一种数字阵实时校准装置及方法与流程

本发明涉及信号处理技术领域，尤其是一种数字阵实时校准装置及方法。

背景技术：

随着芯片技术、高速采样、传输和处理器件发展越来越快，这也加速了雷达技术的发展，使数字相控阵技术在雷达中的使用变得越来越容易，也越来越普遍。采用数字相控阵技术，其关键点就是要对各射频通道的幅相进行校准，保证发射时各通道的功率信号在空间的有效合成，保证接收时各路信号真正对齐后得到拟定的设计方向图，因此幅相校准技术至关重要。

目前现有的解决方案主要还是通过外空间耦合的方式来解决数字阵的校准，选定现有的工作通道发射、其它通道接收，通过相互传递的方式来校正各个通道的收发；这种方案构架简单、代价低，但是校准的准确度不高、而且很难提高，因为通过空间耦合容易受空间信号的干扰、容易受各振子的空间分布位置的影响、容易受振子本身的幅相分布的差异性影响。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种数字阵实时校准装置及方法，实现各射频通道幅相差异的有效标定，剔除空间分布影响、振子本身影响，提高测量精度。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种数字阵实时校准装置，包括数字阵天线、tr组件、耦合校准馈电网络和数据处理组件；

所述tr组件包括校准组件和收发组件；

所述数据处理组件控制所述校准组件产生接收校准信号；通过所述耦合校准馈电网络耦合到数字阵天线的各天线振子；所述收发组件与各所述天线振子连接，接收并处理各所述天线振子耦合的接收校准信号，输出接收校准数据到所述数据处理组件；

所述数据处理组件控制所述收发组件产生发射校准信号到数字阵天线的各天线振子；所述耦合校准馈电网络从天线振子获取发射校准耦合信号发送到所述校准组件，所述校准组件处理发射校准耦合信号，输出发射校准数据到所述数据处理组件；

所述数据处理组件根据收到的接收校准数据和发射校准数据，计算数字阵的发射和接收通道校准补偿数据。

进一步地，所述耦合校准馈电网络设置在所述数字阵天线的内部，包括功分校准馈电网络；

所述功分校准馈电网络采用等幅同相功分方式通过耦合线与天线各通道振子的馈电通路进行耦合。

进一步地，还包括独立的射频校准通道，增设在耦合校准馈电网络与校准组件之间，用于传输所述接收校准信号或发射校准耦合信号。

进一步地，所述校准组件，设置在所述tr组件内部，所述校准组件包括：收发开关、接收支路、发射支路和预处理及接口电路；

所述收发开关，用于将接收支路或发射支路通过所述射频校准通道与所述耦合校准馈电网络连接；

所述接收支路，用于对接收的发射校准耦合信号依次进行限幅、滤波、低噪声放大和ad采样后，得到发射校准数据；

所述发射支路，用于产生接收校准信号依次经放大、滤波和限幅后，经收发开关发送到所述耦合校准馈电网络。

所述预处理及接口电路分别将所述发射支路和接收支路与所述数据处理组件连接，用于为所述发射支路和接收支路提供同步通信时钟、控制信号和数据通道，并为所述数据处理组件提供通信接口。

进一步地，所述数据处理组件与所述校准组件连接，用于产生控制指令控制所述校准组件中发射支路产生接收校准信号，并接收所述校准组件中接收支路输出的发射校准数据；

所述数据处理组件与所述收发组件连接，用于控制所述收发组件产生发射校准信号，并接收所述组件输出的接收校准数据；

所述数据处理组件根据收到的接收校准数据和发射校准数据，计算接收和发射通道校准补偿数据。

一种数字阵实时校准方法，包括以下步骤：

步骤s501、根据雷达主机的工作状态自动决定是否发起校准，如果需要校准则直接控制设备进入校准状态；

步骤s502、按照预定的时序进行发射校准或/和接收校准，得到发射校准数据或/和接收校准数据；

步骤s503、处理所述发射校准数据或/和接收校准数据，计算发射或/和接收通道校准补偿数据，分别对数字阵的发射通道或/和接收信号进行实时补偿校准。

进一步地，所述发射校准方法包括：

1)选择收发组件的发射通道发送发射校准信号；所述发射通道的选择覆盖所有通道，按照伪随机的方式进行跳选；并且发射信号的频点选择覆盖所有的频点，并按照伪随机的方式进行跳选；

2)耦合校准馈电网络从发射信号的振子中获取发射校准耦合信号，通过射频校准通道发送到校准组件；

3)校准组件接收发射校准耦合信号，并依次进行限幅、滤波、低噪声放大和ad采样后，得到发射校准数据；

4)根据当前校准的校准序号、通道编号、频点编号、工作温度和发射校准数据，结合历史补偿数据和天线耦合特性数据形成数据结构体输出到数据处理组件。

进一步地，所述接收校准方法包括：

1)校准组件产生接收校准信号通过耦合校准馈电网络耦合到数字阵天线的各天线振子；其中，所有收发组件的接收通道同时进行接收校准，并且接收校准的频点选择覆盖所有的频点，按照伪随机的方式进行跳选；

2)天线各振子通过馈电网络得到耦合的接收校准信号，输出到收发组件中接收组件的各射频通道；

3)各射频通道对接收的耦合信号进行接收、数字化以及预处理后，得到接收校准数据；

4)根据当前校准的校准序号、通道编号、频点编号、工作温度和接收校准数据，结合历史补偿数据和天线耦合特性数据形成数据结构体输出到数据处理组件。

进一步地，对所述发射校准数据和接收校准数据采用同样的数据处理算法；

具体包括：

步骤s601、从数据处理组件的输入数据结构体中，任选某一个通道在某一个频点校准数据进行预处理；所述预处理方法包括：

剔除一次校准过程中所有数据的最大和最小值；

对剔除最值后的剩余数据求均值；

步骤s602、根据所述均值的有效性，判断是否需要进行重新校准，否，则进入下一步；是，则对该通道在该频点进行重新校准，得到校准数据重复判断有效性，有效，则进入下一步；无效则判断该通道校准故障；

步骤s603、重复上述步骤，计算数字阵中所有通道在所有频点下的均值数据；

步骤s604、计算所有通道在同一频点下的校准补偿数据：对同一频点下所有通道的均值数据，以某个通道为基准，对所有通道求差，得到幅相差值，所述幅相差值为各通道在该频点下的当前校准补偿数据；

步骤s605、改变校准频点，重复上述步骤，计算所有通道在每一个校准频点下的当前校准补偿数据。

进一步地，还包括对当前补偿数据进行差异性处理，具体包括：

步骤s701、将当前校准补偿数据与对应的历史补偿数据进行比较，判断是否超过差异性阈值，如果不超过则接受其为正确校准数据；如果超过，则进行下一步；

步骤s702、对超过差异性阈值的校准结果进行补校，并对补校后的当前校准补偿数据再次与对应的历史补偿数据进行比较，判断是否超过差异性阈值，如果不超过则接受其为正确校准数据；如果超过，则进行下一步；

步骤s703、对当前校准补偿数据进行差异处理，首先看校准数据中的幅度项，如果幅度向差异超过预设的幅度向阈值，则报告通道错误，反之则接受该组数据成为新的正确校准数据；

步骤s704、根据天线耦合特性数据，对正确校准数据进行数据补偿，消除天线耦合的影响，得到通道特征的补偿数据；

步骤s705、根据通道编号、频点编号、工作温度和所述新的补偿数据形成数据结构体进行数据输出。

本发明有益效果如下：

本发明为适合于雷达、通信、对抗等多种应用环境，能为设备的通道校准带来自动化的可靠的方案，解决因设计、制造的批次性差异、设备温度漂移、性能老化等带来的不一致性，可自适应设备的更换、环境的变化，保证设备的性能始终自动处于可靠的状态。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中的数字阵实时校准装置组成连接示意图；

图2为本发明实施例中的耦合校准馈电网络组成连接示意图；

图3为本发明实施例中的校准组件组成连接示意图；

图4为本发明实施例中的数据处理组件组成连接示意图；

图5为本发明实施例中的数字阵实时校准方法流程图；

图6为本发明实施例中的校准数据处理算法流程图；

图7为本发明实施例中的差异性处理算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明实施例公开了一种数字阵实时校准装置，如图1所示，在常规形态的数字阵基础上，增加了耦合校准馈电网络、射频校准通道、校准组件和数据处理组件；

耦合校准馈电网络，增设在传统的数字阵天线的内部；

射频校准通道，增设在传统的tr与天线之间；

校准组件，增设在tr组件内部，使tr组件包括校准组件和收发组件；

数据处理组件，与校准组件连接；

具体的，耦合校准馈电网络与数字阵天线中的天线各通道振子连接，用于向各振子馈送接收校准信号或从各振子获取发射校准耦合信号；并通过在数字阵天线的接口上增加的一个独立校准通道接口与射频校准通道连接；

射频校准通道，为独立的射频信号专用通道，用于校准信号的传输，采用专用通道可以排除各种意外干扰；

校准组件，与射频校准通道连接，一方面，用于产生接收校准射频信号经射频校准通道传输到耦合校准馈电网络；另一方面，用于接收射频通道反馈的发射校准耦合信号并进行数字采样之后发送给后端的数据处理组件；

数据处理组件，与设置在tr组件中的校准组件和收发组件连接；

具体的，所述数据处理组件与校准组件连接，控制所述校准组件产生接收校准信号；通过所述耦合校准馈电网络耦合到数字阵天线的各天线振子；所述收发组件与所述天线振子连接，接收并处理所述天线述耦合的接收校准信号，输出接收校准数据到所述数据处理组件；

所述数据处理组件与收发组件连接，控制所述收发组件产生发射校准信号到数字阵天线的各天线振子；所述耦合校准馈电网络从天线振子获取发射校准耦合信号发送到所述校准组件，所述校准组件处理发射校准耦合信号，输出发射校准数据输出到所述数据处理组件；

所述数据处理组件根据收到的接收校准数据和发射校准数据，计算数字阵的发射和接收通道校准补偿数据。

特殊的，为了排除干扰和较低虚警提高校准的可信度，本实施例的数据处理组件还对每次校准的真实收发特性参数都进行留存，通过多次的校准进行大数据关联处理，滤除不必要的干扰，保证校准的可信度。

可选的，本实施例的数字阵实时校准装置还包括监控终端，所述监控终端与数据处理组件连接，用于接收数据处理组件的校准过程或结果数据，方便对校准过程和结果进行监视。

优选的，如图2所示，耦合校准馈电网络包括校准通道接口、功分校准馈电网络和耦合线；

校准通道接口连接功分校准馈电网络，功分校准馈电网络通过耦合线与天线各通道振子馈电通路进行耦合；天线各通道振子采用直接馈电；

特殊的，一方面，功分校准馈电网络采用等副同相功分方式将从校准通道接口输入的接收校准信号，通过耦合线分别耦合到各振子的馈电通路中；另一方面，功分校准馈电网络通过耦合线耦合获取天线各通道发射校准耦合信号，反馈到校准通道接口输出。

优选的，如图3所示，本实施例的校准组件包括收发开关、接收支路、发射支路和预处理及接口电路；

收发开关，用于将接收支路或发射支路与射频校准通道进行连接；

接收支路，包括限幅器、滤波器、低噪放短路器和ad采样电路，对经收发开关反馈的发射校准耦合信号依次进行限幅、滤波、低噪声放大和ad采样后，得到发射校准数据；

发射支路，包括限幅器、滤波器、放大器和dds电路；dds电路在控制信号的控制下，产生接收校准源信号，依次经放大、滤波和限幅后，经收发开关发送到射频校准通道；

特殊的，dds电路产生的接收校准源信号可以是但不限于点频源或宽带源，输出波形可以是但不限于连续波或脉冲，其各项输出参数均可通过外部通信进行调节控制；

预处理及接口电路分别与发射支路和接收支路连接，用于提供同步通信时钟、控制信号和数据通道，并为后端的数据处理组件提供通信接口(如gtx、光通信、lvds、千兆网等)，主要根据后端数据处理组件的命令控制dds产生波形信号输出，接收ad的采样数据并对采样数据进行数字下变频、滤波、抽样、脉冲判决等操作，并把脉冲数据进行打包发送给后端的数据处理组件；

可选的，由fpga/dsp、时钟、接口通信电路(如gtx、光纤通信等)组成；

优选的，如图4所示，本实施例的数据处理组件包括接口适配电路、核心处理电路和外围数据存储电路；

其中，核心处理电路可以采用fpga、dsp、ppc等多种方案实现，只要有足够的数据处理能力就行。

在核心处理电路中，实时接收由校准组件反馈的每次校准过程中的校准数据，并对数据进行阵列处理，得出每个通道的收发特性；再根据所述天线耦合馈电网络的特性对每个天线通道的收发特性进行补偿，得到每个天线通道的真实收发特性。

本实施例还公开了一种数字阵实时校准方法，如图5所示，包括如下步骤：

步骤s501、根据雷达主机的工作状态自动决定是否发起校准，如果需要校准则直接控制设备进入校准状态；

具体的，所述数据处理组件根据的雷达主机的工作状态包括当前工作温度、当前工作频率、工作时长等因素等，根据这些状态信息自动决定是否发起校准；例如，当工作频率发生改变、工作温度变化超过10°、工作时长超过4h都必须再次进行校准，开机或重启过程也必须进行校准。

步骤s502、按照预定的时序进行发射校准或/和接收校准，得到发射校准数据或/和接收校准数据；

校准包括发射校准和接收校准，在时序控制上，可按需求任意确定只进行发射标准或接收校准，或者先进行发射校准后进行接收校准，或者反之进行。

本实施例以先进行发射校准，然后进行接收校准的顺序执行校准；

具体如下：

发射校准步骤：校准组件接收从tr组件中收发组件发射通道的发射信息，并进行数字化和预处理后通过数字接口发送给后端的数据处理组件；

因校准组件和收发组件到天线阵列之间的通道都是收发共用的(在收发组件和校准组件的输出端通过开关进行切换的)，因此在发射校准期间收发组件处于发射状态、校准组件处于接收状态。

具体包括：

1)选择收发组件的发射通道发送发射校准信号；

具体的，所述发射通道的选择覆盖所有通道，按照伪随机的方式进行跳选；并且发射信号的频点选择覆盖所有的频点，并按照伪随机的方式进行跳选；

2)耦合校准馈电网络从发射信号的振子中获取发射校准耦合信号，通过射频校准通道发送到校准组件；

3)校准组件接收发射校准耦合信号，并依次进行限幅、滤波、低噪声放大和ad采样后，得到发射校准数据；

4)根据当前校准的校准序号、通道编号、频点编号、工作温度和发射校准数据，结合历史补偿数据和天线耦合特性数据形成数据结构体输出到数据处理组件。

接收校准步骤：校准组件产生校准信号，通过天线振子耦合后发送到tr组件的接收组件进行接收处理后，发送给后端的数据处理组件；

因校准组件和收发组件到天线阵列之间的通道都是收发共用的(在收发组件和校准组件的输出端通过开关进行切换的)，因此在接收校准期间收发组件处于接收状态、校准组件处于发射状态。

具体包括：

1)校准组件产生接收校准信号通过耦合校准馈电网络耦合到数字阵天线的各天线振子；

具体的，所有收发组件的接收通道同时进行接收校准，并且接收校准的频点选择覆盖所有的频点，按照伪随机的方式进行跳选；

2)天线各振子通过馈电网络得到耦合的接收校准信号，输出到收发组件中接收组件的各射频通道；

3)各射频通道对接收的耦合信号进行接收、数字化以及预处理后，得到接收校准数据；

4)根据当前校准的校准序号、通道编号、频点编号、工作温度和接收校准数据，结合历史补偿数据和天线耦合特性数据形成数据结构体输出到数据处理组件。

特殊的，数据结构体中包括的：

校准序号为自开机始对历次校准的序号编排；

通道编号为收发组件的tr通道编号；

频点编号为系统的工作频点编号；

工作温度为收发组件的内部工作温度；

当前校准数据为最新的校准数据；

历史校准数据为过往的校准数据；

天线耦合特性数据为天线阵列内部的校准端口到其它各个端口的幅相耦合数据(由天线阵列设计因此的固有物理特性差值，可以通过网络分析仪进行标定测试)。

特殊的，一次校准过程，校准次数要保证每个通道每个频点至少被校正3次；当某个通道、某频点数据异常时要进行补校，且至少3次。

具体的，一次校准过程中，数据处理组件要控制预处理组件的校准工作频点和通道，让每个通道在每个频点下都进行3次校准(如当通道1频点1完成一次校准后，数据处理组件给预处理组件发送命令触发通道1频点1再进行第二次和第三次校准，以此类推，完成所有通道和所有频点的校准)；数据处理组件要对预处理组件送来的校准数据进行处理，首先剔除一次校准过程中所有的最大和最小值，再对剩余数据求均值，若均值远小于理论计算值(由设计之初根据电路设计计算得出理论的校准数据值)，则当前校准数据可能有误需要进行重校，重复该通道和频点的校准过程，再次校准，若补校之后数据任然错误则判断该通道校准故障。

步骤s503、处理所述发射校准数据或/和接收校准数据，计算发射或/和接收通道校准补偿数据，分别对数字阵的发射通道或/和接收信号进行实时补偿校准。

进一步地，为了排除干扰和较低虚警提高校准的可信度，对每次校准的真实收发特性参数都要进行留存，通过多次的校准进行大数据关联得差异性处理，通过多次的校准滤除不必要的干扰，保证校准的可信度。

优选的，对所述发射校准数据和接收校准数据采用同样的数据处理算法；

具体如图6所示，包括：

步骤s601、从数据处理组件的输入数据结构体中，任选某一个通道在某一个频点校准数据进行预处理；所述预处理方法包括：

剔除一次校准过程中所有数据的最大和最小值；

对剔除最值后端额剩余数据求均值；

步骤s602、根据所述均值的有效性，判断是否需要进行重新校准，否，则进入下一步；是，则对该通道在该频点进行重新校准，得到校准数据重复判断有效性，有效，则进入下一步；无效则判断该通道校准故障；

步骤s603、重复上述步骤，计算数字阵中所有通道在所有频点下的均值数据；

步骤s604、计算所有通道在同一频点下的校准补偿数据：对同一频点下所有通道的均值数据，以某个通道为基准，对所有通道求差，得到幅相差值，所述幅相差值为各通道在该频点下的当前校准补偿数据；

步骤s605、改变校准频点，重复上述步骤，计算所有通道在每一个校准频点下的当前校准补偿数据

特殊的，还包括对当前补偿数据进行差异性处理，如图7所示，具体包括：

步骤s701、将当前校准补偿数据与对应的历史补偿数据进行比较，判断是否超过差异性阈值，如果不超过则接受其为正确校准数据；如果超过，则进行下一步；

步骤s702、对超过差异性阈值的校准结果进行补校，并对补校后的当前校准补偿数据再次与对应的历史补偿数据进行比较，判断是否超过差异性阈值，如果不超过则接受其为正确校准数据；如果超过，则进行下一步；

步骤s703、对当前校准补偿数据进行差异处理，首先看校准数据中的幅度项，如果幅度向差异超过预设的幅度向阈值，则报告通道错误，反之则接受该组数据成为新的正确校准数据；

步骤s704、根据天线耦合特性数据，对正确校准数据进行数据补偿，消除天线耦合的影响，得到通道特征的补偿数据；

步骤s705、根据通道编号、频点编号、工作温度和所述新的补偿数据形成数据结构体进行数据输出。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。