一种阵列天线方向图的测量方法、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，涉及一种阵列天线方向图的测量方法、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，阵列天线以其馈电激励源多样性、扫描形式灵活性、利于共形设计和智能化管理等特点，作为民用和军用天线技术的一个重要发展方向备受关注。

方向图是阵列天线的重要技术参数，目前，阵列天线方向图的测量，主要是远场测量和近场测量：

(1)远场测量。远场测量是由位于远场的源天线发射电磁波，电磁波近似为平面波形式照射到待测天线，在待测天线端口处测得其接收方向图。远场测量简单、直观，但缺点也很明显：①待测天线和源天线需满足远场距离d是待测天线的最大口径，λ是测量频率的波长。对于较大口径的阵列天线或高频阵列天线而言，远场距离远，造成测量成本高昂；②此外，要在远场测量得到完整的方向图，需要非常多的测量点，因此测量速度慢，测量效率低。实际远场测量中，通常只对阵列天线的方位面和俯仰面的方向图进行测量，无法获得阵列天线完整的三维辐射方向图信息。

(2)近场测量。近场测量的基本原理是测量阵列天线近场的幅度和相位分布，由近场测量数据通过严格的反演模型推算远场方向图。近场测量不需很大的测量场地，但近场测量算法复杂，系统组成复杂，校准、维护成本较高。

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方向图测量方法，通过较少的测量，快速地获得阵列天线全面完整的方向图信息。

为实现上述目的，本发明一方面提出了一种阵列天线方向图的测量方法，其特征在于，所述阵列天线包括n个阵元，所述测量方法包括如下步骤：

s1.获得所述阵列天线的阵元的阵中方向图以及阵中方向图中心的位置；

s2.馈入端口激励i；

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

s4.根据所述阵中方向图、阵中方向图中心的位置、测量点的位置以及测量数据e获得口径场激励i′；

s5.根据所述的口径场激励i′、阵中方向图、阵中方向图中心的位置以及目标位置获得所述阵列天线在目标位置处的方向图e′。

作为本发明的进一步限定，所述阵中方向图通过测量获得，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获得，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，定义以单个阵元为圆心，xλ为半径的圆为该单个阵元的耦合区，其中x为不小于1的实数，λ为阵列天线工作频率的波长，对任意两个阵元而言，如果其耦合区内的阵元数量和位置分布相同，则认为所述两个阵元的阵中方向图相同。

作为本发明的进一步限定，所述步骤s4中阵中方向图、阵中方向图中心的位置、测量点的位置、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个测量点测得的电/磁场，为m×1的矩阵，y是阵元到测量点的幅相变换矩阵，y根据阵中方向图、阵中方向图中心的位置以及测量点的位置获得；

所述步骤s5中口径场激励i′、阵中方向图、阵中方向图中心的位置、目标位置以及所述阵列天线在目标位置的方向图e′满足关系式：e′＝(i′)^tx，其中，e′代表某一个目标位置的电/磁场，e′为矢量，x是阵元到目标位置的幅相变换矩阵，x根据阵中方向图、阵中方向图中心的位置以及目标位置获得，()^t表示转置。

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个阵元的阵中方向图中心的位置的坐标为(rn,θn,φn)，n＝1,2,…,n，第n个阵元的阵中方向图表示为fn(θ,φ)，第m个测量点的位置的坐标为(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个测量点的位置的幅相变换因子，其中，(θ′mn,φ′mn)是第m个测量点的位置相对于第n个阵元的阵中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′mn)角度的阵中方向图信息，包含幅度和相位信息，是对第n个阵元的阵中方向图在第m个测量点的位置进行的相位修正，是第m个测量点的位置指向第n个阵元的阵中方向图中心的位置的矢量的模长，k是电磁波传播常数；

所述阵元到目标位置的幅相变换矩阵x为

是第n个阵元在目标位置的幅相变换因子，其中，(θn,φn)是目标位置相对第n个阵元的阵中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)角度的阵中方向图信息，包含幅度和相位信息，是对第n个阵元的阵中方向图在目标位置进行的相位修正，是目标位置指向第n个阵元的阵中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中方向图相同，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

所述阵元到目标位置的幅相变换矩阵x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′。

本发明另一方面提出了一种阵列天线方向图的测量设备，其特征在于，所述测量设备包括：

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

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，用于根据所述阵中方向图、阵中方向图中心的位置、测量点的位置以及测量数据获得口径场激励；

阵列方向图获取模块，用于根据所述的口径场激励、阵中方向图、阵中方向图中心的位置以及目标位置获得所述阵列天线在目标位置处的方向图。

作为本发明的进一步限定，所述阵中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中方向图；或/和

仿真单元，用于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获得所述阵列天线的阵中方向图，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方向图的测量设备，其特征在于，所述测量设备包括存储器、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方向图的测量系统，包括电波暗室以及测量天线，其特征在于，在所述测量系统中集成前述的测量设备。

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、阵列天线的阵元的阵中方向图及阵中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′，再获得阵列天线在任意目标位置的方向图信息，从而可以对阵列天线的辐射性能进行全面评估。与现有的测量方法相比，本发明的方法测量数据少，测试效率高，且系统组成简单，易于工程实现，成本低。

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方向图的测量方法的流程图。

图2为本发明第二实施方式的阵列天线方向图的测量设备的框图。

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。

此外，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、阵列天线的阵元的阵中方向图以及阵中方向图中心的位置，反演得到口径场激励，再根据口径场激励、阵中方向图、阵中方向图中心的位置以及目标位置信息，计算得到阵列天线任意距离的方向图信息。图1示意了本发明第一实施方式的阵列天线方向图的测量方法流程，所述方法包括如下步骤：

s1.获得阵列天线的阵元的阵中方向图以及阵中方向图中心的位置。所述阵中方向图通过测量获得，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获得。

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个测量点的位置以及m个测量点处的电/磁场的测量数据e，所述测量数据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；测量点位于阵元的辐射远场。

s4.根据所述阵中方向图、阵中方向图中心的位置、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；

本步骤中阵中方向图、阵中方向图中心的位置、测量点的位置、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个测量点测得的电/磁场，为m×1的矩阵，y是阵元到测量点的幅相变换矩阵，y根据阵中方向图、阵中方向图中心的位置以及测量点的位置获得；

s5.根据所述的口径场激励i′、阵中方向图、阵中方向图中心的位置以及目标位置获得所述阵列天线在目标位置处的方向图e′；

本步骤中口径场激励i′、阵中方向图、阵中方向图中心的位置、目标位置以及所述阵列天线在目标位置的方向图e′满足关系式：e′＝(i′)^tx，其中，e′代表某一个目标位置的电/磁场，e′为矢量，x是阵元到目标位置的幅相变换矩阵，x根据阵中方向图、阵中方向图中心的位置以及目标位置获得，()^t表示转置。

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，还可采用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和阵元到目标位置的幅相变换矩阵x的计算方法。

以任意参考点为原点建立球坐标系，第n个阵元的阵中方向图中心的位置的坐标为(rn,θn,φn)，n＝1,2,…,n，第n个阵元的阵中方向图表示为fn(θ,φ)，第m个测量点的位置的坐标为(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个测量点的位置的幅相变换因子，其中，(θ′mn,φ′mn)是第m个测量点的位置相对于第n个阵元的阵中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′mn)角度的阵中方向图信息，包含幅度和相位信息，是对第n个阵元的阵中方向图在第m个测量点的位置进行的相位修正，是第m个测量点的位置指向第n个阵元的阵中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；

所述阵元到目标位置的幅相变换矩阵x为：

是第n个阵元在目标位置的幅相变换因子，其中，(θn,φn)是目标位置相对第n个阵元的阵中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)角度的阵中方向图信息，包含幅度和相位信息，是对第n个阵元的阵中方向图在目标位置进行的相位修正，是目标位置指向第n个阵元的阵中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

由此获得阵列天线在任意目标位置处的方向图。

如果阵列天线各阵元的阵中方向图相同，即f1(θ,φ)＝f2(θ,φ)＝…＝fn(θ,φ)＝f(θ,φ)，那么阵元到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；

阵元到目标位置的幅相变换矩阵x为：

那么

由此获得阵列天线在任意目标位置处的方向图。

在此，本实施方式中有3点需要说明：

(1)定义以单个阵元为圆心，xλ为半径的圆为该单个阵元的耦合区，其中x为不小于1的实数，λ为阵列天线工作频率的波长，对任意两个阵元而言，如果其耦合区内的阵元数量和位置分布相同，则认为所述两个阵元的阵中方向图相同。据此可以将耦合区内阵元数量和位置分布相同的阵元等效处理，对于阵元数目较多的阵列天线而言，这种等效处理可以大大降低阵元的测量次数或仿真计算量，大大提高测量速度。

(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′。

(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方向图的测量设备200，本实施方式中，测量设备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：

阵中方向图获取模块203，用于获取所述阵列天线的阵元的阵中方向图以及阵中方向图中心的位置，本模块包括：测量单元，用于测量获得所述阵列天线的阵中方向图；或/和仿真单元，用于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获得所述阵列天线的阵中方向图；

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，用于根据所述阵中方向图、阵中方向图中心的位置、测量点的位置以及测量数据获得口径场激励；

阵列方向图获取模块207，用于根据所述的口径场激励、阵中方向图、阵中方向图中心的位置以及目标位置获得所述阵列天线在目标位置处的方向图。

需要说明的是，测量设备200是为了方便描述而示出的，测量设备200还可以包括其他必需的模块。此外，还可以将测量设备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方向图的测量系统，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测量设备。

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。