CN111856388B - 一种微波探测设备的整机校零系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波探测设备的整机校零系统，涉及微波技术领域，该整机校零系统由上位机进行本振点和信道的划分，通过信号源控制置于微波暗室中的发射天线循环发射各个本振点对应的各个信道的中心频率的信号，并获取微波探测设备根据来波信号得到的校零数据，由此得到相位补偿表供微波探测设备在测向时对来波相位差进行相位补偿；该系统对每个信道的中心频率进行校零操作实现超宽带校零，根据干涉原理对微波探测设备的附带的相位差进行补偿，从而可以消除由微波探测设备自身原因产生的相位差、提高测向精度，而且整机校零而不需要对其内部各个模块分别校零，因此减少分模块工作量、提高校零效率。

Description

一种微波探测设备的整机校零系统

技术领域

本发明涉及微波技术领域，尤其是一种微波探测设备的整机校零系统。

背景技术

干涉仪测向原理是微波测向较为常用的技术，当从不同方向电波到达测向天线阵时，测向天线阵中各个天线单元接收的相位不同，因而相互间的相位差也不同，通过比较间距一定距离的两天线单元接收同一信号的相位差，即可确定目标的角坐标。如图1所示，当辐射源的平面波由与天线视轴夹角为θ的方向传播而来时，天线单元1和天线单元2所接收的远场辐射信号之间的相位差为：

其中

为全相位(可以大于2π)，L为两个天线单元间的距离(称为基线)，θ是目标与视轴的夹角，即入射角，λ为接收电磁波的波长。因此通过计算不同天线单元的来波相位差就能测算来波方向。

但来波相位差的测算结果受到各种因素的影响，微波探测设备测量得到的相位差

往往不等于来波相位差

这是由于

中还包括了天线单元的相位差

射频前端通道一致性的相位差

和信号处理模块的相位差

因此有：

因此微波探测设备测量得到的并不是实际的来波相位差，测向的精确较差。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种微波探测设备的整机校零系统，本发明的技术方案如下：

一种微波探测设备的整机校零系统，该整机校零系统包括具有电磁屏蔽功能的微波暗室、上位机、微波探测设备、发射天线和信号源；微波探测设备和发射天线均设置在微波暗室中，上位机连接微波探测设备以及信号源，信号源连接发射天线；

上位机将微波探测设备的工作频段的射频带宽划分为N个本振点，并将每个本振点对应的中频信号通过信道化划分为M个不同的信道，并将配置参数发送给微波探测设备，配置参数包括各个本振点的本振点标识及其对应的本振频率以及各个信道的信道标识及其对应的信道参数；

上位机控制信号源通过发射天线发射第i个本振点对应的第j个信道的中心频率的信号，并将对应的本振点标识和信道标识发送给微波探测设备，i和j均为参数且起始位为1；

微波探测设备根据本振点标识和信道标识结合配置参数确定发射天线发射的来波信号，微波探测设备计算得到各个天线通道与参考通道的相位差作为校零数据反馈给上位机；

上位机存储第i个本振点的本振频率、第j个信道的信道参数与接收到的校零数据的校零数据对应关系，当检测到j<M时，令j＝j+1并再次执行控制信号源通过发射天线发射第i个本振点对应的第j个信道的中心频率的信号的步骤；

当检测到j＝M且i<N时，令j＝1、i＝i+1并再次执行控制信号源通过发射天线发射第i个本振点对应的第j个信道的中心频率的信号的步骤；

当j＝M且i＝N时，上位机根据已存储的所有校零数据对应关系得到相位补偿表并发送给微波探测设备，微波探测设备在测向时根据相位补偿表对测得的来波相位差进行相位补偿，相位补偿表包括各个本振频率、信道参数及相位补偿值之间的对应关系。

其进一步的技术方案为，整机校零系统还包括设置在微波暗室内的二维转台，微波探测设备设置在二维转台上，上位机连接并控制二维转台，二维转台带动微波探测设备水平和/或俯仰向转动至K个不同的转台位置；

则上位机控制二维转台带动微波探测设备转动至第k个转台位置，k为参数且k的起始值为1；

在第k个转台位置处，上位机执行控制信号源通过发射天线发射第i个本振点对应的第j个信道的中心频率的信号的步骤，则上位机存储第k个转台位置的转台角度、第i个本振点的本振频率、第j个信道的信道参数与接收到的校零数据得到校零数据对应关系；

当k<K时，上位机令k＝k+1并再次执行控制二维转台带动微波探测设备转动至第k个转台位置的步骤；

当k＝K时，上位机根据已存储的所有校零数据对应关系得到相位补偿表并发送给微波探测设备，相位补偿表包括各个转台角度、本振频率、信道参数及相位补偿值之间的对应关系。

其进一步的技术方案为，在初始状态，发射天线的法线与微波探测设备的天线阵面的轴线重合，则上位机根据初始状态确定各个转台位置的转台角度。

其进一步的技术方案为，上位机确定微波探测设备的计算数制并根据计算数制对已存储的所有校零数据对应关系进行数据归一化，以及检测所有校零数据对应关系中是否存在异常数据并对异常数据进行数据剔除，完成数据归一化以及数据剔除后得到相位补偿表。

其进一步的技术方案为，微波探测设备对通过各个天线通道接收到的来波信号进行采样后得到信道化后的IQ数据，将每个天线通道的IQ数据与参考通道的IQ数据按照如下公式进行共轭相乘得到天线通道与参考通道的相位差：

是一个天线通道的IQ数据，

是参考通道的IQ数据，K₁、K₂为系数，ω₁、ω₂为相位。

其进一步的技术方案为，相邻的本振点对应的中频信号存在信道交叉，射频带宽范围内所有频率都对应至少两个不同本振点的校零数据。

其进一步的技术方案为，微波探测设备和发射天线之间的距离不少于微波探测设备的工作频段的远场距离。

其进一步的技术方案为，微波探测设备的架设高度距离地面不小于1.5米。

本发明的有益技术效果是：

本申请公开了一种微波探测设备的整机校零系统，该系统由上位机通过本振划分和信道化将超宽带的工作频率范围拆分为有限个本振号和信道号，对每个信道的中心频率进行校零操作实现超宽带校零，在提前知晓物理空间上的来波方向时，进行相位测量，根据干涉原理对微波探测设备的附带的相位差进行补偿，从而使得微波探测设备可以根据相位补偿表进行相位补偿、消除由微波探测设备自身原因产生的相位差，从而使微波探测设备对来波的相位差测量更精准，提高微波探测设备的测向精度。而且该系统实现对微波探测设备的整机校零而不需要对其内部各个模块分别校零，因此减少分模块工作量，提高校零效率和重复性。

本申请还为微波探测设备提供二次校零功能，进一步提高微波探测设备的测向精度，并且通过上位机实现同时对信号源、高精度二维转台和微波探测设备控制，快速准确采集全工作频带校零数据。同时可以在生产期间合理评估校零数据量和测角精度，从而灵活地取到均衡点，该技术拥有较全面的适用性。在生产期间将校零数据生成并存储至微波探测设备中，微波探测设备工作时只需调用对应数据进行完成测向功能，提高微波探测设备工作实时性，降低测向延时。

附图说明

图1是微波探测设备中两天线单元接收同一信号的相位差的示意图。

图2是本申请的微波探测设备的整机校零系统的系统结构图。

图3是本申请的整机校零系统的部分工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种微波探测设备的整机校零系统，请参考图2，该整机校零系统包括具有电磁屏蔽功能的微波暗室1、上位机2、微波探测设备3、发射天线4和信号源5。

微波探测设备3和发射天线4均设置在微波暗室1中，微波暗室1中通常设置有吸波材料以实现电磁屏蔽保证后续校零效果更接近理想情况。上位机2通常设置在微波暗室1之外，信号源5可以设置在微波暗室1外也可以设置在微波暗室1内。上位机2连接微波探测设备3以及信号源5，信号源5连接发射天线4。

微波探测设备3和发射天线4通常在微波暗室1的两侧，两者之间的距离Length不少于微波探测设备3的工作频段的远场距离，以保证测量信号达到远场条件。且微波探测设备3和发射天线4通常分别通过支架6架设在一定高度，微波探测设备3的架设高度距离地面不小于1.5米。

在初始状态时，发射天线4的法线与微波探测设备3的天线阵面的轴线重合。具体的做法是：在发射天线4的法线上放置一个激光笔，在微波探测设备3的天线阵面上紧贴一面镜子，使激光笔光线从发射天线4的发现射出，经过镜子反射沿原路返回至发射端，此时空间上只能看到一束光线，也即调整到天线阵面轴线与发射天线4的法线重合。

在该系统的工作过程如下：

(1)上位机首先将微波探测设备3的工作频段的射频带宽划分为N个本振点，并将每个本振点对应的中频信号通过信道化划分为M个不同的信道。本振点和信道的划分均根据微波探测设备3的搜索策略、工作模式的灵活规划，可以高度适应微波探测设备3的不同工作，有利于微波探测设备3的工业生产统一性，节省微波探测设备3的生产成本。

本申请在划分时，N个本振点对应的中频信号覆盖整个超宽带的射频带宽，且前后本振存在信道交叉。比如在本申请中，微波探测设备3的工作频段为4G～20G、中频带宽为IF±250MHz，则上位机将16G的射频带宽划分为123个本振点，本振步进为128MHz，将有128个不同的本振点对应的中频信号覆盖超整个超宽带的16G带宽的工作范围。每个本振点对应的中频信号通过信道化又被划分为32个信道，每个信号带宽为16MHz。

在完成本振步进和信道划分后，上位机将配置参数发送给微波探测设备3，配置参数包括各个本振点的本振点标识及其对应的本振频率以及各个信道的信道标识及其对应的信道参数。

(2)上位机2控制信号源5通过发射天线4发射第i个本振点对应的第j个信道的中心频率的信号，并将对应的本振点标识和信道标识发送给微波探测设备3，i和j均为参数且起始位为1。

(3)微波探测设备3根据本振点标识和信道标识结合配置参数即能快速定位发射天线发射的来波信号，提前知晓物理空间上的来波方向，然后微波探测设备3计算得到各个天线通道与参考通道的相位差作为校零数据反馈给上位机2，其中参考通道是其中一个天线通道，根据实际情况选取。计算方法为：微波探测设备3对通过各个天线通道接收到的来波信号进行ADC采样后得到信道化后的IQ数据，将每个天线通道的IQ数据与参考通道的IQ数据按照如下公式进行共轭相乘得到天线通道与参考通道的相位差：

其中

是一个天线通道的IQ数据，

是参考通道的IQ数据，K₁、K₂为系数，ω₁、ω₂为相位。

(4)上位机2在接收到微波探测设备3返回的校零数据后，存储第i个本振点的本振频率、第j个信道的信道参数与接收到的校零数据的校零数据对应关系。

存储完毕后，若j<M时，则令j＝j+1并再次执行上述步骤(2)，也即切换到发射第i个本振点对应的第j+1个信道的中心频率的信号并再次获取校零数据，依次循环直至完成对第i个本振点对应的所有信道的采集。

若j＝M且i<N时，则令j＝1、i＝i+1并再次执行上述步骤(2)，也即切换到发射第i+1个本振点对应的第一个信道的中心频率的信号，然后对第i+1个本振点对应的所有信道进行循环采集，依次循环直至完成对所有本振点的采集。

进一步的，本申请中的整机校零系统还包括设置在微波暗室1内的二维转台7，微波探测设备3设置在二维转台7上，上位机2连接并控制二维转台7，二维转台7带动微波探测设备3水平和/或俯仰向转动至K个不同的转台位置，则利用该系统还可以对不同方向的来波信号进行校零，使设备拥有二次校零功能。则在上述校零过程中，上位机2控制二维转台7带动微波探测设备3转动至第k个转台位置，k为参数且k的起始值为1，此时以发射天线4的法线与微波探测设备3的天线阵面的轴线重合的初始状态为基准，上位机2可以读取得到第k个转台位置的转台角度。

则在第k个转台位置处，上位机循环执行上述步骤(2)-(4)循环采集得到各个本振点对应的各个信道对应的校零数据，并存储第k个转台位置的转台角度、第i个本振点的本振频率、第j个信道的信道参数与接收到的校零数据得到校零数据对应关系。当k<K时，上位机令k＝k+1并再次循环执行上述步骤(2)-(4)。整个循环过程即为本申请的系统的校零模式开始至结束的循环过程，这一过程的流程图请参考图3，在其中任一过程中，都可以在上位机2的界面触发中断停止数据采集结束校零模式，有助于校零过程中故障排查。

当k＝K时，上位机2已获得了各个转台位置处、各个本振点对应的各个信道下的校零数据对应关系，上位机2即可以根据已存储的所有校零数据对应关系得到相位补偿表，相位补偿表包括各个转台角度、本振频率、信道参数及相位补偿值之间的对应关系。通常上位机会对校零数据对应关系进行数据预处理，包括数据归一化以及数据剔除，其中数据归一化的做法通常是：上位机2将校零数据对应关系中的校零数据也即相位差转换为相位差的IQ数据，并根据微波探测设备3的计算数制对已存储的所有校零数据对应关系进行数据归一化为对应的bit位数。数据剔除的做法是：检测所有校零数据对应关系中是否存在异常数据并对异常数据进行数据剔除，通常情况下，超出预定范围的数据、相对于相邻的数据发生突变的数据、格式不正确的数据等都可以认为是异常数据，从而可以保证数据的有效性。上述数据归一化以及数据剔除可以借助matlab实现。

上位机2将相位补偿表发送给微波探测设备3，微波探测设备3将其存储于flash芯片中。后续微波探测设备3在正常工作进行测向时，即可以根据该相位补偿表对测得的来波相位差进行相位补偿。该微波探测设备3的工作原理为干涉仪测向原理，利用得到的相位补偿表进行相位补偿可补偿微波探测设备生产过程中因天线安装误差、射频前端通道一致性甚至是信号处理模块的软件编译带来的芯片内部布线差异而带来的不可预知的相位差，解决这些不可预知的相位差恶化干涉仪的测向结果的问题。

不同本振的来波在微波探测设备3的射频前端中产生不同的相位差，所以对不同本振的相同中频信道内的相位差是有差异的，本申请中前后本振存在信道交叉，可以射频带宽范围内所有频率都对应至少两个不同本振点的校零数据。比如以上述举例的128MHz本振步进校零为例，前后本振存在信道交叉，可以保证整个射频带宽范围内的所有频率都有4个不同本振的校零数据可供使用。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微波探测设备的整机校零系统，其特征在于，所述整机校零系统包括具有电磁屏蔽功能的微波暗室、上位机、微波探测设备、发射天线和信号源；所述微波探测设备和所述发射天线均设置在所述微波暗室中，所述上位机连接所述微波探测设备以及所述信号源，所述信号源连接所述发射天线；

所述上位机将所述微波探测设备的工作频段的射频带宽划分为N个本振点，并将每个本振点对应的中频信号通过信道化划分为M个不同的信道，并将配置参数发送给所述微波探测设备，所述配置参数包括各个本振点的本振点标识及其对应的本振频率以及各个信道的信道标识及其对应的信道参数；

所述上位机控制所述信号源通过所述发射天线发射第i个本振点对应的第j个信道的中心频率的信号，并将对应的本振点标识和信道标识发送给所述微波探测设备，i和j均为参数且起始位为1；

所述微波探测设备根据所述本振点标识和信道标识结合所述配置参数确定所述发射天线发射的来波信号，所述微波探测设备计算得到各个天线通道与参考通道的相位差作为校零数据反馈给所述上位机；

所述上位机存储第i个本振点的本振频率、第j个信道的信道参数与接收到的所述校零数据的校零数据对应关系，当检测到j<M时，令j＝j+1并再次执行所述控制所述信号源通过所述发射天线发射第i个本振点对应的第j个信道的中心频率的信号的步骤；

当检测到j＝M且i<N时，令j＝1、i＝i+1并再次执行所述控制所述信号源通过所述发射天线发射第i个本振点对应的第j个信道的中心频率的信号的步骤；

当j＝M且i＝N时，所述上位机根据已存储的所有校零数据对应关系得到相位补偿表并发送给所述微波探测设备，所述微波探测设备在测向时根据所述相位补偿表对测得的来波相位差进行相位补偿，所述相位补偿表包括各个本振频率、信道参数及相位补偿值之间的对应关系。

2.根据权利要求1所述的整机校零系统，其特征在于，所述整机校零系统还包括设置在所述微波暗室内的二维转台，所述微波探测设备设置在所述二维转台上，所述上位机连接并控制所述二维转台，所述二维转台带动所述微波探测设备水平和/或俯仰向转动至K个不同的转台位置；

则所述上位机控制所述二维转台带动所述微波探测设备转动至第k个转台位置，k为参数且k的起始值为1；

在第k个转台位置处，所述上位机执行所述控制所述信号源通过所述发射天线发射第i个本振点对应的第j个信道的中心频率的信号的步骤，则所述上位机存储第k个转台位置的转台角度、第i个本振点的本振频率、第j个信道的信道参数与接收到的所述校零数据得到校零数据对应关系；

当k<K时，所述上位机令k＝k+1并再次执行所述控制所述二维转台带动所述微波探测设备转动至第k个转台位置的步骤；

当k＝K时，所述上位机根据已存储的所有校零数据对应关系得到相位补偿表并发送给所述微波探测设备，所述相位补偿表包括各个转台角度、本振频率、信道参数及相位补偿值之间的对应关系。

3.根据权利要求2所述的整机校零系统，其特征在于，在初始状态，所述发射天线的法线与所述微波探测设备的天线阵面的轴线重合，则所述上位机根据所述初始状态确定各个转台位置的转台角度。

4.根据权利要求1所述的整机校零系统，其特征在于，

所述上位机确定所述微波探测设备的计算数制并根据所述计算数制对已存储的所有校零数据对应关系进行数据归一化，并检测所有校零数据对应关系中是否存在异常数据并对异常数据进行数据剔除，完成数据归一化以及数据剔除后得到所述相位补偿表。

5.根据权利要求1所述的整机校零系统，其特征在于，

所述微波探测设备对通过各个天线通道接收到的来波信号进行采样后得到信道化后的IQ数据，将每个天线通道的IQ数据与所述参考通道的IQ数据按照如下公式进行共轭相乘得到所述天线通道与所述参考通道的相位差：

是一个天线通道的IQ数据，

是所述参考通道的IQ数据，K₁、K₂为系数，ω₁、ω₂为相位。

6.根据权利要求1-5任一所述的整机校零系统，其特征在于，相邻的本振点对应的中频信号存在信道交叉，射频带宽范围内所有频率都对应至少两个不同本振点的校零数据。

7.根据权利要求1-5任一所述的整机校零系统，其特征在于，所述微波探测设备和所述发射天线之间的距离不少于所述微波探测设备的工作频段的远场距离。

8.根据权利要求1-5任一所述的整机校零系统，其特征在于，所述微波探测设备的架设高度距离地面不小于1.5米。

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