CN111596145B - 一种相控阵发射校准装置和方法 - Google Patents

一种相控阵发射校准装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相控阵发射校准装置和方法，包括控制模块、耦合模块、幅度获取模块和幅相解算模块，幅相解算模块包括相位差解算单元、解模糊单元和幅相补偿计算单元；控制模块完成对基准TR通道和校准TR通道的发射控制，耦合模块完成对发射信号的耦合，幅度获取模块完成从发射信号中获取幅度信息，幅相解算模块通过算法得到基准TR通道和校准TR通道的幅度值和相位差值，再得到校准TR通道的幅度补偿值和相位补偿值，幅度补偿值和相位补偿值用以在相控阵进行发射时，对校准TR通道的发射幅度和发射相位进行校准。本发明能够在不需要额外增加TR通道的前提下完成对TR通道的校准。

Description

一种相控阵发射校准装置和方法
技术领域
本发明涉及天线校准技术领域，特别是涉及一种相控阵发射校准装置和方法。
背景技术
目前，相控阵技术已经在雷达和通信等领域广泛应用，随着技术进步，相控阵也从无源体制向有源体制发展。相控阵的发射波束是相控阵列中所有天线单元辐射电磁波的矢量合成，各个单元的相位差和幅度差对波束形成有重要影响。每个单元的相位差和幅度差由多个因素构成，其中在有源体制中，要求每个TR通道从信号产生到信号辐射出去的幅度相位能够被精确控制，故要求不同TR通道的幅度和相位差是可测量和校准的。
现有技术在对不同TR通道进行幅度和相位参数校准时，一般通过对每个TR通道与额外增加的参考TR通道进行测量比对获取幅相差异参数，这就需要额外增加参考TR通道，导致系统设计较为复杂，成本相对也较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种相控阵发射校准装置和方法，能够在不需要额外增加TR通道的前提下完成对TR通道的校准。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种相控阵发射校准装置，包括控制模块、耦合模块、幅度获取模块和幅相解算模块，所述幅相解算模块包括相位差解算单元、解模糊单元和幅相补偿计算单元；所述控制模块用于控制基准TR通道单独发射，控制校准TR通道单独发射，控制基准TR通道和校准TR通道在第一发射相位下同时发射以及控制基准TR通道和校准TR通道在第二发射相位下同时发射，其中，所述基准TR通道为相控阵的TR通道中的一个，校准TR通道为除基准TR通道外的其他TR通道；所述耦合模块用于将基准TR通道和校准TR通道的发射信号耦合到幅度获取模块；所述幅度获取模块用于从基准TR通道和校准TR通道的发射信号中获取幅度信息，得到基准TR通道单独发射时的第一幅度值、校准TR通道单独发射时的第二幅度值、基准TR通道和校准TR通道在第一发射相位下同时发射时的第一合成幅度值以及基准TR通道和校准TR通道在第二发射相位下同时发射时的第二合成幅度值；所述相位差解算单元用于对第一幅度值、第二幅度值和第一合成幅度值进行解算得到第一解算相位值，对第一幅度值、第二幅度值和第二合成幅度值进行解算得到第二解算相位值；所述解模糊单元用于对第一解算相位值和第二解算相位值进行解算得到校准TR通道相对于基准TR通道的相位差值；所述幅相补偿计算单元用于对第一幅度值、第二幅度值和相位差值进行计算得到校准TR通道的幅度补偿值和相位补偿值，所述幅度补偿值和相位补偿值用以在相控阵进行发射时，对校准TR通道的发射幅度和发射相位进行校准。
优选的，所述耦合模块还用于在对发射信号进行耦合前，检测基准TR通道和校准TR通道的耦合特性是否一致，并在不一致时，根据预先测量出的基准TR通道和校准TR通道的幅度相位耦合差异生成校准TR通道的耦合补偿值；所述幅相补偿计算单元还用于对第一幅度值、第二幅度值、相位差值和耦合补偿值进行计算得到校准TR通道的幅度补偿值和相位补偿值。
优选的，所述幅度获取模块具体用于对基准TR通道和校准TR通道的发射信号进行检波得到检波信号，对检波信号进行AD采样获取幅度信息。
优选的，所述幅度获取模块具体用于对基准TR通道和校准TR通道的发射信号进行变频得到变频信号，对变频信号进行AD采样得到中频数字信号，从中频数字信号中获取幅度信息。
优选的，所述幅度获取模块具体用于对基准TR通道和校准TR通道的发射信号进行AD采样得到射频数字信号，从射频数字信号中获取幅度信息。
优选的，第一解算相位值的解算公式为：
Figure BDA0002523977110000021
其中，PH1表示第一解算相位值，A1表示第一幅度值，A2表示第二幅度值，B1表示第一合成幅度值。
优选的，第二解算相位值的解算公式为：
Figure BDA0002523977110000022
其中，PH2表示第二解算相位值，B2表示第二合成幅度值。
优选的，相位差值的解算公式为：
PH＝180+PH1，PH2≤90°(或PH2＜90°)；
PH＝180-PH1，PH2＞90°(或PH2≥90°)
其中，PH表示相位差值。
优选的，所述第一发射相位为0°，所述第二发射相位为90°。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种相控阵发射校准方法，包括以下步骤：
S1：控制基准TR通道单独发射，控制校准TR通道单独发射，控制基准TR通道和校准TR通道在第一发射相位下同时发射以及控制基准TR通道和校准TR通道在第二发射相位下同时发射，其中，所述基准TR通道为相控阵的TR通道中的一个，校准TR通道为除基准TR通道外的其他TR通道；
S2：将基准TR通道和校准TR通道的发射信号进行耦合；
S3：从基准TR通道和校准TR通道的发射信号中获取幅度信息，得到基准TR通道单独发射时的第一幅度值、校准TR通道单独发射时的第二幅度值、基准TR通道和校准TR通道在第一发射相位下同时发射时的第一合成幅度值以及基准TR通道和校准TR通道在第二发射相位下同时发射时的第二合成幅度值；
S4：对第一幅度值、第二幅度值和第一合成幅度值进行解算得到第一解算相位值，对第一幅度值、第二幅度值和第二合成幅度值进行解算得到第二解算相位值；
S5：对第一解算相位值和第二解算相位值进行解算得到校准TR通道相对于基准TR通道的相位差值；
S6：对第一幅度值、第二幅度值和相位差值进行计算得到校准TR通道的幅度补偿值和相位补偿值，所述幅度补偿值和相位补偿值用以在相控阵进行发射时，对校准TR通道的发射幅度和发射相位进行补偿。
区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：通过利用相控阵本身的TR通道对相控阵的TR通道进行幅度和相位的校准，从而能够在不需要额外增加TR通道的前提下完成对TR通道的校准，可以在保障校准准确度的基础上，简化硬件设计，降低成本。
附图说明
图1是本发明实施例的相控阵发射校准装置的原理框图；
图2是本发明实施例的相控阵发射校准方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1，本发明实施例的相控阵发射校准装置包括控制模块1、耦合模块2、幅度获取模块3和幅相解算模块4，幅相解算模块4包括相位差解算单元41、解模糊单元42和幅相补偿计算单元43。
控制模块1用于控制基准TR通道单独发射，控制校准TR通道单独发射，控制基准TR通道和校准TR通道在第一发射相位下同时发射以及控制基准TR通道和校准TR通道在第二发射相位下同时发射，其中，基准TR通道为相控阵的TR通道中的一个，校准TR通道为除基准TR通道外的其他TR通道。
在本实施例中，第一发射相位为0°，第二发射相位为90°，当然，第一发射相位和第二发射相位还可以为其它相位值。控制模块1在控制基准TR通道、校准TR通道单独发射和同时发射时，并不限定发射顺序，发射顺序可以任意调整。
耦合模块2用于将基准TR通道和校准TR通道的发射信号耦合到幅度获取模块。
幅度获取模块3用于从基准TR通道和校准TR通道的发射信号中获取幅度信息，得到基准TR通道单独发射时的第一幅度值、校准TR通道单独发射时的第二幅度值、基准TR通道和校准TR通道在第一发射相位下同时发射时的第一合成幅度值以及基准TR通道和校准TR通道在第二发射相位下同时发射时的第二合成幅度值。
其中，幅度获取模块3获取幅度信息的方式可以有多种，例如：
在第一种应用中，幅度获取模块3具体用于对基准TR通道和校准TR通道的发射信号进行检波得到检波信号，对检波信号进行AD采样获取幅度信息。
在第二种应用中，幅度获取模块3具体用于对基准TR通道和校准TR通道的发射信号进行变频得到变频信号，对变频信号进行AD采样得到中频数字信号，从中频数字信号中获取幅度信息。
在第三种应用中，幅度获取模块3具体用于对基准TR通道和校准TR通道的发射信号进行AD采样得到射频数字信号，从射频数字信号中获取幅度信息。
相位差解算单元41用于对第一幅度值、第二幅度值和第一合成幅度值进行解算得到第一解算相位值，对第一幅度值、第二幅度值和第二合成幅度值进行解算得到第二解算相位值。
在本实施例中，第一解算相位值的解算公式为：
Figure BDA0002523977110000051
第二解算相位值的解算公式为：
Figure BDA0002523977110000052
其中，PH1表示第一解算相位值，PH2表示第二解算相位值，A1表示第一幅度值，A2表示第二幅度值，B1表示第一合成幅度值，B2表示第二合成幅度值。
解模糊单元42用于对第一解算相位值和第二解算相位值进行解算得到校准TR通道相对于基准TR通道的相位差值。
在本实施例中，相位差值的解算公式为：
PH＝180+PH1，PH2≤90°(或PH2＜90°)；
PH＝180-PH1，PH2＞90°(或PH2≥90°)
其中，PH表示相位差值。
幅相补偿计算单元43用于对第一幅度值、第二幅度值和相位差值进行计算得到校准TR通道的幅度补偿值和相位补偿值，幅度补偿值和相位补偿值用以在相控阵进行发射时，对校准TR通道的发射幅度和发射相位进行校准。
在对校准TR通道的发射幅度和发射相位进行校准时，可以由控制模块1完成对相控阵的发射校准，也可以由外部的模块完成对对相控阵的发射校准。由于耦合模块2、幅度获取模块3和幅相解算模块4在信号传递过程中存在先后顺序，因此，控制模块1还负责对耦合模块2、幅度获取模块3和幅相解算模块4进行时序控制。
由于相控阵的TR通道的耦合特性不一定一致，考虑到这一因素，在本实施例中，耦合模块2还用于在对发射信号进行耦合前，检测基准TR通道和校准TR通道的耦合特性是否一致，并在不一致时，根据预先测量出的基准TR通道和校准TR通道的幅度相位耦合差异生成校准TR通道的耦合补偿值；幅相补偿计算单元43还用于对第一幅度值、第二幅度值、相位差值和耦合补偿值进行计算得到校准TR通道的幅度补偿值和相位补偿值。
参阅图2，本发明还保护一种相控阵发射校准方法，其包括以下步骤：
S1：控制基准TR通道单独发射，控制校准TR通道单独发射，控制基准TR通道和校准TR通道在第一发射相位下同时发射以及控制基准TR通道和校准TR通道在第二发射相位下同时发射，其中，基准TR通道为相控阵的TR通道中的一个，校准TR通道为除基准TR通道外的其他TR通道；
S2：将基准TR通道和校准TR通道的发射信号进行耦合；
S3：从基准TR通道和校准TR通道的发射信号中获取幅度信息，得到基准TR通道单独发射时的第一幅度值、校准TR通道单独发射时的第二幅度值、基准TR通道和校准TR通道在第一发射相位下同时发射时的第一合成幅度值以及基准TR通道和校准TR通道在第二发射相位下同时发射时的第二合成幅度值；
S4：对第一幅度值、第二幅度值和第一合成幅度值进行解算得到第一解算相位值，对第一幅度值、第二幅度值和第二合成幅度值进行解算得到第二解算相位值；
S5：对第一解算相位值和第二解算相位值进行解算得到校准TR通道相对于基准TR通道的相位差值；
S6：对第一幅度值、第二幅度值和相位差值进行计算得到校准TR通道的幅度补偿值和相位补偿值，所述幅度补偿值和相位补偿值用以在相控阵进行发射时，对校准TR通道的发射幅度和发射相位进行补偿。
本实施例的相控阵发射校准方法具有与前述实施例的相控阵发射校准装置相同的技术特征，各特征的详细描述如前文所述，在此不再赘述。
通过上述方式，本发明实施例的相控阵发射校准和方法不需要额外增加TR通道，只需通过利用相控阵本身的TR通道即可对相控阵的TR通道进行幅度和相位的校准，特别适用于TR通道和检测电路不同源的相控阵系统。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种相控阵发射校准装置，其特征在于，包括控制模块、耦合模块、幅度获取模块和幅相解算模块，所述幅相解算模块包括相位差解算单元、解模糊单元和幅相补偿计算单元；
所述控制模块用于控制基准TR通道单独发射，控制校准TR通道单独发射，控制基准TR通道和校准TR通道在第一发射相位下同时发射以及控制基准TR通道和校准TR通道在第二发射相位下同时发射，其中，所述基准TR通道为相控阵的TR通道中的一个，校准TR通道为除基准TR通道外的其他TR通道；
所述耦合模块用于将基准TR通道和校准TR通道的发射信号耦合到幅度获取模块；
所述幅度获取模块用于从基准TR通道和校准TR通道的发射信号中获取幅度信息，得到基准TR通道单独发射时的第一幅度值、校准TR通道单独发射时的第二幅度值、基准TR通道和校准TR通道在第一发射相位下同时发射时的第一合成幅度值以及基准TR通道和校准TR通道在第二发射相位下同时发射时的第二合成幅度值；
所述相位差解算单元用于对第一幅度值、第二幅度值和第一合成幅度值进行解算得到第一解算相位值，对第一幅度值、第二幅度值和第二合成幅度值进行解算得到第二解算相位值；
第一解算相位值的解算公式为：
PH1＝(180/pi)*arccos(A12+A22-B12)/2*A1*A2
其中，PH1表示第一解算相位值，A1表示第一幅度值，A2表示第二幅度值，B1表示第一合成幅度值；
第二解算相位值的解算公式为：
PH2＝(180/pi)*arccos(A12+A22-B22)/2*A1*A2
其中，PH2表示第二解算相位值，B2表示第二合成幅度值；
所述解模糊单元用于对第一解算相位值和第二解算相位值进行解算得到校准TR通道相对于基准TR通道的相位差值；
相位差值的解算公式为：
PH＝180+PH1，PH2≤90°；PH＝180-PH1，PH2＞90°；
或者为PH＝180+PH1，PH2＜90°；PH＝180-PH1，PH2≥90°；
其中，PH表示相位差值；
所述幅相补偿计算单元用于对第一幅度值、第二幅度值和相位差值进行计算得到校准TR通道的幅度补偿值和相位补偿值，所述幅度补偿值和相位补偿值用以在相控阵进行发射时，对校准TR通道的发射幅度和发射相位进行校准。
2.根据权利要求1所述的相控阵发射校准装置，其特征在于，所述耦合模块还用于在对发射信号进行耦合前，检测基准TR通道和校准TR通道的耦合特性是否一致，并在不一致时，根据预先测量出的基准TR通道和校准TR通道的幅度相位耦合差异生成校准TR通道的耦合补偿值；
所述幅相补偿计算单元还用于对第一幅度值、第二幅度值、相位差值和耦合补偿值进行计算得到校准TR通道的幅度补偿值和相位补偿值。
3.根据权利要求1或2所述的相控阵发射校准装置，其特征在于，所述幅度获取模块具体用于对基准TR通道和校准TR通道的发射信号进行检波得到检波信号，对检波信号进行AD采样获取幅度信息。
4.根据权利要求1或2所述的相控阵发射校准装置，其特征在于，所述幅度获取模块具体用于对基准TR通道和校准TR通道的发射信号进行变频得到变频信号，对变频信号进行AD采样得到中频数字信号，从中频数字信号中获取幅度信息。
5.根据权利要求1或2所述的相控阵发射校准装置，其特征在于，所述幅度获取模块具体用于对基准TR通道和校准TR通道的发射信号进行AD采样得到射频数字信号，从射频数字信号中获取幅度信息。
6.根据权利要求1或2任一所述的相控阵发射校准装置，其特征在于，所述第一发射相位为0°，所述第二发射相位为90°。
7.一种相控阵发射校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：控制基准TR通道单独发射，控制校准TR通道单独发射，控制基准TR通道和校准TR通道在第一发射相位下同时发射以及控制基准TR通道和校准TR通道在第二发射相位下同时发射，其中，所述基准TR通道为相控阵的TR通道中的一个，校准TR通道为除基准TR通道外的其他TR通道；
S2：将基准TR通道和校准TR通道的发射信号进行耦合；
S3：从基准TR通道和校准TR通道的发射信号中获取幅度信息，得到基准TR通道单独发射时的第一幅度值、校准TR通道单独发射时的第二幅度值、基准TR通道和校准TR通道在第一发射相位下同时发射时的第一合成幅度值以及基准TR通道和校准TR通道在第二发射相位下同时发射时的第二合成幅度值；
S4：对第一幅度值、第二幅度值和第一合成幅度值进行解算得到第一解算相位值，对第一幅度值、第二幅度值和第二合成幅度值进行解算得到第二解算相位值；
第一解算相位值的解算公式为：
PH1＝(180/pi)*arccos(A12+A22-B12)/2*A1*A2
其中，PH1表示第一解算相位值，A1表示第一幅度值，A2表示第二幅度值，B1表示第一合成幅度值；
第二解算相位值的解算公式为：
PH2＝(180/pi)*arccos(A12+A22-B22)/2*A1*A2
其中，PH2表示第二解算相位值，B2表示第二合成幅度值；
S5：对第一解算相位值和第二解算相位值进行解算得到校准TR通道相对于基准TR通道的相位差值；
相位差值的解算公式为：
PH＝180+PH1，PH2≤90°；PH＝180-PH1，PH2＞90°；
或者为PH＝180+PH1，PH2＜90°；PH＝180-PH1，PH2≥90°；
其中，PH表示相位差值；
S6：对第一幅度值、第二幅度值和相位差值进行计算得到校准TR通道的幅度补偿值和相位补偿值，所述幅度补偿值和相位补偿值用以在相控阵进行发射时，对校准TR通道的发射幅度和发射相位进行补偿。
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