CN211406030U - 一种线性阵列快速校准设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种线性阵列快速校准设备，包括电校准组件，电校准组件包括：辐射源，用于辐射射频信号；与辐射源连接的分配器，用于将辐射源辐射的射频信号分成两路射频信号；与分配器的一个输出端连接的第一衰减调节器；与分配器的另一个输出端连接的第二衰减调节器；与第一衰减调节器连接的接收天线；以及基带信号处理器，基带信号处理器的一个输入端与第二衰减调节器连接，另一个输入端与接收天线连接。减小了测量之前阵列信号传输的系统误差，使得输出的参考信号与测量信号的幅相差是由于阵面上各个位置上天线辐射传输信号的幅相特性不均匀造成的，实现了测量以及基于测量结果的校准精度的提高。

Description

一种线性阵列快速校准设备

技术领域

本实用新型涉及线性阵列技术，特别涉及一种线性阵列快速校准设备。

背景技术

阵列信号处理是信号处理领域的一个重要分支，在近30年来得到迅速发展，其应用涉及雷达、通信、声呐、地震、勘测、射电天文以及生物医学功能等众多军事及国民经济领域，而天线阵列校准又是阵列信号处理中一个不可或缺的环节。

阵列信号处理中经常会产生系统误差，使得对自适应波束形成技术和超分辨参数估计算法的性能有影响。因此近些年有关对阵列天线的接收系统的误差分析、误差校正算法以及对阵列信号处理中相关技术的影响分析等研究十分活跃。

实用新型内容

鉴于现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种线性阵列快速校准设备，包括电校准组件，其特征在于，所述电校准组件包括：辐射源，用于辐射射频信号；与所述辐射源连接的分配器，用于将所述辐射源辐射的射频信号分成两路射频信号；与所述分配器的一个输出端连接的第一衰减调节器；与所述分配器的另一个输出端连接的第二衰减调节器；与所述第一衰减调节器连接的接收天线；以及基带信号处理器，所述基带信号处理器的一个输入端与所述第二衰减调节器连接，另一个输入端与所述接收天线连接。

该种结构设计，分配器将信号分成两路，使形成两条射频链路，一路是依次经第一衰减调节器、接收天线至基带信号处理器的测量信号，另一路是依次经第二衰减调节器至基带信号处理器的参考信号，由于测量信号至接收天线的电气长度不同，而参考信号由第二衰减调节器直接输出至基带信号处理器中，其幅相是固定的，因此，就可以相对比较测出阵面上各个位置上天线辐射传输信号的幅相特性不均匀值，由此可以制成一个补偿幅度和相位的表格，第一衰减器与第二衰减器分别对测量信号以及参考信号的初始幅相值进行调整，使得两者的初始幅相值的差值趋于零。

在本实用新型的一些实施方式中，所述第一衰减调节器以及第二衰减调节器的位置紧随所述分配器，以使所述射频信号经由分配器后，仅分别传输至所述第一衰减调节器和所述第二衰减调节器。这样，第一衰减调节器和第二衰减调节器能够对测量之前的阵列信号的幅相值进行调整，减小了测量之前阵列信号传输的系统误差，使得输出的参考信号与测量信号的幅相差是由于阵面上各个位置上天线辐射传输信号的幅相特性不均匀造成的，实现了测量精度的提高。

在本实用新型的一些实施方式中，所述基带信号处理器包括一ADC子卡，其与所述第二衰减调节器连接；与所述ADC子卡连接的信号处理载板；与所述信号处理载板连接的一DAC子卡。ADC子卡将模拟信号转化为数字信号，并传输至信号处理载板，信号处理载板实现对接收的数字信号进行采集处理、幅相校准和信号调制，并传输至DAC子卡，使DAC子卡进行数字 -模拟信号转化。

针对电校准组件的具体结构，在本实用新型的一些实施方式中，所述电校准组件还包括微波链路单元，所述微波链路单元的输入端与所述接收天线连接，其输出端与所述基带信号处理器连接。

对自接收天线传输至基带信号处理器的信号进行下变频处理，使得降低信号的载波频率从而得到基带信号，使得基带信号处理器能够接收经过微波链路单元处理的信号，并进行处理。

在本实用新型的一些实施方式中，所述电校准组件还包括显示控制单元，所述显示控制单元的输入端与所述基带信号处理器连接，其输出端与所述接收天线连接。

显示控制单元提供基于系统校准和目标等参数的下发和状态结果显示的 UI页面，使得能够进行FFT变换，计算频谱，显示控制单元对输入基带信号处理器的两路信号同步采样，使得提取与基带信号处理器中信号对应的第m个频谱，进行计算得到幅度初相，差值为幅相差，针对幅相差，实现对接收天线进行反馈校准调节。

在本实用新型的一些实施方式中，所述校准设备还包括光校准组件，用于调整目标阵列球面上安装的各个天线单元，以对阵列信号的系统误差进行物理校准。

在本实用新型的一些实施方式中，所述光校准组件包括三轴转台；通过夹具安装在所述三轴转台上的激光测距仪，用于测量待测天线到三轴转台中心的距离；安装在所述三轴转台上的图像采集器，用于获取天线的光学图像并转换为电子图像；与所述图像采集器以及所述三轴转台连接的转台控制器。

为了对安装的天线进行精准定位，在本实用新型的一些实施方式中，所述激光测距仪的激光光轴与所述三轴转台内框的轴线重合。这样，使得激光所指的位置即三轴转台轴心正对的位置。

在本实用新型的一些实施方式中，所述转台控制器包括主控计算单元所述主控计算单元与所述图像采集器连接，使获取电子图像并显示。

在本实用新型的一些实施方式中，所述转台控制器还包括转台控制单元，所述转台控制单元与所述三轴转台连接，以调整所述三轴转台的转向定位。

本实用新型提供的校准设备的第一衰减调节器和第二衰减调节器分别与分配器连接，使得对分配器分出的两个信号进行调节，实现调整至输出的两个信号的幅相值趋于相同的状态，减小了测量之前阵列信号传输的系统误差，使得输出的参考信号与测量信号的幅相差是由于阵面上各个位置上天线辐射传输信号的幅相特性不均匀造成的，实现了测量以及基于测量结果的校准精度的提高。

附图说明

图1为本实用新型一实施方式的光校准组件的组成框图；

图2为本实用新型一实施方式的光校准组件的旋转误差示意图；

图3为本实用新型一实施方式的光校准组件的方位倾斜误差示意图；

图4为本实用新型一实施方式的电校准组件部分工作流程框图；

图5为本实用新型一实施方式的电校准组件基本组成工作原理方框图；

图6为本实用新型一实施方式的电校准组件部分方框原理图；

图7为本实用新型一实施方式的电校准组件中信号处理示意图；

图8为本实用新型一实施方式的电校准组件中基于傅立叶变换的幅相差测量原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关实用新型，而非对该实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关实用新型相关的部分。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示，本实用新型的线性阵列快速校准设备的光校准组件包括三轴转台、激光测距仪、图像采集器以及转台控制器。激光测距仪用于测量天线到三轴转台中心的距离，图像采集系统用于获取天线的光学图像并转换为电子图像，转台控制器用于控制转台的转向定位。该组件使得各天线面几何中心安装位置和间距符合设计精度要求，从而降低各天线单元辐射界面的各路辐射信号的幅－相特性间的差异，便于电特性的精细调整。为了对安装的天线进行精确定位，将激光测距仪利用激光测距仪定制夹具准确地安装于三轴转台的三轴中心上，使得激光的光轴与转台内框的轴线重合，这样激光所指位置即为转台轴心正对的位置。

将转台指向天线A的理论安装角度位置(α，β)，如果安转准确，激光点将落在被校准天线的天线罩圆心点位置。如果光点不落在圆心点点位置，调节水平及垂直平移，直到光点与圆心点重合。除去转台定位误差和测距仪安装系统误差，导致天线安装位置误差的是圆心点位置与光点重合的视觉误差，由于激光器光点在15m内扩散光斑直径小于<5mm，视觉误差<2mm，安装位置误差Δα,Δβ为

Δa,Δβ＜arctg(0.002/15)＝0.14mrad

天线圆心点与光点重合后，测距。测得距离与天线阵球面半径基准距离之差即为径向误差，通过六自由度调节器径向调整可消除误差。最终径向误差取决于测距仪的测距精度<+/-1mm。

如图2所示，将转台由中心角度位置(α，β)沿方位方向移动到 (α-0.53mrad，β)位置，在无极化旋转情况下光点应与A点重合；再移动到 (α+0.53mrad，β)位置，应该与B点重合。图中情况(红点为激光点)说明存在旋转误差，调节六自由度调节器旋转可消除误差。导致最终旋转误差的因素为A点到B点移动时激光点移动轨迹和AB基线重合的观察误差，考虑最大观察误差2mm，最大剩余旋转误差Δγ为Δγ＝arctg(0.2/9)＝1.27°。

如图3所示，转动三轴转台，将光点指向A点，测量距离为L1；然后转动转台，将光点指向B点，测量距离为L2，如果不存在方位面倾斜，L1 将与L2相等，否则表明存在方位面倾斜。调节六自由度调节器方位倾斜旋钮，直到L1等于L2。调整后误差取决于测距精度，按测距精度1mm算，方位倾斜误差Δγ₁为Δγ₁≈arctg(0.001/0.09)＝0.63°。

如图4所示，分配器将信号分成两路，使形成两条射频链路，一路是依次经第一衰减调节器、接收天线至基带信号处理器的测量信号，另一路是依次经第二衰减调节器至基带信号处理器的参考信号，由于测量信号至接收天线的电气长度不同，而参考信号由第二衰减调节器直接输出至基带信号处理器中，其幅相是固定的，因此，就可以相对比较测出阵面上各个位置上天线辐射传输信号的幅相特性不均匀值，由此可以制成一个补偿幅度和相位的表格，第一衰减器与第二衰减器分别对测量信号以及参考信号的初始幅相值进行调整，使得两者的初始幅相值的差值趋于零，减小了测量之前阵列信号传输的系统误差，使得输出的参考信号与测量信号的幅相差是由于阵面上各个位置上天线辐射传输信号的幅相特性不均匀造成的，实现了测量精度的提高。

参阅图5，辐射源分为两个部分。一是通过信号源产生厘米波，再通过与本振信号源上变频生成毫米波fs，经微波网络送至阵面上的天线；二是在转台侧通过上变频，生成与阵面天线同频的毫米波，作为参考信号fr，输入到基带信号处理单元的参考信号输入端。

fr通过高频头接收机内的开关，由同轴半钢射频电缆进入一路平衡混频器至中放与不再调节的固定衰减器输出加到基带信号处理单元的输入端，作固定基准参考比较信号。各种辐射天线辐射的信号fS经电扫暗箱，到接收天线时，其电气长度均不相同；而fr由另一路开关，同轴半钢射频电缆和平衡混频器至中放与调节输出衰减器加到基带信号处理单元输入端，其幅相固定。因此，就可以相对比较测出阵面上各个位置上天线辐射传输信号的幅相特性不均匀值，由此可以制成一个补偿幅度和相位的表格，并且把不同传输通道中的数控移相器和数控衰减器的数值，保存在基带信号处理单元的存贮器内。故在辐射端两路分配器的两个输出支路分别设计加有第一衰减调节器和第二衰减调节器，其位置应紧随两路分配器。目的就是使fr基准信号与被测各路传输信号fS之间，经二路中放的fs1和fr1加到基带信号处理单元输入端时，幅度值相接近，越相近测量效果越好。

如图6所示，A、B两只接收天线构成上下位置，作相位干涉比较,测出方位位置相位值。根据雷达原理关于干扰仪的测向理论，即相位法测向工作原理。分别可以得到：

A，B二天线间距为dab，则方位方向两个天线接收到的辐射信号引起的相位差

ψab＝2π/λdabsinαα为方位角值

由上述两个式子可见，dab是设计的固定值，工作波长λ确定后，则测出ψab就可求出方位角α。

如图7所示，微波链路单元由一块HQC6S_MW_250M1517NDC和一块 HQC6S_MW_250M1517NSDC组成。基带信号处理器由一块信号处理载板、一块ADC子卡和一块DAC子卡组成。信号处理载板实现两路下变频信号采集处理、幅相校准和信号调制，最后输出两路DAC信号给两个上变频模块。显示控制单元由全交换板HQC6S_SW_V7COME实现，该单元提供了该装置系统校准和目标等各种参数的下发和状态结果显示的UI页面，还可以对系统的硬件资源进行统一的调度，控制硬件完成指定的系统功能。

设X(n)为待测信号经采样得到的N点有限长序列，其DFT为：

其中，

有限长序列的重要特点是其频域也可以离散化成有限长序列，即X(k)也为N点离散值，X(k)对应频率周期为k(2π/N)即频率为k(f_s/N)的复正弦分量。幅度特性|X(k)|表征信号中各频率分量的幅值，相频特性∠X(k)描述了信号中各频率分量的相位，所以对一个信号求其DFT即可求得各频率分量的幅度和相位。

将待测信号x(n)进行DFT得出其离散谱，求出各点的幅值|X(k)|，假设被测信号中要测定相位的波形应该是主要部分，可以认为此信号的幅值应该是最大的，故在X(k)中找到幅值最大的点，设此点为第m点，由离散傅立叶反变换式：

可知，被测信号是一系列正弦信号受X(k)的幅度、相位调制后叠加形成的，如果进一步展开被测频率分量，得：

其中，

为虚数X(m)的幅角，这表示X(m)所对应的正弦基准分量是一个以第一个采样点时刻为0相位起始点的余弦函数，

就是被测频率分量相对于此基准分量的相移。

令X(m)的实部为Re[X(m)],虚部为Im[X(m)]，对于单一频率信号的FFT 结果而言，m即为该频率信号所对应的频点，则可求得信号初相为：

以两路信号为例，基于傅立叶变换的相位测量方法实现步骤如图8所示，对两路信号同步采样得到x(n)、y(n)，分别对其做FFT，求出两路信号对应频点幅度A1和A2，ΔA＝A₁-A₂；初始相位

则有

在信号离散化过程中，采样精度越高，就能够更好地利用傅立叶变换恢复原信号，测试精度也就越高。实际测试中x(n)、y(n)为单一频率的正弦信号，一般情况下对其做FFT，当FFT点数N满足

时，在功率谱上正好对应一条谱线。式中f为被测信号的频率，f_s为采样率，第m根谱线对应离散功率谱出现最大值的频点f。

以上所述的仅是本实用新型的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种线性阵列快速校准设备，包括电校准组件，其特征在于，所述电校准组件包括：

辐射源，用于辐射射频信号；

与所述辐射源连接的分配器，用于将所述辐射源辐射的射频信号分成两路射频信号；

与所述分配器的一个输出端连接的第一衰减调节器；

与所述分配器的另一个输出端连接的第二衰减调节器；

与所述第一衰减调节器连接的接收天线；以及

基带信号处理器，所述基带信号处理器的一个输入端与所述第二衰减调节器连接，另一个输入端与所述接收天线连接。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一衰减调节器以及第二衰减调节器的位置紧随所述分配器，以使所述射频信号经由分配器后，仅分别传输至所述第一衰减调节器和所述第二衰减调节器。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述基带信号处理器包括:

一ADC子卡，其与所述第二衰减调节器连接；

与所述ADC子卡连接的信号处理载板；

与所述信号处理载板连接的一DAC子卡。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电校准组件还包括微波链路单元，所述微波链路单元的输入端与所述接收天线连接，其输出端与所述基带信号处理器连接。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电校准组件还包括显示控制单元，所述显示控制单元的输入端与所述基带信号处理器连接，其输出端与所述接收天线连接。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述校准设备还包括光校准组件，用于调整目标阵列球面上安装的各个天线单元，以对阵列信号的系统误差进行物理校准。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述光校准组件包括

三轴转台；

通过夹具安装在所述三轴转台上的激光测距仪，用于测量待测天线到三轴转台中心的距离；

安装在所述三轴转台上的图像采集器，用于获取天线的光学图像并转换为电子图像；

与所述图像采集器以及所述三轴转台连接的转台控制器。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述激光测距仪的激光光轴与所述三轴转台内框的轴线重合。

9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述转台控制器包括主控计算单元所述主控计算单元与所述图像采集器连接，使获取电子图像并显示。

10.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述转台控制器还包括转台控制单元，所述转台控制单元与所述三轴转台连接，以调整所述三轴转台的转向定位。

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