CN117214841A - 一种相控阵雷达天线平面标校方法 - Google Patents

Abstract

一种相控阵雷达天线平面标校方法，测试天线多通道的幅度和相位，用波控系统合成阵面波瓣图，重构阵面的辐射场分布，计算天线指向、波束宽度、主副瓣比，用光学标校测量校准喇叭和阵面之间的距离和角度，包括光学标校、计算通道补偿码、拟合天线方向图；测试雷达天线的辐射特性，包括增益、方向图、极化参数、跟踪特性，用远场光学标校测量喇叭与阵面之间的距离，获取校准喇叭的坐标，计算阵面的平面度，包括分析指向精度的误差来源、跟踪验证远场目标的指向精度、构建远场暗室目标跟踪精度验证平台、记录目标跟踪参数、计算跟踪误差。

Description

一种相控阵雷达天线平面标校方法

技术领域

本发明属于雷达天线技术领域，具体涉及一种天线标校技术。

背景技术

相控阵雷达天线由行、列规律排列的数个TR收发组件构成，可以快速扫描，搜索精度高。在暗室近场调试时，通过标校，测试近场校准探头与阵列天线的距离和平面夹角。在天线相位补偿码中，结合近场测试结果，修正基准误差。在天线调试阶段，通过修正，保证天线指向精度要求。在暗室远场测试时，用全站仪标校校准探头或称作校准喇叭与阵列天线的距离和平面夹角。结合STT单目标跟踪多次测试结果和远场扫瓣结果，验证天线相位补偿码的符合度。

相控阵天线的指向精度误差包括两部分，一部分是天线波束扫描产生的误差，另一部分是天线的相位补偿码带来的基准误差。天线有很多移相器，用移相器改变天线的相位，实现天线波束扫描。移相器受到移相刻度的限制，天线其它部件也存在安装误差，导致波束的实际指向与理论指向存在扫描误差。扫描误差随波束的扫描角度变化，扫描角度越大，扫描误差越大。校准天线所有通道的相位，生成各通道的相位补偿码，补偿码的准确性直接影响天线的指向精度。

在近场条件下，用一个同频段的标准喇叭，对天线每个通道的相位迭代配平，实现天线的相位校准。校准喇叭相对于阵面的位置坐标，在标校时会出现偏差，使阵列天线在标校过程带入三维坐标错误，导致远场雷达指向精度偏差较大。为了修正指向精度，天线需要反复拖回近场，重新修调、标校和烧写相位补偿码。

先测试天线波束在法向时的方位差零深位置θ₀和俯仰差零深位置ψ₀，再测试天线在方位向偏离约30度时的方位差零深θ₁和俯仰差零深ψ₀，得到天线在约30度的方位指向精度△θ=θ₁-30-θ₀和俯仰指向精度△ψ=ψ₁-30-ψ₀。该方法的前提是天线的法向主瓣位置θ₀和ψ₀绝对正确，一旦标校存在偏差，θ₀和ψ₀就会出现误差。扫描之后，这个误差会被忽略掉，无法通过△θ和△ψ体现出来，导致雷达探测目标的角度信息存在误差，影响使用。

发明内容

为了解决近场喇叭和阵列天线平面夹角存在误差的技术问题，采用了求取校准喇叭与阵列天线位置坐标的技术方案，在暗室近场天线相位补偿码生成阶段，以天线物理中心为原点，用全站仪建立平面，标出校准喇叭与天线平面的夹角，从天线相位补偿码中消除误差，产生了提高远场目标跟踪指向精度的技术效果。

近场测试和标校：测试天线多通道的幅度和相位，用波控系统合成阵面波瓣图，重构阵面的辐射场分布，计算天线指向、波束宽度、主副瓣比，用光学标校测量校准喇叭和阵面之间的距离和角度，校准喇叭和阵面在近场环境中距离较近，衍射和多径效应明显。

光学标校：在喇叭四个角分别张贴十字标，向全站仪提供采样基准，测量喇叭开口中心到阵列天线的距离，计算喇叭开口的平面特性。

计算通道补偿码：用全站仪标出喇叭的坐标P(x,y,z)，设天线规模为m行×n列，列间距为dx，行间距为dy，工作频率为f，波长为λ=c/f，使用s位移相器，第i行第k列通道A（i,k）的二维坐标为A（x_i,y_k）,其中x_i=[(n-1)/2-(k-1)]·dx、y_k=[(m-1)/2-(i-1)]·dy，通道A（i,k）到喇叭的距离，通道A（i,k）辐射的电磁波到达喇叭的相位ϕ=2π·mod（L,λ），其中mod（L,λ）表示L对λ取模运算，最大移相位数为2^s-1，最小移相刻度为u=360°/(2^s-1),补偿码为mod（ϕ·u/360°,2^s-1），以此类推，得到各通道的补偿码并烧录。

拟合天线方向图：由波控系统拟合出天线差波束零深位置，包括方位差波束零深位置和俯仰差波束零深位置，校准喇叭和雷达天线平面之间的夹角客观存在，传统波控系统忽略该夹角，本发明用该夹角修正近场扫描拟合出的方位差和俯仰差波瓣指向位置，消除夹角影响，使远场扫瓣出的差波瓣中心位置接近理论位置。

在天线最左边和最右边分别取点1和点2，连接成水平线，用全站仪测量水平线和天线平面之间的水平夹角α，设天线法向波束的方位差零深位置为α_za，用公式δ_2az=α_az-α计算水平夹角产生的基准误差，作为波瓣指向的校正因数，代入波控系统运算，用相同的方式计算竖直夹角产生的基准误差。

远场测试和验证：测试雷达天线的辐射特性，包括增益、方向图、极化参数、跟踪特性，校准喇叭与阵面在远场环境中距离较远，喇叭作为点源接近平面波照射，用远场光学标校测量喇叭与阵面之间的距离，获取校准喇叭的坐标，计算阵面的平面度。

分析指向精度的误差来源：雷达探测目标的精度取决于测量目标坐标的误差，包括雷达跟踪误差、转换误差、目标误差、传播误差、测量误差，需要获取目标的性能、运动特性、所处环境，用模拟目标校验的方法，产生雷达检测需要的模拟目标，检验雷达工作性能。

跟踪验证远场目标的指向精度：观察并记录n次数据，包括时间、距离、方位角、俯仰角、环境温度、速度、加速度、航路捷径、相关系数，剔除野值，即数据集合中严重偏离大部分数据呈现趋势的小部分数据，包括天线罩校正、环境扰动误差、零值误差，计算测量值的平均值，获取角度误差的统计平均，验证近场天线调试出的控制码准确度对跟踪精度的影响。

构建远场暗室目标跟踪精度验证平台：目标跟踪的位置比扫瓣得出的位置更能反映雷达的系统特性，近场补偿码烧录后，移到远场暗室，用波瓣扫描寻找实际的差波瓣零深位置，验证天线电中心与光学标校中心之间的偏差，计算指向精度，用目标模拟器辅助，模拟外场的目标静态和动态特性，结合远场差波瓣指向和光学标校，验证近场调试出的补偿码符合度。

记录目标跟踪参数：目标运动引起的动态滞后误差，影响测量精度，模拟空中固定目标，设置雷达波形、目标距离、方位角、俯仰角、运动速度，模拟静态和动态校飞，搜索、截获、跟踪目标的回波信号，普通雷达坐标跟踪滤波回波，用二阶以上的滤波器，速度响应没有大误差，只有动态滞后误差，调整回波信号的强度，使其信噪比S/N=0至40dB，记录跟踪目标的坐标数据，包括距离、方位角、俯仰角、航路捷径，其中，目标航路捷径是发射点至空中目标的航向在水平面上投影的垂直距离，表示水平拦截空域的大小，相关系数表示变量之间的线性相关关系密切程度。

计算跟踪误差：系统误差来源于雷达自身缺陷或参数装定偏离，在重复测试中保持同一个数值或按一定规律变化，设距离、方位角、俯仰角为真值，与跟踪的距离、方位角、俯仰角对比，得出系统误差和随机误差，分别计算雷达在静态和动态的跟踪精度。

用n表示测量次数，Δi表示第i次测量值与真值之差，用公式计算多次独立等精度测量误差平方的统计平均，用公式/>计算多次独立等精度测量误差的统计平均，用公式/>计算多次独立等精度测量的真差与平均误差的均方根值，即随机误差的均方根值，如果随机误差是正态分布，则误差值Δi-Ψ出现在±ρ范围内的概率约为0.68。

设置校准适配块：近场和远场测试都用光学标校，天线阵子按照形状分类，包括贴片天线、渐变线天线、阶梯天线、开口天线，用乙烯制作的校准适配块辅助采样，将十字标识印制在薄片型ETFE材料上，中间开槽，略宽于阵子厚度，夹置于阵子，对齐全站仪的观察孔，ETFE材料是乙烯-四氟乙烯共聚物，具有耐热、耐磨、耐辐射特性，冲击强度、电绝缘性能好。

附图说明

图1是阵子示意图，图2是标识示意图，图3是开槽示意图，图4是喇叭示意图，图5是坐标示意图，图6是阵子坐标示意图，图7是夹角连线示意图，图8是平台示意图。

实施方式

近场和远场测试都用光学标校，天线阵子按照形状分类，包括贴片天线、渐变线天线、阶梯天线、开口天线，如图1所示，用乙烯制作的校准适配块辅助采样，将十字标识印制在薄片型ETFE材料上，如图2所示，中间开槽，略宽于阵子厚度，夹置于阵子，如图3所示，对齐全站仪的观察孔，ETFE材料是乙烯-四氟乙烯共聚物，具有耐热、耐磨、耐辐射特性，冲击强度、电绝缘性能好。

近场测试和标校：测试天线多通道的幅度和相位，用波控系统合成阵面波瓣图，重构阵面的辐射场分布，计算天线指向、波束宽度、主副瓣比，用光学标校测量校准喇叭和阵面之间的距离和角度，校准喇叭和阵面在近场环境中距离较近，衍射和多径效应明显。

在喇叭四个角分别张贴十字标，如图4所示，向全站仪提供采样基准，测量喇叭开口中心到阵列天线的距离，计算喇叭开口的平面特性。

用全站仪标出喇叭的坐标P(x,y,z)，如图5所示，设天线规模为m行×n列，列间距为dx，行间距为dy，工作频率为f，波长为λ=c/f，使用s位移相器，第i行第k列通道A（i,k）的二维坐标为A（x_i,y_k）,如图6所示，其中x_i=[(n-1)/2-(k-1)]·dx、y_k=[(m-1)/2-(i-1)]·dy，通道A（i,k）到喇叭的距离，通道A（i,k）辐射的电磁波到达喇叭的相位ϕ=2π·mod（L,λ），其中mod（L,λ）表示L对λ取模运算，最大移相位数为2^s-1，最小移相刻度为u=360°/(2^s-1),补偿码为mod（ϕ·u/360°,2^s-1），以此类推，得到各通道的补偿码并烧录。

由波控系统拟合出天线差波束零深位置，包括方位差波束零深位置和俯仰差波束零深位置，校准喇叭和雷达天线平面之间的夹角客观存在，传统波控系统忽略该夹角，本发明用该夹角修正近场扫描拟合出的方位差和俯仰差波瓣指向位置，消除夹角影响，使远场扫瓣出的差波瓣中心位置接近理论位置。

在天线最左边和最右边分别取点1和点2，连接成水平线，如图7所示，用全站仪测量水平线和天线平面之间的水平夹角α，设天线法向波束的方位差零深位置为α_za，用公式δ_2az=α_az-α计算水平夹角产生的基准误差，将δ_2az作为波瓣指向的校正因数，代入波控系统运算，用相同的方式计算竖直夹角产生的基准误差。

测试雷达天线的辐射特性，包括增益、方向图、极化参数、跟踪特性，校准喇叭与阵面在远场环境中距离较远，喇叭作为点源接近平面波照射，用远场光学标校测量喇叭与阵面之间的距离，获取校准喇叭的坐标，计算阵面的平面度。

雷达探测目标的精度取决于测量目标坐标的误差，包括雷达跟踪误差、转换误差、目标误差、传播误差、测量误差，需要获取目标的性能、运动特性、所处环境，用模拟目标校验的方法，产生雷达检测需要的模拟目标，检验雷达工作性能。

观察并记录n次数据，包括时间、距离、方位角、俯仰角、环境温度、速度、加速度、航路捷径、相关系数，剔除野值，即数据集合中严重偏离大部分数据呈现趋势的小部分数据，包括天线罩校正、环境扰动误差、零值误差，计算测量值的平均值，获取角度误差的统计平均，验证近场天线调试出的控制码准确度对跟踪精度的影响。

目标跟踪的位置比扫瓣得出的位置更能反映雷达的系统特性，近场补偿码烧录后，移到远场暗室，用波瓣扫描寻找实际的差波瓣零深位置，验证天线电中心与光学标校中心之间的偏差，如图8所示，计算指向精度，用目标模拟器辅助，模拟外场的目标静态和动态特性，结合远场差波瓣指向和光学标校，验证近场调试出的补偿码符合度。

目标运动引起的动态滞后误差，影响测量精度，模拟空中固定目标，设置雷达波形、目标距离、方位角、俯仰角、运动速度，模拟静态和动态校飞，搜索、截获、跟踪目标的回波信号，普通雷达坐标跟踪滤波回波，用二阶以上的滤波器，速度响应没有大误差，只有动态滞后误差，调整回波信号的强度，使其信噪比S/N=0至40dB，记录跟踪目标的坐标数据，包括距离、方位角、俯仰角、航路捷径，其中，目标航路捷径是发射点至空中目标的航向在水平面上投影的垂直距离，表示水平拦截空域的大小，相关系数表示变量之间的线性相关关系密切程度。

系统误差来源于雷达自身缺陷或参数装定偏离，在重复测试中保持同一个数值或按一定规律变化，设距离、方位角、俯仰角为真值，与跟踪的距离、方位角、俯仰角对比，得出系统误差和随机误差，分别计算雷达在静态和动态的跟踪精度。

用n表示测量次数，Δi表示第i次测量值与真值之差，用公式计算多次独立等精度测量误差平方的统计平均，用公式/>计算多次独立等精度测量误差的统计平均，用公式/>计算多次独立等精度测量的真差与平均误差的均方根值，即随机误差的均方根值，如果随机误差是正态分布，则误差值Δi-Ψ出现在±ρ范围内的概率约为0.68。

上述作为本发明的实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种相控阵雷达天线平面标校方法，其特征在于，包括：

近场测试和标校：测试天线多通道的幅度和相位，用波控系统合成阵面波瓣图，重构阵面的辐射场分布，计算天线指向、波束宽度、主副瓣比，用光学标校测量校准喇叭和阵面之间的距离和角度，包括光学标校、计算通道补偿码、拟合天线方向图；

远场测试和验证：测试雷达天线的辐射特性，包括增益、方向图、极化参数、跟踪特性，用远场光学标校测量喇叭与阵面之间的距离，获取校准喇叭的坐标，计算阵面的平面度，包括分析指向精度的误差来源、跟踪验证远场目标的指向精度、构建远场暗室目标跟踪精度验证平台、记录目标跟踪参数、计算跟踪误差。

2.根据权利要求1所述的相控阵雷达天线平面标校方法，其特征在于，所述光学标校，包括：在喇叭四个角分别张贴十字标，向全站仪提供采样基准，测量喇叭开口中心到阵列天线的距离，计算喇叭开口的平面特性。

3.根据权利要求1所述的相控阵雷达天线平面标校方法，其特征在于，所述计算通道补偿码，包括：用全站仪标出喇叭的坐标P(x,y,z)，设天线规模为m行×n列，列间距为dx，行间距为dy，工作频率为f，波长为λ=c/f，使用s位移相器，第i行第k列通道A（i,k）的二维坐标为A（x_i,y_k）,其中x_i=[(n-1)/2-(k-1)]·dx、y_k=[(m-1)/2-(i-1)]·dy，通道A（i,k）到喇叭的距离，通道A（i,k）辐射的电磁波到达喇叭的相位ϕ=2π·mod（L,λ），其中mod（L,λ）表示L对λ取模运算，最大移相位数为2^s-1，最小移相刻度为u=360°/(2^s-1),补偿码为mod（ϕ·u/360°,2^s-1），以此类推，得到各通道的补偿码并烧录。

4.根据权利要求1所述的相控阵雷达天线平面标校方法，其特征在于，所述拟合天线方向图，包括：由波控系统拟合出天线差波束零深位置，包括方位差波束零深位置和俯仰差波束零深位置，用校准喇叭和雷达天线平面之间的夹角，修正近场扫描拟合出的方位差和俯仰差波瓣指向位置，消除夹角影响，使远场扫瓣出的差波瓣中心位置接近理论位置，在天线最左边和最右边分别取点1和点2，连接成水平线，用全站仪测量水平线和天线平面之间的水平夹角α，设天线法向波束的方位差零深位置为α_za，用公式δ_2az=α_az-α计算水平夹角产生的基准误差，作为波瓣指向的校正因数，代入波控系统运算，用相同的方式计算竖直夹角产生的基准误差。

5.根据权利要求1所述的相控阵雷达天线平面标校方法，其特征在于，所述分析指向精度的误差来源，包括：测量目标坐标的误差，包括雷达跟踪误差、转换误差、目标误差、传播误差、测量误差，获取目标的性能、运动特性、所处环境，用模拟目标校验的方法，产生雷达检测需要的模拟目标，检验雷达工作性能。

6.根据权利要求1所述的相控阵雷达天线平面标校方法，其特征在于，所述跟踪验证远场目标的指向精度，包括：观察并记录n次数据，包括时间、距离、方位角、俯仰角、环境温度、速度、加速度、航路捷径、相关系数，剔除野值，即数据集合中严重偏离大部分数据呈现趋势的小部分数据，包括天线罩校正、环境扰动误差、零值误差，计算测量值的平均值，获取角度误差的统计平均，验证近场天线调试出的控制码准确度对跟踪精度的影响。

7.根据权利要求1所述的相控阵雷达天线平面标校方法，其特征在于，所述构建远场暗室目标跟踪精度验证平台，包括：在远场暗室中，用波瓣扫描寻找实际的差波瓣零深位置，验证天线电中心与光学标校中心之间的偏差，计算指向精度，用目标模拟器辅助，模拟外场目标的静态和动态特性，结合远场差波瓣指向和光学标校，验证近场调试出的补偿码符合度。

8.根据权利要求1所述的相控阵雷达天线平面标校方法，其特征在于，所述记录目标跟踪参数，包括：设置雷达波形、目标距离、方位角、俯仰角、运动速度，模拟静态和动态校飞，搜索、截获、跟踪目标的回波信号，记录跟踪目标的坐标数据，包括距离、方位角、俯仰角、航路捷径。

9.根据权利要求1所述的相控阵雷达天线平面标校方法，其特征在于，所述计算跟踪误差，包括：设距离、方位角、俯仰角为真值，与跟踪的距离、方位角、俯仰角对比，得出系统误差和随机误差，分别计算雷达在静态和动态的跟踪精度，用n表示测量次数，Δi表示第i次测量值与真值之差，用公式计算多次独立等精度测量误差平方的统计平均，用公式/>计算多次独立等精度测量误差的统计平均，用公式/>计算多次独立等精度测量的真差与平均误差的均方根值，即随机误差的均方根值。

10.根据权利要求1所述的相控阵雷达天线平面标校方法，其特征在于，还包括：设置校准适配块：近场和远场测试都用光学标校，用乙烯制作的校准适配块辅助采样，将十字标识印制在薄片型ETFE材料上，中间开槽，略宽于阵子厚度，夹置于阵子，对齐全站仪的观察孔。