基于光程差校正的阵列天线相位一致性测量方法与流程

本发明涉及天线测试，具体是涉及一种基于光程差校正的阵列天线相位一致性测量方法。
背景技术：
：单元天线相位的一致性是衡量测向干涉仪等阵列天线的主要技术指标[1]。干涉仪测向的原理是利用天线单元接收到的相位差值来计算来波方向[2]，所以单元天线相位的一致性对测向干涉仪的测向精度有至关重要的作用。为了确保在不同方向上各个单元天线的相位一致性，通常需要对单元天线的相位方向图进行测量。天线相位方向图的测量与天线的相位中心息息相关[3]，目前用于检测天线相位中心的方法比较少，只有用于简单天线的分析法[4]、基于平面扫描的方法[5]等。传统的相位方向图的测量方法需要将天线相位中心精确地置于测量转台的中心[6]，对阵列天线而言，这种方法在测量每个单元时均需要挪动阵列的位置，以使得待测单元的相位中心尽可能位于转台中心上，这种操作不仅十分繁琐，并且对远离阵列中心的单元而言，阵列重心远离转台会造成天线架设的困难以及不在水平面出现的极化失配等问题，而且实际上单元天线的相位中心常常并不是精确可知的，单元天线的相位中心的不确定性会使得测量的相位方向图含有较大的误差。近年来关于阵列天线的相位一致性校正方法有如下发明：中国专利01112987.5公开了一种智能天线通道阵列校正方法及装置[8]，通过比较一个参数已知的信号通过各个待校正通道前、后的幅度和相位特性,计算出待校正通道的幅度和相位特性,在此基础上对待校正通道进行幅度和相位补偿,使得校正后的各个通道的幅度和相位特性一致。中国专利201210415102.0公开了一种外辐射源雷达阵列天线回波通道间幅相一致性的校正方法[9]，直接利用辐射源信号对回波接收阵列天线进行校正，将回波天线对准辐射源，设置基准回波通道，将其余各回波通道信号与基准回波通道信号进行混频，计算其余回波通道相对于基准回波通道的校正系数，最后将各个回波通道信号乘以校正系数后合成回波信号。上述方法在操作中需要专门的校正网络，操作复杂，而且由于校正网络中功分网络等设备的误差，会引入新的相位一致性误差。参考文献：[1]StephenE.Linpsky著，龚金楦，张德文，李振初等译，微波无源测向[M],1993.[2]肖秀丽.干涉仪测向原理[J].中国无线电.2006(05)[3]SchmidR,RothacherM,ThallerD,etal.Absolutephasecentercorrectionsofsatelliteandreceiverantennas[J].GPSsolutions,2005,9(4):283-293.[4]WangYG,WangJ,ZhaoZQ,etal.Anovelmethodtocalculatethephasecenterofantennas[J].JournalofElectromagneticWavesandApplications,2008,22(2-3):239-250.[5]PadillaP,PousiP,TamminenA,etal.ExperimentaldeterminationofDRWantennaphasecenteratmm-wavelengthsusingaplanarscanner:Comparisonofdifferentmethods[J].AntennasandPropagation,IEEETransactionson,2011,59(8):2806-2812.[6]董树义.微波测量[M].国防工业出版社,1985.[7]BeeckmanPA.Analysisofphaseerrorsinantenna-measurementsapplicationstophase-patterncorrectionsandphase-centredetermination[C]//IEEProceedingsH.Microwaves,AntennasandPropagation.1985,132:391-4.[8]郭俊峰等.智能天线通道阵列校正方法及装置:中国,01112987.5[P].2003-01-01.[9]单涛等.一种外辐射源雷达阵列天线回波通道间幅相一致性的校正方法:中国,201210415102.0[P].2013-01-23.技术实现要素：本发明的目的是解决测量单元天线方向图一致性时因天线形状带来的测试困难，提供不需要为每个单元天线挪动阵列位置，可以直接测量多个单元天线的一种基于光程差校正的阵列天线相位一致性测量方法。本发明包括以下步骤：1)搭建天线测试系统，待测阵列天线需与发射天线处于同一水平面；2)测试各天线单元，得到各单元原始的相位方向图测试数据；3)利用光程差校正公式对各单元原始的相位方向图测试数据进行光程差校正，得到初次校正的相位方向图；4)利用光程差校正算法得到阵列天线相位总体一致性的均方根误差最小时参数d0、Δ及θ0的值；5)计算各单元修正参数后的相位方向图及各单元的相位均方根误差。在步骤3)中，所述光程差校正公式为：φic(θ)=φi(θ)+2π(Lic(θ)-L0)/λ]]>其中：为测试天线到第i个单元的实际距离，为第i个单元在辅助线的投影点到测试天线的距离；φi(θ)：第i个单元的相位响应测试数据；第i个单元光程差校正后的相位响应；θ：阵列天线的旋转角；λ：测试使用的电波波长；L0：发射天线和转台中心的距离；di：第i个单元(相位中心)的位置(从左至右的顺序)；d0：转台中心到阵列的垂线与阵列相交的位置；Δ：转台中心到阵列所作垂线的距离。在步骤4)中，所述阵列天线相位总体一致性的均方根误差为：RMSφ=Σi=1M||φic(θ)-φ‾ic(θ)||22MN]]>其中，表示各单元相位校正后的平均相位响应，N表示方向图测试数据的长度，M表示单元个数，||·||2表示2范数，i＝1,2，…，M。在步骤4)中，所述阵列天线相位总体一致性的均方根误差最小准则为：{d^0,Δ^,θ^0}=mind0,Δ,θ0Σi=1M||φic(θ)-φ‾ic(θ)||22MN]]>其中，θ＝θ0+θr，θ0为θ的起始值，θr为记录的转台旋转角。在步骤5)中，所述各单元的相位均方根误差由下式计算：RMSiφ=||φic(θ)-φ‾ic(θ)||2N.]]>本发明提出一种可以在不使用专门的校正网络、不移动阵列天线的情况下直接测量多个单元天线的相位方向图，且能通过光程差校正减小阵列天线相位一致性测量中出现的误差的方法。本发明提出了一种在不需要为每个单元天线挪动阵列位置的情况下直接测量多个单元天线的相位方向图的方法。本发明提出了天线相位中心不在转台中心时的光程差校正公式，给出了阵列天线相位一致性的最小均方误差准则，发展了一种新的光程差校正算法，这种算法利用了阵列单元分布的空间结构信息，能够使用所有阵列单元的相位响应测量数据，对测量误差具有较好的抑制作用。对直线阵列实测数据的处理结果证明本发明提出的光程差校正算法具有很好的校正性能。附图说明图1为本发明的天线测量状态示意图；图2为本发明的某非均匀间隔阵列原始的相位方向图；图3为本发明中某非均匀间隔阵列采用光程差校正后的相位方向图；图4为本发明的某均匀间隔阵列原始的相位方向图；图5为本发明中某均匀间隔阵列采用光程差校正后的相位方向图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。本发明实施例包括以下步骤：1)根据图1搭建天线测试系统，待测阵列天线需与发射天线处于同一水平面；2)测试各天线单元，得到各单元原始的相位方向图测试数据；3)利用光程差校正公式对各单元原始的相位方向图测试数据进行光程差校正，得到初次校正的相位方向图；第i个单元的光程差校正公式为：φic(θ)=φi(θ)+2π(Lic(θ)-L0)/λ---(1)]]>其中，为测试天线到第i个单元的实际距离，为第i个单元在辅助线的投影点到测试天线的距离；φi(θ)：第i个单元的相位响应测试数据；第i个单元光程差校正后的相位响应；θ：阵列天线的旋转角；λ：测试使用的电波波长；L0：发射天线和转台中心的距离；di：第i个单元(相位中心)的位置(从左至右的顺序)；d0：转台中心到阵列的垂线与阵列相交的位置；Δ：转台中心到阵列所作垂线的距离；4)利用光程差校正算法得到相位总体一致性的均方根误差最小时参数d0、Δ及θ0的值；阵列天线相位总体一致性的均方根误差由式(2)计算：RMSφ=Σi=1M||φic(θ)-φ‾ic(θ)||22MN---(3)]]>其中，表示各单元相位校正后的平均相位响应，||·||2表示2范数，N表示方向图测试数据的长度，M表示单元个数，i＝1,2，…，M；在进行光程差校正时，需要精确测量的参数有d0、Δ及θ角的起始值θ0。其中θ＝θ0+θr，θr为记录的转台旋转角。在实际的测量试验中，难以获得这些参数的精确测量值。本发明对上述参数的初测值进行调整，以阵列天线相位总体一致性的均方根误差最小为准则估计参数d0、Δ及θ最佳值，即{d^0,Δ^,θ^0}=mind0,Δ,θ0Σi=1M||φic(θ)-φ‾ic(θ)||22MN---(4)]]>步骤5：计算各单元修正参数后的相位方向图及相位均方根误差。使用光程差校正公式(1)计算各单元参数修正后的相位方向图，即为本发明经过光程差校正算法最终所得的单元相位方向图。第i个单元的相位均方根误差由下式计算RMSiφ=||φic(θ)-φ‾ic(θ)||2N---(5)]]>以下给出具体实施例：步骤1：搭建天线测试系统，本发明的天线测量状态示意图如图1所示，其中待测阵列天线与发射天线处于同一水平面。待测阵列有四个相同的天线单元，间隔分别为0.426m，0.142m，0.217m，发射天线到测试转台中心的距离为9m，测试信号频率为1.6GHz。步骤2：测试各天线单元，得到各单元的原始相位方向图测试数据。四个天线单元的相位方向图测试数据如图2所示。各单元的相位方向图测试数据表现出了不一致的结果。步骤3：利用光程差校正公式对各单元原始的相位方向图测试数据进行光程差校正，得到初次校正的相位方向图；步骤4：利用光程差校正算法得到相位总体一致性的均方根误差最小时参数d0、Δ及θ0的值；步骤5：计算各单元修正参数后的相位方向图及相位均方根误差。用光程差校正算法对四个单元的相位方向图处理后的相位方向图如图3所示，各单元校正后的相位方向图数据在±49°范围内的均方根统计偏差结果由表1给出。表1天线天线1天线2天线3天线4非均匀线阵5.9°15.6°8.6°18.7°均匀线阵5.8°5.9°4.7°2.4°以相同的方法处理某均匀间隔线阵，该线阵有四个相同的天线单元，间隔为0.07m，发射天线到测试转台中心的距离为8.8m，测试信号频率为1.6GHz。测试所得原始相位响应方向图如图4所示，其光程差校正后的相位方向图如图5所示，各单元校正后的相位方向图数据在±49°范围内的均方根统计偏差结果由表1给出。进一步对本发明中各单元校正后的相位方向图和原始的相位方向图测试数据进行比较，可见校正后的各单元相位方向图具有很好的一致性，各单元校正后的相位均方根误差也证明了本发明所提出方法能够有效较小各单元测试过程中随机噪声的影响。当前第1页1 2 3