CN113341238B - 一种利用太阳辐射测量天线方向图的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用太阳辐射测量天线方向图的方法，其利用太阳作为辐射源即可实现天线方向图测试，解决了在微波暗室测试天线方向图具有局限性的问题；且只需在晴天条件下利用系统自身观测太阳辐射强度，无需其他测试仪器仪表和特殊测试环境就可实现天线方向图测量。因此本发明利用太阳辐射法测量微波天线方向图的技术避免了测试过程对微波暗室特殊环境的依赖，通过自动跟踪扫描太阳，就可直接测量出天线方向性函数，能够在外场环境实现，降低了天线测试成本和周期，提高了测试效率。

Description

一种利用太阳辐射测量天线方向图的方法

【技术领域】

本发明属于微波天线测试领域，涉及一种测量天线方向图的方法，具体涉及一种利用太阳辐射测量天线方向图的方法。

【背景技术】

传统测试天线方向图的方法是在微波暗室内利用标准增益天线和辐射源等实现天线方向图的测试，该测试过程复杂，需要精密的测试仪器，费用高，可重复性差，且需要特殊的测量环境，无法在野外等环境下实现。因此，需要考虑一种测量方法较为简单，对环境要求不高，易于实现且成本低的天线测试方法。

【发明内容】

针对上述问题，本发明提供一种利用太阳辐射测量天线方向图的方法，不仅避免了对微波暗室的依赖，而且可在外场环境易于实现，能够实现自动测量，大幅度降低了产品的测试成本，具有测量方法简单、适用性广、成本低等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的，提供一种利用太阳辐射测量天线方向图的方法，该方法利用太阳作为辐射源进行天线方向图的测量，实现在野外环境即可实时测量天线方向图而不依赖传统的微波暗室天线方向图的测量方法，具体包括以下步骤：

S1实时计算太阳方位角和高度角；

S2控制转台，使天线指向太阳，所述转台为方位和俯仰转台；

S3根据计算获得天线在太阳中心周围扫描的亮温散点图；

S4移动天线方位，使得太阳不在天线波束内，控制天线俯仰对天空进行扫描，计算各个仰角的大气衰减；

S5校准大气衰减，计算没有大气衰减时观测到的太阳辐射到达天线的亮温；

S6利用高斯辐射模型拟合得到天线方向性函数及天线波束宽度；

S7校准计算天线增益；

S8计算天线有效接收面积和孔径效率。

特别的，所述S1根据日地轨道关系，计算太阳方位角Az和高度角E_l，具体按照如下公式进行计算：

T₀＝(t_s-12)·15° (1)，

E_l＝arcsin(sinθ_latsinδ+cosδcosT₀) (2)，

于公式(1)中，t_s为太阳时角,于公式(2)和公式(3)中，δ为太阳赤纬，θ_lat为微波天线所在纬度。

特别的，所述S3具体通过以下方法实现：

S31固定转台的天线仰角，通过步进方式控制转台天线指向太阳中心位置，控制方位转台在角度-10°～10°转动天线扫描太阳，观测各频点太阳辐射强度，所述太阳辐射强度为经过大气衰减到达天线的信号和大气自身辐射信号；

S32改变转台的天线仰角，重复S31，天线的方位和仰角步进范围在太阳中心-10°～10°范围内，实现对太阳中心周围的栅格扫描；

S33按如下公式计算天线观测的亮温：

于公式(4)中，所述

为天线方位角，θ为俯仰角，Ω_s为太阳波束立体角，Ω_A为天线波束立体角,T_m为大气平均辐射温度，T_bg＝2.75K为宇宙背景辐射亮温，T_sun为太阳平均辐射亮温，τ(θ)为天线指定角度的大气厚度。

特别的，所述S4中观测天空时的亮温按如下公式计算：

太阳辐射到达天线被接收的亮温为公式(4)和公式(5)相减，整理后得到如下公式：

按如下公式计算大气衰减，即天线指定角度的大气厚度τ(θ)：

将公式(7)带入公式(6)中进行大气衰减校准，整理后得到如下公式，经计算即可得到没有大气衰减的太阳辐射到达天线的亮温，

于公式(8)中，x、y为天线波束中心与太阳中心在方位和俯仰两个方向上的角距。

特别的，所述S5中天线方向性函数及天线波束宽度分别按照如下公式计算：

于公式(9)和公式(10)中，式中θ_H为天线H面的天线波束宽度，θ_E天线E面的天线波束宽度，G为天线增益模式，经过公式(9)和公式(10) 即可求得天线三维方向性函数和天线波束宽度。

特别的，所述S6中天线最大增益按照如下公式计算：

于公式(11)中，Ω_D为太阳立体角，R为比例因子，天线模型的校准因子C_r按如下公式计算：

公式(12)中，θ_D为太阳角径，θ_A为天线波束宽度；

比例因子R按照如下公式积分得到：

特别的，所述S7中天线有效接收面积A_g和孔径效率η按照如下公式计算：

η＝A_e/A_g*100 (15),

于公式(14)中，A_e为天线有效孔径。

本发明提供一种利用太阳辐射测量天线方向图的方法，具有以下有益效果：

1)同传统的微波暗室测量方法相比，本发明对环境要求低，无需其他精密测试仪表，且不需要微波暗室的特殊测试环境就可以实现微波天线方向图测试，不但具有与微波暗室相同的测量功能特点，而且减少了测试的复杂度，降低了测试成本；

2)本发明可以利用系统自身实现天线方向图的自动化测量，计算过程简单结果准确并且迅速，大幅度降低了系统测试周期和调试难度，可用于系统性能的监测和评估。

【附图说明】

图1为利用微波辐射计观测太阳示意图；

图2为利用微波辐射计扫描太阳辐射亮温结果图；

图3为利用太阳扫描数据拟合的天线方向图。

图4为在方位和俯仰过太阳中心扫描的数据拟合得到的方向图；

图5在微波暗室测量的天线方向图与利用太阳测量的天线方向图对比结果。

【具体实施方式】

于本发明中，所述的方位扫描指的是指天线仰角固定，只转动天线方位转台进行观测，俯仰扫描指的是固定天线方位转台，转动天线俯仰转台进行扫描观测。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进一步详细说明。

以下实施例以地基多通道微波辐射计为例，利用位于西安市秦岭大气科学试验基地的MWP967KV型地基多通道微波辐射计进行了太阳扫描观测实验。

本发明提供一种利用太阳辐射测量天线方向图的方法，具体包括以下步骤：

S1根据日地轨道关系，实时计算太阳方位和高度角，具体按照如下公式进行计算：

T₀＝(t_s-12)·15° (1)，

E_l＝arcsin(sinθ_latsinδ+cosδcosT₀) (2)，

于公式(1)中，t_s为太阳时角,于公式(2)和公式(3)中，δ为太阳赤纬，θ_lat为微波天线所在纬度。

S2控制方位和俯仰转台使得天线指向太阳，微波辐射计观测太阳示意图如图1所示。

S3根据计算获得天线在太阳中心周围扫描的亮温散点图，具体按照如下方法进行实施：

S31固定转台的天线仰角，通过步进方式控制转台天线指向太阳中心位置，控制方位转台在角度-10°～10°转动天线扫描太阳，观测各频点太阳辐射强度，所述太阳辐射强度为经过大气衰减到达天线的信号和大气自身辐射信号；

S32改变天线仰角，重复S31，天线方位和仰角步进范围在太阳中心 -10°～10°范围(根据实际情况设定范围)，距离太阳近的时候步进角度小扫描点密集，距离太阳中心远时步进角度大一点扫描点稀疏一些。最终实现对太阳中心周围的栅格扫描；

S33扫描完成后，按如下公式计算天线观测的亮温：

于公式(4)中，所述

为天线方位角，θ为俯仰角，Ω_s为太阳波束立体角，Ω_A为天线波束立体角,T_m为大气平均辐射温度，T_bg＝2.75K为宇宙背景辐射亮温，T_sun为太阳平均辐射亮温，τ(θ)为天线指定角度的大气厚度。

S4移动天线方位使得太阳不在天线波束内，控制天线俯仰对天空进行扫描，由于在S4中扫描时间短，忽略扫描过程中的大气变化，利用俯仰天空扫描数据计算各个仰角的大气衰减，并校准大气衰减，计算没有大气衰减时观测到的太阳辐射到达天线的亮温，所述观测天空时的亮温按如下公式进行计算：

太阳辐射到达天线被接收的亮温为公式(4)和公式(5)相减，整理后得到如下公式：

按如下公式计算大气衰减，即天线指定角度的大气厚度τ(θ)：

经过S3得到天线在太阳周围扫描的亮温散点图，亮温散点图经过S4 大气衰减校准后得到图2，该实施例图2给出了四个频点(但不限于)的扫描结果，由图可以看出天线正对太阳中心，观测到的数据亮温最大，天线波束偏离太阳中心时，亮温逐渐减小。

S5利用高斯模型对图2中的观测数据进行最小二乘拟合，得到天线波束宽度和天线方向性函数，如图3所示给出四个频点的三维天线方向图。由于测试天线方向图通常只测量两个方向，因此可对扫描过程进行简化，在方位和俯仰扫描时天线通过太阳中心进行正交扫描，拟合的天线方向图如图4所示，所述天线方向性函数及天线波束宽度分别按照如下公式计算：

于公式(9)和公式(10)中，式中θ_H为天线H面的天线波束宽度，θ_E天线E面的天线波束宽度，G为天线增益模式，经过公式(9)和公式(10) 即可求得天线三维方向性函数和天线波束宽度。

S6根据S5得到的天线波束宽度和天线方向性函数校准计算天线最大增益，具体按如下公式计算：

于公式(11)中，Ω_D为太阳立体角，R为比例因子，天线模型的校准因子C_r按如下公式计算：

公式(12)中，θ_D为天线角径，θ_A为天线波束宽度。

比例因子R按照如下公式积分得到：

S7计算天线有效接收面积和孔径效率，具体按如下公式进行计算：

η＝A_e/A_g*100 (15),

于公式(14)中，Ae为天线有效孔径。

经过上述操作，最终获得的测试结果如表1所示。

表1天线方向图测试结果

最终获得的天线方向图如图5所示，并结合传统微波暗室测量进行对比，由图5可知由两者测量结果在主瓣上完全吻合，因此本发明在达到传统测量结果精准度的同时，具有以下优点：

1)完全不依赖于微波暗室等传统的测量方法和技术，即可实现在任意时间任意外场环境下实时进行天线方向图的监测和测量，具有测量精度高、适用性更广的优点；

2)操作简单实用性强，不需要专业的测量设备和工具，降低了测试成本，提高了测试效率。

Claims (3)

1.一种利用太阳辐射测量天线方向图的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1实时计算太阳方位角和高度角；

S2控制转台，使天线指向太阳，所述转台为方位和俯仰转台；

S3根据计算获得天线在太阳中心周围扫描的亮温散点图，所述S3具体通过以下方法实现：

S31固定转台的天线仰角，通过步进方式控制转台天线指向太阳中心位置，控制方位转台在角度-10°～10°转动天线扫描太阳，观测各频点太阳辐射强度，所述太阳辐射强度为经过大气衰减到达天线的信号和大气自身辐射信号；

S32改变转台的天线仰角，重复S31，天线的方位和仰角步进范围在太阳中心-10°～10°范围内，实现对太阳中心周围的栅格扫描；

S33按如下公式计算天线观测的亮温：

于公式(4)中，所述

为天线方位角，θ为俯仰角，Ω_s为太阳波束立体角，Ω_A为天线波束立体角,T_m为大气平均辐射温度，T_bg＝2.75K为宇宙背景辐射亮温，T_sun为太阳平均辐射亮温，τ(θ)为天线指定角度的大气厚度；

S4移动天线方位，使得太阳不在天线波束内，控制天线俯仰对天空进行扫描，计算各个仰角的大气衰减，并校准大气衰减，计算没有大气衰减时观测到的太阳辐射到达天线的亮温，所述S4中观测天空时的亮温按如下公式计算：

太阳辐射到达天线被接收的亮温为公式(4)和公式(5)相减后得到，整理后得到如下公式：

按如下公式计算大气衰减，即天线指定角度的大气厚度τ(θ)：

将公式(7)计算的大气衰减代入公式(6)中进行大气衰减校准，整理后得到如下公式，经计算即可得到没有大气衰减的太阳辐射到达天线的亮温，

于公式(8)中，x、y为天线波束中心与太阳中心在方位和俯仰两个方向上的角距；

S5利用高斯辐射模型拟合得到天线方向性函数及天线波束宽度，所述S5中天线方向性函数及天线波束宽度分别按照如下公式计算：

于公式(9)和公式(10)中，θ_H为天线H面的天线波束宽度，θ_E为天线E面的天线波束宽度，G为天线增益模型，经过公式(9)和公式(10)通过拟合即可求得天线三维方向性函数和天线波束宽度；

S6校准计算天线增益，所述S6中天线最大增益按照如下公式计算：

于公式(11)中，Ω_D为太阳立体角，R为比例因子，天线模型的校准因子C_r按如下公式计算：

公式(12)中，θ_D为太阳角径，θ_A为天线波束宽度；

比例因子R按照如下公式积分得到：

S7计算天线有效接收面积和孔径效率。

2.根据权利要求1所述的一种利用太阳辐射测量天线方向图的方法，其特征在于，所述S1根据日地轨道关系，计算太阳方位角Az和高度角E_l，具体按照如下公式进行计算：

T₀＝(t_s-12)·15° (1)，

E_l＝arcsin(sinθ_latsinδ+cosδcosT₀) (2)，

于公式(1)中，t_s为太阳时角,于公式(2)和公式(3)中，δ为太阳赤纬，θ_lat为微波天线所在纬度。

3.根据权利要求2所述的一种利用太阳辐射测量天线方向图的方法，其特征在于，所述S7中天线有效接收面积A_e和孔径效率η按照如下公式计算：

η＝A_e/A_g*100 (15)。

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