用于诊断天线阵口径幅相场的畸变位置的方法与流程

本发明涉及天线近场测试技术领域，尤其涉及用于诊断天线阵口径幅相场的畸变位置的方法。

背景技术：

近年来，阵列天线尤其是相控阵天线技术得到了较快的发展，在各种军用和民用无线电系统中得到了广泛的应用。目前，国内阵列天线尤其是相控阵天线的研制任务十分繁重，但由于加工制造等原因，天线在实际设计中有大量不可避免的误差，另外阵列的振动、天线单元间的耦合、有源器件的老化及其温度特性的变化等都会给天线引入不可预见的误差或造成失效单元，这就需要对雷达天线的幅相进行诊断和调试，以确定天线各辐射单元上电流的幅相分布情况。

目前，国内在诊断、调试大型阵列天线时，主要有两种方法：第一种是用探头接近天线阵面，粗略测出阵中失效的单元或奇异变化的区域。此方法不能精确测出天线口面的幅相分布，因为探头与aut之间存在较强的多次反射效应，这种效应会随着探头在扫描面上采样运动而发生变化，从而导致了很大的诊断误差，且此种方法需要不断的人工移动探头和手动记录数据，会耗费大量的人力和时间成本。第二种是利用美国nsi公司的商业软件嵌套的口径反演模块进行口径场幅相的诊断，但国外将口径反演模块作为商业秘密，未公开其原理和源代码，外界无从了解其反演的原理、方式和途径，无法学习、借鉴乃至在其基础上增进和优化；而且，口径反演模块主要使用在雷达上，涉及国防工业，完全使用他国软件存在雷达参数泄密的风险；最后，该口径反演模块作为软件一部分封装出口，价格昂贵，国内无法自主应用。不论从自主研发、自主知识产权、确保雷达测试参数保密的角度，还是从产品二次开发、降低生产成本、缩短制造周期的角度，都需要提出一套适合我国雷达(天线阵)实际需要的、具有完全知识产权的技术方案，也只有在此基础上编写的源代码才具有安全性，杜绝后门。

针对上述问题，国内有大量科研院所进行了有益的研究探索和尝试，目前主要有等效磁流法与平面波谱法。但在实际运用中，我们发明上述方法仍存在使用环境的局限性，具体为：

等效磁流法主要不足之处在于没有进行探头方向图校正，从而使得该方法走向实用受到限制。另外，在该方法中，由于计算机内存的限制在由近场数据确定等效磁流时无法考虑整个平面内等效磁流的贡献，只能考虑待测天线口径面或稍大区域内等效磁流的贡献，加上平面近场测量中有限扫描面的影响，使得利用该方法得到的口径场分布的精度受限。此外，该方法在由近场数据确定等效磁流时需要求解矩阵方程，因此，当待测天线口径面和扫描面均很大，从而导致矩阵元素很多时，计算效率不高，增加了时间成本。

而现有的平面波谱法则只在水平方向图和垂直方向均为奇数个点时，才可以使用。而在实际天线测试中，由于频率、采样面及探头到天线距离等因素，采样点数可能是偶数个也可能是奇数个，这就导致国内传统的方法在使用上受到很大的限制。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述技术缺陷，本发明提供一种用于诊断天线阵口径幅相场的畸变位置的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

用于诊断天线阵口径幅相场的畸变位置的方法，所述天线阵包含4个以上的辐射单元，所述辐射单元分别产生并发射激励电流，由所述激励电流共同构成口径幅相场；该方法包括如下步骤：

初始步骤：

获取所述天线阵的平面近场测试数据；

校正步骤：

对所述平面近场测试数据进行探头方向图校正的近场-平面波谱变换，得到进行探头校正后的k空间的平面波谱分量，获得校正后的k空间的平面波谱方向图；

反演步骤：

对所述校正后的k空间的平面波谱方向图进行平面波谱-口径场逆变换，获得反演后的口径幅相场分布图；

比对步骤：

测量所述天线阵的每个辐射单元的实际物理位置，将每个辐射单元的实际物理位置与所述反演后的口径幅相场分布图中的位置进行比对，从而得出天线阵各辐射单元的幅相分布，进而判断出发生畸变的位置以及所对应的辐射单元。

本发明相对于现有技术的有益效果在于：

(1)本发明是通过测量天线近区场的分布，逆推出天线口径场的分布或天线各辐射单元的激励电流，从而判断出口径场或激励电流发生畸变的位置以及所对应的辐射单元，达到对天线进行“诊断”的目的，同时以此为根据对天线各通道进行校正，使口径面幅相分布符合设计要求，从而使天线性能达到预定指标要求。

(2)本发明可以准确定位天线失效单元位置，及时排查故障，节约大量测试时间，并且通过反演补偿的方式提高方向图质量。另外，本发明利用快速傅立叶变换(fft)作高效计算，因而具有较强的工程实用性。

(3)本发明彻底克服了我国在诊断、调试大型阵列天线时，主要靠人工用探头接近天线阵面，粗略测出阵中失效的单元或奇异变化的区域的方法。克服采用该方法不能精确测出天线口面的幅相分布的问题，大幅降低诊断误差。

(4)本发明首次提出采用电脑反演的方式进行诊断天线阵口径幅相场的畸变位置的方法，打破国外对我国高精密技术的商业垄断。采用本技术方案仿真度高、避免人为引入的误差、反演效率高、使用范围广，基于本发明方法的软件，具有完全的知识产权，不存在后门的风险。

(5)基于本发明方法的软件，可独立在电脑上运行，降低了采购成本，且具有再开发、再改进的升级优势。

(6)本发明实现了平面近场测试中天线阵面幅相的反演和诊断，实现了国内在近场诊断方面的知识产权自主化，发明可以作为独立模块嵌套于近场测试系统中，为我国近场测试系统的搭建打下了坚实的基础。

(7)本发明实现了平面近场测试中天线阵面幅相的反演和诊断，实现了国内在近场诊断方面的知识产权自主化，发明可以作为独立模块嵌套于近场测试系统中，为我国近场测试系统的搭建打下了坚实的基础。

(8)本发明方法克服了等效磁流法、现有的平面波谱法的不足，考虑了探头方向图的影响，在计算过程中使用快速fft变换，且对任何类型的采样点数适用，因此具有精度高、计算速度快以及通用性等优点。换言之，通过本发明能够同时解决阵列天线口径场幅相诊断精度不高、计算速度慢及算法适用性差等问题。

附图说明

图1为本发明用于诊断天线阵口径幅相场的畸变位置的方法的总流程图。

图2为探头为水平线极化时，探头坐标系与天线坐标系的对应关系图。

图3为矢量在空间坐标系的示意图。

图4位探头为垂直线极化时，探头坐标系与天线坐标系的对应关系图。

图5为矢量在空间坐标系的示意图。

图6为采用本发明的实施例1的三维立体幅度方向图。

图7为采用本发明的实施例1的口径场水平幅度分布曲线。

图8为采用本发明的实施例1的口径场水平相位分布曲线。

图9为采用本发明的实施例1的定位到每个单元幅度分布曲线。

图10为采用本发明的实施例2的三维立体幅度方向图。

图11为采用本发明的实施例2口径场水平幅度分布曲线。

图12为采用本发明的实施例2口径场水平相位分布曲线。

图13采用本发明的实施例2为定位到每个单元幅度分布曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，用于诊断天线阵口径幅相场的畸变位置的方法，所述天线阵包含4个以上的辐射单元，所述辐射单元分别产生并发射激励电流，由所述激励电流共同构成口径幅相场；其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤s1，初始步骤：

获取所述天线阵的平面近场测试数据.

步骤s2，校正步骤：

对所述平面近场测试数据进行探头方向图校正的近场-平面波谱变换，得到进行探头校正后的k空间的平面波谱分量，获得校正后的k空间的平面波谱方向图。

具体的，所述校正步骤具体包括：

设探头主电场极化沿x方向取向、在z＝d平面上扫描，获得探头为水平极化时采得的近场数据与天线波谱之间关系的函数：

其中，参数的含义分别为k为波数；bx为探头为水平极化时在z＝d平面上测得的信号；f[bx]是bx的二维fourier反变换；为天线的平面波谱，且有为探头为水平极化时的平面波谱，有

将上述函数进行归一化处理，转换为a11ax+a12ay＝ix，该式即为关于平面波谱分量的一个方程式；

设探头主电场极化沿y方向取向、在z＝d平面上扫描，获得探头为垂直极化时采得的近场数据与天线波谱之间关系的函数：

其中，参数的含义分别为by为探头为垂直极化时在z＝d平面上测得的信号；f[by]是by的二维fourier反变换；为探头为垂直极化时的平面波谱，有将上述函数进行归一化处理，转换为a21ax+a22ay＝iy，该式即为关于平面波谱分量的另一个方程式；

联立平面波谱分量的2个方程式，得到的方程组如下：

由上式即可解得ax和ay，进而求得az，从而得到进行探头方向图校正后的平面波谱的切向分量进一步得到的值。

换言之，在步骤s1中，探头主电场仅在一个方向下扫描，是得不到平面波谱分量，只有两种情况联合起来构成一个二维方程组，才能得到平面波谱。

进一步说，所述校正步骤进一步包括：

参见图2，设探头主电场极化沿x方向取向、在z＝d平面上扫描时测得的信号为bx(x,y,d)，则由平面近场天线测量的耦合公式可得

式中，k为波数；kz为k在z方向的分量；为k方向的矢量；为天线的平面波谱；为探头为水平极化时的平面波谱；f[bx(x,y,d)]是bx(x,y,d)的二维fourier反变换，即有：

式中，π＝3.14159；kx和ky分别为k的x和y分量；

探头坐标系与天线坐标系的关系为：

参见图3，矢量在空间坐标系的关系为：

这里，为的单位矢；

而

则由式303、式304与式305可得，

由上式可得：

即有：

则(式301)式中的可化为如下形式：

式中，a′θ′为在方向的分量，为在方向的分量；将式309代入式301，并根据式303，可得

因为测试时，天线位于无源区，则有：又因为电场与波谱的关系式为：

式中，a0表示入射波的复振幅；

将式312代入式311可得

即

即

则可得到

将代入式310，则有：

由式309可得a′x′，a′y′，a′z′与a′θ′，的关系为：

a′z′＝-a′θ′sinθ′(式320)

因为探头的远场方向图可由下式逼近：

而且我们知道，归一化远场方向图函数与平面波谱之间的关系为：

所以：

上面两式中，为远场方向图在θ′的分量；为远场方向图在的分量，fe(θ′)和fh(θ′)分别为探头的e面和h面归一化远场方向图函数；则有

将以上两式代入式318、式319、式320，则有

令

则式317可化为如下形式：

a11ax+a12ay＝ix(式333)

上式即为关于平面波谱分量的一个方程式，方程式有两个未知量ax和ay，需要探头旋转一次进行测量再建立一个方程式联立求解即可得到ax与ay。

进一步说，所述校正步骤进一步包括：

设探头主电场极化沿y方向取向、在z＝d平面上扫描时测得的信号为by(x,y,d)，则由平面近场天线测量的耦合公式可得：

式中，为探头为垂直极化时的平面波谱；是by(x,y,d)的二维fourier反变换，即有

参见图4，在该情况，即式401所对应的情况下，探头坐标系与天线坐标系的关系为：

参见图5，矢量在空间坐标系下：

则

而在当前坐标系下，

则由式403、式404与式405可得，

由上式可得

即有

则式401中的可化为如下形式：

式中，a″θ″为在方向的分量，为在方向的分量；将式409代入式401，并根据式403，可得

将代入上式，则有：

由式409可得a″x″，a″y″，a″z″与a″θ″，的关系为

a″z″＝-a″θ″sinθ″(式414)

又因为探头的远场方向图可由下式逼近：

而且我们知道，归一化远场方向图函数与平面波谱之间的关系为：

所以

上面两式中，为远场方向图在θ″的分量；为远场方向图在的分量，fe(θ″)和fh(θ″)分别为探头的e面和h面归一化远场方向图函数；所以有

将以上两式代入式412、式413、414，则有

令

则式411可化为如下形式：a21ax+a22ay＝iy(式427)。

联立式333与式427，得到的方程组如下：

由上式即可解得ax和ay，进而求得az，从而得到进行探头方向图校正后的平面波谱的切向分量进一步得到的值。

步骤s3，反演步骤：

对所述校正后的k空间的平面波谱方向图进行平面波谱-口径场逆变换，获得反演后的口径幅相场分布图。

具体的，所述反演步骤具体包括：

得到进行探头方向图校正后的平面波谱的切向分量后计算平面近场的切向分量，并抽取出其在阵列天线口径面上各单元位置处的值，具体实现方式为：

由天线产生场的平面波展开式，可得z＝h平面上电场的切向分量为

将参数经过傅立叶变换，转换成电场的切向分量进一步说，将参数经过傅立叶变换转换成的具体步骤为：

式中，δx为x方向采样间距，δy为y方向采样间距，n为x方向采样点数，m为y方向采样点数，

故z＝h平面上各均匀栅格点处电场的切向分量为

式中，p和q为整数，为各采样点对应的数字；

若取h＝0，则即可得到阵列天线口径面上的切向电场，即得到反演后的口径幅相场分布

步骤s4，比对步骤。

测量所述天线阵的每个辐射单元的实际物理位置，将每个辐射单元的实际物理位置与所述反演后的口径幅相场分布图中的位置进行比对，从而得出天线阵各辐射单元的幅相分布，进而判断出发生畸变的位置以及所对应的辐射单元。

反演后得到的是2组关于位置和幅度相位值的三维数据，其中一组是幅度值，另一组是相位值，通过插值法，在上述三维数据中插入辐射单元的位置即可得到每个辐射单元的幅度相位值。

具体的，比对步骤具体包括：

测量天线阵的每个辐射单元的实际物理位置，对所述反演步骤中得到的进行插值，即可得出天线阵各辐射单元的幅相分布，进而判断出发生畸变的位置以及所对应的辐射单元。

实施例1

为了本发明提供的诊断方法对阵面失效单元诊断的准确性，在暗室对某l波段垂直线极化天线进行试验。所测试阵面水平单元数为42，水平单元间距为0.138m，垂直方向单元数为1，试验频率为990mhz。在第36和第40单元位置处同时引入失效单元，进行测试并利用程序算法进行反演诊断，得到的结果与分析如下：

图6是三维立体幅度方向图，图7和图8分别是口径场水平幅度分布曲线图和口径场水平相位分布曲线图。图9是定位到每个单元幅度分布曲线图。

从图7和图8可以看出，引入失效单元后，相应的幅相分布发生了变化，在相应位置幅度值明显下降。而从定位曲线图9中可以准确诊断出失效单元的位置为第36与第40个单元，从而证明了算法对失效单元诊断的正确性。

实施例2

对某s波段阵列天线进行失效单元诊断试验，试验频率为3140mhz，水平单元数为128，单元间距为0.046m。直接在第5与第100个单元位置处引入失效单元，进行近场有源状态测试。利用本发明对测试结果进行反演诊断结果与分析如下：

图10、图11和图12分别是口径场幅度分布图、口径场水平幅度分布曲线图、口径场水平相位分布曲线图。图13是定位到每个单元幅度分布曲线图。

图10至图12反应了引入失效单元后的口径场分布，可以基本确定失效单元的位置。图13中的定位曲线则准确的诊断出失效单元的位置为第5与第100个单元，从而进一步证明了本发明的算法对失效单元诊断的准确性。

相对与现有技术，本发明与现有技术相比，有益效果如表1所示：

表1本发明相对于现有技术的有益效果

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。