CN117394929B - 相控阵天线校准方法、装置、介质、设备及校准测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了相控阵天线校准方法、装置、介质、设备及校准测试方法。该校准测试方法首先需要按照辅助接收馈源的配置将被测相控阵天线的阵面划分成中心阵元和与辅助接收馈源所对应的子阵,然后通过无源连接后测试出各阵元相对于中心阵元的波程相位差,然后,进行有源连接后测试各阵元相对于中心阵元有源通道相位差,然后结合两者的相位差得到各阵元的相位校准量。相比于已有的旋转矢量法,本发明大大降低测量误差和复杂性。此外,本发明的方法无需要昂贵的耦合网络硬件、严苛的暗室测试环境和精密的伺服驱动设备,特别适用于大型相控阵发射阵面的外场校准和测试。
Description
技术领域
本发明涉及相控阵列天线,尤其涉及相控阵列天线校准。
背景技术
阵列幅相一致性是相控阵列天线一项重要的指标,对波束的赋形、扫描等性质有着决定性影响。目前最主要的阵列天线校准手段主要有近场校准、远场旋转矢量技术及换相法等。已有的多数方法均需要较好的暗室测试环境或精密的伺服控制驱动测量探头,系统复杂性也较高,代价大。
另一方面,阵列天线应用在电子整机系统上,通常服役期限较长,寿命周期内,由于器件老化、环境影响、有源组件温湿度响应一致性等因素,内部电讯条件可能发生较大变化。因此有源阵面出厂前的暗室校正并不能保证整个寿命周期内的阵列相位一致性,大型相控阵自身校准功能是保证整机系统在全寿命周期内稳定可靠运行的必要手段。常见的内部校准主要靠器件耦合,使用微带线或者耦合器组成的耦合网络,一般在天线振子的馈电口或馈线之前进行,忽略了振子之间的不一致性,而且代价较为昂贵。
如何在不引入额外昂贵的硬件代价的基础上,无需严苛的暗室测试条件,为阵列系统增加自校准功能,是一项重要工作,特别是对于服役周期较长和阵列特性要求较高的发射阵列天线,具有特别重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的问题:相控阵列天线的校准。
为解决上述问题,本发明采用的方案如下:
根据本发明的相控阵天线校准方法,该方法包括子阵配置步骤、无源校准步骤、有源校准步骤和校准汇总步骤:
子阵配置步骤:获取阵面阵元子阵配置;所述阵面阵元子阵配置包括中心阵元的阵元信息以及与各辅助接收馈源相对应的子阵;每个子阵为阵元信息的集合;所述阵元信息至少包括阵元编号和在阵面上的坐标;
无源校准步骤包括如下步骤:
步骤S21:获取各辅助接收馈源的粗测坐标;
步骤S22:获取各个阵元的移相测试值;在未连接有源组件的情况下,对应阵元和中心阵元在移相控制器的相位控制下单独发射信号,移相控制器由小到大遍历移相值,对应辅助接收馈源接收到合成信号最大时移相控制器所控制的移相值为移相测试值;
步骤S23:根据辅助接收馈源的粗测坐标和该辅助接收馈源所对应子阵各阵元的移相测试值,通过对粗测坐标精度范围内的坐标点的遍历找出其中辅助接收馈源的最优坐标,使得该最优坐标满足:
最小;其中,/>为第t个辅助接收馈源所对应子阵的各个阵元的编号集合;k为波数;/>和/>为编号为i的阵元在阵面上的平面坐标;/>为编号为i的阵元的移相测试值;/>,/>和/>为第t个辅助接收馈源的粗测坐标精度范围内所遍历的第j个坐标点的坐标,满足:/>;其中,,/>和/>为第t个辅助接收馈源的粗测坐标,/>表示精度范围;
步骤S24:计算各个阵元相对于中心阵元的波程相位差:
;
其中,为编号为i的阵元相对于中心阵元的波程相位差;/>,/>和/>为第t个辅助接收馈源的粗测坐标精度范围内所遍历的坐标点中的最优坐标;
有源校准步骤包括如下步骤:
步骤S31:获取各辅助接收馈源对各自对应子阵的各个阵元在连接有源组件和中心阵元常开的情况下按相位序列发射信号所接收到信号幅值
;
其中,表示编号为i的阵元与中心阵元对应相位为/>时合成的信号幅值;
表示第t个辅助接收馈源所对应子阵的阵元中编号为i的阵元与中心阵元在相位为/>时发射信号被第t个辅助接收馈源所接收到的信号幅值;/>为相位最小步进;N为移相控制器的位数,满足:/>;
步骤S32:计算各阵元的有源通道相位差:
;其中,sgn为符号函数;cos为余弦函数;sin为正弦函数;arctan为反正切函数;/>为圆周率;
为编号为i的阵元的有源通道相位差;
校准汇总步骤:
根据无源校准步骤和有源校准步骤得到的相位差计算阵元整体的相位校准量;其中,/>为编号为i的阵元的相位校准量。
进一步,根据本发明的相控阵天线校准方法,所述步骤S23包括:
步骤S231:粗测坐标精度范围内随机选择若干个坐标点组成种群;
步骤S232:计算种群中坐标点的适应度值R(j):
;
其中,R(j)表示种群中第j个坐标点的适应度值;
步骤S233:选择其中适应度值最小的坐标点,并判断其适应度值是否小于某个预先设定的阈值;若其适应度值小于某个预先设定的阈值或者迭代次数达到预先设定的最大次数,则迭代结束,输出该坐标点作为最优坐标,否则执行步骤S234;
步骤S234:随机选择坐标点对其进行变异和交叉操作更新种群,然后重新返回步骤S232。
进一步,根据本发明的相控阵天线校准方法,所述步骤S231中,在区间和/>分别为/>随机选择数值,然后根据公式计算坐标点:
;
步骤S234中进行变异和交叉操作时以参数作为基因进行变异和交叉操作。
根据本发明的相控阵天线校准装置,该装置包括子阵配置模块、无源校准模块、有源校准模块和校准汇总模块:
子阵配置模块,用于:获取阵面阵元子阵配置;所述阵面阵元子阵配置包括中心阵元的阵元信息以及与各辅助接收馈源相对应的子阵;每个子阵为阵元信息的集合;所述阵元信息至少包括阵元编号和在阵面上的坐标;
无源校准模块包括如下模块:
模块M21,用于:获取各辅助接收馈源的粗测坐标;
模块M22,用于:获取各个阵元的移相测试值;在未连接有源组件的情况下,对应阵元和中心阵元在移相控制器的相位控制下单独发射信号,并按最小步进遍历相位,对应辅助接收馈源接收到合成信号最大时移相控制器所控制的移相值为移相测试值;
模块M23,用于:根据辅助接收馈源的粗测坐标和该辅助接收馈源所对应子阵各阵元的移相测试值,通过对粗测坐标精度范围内的坐标点的遍历找出其中辅助接收馈源的最优坐标,使得该最优坐标满足:最小;
其中,为第t个辅助接收馈源所对应子阵的各个阵元的编号集合;k为波数;/>和/>为编号为i的阵元在阵面上的平面坐标;/>为编号为i的阵元的移相测试值;/>,/>和为第t个辅助接收馈源的粗测坐标精度范围内所遍历的第j个坐标点的坐标,满足:;其中,/>,/>和/>为第t个辅助接收馈源的粗测坐标,表示精度范围;
模块M24,用于:计算各个阵元相对于中心阵元的波程相位差:
;
其中,为编号为i的阵元相对于中心阵元的波程相位差;/>,/>和/>为第t个辅助接收馈源的粗测坐标精度范围内所遍历的坐标点中的最优坐标;
有源校准模块包括如下模块:
模块M31,用于:获取各辅助接收馈源对各自对应子阵的各个阵元在连接有源组件和中心阵元常开的情况下按相位序列发射信号所接收到信号幅值/>;
其中,表示编号为i的阵元与中心阵元对应相位为/>时合成的信号幅值;
表示第t个辅助接收馈源所对应子阵的阵元中编号为i的阵元与中心阵元在相位为/>时发射信号被第t个辅助接收馈源所接收到的信号幅值;/>为相位最小步进;N为移相控制器的位数,满足:/>;
模块M32,用于:计算各阵元的有源通道相位差:
;其中,sgn为符号函数;cos为余弦函数;sin为正弦函数;arctan为反正切函数;/>为圆周率;
为编号为i的阵元的有源通道相位差;
校准汇总模块,用于:根据无源校准步骤和有源校准步骤得到的相位差计算阵元整体的相位校准量;其中,/>为编号为i的阵元的相位校准量。
进一步,根据本发明的相控阵天线校准装置,所述模块M23包括:
模块M231,用于:粗测坐标精度范围内随机选择若干个坐标点组成种群;
模块M232,用于:计算种群中坐标点的适应度值R(j):
;
其中,R(j)表示种群中第j个坐标点的适应度值;
模块M233,用于:选择其中适应度值最小的坐标点,并判断其适应度值是否小于某个预先设定的阈值;若其适应度值小于某个预先设定的阈值或者迭代次数达到预先设定的最大次数,则迭代结束,输出该坐标点作为最优坐标,否则使模块M234执行其功能;
模块M234,用于:随机选择坐标点对其进行变异和交叉操作更新种群,然后使模块M232执行其功能。
进一步,根据本发明的相控阵天线校准装置,所述模块M231中,在区间和/>分别为/>随机选择数值,然后根据公式计算坐标点:
;
模块M234中进行变异和交叉操作时以参数作为基因进行变异和交叉操作。
根据本发明的一种介质,该介质存储有可以被机器所读取的程序指令集;当该介质内所存储的程序指令集被机器读取并执行时可以实现上述的相控阵天线校准方法。
根据本发明的一种设备,该设备包括处理器和存储器;所述存储器内存储有程序指令集;当所述存储器内所存储的程序指令集被所述处理器加载并执行时可以实现上述的相控阵天线校准方法。
根据本发明的相控阵天线校准测试方法,该方法基于上述的相控阵天线校准方法,包括如下步骤:
步骤一,通过所述子阵配置步骤为计算设备设置阵面阵元子阵配置;
步骤二,粗测各个辅助接收馈源的坐标并通过所述步骤S21输入至计算设备;
步骤三,相控阵天线无源连接,在中心阵元保持常开的情况下,逐个对各个阵元进行单独信号发射测试,阵元在进行单独信号发射测试时,移相控制器按相位最小步进遍历移相值,记录对应辅助接收馈源接收到合成信号最大时移相控制器所控制的移相值作为该阵元的移相测试值通过所述步骤S22输入至计算设备;
步骤四,计算设备通过所述步骤S23和S24计算阵元相对于中心阵元的波程相位差;
步骤五,相控阵天线有源连接,并设移相控制器的偏置相位为0;
步骤六,在中心阵元保持常开的情况下,逐个对各个阵元进行单独信号发射测试,阵元在进行单独信号发射测试时,移相控制器按相位序列遍历移相值,对应辅助接收馈源接收到合成信号幅值/>通过所述步骤S31输入至计算设备;
步骤七,计算设备通过所述步骤S32计算阵元有源通道相位差,然后计算各阵元整体的相位校准量/>;
步骤八,按各阵元整体的相位校准量设置移相控制器各阵元所对应的偏置相位;
步骤九,远场合适的距离进行波瓣扫描验证;若波瓣形状满足要求,优化结束,否则转步骤六。
进一步,根据本发明的相控阵天线校准测试方法,所述步骤三和步骤六中,移相控制器和辅助接收馈源连接所述计算设备;所述移相控制器在所述计算设备的控制下,按相位最小步进遍历移相值;所述计算设备采集辅助接收馈源所接收的信号信息;所述计算设备采集辅助接收馈源所接收的信号信息包括信号相位和信号幅值;所述步骤三中,所述计算设备还用于统计阵元的移相测试值。
本发明的技术效果如下:
本发明不需要设计较为昂贵的耦合网络硬件,无需严苛的暗室测试环境和精密的伺服驱动设备,通过在相控阵天线阵面适当位置安装一定数量的辅助接收馈源、射频切换开关等,通过检波采集特定信号的强度信息,在良好的电磁环境下,基于本方案设计的方法可实现大型相控阵面系统自校准功能。
本发明通过遗传算法降低辅助接收馈源的相位测试误差,获取阵列各阵元到相应辅助接收馈源的波程差;再通过改进的近场旋转矢量法得出有源阵列各阵元与中心单元到各辅助接收馈源的相位差,从而获得有源阵列各单元间的相位差,完成阵面相位校准。
与已有基于远场的旋转矢量法不同,本发明采用的是阵面近场测量,每次只开启两个有源通道,降低远场旋转矢量法全阵合成下单通道矢量旋转信号敏感度低的缺陷,而近场测量下信号信噪比足够强,大大降低测量误差和复杂性。
本发明的方法通过辅助接收馈源的位置及姿态设计,使得辅助接收馈源对全阵单元有着一致的增益,从而可通过单通道幅度采集直接进行幅度校准,有效规避了旋转矢量技术复杂的幅度解算,仅需进行相位求解。
仿真及测试结果均证明,利用遗传算法对相位中心进行寻优可以显著降低个别通道相位测试误差对全阵合成波束波瓣的影响,提高全阵面的相位一致性。
本发明简单有效,对计算存储资源需求少,便于实时计算,特别适用于大型相控阵发射阵面的外场校准和测试。
附图说明
图1是本发明相控阵天线校准测试系统实施例的结构示意图。
图2是本发明相控阵天线校准子阵划分结构示例图。
其中,1是计算设备,11是处理器,12是存储器,13是通信模块;2是辅助接收馈源,2A、2B、2C、2D分别对应四个辅助接收馈源,21是连接控制器,22是检波器,23是AD采集装置;9是相控阵列天线系统,91是天线阵面,92是信号源,93是有源组件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
图1示例了一种相控阵天线校准测试系统,包括计算设备1、辅助接收馈源2以及被校准的相控阵列天线系统9。其中,计算设备1为至少包括处理器11、存储器12和通信模块13的通用计算机设备。存储器12和通信模块13连接处理器11。辅助接收馈源2有若干个,通过连接控制器21经检波器22和AD采集装置23连接计算设备1。相控阵列天线系统9包括天线阵面91、信号源92和有源组件93。信号源92通过有源组件93连接天线阵面91。有源组件93由移相控制器、功率放大器等部件组成。该相控阵天线校准测试系统进行的校准测试即为本发明所指的相控阵天线校准测试方法,包括如下步骤:
步骤一、为计算设备1设置阵面阵元子阵配置,即,通过人机交互向计算设备1输入阵面阵元子阵配置。人机交互可以采用配置文件方式或者通过UI界面方式。阵面阵元子阵配置是天线阵面91上阵元的划分,包括中心阵元的阵元信息和若干子阵。这里的阵元是指天线阵面上的天线单元。每个子阵为阵元信息的集合。阵元信息至少包括阵元编号和在阵面上的坐标。划分子阵时,中心阵元通常是天线阵面91中心位置的某个天线单元,不属于任何子阵;子阵通常需要围绕中心阵元划分,并且各子阵之间尽可能地需要以天线阵面91中心为对称。此外,子阵需要和辅助接收馈源2相对应。比如,图1示例中的辅助接收馈源2有四个分别为2A、2B、2C、2D,则相应地,子阵需要划分成4个。图2示例了一种32×32的天线阵面的阵面阵元子阵配置。在该天线阵面的阵面阵元子阵配置中,中心阵元为91O,四个分别为子阵91A、91B、91C和91D,分别对应图1中的四个辅助接收馈源2A、2B、2C和2D。其中,91A包括255个阵元,91B、91C和91D均包括256个阵元。阵元信息可以表示为:{i,(x i ,y i ,z i )},其中i表示阵元编号,(x i ,y i ,z i )表示阵元在阵面上的坐标。这里的坐标是空间位置的坐标。由于所有阵元均在同一平面上,故此可以设定z i 为0,由此阵元在阵面上的坐标也可以简化为(x i ,y i ),与此对应地,阵元信息可以简化为{i,(x i ,y i )}。此外,为方便处理,中心阵元通常在阵面上的坐标定义为(0,0)或(0,0,0),其他子阵的各阵元在阵面上的坐标为该阵元相对于中心阵元的坐标。此外,本步骤对于计算设备1而言是获取阵面阵元子阵配置,即前述子阵配置步骤。
步骤二、粗测各个辅助接收馈源的坐标输入至计算设备1。即,利用测量工具测量各个辅助接收馈源的坐标,然后将测得的各个辅助接收馈源的坐标输入至计算设备1。辅助接收馈源的坐标可以表示为。本步骤对于计算设备1而言是获取各辅助接收馈源的粗测坐标,即前述步骤S21。
步骤三、相控阵天线无源连接,在中心阵元保持常开的情况下,逐个对各个阵元进行单独信号发射测试,阵元在进行单独信号发射测试时,移相控制器按相位由从小到大遍历移相值,记录对应辅助接收馈源接收到合成信号最大时移相控制器所控制的移相值作为该阵元的移相测试值输入至计算设备1。图1所示例的相控阵列天线系统9是一个有源连接的系统,相控阵天线无源连接,也就是将相控阵列天线系统9中的有源连接改变成无源连接,简单来说,删除有源组件93,将天线阵面91和信号源92直连,并在天线阵面91和信号源92之间添加移相控制器;或者在相控阵列天线系统9中将有源组件93替换成一个简单的移相控制器。本发明中,移相控制器是由若干移相控制通道单元所组成的系统。本实施例中,本步骤的移相控制器采用自身已经校准过了的高精度的移相调幅矩阵或者功分网络。在中心阵元保持常开的情况下,逐个对各个阵元进行单独信号发射测试时,中心阵元和某个子阵的某个阵元同时进行发射,由此,辅助接收馈源2所接收到的信号为两个阵元的合成信号。这里“对应辅助接收馈源”是指中心阵元之外的另一个阵元所从属的子阵对应的辅助接收馈源。比如,图2中对子阵91C中的阵元进行测试时,信号由子阵91C所对应的辅助接收馈源2C接收。
本实施例中,步骤三在相控阵天线无源连接后所执行的步骤由计算设备1所控制下自动完成。具体来说,替换有源组件93的移相控制器连接计算设备1。在计算设备1的程序控制下,计算设备1向移相控制器发送移相指令,移相指令至少包括移相阵元的链路编号和移相值。移相阵元的链路编号通常和阵元编号相对应。移相控制器接收到移相指令后按移相指令中的移相值设定该路信号移相的相位,然后计算设备1通过检波器22和AD采集装置23采集对应辅助接收馈源2的信号信息,所采集的信号信息至少包括信号幅值。计算设备1选择对应辅助接收馈源2时,通过控制连接控制器21的开关切换完成。由此计算设备1通过连续改变移相控制器的移相值,得到一个阵元无源移相测试信息所组成的数组。阵元无源移相测试信息包括移相值和信号幅值。然后计算设备1通过遍历该阵元无源移相测试信息所组成的数组,找出其中信号幅值最大的所对应的移相值作为该阵元的移相测试值。当然本领域技术人员理解,由于无源测试时选用的外置移相控制系统通常为高精度的数字移相调幅矩阵或者模拟移相调幅矩阵,因此本步骤也可以手动粗调待测阵元的移相值,然后通过观测合成信号幅值的变化,在最大值附近时再进行精调,最终选取信号幅值最大所对应的移相值作为该阵元的移相测试值输入至计算设备1。
此外,步骤三中阵元的移相测试值输入至计算设备1,对于计算设备1而言则是获取阵元的移相测试值,即为前述步骤S22。
步骤四,计算设备1计算阵元相对于中心阵元的波程相位差。本步骤是由计算设备1通过执行计算机程序指令所实现的步骤,包括前述步骤S23和步骤S24:
步骤S23,根据辅助接收馈源的粗测坐标和该辅助接收馈源所对应子阵各阵元的移相测试值,通过对粗测坐标精度范围内的坐标点的遍历找出其中辅助接收馈源的最优坐标,使得该最优坐标满足:最小。其中,为第t个辅助接收馈源所对应子阵的各个阵元的编号集合;k为波数,/>,/>为步骤三测试信号时所使用的波长;/>和/>为编号为i的阵元在阵面上的平面坐标;/>为编号为i的阵元的移相测试值;/>,/>和/>为第t个辅助接收馈源的粗测坐标精度范围内所遍历的第j个坐标点的坐标,满足:/>;其中,/>,/>和/>为第t个辅助接收馈源的粗测坐标,/>表示精度范围。步骤S23的输入是前述步骤二中的辅助接收馈源的粗测坐标和步骤三中阵元的移相测试值,输出为优化了的更为精确的辅助接收馈源的坐标。第t个辅助接收馈源的最优坐标可以表示为/>。需要注意的是,值的计算通常被限定在区间/>范围内,若超出区间/>则通过平移n个/>使其落入区间/>范围内。
步骤S23简单粗暴的实现方法是对辅助接收馈源的粗测坐标精度范围内的点进行足够精密的空间网格划分,然后对所划分的空间网格上的点进行逐个遍历计算,然后选择其中最小的点坐标作为辅助接收馈源的最优坐标。
上述简单粗暴的方法效率极低,尤其对于高频天线阵列,足够精密的空间网格划分会带来巨大的计算量。故此,本实施例步骤S23优选采用遗传算法,具体包括如下步骤:
步骤S231:粗测坐标精度范围内随机选择若干个坐标点组成种群;
步骤S232:计算种群中坐标点的适应度值R(j):
;
其中,R(j)表示种群中第j个坐标点的适应度值;
步骤S233:选择其中适应度值最小的坐标点,并判断其适应度值是否小于某个预先设定的阈值;若其适应度值小于某个预先设定的阈值或者迭代次数达到预先设定的最大次数,则迭代结束,输出该坐标点作为最优坐标,否则执行步骤S234;
步骤S234:随机选择坐标点对其进行变异和交叉操作更新种群,然后重新返回步骤S232。
步骤S231中,本实施例优选在区间和/>分别为/>随机选择若干数值,然后根据以下公式计算坐标点:/>。同时,/>三个参数分别构成遗传算法中的基因参数,由此,步骤S234中进行变异和交叉操作时以参数/>作为基因进行变异和交叉操作。具体来说,种群中坐标点个体可以表示为/>。其中,/>分别表示为种群中第j个个体的/>三个参数。变异操作时,选择/>其中之一在其对应的区间范围内随机取值。交叉操作时,对两个个体的三个参数中选择其一进行交换。
另外考虑算法优化问题,由于坐标点个体的适应度值R(j)计算比较简单,实际在处理时,可以在生成坐标点个体时直接计算出适应度值R(j),由此,坐标点个体还可以表示为。
步骤S24,计算各个阵元相对于中心阵元的波程相位差:
;
其中,为编号为i的阵元相对于中心阵元的波程相位差;/>,/>和/>为第t个辅助接收馈源的粗测坐标精度范围内所遍历的坐标点中的最优坐标。
步骤二和步骤三中,步骤S21、S22、S23和S24是由计算设备1通过执行计算机程序所实现的步骤,步骤S21、S22、S23和S24组成本发明所指的无源校准步骤。无源校准步骤相对于有源而言。无源校准步骤所对应的步骤三中,相控阵天线无源连接。
步骤五,相控阵天线有源连接,并设各有源通道移相控制器的初始偏置相位为0。相控阵天线有源连接,参照图1,信号源92通过有源组件93连接天线阵面91。即在执行步骤三后,相控阵列天线系统9的连接恢复至其正常工作状态。这里的移相控制器是有源组件93中的移相控制器。
步骤六,在中心阵元保持常开的情况下,逐个对各个阵元进行单独信号发射测试,阵元在进行单独信号发射测试时,移相控制器按相位序列遍历移相值,对应辅助接收馈源接收到合成信号幅值/>输入至计算设备1。本实施例中,有源组件93连接计算设备1。在计算设备1的程序控制下,计算设备1向有源组件93中的移相控制器发送移相指令,移相指令至少包括移相通道编号和移相值。计算设备1遍历移相值的控制过程与步骤三大体相同,所不同的在于,本步骤中,移相值按照离散相位序列进行遍历,而步骤三遍历值更为精细甚至为模拟连续值在区间范围内遍历。其中,/>为相位最小步进,N为有源组件通道中移相控制器的位数,满足。需要指出的是,信号幅值/>需要由编号为i的阵元所在子阵所对应的辅助接收馈源接收,故有/>;其中,/>表示编号为i的阵元对应移相相位为/>时与中心阵元合成的信号幅值;/>表示第t个辅助接收馈源所对应子阵的阵元中编号为i的阵元在移相相位为/>时与中心阵元合成发射信号被第t个辅助接收馈源所接收到的信号幅值。此外,本实施例中,计算设备1连接各个辅助接收馈源,故此,信号幅值/>由计算设备1通过检波器22和AD采集装置23采集得到。此外,本步骤对于计算设备1而言,即为获取各辅助接收馈源对各自对应子阵的各个阵元在连接有源组件和中心阵元常开的情况下按移相相位序列/>发射信号所接收到合成信号幅值/>,也就是前述步骤S31。
步骤七,计算设备1计算阵元有源通道相位差,然后计算各阵元整体的相位校准量/>。/>表示编号为i的阵元的有源通道相位差,/>表示编号为i的阵元的相位校准量。这里的阵元的有源通道相位差是阵元相对中心阵元在相应辅助接收馈源处的相位差。阵元有源通道相位差/>通过以下公式计算得到:;其中,sgn为符号函数;cos为余弦函数;sin为正弦函数;arctan为反正切函数;/>为圆周率。本步骤对于计算设备1而言可以分解为两个步骤:
计算阵元有源通道相位差,对应前述步骤S32;
计算各阵元整体的相位校准量,对应前述校准汇总步骤。
步骤八,按各阵元整体的相位校准量设置各阵元移相控制器所对应的偏置相位。
步骤九,选择远场合适的距离进行波瓣扫描验证;若波瓣形状满足要求,优化结束,否则转步骤六。
上述相控阵天线校准测试方法是由人和设备配合完成校准测试过程。其中由计算设备1通过执行计算机程序指令完成步骤为本发明所指的相控阵天线校准方法。相控阵天线校准方法可以分解成以下四个步骤:子阵配置步骤、无源校准步骤、有源校准步骤和校准汇总步骤。
子阵配置步骤,也就是,获取阵面阵元子阵配置。
无源校准步骤包括以下步骤:
步骤S21:获取各辅助接收馈源的粗测坐标;
步骤S22:获取各个阵元的移相测试值;在未连接有源组件的情况下,对应阵元和中心阵元在移相控制器的相位控制下单独发射信号,并从小到大遍历移相相位,对应辅助接收馈源接收到合成信号最大时移相控制器所控制的移相值为移相测试值;
步骤S23:根据辅助接收馈源的粗测坐标和该辅助接收馈源所对应子阵各阵元的移相测试值,通过对粗测坐标精度范围内的坐标点的遍历找出其中辅助接收馈源的最优坐标,使得该最优坐标满足:最小;
步骤S24:计算各个阵元相对于中心阵元的波程相位差。
有源校准步骤包括以下步骤:
步骤S31:获取各辅助接收馈源对各自对应子阵的各个阵元在连接有源组件和中心阵元常开的情况下按相位序列发射信号所接收到合成信号幅值;
步骤S32:计算各阵元的有源通道相位差:
。
校准汇总步骤,即计算。
此外,本发明所指的相控阵天线校准装置为相控阵天线校准方法所对应的虚装置,相控阵天线校准装置中的模块是和相控阵天线校准方法中的步骤一一相对应的虚装置,不再赘述。
此外,本实施例中,计算设备1连接辅助接收馈源和移相控制器。在另一可选的实施方式中,计算设备1也不连接辅助接收馈源和移相控制器。此时,步骤三和步骤六通常需要人工作业,而计算设备1仅用于执行计算机程序指令以实现相控阵天线校准方法。
此外,需要说明的是,本发明的相控阵天线校准测试方法对设备所处的电磁环境有一定要求,虽然无需严苛的暗室测试环境,但在过于恶劣的电磁环境下,会影响校准效果。
Claims (10)
1.相控阵天线校准方法,其特征在于,该方法包括子阵配置步骤、无源校准步骤、有源校准步骤和校准汇总步骤:
子阵配置步骤:获取阵面阵元子阵配置;所述阵面阵元子阵配置包括中心阵元的阵元信息以及与各辅助接收馈源相对应的子阵;每个子阵为阵元信息的集合;所述阵元信息至少包括阵元编号和在阵面上的坐标;
无源校准步骤包括如下步骤:
步骤S21:获取各辅助接收馈源的粗测坐标;
步骤S22:获取各个阵元的移相测试值;在未连接有源组件的情况下,对应阵元和中心阵元在移相控制器的相位控制下单独发射信号,移相控制器由小到大遍历移相值,对应辅助接收馈源接收到合成信号最大时移相控制器所控制的移相值为移相测试值;
步骤S23:根据辅助接收馈源的粗测坐标和该辅助接收馈源所对应子阵各阵元的移相测试值,通过对粗测坐标精度范围内的坐标点的遍历找出其中辅助接收馈源的最优坐标,使得该最优坐标满足:
最小;
其中,为第t个辅助接收馈源所对应子阵的各个阵元的编号集合;k为波数;/>和/>为编号为i的阵元在阵面上的平面坐标;/>为编号为i的阵元的移相测试值;/>,/>和/>为第t个辅助接收馈源的粗测坐标精度范围内所遍历的第j个坐标点的坐标,满足:;其中,/>,/>和/>为第t个辅助接收馈源的粗测坐标,/>表示精度范围;
步骤S24:计算各个阵元相对于中心阵元的波程相位差:
;
其中,为编号为i的阵元相对于中心阵元的波程相位差;/>,/>和/>为第t个辅助接收馈源的粗测坐标精度范围内所遍历的坐标点中的最优坐标;
有源校准步骤包括如下步骤:
步骤S31:获取各辅助接收馈源对各自对应子阵的各个阵元在连接有源组件和中心阵元常开的情况下按相位序列发射信号所接收到信号幅值
;其中,/>表示编号为i的阵元与中心阵元对应相位为/>时合成的信号幅值;
表示第t个辅助接收馈源所对应子阵的阵元中编号为i的阵元与中心阵元在相位为/>时发射信号被第t个辅助接收馈源所接收到的信号幅值;/>为相位最小步进;N为移相控制器的位数,满足:/>;
步骤S32:计算各阵元的有源通道相位差:;
其中,sgn为符号函数;cos为余弦函数;sin为正弦函数;arctan为反正切函数;为圆周率;
为编号为i的阵元的有源通道相位差;
校准汇总步骤:根据无源校准步骤和有源校准步骤得到的相位差计算阵元整体的相位校准量;其中,/>为编号为i的阵元的相位校准量。
2.根据权利要求1所述的相控阵天线校准方法,其特征在于,所述步骤S23包括:
步骤S231:粗测坐标精度范围内随机选择若干个坐标点组成种群;
步骤S232:计算种群中坐标点的适应度值R(j):
;
其中,R(j)表示种群中第j个坐标点的适应度值;
步骤S233:选择其中适应度值最小的坐标点,并判断其适应度值是否小于某个预先设定的阈值;若其适应度值小于某个预先设定的阈值或者迭代次数达到预先设定的最大次数,则迭代结束,输出该坐标点作为最优坐标,否则执行步骤S234;
步骤S234:随机选择坐标点对其进行变异和交叉操作更新种群,然后重新返回步骤S232。
3.根据权利要求2所述的相控阵天线校准方法,其特征在于,所述步骤S231中,在区间和/>分别为/>随机选择数值,然后根据公式计算坐标点:
;
步骤S234中进行变异和交叉操作时以参数作为基因进行变异和交叉操作。
4.相控阵天线校准装置,其特征在于,该装置包括子阵配置模块、无源校准模块、有源校准模块和校准汇总模块:
子阵配置模块,用于:获取阵面阵元子阵配置;所述阵面阵元子阵配置包括中心阵元的阵元信息以及与各辅助接收馈源相对应的子阵;每个子阵为阵元信息的集合;所述阵元信息至少包括阵元编号和在阵面上的坐标;
无源校准模块包括如下模块:
模块M21,用于:获取各辅助接收馈源的粗测坐标;
模块M22,用于:获取各个阵元的移相测试值;在未连接有源组件的情况下,对应阵元和中心阵元在移相控制器的相位控制下单独发射信号,并按最小步进遍历相位,对应辅助接收馈源接收到合成信号最大时移相控制器所控制的移相值为移相测试值;
模块M23,用于:根据辅助接收馈源的粗测坐标和该辅助接收馈源所对应子阵各阵元的移相测试值,通过对粗测坐标精度范围内的坐标点的遍历找出其中辅助接收馈源的最优坐标,使得该最优坐标满足:
最小;
其中,为第t个辅助接收馈源所对应子阵的各个阵元的编号集合;k为波数;/>和/>为编号为i的阵元在阵面上的平面坐标;/>为编号为i的阵元的移相测试值;/>,/>和/>为第t个辅助接收馈源的粗测坐标精度范围内所遍历的第j个坐标点的坐标,满足:
;其中,/>,/>和/>为第t个辅助接收馈源的粗测坐标,/>表示精度范围;
模块M24,用于:计算各个阵元相对于中心阵元的波程相位差:
;
其中,为编号为i的阵元相对于中心阵元的波程相位差;/>,/>和/>为第t个辅助接收馈源的粗测坐标精度范围内所遍历的坐标点中的最优坐标;
有源校准模块包括如下模块:
模块M31,用于:获取各辅助接收馈源对各自对应子阵的各个阵元在连接有源组件和中心阵元常开的情况下按相位序列发射信号所接收到信号幅值
;其中,/>表示编号为i的阵元与中心阵元对应相位为/>时合成的信号幅值;/>表示第t个辅助接收馈源所对应子阵的阵元中编号为i的阵元与中心阵元在相位为/>时发射信号被第t个辅助接收馈源所接收到的信号幅值;/>为相位最小步进;N为移相控制器的位数,满足:/>;
模块M32,用于:计算各阵元的有源通道相位差:;其中,sgn为符号函数;cos为余弦函数;sin为正弦函数;arctan为反正切函数;/>为圆周率;
为编号为i的阵元的有源通道相位差;
校准汇总模块,用于:根据无源校准步骤和有源校准步骤得到的相位差计算阵元整体的相位校准量;其中,/>为编号为i的阵元的相位校准量。
5.根据权利要求4所述的相控阵天线校准装置,其特征在于,所述模块M23包括:
模块M231,用于:粗测坐标精度范围内随机选择若干个坐标点组成种群;
模块M232,用于:计算种群中坐标点的适应度值R(j):
;
其中,R(j)表示种群中第j个坐标点的适应度值;
模块M233,用于:选择其中适应度值最小的坐标点,并判断其适应度值是否小于某个预先设定的阈值;若其适应度值小于某个预先设定的阈值或者迭代次数达到预先设定的最大次数,则迭代结束,输出该坐标点作为最优坐标,否则使模块M234执行其功能;
模块M234,用于:随机选择坐标点对其进行变异和交叉操作更新种群,然后使模块M232执行其功能。
6.根据权利要求5所述的相控阵天线校准装置,其特征在于,所述模块M231中,在区间和/>分别为/>随机选择数值,然后根据公式计算坐标点:
;
模块M234中进行变异和交叉操作时以参数作为基因进行变异和交叉操作。
7.一种介质,该介质存储有能够被机器所读取的程序指令集;其特征在于,当该介质内所存储的程序指令集被机器读取并执行时能够实现根据权利要求1至3任一项所述的相控阵天线校准方法。
8.一种设备,该设备包括处理器和存储器;所述存储器内存储有程序指令集;其特征在于,当所述存储器内所存储的程序指令集被所述处理器加载并执行时能够实现根据权利要求1至3任一项所述的相控阵天线校准方法。
9.相控阵天线校准测试方法,其特征在于,该方法基于权利要求1~3任一项所述的相控阵天线校准方法,包括如下步骤:
步骤一,通过所述子阵配置步骤为计算设备设置阵面阵元子阵配置;
步骤二,粗测各个辅助接收馈源的坐标并通过所述步骤S21输入至计算设备;
步骤三,相控阵天线无源连接,在中心阵元保持常开的情况下,逐个对各个阵元进行单独信号发射测试,阵元在进行单独信号发射测试时,移相控制器按相位最小步进遍历移相值,记录对应辅助接收馈源接收到合成信号最大时移相控制器所控制的移相值作为该阵元的移相测试值通过所述步骤S22输入至计算设备;
步骤四,计算设备通过所述步骤S23和S24计算阵元相对于中心阵元的波程相位差;
步骤五,相控阵天线有源连接,并设移相控制器的偏置相位为0;
步骤六,在中心阵元保持常开的情况下,逐个对各个阵元进行单独信号发射测试,阵元在进行单独信号发射测试时,移相控制器按相位序列遍历移相值,对应辅助接收馈源接收到合成信号幅值/>通过所述步骤S31输入至计算设备;
步骤七,计算设备通过所述步骤S32计算阵元有源通道相位差,然后计算各阵元整体的相位校准量/>;
步骤八,按各阵元整体的相位校准量设置移相控制器各阵元所对应的偏置相位;
步骤九,远场合适的距离进行波瓣扫描验证;若波瓣形状满足要求,优化结束,否则转步骤六。
10.根据权利要求9所述的相控阵天线校准测试方法,其特征在于,所述步骤三和步骤六中,移相控制器和辅助接收馈源连接所述计算设备;所述移相控制器在所述计算设备的控制下,按相位最小步进遍历移相值;所述计算设备采集辅助接收馈源所接收的信号信息;所述计算设备采集辅助接收馈源所接收的信号信息包括信号相位和信号幅值;所述步骤三中,所述计算设备还用于统计阵元的移相测试值。
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