CN110174639B - 一种准确提取干涉仪天线阵列单元相位中心的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种准确提取干涉仪天线阵列单元相位中心的方法，根据辐射源和待测天线单元的位置、转台位置等信息，计算待测天线单元B点接收到的辐射源A点电场
Figure DDA0002094328260000011
得到A、B两点之间的相位差；记录鉴相器测量的AB之间未对360°取模运算的相位差，从测试数据中读取极大值，记为
Figure DDA0002094328260000012
则
Figure DDA0002094328260000013
利用均方最小原则计算出最优距离r1；得到
Figure DDA0002094328260000014
和最优的r1后，进一步得到待测天线单元的相位中心。本发明的效果是：本发明提出了一种针对干涉仪天线阵列单元相位中心提取的方法，该方法具有原理简单清晰，实施方便，且只需要一次测量数据的特点，特别适用于干涉仪测向系统，以及需要分析天线阵列单元相位中心的场景。

Description

一种准确提取干涉仪天线阵列单元相位中心的方法
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及一种准确提取干涉仪天线阵列单元相位中心的方法。
背景技术
干涉仪测向技术由于具有较高的测向精度，广泛应用于测向系统。辐射源到达天线单元的不同距离导致电磁波波前存在不同延迟，该延迟导致接收机提取通道间相位差不为零，干涉仪测向技术利用该相位差计算出目标的方位。在干涉仪测向中对测向结果产生直接影响的是提取的相位差的准确性。
相位差提取的准确性一方面与接收机的鉴相精度有关，这与接收信号的信噪比、鉴相器性能等因素相关。另一方面与天线到接收机之间射频无源通道相位差有关，这部分相位差由两部分组成，一部分是由于天线加工的不一致性，另一部分是由于天线和接收机之间的电缆长度不能做到绝对等长导致。相对于由接收机鉴相精度引起的测向误差，上述两部分相位差仅与加工制造的一致性相关，相对稳定，因此通常在测试前在暗室进行校准。
在暗室进行校准时，辐射源需要放置在天线单元相位中心连线的中垂线上以消除传播路径不一致导致的误差。但大部分工程应用的天线一般都固化在天线罩内部，无法准确确定天线单元的位置。且复杂技术导致天线相位中心和几何中心一般不重合，直接用几何中心代替相位中心会引入误差。
尚军平等人提出了一种天线相位中心的方法(尚军平，傅德民，邓颖波，天线相位中心的精确测量方法研究，西安电子科技大学学报(自然科学版)，2008，35(4):673-677.)，通过建立相位偏差与相位中心位置偏差的关系式，应用最小二乘法估算相位中心偏差。该方法计算较复杂，且需要进行最多三次测量才能获得较高的相位中心测量精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种准确提取干涉仪天线阵列单元相位中心的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种准确提取干涉仪天线阵列单元相位中心的方法，设远场辐射源位于A点，与转台中心距离为r0，待测天线单元的相位中心位于B点，与转台中心距离为r1，与X轴夹角为
Figure GDA0003694457130000021
B点接收到的辐射源A点电场
Figure GDA0003694457130000022
可表示为：
Figure GDA0003694457130000023
其中，FA为辐射源天线方向图，由于辐射源位置固定，因此FA可近似认为恒定不变；
Figure GDA0003694457130000024
为待测天线单元的幅度方向图，k＝2π/λ为波数，λ为电磁波波长，
Figure GDA0003694457130000025
为电场单位矢量；
对公式(1)中的相位进行变换，得到A、B两点之间的相位差为：
Figure GDA0003694457130000026
其中，
Figure GDA0003694457130000027
记录鉴相器测量的AB之间未对360°取模运算的相位差，从测试数据中读取极大值，记为
Figure GDA0003694457130000028
则
Figure GDA0003694457130000029
对一定范围内的r1分别按照公式(2)计算
Figure GDA00036944571300000210
内的理论相位差，然后和实测相位差进行拟合比较，利用均方最小原则计算出最优距离r1，均方误差计算如下：
Figure GDA00036944571300000211
其中，em表示第m次拟合得到的误差，N表示角度个数，
Figure GDA00036944571300000212
表示实测相位差，
Figure GDA00036944571300000213
表示第m次拟合时的理论相位差；
得到
Figure GDA00036944571300000214
和最优的r1后，待测天线单元的相位中心表示为：
Figure GDA0003694457130000031
作为优选方式，r1的范围为0～rA，其中rA为实际天线阵列边缘距离转台的距离。
作为优选方式，设置辐射源信号频率和功率，匀速转动转台，保持辐射源信号位于待测天线的主瓣范围内，主瓣角度范围记为
Figure GDA0003694457130000032
表示天线最大增益向左侧下降3dB对应的角度，
Figure GDA0003694457130000033
表示天线最大增益向右侧下降3dB对应的角度。
作为优选方式，辐射源信号频率为2GHz～18GHz。
作为优选方式，设天线阵列包括4个待测天线单元：单元1、单元2、单元3和单元4；四个待测天线单元的距离分别为d1、d2、d3；
设置辐射源信号频率为10GHz，匀速转动转台，所使用的待测天线单元的主瓣范围记为-50°～50°；记录鉴相器测量的AB之间未对360°取模运算的相位差，重复单元1～4，得到四组相位差；分别提取待测天线单元的最大相位差对应的角度。
作为优选方式，单元1～4相位差最大值对应角度分别为14°、20°、28°、40°，则单元1～4对应的
Figure GDA0003694457130000034
分别为76°、70°、62°、50°。
作为优选方式，利用均方最小原则分别对4个待测天线单元的r1进行拟合。
作为优选方式，得到r1和
Figure GDA0003694457130000035
后，利用公式(4)计算单元1的相位中心为(-61.8mm，247.9mm)；重复利用公式(4)进行计算可得单元2～4的相位中心位置。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种针对干涉仪天线阵列单元相位中心提取的方法，该方法具有原理简单清晰，实施方便，且只需要一次测量数据的特点，特别适用于干涉仪测向系统，以及需要分析天线阵列单元相位中心的场景。
附图说明
图1为干涉仪天线阵列单元相位中心测试示意图；
图2为AB之间未对360°取模运算的相位差；
图3为某天线阵列示意图；
图4为单元1～4主瓣范围内的相位差；
图5为单元1的r1拟合误差曲线；
图6为单元1相位拟合结果；
图7为单元1～4在不同频率下的相位中心拟合位置。
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，一种准确提取干涉仪天线阵列单元相位中心的方法，设远场辐射源位于A点，与转台中心距离为r0，待测天线单元的相位中心位于B点，与转台中心距离为r1，与X轴夹角为
Figure GDA0003694457130000041
B点接收到的辐射源A点电场
Figure GDA0003694457130000042
可表示为：
Figure GDA0003694457130000043
其中，FA为辐射源天线方向图，由于辐射源位置固定，因此FA可近似认为恒定不变；
Figure GDA0003694457130000044
为待测天线单元的幅度方向图，k＝2π/λ为波数，λ为电磁波波长，
Figure GDA0003694457130000045
为电场单位矢量；
对公式(1)中的相位进行变换，得到A、B两点之间的相位差为：
Figure GDA0003694457130000046
其中，
Figure GDA0003694457130000047
记录鉴相器测量的AB之间未对360°取模运算的相位差，如图2所示；从测试数据中读取极大值，记为
Figure GDA0003694457130000048
则
Figure GDA0003694457130000049
对一定范围内的r1分别按照公式(2)计算
Figure GDA00036944571300000410
内的理论相位差，然后和实测相位差进行拟合比较，利用均方最小原则计算出最优距离r1(当ek最小时，r1取得最优)，均方误差计算如下：
Figure GDA0003694457130000051
其中，em表示第m次拟合得到的误差，N表示角度个数，
Figure GDA0003694457130000052
表示实测相位差，
Figure GDA0003694457130000053
表示第m次拟合时的理论相位差；
得到
Figure GDA0003694457130000054
和最优的r1后，待测天线单元的相位中心表示为：
Figure GDA0003694457130000055
在一个优选实施例中，r1的范围为0～rA，其中rA为实际天线阵列边缘距离转台的距离；对r1的范围进行约束，便于尽快找到最优的r1。
在一个优选实施例中，设置辐射源信号频率和功率，匀速转动转台，保持辐射源信号位于待测天线的主瓣范围内，主瓣角度范围记为
Figure GDA0003694457130000056
表示天线最大增益向左侧下降3dB对应的角度，
Figure GDA0003694457130000057
表示天线最大增益向右侧下降3dB对应的角度。
在一个优选实施例中，辐射源信号频率为2GHz～18GHz。
在一个优选实施例中，如图4所示，设天线阵列包括4个待测天线单元：单元1、单元2、单元3和单元4；四个待测天线单元的距离分别为d1、d2、d3；
设置辐射源信号频率为10GHz，匀速转动转台，所使用的待测天线单元的主瓣范围记为-50°～50°；记录鉴相器测量的AB之间未对360°取模运算的相位差，重复单元1～4，得到如图4所示的四组相位差；分别提取待测天线单元的最大相位差对应的角度。
在一个优选实施例中，从图4可以看出单元1～4相位差最大值对应角度分别为14°、20°、28°、40°，则单元1～4对应的
Figure GDA0003694457130000058
分别为76°、70°、62°、50°。
在一个优选实施例中，利用均方最小原则分别对4个待测天线单元的r1进行拟合，以单元1为例，r1的拟合范围为10mm～500mm，间隔0.5mm，拟合角度范围为-50°～50°(主瓣范围)；图5给出了10GHz时相位拟合误差曲线，从图中可以看出单元1的r1最优值为255.5mm，图6给出了r1＝255.5mm时单元1的相位拟合结果，可以看出拟合结果和实测结果吻合良好。
在一个优选实施例中，得到r1和
Figure GDA0003694457130000061
后，利用公式(4)计算单元1的相位中心为(-61.8mm，247.9mm)；重复利用公式(4)进行计算可得单元2～4的相位中心位置。
在频率2GHz～18GHz内，间隔0.5GHz，按照上述方法可得到不同频点下单元1～4的相位中心位置，如图7所示，图中可以看出d′1＝d1+0.4mm、d'2＝d2-0.5mm、d′3＝d3+1.2mm，和理论值吻合良好。
本发明提出了一种针对干涉仪天线阵列单元相位中心提取的技术。首先从测试数据中提取天线单元的相位中心相对于转台的角度，再对相位进行拟合，利用均方最小原则计算出相位中心距离转台的距离，接合提取的角度计算出单元相位中心的位置。该方法具有原理简单清晰，实施方便，且只需要一次测量数据的特点，特别适用于干涉仪测向系统。
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，应当指出的是，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 (7)

1.一种准确提取干涉仪天线阵列单元相位中心的方法，其特征在于：设远场辐射源位于A点，与转台中心距离为r0，待测天线单元的相位中心位于B点，与转台中心距离为r1，与X轴夹角为
Figure FDA0003705367190000011
B点接收到的辐射源A点电场
Figure FDA0003705367190000012
表示为：
Figure FDA0003705367190000013
其中，FA为辐射源天线方向图，
Figure FDA0003705367190000014
为待测天线单元的幅度方向图，k＝2π/λ为波数，λ为电磁波波长，
Figure FDA0003705367190000015
为电场单位矢量；
对公式(1)中的相位进行变换，得到A、B两点之间的相位差为：
Figure FDA0003705367190000016
其中，
Figure FDA0003705367190000017
记录鉴相器测量的AB之间未对360°取模运算的相位差，从测试数据中读取极大值，记为
Figure FDA00037053671900000112
则
Figure FDA00037053671900000113
对一定范围内的r1分别按照公式(2)计算
Figure FDA00037053671900000114
内的理论相位差，然后和实测相位差进行拟合比较，利用均方最小原则计算出最优距离r1，均方误差计算如下：
Figure FDA0003705367190000018
其中，em表示第m次拟合得到的误差，N表示角度个数，
Figure FDA0003705367190000019
表示实测相位差，
Figure FDA00037053671900000110
表示第m次拟合时的理论相位差；
得到
Figure FDA00037053671900000115
和最优的r1后，待测天线单元的相位中心表示为：
Figure FDA00037053671900000111
其中，设置辐射源信号频率和功率，匀速转动转台，保持辐射源信号位于待测天线单元的主瓣范围内，主瓣角度范围记为
Figure FDA00037053671900000116
表示天线最大增益向左侧下降3dB对应的角度，
Figure FDA00037053671900000117
表示天线最大增益向右侧下降3dB对应的角度。
2.根据权利要求1所述的一种准确提取干涉仪天线阵列单元相位中心的方法，其特征在于：r1的范围为0～rA，其中rA为实际天线阵列边缘距离转台的距离。
3.根据权利要求1所述的一种准确提取干涉仪天线阵列单元相位中心的方法，其特征在于：辐射源信号频率为2GHz～18GHz。
4.根据权利要求1所述的一种准确提取干涉仪天线阵列单元相位中心的方法，其特征在于：设天线阵列包括4个待测天线单元：单元1、单元2、单元3和单元4；四个待测天线单元的距离分别为d1、d2、d3；
设置辐射源信号频率为10GHz，匀速转动转台，所使用的待测天线单元的主瓣范围记为-50°～50°；记录鉴相器测量的AB之间未对360°取模运算的相位差，重复单元1～4，得到四组相位差；分别提取待测天线单元的最大相位差对应的角度。
5.根据权利要求4所述的一种准确提取干涉仪天线阵列单元相位中心的方法，其特征在于：单元1～4相位差最大值对应角度分别为14°、20°、28°、40°，则单元1～4对应的
Figure FDA0003705367190000022
分别为76°、70°、62°、50°。
6.根据权利要求5所述的一种准确提取干涉仪天线阵列单元相位中心的方法，其特征在于：利用均方最小原则分别对4个待测天线单元的r1进行拟合。
7.根据权利要求6所述的一种准确提取干涉仪天线阵列单元相位中心的方法，其特征在于：得到四个待测天线单元的r1和
Figure FDA0003705367190000021
后，利用公式(4)计算单元1的相位中心为(-61.8mm，247.9mm)；重复利用公式(4)进行计算可得单元2～4的相位中心位置。
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