一种阵列天线的诊断方法、设备、系统以及计算机可读存储介质与流程

本发明涉及天线技术领域，具体而言，涉及一种阵列天线的诊断方法、设备、系统以及计算机可读存储介质。

背景技术：

天线在通信、广播、电视、雷达和导航等无线电系统中被广泛的应用，起到了传播无线电波的作用，是有效地辐射和接受无线电波必不可少的装置。阵列天线是一类由不少于两个天线阵元规则或随机排列并通过适当激励获得预定辐射特性的天线。近年来，阵列天线作为民用和军用天线技术的一个重要发展方向备受关注。

阵列天线由多个天线阵元组成，每个阵元馈以一定幅度和相位的信号以形成特定的波束并实现波束扫描，各阵元的信号叠加形成阵列天线的信号。一般情况下，通过控制连接阵元的衰减器对阵元的信号幅度进行调节并形成所需要的波束，通过改变连接阵元的移相器的相位对阵元信号的相位进行控制以实现波束扫描。

阵列天线在实际制造过程中，由于加工精度等造成的结构不对称，以及器件本身的不一致性，另外天线本身的波动、天线阵元之间的互耦等使得部分天线阵元的幅度和相位可能与预期值不同，甚至部分阵元失效，阵元的幅相偏差或失效会造成阵列天线口径场的变化，进而造成阵列的输出与理想情况存在偏差，影响天线的性能和使用。因此需要对阵列天线进行诊断以判断其指标是否达到设计预期。

传统的天线测试方法主要是远场测试和近场测试两类，这些方法以进行阵列天线整体特性测试为主，无法将故障定位到辐射阵元。现在常用的中场单通道测试通过控制阵列天线依次开关各个辐射阵元，在阵面的中场区，即相对于辐射阵元的远场区利用宽瓣测试天线进行测试，通过接收功率下降幅度判断阵元是否故障。这种方法虽然可将故障进行定位，但每次只能测试一个阵元。

一种更高效的、能够将故障定位至阵元的阵列天线的诊断方法亟待提出。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种阵列天线的诊断方法，通过较少的测量，能够快速高效地对阵列天线的进行诊断。

为实现上述目的，本发明一方面提出了一种阵列天线的诊断方法，其特征在于，所述阵列天线包括n个阵元，所述诊断方法包括如下步骤：

s1.获得所述阵列天线的阵元方向图以及阵元方向图中心的位置；

s2.馈入端口激励i；

s3.获得m个第一测量点的位置以及阵列天线在m个第一测量点处的电/磁场的第一测量数据e，所述第一测量数据e包含幅度和相位信息，m≥n/3；

s4.根据所述阵元方向图、阵元方向图中心的位置、第一测量点的位置以及第一测量数据e获得口径场激励i′；

s5.计算所述口径场激励i′与参考口径场激励i′r的差值，对于单个阵元而言，如果差值大于预设阈值，则该阵元判定为故障阵元，如果差值小于预设阈值，则该阵元判定为正常阵元。

作为本发明的进一步限定，所述阵元方向图由阵元的孤立方向图经过修正获得。

作为本发明的进一步限定，所述修正的实施方式为：基于预设修正矩阵通过计算进行修正，或者基于阵列天线的物理参数或/和机械模型或/和仿真模型通过仿真进行修正，所述阵列天线的物理参数包括天线形式和阵列结构。

作为本发明的进一步限定，所述步骤s4中阵元方向图、阵元方向图中心的位置、第一测量点的位置、第一测量数据e以及口径场激励i′满足关系式：e＝yi′，其中e是所述m个第一测量点测得的电/磁场，为m×1的矩阵，y是阵元到第一测量点的幅相变换矩阵，y根据阵元方向图、阵元方向图中心的位置以及第一测量点的位置获得。

作为本发明的进一步限定，以任意参考点为原点建立球坐标系，第n个阵元的阵元方向图中心的位置的坐标为(rn,θn,φn)，n＝1,2,…,n，第n个阵元的阵元方向图表示为fn(θ,φ)，第m个第一测量点位置的坐标为(r′m,θ′m,φ′m)，m＝1,2,…,m，所述阵元到测量点的幅相变换矩阵y为

是第n个阵元在第m个第一测量点的位置的幅相变换因子，其中(θ′mn,φ′mn)是第m个第一测量点的位置相对于第n个阵元的阵元方向图中心的位置所在的角度，fn(θ′mn,φ′mn)是第n个阵元在(θ′mn,φ′m)角度的阵元方向图信息，包含幅度和相位信息，是对第n个阵元的阵元方向图在第m个第一测量点的位置进行的相位修正，是第m个第一测量点的位置指向第n个阵元的阵元方向图中心的位置的矢量的模长，k是电磁波传播常数。

作为本发明的进一步限定，所述阵列天线各阵元的阵元方向图相同，f1(θ,φ)＝f2(θ,φ)＝…＝fn(θ,φ)＝f(θ,φ)，所述阵元到测量点的幅相变换矩阵y为

作为本发明的进一步限定，所述测量点位于阵元的辐射远场。

作为本发明的进一步限定，当m＞n/3时，通过最小二乘法计算得到所述口径场激励i′。

作为本发明的进一步限定，所述参考口径场激励i′r根据如下任一所述的方法获得：

a.预先挑选辐射性能合格的阵列天线标记为金机，获得所述金机的阵元方向图以及阵元方向图中心的位置，馈入端口激励i，获得m′个第二测量点的位置以及金机在m′个第二测量点处的电/磁场的第二测量数据e′，所述第二测量数据e′包含幅度和相位信息，m′≥n/3，根据所述金机的阵元方向图、阵元方向图中心的位置、第二测量点的位置以及第二测量数据e′获得参考口径场激励i′r；或者，

b.预先挑选辐射性能合格且方向图已知的阵列天线标记为金机，获得所述金机的阵元方向图以及阵元方向图中心的位置，根据所述金机的阵元方向图、阵元方向图中心的位置以及金机方向图fm获得所述参考口径场激励i′r；或者，

c.根据所述阵列天线的设计阵元方向图、设计阵元方向图中心的位置以及阵列天线的设计方向图fd获得参考口径场激励i′r。

作为本发明的进一步限定，所述方法a中，金机的阵元方向图、阵元方向图中心的位置、第二测量点的位置、第二测量数据e′以及参考口径场激励i′r满足关系式：e′＝y′i′r，其中y′的意义与所述y类似，此处不再赘述；

所述方法b中，金机的阵元方向图、阵元方向图中心的位置、金机方向图fm以及参考口径场激励i′r满足关系式：fm＝(i′r)^txm，其中()^t表示转置，xm是阵元到金机方向图fm参考面的幅相变换矩阵，xm根据阵元方向图、阵元方向图中心的位置以及金机方向图fm参考面获得；

所述方法c中，设计阵元方向图、设计阵元方向图中心的位置、阵列天线的设计方向图fd以及参考口径场激励i′r满足关系式：fd＝(i′r)^txd，其中()^t表示转置，xd的意义与xm类似，此处不再赘述。

作为本发明的进一步限定，所述阵元到金机方向图fm参考面的幅相变换矩阵xm为

是第n个阵元在金机方向图fm参考面的幅相变换因子，其中，(θn,φn)是金机方向图fm参考面上的点相对第n个阵元的阵元方向图中心的位置所在的角度，fn(θn,φn)是第n个阵元在(θn,φn)角度的阵元方向图信息，包含幅度和相位信息，是对第n个阵元的阵元方向图在金机方向图fm参考面所在位置进行的相位修正，是金机方向图fm参考面所在位置指向第n个阵元的阵元方向图中心的位置的矢量的模长，k是电磁波传播常数；

xd的意义与xm类似，此处不再赘述。

本发明另一方面提出了一种阵列天线的诊断设备，其特征在于，所述诊断设备包括：

阵元方向图获取模块，用于获取所述阵列天线的阵元方向图以及阵元方向图中心的位置；

馈电模块，用于向所述阵列天线馈入端口激励；

信号收发模块，与所述测量天线连接，用于获得m个测量点的位置、通过测量天线在m个测量点处向所述阵列天线发射测量信号并获得所述阵列天线电/磁场的测量数据，所述测量数据包含幅度和相位信息，m≥n/3，n为所述阵列天线的阵元数；

口径场激励获取模块，用于根据所述阵元方向图、阵元方向图中心的位置、测量点的位置以及测量数据获得口径场激励i′；

故障判定模块，用于获取口径场激励i′与预设的参考口径场激励i′r的差值并进行故障判定，对于单个阵元而言，如果差值大于预设阈值，则该阵元判定为故障阵元，如果差值小于预设阈值，则该阵元判定为正常阵元。

作为本发明的进一步限定，所述阵元方向图获取模块包括测量单元，用于测量获得所述阵列天线的阵元方向图。

作为本发明的进一步限定，所述阵元方向图获取模块包括：

阵元孤立方向图获取单元，用于获取阵列天线的阵元的孤立方向图；

修正单元，用于将阵元的孤立方向图基于预设修正矩阵通过计算获得所述阵列天线的阵元方向图，或者将阵元的孤立方向图基于物理参数或/和机械模型或/和仿真模型通过仿真获得所述阵列天线的阵元方向图，所述物理参数包括天线形式和阵列结构。

本发明另一方面提出了一种阵列天线的诊断设备，其特征在于，所述诊断设备包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现前述方法的步骤。

本发明另一方面提出了一种阵列天线的诊断系统，包括电波暗室以及测量天线，其特征在于，在所述诊断系统中集成前述诊断设备。

本发明另一方面提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现前述方法的步骤。

本发明通过较少的电/磁场测量数据，结合测量点的位置信息、阵列天线的阵元方向图及阵元方向图中心的位置信息等阵列天线的先验知识，反演获得口径场激励i′，再根据每个阵元的口径场激励i′与参考口径场激励i′r的差值对阵列天线进行诊断。与现有的方法相比，本发明的方法测量数据少，测量效率高，易于工程实现，能够高效地对阵列天线进行诊断，并且将故障定位至单个阵元，对研发和产线上的阵列天线诊断有着重要的意义。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明第一实施方式的阵列天线的诊断方法的流程图。

图2为本发明第二实施方式的阵列天线的诊断设备的框图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

由n个阵元构成的阵列天线，其阵列天线的方向图可认为是在口径场激励下，所有阵元的方向图的矢量迭加。本发明通过阵列天线的电/磁场的测量数据、测量点的位置信息、阵列天线的阵元方向图以及阵元方向图中心的位置，反演得到口径场激励，再根据参考口径场激励，对阵列天线进行诊断。图1示意了本发明第一实施方式的阵列天线的诊断方法流程，所述方法包括如下步骤：

s1.获得阵列天线的阵元方向图以及阵元方向图中心的位置。其中阵元方向图由阵元的孤立方向图经过修正获得。具体而言，所述“修正”的实施方式为：基于预设修正矩阵通过计算进行修正，或者基于阵列天线的物理参数(包括天线形式和阵列结构)或/和机械模型或/和仿真模型通过仿真进行修正。

s2.馈入端口激励i。端口激励i是已知的，定义端口激励i如下：

其中，是第n个阵元馈入的端口激励，in是第n个阵元馈入的端口激励的幅度，j是虚数单位，是第n个阵元馈入的端口激励的相位，n＝1,2,…,n。

s3.在m个第一测量点处通过测量天线对阵列天线进行辐射测量，获得m个第一测量点的位置以及m个第一测量点处的电/磁场的第一测量数据e，所述第一测量数据e包含幅度和相位信息，m≥n/3。这里可采用多种测量方式，如常见的球面扫描、平面扫描、柱面扫描等，或其他测量方式；第一测量点位于阵元的辐射远场。

s4.根据所述阵元方向图、阵元方向图中心的位置、测量点的位置以及测量数据e获得口径场激励i′。定义口径场激励i′如下：

其中，是第n个阵元的口径场激励，i′n是第n个阵元的口径场激励的幅度，是第n个阵元的口径场激励的相位；

本步骤中阵元方向图、阵元方向图中心的位置、第一测量点的位置、第一测量数据e以及口径场激励i′满足关系式：e＝yi′，其中e是所述m个第一测量点测得的电/磁场，为m×1的矩阵，y是阵元到第一测量点的幅相变换矩阵，y根据阵元方向图、阵元方向图中心的位置以及第一测量点的位置获得；

s5.计算口径场激励i′与参考口径场激励i′r的差值，对于单个阵元而言，如果差值大于预设阈值，则该阵元判定为故障阵元，如果差值小于预设阈值，则该阵元判定为正常阵元。

需要说明的是，上述步骤s1～s5的实施顺序并非不可改变的。例如，还可按照s2→s3→s1→s4→s5的顺序实施。

下面具体阐述本实施方式中阵元到测量点的幅相变换矩阵y的计算方法。

以任意参考点为原点建立球坐标系，第n个阵元的阵元方向图中心的位置的坐标为(rn,θn,φn)，n＝1,2,…,n，第n个阵元的阵元方向图表示为fn(θ,φ)，第m个第一测量点位置的坐标为(r′m,θ′m,φ′m)，m＝1,2,…,m，阵元到第一测量点的幅相变换矩阵y为：

是第n个阵元在第m个第一测量点的位置的幅相变换因子，其中(θ′mn,φ′mn)是第m个第一测量点的位置相对于第n个阵元的阵元方向图中心的位置所在的角度，fn(θ′mn,φ′mn)是第n个阵元在(θ′mn,φ′m)角度的阵元方向图信息，包含幅度和相位信息，是对第n个阵元的阵元方向图在第m个第一测量点的位置进行的相位修正，是第m个第一测量点的位置指向第n个阵元的阵元方向图中心的位置的矢量的模长，k是电磁波传播常数。

那么

通过下式求得i′：i′＝(y^*y)^-1y^*e，其中()^*表示共轭转置；

计算口径场激励i′与参考口径场激励i′r的差值，如果差值大于预设阈值，则该阵元判定为故障阵元，反之为正常阵元。

如果阵列天线各阵元的阵元方向图相同，即f1(θ,φ)＝f2(θ,φ)＝…＝fn(θ,φ)＝f(θ,φ)，那么阵元到第一测量点的幅相变换矩阵y为：

那么

通过下式求得i′：i′＝(y^*y)^-1y^*e，其中()^*表示共轭转置；

计算口径场激励i′与参考口径场激励i′r的差值，如果差值大于预设阈值，则该阵元判定为故障阵元，反之为正常阵元。

以下对参考口径场激励i′r的三种获取方式作出说明：

a.预先挑选辐射性能合格的阵列天线标记为金机，获得所述金机的阵元方向图以及阵元方向图中心的位置，馈入端口激励i，获得m′个第二测量点的位置以及金机在m′个第二测量点处的电/磁场的第二测量数据e′，所述第二测量数据e′包含幅度和相位信息，m′≥n/3，根据所述金机的阵元方向图、阵元方向图中心的位置、第二测量点的位置以及第二测量数据e′获得参考口径场激励i′r；其中，金机的阵元方向图、阵元方向图中心的位置、第二测量点的位置、第二测量数据e′以及参考口径场激励i′r满足关系式：e′＝y′i′r，其中y′的意义与前述y类似，此处不再赘述。

b.预先挑选辐射性能合格且方向图已知的阵列天线标记为金机，获得所述金机的阵元方向图以及阵元方向图中心的位置，根据所述金机的阵元方向图、阵元方向图中心的位置以及金机方向图fm获得所述参考口径场激励i′r；其中，金机的阵元方向图、阵元方向图中心的位置、金机方向图fm以及参考口径场激励i′r满足关系式：fm＝(i′r)^txm，其中()^t表示转置，xm是阵元到金机方向图fm参考面的幅相变换矩阵，xm根据阵元方向图、阵元方向图中心的位置以及金机方向图fm参考面获得，

是第n个阵元在金机方向图fm参考面的幅相变换因子，其中，(θn,φn)是金机方向图fm参考面上的点相对第n个阵元的阵元方向图中心的位置所在的角度，fn(θn,φn)是第n个阵元在(θn,φn)角度的阵元方向图信息，包含幅度和相位信息，是对第n个阵元的阵元方向图在金机方向图fm参考面所在位置进行的相位修正，是金机方向图fm参考面所在位置指向第n个阵元的阵元方向图中心的位置的矢量的模长，k是电磁波传播常数。

c.根据所述阵列天线的设计阵元方向图、设计阵元方向图中心的位置以及阵列天线的设计方向图fd获得参考口径场激励i′r；其中设计阵元方向图、设计阵元方向图中心的位置、阵列天线的设计方向图fd以及参考口径场激励i′r满足关系式：fd＝(i′r)^txd，其中()^t表示转置，xd的意义与xm类似，此处不再赘述。

在此，本实施方式中有3点需要说明：

(1)本发明中所述阵元方向图由阵元的孤立方向图经过修正获得。特别地，当阵列天线为低耦合阵列时，阵元之间的互耦效应较弱，阵元互耦强度对计算精度的影响被认为是可以接受的，此时可以直接采用阵元的孤立方向图进行计算。

(2)当m＝n/3时，在计算口径场激励i′时，方程数等于待求解的未知变量数，可以通过求解线性方程组得到口径场激励i′；当m＞n/3时，在计算口径场激励i′时，方程数大于待求解的未知变量数，可以通过最小二乘法计算得到口径场激励i′。当m′＝n/3及m′≥n/3时，情况类似，不再赘述。

(3)本实施方式中所采用的球坐标系只是为了本发明的描述方便，本领域普通技术人员应当理解，也可采用其他坐标系进行描述，例如可按照公知的标准球坐标-直角坐标变换规则转换为直角坐标系进行描述，不影响本发明的实质内容，也应落入本发明的保护范围。

参照图2，本发明的第二实施方式为阵列天线的校准设备200，本实施方式中，校准设备200包括存储器201和处理器202，存储器201连接到处理器202，以便存储操作系统、应用、计算机程序代码、数据等，特别说明的是，存储器201存储有可在处理器202上运行的计算机程序，处理器202执行所述计算机程序时实现如前述第一实施方式所述方法的步骤，并且处理器202与以下模块相连：

阵元方向图获取模块203，用于获取所述阵列天线的阵元方向图以及阵元方向图中心的位置；本模块包括测量单元，用于测量获得所述阵列天线的阵元方向图；本模块还可以包括阵元孤立方向图获取单元，用于获取阵列天线的阵元的孤立方向图，以及修正单元，用于将阵元的孤立方向图基于预设修正矩阵通过计算获得所述阵列天线的阵元方向图，或者将阵元的孤立方向图基于物理参数(包括天线形式和阵列结构)或/和机械模型或/和仿真模型通过仿真获得所述阵列天线的阵元方向图。

馈电模块204，用于向所述阵列天线馈入端口激励；

信号收发模块205，与所述测量天线连接，用于获得m个测量点的位置、通过测量天线在m个测量点处向所述阵列天线发射测量信号并获得所述阵列天线电/磁场的测量数据，所述测量数据包含幅度和相位信息，m≥n/3，n为所述阵列天线的阵元数；

口径场激励获取模块206，用于根据所述阵元方向图、阵元方向图中心的位置、测量点的位置以及测量数据获得口径场激励i′；

故障判定模块207，用于获取口径场激励i′与预设的参考口径场激励i′r的差值并进行故障判定，对于单个阵元而言，如果差值大于预设阈值，则该阵元判定为故障阵元，如果差值小于预设阈值，则该阵元判定为正常阵元。

需要说明的是，校准设备200是为了方便描述而示出的，校准设备200还可以包括其他必需的模块。此外，还可以将校准设备200中的至少部分模块进行合并或细分。

本发明的第三实施方式为阵列天线的校准系统，包括电波暗室以及测量天线，在所述测量系统中集成了如第二实施方式中所述的校准设备。

本发明的第四实施方式为一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述第一实施方式所述方法的步骤。

需要说明的是，可通过多种方式来实现本发明的实施方式，例如，硬件、固件、软件或其组合。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。