一种基于可转动辅助天线的大型天线方向图测量方法

文档序号:8255689阅读:351来源:国知局
一种基于可转动辅助天线的大型天线方向图测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及天线方向图的测量方法,特指一种基于可转动辅助天线的大型天线方 向图测量方法。
【背景技术】
[0002] 无线电相关领域近几年迅速发展,如雷达、通信、天文观测领域等,天线在无线电 相关领域有着至关重要的地位,是该些领域的重要基础设备,因此对天线各类参数测量问 题备受关注。其中尤为关键的是对天线方向图测量,其表征天线福射能量在空间的分布。通 过测量天线方向图可W确定天线的方向系数、增益、半功率波束宽度和副瓣电平等重要天 线参数。然而,对一些大型且无法机动的天线而言,定期进行调试、维护、检测和标校是极为 困难,尤其是对安装固定后无法在微波暗室测量的大型天线。因此,亟需一种针对无法转动 的大型天线方向图测量方法。通常,针对该种无法转动的大型天线方向图的常见测量方法 可分为两种:
[0003] 基于能量法测量天线方向图的方法;常规远场法,射电源法与卫星法。
[0004] 基于信号形式测量天线方向图的方法:发明专利一有源天线方向图测试系统和 方法,申请号;201280002997. 3,提供了一种有源天线方向图测试系统和方法,利用数模转 换器及模数转换器,将基准信号与测试信号进行相关运算,提取基准信号的幅度相位变化 量,进而测量获得天线方向图。发明专利一采用全息法测量天线面精度的方法,【申请号】 201110130024. 5,,主要是利用待测天线和辅助天线,计算信号源信号和参考信号各自在两 天线间的互相关相位差,并将信号源信号与参考信号的互相关相位差进行差分,并进行二 维傅里叶变化获得天线面精度分布,进而获得天线方向图。
[0005] 现有对无法转动的大型天线测量方法,其测量效果易受测量环境,测量器材性能 等因素的影响。基于能量法测量天线方向图等方法测试成本较高,且对测试场地要求苛刻, 测试仪器的性能也是制约该方法精度的主要原因。对于射电源法和卫星源法该两种测量方 法,由于所选信源能量有限,因而限制了天线方向图测量范围,并且测量结果易受信道变化 的影响。基于信号形式测量天线方向图等方法,发明专利一有源天线方向图测试系统和 方法,申请号;201280002997. 3,其利用了信号的相关性但存在测量成本高、测量过程繁琐 等不足。发明专利一采用全息法测量天线面精度的方法,申请号;201110130024. 5,其利 用信号的互相关相位差,其测量繁琐、测量效率低、易受信道变化影响等不足。

【发明内容】

[0006] 针对W上测量天线方向图方法的不足,本发明提供一种针对转动困难甚至无法转 动的大型天线,如大型射电望远镜FAST、Arecib等,仍能测量天线方向图的方法。本发明 选定运动信源为观测源,并借助可转动辅助天线,设计了合理接收形式,测量待测天线方向 图。利用观测源信号在待测天线和辅助天线观测数据中的相关性,获得高精度、宽角度范围 的天线方向图。尽可能的方便测量、节约成本、提高测量精度和拓宽测量范围。本发明对无 法转动的大型天线方向图进行测量,不仅省去了大量的测量工作,提高测量效率,还具有一 定的抗信道变化能力,保证了天线方向图的测量精度。与现有技术相比,本发明具有受信道 变化影响小,测试条件易于满足,且测试过程简易、工作量小等优势。
[0007] 本发明针对无法转动的待测天线,设计了测量天线方向图如图1所示的接收形 式。测量需满足;观测源与待测天线相对运动,观测源运动轨迹掠过待测天线方向图主瓣中 也;观测源与辅助天线相对静止,辅助天线指向始终跟踪观测源转动;观测源信号具有良 好的相关性。
[000引本发明基本原理是电磁波自由空间传播理论。观测源信号通常为平稳过程,例如, 导航卫星信号是基于码分多址的扩频通信信号,机载信源等,待测天线接收信号的功率表 达式为:
[0009]
【主权项】
1. 一种基于可转动辅助天线的大型天线方向图测量方法,其特征在于步骤如下: (1)针对无法转动的待测天线设计测量天线方向图的接收形式,其测量需满足:观测 源与待测天线相对运动,观测源运动轨迹掠过待测天线方向图主瓣中心;观测源与辅助天 线相对静止,辅助天线指向始终跟踪观测源转动;观测源信号具有良好的相关性; ⑵利用观测源仰角e的余弦值cose和待测天线与辅助天线间距离d的乘积,比上 光速c,即可得到路径延时估计
?,为得到最大值At,用测量起始位置观测源的 仰角进行计算; (3) 将辅助天线旋转至待测起始位置,等待选定观测源运动至待测起始位置; (4) 当观测源运动至待测起始位置时,辅助天线开始进行实时跟踪观测源运动,保证其 指向始终对准观测源;观测源相对于待测天线运动的角速度为《 ; (5) 从待测起始位置进行测量,观测AT时间,其中近似认为AT时间内待测天线场强 归一化方向性函数尸(久P)不变,且AT>At,利用AN=fs.At进而获得观测点数AN, 其中fs为采样频率; (6) 利用在AT时间内所采集的待测天线和辅助天线的观测数据,通过
进行互相关运算,并取互相关运算结果的最大值,即
(7) 利用在AT时间内所采集的待测天线和辅助天线的观测数据,通过
丨进行自相关运算,取t2= 0处的自相关值^ (8) 得到
后,再利用
计算并记录测量结果, 其中
,Cm,(;,4均可测量获得且为常数; (9) 当观测源运动至下一待测位置即下一AT时间时,重复步骤(6)_(8)直至观测源运 动至待测终止位置,共得到M个测量结果; (10) 将记录的M个测量结果,进行归一化和插值处理,即得到待测天线方向图。
2. 根据权利要求1所述的基于可转动辅助天线的大型天线方向图测量方法,其特征在 于: 待测天线接收信号的功率表达式为:
式(1)中,待测天线接收功率,P〇为观测源的等效全向辐射功率,G。为观测源发射 天线的增益,Gm为待测天线的增益,入为观测源信号波长,为待测天线场强归一化 方向性函数,其中0为方位角,P为俯仰角,d为观测源到待测天线的传播距离,LA为观测 源信号到待测天线的大气损耗; 同理,辅助天线接收信号的功率表达式为:
式⑵中,P,为辅助天线接收功率,G,为辅助天线的增益,6(以?>)为辅助天线场强归 一化方向性函数,d'为观测源到辅助天线的传播距离,L' 4为观测源信号到辅助天线的大 气损耗; 式⑴和式⑵可表示为:
3.根据权利要求2所述的基于可转动辅助天线的大型天线方向图测量方法,其特征在 于: 待测天线的接收信号xm(t)可表示为:
辅助天线的接收信号\(t)可表示为:
式中%(!:)和w2(t)分别表示两个通道噪声,且Eliwjt)] =E[w2(t)] = 0,varEwJOW,var[w2(〇fJ22,E[w1(t)w2(t)] =0;s(t)为观测源信号,与噪声…⑴、 w2(t)均不相关;
I分别表示两通道中的观 测源信号,且满足已[81(1:)]=£ [82(1:)]=0,£1[1? 1(,)>52(7)] = /^£[>?12(7)]五[1^(>)]} 2,其中 P表不Si(t)与s2(t)的相关系数; 根据相关函数的定义可知:
由于辅助天线始终跟踪对准观测源转动,所以6(0,以=1;观测源信号为平稳过程,则 可令i= t-T将式⑵可化简为:
同理可得辅助天线自相关函数为:
结合式(8)、式(9)可得:
令Tt。,T2= 〇,由式(1〇)可得:
式(12)中C为.
常数,4为即系统的噪声功率,由于实际情况中观测 数据为有限长度,因此只能得到M%)的估计值总ni.^,:),其中%为%的离散表示; 通过将待测天线与辅助天线观测数据的互相关运算结果取最大,来补偿路径延时,即
其中及估计表达式为式(13),R"(0)的估计值之(〇)为式 (14):
式(13)和式(14)中,&为计算互相关函数的运算点数;N2为计算自相关函数的运算 点数。
【专利摘要】本发明公开了一种基于可转动辅助天线的大型天线方向图测量方法,其针对转动困难甚至无法转动的大型天线,如大型射电望远镜FAST、Arecib等。本发明选定运动信源为观测源,并借助可转动辅助天线,设计了合理接收形式,测量待测天线方向图。利用观测源信号在待测天线和辅助天线观测数据中的相关性,获得高精度、宽角度范围的天线方向图。尽可能的方便测量、节约成本、提高测量精度和拓宽测量范围。本发明对无法转动的大型天线方向图进行测量,不仅省去了大量的测量工作,提高测量效率,还具有一定的抗信道变化能力,保证了天线方向图的测量精度。
【IPC分类】G01R29-10
【公开号】CN104569625
【申请号】CN201510026896
【发明人】程翥, 王壮, 王 琦, 黄达, 王梦南, 苗可可, 张雪琴, 杨鹏
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月20日
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