CN116973638A - 基于(u，v)坐标系的相控阵天线波束指向精度修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的基于(u，v)坐标系的相控阵天线波束指向精度修正方法，包括误差测试提取和误差修正；误差测试提取包括：固定θ从‑60°到60°，等间隔测试多个波束方向图；将各波束方向图的横坐标从θ转为u；根据(u，v)坐标系波束方向图，计算其3db波束中心对应的u值，并与期望u值进行比较，得到u方向的误差值Δu；根据离散的u方向误差值Δu，进行线性插值得到扫描范围内所有点的u方向误差值Δu；固定采用相同方法获取扫描范围内所有点的v方向误差值Δv；误差修正包括：将输入的θ和转换成u和v，在(u，v)坐标系中分别对u、v方向进行一维修正，得到修正后的u′和v′，再转化成修正后的θ′和
Description
技术领域
本发明涉及相控阵天线领域，具体涉及一种基于(u，v)坐标系的相控阵天线波束指向精度修正方法。
背景技术
相控阵天线受天线阵元排布、阵面安装误差、单元天线方向图等因素的影响，天线的实际波束指向与理论指向存在一定的误差。在某些应用场景，比如Ka频段中继测控，天线阵面规模大、波束窄、扫描角速度较大，对波束指向精度和计算速度提出了更高的要求，必须对波束指向精度进行修正。
天线系统的坐标和角度定义如附图1所示：
OXYZ为天线坐标系；
离轴角θ为目标方向与Z轴正方向的夹角；旋转角为在XOY平面，从X轴正方向开始沿Y轴正方向旋转到目标方向在XOY平面内的投影所转过的角度；
俯仰角β为目标方向与X轴正方向的夹角；方位角α为在YOZ平面内，从Y轴正方向开始沿Z轴正方向旋转到目标方向在YOZ平面的投影所转过的角度。
现有针对大规模相控阵天线波束指向高精度修正方法主要采用二维修正，顾名思义，二维修正是指在两个维度上对波束指向误差进行修正，适用于对精度要求高的场景。
相控阵天线的输入一般为离轴角θ和旋转角针对输入参数为离轴角θ和旋转角的情况，如果采用直接对θ和/>进行误差提取和二维线性插值，由于/>坐标系非直角坐标系，在法向(θ＝0)附近具有奇点，即当在θ和/>上均匀采样时，对应的实际空间采样极不均匀，容易造成有的地方采样点密集，修正精度高，而有的地方采样点稀疏，修正精度低，而(α，β)坐标系则在扫描范围内不存在类似奇点。为了避免这个问题，传统的二维修正方法通常先将/>转换成对应的(α，β)，在(α，β)坐标系中完成指向修正后再转化回/>坐标系。但该方法存在两个方面的缺点：
1)指向误差数据采集工作量大：现有暗室测试系统主要适用于输入参数为θ和的情况，而当需要测试提取指向α和β的误差Δα和Δβ时，需要输入对应的θ和/>(小数而非整数)并通过测试方向图得到误差Δθ和/>然后根据公式转换计算出对应的Δα和Δβ，计算过程复杂，并且误差采样点需网格化覆盖波束扫描范围内的α和β二维平面，测试工作量大，时间、人力和暗室测试场地成本高；
2)软件实现复杂度高：由于需要在坐标系和(α，β)坐标系之间来回转换以及二维线性插值，算法软件实现复杂度较高，计算资源开销较大。
综上所述，若采用基于传统二维线性插值的波束指向精度修正算法，复杂度较高不易实现，且测试过程需耗费大量的人力、财力和时间成本，因此，急需寻找一种能满足精度要求且能大幅降低成本的替代方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于(u，v)坐标系的相控阵天线波束指向精度修正方法，在保证指向精度的前提下，降低指向精度修正的复杂度和成本。
为了达到上述的目的，本发明提供一种基于(u，v)坐标系的相控阵天线波束指向精度修正方法，在天线坐标系中定义u为指向目标方向的单位向量在X轴上的投影，v为指向目标方向的单位向量在Y轴上的投影，所述相控阵天线波束指向精度修正方法包括误差测试提取和误差修正；
所述误差测试提取包括：
1-1)固定θ从-60°到60°，等间隔测试波束方向图，得到多个波束方向图；
1-2)将测得的各波束方向图的横坐标从θ转为u，得到(u，v)坐标系波束方向图；
1-3)根据(u，v)坐标系波束方向图，计算其3db波束中心对应的u值，并与期望u值进行比较，得到u方向的误差值Δu；
1-4)根据计算得到的离散的u方向误差值Δu，进行线性插值得到扫描范围内所有点的u方向误差值Δu；
1-5)固定采用上述相同方法获取扫描范围内所有点的v方向误差值Δv；
所述误差修正包括：
2-1)将相控阵天线的输入离轴角θ和旋转角转换到(u，v)坐标系；
2-2)利用u方向误差值Δu和v方向误差值Δv，分别对u方向和v方向进行一维线性修正，得到修正后的u′和v′；
2-3)将u′和v′转换到坐标系，即得到修正后的离轴角θ′和旋转角/>
完成一轮修正后，为验证修正效果，在修正后的基础上重复误差测试提取步骤及误差修正，计算出新一轮修正的u方向误差值Δu′和v方向误差值Δv′，若Δu′和Δv′满足指向精度要求，则停止修正，否则将误差值进行迭代更新，再进行一轮修正，直到指向精度满足要求为止；误差值迭代更新公式为：
Δu＝Δu+Δu′
Δv＝Δv+Δv′。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
1)与基于坐标系的二维修正相比，本发明所提基于(u，v)坐标系的相控阵天线波束指向精度修正方法不存在法向附近奇点问题；
2)由于(u，v)坐标系是直角坐标系，对于矩形布阵的相控阵天线，其方向图在(u，v)坐标系中方格形规则分布，即方向图零限或峰值等间隔，在该坐标系中不同指向下的波束宽度相等，等量波束指向误差对应的理论增益损失量相同，且u方向和v方向相互独立正交，因此可分别对u、v两个方向独立进行测试和修正，互不影响，将原本二维指向精度修正分解为两个简单的一维线性修正，以波束扫描±60°、波束间隔5°为例，传统方案波束方向图指向误差采样点的个数为25*25＝625，而采用本发明所提方法后可降低到25+25＝50，即只需进行两次25点多波束测试，可大幅提升测试效率，降低生产成本；
3)和(u，v)之间的转换比/>和(α，β)之间转换的复杂度更低，且本发明所提方案无需进行二维线性插值，因此，相比于基于(α，β)坐标系的二维修正方法，基于(u，v)坐标系的相控阵天线指向精度修正方法软件实现复杂度更低。
附图说明
本发明的基于(u，v)坐标系的相控阵天线波束指向精度修正方法由以下的实施例及附图给出。
图1为天线系统的坐标系与角度定义示意图。
图2为(u，v)坐标系下的方向图。
图3为基于(u，v)坐标系的相控阵天线波束指向精度修正的软件实现框图。
图4为横坐标为θ的多波束扫描方向图。
图5为横坐标为u的多波束扫描方向图。
具体实施方式
以下将结合图1～图5对本发明的基于(u，v)坐标系的相控阵天线波束指向精度修正方法作进一步的详细描述。
参见图1，定义u为指向目标方向的单位向量在X轴上的投影，v为指向目标方向的单位向量在Y轴上的投影，w为指向目标方向的单位向量在Z轴上的投影，则(u，v，w)与的关系为：
(u，v，w)与(α，β)的关系为：
图2所示为(u，v)坐标系下相控阵天线方向图。
如图2，(u，v)坐标系是直角坐标系，对于矩形布阵的相控阵天线，其方向图在(u，v)坐标系中方格形规则分布，即方向图零限或峰值等间隔，在该坐标系中不同指向下的波束宽度相等，等量波束指向误差对应的理论增益损失量相同，且u方向和v方向相互独立正交，因此可分别对u、v两个方向独立进行测试和修正，互不影响，可将原本二维指向精度修正分解为两个简单的一维线性修正。基于此，本发明提出一种基于(u，v)坐标系的相控阵天线波束指向精度修正方法。
所述基于(u，v)坐标系的相控阵天线波束指向精度修正方法包括误差测试提取和误差修正两个方面，其中，误差测试提取包括u、v两个方向上独立进行的误差测试提取，误差修正包括对u、v两个方向分别进行一维线性修正。
本发明较佳实施例的基于(u，v)坐标系的相控阵天线波束指向精度修正方法包括：
A)误差测试提取；
A1)u方向误差测试提取；
A1-1)固定θ从-60°到60°(扫描范围)，等间隔测试波束方向图，得到多个波束方向图；
本实施例中，θ从-60°到60°，每间隔5°测试一个波束方向图，所得方向图的横坐标为θ，纵坐标为增益，如附图4所示，此时测得的波束方向图为坐标系波束方向图；
A1-2)将测得的各波束方向图的横坐标从θ转为u，得到(u，v)坐标系波束方向图；
根据公式
将各波束方向图的横坐标从θ转为u，即得(u，v)坐标系波束方向图，如附图5所示；
A1-3)根据(u，v)坐标系波束方向图，计算其3db波束中心对应的u值，并与期望u值进行比较，得到u方向的误差值Δu；
A1-4)根据计算得到的离散的u方向误差值Δu，进行线性插值得到扫描范围内所有点的u方向误差值Δu；
A2)v方向误差测试提取；
A2-1)固定θ从-60°到60°(扫描范围)，等间隔测试波束方向图，得到多个波束方向图；
本实施例中，θ从-60°到60°，每间隔5°测试一个波束方向图，所得方向图的横坐标为θ，纵坐标为增益，此时测得的波束方向图为坐标系波束方向图；
A2-2)将测得的各波束方向图的横坐标从θ转为u，得到(u，v)坐标系波束方向图；
根据公式
将各波束方向图的横坐标从θ转为v，即得(u，v)坐标系波束方向图；
A2-3)根据(u，v)坐标系波束方向图，计算其3db波束中心对应的v值，并与期望v值进行比较，得到v方向的误差值Δv；
A2-4)根据计算得到的离散的v方向误差值Δv，进行线性插值得到扫描范围内所有点的v方向误差值Δv；
A3)将步骤A1)获得的u方向误差值Δu和步骤A2)获得的v方向误差值Δv作为软件装订参数写入到FLASH存储器中，供后续波束指向精度修正使用；
B)误差修正，如图3；
B1)将相控阵天线的输入θ和转换到(u，v)坐标系；
转换公式为：
B2)利用步骤A)得到的u方向误差值Δu和v方向误差值Δv，分别对u方向和v方向进行一维线性修正，得到：
u′＝u+Δu
v′＝v+Δv
其中，u′为修正后的u，v′为修正后的v；
B3)将u′和v′转换到坐标系，即得到修正后的离轴角θ′和旋转角/>
其中，asind为反正弦函数，angle为求复数的幅角。
通过上述步骤完成一轮修正，为验证修正效果，可在修正后的基础上重复上述步骤，计算出新一轮修正的u方向误差值Δu′和v方向误差值Δv′，若Δu′和Δv′满足指向精度要求，则停止修正，否则将误差值进行迭代更新(如下式)，再进行一轮修正，直到指向精度满足要求为止。一般迭代修正1～2次即可，最多不超过3次。
Δu＝Δu+Δu′
Δv＝Δv+Δv′。
Claims (7)
1.基于(u，v)坐标系的相控阵天线波束指向精度修正方法，在天线坐标系中定义u为指向目标方向的单位向量在X轴上的投影，v为指向目标方向的单位向量在Y轴上的投影，其特征在于，所述相控阵天线波束指向精度修正方法包括误差测试提取和误差修正；
所述误差测试提取包括：
1-1)固定θ从-60°到60°，等间隔测试波束方向图，得到多个波束方向图；
1-2)将测得的各波束方向图的横坐标从θ转为u，得到(u，v)坐标系波束方向图；
1-3)根据(u，v)坐标系波束方向图，计算其3db波束中心对应的u值，并与期望u值进行比较，得到u方向的误差值Δv；
1-4)根据计算得到的离散的u方向误差值Δu，进行线性插值得到扫描范围内所有点的u方向误差值Δu；
1-5)固定采用上述相同方法获取扫描范围内所有点的v方向误差值Δu；
所述误差修正包括：
2-1)将相控阵天线的输入离轴角θ和旋转角转换到(u，v)坐标系；
2-2)利用u方向误差值Δu和v方向误差值Δv，分别对u方向和v方向进行一维线性修正，得到修正后的u′和v；
2-3)将u′和v′转换到坐标系，即得到修正后的离轴角θ′和旋转角/>
2.如权利要求1所述的基于(u，v)坐标系的相控阵天线波束指向精度修正方法，其特征在于，所述步骤1-1)测得的波束方向图为坐标系方向图，横坐标为θ，纵坐标为增益。
3.如权利要求1所述的基于(u，v)坐标系的相控阵天线波束指向精度修正方法，其特征在于，所述步骤1-2)中，根据公式
将各波束方向图的横坐标从θ转为u。
4.如权利要求1所述的基于(u，v)坐标系的相控阵天线波束指向精度修正方法，其特征在于，根据公式
将固定测得的/>坐标系各波束方向图的横坐标从θ转为v。
5.如权利要求1所述的基于(u，v)坐标系的相控阵天线波束指向精度修正方法，其特征在于，所述步骤2-2)中，
u′＝u+Δu
v′＝v+Δv。
6.如权利要求1所述的基于(u，v)坐标系的相控阵天线波束指向精度修正方法，其特征在于，所述步骤2-3)中，
其中，asind为反正弦函数，angle为求复数的幅角。
7.如权利要求1所述的基于(u，v)坐标系的相控阵天线波束指向精度修正方法，其特征在于，完成一轮修正后，为验证修正效果，在修正后的基础上重复误差测试提取步骤及误差修正，计算出新一轮修正的u方向误差值Δu′和v方向误差值Δv′，若Δu′和Δv′满足指向精度要求，则停止修正，否则将误差值进行迭代更新，再进行一轮修正，直到指向精度满足要求为止；误差值迭代更新公式为：
Δv＝Δv+Δv′
Δv＝Δv+Δv′。
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