一种基于相关法的大天线方向图测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于相关法的大天线方向图测量方法，尤其针对可转动的大型单天线，如射电抛物面望远镜等。本发明利用相关运算方式和辅助天线，设计了合理的接收形式测量待测天线方向图并利用待测天线与辅助天线接收信号间的相关性获得高精度、宽角度范围的天线方向图。可根据实际测量情况选择合适的测量参数，以达到在不影响天线正常使用的情况下，尽可能节约成本、方便测量、提高测量精度和拓宽测量范围的目的。本发明对外场可转动的大天线进行方向图测量，一方面省去了繁琐的测量过程，另一方面可以在保证测量精度的情况下快速测得待测天线方向图。
【专利说明】一种基于相关法的大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，特指一种基于相关法的大天线方向图测量方 法。
【背景技术】
[0002] 20世纪以来，雷达、通信、天文观测等领域迅猛发展，天线已然成为这些领域的重 要基础设备，因此对天线各类参数测量问题备受关注。天线方向图是最为重要和基础的天 线参数，其表征天线辐射能量在空间的分布。通过测量天线方向图可以确定天线的方向系 数、增益、半功率波束宽度和副瓣电平等重要天线参数。然而，在特定的外场环境下，定期 对天线进行调试、维护、检测和标校时，大多数常规方法会影响天线的正常使用且测量难度 大，尤其是对安装固定后难以拆卸返回微波暗室重新测量的大型天线。因此，亟需一种高效 的大天线方向图测量方法，常见测量方法有：
[0003] 常规远场法：该方法是利用信标塔或辅助源天线测量待测天线方向图，待测天线 在不同方向接收由信标塔或辅助源天线辐射的信号，根据不同角度能量的变化测量方向 图。此测量方法是天线方向图测量中最常用的方法。
[0004] 近场测试法：近场测试法是利用现代测试场的设计能力，根据待测天线口面的近 场幅度和相位，通过数据变换确定天线远场电性能的方法。
[0005] 射电源法：射电源法是以射电源（如太阳、月亮及其他星座）作为信标源来测量天 线方向图。主要利用频谱仪测量待测天线主轴不同指向时接收射电源辐射的信号强度。
[0006] 卫星源法：卫星源法是利用能辐射电磁波的同步轨道静止卫星作为信号源来完成 天线方向图的测量。原理与射电源法相同，只是信源选择上有差异。
[0007] 现有常用测量天线方向图方法，受环境条件、测试器材等因素的限制且会在一定 程度上影响天线的正常使用，很难适用于大型单天线方向图测量。常规远场法对测试成本 要求高，且对测试场地要求苛刻，此外，测试仪器的性能也是制约该方法精度的主要原因。 对于近场测试法，为了避免电磁干扰，大多是在微波暗室里进行，测量过程繁琐、工作量大。 尽管发明专利[5]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。目前射 电源法和卫星源法这两种测量方法均是基于能量检测等方式，有天线方向图测量范围受 限，并易受信道变化的影响等不足。
【发明内容】
[0008] 针对现有常规方法测量天线方向图的不足，本发明提出一种在不影响天线正常使 用情况下，仍能测量天线方向图的方法。通过选定合适的观测源、设计合理的接收形式、借 助辅助天线，利用观测源信号相关性特性，快速、高效、低成本地获得高精度、宽测量范围的 天线方向图。本发明具有对场地要求不高、测试过程简易、工作量小、受信道变化影响小等 优势。
[0009] 本发明针对待测天线可转动（如图1所示）设计了测量天线方向图的接收形式。 测量需满足：观测源与待测天线相对运动，观测源相对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，辅助天线始终指向观测源；观测源信号具有良好的相 关性。
[0010] 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，太阳信号可视为白噪声等，待测天线接收 信号的功率表达式为：
[0011]
【权利要求】
1. 一种基于相关法的大天线方向图测量方法，其特征在于步骤如下： (1) 针对待测天线可转动设计测量天线方向图的接收形式，测量需满足：观测源与待 测天线相对运动，观测源相对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，辅助天线始终指向观测源；观测源信号具有良好的相关性； (2) 将待测天线以ω的旋转速度从起始待测位置旋转至终止待测位置，记录测量总时 间Τ，并采集T时间内待测天线和辅助天线的观测数据并保存； (3) 将测量总时间T按At时间为单位分成Af=I个数据段，每个数据段的数据长度 At 为ΛΝ，然后分别对每个数据段内的观测数据进行处理； (4) 计算每段待测天线与辅助天线观测数据的互相关运算结果， 幻进行互相关运算，并取互相关运算结果的最大值，即 ΑΛ ，其目的是补偿路径时延带来的时延差，使得观测源信号的相关性达到最 大；其中互相关运算点数为ΛΝ = fs · At，fs为采样频率； (5) 利用Δ之（r2) = .(/?>·,. (? + r2)计算对应每段辅助天线观测数据的自相关运 Δ/V 算，取τ 2= 〇处的自相关仉，以保证观测源信号的相关性达到最大；为充分利用数 据，因此自相关运算点数为ΛΝ = fs · At，fs为采样频率； (6) 得到和A^(G)，再利^
十算并记录测量结果，其 中
Cm，(；，O2 2均可测量获得且为常数，因此可计算得到M个测量结果并记录； (7) 若需要多次测量时，待测天线以同样的旋转速度和测量轨迹，进行下一次快速扫 描，获得观测数据并与前次观测对齐后，将本次运算的互相关运算和自相关运算结果与前 次进行累积，再利用步骤（3)?（6)中的计算方式，计算并记录，可得到M 个积累后的记录值；
(8) 将记录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所述的基于相关法的大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，PmS待测天线接收功率，Po为观测源的等效全向辐射功率，Gtl为观测源发射 天线的增益，Gm为待测天线的增益，λ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Θ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（2)中，匕为辅助天线接收功率，G^j辅助天线的增益，f(久0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（1)和式（2)可表示为：
3.根据权利要求2所述的基于相关法的大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=W1U)和 w2(t)分别表示两个通道噪声，且Eliw1 (t)] = E[w2(t)] = (^varliw1 (t)] =oAvarHwJt)] = =0;s(t)观测源信号，与噪声^^!:)、^^!:)均不 相关；
)分别表示两通道中的观 测源信号，且满足E [S1 (t) ] = E [S2⑴]=0,五[力⑴七⑴]=⑴]五卜22⑴]}*，其中 P表不S1⑴与s2⑴的相关系数； 根据相关函数的定义可知：
由于辅助天线始终对准观测源，所以€ (AM = 1 ·，观测源信号为平稳过程，则可令1 = t-τ ;将式（7)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 τ t。，τ 2= 〇,由式（1〇)可得： ^ "rr V ； u 2
式（12)中Cj
^数，4为即系统的噪声功率；实际情况中观测数 据为有限长度，因此只能得到MnQ)(nQ为tQ的离散表示）的估计值/?(",)，可通 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 我? max[l(q)]，其中之^r1)估计表达式，如式（13) ,Rrr(O)的估计值夂(0),如式 (14)；
式（13)、（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。
【文档编号】G01R29/10GK104515909SQ201510027115
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2015年1月20日 优先权日:2015年1月20日
【发明者】王壮, 程翥, 黄达, 王梦南, 王 琦, 苗可可, 张雪琴, 王敬 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学