CN111562445B - 一种射频仿真试验系统角模拟精度实时监测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁兼容测试技术领域，公开了一种射频仿真试验系统角模拟精度实时监测的方法。本方法采用的角模拟精度实时监测的系统，包括：标校控制计算机、三轴标校转台、标校设备、全站仪，位于仿真微波暗室内中部的所述标校设备通过三轴标校转台固定住升降柱上，标校设备一侧的仿真微波暗室内设置有全站仪，标校设备一侧的仿真微波暗室内设置有被试装备，被试装备高于标校设备；仿真微波暗室外布局有标校控制计算机；本发明通过全路径相位补偿技术对传输路径差异产生的相位差和幅度差进行修正，实现角模拟精度的测量，实现对仿真天线阵列角模拟精度的实时监测；从而可以保证试验的置信度。本发明可应用于相控阵天线辐射特性的远场测量。

Description

一种射频仿真试验系统角模拟精度实时监测的方法

技术领域

本发明属于电磁兼容测试技术领域，涉及一种射频仿真试验系统角模拟精度实时监测的方法。

背景技术

射频仿真天线阵列是半实物射频仿真试验系统的重要组成部分，主要用于将信号环境模拟分系统产生的射频信号辐射至微波暗室中，并在半实物射频仿真试验系统控制计算机的控制下，通过控制射频信号的幅度、相位，模拟雷达目标在方位角和俯仰角的连续运动。

所述半实物射频仿真试验系统：把数学模型、物理效应模型与实际的系统联系在一起组成的仿真系统，用于开展仿真试验或进行相关研究。射频仿真天线阵列：主要由射频馈电通道、控制计算机和球面天线阵组成，工作时，射频通道在控制计算机控制下将射频信号按一定的幅度和相位馈送到天线阵列各个辐射单元，模拟雷达等目标在方位角和俯仰角的连续运动。三元组：仿真系统所模拟的目标信号是以天线阵列上相邻的三个单元的合成信号来表示，此三个单元按等边三角形排列，构成一个子阵列，称之为三元组。标校设备：主要有高频部分、测量仪器和控制计算机等组成，工作时，采用相位干涉仪的原理测量射频信号的来波方向，从而实现对射频仿真天线阵列角模拟精度的测量。半实物射频仿真试验：将半实物射频仿真试验系统和被试装备通过射频接口、数字接口等连接在一起，形成闭环回路，并开展仿真试验，从而考核被试装备的各项指标。

射频仿真天线阵列为了实现模拟雷达目标在方位角和俯仰角的连续运动，采用三元组的工作方式，通过控制射频仿真天线阵列三元组各个辐射单元的幅度、并始终保持各辐射单元相位一致，从而实现所模拟的雷达目标在角度上的连续运动。角模拟精度是射频天线阵列的最重要指标之一。在考核被试雷达装备测角精度等指标时，需要在试验不同阶段对射频仿真天线阵列的角模拟精度进行确认，从而确保试验结果的置信度和准确性。

当前，仿真试验开始前在球面天线阵球心处安装标校设备高频头，对射频仿真天线阵列各通道的初值进行测量，得到不同射频馈电通道的初始幅度和相位值，并建立控制表格修正各射频馈电通道的幅相差异，并进行角模拟精度的测试与考核。但是，在半实物仿真试验开展过程中，球面天线阵球心处放置了被试雷达装备，此时将无法安装标校设备高频头，此时按照常规方法将无法检测射频仿真天线阵列的角模拟精度。

目前，射频仿真天线阵列角模拟精度均采用球心处测量的方法，没有可以在微波暗室内其他位置实时监测角模拟精度的技术。

当前，半实物仿真试验系统天线阵列角模拟精度均在试验开始前进行标定。具体方法是：在球面天线阵列球心处架设标校设备高频头，对射频天线阵列三元组各个辐射单元的初始幅度和相位进行测量，建立初值表格。射频天线阵列根据初值表格，控制射频通道中的程控衰减器和IQ对三元组各个射频通道进行幅相控制，从而实现角模拟位置的精确控制。由于在仿真试验过程中，球心处已经安装有被试装备，无法再进行角模拟精度的实时监测。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种评价脉冲激励混响室测试区域电场均匀性方法，是基于时间门的脉冲激励混响室测试区域电磁场均匀性评价方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于全路径相位补偿方法角模拟精度实时监测的系统，包括：标校控制计算机、三轴标校转台、标校设备、全站仪，在仿真微波暗室内布局有全站仪、标校设备、被试装备，位于仿真微波暗室内中部的所述标校设备通过三轴标校转台固定住升降柱上，标校设备一侧的仿真微波暗室内设置有全站仪，标校设备一侧的仿真微波暗室内设置有被试装备，被试装备高于标校设备；仿真微波暗室外布局有标校控制计算机；

所述标校控制计算机通过LAN与全站仪、标校设备、三轴标校转台以及升降柱相连接；所述全站仪安装在位置已知的点位上，能够与标校设备通视，用于测量标校设备的位置。

一种基于全路径相位补偿方法角模拟精度实时监测的系统，所述的标校控制计算机为用于完成状态检测、参数设置、结果处理功能的工控机。

一种基于全路径相位补偿方法角模拟精度实时监测的系统，所述的三轴标校转台，包括：机械台体、电控单元组成；机械台体由偏航轴、俯仰轴和横滚轴三个轴系以及基座构成，所述的三轴标校转台为立式结构形式及精密机械轴系支撑的高强度铸造框架结构；三轴相交于一点。

一种基于全路径相位补偿方法角模拟精度实时监测的系统，所述标校设备由高频头、矢量网络分析仪和控制设备组成，控制设备的微波开关用于选择接收天线和极化，所述每路微波开关输出端分别通过前置放大器与矢量网络分析仪的接收端口2和接收端口3相连；矢量网络分析仪的端口1输出发射信号；其中标校设备的高频头通过安装夹具固定于安装基面上，相位中心与三轴交点重合；所述标校设备为相位干涉完成角模拟精度的测量设备；

标校设备的控制系统包括用户管理模块、用户登录模块、系统连接模块、参数设置模块、测量模块、数据录取模块和结果处理模块；用户登录模块用于验证密码和用户名是否正确；用户管理模块用于用户增删和密码修改；系统连接模块主要配置仪器设备地址，连接设备时自检，判断各仪器连接是否正常；参数设置模块用于完成测量仪器测量参数、处理参数设置；测量模块用于完成三轴标校转台相位中心位置测量、三元组初值和角模拟精度测量；数据录取模块用于测量数据的记录；结果处理模块用于完成坐标系位置变换、相位修正的建立关系。

一种基于全路径相位补偿方法角模拟精度实时监测的系统，所述标高频头主要有外框、4个接收天线、开关、功率放大器组成，其中，4个接收天线采用宽频带的四脊圆锥喇叭天线，布局安装在外框上。接收天线的A、B号天线用于测量俯仰角误差，接收天线的C、D号天线用于测量方位角误差。

一种基于全路径相位补偿方法角模拟精度实时监测的系统，所述电控单元由DSP运动控制器、DSP扩展模板、伺服功率放大器、电机、测量与反馈元件组成。

一种基于全路径相位补偿方法角模拟精度实时监测的方法，在微波暗室内静区外架设标校设备，并确定标校设备高频头在微波暗室坐标系下的坐标位置，通过空间几何关系，确定辐射天线阵列每一个辐射单元与高频头的距离，通过距离计算相位和幅度补偿量，建立幅度相位修正参数，从而实现在仿真试验开展过程中进行全路径幅相补偿的角模拟精度的监测；角模拟精度测试流程如下：

首先，建立微波暗室坐标系，以球面天线阵球心位置为原点，z轴平行于微波暗室轴线，并以指向球面天线阵为正方向；y轴垂直向上；利用右手法则确定x轴；

在微波暗室坐标系下，确定全站仪回转中心的安装位置(x₀,y₀,z₀)，并建立全站仪坐标系；全站仪坐标系原点为全站仪回转中心，z轴平行于微波暗室轴线并以远离球面天线阵为正方向；y轴垂直向上；利用右手法则确定x轴；利用全站仪标定标校设备相位中心在全站仪坐标系下的位置

将标校设备球坐标转换为直角坐标：

z₁＝r₁*cos(θ₁) (1c)

根据式(1)以及全站仪回转中心的安装位置(x₀,y₀,z₀)，计算得到标校设备相位中心在微波暗室坐标系下的坐标位置：

x₁₀＝x₀-x₁ (2a)

y₁₀＝y₀+y₁ (2b)

z₁₀＝z₀-z₁ (2c)

假设，球面天线阵各阵元在微波暗室坐标系下的位置为

转换为直角坐标系：

z_i＝r_0i*cos(θ_0i) (3c)

利用(2)、(3)计算各阵元与标校设备相位中心之间的距离为：

R_i＝sqrt((x₁₀-x_i)²+(y₁₀-y_i)²+(z₁₀-z_i)²) (4)

假设，射频信号的波长为λ，则可以得到路径差引起的相位差为：

α_i＝2π*R_i/λ (5)

根据计算结果，建立路径相位误差修正参数：序号、相位修正量(°)；

其中，三轴标校转台安装在升降柱上，当试验过程中需要测试角模拟精度时，由升降柱上升至最高位置，将三轴标校转台以及安装在三轴标校转台上的标校设备升至测试位置；角模拟精度测试完成后，升降柱下降至最低位置，以减小三轴标校转台反射信号对试验结果的影响；三轴标校转台标校时，横滚轴要求连续旋转，为使标校设备高频头线缆引出，设置有导电滑环；并且根据需求设置相应的芯数，转台基座与升降柱通过螺栓相连接。

为了减小三轴标校转台反射信号的影响，采取以下三种措施：

(1)尽量较小机械台体的外形尺寸，三轴标校转台仅用于标校，其对动态性能要求不高，仅要求静态角位置精度，因此在满足标校功能的前提下，尽量减小电机的功率；

(2)在转台外部粘贴吸波材料进一步降低反射信号；

(3)将三轴标校转台安装在升降柱上，升降柱采用液压方式，底部安装在暗室地面基坑里，使用时通过液压方式将转台升至地面，并完成自锁。

由于采用上述技术方案，本发明的优越性如下：

一种射频仿真试验系统角模拟精度实时监测的方法，在微波暗室非球心位置安装固定标校设备高频头、三轴标校转台，在不影响半实物仿真试验开展的前提下，通过标定安装位置在球面天线阵坐标系下的精确位置，并通过全路径相位补偿技术对传输路径差异产生的相位差和幅度差进行修正，实现角模拟精度的测量，从而实现在半实物仿真试验开展过程中实现对仿真天线阵列角模拟精度的实时监测；从而可以保证试验的置信度。本发明突破了传统的常规思路，开发周期短。亦可以推广应用于相控阵天线辐射特性的远场测量。

附图说明

图1为射频仿真试验系统角模拟精度实时监测系统在微波暗室内的布局图。

图2标校设备组成图。

图3标校系统高频头接收天线布局图

具体实施方式

为了更好地理解本发明的技术方案，以下内容将结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。

如图1、2、3所示，一种基于全路径相位补偿方法角模拟精度实时监测的系统，包括：标校控制计算机1、三轴标校转台2、标校设备3、全站仪4，在仿真微波暗室内布局有全站仪4、标校设备3、被试装备5，位于仿真微波暗室内中部的所述标校设备3通过三轴标校转台2固定住升降柱6上，标校设备3一侧的仿真微波暗室内设置有全站仪4，标校设备3一侧的仿真微波暗室内设置有被试装备5，被试装备5高于标校设备3；仿真微波暗室外布局有标校控制计算机1；

所述标校控制计算机通过LAN与全站仪、标校设备、三轴标校转台以及升降柱相连接；所述全站仪安装在位置已知的点位上，能够与标校设备通视，用于测量标校设备的位置。

一种射频仿真试验系统角模拟精度实时监测的方法，实施时可以在微波暗室非球心位置安装三轴标校转台，通过全路径幅相补偿技术，在不影响半实物仿真试验开展的前提下，实现角模拟精度的实时监测，从而可以保证试验的置信度。

在仿真微波暗室内非球心位置安装标校设备高频头，通过标定安装位置在球面天线阵坐标系下的精确位置，并通过全路径相位补偿技术对传输路径差异产生的相位差和幅度差进行修正，从而在不影响半实物仿真试验开展的情况下实现对角模拟精度进行监测。

所述射频仿真试验系统角模拟精度实时监测的系统，主要由标校控制计算机、三轴标校转台、标校设备、全站仪等组成，在仿真微波暗室内的布局如图1所示。其中，全站仪安装在位置已知的点位上，可以与标校设备通视，主要用于测量标校设备的位置。三轴标校转台安装在升降柱上，当试验过程中需要测试角模拟精度时，由升降柱上升至最高位置，将三轴标校转台以及安装在三轴标校转台上的标校设备升至测试位置；角模拟精度测试完成后，升降柱下降至最低位置，以减小三轴标校转台反射信号对试验结果的影响。

(一)标校控制计算机

为了保证系统的稳定性，标校控制计算机采用性能较好的工控机。标校控制计算机主要用于完成状态检测、参数设置、结果处理等功能。标校控制计算机通过LAN与全站仪、标校设备、三轴标校转台以及升降柱相连接。

标校控制软件包括用户管理模块、用户登录模块、系统连接模块、参数设置模块、测量模块、数据录取模块和结果处理模块。用户登录模块主要用于验证密码和用户名是否正确；用户管理模块主要用于用户增删和密码修改；系统连接模块主要配置仪器设备地址，连接设备时自检，判断各仪器连接是否正常；参数设置模块主要完成测量仪器测量参数、处理参数设置；测量模块主要完成三轴标校转台相位中心位置测量、三元组初值和角模拟精度测量；数据录取模块主要用于测量数据的记录；结果处理模块主要用于完成坐标系位置变换、相位修正表格建立等。

(二)三轴标校转台

三轴标校转台主要用机械台体、电控单元等组成。机械台体由偏航轴、俯仰轴和横滚轴三个轴系以及基座构成，采用立式结构形式及精密机械轴系支撑的高强度铸造框架结构。三轴相交于一点，标校设备高频头通过安装夹具安装于安装基面上，相位中心与三轴交点重合。标校时，横滚轴要求连续旋转，为使标校设备高频头线缆引出，设置有导电滑环。可根据需求设置相应的芯数。转台基座与升降柱通过螺栓相连接。

电控单元主要由DSP运动控制器、DSP扩展模板、伺服功率放大器、电机、测量与反馈元件等部分组成。

为了减小三轴标校转台反射信号的影响，可以采取以下三种措施：(1)尽量较小机械台体的外形尺寸，三轴标校转台仅用于标校，其对动态性能要求不高，仅要求静态角位置精度，因此在满足标校功能的前提下，尽量减小电机的功率；(2)在转台外部粘贴吸波材料进一步降低反射信号；(3)将三轴标校转台安装在升降柱上，升降柱采用液压方式，底部安装在暗室地面基坑里，使用时通过液压方式将转台升至地面，并完成自锁。

(三)标校设备

标校设备采用相位干涉仪方法完成角模拟精度的测量，主要由高频头、矢量网络分析仪以及控制设备组成。其组成以及连接关系如图2所示。矢量网络分析仪的1端口输出发射信号，2、3端口为接收端口，微波开关用于选择接收天线和极化。

高频头主要有外框、4个接收天线、开关、功率放大器等组成。其中，4个接收天线采用宽频带的四脊圆锥喇叭天线，按照图3布局安装在外框上。A、B号天线用于测量俯仰角误差，C、D号天线用于测量方位角误差。

(四)全站仪

全站仪为成熟的商用设备，其测量精度较高，可以满足位置测量精度要求。

角模拟精度测试流程

首先，建立微波暗室坐标系。以球面天线阵球心位置为原点，z轴平行于微波暗室轴线，并以指向球面天线阵为正方向；y轴垂直向上；利用右手法则确定x轴。

在微波暗室坐标系下，确定全站仪回转中心的安装位置(x₀,y₀,z₀)，并建立全站仪坐标系。全站仪坐标系原点为全站仪回转中心，z轴平行于微波暗室轴线并以远离球面天线阵为正方向；y轴垂直向上；利用右手法则确定x轴。利用全站仪标定标校设备相位中心在全站仪坐标系下的位置

将标校设备球坐标转换为直角坐标：

z₁＝r₁*cos(θ₁) (1c)

根据式(1)以及全站仪回转中心的安装位置(x₀,y₀,z₀)，计算得到标校设备相位中心在微波暗室坐标系下的坐标位置：

x₁₀＝x₀-x₁ (2a)

y₁₀＝y₀+y₁ (2b)

z₁₀＝z₀-z₁ (2c)

假设，球面天线阵各阵元在微波暗室坐标系下的位置为

转换为直角坐标系：

z_i＝r_0i*cos(θ_0i) (3c)

利用(2)、(3)计算各阵元与标校设备相位中心之间的距离为：

R_i＝sqrt((x₁₀-x_i)²+(y₁₀-y_i)²+(z₁₀-z_i)²) (4)

假设，射频信号的波长为λ，则可以得到路径差引起的相位差为：

α_i＝2π*R_i/λ (5)

根据计算结果，建立路径相位误差修正表格。

表1路径相位误差修正表格

序号	相位修正量(°)	序号	相位修正量(°)	序号	相位修正量(°)
						1
2
						3
4
						5

本发明基于全路径相位补偿方法角模拟精度实时监测的技术，在微波暗室内静区外架设标校设备，并确定标校设备高频头在微波暗室坐标系下的坐标位置，通过空间几何关系，确定辐射天线阵列每一个辐射单元与高频头的距离，通过距离计算相位和幅度补偿量，建立幅度相位修正表格，从而实现在仿真试验开展过程中进行角模拟精度的监测。

Claims (7)

1.一种基于全路径相位补偿方法角模拟精度实时监测的系统，其特征是：包括：标校控制计算机(1)、三轴标校转台(2)、标校设备(3)、全站仪(4)，在仿真微波暗室内布局有全站仪(4)、标校设备(3)、被试装备(5)，位于仿真微波暗室内中部的所述标校设备(3)通过三轴标校转台(2)固定住升降柱(6)上，标校设备(3)一侧的仿真微波暗室内设置有全站仪(4)，标校设备(3)一侧的仿真微波暗室内设置有被试装备(5)，被试装备(5)高于标校设备(3)；仿真微波暗室外布局有标校控制计算机(1)；

所述标校控制计算机通过LAN与全站仪、标校设备、三轴标校转台以及升降柱相连接；所述全站仪安装在位置已知的点位上，能够与标校设备通视，用于测量标校设备的位置；

在微波暗室内静区外架设标校设备，并确定标校设备高频头在微波暗室坐标系下的坐标位置，通过空间几何关系，确定辐射天线阵列每一个辐射单元与高频头的距离，通过距离计算相位和幅度补偿量，建立幅度相位修正参数，从而实现在仿真试验开展过程中进行全路径幅相补偿的角模拟精度的监测。

2.根据权利要求1所述一种基于全路径相位补偿方法角模拟精度实时监测的系统，其特征是：所述的标校控制计算机为用于完成状态检测、参数设置、结果处理功能的工控机。

3.根据权利要求1所述一种基于全路径相位补偿方法角模拟精度实时监测的系统，其特征是：所述的三轴标校转台，包括：机械台体、电控单元组成；机械台体由偏航轴、俯仰轴和横滚轴三个轴系以及基座构成，所述的三轴标校转台为立式结构形式及精密机械轴系支撑的高强度铸造框架结构；三轴相交于一点。

4.根据权利要求1所述一种基于全路径相位补偿方法角模拟精度实时监测的系统，其特征是：所述标校设备由高频头、矢量网络分析仪和控制设备组成，控制设备的微波开关用于选择接收天线和极化，每路微波开关输出端分别通过前置放大器与矢量网络分析仪的接收端口2和接收端口3相连；矢量网络分析仪的端口1输出发射信号；其中标校设备的高频头通过安装夹具固定于安装基面上，相位中心与三轴交点重合；所述标校设备为相位干涉完成角模拟精度的测量设备；

标校设备的控制系统包括用户管理模块、用户登录模块、系统连接模块、参数设置模块、测量模块、数据录取模块和结果处理模块；用户登录模块用于验证密码和用户名是否正确；用户管理模块用于用户增删和密码修改；系统连接模块主要配置仪器设备地址，连接设备时自检，判断各仪器连接是否正常；参数设置模块用于完成测量仪器测量参数、处理参数设置；测量模块用于完成三轴标校转台相位中心位置测量、三元组初值和角模拟精度测量；数据录取模块用于测量数据的记录；结果处理模块用于完成坐标系位置变换、相位修正的建立关系。

5.根据权利要求4所述一种基于全路径相位补偿方法角模拟精度实时监测的系统，其特征是：所述高频头主要有外框、4个接收天线、开关、功率放大器组成，其中，4个接收天线采用宽频带的四脊圆锥喇叭天线，布局安装在外框上，接收天线的A、B号天线用于测量俯仰角误差，接收天线的C、D号天线用于测量方位角误差。

6.根据权利要求3所述一种基于全路径相位补偿方法角模拟精度实时监测的系统，其特征是：所述电控单元由DSP运动控制器、DSP扩展模板、伺服功率放大器、电机、测量与反馈元件组成。

7.一种基于全路径相位补偿方法角模拟精度实时监测的方法，其特征是：在微波暗室内静区外架设标校设备，并确定标校设备高频头在微波暗室坐标系下的坐标位置，通过空间几何关系，确定辐射天线阵列每一个辐射单元与高频头的距离，通过距离计算相位和幅度补偿量，建立幅度相位修正参数，从而实现在仿真试验开展过程中进行全路径幅相补偿的角模拟精度的监测；角模拟精度测试流程如下：

首先，建立微波暗室坐标系，以球面天线阵球心位置为原点，z轴平行于微波暗室轴线，并以指向球面天线阵为正方向；y轴垂直向上；利用右手法则确定x轴；

在微波暗室坐标系下，确定全站仪回转中心的安装位置(x₀,y₀,z₀)，并建立全站仪坐标系；全站仪坐标系原点为全站仪回转中心，z轴平行于微波暗室轴线并以远离球面天线阵为正方向；y轴垂直向上；利用右手法则确定x轴；利用全站仪标定标校设备相位中心在全站仪坐标系下的位置

将标校设备球坐标转换为直角坐标：

z₁＝r₁*cos(θ₁) (1c)

根据式(1)以及全站仪回转中心的安装位置(x₀,y₀,z₀)，计算得到标校设备相位中心在微波暗室坐标系下的坐标位置：

x₁₀＝x₀-x₁ (2a)

y₁₀＝y₀+y₁ (2b)

z₁₀＝z₀-z₁ (2c)

假设，球面天线阵各阵元在微波暗室坐标系下的位置为

转换为直角坐标系：

z_i＝r_0i*cos(θ_0i) (3c)

利用(2)、(3)计算各阵元与标校设备相位中心之间的距离为：

R_i＝sqrt((x₁₀-x_i)²+(y₁₀-y_i)²+(z₁₀-z_i)²) (4)

假设，射频信号的波长为λ，则可以得到路径差引起的相位差为：

α_i＝2π*R_i/λ (5)

根据计算结果，建立路径相位误差修正参数：序号、相位修正量(°)；

其中，三轴标校转台安装在升降柱上，当试验过程中需要测试角模拟精度时，由升降柱上升至最高位置，将三轴标校转台以及安装在三轴标校转台上的标校设备升至测试位置；角模拟精度测试完成后，升降柱下降至最低位置，以减小三轴标校转台反射信号对试验结果的影响；三轴标校转台标校时，横滚轴要求连续旋转，为使标校设备高频头线缆引出，设置有导电滑环；并且根据需求设置相应的芯数，转台基座与升降柱通过螺栓相连接；

为了减小三轴标校转台反射信号的影响，采取以下三种措施：

(1)尽量较小机械台体的外形尺寸，三轴标校转台仅用于标校，其对动态性能要求不高，仅要求静态角位置精度，因此在满足标校功能的前提下，尽量减小电机的功率；

(2)在转台外部粘贴吸波材料进一步降低反射信号；

(3)将三轴标校转台安装在升降柱上，升降柱采用液压方式，底部安装在暗室地面基坑里，使用时通过液压方式将转台升至地面，并完成自锁。

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