CN111193560B - 多目标测控通信天线阵列光纤闭环校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种多目标测控通信天线阵列光纤闭环校准方法，旨在解决天线误差校准测试参数多、天线单元互耦在内的各接收通道的不一致性，测试量大的问题。本发明通过下述技术方案予以实现：标校信号产生单元基于起始指令产生接收和发射校准基带信号，接收校准基带信号通过标校变频单元将接收校准信号上变频至射频并传输至光传输设备，通过光纤传输至天线子阵的光收/发模块，并分别耦合至各接收通道，处理后通过光纤传输至幅相一致性测量单元，实现接收通道的闭环校准；发射校准基带信号经开关网络与耦合器输出至收/发校准开关网络，传输至后端光传输设备，通过下变频得到发射校准基带信号并传输至幅相一致性测量单元，实现发射通道的闭环校准。

Description

多目标测控通信天线阵列光纤闭环校准方法

技术领域

本发明涉及无线通讯，尤其涉及一种天线通道的校正信号发送方法。尤其是用光纤闭环校准天线阵列通道的方法。

背景技术

随着相控阵技术的不断发展，阵列天线被引入到测控中，出现了基于阵列天线的分时多目标跟踪方式。其实现方案是，阵列天线采用有一定定向增益的天线阵元组阵，配套机械伺服跟踪。随着目标的移动，各向同性和增益相同的天线阵元,按一定的方式排列.构成天线阵列。要求阵列天线波束能够满足指向精度、增益、主瓣宽度等要求。为满足测控系统天线方向图的指向精度、增益、主瓣宽度等指标要求，需要天线方向图主波束始终精确指向该目标方向。当空间存在多个目标，需要多个波束控制模块完成对各个跟踪与通信。因此，阵列天线应具备全空域扫描能力。对于线阵和平面阵天线，随着扫描角的增加，方向图主瓣宽度展宽，同时旁瓣也会被抬高。对于空间角相距较远的两个目标，干扰出现在旁瓣区域。当两个目标距离较近，甚至出现在同一主瓣内，常规自适应单脉冲方法将导致单脉冲比曲线畸变，进而影响多目标跟踪性能具有全空域覆盖能力。为了获得更远的作用距离和足够的空间分辨能力，大型阵列天线有时需要几百上千乃至上万个阵元。每个子阵内至少具有一个阵元，每个阵元组成一个通道，整个阵列的方向图受子阵级方向图和各子阵内阵元级方向图共同影响。一旦多波束网络确定以后，波束形状、波束指向和主瓣宽度等指向就固定了，不易改动，且系统损耗较大，波束之间的耦合不易消除。当需要形成的波束数目较多时，硬件变得更加复杂，难以测试和调整，旁瓣电平不易控制。为了保证获得准确的波束指向，每个天线单元到数字处理之间的通道特性必须是一致的。但事实上，由于设备内部产生的热噪声，寄生调幅、调相噪声，模数变换器的量化噪声，孔径抖动噪声，由设备非线性产生的谐波、互调和杂散等原因引起的各个通道的幅度和相位响应的不一致，即“通道失配”对数字波束形成的旁瓣电平和输出信噪比造成很大影响，使天线自适应零值抬高或旁瓣电平升高。由于天线单元间互耦、阵元位置误差、信号传输通道长度不同以及时钟信号不同步等因素导致不同接收通道时间、相位不同，造成天线方向图畸变。接收通道信号数字化过程中由于Ａ／Ｄ抖动、时钟不完全同步等因素造成通道间时延测量存在误差，接收通道间的时延误差会对天线方向图产生影响，为了使天线波束的指向准确，必须对各阵元的相位和幅度进行严格控制，且能够在全天候的运行中根据环境变化实时检测调整。在实际应用时，无线信道的不确定性、各通道的射频电路对温度、湿度等环境变化的响应及自身性能的漂移都会影响到理想多波束的形成。在实际的阵列天线系统中，阵列信号处理性能的好坏将直接影响着整个通信系统的性能。由于阵列天线各通道参数的不一致性大大降低了天线系统的性能。这些参数主要包括各阵元的增益、幅度和相位等。阵列各支路间存在两种误差：非时变误差和时变误差。非时变误差包括由阵列排布引起的阵元集合位置差异、天线方向图差异、各阵元间馈线差异、阵元间的互耦效应等带来的误差：时变误差是由阵列射频通道随温度变化的放大器相位和增益差异．混频器等器件的老化、时延、滤波、幅频相频特性失真、正交调解调器不平衡等引起的频率响应不一致所带来的误差。形成误差的来源很多，但均可归结于天线阵列单元的幅相误差。阵元的位置误差会影响阵元所接收到信号的相位，基于特征值分解的波达方向算法对信号的相位误差非常敏感，因此有必要对阵元的位置误差所带来的接收信号相位误差进行校正。由阵元本身的几何位置误差所引入的接收信号相位误差与来波方向有关因此不能简单的进行固定相位校正。一般至少应校准增益、回波损耗、驻波比、插入损耗、旁瓣抑制等参数，通常应在电波暗室内进行校准。由于射频模拟通道的离散性,需要通过校准的手段,补偿射频通道的增益误差,使各通道输出功率达到期望的范围内。作为智能天线系统,对各通道的幅相一致性要求比较高,通过天线校准使各通道幅相一致,从而为下行波束赋形提供最优的条件。通过上行天线校准,使上行各通道的幅相一致,从而为上行DOA估计提供最优的条件。由于实际应用环境远比生产定标环境外部干扰复杂,而且随着器件老化、故障等原因,使用离线参数开环计算增益的方法校准不够准确。为了保证波束赋形的高质量性，应该对每个天线通道进行校准。天线校准主要是补偿发送天线阵和接收天线阵之间的相位和幅度差，并且可以发现物理通道是否出现异常。传统的校准是通过无线远端单元（RRU）进行时域校准。阵元间的互耦效应等带来的误差：时变误差是由阵列射频通道随温度变化的放大器相位和增益差异．混频器等器件的老化、时延、滤波、幅频相频特性失真、正交调解调器不平衡等引起的频率响应不一致所带来的误差。智能天线的两种误差可分两步分别校正。非时变误差可以通过离线校正方法进行精确测量．并可以在基带补偿，且由于这些误差的变化非常缓慢。不随温度等环境因素的变化而变化。故这些误差可以在阵列研制和系统调试时得到校正，在RRU内部进行．通过调整时域完成校准。时变误差是在ＢＢＵ内部进行校准。通过调整频域完成。主要包括阵列通道在研制时引起的幅度和相位误差．这些误差可以通过在线校正方法进行精确调整和测量。但由于各通道之间的不一致性。即通道幅度和相位误差的时变性，使得它们会随着温度等环境因素的变化而变化。天线校准方法中发送校准和接收校准的基本原理是相同的,不同的是,发送校准各天线按时分方式依次发送校准信号,第一路信号发送完之后,第二路才发送。校准信号通过校准通道后依次被接收,接收到一路校准信号则开始计算该通道的信道系数，校准是终端发送一路校准信号。通过校准通道后由各个天线分别同时接收,然后计算各个通道的信道系数,之后需要对计算出的信道系数进行滤波处理,去除噪声。得出纯净的信道系数。通常阵列校准主要分为闭环校准和开环校准两部分:闭环校准,主要校准接收通道之间的幅相误差。校准信号等幅同相输入到接收通道,然后比较各通道输出的幅度和相位,以此消除各接收通道之间的幅相误差。阵列天线校准方法是在闭环校准即接收阵列各通道幅相误差消除的基础上开展的。开环校准,减少校准源的位置误差,校准天线阵各天线单元的幅相误差。经过闭环和开环误差校准后的脉压结果比未校准时的脉压结果增加了15.03dB。闭环校准能够得到较强的主瓣,但是旁瓣较高,相对主瓣增益约为-10.33dB。大型相控阵天线阵列由于天线口径很大,给天线远场测试带来很多困难。远场测量要求测试距离R满足条件，得到的测量误差一般比较大,远场测量实现比较困难。天线近场校准对天馈线幅相误差进行校准需要天线阵列向某一根天线幅相对齐,对齐时需要事先补偿掉来波信号的方向矢量。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种能够简化传统标校的模式，校准准确，使用靠性，校准结果更稳定的天线阵列通道光纤闭环校准系统，以解决天线误差校准测试参数多、天线单元互耦在内的各接收通道的不一致性，测试量大的问题。

本发明的上述目的可以通过过下述技术方案予以实现：一种多目标测控通信天线阵列光纤闭环校准方法，具有如下技术特征：在实际的阵列天线系统中，将光传输设备相连天线子阵中的光收/发模块和标校变频单元，通过天线子阵中的信号预处理单元顺次串联的标校信号产生单元、标校变频单元、幅相一致性测量单元和控制与管理单元，形成光纤闭环传输校准天线阵列通道的闭环校准系统；控制与管理单元产生闭环校准起始指令，标校信号产生单元基于起始指令产生接收和发射校准基带信号。完成发射通道的闭环校准的同时，标校信号产生单元将接收校准基带信号通过标校变频单元上变频至射频并传输至光传输设备，经光纤传输至天线子阵的“光收/发模块“，通过收/发校准开关网络与耦合器将接收校准信号1-n分别耦合至各接收通道，依次经双工器、RF前端、TR通道及信号预处理单元处理后通过光纤传输至幅相一致性测量单元，实现接收通道的闭环校准；完成发射通道的闭环校准的同时，标校信号产生单元将发射校准基带信号通过光纤传输至天线子阵信号预处理单元，并依次输出至天线子阵各发射通道，经耦合器耦合输出发射校准信号1-n至收/发校准开关网络，经光收/发模块传输至后端光传输设备，发射校准信号通过校准变频单元进行下变频，得到发射校准基带信号，并传输至幅相一致性测量单元，完成发射通道的闭环校准。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

校准准确。本发明通过光纤传输至天线子阵中的光收/发模块和收/发校准开关网络，并通过收/发校准开关网络将接收或发射的校准信号1-n分别耦合至天线子阵各接收通道或发射通道，经TR通道及信号预处理单元处理后通过光纤传输至幅相一致性测量单元，完成接收通道或发射通道的闭环校准，每个天线子阵通过信号预处理单元控制光收/发模块发射校准信号激光器的通断，使得当前时刻被校准的通道可正常的将校准信号传输至后端，而未校准的通道不会对校准通道产生影响。基于光纤实现天线阵列有线闭环校准，提高了校准的准确性，解决了天线误差校准测试参数多、天线单元互耦在内的各接收通道的不一致性，测试量大的问题。

可靠性高。本发明采用控制与管理单元产生闭环校准起始指令，标校信号产生单元基于起始指令产生接收和发射校准基带信号。通过光传输设备和天线阵面光收/发模块实现天线阵列有线闭环校准，接收校准信号与发射校准信号采用波分复用；一根光纤即可实现收发通道的闭环校准，这种只用一根光纤即实现了闭环校准方法，简化了传统标校的模式，相比采用传统多根电缆的方式，减少了设备量，可靠性更高。

校准结果更稳定。本发明将光传输设备相连天线子阵中的光收/发模块和标校变频单元，通过天线子阵中的信号预处理单元顺次串联的标校信号产生单元、标校变频单元、幅相一致性测量单元和控制与管理单元，形成光纤闭环传输校准天线阵列通道的闭环校准系统；通过标校信号产生单元基于起始指令产生接收和发射校准基带信号，标校变频单元将接收校准基带信号上变频为接收校准信号至射频并传输至光传输设备，通过光纤传输至天线子阵的光收/发模块，并通过收发校准开关网络分别耦合至各接收通道，利用光纤传输通道相位随外界温度变化小的特性，使得校准结果更稳定。

本发明只用一根光纤即实现了闭环校准，天线子阵规模易扩展，相比采用传统电缆方式，采用光纤实现有线闭环校准，可以适用于更大规模的天线阵列，相比传统电缆标校方式更加易于实现，子阵规模更加易于扩展，工程应用更为广泛。且适用于大规模阵列天线，

附图说明

为了进一步说明而不是限制本发明的上述实现方式，下面结合附图举例说明，从而使本发明的细节和优点变得更为明显。

图1是本发明天线阵列通道光纤闭环校准系统示意图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，一种多目标测控通信天线阵列光纤闭环校准方法，具有如下技术特征：在实际的阵列天线系统中，将光传输设备相连天线子阵中的光收/发模块和标校变频单元，通过天线子阵中的信号预处理单元顺次串联的标校信号产生单元、标校变频单元、幅相一致性测量单元和控制与管理单元，形成光纤闭环传输校准天线阵列通道的闭环校准系统；控制与管理单元产生闭环校准起始指令，标校信号产生单元基于起始指令产生接收和发射校准基带信号，将接收校准基带信号发送至标校变频单元上变频为校准信，射频并传输至光传输设备，光传输设备发射校准信号，通过光纤传输至天线子阵中的光收/发模块和收/发校准开关网络，收/发校准开关网络将接收校准信号1-n分别耦合至天线子阵各接收通道，经TR通道及信号预处理单元处理后通过光纤传输至幅相一致性测量单元，完成接收通道的闭环校准；同时，标校信号产生单元将发射校准基带信号通过光纤传输至天线子阵信号预处理单元，并依次输出至天线子阵各发射通道，经耦合器耦合输出发射校准信号1-n至收/发校准开关网络，经光收/发模块传输至后端光传输设备，发射校准信号通过校准变频单元进行下变频，得到发射校准基带信号，并传输至幅相一致性测量单元，完成发射通道的闭环校准。

天线子阵包括：顺次串联在信号预处理单元与阵元1、阵元2…阵元n之间的n路TR通道、RF前端、双工器额耦合器，并且每个天线子阵的阵元与信号预处理单元进行双向通信。信号预处理单元通过发送控制信号，控制光收/发模块向收/发校准开关网络发射校准信号、接收校准信号的通断，将当前时刻被校准的通道的校准信号传输至后端光传输设备。

在接收通道的闭环校准过程中，收/发校准开关网络将接收校准信号1-n分别送入各阵元接收通道，每个接收通道通过耦合器耦合后送入功分器，经RF前端、TR通道送入信号预处理单元，将接收校准基带信号送入控制与管理单元，。

在发射通道的闭环校准过程中，信号预处理单元将发射校准基带信号分别送入各阵元发射通道，每个发射通道依次通过TR通道、RF前端、功分器送入耦合器耦合后，将发射校准信号1-n送入收/发校准开关网络。

在光纤闭环校准中，光收/发模块通过收/发校准开关网络，标校信号产生单元产生的大信号单载波，通过光收/发模块、收/发校准开关网络、光传输设备、天线子阵，实现标校信号的传输与闭环。

一根光纤传载收/发两路标校信号，完成对天线子阵的幅度与相位的初始值标定，得到收/发通道的初始幅相特征。

在阵列中选择天线阵列的接收通道和/或发射通道，用线性调频信号的载频测量天线子阵各接收通道与发射通道间的相位差相对幅度，对接收通道和/或发射通道的线性调频信号进行零中频处理，测量阵元1、阵元2…阵元n各通道中耦合器、双工器RF通道和TR通道间信号的时间延迟，补偿各接收通道与发射通道间的孔径渡越时间和相位差，合成各通道信号。

补偿时用数字移相器补偿各接收通道和/或发射通道间的初始相位差，用分数延迟滤波器补偿通道间信号的时延，用复系数FIR滤波器校准幅度。通过在天线子阵的接收通道或发射通道中传载单载波大信号，并通过光收/发模块与光传输设备完成光/电或电/光的信号转换，实现收/发标校的闭环；闭环标定的天线子阵各接收通道或发射通道间的初始幅相特性发送至幅相一致性测量单元，从而获得可用于标校补偿的初始幅相值与幅相差值，实现对子阵各通道幅相不一致性的补偿与校准

根据系统特征，使用真时延线TTD、数字或模拟移相器、程控衰减器或FPGA幅度加权等中的一种或多种幅相加权方式，补偿各接收通道和/或发射通道间的初始相位差。

以上所述为本发明较佳实施例，应该注意的是上述实施例对本发明进行说明，然而本发明并不局限于此，并且本领域技术人员在脱离所附权利要求的范围情况下可设计出替换实施例。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多目标测控通信天线阵列光纤闭环校准方法，具有如下技术特征：在实际的阵列天线系统中，将光传输设备相连天线子阵中的光收/发模块和标校变频单元，通过天线子阵中的信号预处理单元顺次串联的标校信号产生单元、标校变频单元、幅相一致性测量单元和控制与管理单元，形成光纤闭环传输校准天线阵列通道的闭环校准系统；控制与管理单元产生闭环校准起始指令，标校信号产生单元基于起始指令产生接收和发射校准基带信号；完成发射通道的闭环校准的同时，将接收校准基带信号通过标校变频单元上变频至射频并传输至光传输设备，经光纤传输至天线子阵的光收/发模块，通过收/发校准开关网络与耦合器将接收校准信号1-n分别耦合至各接收通道，依次经双工器、RF前端、TR通道及信号预处理单元处理后通过光纤传输至幅相一致性测量单元，实现接收通道的闭环校准，其中，天线子阵包括：顺次串联在信号预处理单元与阵元1、阵元2…阵元n之间的n路TR通道、RF前端、双工器和 耦合器，并且每个天线子阵的阵元与信号预处理单元进行双向通信。

2.如权利要求1所述的多目标测控通信天线阵列光纤闭环校准方法，其特征在于：完成发射通道的闭环校准的同时，标校信号产生单元将发射校准基带信号通过光纤传输至天线子阵信号预处理单元，并依次输出至天线子阵各发射通道，经耦合器耦合输出发射校准信号1-n至收/发校准开关网络，经光收/发模块传输至后端光传输设备。

3.如权利要求1所述的多目标测控通信天线阵列光纤闭环校准方法，其特征在于：发射校准信号通过校准变频单元进行下变频，得到发射校准基带信号，并传输至幅相一致性测量单元，完成发射通道的闭环校准。

4.如权利要求1所述的多目标测控通信天线阵列光纤闭环校准方法，其特征在于：信号预处理单元通过发送控制信号，控制光收/发模块向收/发校准开关网络发射校准信号、接收校准信号的通断，将当前时刻被校准的通道的校准信号传输至后端光传输设备。

5.如权利要求1所述的多目标测控通信天线阵列光纤闭环校准方法，其特征在于：在接收通道的闭环校准过程中，收/发校准开关网络将接收校准信号1-n分别送入各阵元接收通道，每个接收通道通过耦合器耦合后送入功分器，经RF前端、TR通道送入信号预处理单元，将接收校准基带信号送入控制与管理单元；在发射通道的闭环校准过程中，信号预处理单元将发射校准基带信号分别送入各阵元发射通道，每个发射通道依次通过TR通道、RF前端、功分器送入耦合器耦合后，将发射校准信号1-n送入收/发校准开关网络。

6.如权利要求1所述的多目标测控通信天线阵列光纤闭环校准方法，其特征在于：在光纤闭环校准中，光收/发模块通过收/发校准开关网络，标校信号产生单元产生的大信号单载波，通过光收/发模块、收/发校准开关网络、光传输设备、天线子阵，实现标校信号的传输与闭环。

7.如权利要求1所述的多目标测控通信天线阵列光纤闭环校准方法，其特征在于：一根光纤传载收/发两路标校信号，完成对天线子阵的幅度与相位的初始值标定，得到收/发通道的初始幅相特征。

8.如权利要求1所述的多目标测控通信天线阵列光纤闭环校准方法，其特征在于：通过在天线子阵的接收通道或发射通道中传载单载波大信号，并通过光收/发模块与光传输设备完成光/电或电/光的信号转换，实现收/发标校的闭环；闭环标定的天线子阵各接收通道或发射通道间的初始幅相特性发送至幅相一致性测量单元，从而获得可用于标校补偿的初始幅相值与幅相差值，实现对子阵各通道幅相不一致性的补偿与校准。

9.如权利要求1所述的多目标测控通信天线阵列光纤闭环校准方法,其特征在于：根据系统特征，使用真时延线TTD、数字或模拟移相器、程控衰减器或FPGA幅相加权中的一种或多种幅相加权方式，补偿各接收通道或发射通道间的初始幅相差。

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