本發(fā)明涉及數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種適用于平板端射陣列天線的幅相誤差校正方法。

背景技術(shù)：

對(duì)于數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，接收波束形成通過(guò)加權(quán)的方式消除入射信號(hào)到不同天線單元的相位差，實(shí)現(xiàn)各通道信號(hào)的同相疊加，使接收增益在目標(biāo)方向上達(dá)到最大；發(fā)射波束形成通過(guò)對(duì)各個(gè)通道發(fā)射信號(hào)的相位進(jìn)行控制，使發(fā)射的方向增益在某一個(gè)方向上達(dá)到最大，即在該方向上形成一個(gè)波束。接收和發(fā)射波束形成的基本條件是要求通道具有一定的平穩(wěn)性，以及各個(gè)通道間的幅度和相位保持一致。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，由于天線安裝精度有限、環(huán)境變化等因素的影響，各通道間的幅度和相位無(wú)法保證完全一致。總的來(lái)說(shuō)，通道幅相誤差可大致分為兩種：隨機(jī)誤差和固定誤差。對(duì)于隨機(jī)誤差來(lái)說(shuō)，由于雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)中某些器件的特性會(huì)隨著外界環(huán)境的變化而變化，導(dǎo)致各通道的幅相也隨之變化，無(wú)法保持一致，每次雷達(dá)開(kāi)機(jī)都會(huì)變化。而固定誤差是由天線陣列的不一致所引起的，一旦天線安裝結(jié)束，由天線單元安裝誤差、射頻電纜的長(zhǎng)度不同而引起的通道間幅相誤差的差異基本不變，不用每次雷達(dá)開(kāi)機(jī)時(shí)都校正。實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)中，隨機(jī)誤差和固定誤差綜合起來(lái)影響各通道幅相的一致性，最終導(dǎo)致波束形成效果不佳。

為保證陣列雷達(dá)系統(tǒng)的性能，需要對(duì)由隨機(jī)誤差和固定誤差綜合導(dǎo)致的通道幅相誤差進(jìn)行校正，消除通道間幅相誤差。目前，大多數(shù)幅相誤差校正方法都是針對(duì)傳統(tǒng)的邊射陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)，并不適用于端射陣?yán)走_(dá)。所謂的邊射陣是指天線的波束指向垂直于天線陣面，而端射陣的波束指向沿著天線陣面的軸向。因此，傳統(tǒng)的邊射陣幅相誤差校正方法不能直接用于對(duì)端射陣列天線雷達(dá)系統(tǒng)的幅相誤差校正。此外，由于端射陣列天線的實(shí)現(xiàn)形式多種多樣，因此不同端射陣列天線系統(tǒng)的幅相誤差校正方法也不盡相同。目前，尚未有針對(duì)平板端射陣列天線雷達(dá)系統(tǒng)的幅相誤差校正方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠消除由于隨機(jī)誤差和固定誤差綜合導(dǎo)致的平板端射陣列天線各收發(fā)通道之間的幅相差異，提高平板端射陣在實(shí)際應(yīng)用中的天線性能的適用于平板端射陣列天線的幅相誤差校正方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：一種適用于平板端射陣列天線的幅相誤差校正方法，該方法包括下列順序的步驟：

(1)搭建幅相誤差校正系統(tǒng)：根據(jù)平板端射陣列天線的規(guī)模，設(shè)計(jì)相應(yīng)的校正網(wǎng)絡(luò)、校正分機(jī)、收發(fā)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、信號(hào)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，然后連接組成平板端射陣列天線有源系統(tǒng)；

(2)布置暗室測(cè)試場(chǎng)景：設(shè)置近場(chǎng)采樣面到天線結(jié)構(gòu)的距離；根據(jù)被測(cè)天線結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)置近場(chǎng)掃描探頭采樣平面尺寸；設(shè)置近場(chǎng)采樣間隔；設(shè)置測(cè)試頻率；設(shè)置近場(chǎng)掃描探頭的極化方式；

(3)執(zhí)行校正操作：基于設(shè)定好的測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)行接收內(nèi)校、發(fā)射內(nèi)校、接收外校、發(fā)射外校操作，同時(shí)記錄測(cè)試結(jié)果；

(4)計(jì)算幅相誤差補(bǔ)償系數(shù)：根據(jù)近場(chǎng)掃描探頭的位置，計(jì)算由于傳播路徑不同導(dǎo)致的平板端射陣列天線各通道傳輸信號(hào)的幅度相位差異；然后，結(jié)合內(nèi)校和外校測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算平板端射陣列天線各通道接收和發(fā)射的幅相誤差補(bǔ)償系數(shù)；

(5)波瓣測(cè)試驗(yàn)證：近場(chǎng)掃描探頭在預(yù)先規(guī)劃好的區(qū)域內(nèi)依次通過(guò)各個(gè)預(yù)設(shè)采樣位置進(jìn)行掃描，平板端射陣列天線接收每個(gè)采樣位置處近場(chǎng)掃描探頭發(fā)射的信號(hào)，得到近場(chǎng)采樣數(shù)據(jù)；將幅相誤差補(bǔ)償系數(shù)代入近場(chǎng)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行波束合成，得到平板端射陣列天線的近場(chǎng)幅相分布，進(jìn)一步通過(guò)暗室測(cè)試系統(tǒng)將近場(chǎng)幅相分布轉(zhuǎn)換成遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。

在步驟(1)中，所述校正網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)相互連通的耦合單元組成，用于接收內(nèi)校和發(fā)射內(nèi)校的信號(hào)傳輸；每個(gè)耦合單元含有兩個(gè)端口，一個(gè)端口連接天線單元，另一個(gè)端口連接收發(fā)系統(tǒng)的收發(fā)通道；所有互聯(lián)的耦合單元通過(guò)一個(gè)總口與校正分機(jī)相連；

所述校正分機(jī)在接收內(nèi)校和發(fā)射內(nèi)校時(shí)與校正網(wǎng)絡(luò)相連，用于通過(guò)校正網(wǎng)絡(luò)發(fā)射和接收測(cè)試信號(hào)；在接收外校和發(fā)射外校時(shí)與近場(chǎng)掃描探頭連接，用于通過(guò)近場(chǎng)掃描探頭發(fā)射和接收測(cè)試信號(hào)；

所述收發(fā)系統(tǒng)將平板端射陣列天線接收的電磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為信號(hào)處理及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以處理的數(shù)字信號(hào)；產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試信號(hào)并通過(guò)平板端射陣列天線發(fā)射出去；根據(jù)天線單元數(shù)，確定所需的收發(fā)通道數(shù)，每個(gè)天線單元對(duì)應(yīng)一個(gè)收發(fā)通道，從而確定收發(fā)系統(tǒng)的規(guī)模；

所述信號(hào)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于控制測(cè)試信號(hào)的發(fā)射和接收，以及幅相誤差系數(shù)的計(jì)算、波束形成。

在步驟(2)中，設(shè)置近場(chǎng)采樣面到天線結(jié)構(gòu)的距離為L(zhǎng)＝Nλ，其中λ為發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)，N為3～5，根據(jù)被測(cè)天線結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)置近場(chǎng)掃描探頭采樣面的尺寸，使得采樣面邊界處的電平低于中心處30dB～40dB，近場(chǎng)采樣間隔設(shè)置為dx≤λ/2，dy≤λ/2,；設(shè)置近場(chǎng)掃描探頭的測(cè)試頻率為平板端射陣列天線的中心頻率，極化方式與平板端射陣列天線的極化方式一致。

在步驟(3)中，放置端射天線面對(duì)近場(chǎng)掃描探頭，使其端射方向與近場(chǎng)掃描探頭的掃描平面垂直，外校時(shí)，近場(chǎng)掃描探頭從第一行的天線單元開(kāi)始按順序依次對(duì)準(zhǔn)每個(gè)天線單元方向圖的上翹方向，其中每行天線單元的上翹方向一致，最終形成掃描平面及探頭運(yùn)行軌跡；小黑點(diǎn)的位置與天線單元的方向圖上翹方向一一對(duì)應(yīng)；所述小黑點(diǎn)是近場(chǎng)掃描探頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所停留的位置，具體是指近場(chǎng)掃描探頭在掃描過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)到小黑點(diǎn)所示的位置時(shí)會(huì)做短暫的停留，用于發(fā)射或者接收信號(hào)；

在接收內(nèi)校時(shí)，校正分機(jī)連接校正網(wǎng)絡(luò)，發(fā)射測(cè)試信號(hào)，收發(fā)系統(tǒng)接收信號(hào)，得到每個(gè)收發(fā)通道的接收數(shù)據(jù)，用JAi表示第i個(gè)收發(fā)通道的接收數(shù)據(jù)；

在發(fā)射內(nèi)校時(shí)，校正分機(jī)連接校正網(wǎng)絡(luò)，收發(fā)通道依次發(fā)射測(cè)試信號(hào)，校正分機(jī)依次接收每個(gè)收發(fā)通道的發(fā)射信號(hào)，得到每個(gè)收發(fā)通道的發(fā)射數(shù)據(jù)，用FAi表示校正分機(jī)接收的第i個(gè)收發(fā)通道的發(fā)射數(shù)據(jù)；

在接收外校時(shí)，校正分機(jī)連接近場(chǎng)掃描探頭，測(cè)試探頭按照預(yù)先設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)；在每個(gè)小黑點(diǎn)處，探頭發(fā)射測(cè)試信號(hào)，對(duì)應(yīng)的天線單元接收信號(hào)；用JBi表示第i個(gè)收發(fā)通道的接收數(shù)據(jù)；

在發(fā)射外校時(shí)，校正分機(jī)連接近場(chǎng)掃描探頭，測(cè)試探頭按照預(yù)先設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)；在每個(gè)小黑點(diǎn)處，對(duì)應(yīng)的天線單元發(fā)射測(cè)試信號(hào)，探頭接收信號(hào)，用FBi表示校正分機(jī)接收的第i個(gè)收發(fā)通道的發(fā)射數(shù)據(jù)

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：第一，本發(fā)明可以精確的校正平板端射陣列天線各通道的幅相誤差，提高平板端射陣在實(shí)際應(yīng)用中的天線性能；第二，本發(fā)明通過(guò)采用數(shù)字技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)幅相誤差，具有可移植性強(qiáng)，控制靈活的優(yōu)點(diǎn)；第三，與無(wú)源測(cè)試不同，本發(fā)明采用有源系統(tǒng)進(jìn)行天線測(cè)試，獲得的幅相誤差數(shù)據(jù)更加精確；第四，本發(fā)明采用程序化的操作方法進(jìn)行幅相誤差校正，系統(tǒng)一旦搭建好，設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)，自動(dòng)完成各項(xiàng)操作，具有效率高的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明中暗室測(cè)試場(chǎng)景示意圖；

圖2是本發(fā)明中近場(chǎng)掃描探頭外校時(shí)的掃描過(guò)程示意圖；

圖3是本發(fā)明中近場(chǎng)掃描探頭波瓣測(cè)試時(shí)的掃描過(guò)程示意圖；

圖4、圖5是應(yīng)用本發(fā)明對(duì)平板端射陣列天線的波瓣測(cè)試結(jié)果，其中圖4是方位向的方向圖，圖5是俯仰向的方向圖。

具體實(shí)施方式

一種適用于平板端射陣列天線的幅相誤差校正方法，該方法包括下列順序的步驟：

(1)搭建幅相誤差校正系統(tǒng)：根據(jù)平板端射陣列天線的規(guī)模，設(shè)計(jì)相應(yīng)的校正網(wǎng)絡(luò)、校正分機(jī)、收發(fā)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、信號(hào)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，然后連接組成平板端射陣列天線有源系統(tǒng)；

(2)布置暗室測(cè)試場(chǎng)景：如圖1所示，設(shè)置近場(chǎng)采樣面到天線結(jié)構(gòu)的距離；根據(jù)被測(cè)天線結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)置近場(chǎng)掃描探頭采樣平面尺寸；設(shè)置近場(chǎng)采樣間隔；設(shè)置測(cè)試頻率；設(shè)置近場(chǎng)掃描探頭的極化方式；近場(chǎng)掃描探頭在本發(fā)明中以下簡(jiǎn)稱探頭；

(3)執(zhí)行校正操作：基于設(shè)定好的測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)行接收內(nèi)校、發(fā)射內(nèi)校、接收外校、發(fā)射外校操作，同時(shí)記錄測(cè)試結(jié)果；

(4)計(jì)算幅相誤差補(bǔ)償系數(shù)：根據(jù)近場(chǎng)掃描探頭的位置，計(jì)算由于傳播路徑不同導(dǎo)致的平板端射陣列天線各通道傳輸信號(hào)的幅度相位差異；然后，結(jié)合內(nèi)校和外校測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算平板端射陣列天線各通道接收和發(fā)射的幅相誤差補(bǔ)償系數(shù)；

(5)波瓣測(cè)試驗(yàn)證：近場(chǎng)掃描探頭在預(yù)先規(guī)劃好的區(qū)域內(nèi)依次通過(guò)各個(gè)預(yù)設(shè)采樣位置進(jìn)行掃描，平板端射陣列天線接收每個(gè)采樣位置處近場(chǎng)掃描探頭發(fā)射的信號(hào)，得到近場(chǎng)采樣數(shù)據(jù)；將幅相誤差補(bǔ)償系數(shù)代入近場(chǎng)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行波束合成，得到平板端射陣列天線的近場(chǎng)幅相分布，進(jìn)一步通過(guò)暗室測(cè)試系統(tǒng)4將近場(chǎng)幅相分布轉(zhuǎn)換成遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。暗室內(nèi)的暗室測(cè)試系統(tǒng)4，可以將天線的近場(chǎng)采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成遠(yuǎn)場(chǎng)的方向圖。

如圖1所示，吸波材料1、探頭2、采樣架3是暗室固有的設(shè)備，其中吸波材料1貼滿整個(gè)暗室的墻面、天花板、地面，同時(shí)天線單元5周圍也布置滿吸波材料1。探頭2安裝在采樣架3上，通過(guò)控制采樣架3的運(yùn)動(dòng)來(lái)移動(dòng)探頭2。暗室測(cè)試系統(tǒng)4是一套用于控制采樣架3移動(dòng)、分析采樣數(shù)據(jù)以及產(chǎn)生控制信號(hào)的軟件和硬件系統(tǒng)統(tǒng)稱，是暗室的專用測(cè)試設(shè)備。

在步驟(1)中，所述校正網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)相互連通的耦合單元組成，用于接收內(nèi)校和發(fā)射內(nèi)校的信號(hào)傳輸；每個(gè)耦合單元含有兩個(gè)端口，一個(gè)端口連接天線單元5，另一個(gè)端口連接收發(fā)系統(tǒng)的收發(fā)通道；所有互聯(lián)的耦合單元通過(guò)一個(gè)總口與校正分機(jī)相連；

所述校正分機(jī)在接收內(nèi)校和發(fā)射內(nèi)校時(shí)與校正網(wǎng)絡(luò)相連，用于通過(guò)校正網(wǎng)絡(luò)發(fā)射和接收測(cè)試信號(hào)；在接收外校和發(fā)射外校時(shí)與近場(chǎng)掃描探頭連接，用于通過(guò)近場(chǎng)掃描探頭發(fā)射和接收測(cè)試信號(hào)；

所述收發(fā)系統(tǒng)將平板端射陣列天線接收的電磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為信號(hào)處理及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以處理的數(shù)字信號(hào)；產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試信號(hào)并通過(guò)平板端射陣列天線發(fā)射出去；根據(jù)天線單元數(shù)，確定所需的收發(fā)通道數(shù)，每個(gè)天線單元5對(duì)應(yīng)一個(gè)收發(fā)通道，從而確定收發(fā)系統(tǒng)的規(guī)模；

所述信號(hào)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于控制測(cè)試信號(hào)的發(fā)射和接收，以及幅相誤差系數(shù)的計(jì)算、波束形成。

在步驟(2)中，設(shè)置近場(chǎng)采樣面到天線結(jié)構(gòu)的距離為L(zhǎng)＝Nλ，其中λ為發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)，N為3～5，根據(jù)被測(cè)天線結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)置近場(chǎng)掃描探頭采樣面的尺寸，使得采樣面邊界處的電平低于中心處30dB～40dB，近場(chǎng)采樣間隔設(shè)置為dx≤λ/2，dy≤λ/2,；設(shè)置近場(chǎng)掃描探頭的測(cè)試頻率為平板端射陣列天線的中心頻率，極化方式與平板端射陣列天線的極化方式一致。

在步驟(3)中，如圖2所示，放置端射天線面對(duì)近場(chǎng)掃描探頭，使其端射方向與近場(chǎng)掃描探頭的掃描平面垂直。外校時(shí)，近場(chǎng)掃描探頭從第一行的天線單元5開(kāi)始按順序依次對(duì)準(zhǔn)每個(gè)天線單元5方向圖的上翹方向，其中每行天線單元5的上翹方向一致，最終形成如圖2所示的掃描平面及探頭運(yùn)行軌跡。圖2中的小黑點(diǎn)的位置與天線單元5的方向圖上翹方向一一對(duì)應(yīng)，例如探頭掃描的位置a對(duì)準(zhǔn)天線單元51方向圖的上翹方向，探頭會(huì)在每個(gè)小黑點(diǎn)處與對(duì)應(yīng)的天線單元5相互傳輸信號(hào)。所述小黑點(diǎn)是近場(chǎng)掃描探頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所停留的位置，具體是指近場(chǎng)掃描探頭在掃描過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)到小黑點(diǎn)所示的位置時(shí)會(huì)做短暫的停留，用于發(fā)射或者接收信號(hào)。

如圖3所示，波瓣測(cè)試時(shí)，近場(chǎng)掃描探頭在預(yù)設(shè)的掃描平面上按照預(yù)設(shè)的軌跡運(yùn)動(dòng)。探頭在掃描平面上按照從左到右、從上到下的順序運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至每個(gè)小黑點(diǎn)的位置時(shí)，與天線陣面相互傳輸信號(hào)。

在接收內(nèi)校時(shí)，校正分機(jī)連接校正網(wǎng)絡(luò)，發(fā)射測(cè)試信號(hào)，收發(fā)系統(tǒng)接收信號(hào)，得到每個(gè)收發(fā)通道的接收數(shù)據(jù)，用JAi表示第i個(gè)收發(fā)通道的接收數(shù)據(jù)；

在發(fā)射內(nèi)校時(shí)，校正分機(jī)連接校正網(wǎng)絡(luò)，收發(fā)通道依次發(fā)射測(cè)試信號(hào)，校正分機(jī)依次接收每個(gè)收發(fā)通道的發(fā)射信號(hào)，得到每個(gè)收發(fā)通道的發(fā)射數(shù)據(jù)，用FAi表示校正分機(jī)接收的第i個(gè)收發(fā)通道的發(fā)射數(shù)據(jù)；

在接收外校時(shí)，如圖2所示，校正分機(jī)連接近場(chǎng)掃描探頭，測(cè)試探頭按照預(yù)先設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)；在每個(gè)小黑點(diǎn)處，探頭發(fā)射測(cè)試信號(hào)，對(duì)應(yīng)的天線單元5接收信號(hào)；用JBi表示第i個(gè)收發(fā)通道的接收數(shù)據(jù)；

在發(fā)射外校時(shí)，如圖2所示，校正分機(jī)連接近場(chǎng)掃描探頭，測(cè)試探頭按照預(yù)先設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)；在每個(gè)小黑點(diǎn)處，對(duì)應(yīng)的天線單元5發(fā)射測(cè)試信號(hào)，探頭接收信號(hào)，用FBi表示校正分機(jī)接收的第i個(gè)收發(fā)通道的發(fā)射數(shù)據(jù)

外校時(shí)，以第一個(gè)天線單元到近場(chǎng)掃描探頭的距離為基準(zhǔn)，用Ci表示第i個(gè)天線單元到近場(chǎng)掃描探頭傳播路徑不同所引起的傳輸信號(hào)的幅度相位差異，則第i個(gè)收發(fā)通道的接收和發(fā)射的校正系數(shù)分別計(jì)算為JDi＝JAi*Ci/JBi和FDi＝FAi*Ci/FBi。

波瓣測(cè)試步驟：如圖3所示，近場(chǎng)掃描探頭在預(yù)設(shè)掃描區(qū)域內(nèi)按預(yù)先規(guī)劃好的掃描軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和數(shù)據(jù)采樣。在每個(gè)小黑點(diǎn)處，平板端射陣列天線接收近場(chǎng)掃描探頭的發(fā)射信號(hào)，得到近場(chǎng)采樣數(shù)據(jù)。將幅相誤差補(bǔ)償系數(shù)代入近場(chǎng)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行波束合成，得到平板端射陣列天線的近場(chǎng)幅相分布，進(jìn)一步通過(guò)暗室測(cè)試系統(tǒng)4將近場(chǎng)幅相分布轉(zhuǎn)換成遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。如圖4、圖5所示，波瓣測(cè)試的結(jié)果符合平板端射陣列天線的方向圖特性，驗(yàn)證了本發(fā)明所提出方法的有效性。

本發(fā)明針對(duì)平板端射陣列天線的特點(diǎn)，通過(guò)合理搭建測(cè)試系統(tǒng)、優(yōu)化設(shè)計(jì)探頭掃描路徑、以及采用數(shù)字處理的方法，解決了傳統(tǒng)校正方法無(wú)法有效進(jìn)行平板端射陣列天線幅相誤差校正的難題，提高平板端射陣在實(shí)際應(yīng)用中的天線性能。通過(guò)暗室測(cè)試實(shí)驗(yàn)，證明了該方法的有效性，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。