CN116908558A - 数字多波束球面相控阵天线各向距离零值一致性标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了数字多波束球面相控阵天线各向距离零值一致性标定方法，涉及多波束天线技术领域。本发明根据数字多波束球面相控阵天线采用数字波束形成的技术特点，通过将数字多波束球面相控阵天线在初级数字波束单元进行内部闭环的方式，完成对数字多波束球面相控阵天线各向距离零值标定。本发明简单可靠并且便于实现，可满足对数字多波束球面相控阵天线在各个方向上对距离零值标定需求，利用该方法可在工程实践中设计出满足工程需求的数字多波束球面相控阵天线系统。
Description
技术领域
本发明涉及多波束天线技术领域，特别涉及数字多波束球面相控阵天线各向距离零值一致性标定方法。
背景技术
数字多波束球面相控阵天线由于采用多波束的工作方式以及具备全空域覆盖的技术优势能同时对多个空间目标进行跟踪测控，在近年来新型天线的研究中越来越受到重视，成为一个新型天线研究的热点领域。
在多波束数字多波束球面相控阵天线的使用中一个重要的应用场景是对空间目标的轨道进行测量，其中包含对目标距离的测量。对传统的抛物面天线而言，在对空间目标进行距离零值测量前，需要对天线的距离零值进行校正。其方法是在远场设置标校天线与应答机，用抛物面天线对标校天线进行距离零值测量，利用测得的距离值再扣除抛物面天线与标校天线的空间距离即可得到抛物面天线的距离零值。数字多波束球面相控阵天线系统由于需要能对整个空域的目标同时工作，因此天线需要在球面上进行布阵。因此数字多波束球面相控阵天线在设计时必要保证在整个球面的各个方向上系统的距离零值是一致的，即各个方向上距离零值的差异小于系统指标。因此与传统的抛物面天线不同，多波束球面相控阵天线不能依靠单独一个标校天线与应答机，来完成对整个球面的各向距离零值一致性的标定，而必须根据数字多波束球面相控阵天线的技术特色，设计一套满足数字多波束球面相控阵天线需求的，对各向距离零值都能进行标定的方法。
因此，本发明提出的数字多波束球面相控阵天线的一种基于内闭环链路的各向距离零值一致性的标定方法。
发明内容
本发明的目的在于：旨在提供一种数字多波束球面相控阵天线的各向距离零值一致性的标定方法，简单可靠并且便于实现，可满足对数字多波束球面相控阵天线在各个方向上对距离零值标定需求，便于在工程实践中设计出满足工程需求的数字多波束球面相控阵天线系统。
具体技术方案如下：
本发明是数字多波束球面相控阵天线各向距离零值一致性标定方法，数字多波束球面相控阵天线系统的数字多波束形成功能通过多级数字波束形成单元实现，并且多级数字波束形成单元按照树状结构布置，一个初级数字波束形成单元对应安装在天线阵面的一个子阵上，末级数字波束形成单元连接有测距单元；
在子阵的初级数字波束形成单元中，数字波束通过上行链路环回下行链路，形成闭环，并通过测距单元对闭环的链路进行距离零值测量，完成该方向子阵的距离零值标定；
逐个完成数字多波束球面相控阵天线系统天线阵面上所有子阵的距离零值测量，并记录为Δ1～Δn，完成各向子阵的距离零值标定，通过比较得到子阵的距离零值的最大差值Max(δ)；
将最大差值Max(δ)与系统设定的各向距离零值的最大差值δ系统给定进行对比，完成对整个数字多波束球面相控阵天线系统的各向距离零值一致性标定。
进一步的，所述数字多波束球面相控阵天线系统分为上行链路与下行链路，包括：阵元天线、双工器、T/R组件、多级数字波束形成单元和测距单元，所述多级数字波束形成单元组成数字波束形成分系统，其中，阵元天线、双工器、T/R组件依次连接，T/R组件连接初级数字波束形成单元，末级数字波束形成单元连接测距单元，初级数字波束形成单元与后级数字波束形成单元通过数据线缆连接。
进一步的，所述初级数字波束形成单元、以及与之连接的阵元天线、双工器与T/R组件一起安装在天线阵面上，一个初级数字波束形成单元对应一个子阵，所述后级数字波束形成单元与测距单元都安装在机房内，初级数字波束形成单元与后级数字波束形成单元通过数据线缆连接。
进一步的，在初级数字波束形成单元的FPGA中，设置上行波束形成模块和下行波束形成模块，并分别在上行链路设置上行距离零值开关，在下行链路上设置下行距离零值开关，通过上行距离零值开关与下行距离零值开关设置开关的两种工作状态，分别形成正常工作状态与内闭环距离标定状态；
正常工作状态，上行距离零值开关指向上行波束形成模块，将上行数字波束信号送至上行波束形成模块处理；下行距离零值开关指向将下行波束形成模块，将下行波束形成模块处理后的波束信号通过下行链路送后级处理；
内闭环距离标定状态，上行距离零值开关和下行距离零值开关相互指向连接，则上行链路的数字波束信号，通过连接的上行距离零值开关和下行距离零值开关直接环回到下行链路中，形成闭环。
进一步的，所述在子阵的初级数字波束形成单元中，数字波束通过上行链路环回下行链路，形成闭环，并通过测距单元对闭环的链路进行距离零值测量，完成该方向子阵子阵的距离零值标定，具体的：
将子阵的初级数字波束形成单元内选定波束的开关控制为内闭环距离标定状态，上行链路的数字波束信号通过上行距离零值开关和下行距离零值开关直接环回到下行链路中，形成闭环，测距单元通过该闭环的链路，测量其距离零值，完成该方向子阵子阵的距离零值标定。
进一步的，所述逐个完成数字多波束球面相控阵天线系统天线阵面上所有子阵的距离零值测量，并记录为Δ1～Δn，完成各向子阵的距离零值标定具体为：
选定天线阵面上的一个子阵，并将该子阵的初级数字波束形成单元内选定波束的开关控制为内闭环距离标定状态，选定的数字波束形成内上、下行链路的闭环；
测距单元通过该数字波束的闭环链路进行距离零值测量，并记录为Δ1；
测量完成后，将该子阵的初级数字波束形成单元内波束的开关控制恢复到正常工作状态；
选定天线阵面上的下一个子阵，同样将该子阵的初级数字波束形成单元内选定波束的开关控制为内闭环距离标定状态，按上述方式完成完成该方向子阵的距离零值测量，并记录为Δk，其中，k为选定的第k个子阵；
完成后，将该子阵的初级数字波束形成单元内波束的开关控制恢复到正常工作状态；
重复上述步骤，完成数字多波束球面相控阵天线系统整个天线阵面所有子阵的距离零值测量，记录为Δ1～Δn，n为系统的子阵数量，完成各向子阵的距离零值标定。
进一步的，所述完成数字多波束球面相控阵天线系统整个天线阵面所有子阵的距离零值测量后，记录所有子阵的距离零值Δ1～Δn，n为系统的子阵数量，并计算其最大差值Max(δ)：
Max＝MaxΔ1～Δn)-MinΔ1～Δn)
其中，Max(Δ1～Δn)为Δ1～Δn的最大值；Min(Δ1～Δn)为Δ1～Δn的最小值。
进一步的，将最大差值Max(δ)与系统设定的各向距离零值的最大差值δ系统给定进行对比，完成对整个数字多波束球面相控阵天线系统的各向距离零值一致性标定，具体步骤为：
判别Max(δ)是否小于等于δ系统给定，其中，δ系统给定为系统设计时给定的各向距离零值的最大差值；
若Max(δ)>系统给定，则判定系统的各向距离零值的一致性未满足指标要求，需要对系统进行问题排查；
若Max(δ)≤δ系统给定，则判定系统的各向距离零值的一致性满足指标要求，并计算系统的平均距离零值，具体的：
系统的平均距离零值＝mean(Δ)+mean(δ前端)，
其中，δ前端为前端距离零值。
进一步的，将采用紧密耦合的阵元天线、双工器与T/R组件称为一个前端，并将其距离零值称为前端距离零值δ前端i，表示第i个前端的距离零值，对采集的测试数据做如下处理：
其中，m表示整个天线阵面总的前端数量。
由于在数字多波束球面相控阵天线系统中，距离零值主要由从初级数字波束形成单元到末级数字波束形成单元之间的链路引入，本发明在初级数字波束形成单元中对各个波束增加距离零值标定功能，此功能是在初级数字波束形成单元的FPGA中将上行链路的波束信号直接切换到该波束的下行链路中，完成该波束在初级数字波束形成单元的闭环。通过这样的闭环，可对多波束球面相控阵天线各个方向的距离零值进行标定，可满足系统的各向距离零值一致性的标定需求。
本发明的有益效果如下：
1、本发明提供的数字多波束球面相控阵天线各向距离零值一致性标定方法，通过将数字多波束球面相控阵天线在初级数字波束单元进行内部闭环的方式，完成对数字多波束球面相控阵天线各向距离零值标定，通过对天线阵面各向距离零值标定，降低了数字多波束球面相控阵天线的各向距离零值的不一致性，解决了数字多波束球面相控阵天线系统设计中的一个关键问题。
2、本发明提供的数字多波束球面相控阵天线各向距离零值一致性标定方法，不需要设计复杂电路，实现方法比较简单，资源占用较少，降低系统设计成本。本发明仅利用系统原有的设备，而不需要增加额外的设备，并且通过软件算法实现各向距离零值一致性标定功能，便于自动化运行，降低了系统设计成本。
3、本发明提供的数字多波束球面相控阵天线各向距离零值一致性标定方法，本发明操作简便快捷，便于系统设计，对数字多波束球面相控阵系统测距功能设计提出具体的量化测试指标，并给出影响量化指标的具体因素，便于在数字多波束球面相控阵天线设计时按具体情况进行优化取舍，在工程实践中设计出满足工程需求的数字多波束球面相控阵天线系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：
图1是数字多波束球面相控阵天线上行与下行链路示意图；
图2是数字多波束球面相控阵天线设备布局的结构示意图；
图3是数字多波束球面相控阵天线内闭环距离零值标定的链路示意图；
图4是初级数字波束形成单元的内闭环距离标定控制示意图；
图5是数字多波束球面相控阵天线的各向距离零值标定方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。
实施例1
由于数字多波束相控阵天线在整个球面布阵，因此无法通过单一的标校天线及应答机完成对整个阵面的各向距离零值的一致性进行标定，必须考虑在球面阵各个方向上对距离零值进行标定处理。本实施例提供了数字多波束球面相控阵天线各向距离零值一致性标定方法，具体包括：
数字多波束球面相控阵天线系统的数字多波束形成功能通过多级数字波束形成单元实现，并且多级数字波束形成单元按照树状结构布置，一个初级数字波束形成单元对应安装在天线阵面的一个子阵上，末级数字波束形成单元连接有测距单元；
在子阵的初级数字波束形成单元中，数字波束通过上行链路环回下行链路，形成闭环，并通过测距单元对闭环的链路进行距离零值测量，完成该方向子阵的距离零值标定；
逐个完成数字多波束球面相控阵天线系统天线阵面上所有子阵的距离零值测量，并记录为Δ1～Δn，完成各向子阵的距离零值标定，通过比较得到子阵的距离零值的最大差值Max(δ)；
将最大差值Max(δ)与系统设定的各向距离零值的最大差值δ系统给定进行对比，完成对整个数字多波束球面相控阵天线系统的各向距离零值一致性标定。
参阅图1与图2，首先我们对数字多波束球面相控阵天线系统的距离零值进行分析。
如图1所示，数字多波束球面相控阵天线系统上行链路与下行链路主要包括，阵元天线、双工器、T/R组件、数字波束形成分系统与测距单元四个部分组成。其中数字波束形成分系统根据天线的规模又划分为多级数字波束形成单元，其中与T/R组件连接的是初级数字波束形成单元，与测距单元相连接的是末级数字波束形成单元。如图2所示，初级数字波束形成单元安装在天线阵面上，即一个初级数字波束形成单元对应安装在天线阵面的一个子阵上，而后级数字波束形成单元与测距单元都安装在机房内，后级数字波束形成单元即除初级数字波束形成单元以外的其他级数字波束形成单元。初级数字波束形成单元与后级数字波束形成单元通过数据线缆连接，其线缆长度根据天线规模的大小在几米到几十米之间，阵元天线、双工器与T/R组件是采用紧密耦合的方式连接子阵阵面上。
由于阵元天线、双工器与T/R组件由于是采用紧密耦合的连接方式，并采用批量的方式大规模生产，各个部件都可在出厂时测试其距离零值的一致性是否满足系统指标要求。一个采用紧密耦合的阵元天线、双工器与T/R组件称为一个前端，并将其距离零值称为前端距离零值，用δ前端i表示第i个前端的距离零值，对采集的测试数据做如下处理：
其中，m表示整个天线阵面总的前端数量。
根据上述分析，决定数字化多波束球面相控阵天线系统各向距离零值的一致，是否满足系统需求的关键点在于，控制从测距单元到初级数字波束形成单元这部分上行链路与下行链路的距离零值一致性。
参阅图3，本发明的数字多波束球面相控阵天线系统在初级数字波束形成单元内形成闭环，将上行的数字波束信号直接环回到下行波束的链路中形成闭环。这样，测距单元就可通过初级数字波束形成单元，将上行链路与下行链路闭环，再对闭环的链路进行距离零值测量，得到该链路的距离零值。
闭环操作的具体设计如图4所示。在初级数字波束形成单元的FPGA中，分别在上行链路与下行链路上分别设计一个开关，即上行距离零值开关与下行距离零值开关，并设置开关的两种工作状态：正常工作状态与内闭环距离标定状态。在正常工作状态时，上行距离零值开关指向点①，即将上行数字波束信号送上行数字波束形成模块处理，下行距离零值开关指向点②，即将下行数字波束形成模块处理后的波束信号通过下行链路送后级处理。在内闭环距离标定状态时，上行距离零值开关与行距离零值开关同时指向点③，这时上行数字波束信号直接通过点③环回到下行波束链路上形成闭环。
参阅图5，内闭环距离零值标定开始，首先由系统配置好标定距离零值的测距单元与波束号；
选定天线阵面上的一个子阵，并将该子阵的初级数字波束形成单元内选定波束的开关控制为内闭环距离标定状态，对选定的波束形成内上、下行链路的闭环；
测距单元通过该波束的上、下行链路闭环完成闭环链路的距离零值测量，并记录为Δ1，完成后将该子阵的初级数字波束形成单元内波束的开关控制恢复到正常工作状态；
选定天线阵面上的下一个子阵，同样将该子阵的初级数字波束形成单元内选定的波束的开关控制为内闭环距离标定状态，按上面的方式完成完成闭环链路的距离零值测量，并记录为Δk，其中，k为选定的第k个子阵；
完成后，将该子阵的初级数字波束形成单元内的波束的开关控制恢复到正常工作状态；
接下来判决是否完成整个天线阵面所有子阵的距离零值的标定？若没完成天线阵面所有子阵的距离零值的标定，则选定下一个未标定的子阵按前面叙述的过程进行距离零值测量。
完成系统所有子阵的距离零值测量后，并记录为Δ1～Δn，其中，n为系统的子阵数量，并计算其最大差值Max(δ)：
Max＝MaxΔ1～Δn)-MinΔ1～Δn)
其中，MaxΔ1～Δn)为Δ1～Δn的最大值；MinΔ1～Δn)为Δ1～Δn的最小值。
判别Max是否小于等于δ系统给定，其中，δ系统给定为系统设计时给定的各向距离零值的最大差值。若Max>δ系统给定则判定系统的各向距离零值的一致性未满足指标要求，需要对系统进行问题排查。
若Max≤δ系统给定，则判定系统的各向距离零值的一致性满足指标要求。并计算系统的平均距离零值，具体的：
系统的平均距离零值＝mean(Δ)+mean(δ前端)，
其中，δ前端为前端距离零值。
本发明根据数字多波束球面相控阵天线采用数字波束形成的技术特点，提出一种基于内闭环的数字多波束球面相控阵天线系统距离零值标定方法，该方法简单可靠并且便于实现，可满足对数字多波束球面相控阵天线在各个方向上对距离零值标定需求，利用该方法可在工程实践中设计出满足工程需求的数字多波束球面相控阵天线系统。
以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (9)
1.数字多波束球面相控阵天线各向距离零值一致性标定方法，其特征在于：数字多波束球面相控阵天线系统的数字多波束形成功能通过多级数字波束形成单元实现，并且多级数字波束形成单元按照树状结构布置，一个初级数字波束形成单元对应安装在天线阵面的一个子阵上，末级数字波束形成单元连接有测距单元；
在子阵的初级数字波束形成单元中，数字波束通过上行链路环回下行链路，形成闭环，并通过测距单元对闭环的链路进行距离零值测量，完成该方向子阵的距离零值标定；
逐个完成数字多波束球面相控阵天线系统天线阵面上所有子阵的距离零值测量，并记录为Δ1～Δn，完成各向子阵的距离零值标定，通过比较得到子阵的距离零值的最大差值Max(δ)；
将最大差值Max(δ)与系统设定的各向距离零值的最大差值δ系统给定进行对比，完成对整个数字多波束球面相控阵天线系统的各向距离零值一致性标定。
2.根据权利要求1所述的数字多波束球面相控阵天线各向距离零值一致性标定方法，其特征在于：
所述数字多波束球面相控阵天线系统分为上行链路与下行链路，包括：阵元天线、双工器、T/R组件、多级数字波束形成单元和测距单元，所述多级数字波束形成单元组成数字波束形成分系统，其中，阵元天线、双工器、T/R组件依次连接，T/R组件连接初级数字波束形成单元，末级数字波束形成单元连接测距单元，初级数字波束形成单元与后级数字波束形成单元通过数据线缆连接。
3.根据权利要求2所述的数字多波束球面相控阵天线各向距离零值一致性标定方法，其特征在于：所述初级数字波束形成单元、以及与之连接的阵元天线、双工器与T/R组件一起安装在天线阵面上，一个初级数字波束形成单元对应一个子阵，所述后级数字波束形成单元与测距单元都安装在机房内，初级数字波束形成单元与后级数字波束形成单元通过数据线缆连接。
4.根据权利要求1所述的数字多波束球面相控阵天线各向距离零值一致性标定方法，其特征在于：在初级数字波束形成单元的FPGA中，设置上行波束形成模块和下行波束形成模块，并分别在上行链路设置上行距离零值开关，在下行链路上设置下行距离零值开关，通过上行距离零值开关与下行距离零值开关设置开关的两种工作状态，分别形成正常工作状态与内闭环距离标定状态；
正常工作状态，上行距离零值开关指向上行波束形成模块，将上行数字波束信号送至上行波束形成模块处理；下行距离零值开关指向将下行波束形成模块，将下行波束形成模块处理后的波束信号通过下行链路送后级处理；
内闭环距离标定状态，上行距离零值开关和下行距离零值开关相互指向连接，则上行链路的数字波束信号，通过连接的上行距离零值开关和下行距离零值开关直接环回到下行链路中，形成闭环。
5.根据权利要求4所述的数字多波束球面相控阵天线各向距离零值一致性标定方法，其特征在于，所述在子阵的初级数字波束形成单元中，数字波束通过上行链路环回下行链路，形成闭环，并通过测距单元对闭环的链路进行距离零值测量，完成该方向子阵子阵的距离零值标定，具体的：
将子阵的初级数字波束形成单元内选定波束的开关控制为内闭环距离标定状态，上行链路的数字波束信号通过上行距离零值开关和下行距离零值开关直接环回到下行链路中，形成闭环，测距单元通过该闭环的链路，测量其距离零值，完成该方向子阵子阵的距离零值标定。
6.根据权利要求5所述的数字多波束球面相控阵天线各向距离零值一致性标定方法，其特征在于，所述逐个完成数字多波束球面相控阵天线系统天线阵面上所有子阵的距离零值测量，并记录为Δ1～Δn，完成各向子阵的距离零值标定，具体为：
选定天线阵面上的一个子阵，并将该子阵的初级数字波束形成单元内选定波束的开关控制为内闭环距离标定状态，选定的数字波束形成内上、下行链路的闭环；
测距单元通过该数字波束的闭环链路进行距离零值测量，并记录为Δ1；
测量完成后，将该子阵的初级数字波束形成单元内波束的开关控制恢复到正常工作状态；
选定天线阵面上的下一个子阵，同样将该子阵的初级数字波束形成单元内选定波束的开关控制为内闭环距离标定状态，按上述方式完成完成该方向子阵的距离零值测量，并记录为Δk，其中，k为选定的第k个子阵；
完成后，将该子阵的初级数字波束形成单元内波束的开关控制恢复到正常工作状态；
重复上述步骤，完成数字多波束球面相控阵天线系统整个天线阵面所有子阵的距离零值测量，记录为Δ1～Δn，n为系统的子阵数量，完成各向子阵的距离零值标定。
7.根据权利要求6所述的数字多波束球面相控阵天线各向距离零值一致性标定方法，其特征在于，所述完成数字多波束球面相控阵天线系统整个天线阵面所有子阵的距离零值测量后，记录所有子阵的距离零值Δ1～Δn，n为系统的子阵数量，并计算其最大差值Max(δ)：
Max(δ)＝Max(Δ1～Δn)-Min(Δ1～Δn)
其中，Max(Δ1～Δn)为Δ1～Δn的最大值；Min(Δ1～Δn)为Δ1～Δn的最小值。
8.根据权利要求7所述的数字多波束球面相控阵天线各向距离零值一致性标定方法，其特征在于，将最大差值Max(δ)与系统设定的各向距离零值的最大差值δ系统给定进行对比，完成对整个数字多波束球面相控阵天线系统的各向距离零值一致性标定，具体步骤为：
判别Max(δ)是否小于等于δ系统给定，其中，δ系统给定为系统设计时给定的各向距离零值的最大差值；
若Max(δ)>δ系统给定，则判定系统的各向距离零值的一致性未满足指标要求，需要对系统进行问题排查；
若Max(δ)≤δ系统给定，则判定系统的各向距离零值的一致性满足指标要求，并计算系统的平均距离零值，具体的：
系统的平均距离零值＝mean(Δ)+mean(δ前端)，
其中，δ前端为前端距离零值。
9.根据权利要求8所述的数字多波束球面相控阵天线各向距离零值一致性标定方法，其特征在于，将采用紧密耦合的阵元天线、双工器与T/R组件称为一个前端，并将其距离零值称为前端距离零值δ前端i，表示第i个前端的距离零值，对采集的测试数据做如下处理：
其中，m表示整个天线阵面总的前端数量。
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