，每一个校准天线均通过传输线与数字信号处理平台连接，各个校准天线的幅度特性为A_cal，相位特性为θ_cal；所述被测相控阵天线包括m个天线阵元，每一个所述的天线阵元均与通过传输线与数字信号处理平台连接；所述数字信号处理平台到各个天线阵元和各个校准天线的传输线严格等长。

所述计算机设备包含五个端口，计算机设备的第一个端口A连接至数字信号处理平台的信号控制模块，向数字信号处理平台传输信号控制指令；计算机设备的第二个端口B连接至三维云台的控制端口，以控制三维云台带动被测相控阵天线沿理想电曲面运动；计算机设备的第三个端口C连接至数字信号处理平台的收发通道控制模块，向数字信号处理平台传输通道控制指令；计算机设备的第四个端口D连接至数字信号处理平台的标校模块，用于将来自光学仪器的信息传输给数字信号处理平台；计算机设备的第五个端口E连接至光学仪器的数据控制端口，控制光学仪器测量校准天线组件和被测相控阵天线的空间位置信息，并从光学仪器接收测量结果。

校准步骤如下：

1.将被测相控阵天线的天线阵元分为I组，设每组天线阵元的个数为k；在本申请的实施例中，校准天线的个数n≥1；k小于或等于校准天线的个数n,在k等于n时，校准过程中所有校准天线均需要进行工作，当k小于n时，只需要前k个校准天线工作即可；具体地，在该实施例中，可以令k＝n＝4；

2.计算机设备控制三维云台沿理想电曲面运动，使被测相控阵天线的第i组天线阵元正对校准天线组件；

3.计算机设备控制光学仪器测量第p个校准天线的空间坐标P_Calp(x_Calp,y_Calp,z_Calp)和第i组天线阵元中第q个天线阵元的空间坐标P_Antq(x_Antq,y_Antq,z_Antq)，其中p＝1,2,3……k，q＝1,2,3……k；光学仪器将测量结果传输给计算机设备，计算机设备将接收到的信息传输给数字信号处理平台；数字信号处理平台根据P_Calp、P_Antq和校准频率计算出由相对位置造成的第p个校准天线和第q个天线阵元之间的幅度差A_{q_p}、相位差θ_{q_p}；

4.在不同的移相值下，对第i组天线阵元的发射通道相位误差进行标校：

4.1.在计算机设备的信号控制指令和通道控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线，打开第i组天线阵元的发射通道，将第i组中天线阵元幅度设置为A_{con_tiq}，相位设置为θ_{con_tiq}，并关闭其余组所有的天线阵元；

4.2.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线发送信号，并设置发射信号的幅度为A_tiq相位为θ_tiq，校准天线组件接收信号并传输给数字信号处理平台，数字信号处理平台测量校准天线组件接收到的来自被测相控阵天线第i组第q个天线阵元的信号幅度A_riq和信号相位θ_riq；

4.3.数字信号处理平台按照如下关系：

计算出发射链路校准需要补偿的差量：

其中，表示经过第q个天线阵元和第p个校准天线的链路总的幅相传输系数；

4.4.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线第i组上所有天线阵元发射通道的相位θ_{con_tiq}从-π变化至π，重复步骤4.1～4.3，依次对第i组天线阵元的发射通道在不同的移相值下的相位误差进行标校，得到第i组天线阵元的发射通道校准参数对第i组天线进行补偿校准。

5.在不同的移相值下，对第i组天线阵元的接收通道相位误差进行标校:

5.1.在计算机设备的信号控制指令和通道控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线，打开第i组天线阵元的接收通道，将第i组中天线阵元幅度设置为A_{con_tiq}，相位设置为θ_{con_tiq}，并关闭其余组所有的天线阵元；

5.2.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制校准天线组件发送信号，并设置发射信号的幅度为A_tiq相位为θ_tiq，被测相控阵天线通过第i组天线阵元的接收通道接收信号传输给数字信号处理平台，数字信号处理平台测量被测相控阵天线第i组第q个天线阵元接收到的信号幅度A_riq和信号相位θ_riq；

5.3.数字信号处理平台按照如下关系：

计算出接收链路校准需要补偿的差量：

其中，表示经过第q个天线阵元和第p个校准天线的链路总的幅相传输系数；

5.4.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线第i组上所有天线阵元的接收通道的相位θ_{con_riq}从-π变化至π，重复步骤5.1～5.3，依次对第i组天线阵元的接收通道在不同的移相值下的相位误差进行标校，得到第i组天线阵元的接收通道校准参数对第i组天线进行补偿校准。

6.对于被测相控阵天线的每一组天线阵元，重复步骤1～5，直至所有的天线阵元标校完成。

该实施例中，所述步骤1划分得到的每组天线阵元中，k个天线阵元可以分时工作，也可以同时工作；校准天线组件中的各个校准天线可以分时工作，也可以同时工作。

在本申请的第三个实施例中，利用不同高度的标校杆，在不同方位、俯仰角安装位置、角度、距离精确标定的校准天线，近似形成理想电曲面，该实施例的校准系统架构如图5所示：所述天线校准组件包括m个位于不同高度的标校杆，每一个标校杆上均安装有一个校准天线，使得校准天线分布于理想电曲面上并覆盖被测相控阵天线的所有天线阵元；每一个校准天线均通过传输线与数字信号处理平台连接，各个校准天线的幅度特性为A_cal，相位特性为θ_cal；所述校准天线分布于理想电曲面上并覆盖被测相控阵天线的所有天线阵元；所述被测相控阵天线包括m个天线阵元，每一个天线阵元均通过传输线与数字信号处理平台连接；所述数字信号处理平台到各个天线阵元和各个校准天线的传输线严格等长。

所述计算机设备包括四个端口，计算机设备的第一个端口A连接至光学仪器数据控制端口，控制光学仪器测量天线校准组件和被测相控阵天线的空间位置信息，并从光学仪器接收测量结果；计算设备的第二个端口B连接至数字信号处理平台的信号控制模块，向数字信号处理平台传输信号控制指令；计算机设备的第三个端口C连接至数字信号处理平台的收发通道控制模块，向数字信号处理平台传输通道控制指令；计算机设备的第四个端口D连接至数字信号处理平台的标校模块，用于将来自光学仪器的信息传输给数字信号处理平台。

具体校准步骤如下：

1.计算机设备控制光学仪器测量第p个校准天线的空间坐标P_Calp(x_Calp,y_Calp,z_Calp)和第q个天线阵元的空间坐标P_Antq(x_Antq,y_Antq,z_Antq)，其中p＝1,2,3……m，q＝1,2,3……m，光学仪器将测量结果传输给计算机设备；

2.计算机设备将接收到的测量结果传输给数字信号处理平台，数字信号处理平台根据P_Calp、P_Antq和校准频率计算出由相对位置造成的第p个校准天线和第q个天线阵元之间的幅度差A_{q_p}、相位差θ_{q_p}；

3.在不同移相值下，对天线阵元发射通道的相位误差进行校准：

3.1.在计算机设备的信号控制指令和通道控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线打开所有天线阵元的发射通道，将每个天线阵元幅度设置为A_{con_tq}，相位设置为θ_{con_tq}；

3.2.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线发送信号，并设置发射信号的幅度为A_tq相位为θ_tq；天线校准组件接收信号并传输给数字信号处理平台，数字信号处理平台测量天线校准组件接收到的来自被测相控阵天线第q个天线阵元的信号幅度A_rq和信号相位θ_rq；

3.3.数字信号处理平台按照如下关系：

计算出发射链路校准需要补偿的差量：

其中，表示经过第q个天线阵元和第p个校准天线的链路总的幅相传输系数；

3.4.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线上所有天线阵元发射通道的相位θ_{con_tq}从-π变化至π，重复步骤3.1～3.3，对天线阵元发射通道在不同的移相值下的相位误差进行标校，得到各个天线阵元的发射通道校准参数对各个天线阵元进行补偿校准。

4.在不同移相值下，对天线阵元接收通道的相位误差进行校准：

4.1.在计算机设备的信号控制指令和通道控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线打开所有天线阵元的接收通道，将每个天线阵元幅度设置为A_{con_tq}，相位设置为θ_{con_tq}；

4.2.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制天线校准组件发射信号，并设置发射信号的幅度为A_tq相位为θ_tq；被测相控阵天线的接收通道接收信号传输给数字信号处理平台，数字信号处理平台测量被测相控阵天线第q个天线阵元接收到的信号幅度A_rq和信号相位θ_rq；

4.3.数字信号处理平台按照如下关系：

计算出接收链路校准需要补偿的差量：

其中，表示经过第q个天线阵元和第p个校准天线的链路总的幅相传输系数；

4.4.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线所有天线阵元接收通道的相位θ_{con_rq}从-π变化至π，重复步骤4.1～4.3，对天线阵元的接收通道在不同的移相值下的相位误差进行标校，得到各个天线阵元的接收通道校准参数对各个天线阵元进行补偿校准。

在该实施例中，被测相控阵天线的各个天线阵元可以分时工作，也可以同时工作；天线校准组件中的各个校准天线可以分时工作，也可以同时工作。

在本申请的第四个实施例中，将校准天线安装在带有机载校准设备的飞行器上，控制飞行器围绕被测天线飞行，实现在不同方位、俯仰角的位置、角度、距离精确标定，近似形成理想电曲面，实现全向目标模拟；

该实施例中，将所有飞行器统称为飞行器组，如图6所示，计算机设备上连接有控制飞行器组飞行的遥控设备，飞行器组中飞行器的数目为k个，每一个飞行器中均设置有校准天线和与校准天线连接的机载校准设备，校准天线通过机载校准设备实现与数字信号处理平台的连接；该实施例中，所述飞行器采用无人机，所述遥控设备为无人机控制器；各个飞行器中设置的校准天线幅度特性均为A_cal，相位特性均为θ_cal；所述被测相控阵天线包括m个天线阵元，每一个所述的天线阵元均与通过传输线与数字信号处理平台连接；所述数字信号处理平台到各个天线阵元的传输线严格等长；在该实施例中，所述数字信号处理平台还需要包括：命令生成模块，用于根据计算机设备的信号控制指令生成被测相控阵天线和各校准天线的收发控制命令；收发控制模块，用于根据被测相控阵天线的收发控制命令，对被测相控阵天线的信号收发进行控制；命令发送模块，用于将各校准天线的收发控制命令发送给校准天线所对应的机载校准设备；无线接收模块，用于对各个校准天线所对应机载校准设备发送的信息进行接收。

在该实施例中，所述计算机设备的第一个端口A连接至遥控设备，向遥控设备发送飞行控制指令；计算机设备的第二个端口B连接至光学仪器的数据控制端口，控制光学仪器测量各个校准天线和被测相控阵天线的空间位置信息，并从光学仪器接收测量结果；计算机设备的第三个端口C连接至数字信号处理平台的信号控制模块，向数字信号处理平台传输信号控制指令；计算机设备的第四个端口D连接至数字信号处理平台的收发通道控制模块，向数字信号处理平台传输通道控制指令；计算机设备的第五个端口E连接至数字信号处理平台的标校模块，用于将来自光学仪器的信息传输给数字信号处理平台。

该实施例中，所述机载校准设备包括：校准收发模块，用于配合校准天线完成信号收发；命令接收模块，用于接收来自数字信号处理平台的收发控制命令；校准控制模块，用于根据接收到的收发控制命令，随校准收发模块的信号收发进行控制；无线发送模块，用于将校准收发组件接收到的信息发送给数字信号处理平台。

进行校准时，按照如下步骤进行：

1.将被测相控阵天线的天线阵元分为I组，设每组天线阵元的个数为k；在本申请的实施例中，k＝4；

2.在计算机设备的飞行控制指令下，遥控设备控制k个飞行器以被测相控阵天线为中心模拟理想电曲面进行转动飞行，使k个飞行器飞行至第i组天线阵元处；

3.计算机设备控制光学仪器测量第p个飞行器上校准天线的空间坐标P_Calp(x_Calp,y_Calp,z_Calp)和第i组天线阵元中第q个天线阵元的空间坐标P_Antq(x_Antq,y_Antq,z_Antq)，其中p＝1,2,3……k，q＝1,2,3……k，光学仪器将测量结果传输给计算机设备；计算机设备将接收到的信息传输给数字信号处理平台；数字信号处理平台根据P_Calp、P_Antq和校准频率计算出由相对位置造成的第p个飞行器上校准天线和第q个天线阵元之间的幅度差A_{q_p}、相位差θ_{q_p}；

4.在不同的移相值下，对第i组天线阵元的发射通道相位误差进行标校：

4.1.在计算机设备的信号控制指令和通道控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线，打开第i组天线阵元的发射通道，将第i组中天线阵元幅度设置为A_{con_tiq}，相位设置为θ_{con_tiq}，并关闭其余组所有的天线阵元；

4.2.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线发送信号，并设置发射信号的幅度为A_tiq相位为θ_tiq，同时向各个飞行器中的机载校准设备发送信号接收命令，各个飞行器中的机载校准设备配合对应的校准天线进行信号接收，并将接收到的信号发送给数字信号处理平台；数字信号处理平台测量各机载设备接收到的来自被测相控阵天线第i组第q个天线阵元的信号幅度A_riq和信号相位θ_riq；

4.3.数字信号处理平台按照如下关系：

计算出发射链路校准需要补偿的差量：

其中，表示经过第q个天线阵元和第p个飞行器上校准天线的链路总的幅相传输系数；

4.4.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线第i组上所有天线阵元发射通道的相位θ_{con_tiq}从-π变化至π，重复步骤4.1～4.3，依次对第i组天线阵元的发射通道在不同的移相值下的相位误差进行标校，得到第i组天线阵元的发射通道校准参数对第i组天线阵元进行补偿校准。

5.在不同的移相值下，对第i组天线阵元的接收通道相位误差进行标校:

5.1.在计算机设备的信号控制指令和通道控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线，打开第i组天线阵元的接收通道，将第i组中天线阵元幅度设置为A_{con_tiq}，相位设置为θ_{con_tiq}，并关闭其余组所有的天线阵元；

5.2.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台生成信号发射指令传输给各个飞行器上的机载校准设备，各个飞行器上的机载校准设备按照信号发射指令，设置发射信号的幅度为A_tiq相位为θ_tiq，并配合对应的校准天线进行信号发射；被测相控阵天线通过第i组天线阵元的接收通道接收信号传输给数字信号处理平台，数字信号处理平台测量被测相控阵天线第i组第q个天线阵元接收到的信号幅度A_riq和信号相位θ_riq；

5.3.数字信号处理平台按照如下关系：

计算出接收链路校准需要补偿的差量：

其中，表示经过第q个天线阵元和第p个飞行器上校准天线的链路总的幅相传输系数；

5.4.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线第i组上所有天线阵元的接收通道的相位θ_{con_riq}从-π变化至π，重复步骤5.1～5.3，依次对第i组天线阵元的接收通道在不同的移相值下的相位误差进行标校，得到第i组天线阵元的接收通道校准参数对第i组天线进行补偿校准。

6.在计算机设备的飞行控制指令下，遥控设备控制k个飞行器飞行至下一组天线阵元处，重复步骤1～5，依次对被测相控阵天线上每一组天线阵元的收发通道进行标校，直至所有天线阵元的收发通道标校完成。

综上，本发明通过控制校准天线组件与被测相控阵天线的相对位置关系形成理想电曲面，实现全向目标模拟，进而对全空域相控阵天线通道一致性、天线指向性能进行高效标校，有利于保证天线的工作性能。

最后应当说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的方法进行修改，例如所述方法名称的变化，天线形式的变化等。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种全空域相控阵天线的模拟曲面校准系统，其特征在于：包括计算机设备、空间位置测量组件、校准天线组件、被测相控阵天线和数字信号处理平台；

所述数字信号处理平台分别与校准天线组件、被测相控阵天线和计算机设备连接，所述计算机设备还与空间位置测量组件连接；

所述计算机设备，用于控制校准天线组件与被测相控阵天线的相对位置关系形成理想电曲面，实现全向目标模拟，同时将空间位置测量组件的测量结果传输给数字信号处理平台，并对数字信号处理平台的校准工作进行控制；

所述数字信号处理平台，用于根据计算机设备的信号控制指令，对被测相控阵天线的各个天线阵元的幅度、相位和收发通道进行控制，对校准过程中的发射信号幅度、相位进行控制；并接收来自校准天线组件、被测相控阵天线和计算机设备的信息完成被测相控阵天线的标校。

2.根据权利要求1所述的一种全空域相控阵天线的模拟曲面校准系统，其特征在于：所述计算机设备包括：

电曲面控制单元，用于控制校准天线组件与被测相控阵天线的相对位置关系模拟理想电曲面；

测量控制单元，用于控制空间测量组件测量校准天线组件和被测相控阵天线的空间位置信息，接收测量结果传输给数字信号处理平台；

指令生成单元，用于生成信号控制指令和通道控制指令发送给数字信号处理平台。

3.根据权利要求1所述的一种全空域相控阵天线的模拟曲面校准系统，其特征在于：所述数字信号处理平台包括：信号控制模块，用于接收计算机设备的信号控制指令，对被测相控阵天线的各个天线阵元的幅度、相位进行控制，对校准过程中的发射信号幅度、相位进行控制；收发通道控制模块，用于接收计算机设备的通道控制指令，对被测相控阵天线的信号收发通道进行控制；幅相测量模块，用于接收来自校准天线组件和被测相控阵天线的信息，完成校准天线组件和被测相控阵天线的幅相测量；标校模块，用于结合校准天线组件的空间位置信息、被测相控阵天线的空间位置信息和幅相测量结果，对被测相控阵天线进行标校。

4.根据权利要求1所述的一种全空域相控阵天线的模拟曲面校准系统，其特征在于：所述空间位置测量组件包括光学仪器，所述光学仪器的数据控制端口与计算机设备连接。

5.根据权利要求1所述的一种全空域相控阵天线的模拟曲面校准系统，其特征在于：所述校准天线组件包括一根或多根校准天线。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的一种全空域相控阵天线的模拟曲面校准系统进行天线校准的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.计算机设备控制校准天线组件与被测相控阵天线的相对位置关系形成理想电曲面，实现全向目标模拟；

S2.计算机设备向控制空间测量组件测量校准天线组件和被测相控阵天线的空间位置信息，接收测量结果传输给数字信号处理平台；并生成信号控制指令和通道控制指令发送给数字信号处理平台；

S3.数字信号处理平台根据计算机设备的信号控制指令，对被测相控阵天线的各个天线阵元的幅度、相位和收发通道进行控制，对校准过程中的发射信号幅度、相位进行控制；并接收来自校准天线组件、被测相控阵天线和计算机设备的信息完成被测相控阵天线的标校。

7.根据权利要求6所述的一种全空域相控阵天线的模拟曲面校准系统进行天线校准的方法，其特征在于：所述步骤S1中计算机设备控制校准天线组件与被测相控阵天线的相对位置关系形成理想电曲面，实现全向目标模拟的方式包括但不限于如下四种：

第一，将校准天线安装于弧形同轴标校杆上，计算机设备控制弧形同轴标校杆旋转近似形成理想电曲面，实现全向目标模拟；

第二，将被测相控阵天线安装于三维云台上，一个或多个校准天线安装于符合远场条件的固定位置，计算机设备通过三维云台控制被测相控阵天线旋转近似形成理想电曲面，实现全向目标模拟；

第三，利用不同高度的标校杆，在不同方位、俯仰角安装位置、角度、距离精确标定的校准天线，近似形成理想电曲面，实现全向目标模拟；

第四，将校准天线安装在带有机载校准设备的飞行器上，控制飞行器围绕被测天线飞行，实现在不同方位、俯仰角的位置、角度、距离精确标定，近似形成理想电曲面，实现全向目标模拟。