CN109959902A - 一种雷达极化天线校准曲线测试方法 - Google Patents

Abstract

一种雷达极化天线校准曲线测试方法，它涉及利用多次测量获得每个阵列通道的幅值和相位值，并通过计算获得天线的校准曲线，以提高雷达宽波束的测角精度和极化测量精度。该方法会在雷达极化天线校准中应用。该方法的步骤为：一、按照推荐的连接方式进行设备安装；二、测量每个角度每个阵列通道接收信号的幅值和相位；三、计算同一极化组里每个通道的幅值、相位校正系数；四、计算不同极化组之间的相位校正系数；五、对多次测量结果做平滑处理，获得校准曲线。

Description

一种雷达极化天线校准曲线测试方法

技术领域

本发明涉及一种雷达极化天线校准曲线的测试方法以提高宽波束的测角精度和极化测量精度，属于雷达系统校准领域。

背景技术

阵列天线是由接收电磁信号的阵列单元组成的，单元数可能是2个或更多，实现的几何形式可以是线阵、球面阵或随机阵等等。阵列天线的每一个单元接收到的信号相位可用于估计接收信号的特性，如信号的入射角。入射角由水平角和俯仰角组成，所以，从入射角可以得到电磁信号源的方向。

极化阵列天线的天线单元对不同极化特性的电磁信号有不同的响应，换句话说，天线单元有不同的极化响应。通常，极化阵列天线由几组单元构成，每一组的单元有相同的极化响应。处于同一组的有相同极化响应的单元可用于估计入射角。处于不同组的单元(即不同极化响应)所接收到的信号幅度和相位可以用于估计信号源的极化特性。

每一个阵列天线单元有一个辐射方向图，它是一个2维或3维函数，显示的是接收信号在每个方位和俯仰角上增益和相位变化。即是，当某个方向的电磁信号到达时，接收单元通过乘以该方向辐射方向图对应的增益值来改变幅度。同样的，接收单元通过延迟来改变相位。

所以，阵列天线的性能对辐射方向图很敏感，通常要考虑两个因子。第一个是方向图的各向同性，即不管哪个方向，辐射方向图的增益和相位是相同的。第二个是各接收单元的差异性，即在同一方向上不同接收单元的增益和相位是相似的。当然，理想的最优情况是所有单元都是一致的。所有单元对平面波的响应应该是一致的，并且，每个单元的辐射方向图应当是各向同性的，即增益和相位偏移应当是方位-俯仰不变的。生产这样的天线是几乎不可行的。即使能得到具有相似方向图的天线也是需要很高成本的，需要生产大量的天线单元，并从中挑选出那些在容错范围内的单元。

实际可行的办法是对整个天线单元进行补偿，而补偿的方法有很多种。例如，通过在一定方向范围内分布特定网格发射信号，测量阵列单元的响应结果。通过这种方法可获得一个修正表格，这个表格建立了阵列单元对一个已知方向信号的响应关系。利用这个表格，阵列单元对一个真实信号的输出可以通过比较这个表格中的测量值获得。

当处理极化阵列天线时，会更复杂，因为每个单元的辐射方向图依赖于入射信号的极化特性。在一定方向方位和一定极化范围内测量极化阵列天线的输出响应是一个很繁琐的方法，而且极化还用了两个参数表示，即极化椭圆倾斜角和极化椭圆轴比。下面介绍的就是校正极化阵列天线的一个有效方法，利用探针信号和探针天线。

发明内容

本发明目的是为了获得雷达极化阵列天线的校准曲线，以提高雷达天线宽波束的测角精度和极化角测量精度，而提出的一种极化天线校准曲线测试方法。

本发明所述一种雷达极化天线校准曲线测试方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：按照附图1的连接方式进行设备安装。

步骤11：根据附图1的连接方式进行设备集成，需要用到的测试设备有：偶极子天线、收发脉冲控制器、角度控制转台、待校准的极化天线、射频线缆以及雷达系统。

步骤二：测量每个角度每个阵列通道接收信号的幅值和相位。

步骤21：根据测试要求，设置角度控制转台的旋转角度，方位角θ₁至θ₂，俯仰角β₁至β₂，并根据雷达系统的性能设定步进δ；

步骤22：在每一个转台角度，每个接收单元的接收信号都解调成基带形式，记录幅值E₁和相位σ₁，并重复试验N次，记录N组数据。

步骤三：计算同一极化组里每个通道的幅值、相位校正系数。

步骤31：将极化天线中具有同一极化特性的接收单元分为一组，如所有水平极化接收单元为一组，选取预先设定值为1，用1除以每个通道的幅值极为该通道的幅值校正系数，即1/E₁；

步骤32：根据下面公式计算出两个水平极化或垂直极化单元的相位差，即

其中d为两个单元间的距离，λ为雷达波长，为方位俯仰角，即转台控制角度，选取其中一个通道的相位作为参考相位，其余通道的相位为σ₁+Δσ；

步骤33：将获得的每个角度，每个接收通道的幅值、相位校正系数填写到如附图2所示的表格中。

步骤四：计算不同极化组之间的相位校正系数。

步骤41：从不同极化组里分别选择一个单元作为该组的代表，选择原则为选取信噪比高的接收单元，并消除不是同一相位中心单元所带来的附加影响，获得E_1x和E_1y，以及σ_1x和σ_1y；

步骤42：利用步骤31补偿后的幅值，计算极化椭圆的辅助角值：

步骤43：利用步骤32获得的组内的相位补偿结果，计算期望获得的组间的相位差补偿结果：

其中χ由偶极子天线决定，为已知参数；

步骤44：固定其中一组的相位值，如固定σ₁，获得另外一组的校准相位：

步骤五：对多次测量结果做平滑处理，获得校准曲线。

步骤51：根据N次测量的结果，获得了N组校准系数，将每个角度每个接收通道的N组校准系数取平均值，获得了每个角度每个通道的幅值、相位校准系数。将这些值利用常规方法(如多项式拟合)进行拟合，获得幅值、相位的校准曲线。

附图说明

图1是本发明涉及到的装置安装示意图；

图2是步骤三输出的校准系数表格示例；

图3是本发明所示一种雷达极化天线校准曲线测试方法的流程图；

图4(a)是具体实施例子所获得的4个通道的幅值校准曲线图；

图4(b)是具体实施例子所获得的4个相位校准曲线图。

具体实施例

执行步骤一:根据附图1的连接方式进行设备集成，偶极子天线(倾斜角度为45度)、收发脉冲控制器、角度控制转台、待校准的极化天线、射频线缆以及雷达系统。待校准的极化天线包含四个天线单元，分别为左水平极化单元(HL)、左垂直极化单元(VL)、右水平极化单元(HR)、右垂直极化单元(VR)。

执行步骤二：测量每个角度每个阵列通道接收信号的幅值和相位。

执行步骤21：设置角度控制转台的旋转角度，方位角-90至90度，俯仰角为0度，并根据雷达系统的性能设定步进为1度；

执行步骤22：在每一个转台角度，每个接收单元的接收信号都解调成基带形式，记录幅值E₁-E₄和相位σ₁-σ₄，并重复试验200次，记录200组数据。

执行步骤三：计算同一极化组里每个通道的幅值、相位校正系数。

执行步骤31：将HL和HR两个通道分为一组，VL和VR两个通道分为一组，选取预先设定值为1，用1除以每个通道的幅值极为该通道的幅值校正系数，即1/E₁；

执行步骤32：根据下面公式计算出两个水平极化或垂直极化单元的相位差，即

其中d＝20.5cm为两个单元间的距离，λ＝30cm为雷达波长，为当前的转台控制方位角，选取HL通道的相位作为参考相位，则HR通道的相位为σ₁+Δσ，选取VL通道的相位作为参考，则VR通道的相位为σ₃+Δσ；

执行步骤33：将获得的每个角度，每个接收通道的幅值、相位校正系数填写到如附图2所示的表格中。

执行步骤四：计算不同极化组之间的相位校正系数。

执行步骤41：选择HL作为水平极化组的代表，选择VL为垂直极化组的代表，HL通道获得E_1x和E_1y，以及σ_1x和σ_1y；VL通道获得E_2x和E_2y，以及σ_2x和σ_2y；

执行步骤42：计算极化椭圆的辅助角值：

执行步骤43：计算期望获得的组间的相位差补偿结果：

其中χ＝45度。

执行步骤44：固定水平极化组的相位值，如固定σ₁，获得垂直极化组的校准相位：或者固定垂直极化组的相位值σ₂，则获得水平极化组的相位值

执行步骤五：根据200次测量的结果，将每个角度每个接收通道的200组校准系数取平均值，获得了每个角度每个通道的幅值、相位校准系数。将这些值利用多项式拟合，获得幅值、相位的校准曲线，如附图4所示。

以上所述仅为本发明的实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种雷达极化天线校准曲线测试方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：进行设备安装；

步骤二：测量每个角度每个阵列通道接收信号的幅值和相位；

步骤三：计算同一极化组里每个通道的幅值、相位校正系数；

步骤四：计算不同极化组之间的相位校正系数；

步骤五：对多次测量结果做平滑处理，获得校准曲线。

2.根据权利要求1所述的一种雷达极化天线校准曲线测试方法，其特征在于，所述步骤一包括：

步骤11：根据预设的连接方式进行设备集成，需要用到的测试设备包括偶极子天线、收发脉冲控制器、角度控制转台、待校准的极化天线、射频线缆以及雷达系统。

3.根据权利要求1所述的一种雷达极化天线校准曲线测试方法，其特征在于，所述步骤二包括：

步骤21：根据测试要求，设置角度控制转台的旋转角度，方位角θ₁至θ₂，俯仰角β₁至β₂，并根据雷达系统的性能设定步进δ；

步骤22：在每一个转台角度，每个接收单元的接收信号都解调成基带形式，记录幅值E₁和相位σ₁，并重复试验N次，记录N组数据。

4.根据权利要求1所述的一种雷达极化天线校准曲线测试方法，其特征在于，所述步骤三包括：

步骤31：将极化天线中具有同一极化特性的接收单元分为一组，如所有水平极化接收单元为一组，选取预先设定值为1，用1除以每个通道的幅值极为该通道的幅值校正系数，即1/E₁；

步骤32：根据下面公式计算出两个水平极化或垂直极化单元的相位差，即

其中d为两个单元间的距离，λ为雷达波长，为方位俯仰角，即转台控制角度，选取其中一个通道的相位作为参考相位，其余通道的相位为σ₁+Δσ；

步骤33：将获得的每个角度，每个接收通道的幅值、相位校正系数填写至表格中。

5.根据权利要求1所述的一种雷达极化天线校准曲线测试方法，其特征在于，所述步骤四包括：

步骤41：从不同极化组里分别选择一个单元作为该组的代表，选择原则为选取信噪比高的接收单元，并消除不是同一相位中心单元所带来的附加影响，获得E_1x和E_1y，以及σ_1x和σ_1y；

步骤42：利用步骤31补偿后的幅值，计算极化椭圆的辅助角值：

步骤43：利用步骤32获得的组内的相位补偿结果，计算期望获得的组间的相位差补偿结果：

其中χ由偶极子天线决定，为已知参数；

步骤44：固定其中一组的相位值，如固定σ₁，获得另外一组的校准相位：

6.根据权利要求1所述的一种雷达极化天线校准曲线测试方法，其特征在于，所述步骤五包括：

步骤51：根据N次测量的结果，获得了N组校准系数，将每个角度每个接收通道的N组校准系数取平均值，获得了每个角度每个通道的幅值、相位校准系数。将这些值利用常规方法进行拟合，获得幅值、相位的校准曲线。