微波全息法天线面形测量相关机系统及方法
【专利摘要】本发明提供一种微波全息法天线面形测量相关机系统及方法，该系统包括一双通道相关机和一控制装置，其中，所述双通道相关机包括：两个带通采样单元；两个混频滤波单元，分别通信连接至一所述带通采样单元；两个傅立叶变换单元，分别通信连接至一所述混频滤波单元；一实时相关运算单元，通信连接至两个所述傅立叶变换单元；一积分器，通信连接至所述实时相关运算单元；一寄存器单元，其包括通信连接在所述积分器与所述控制装置之间的数据输出寄存器和参数设置寄存器。本发明避免了不能重复配置导致的动态范围窄、测量精度低、扩展与升级难等问题，同时还避免了基带转换器带来的系统复杂、稳定性和可靠性低等问题。
【专利说明】微波全息法天线面形测量相关机系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及采用微波全息法测量天线面精度的技术，尤其涉及一种微波全息法天线面形测量相关机系统及方法。
【背景技术】
[0002]大口径抛物面天线的表面精度是影响天线性能的重要指标，其直接影响天线的孔径效率，并决定了天线可工作的最短波长，还影响天线方向图的主瓣宽度和旁瓣结构。为了便于加工制造和安装，抛物面天线的主反射面通常由多块单面板拼接而成，由于面板与面板之间的拼接误差会降低天线的表面精度，因此需要一种高精度的测量方法对天线面形进行检测并调整。
[0003]微波全息法是测量大口径抛物面天线表面精度所采用的主要方法之一，自1977年Scott和Ryle采用该方法对剑桥的4面天线阵首次测量以来，该方法得到了极大的发展与广泛的应用，测量精度不断提高，2006年在ALMA (阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波天线阵)的12米毫米波天线上的测量精度达到了 5 μ m，调整后的天线表面精度达到了 20μπι，是当前抛物面天线面形测调案例中的最高测量精度与调整精度。微波全息法是根据天线互易性原理，利用天线的孔径场与远场存在傅立叶变换关系，通过测量远场的振幅和相位来反推天线孔径场的振幅和相位分布，并通过天线孔径场的相位分布，利用光线追迹得到天线表面相对于理想抛物面的偏差信息，同时还可以得到副面位置、天线空径照明、方向性和重力变形等因素引起的各种误差。
[0004]在测量过程中，该方法首先包括在被测天线附近架设一参考天线，并使被测天线和参考天线同时接收一地球同步卫星的信标信号；然后通过一双通道相关机对被测天线和参考天线输出的两路信号进行相关运算来测定被测天线远场的振幅和相位，从而获得被测天线的面形误差。在此，相关机作为微波全息法所采用的最主要的设备之一，其性能不但直接影响微波全息法测量的稳定性与准确性，还对提高测量精度至关重要。
[0005]公布号为CN102778611A的专利申请提供了一种双通道实时相关机，该相关机包括依次通信连接的ADC采样单元、延迟补偿单元、双通道FFT核、通道数据分离单元、数据切割单元、自相关和互相关运算单元、积分单元和寄存器单元。但是，在该申请中并未设置能够与相关机进行数据交互的控制装置，因而不能对相关机的测量参数进行在线重复配置，从而导致相关机的动态范围窄、测量精度低、扩展与升级难等问题。
[0006]此外,根据Nyquist (奈奎斯特)采样定理,对于频带为(O, fmax)的信号,要使其采样后能不失真地还原，采样频率必须大于信号最高频率的两倍。因此,如果按照Nyquist采样定理对上述两个天线输出的信号进行采样，那么采样频率需高达数GHz，这不仅对AD转换器的性能要求较高，而且如此大的数据量对后续信号处理的速度也提出了更高的要求。为了解决这个问题，公布号为CN102778611A的专利申请提出了在AD转换器与天线之间增设基带转换器，从而在AD采样之前先对天线输出的信号进行基带转换的技术方案，但这样一来增加了系统的复杂性，并且使得系统测量相位的稳定性和可靠性受到了一定的影响，另外，两个通道中设置的基带转换器也难以做到完全相同，因而可能影响测量结果的精度。
【发明内容】
[0007]针对上述现有技术的不足，本发明提供一种可以在线重复配置的微波全息法天线面形测量相关机系统及方法，以避免不能重复配置导致的动态范围窄、测量精度低、扩展与升级难等问题，同时还避免基带转换器带来的系统复杂、稳定性和可靠性低等问题。
[0008]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0009]本发明一方面提供一种微波全息法天线面形测量相关机系统，该系统包括一双通道相关机和一控制装置，其中，所述双通道相关机包括:
[0010]两个带通采样单元，分别采样被测天线输出的信号和参考天线输出的信号，并分别对两路所述信号进行AD转换；
[0011]两个混频滤波单元，分别通信连接至一所述带通采样单元，各所述混频滤波单元分别用于对相应所述带通采样单元所转换的信号进行混频和滤波处理；
[0012]两个傅立叶变换单元，分别通信连接至一所述混频滤波单元，各傅立叶变换单元分别用于对相应所述混频滤波单元所处理的信号进行傅立叶变换，以使其转换成频域信号;
[0013]一实时相关运算单元，通信连接至两个所述傅立叶变换单元，其根据两个所述傅立叶变换单元转换成的所述频域信号进行自相关运算和互相关运算，并输出运算结果；
[0014]一积分器，通信连接至所述实时相关运算单元，其对所述实时相关运算单元输出的所述运算结果进行积分，并输出积分结果；
[0015]一寄存器单元，其包括通信连接在所述积分器与所述控制装置之间的数据输出寄存器和参数设置寄存器，其中，所述积分器输出的所述积分结果通过所述数据输出寄存器传输至所述控制装置，所述控制装置通过所述参数设置寄存器配置所述双通道相关机的参数。
[0016]优选地，各所述带通采样单元分别包括依次通信连接在所述被测天线或所述参考天线与相应所述混频滤波单元之间的一带通滤波器、一 AD转换器和一延时器。
[0017]优选地，各所述混频滤波单元分别包括依次通信连接在相应所述带通采样单元与相应所述傅立叶变换单元之间的一混频器、一低通滤波器和一多相滤波器。
[0018]进一步地，所述参数设置寄存器包括分别通信连接在所述积分器与所述控制装置之间的数字增益设置寄存器和积分长度设置寄存器。
[0019]进一步地，所述数据输出寄存器包括分别通信连接在所述积分器与所述控制装置之间的自相关数据输出寄存器和互相关数据输出寄存器。
[0020]进一步地，所述双通道相关机还包括连接至所述AD转换器的时钟信号源。
[0021]优选地，所述控制装置为计算机。
[0022]本发明另一方面提供一种微波全息法天线面形测量方法，该方法包括:
[0023]通过两个带通采样单元采样被测天线输出的信号和参考天线输出的信号，并对采样到的两路所述信号分别进行AD转换；
[0024]通过两个混频滤波单元分别对两路经过AD转换的所述信号进行混频和滤波处理；
[0025]通过两个傅立叶变换单元分别对两路经过混频和滤波处理的信号进行傅立叶变换，以转换成两路频域信号；
[0026]通过一实时相关运算单元根据两路所述频域信号进行自相关运算和互相关运算，并输出运算结果；
[0027]通过一积分器对所述实时相关运算单元输出的所述运算结果进行积分，并输出积分结果；
[0028]通过一寄存器单元将所述积分器输出的所述积分结果传输至一控制装置。
[0029]综上所述，在本发明中，由于双通道相关机的寄存器为能够与控制装置进行数据交互的寄存器，因而该相关机的测量参数可以通过该控制装置进行在线重复配置，从而避免了不能重复配置导致的动态范围窄、测量精度低、扩展与升级难等问题；此外，本发明在天线与AD转换器之间设置了带通滤波器代替现有的基带转换器，因而可根据带通采样定理对天线输出的高频带通信号进行直接采样，从而避免基带转换器引起的系统复杂度高、稳定性差的缺点，使系统更简洁，更稳定、可靠。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为本发明的微波全息法天线面形测量相关机系统的结构框图；
[0031]图2为本发明的微波全息法天线面形测量相关机系统的硬件连接示意图；
[0032]图3为本发明的微波全息法天线面形测量方法的流程图。
【具体实施方式】
[0033]为使进一步深入了解本发明的技术手段与特征，谨配合附图再予举例进一步具体说明于后:
[0034]本发明提供一种可重复配置的微波全息法天线面形测量相关机系统，以实时解算被测天线与参考天线输出的信号之间的相位差。如图1和2所示，该系统包括一双通道相关机I以及一控制装置100 (图中示出为监控计算机100)，且该双通道相关机I的A、B两个通道分别对应于被测天线和(未示出)参考天线(未示出)。
[0035]在如图2所示的实施例中，双通道相关机I的A、B通道分别包括一带通采样单元、一混频滤波单元和一傅立叶变换单元117、127，其中，该带通采样单元包括依次通信连接的带通滤波器111、121、AD转换器112、122和延时器113、123 ;该混频滤波单元包括依次通信连接在延时器113、123与傅立叶变换单元117、127之间的数字的混频器114、124、低通滤波器115、125和多相滤波器116、126，它们的参数均可根据需求进行调整。此外，双通道相关机I还包括通信连接在傅立叶变换单元117、127与控制装置100之间的实时相关运算单元
11、积分器12和寄存器单元13。
[0036]优选地，如图2所示，除带通滤波器111、121和AD转换器112、122以外，双通道相关机I的其它组成部分均基于美国伯克利大学CASPER(卡斯帕)组织设计的R0ACH-FPGA(可重构开放式架构硬件计算平台-现场可编程门阵列)硬件平台实现，并在Matlab/Simulink和Xi I inx/System Generator联合软件平台环境下进行开发，采用图形化编程的方式，高效实现FPGA的设计构建。更加优选地，AD转换器112、122如图2所示集成在一双通道AD转换器中。
[0037]采用本发明的微波全息法天线面形测量相关机系统测量天线面形的方法通过如下步骤S1-S6实现:
[0038]步骤SI，通过两个带通采样单元采样被测天线输出的信号和参考天线输出的信号，并对采样到的两路所述信号分别进行AD转换。具体来说，步骤SI又包括以下步骤S11，S12 和 S13:
[0039]步骤S11，通过A、B通道中的带通滤波器111、121分别采样被测天线输出的信号和参考天线输出的信号，并对通带中的其它频带上的信号进行过滤，以免引起混叠。
[0040]在本步骤中，带通滤波器111、121采用带通采样技术(又称欠采样技术)进行采样，从而可以对天线输出的信号进行直接采样，而无需进行基带转换，其工作原理是这样的:当带通采样技术满足以下条件时可以无失真的恢复信号:
[0041]首先，需要满足式(O,
【权利要求】
1.一种微波全息法天线面形测量相关机系统，其特征在于，该系统包括一双通道相关机和一控制装置，其中，所述双通道相关机包括: 两个带通采样单元，分别采样被测天线输出的信号和参考天线输出的信号，并分别对两路所述信号进行AD转换； 两个混频滤波单元，分别通信连接至一所述带通采样单元，各所述混频滤波单元分别用于对相应所述带通采样单元所转换的信号进行混频和滤波处理； 两个傅立叶变换单元，分别通信连接至一所述混频滤波单元，各傅立叶变换单元分别用于对相应所述混频滤波单元所处理的信号进行傅立叶变换，以使其转换成频域信号； 一实时相关运算单元，通信连接至两个所述傅立叶变换单元，其根据两个所述傅立叶变换单元转换成的所述频域信号进行自相关运算和互相关运算，并输出运算结果； 一积分器，通信连接至所述实时相关运算单元，其对所述实时相关运算单元输出的所述运算结果进行积分，并输出积分结果； 一寄存器单元，其包括通信连接在所述积分器与所述控制装置之间的数据输出寄存器和参数设置寄存器，其中，所述积分器输出的所述积分结果通过所述数据输出寄存器传输至所述控制装置，所述控制装置通过所述参数设置寄存器配置所述双通道相关机的参数。
2.根据权利要求1所述的微波全息法天线面形测量相关机系统，其特征在于，各所述带通采样单元分别包 括依次通信连接在所述被测天线或所述参考天线与相应所述混频滤波单兀之间的一带通滤波器、一 AD转换器和一延时器。
3.根据权利要求1所述的微波全息法天线面形测量相关机系统，其特征在于，各所述混频滤波单元分别包括依次通信连接在相应所述带通采样单元与相应所述傅立叶变换单元之间的一混频器、一低通滤波器和一多相滤波器。
4.根据权利要求1所述的微波全息法天线面形测量相关机系统，其特征在于，所述参数设置寄存器包括分别通信连接在所述积分器与所述控制装置之间的数字增益设置寄存器和积分长度设置寄存器。
5.根据权利要求1所述的微波全息法天线面形测量相关机系统，其特征在于，所述数据输出寄存器包括分别通信连接在所述积分器与所述控制装置之间的自相关数据输出寄存器和互相关数据输出寄存器。
6.根据权利要求1所述的微波全息法天线面形测量相关机系统，其特征在于，所述双通道相关机还包括连接至所述AD转换器的时钟信号源。
7.根据权利要求1所述的微波全息法天线面形测量相关机系统，其特征在于，所述控制装置为计算机。
8.一种微波全息法天线面形测量方法，其特征在于，该方法包括: 步骤SI，通过两个带通采样单元采样被测天线输出的信号和参考天线输出的信号，并对采样到的两路所述信号分别进行AD转换； 步骤S2，通过两个混频滤波单元分别对两路经过AD转换的所述信号进行混频和滤波处理； 步骤S3，通过两个傅立叶变换单元分别对两路经过混频和滤波处理的信号进行傅立叶变换，以转换成两路频域信号； 步骤S4，通过一实时相关运算单元根据两路所述频域信号进行自相关运算和互相关运算，并输出运算结果； 步骤S5，通过一积分器对所述实时相关运算单元输出的所述运算结果进行积分，并输出积分结果； 步骤S6，通过一寄存器单元将所述积分器输出的所述积分结果传输至一控制装置。
【文档编号】G01B15/04GK103900505SQ201410152102
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月15日 优先权日:2014年4月15日
【发明者】裴鑫, 李健, 陈卯蒸, 聂俊 申请人:中国科学院新疆天文台