CN114465675B - 一种适用于拼阵的相控阵天线的校准方法 - Google Patents

一种适用于拼阵的相控阵天线的校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种适用于拼阵的相控阵天线的校准方法，对拼阵的前端阵面各个通道进行近场校准，得到每个通道的相位补偿数据；通过外校准天线对前端阵面的每个子阵通道进行校准，之后再对整个雷达***进行校准，二者相减后可得到雷达除前端阵面外所有后端的相位数据；用功分器将两个阵面的子阵相连，作为基准面进行各通道的近场校准，并分别计算出两个拼阵的阵面与基准面的平均相位补偿差值；外校准天线获取固定通道每次拼阵时的相位差值，通过叠加计算可得到雷达阵面最终的相位值。本发明在拼阵时，可进行实时校准，以相位补偿的方式消除每次拼阵时相位的不一致性的问题，不需要拆机，不需要带回远场重新校准，也大大节约了测试时间和测试成本。

Description

一种适用于拼阵的相控阵天线的校准方法
技术领域
本发明涉及相控阵雷达天线校准领域，特别涉及一种适用于拼阵的相控阵天线的校准方法。
背景技术
随着相控阵雷达技术的发展和成熟，人们对相控阵雷达天线的要求日渐增多，包括相控阵雷达天线工作模式的多样性，在某些领域希望能在常规工作模式和拼阵模式下反复切换。在常规模式下，作为两个独立的雷达阵面进行工作，分别对不同的方位进行波束扫描；而为了获取更大的发射功率，增加目标探测距离，需要将两个阵面旋转拼接起来作为一个雷达阵面进行工作，即拼阵模式。
从常规模式到拼阵模式或从拼阵模式到常规模式时，阵面通道的相位值会被改变，同样，每次拼阵阵面通道相位也会存在差异。如果仍采取传统的校准方法则需要将雷达天线拆机带回远场进行重新校准，此过程费时费力，无法对相控阵雷达天线进行实时校准和补偿，不利于甚至是不能实现相控阵雷达天线在整个***中的应用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，提供了一种适用于拼阵的相控阵天线的校准方法，该方法不需要拆机，不需要带回远场重新校准，且在每次拼阵时均可进行实时校准，以补偿每次拼阵时相位的不一致性的问题，实现常规模式和拼阵模式实时切换。
本发明采用的技术方案如下：一种适用于拼阵的相控阵天线的校准方法，包括：
步骤1、对待拼阵的前端阵面各个通道进行近场校准，得到每个通道的相位补偿数据；
步骤2、通过外校准天线对前端阵面的每个子阵通道进行校准以及整个雷达***进行校准，将二者校准结果相减，得到雷达***除前端阵面外的所有通道后端的相位数据；
步骤3、采用功分器将待拼阵的两个前端阵面的子阵相连，并将其作为基准面；对基准面的各通道进行近场校准得到基准面各通道的相位补偿数据；计算基准面各通道的相位数据与基准面各通道对应在原前端阵面中通道的相位补偿数据之间的差值，求平均得到前端阵面与基准面的单通道相位差；
步骤4、在首次拼阵时，选取前端阵面某一固定通道，并通过外校准天线对该固定通道校准，得到参考值；在之后的每次拼阵时，通过外校准天线对前端阵面中固定通道进行校准得到固定通道的相位值，将相位值与参考值作比较得到对应前端阵面拼阵时固定通道相位差；
步骤5、拼阵后，采用步骤1-4得到的相位补偿数据、通道后端的相位数据、单通道相位差以及前端阵面拼阵时固定通道相位差对拼阵后前端阵面的对应通道进行相位补偿，完成校准。
进一步的，还包括，不拼阵时雷达天线阵面各通道的校准方法：通过近场校准得到的各通道相位补偿数据与通道后端的相位数据对雷达天线阵面各通道进行补偿。
进一步的，所述步骤3中，在拼阵的两个前端阵面中，将前一个前端阵面的最后两个子阵与后一个前端阵面的最前两个子阵通道作为基准面进行近场校准。
进一步的，所述单通道相位差具体计算过程为：作为基准面校准时，前一个前端阵面的最后两个子阵通道的相位补偿分别为：C1(X-1)Y、C1XY，后一个前端阵面的最前两个子阵通道的相位补偿分别为C21Y、C22Y，由此计算得到：
前一个前端阵面与基准面的单通道相位补偿差值为：
ΔC1 = {[C1(X-1)Y - A(X-1)Y]+(C1XY - AXY)}/2*Q；
其中，A(X-1)Y、AXY分别为拼阵前前一个前端阵面的第X-1个子阵第Y通道的相位补偿和第X个子阵第Y通道的相位补偿，Q表示每个子阵的通道总数；
后一个前端阵面与基准面的单通道相位补偿差值为：
ΔC2 = [(C21Y - B1Y)+(C22Y - B2Y)]/2*Q；
其中，B1Y、B2Y分别为拼阵前前一个前端阵面的第1个子阵第Y通道的相位补偿和第2个子阵第Y通道的相位补偿，Q表示每个子阵的通道总数。
进一步的，所述步骤4中，在前端阵面首次拼阵时，选取前端阵面中某一固定通道校准的得到相位数据存入FLASH作为参考值；在该前端阵面每一次拼阵后都再一次通过外交准天线对该固定通道进行校准得到拼阵后的相位数据，将其与参考值作比较，并将比较后得到的差值作为该前端阵面各通道的相位补偿。
进一步的，所述步骤5中，拼阵后，前端阵面的各通道相位=理论相位+拼阵前近场校准得到的各通道相位补偿数据+各通道后端相位数据+拼阵后单通道相位补偿差值+拼阵前后固定通道相位差，其中，理论相位为未经任何补偿的通道相位。
进一步的，所述外校准天线为雷达***前端自带的天线。
进一步的，所述步骤3中采用一分四功分器连接两个前端阵面的子阵。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：该方法在雷达***装机后进行拼阵时，可进行实时校准，以相位补偿的方式消除每次拼阵时相位的不一致性的问题，不需要拆机，不需要带回远场重新校准，也大大节约了测试时间和测试成本。
附图说明
图1为本发明提出的校准方法流程图。
图2为本发明一实施例中相控阵天线阵面示意图。
图3为本发明一实施例中相控阵天线近场校准示意图。
图4为本发明一实施例中外校准天线校准前端阵面示意图。
图5为本发明一实施例中外校准天线校准雷达***示意图（包括前端和后端）。
图6为本发明一实施例中1分4功分器连接两个阵面校准示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
如图1所示，一种适用于拼阵的相控阵天线的校准方法，包括：
步骤1、对待拼阵的前端阵面各个通道进行近场校准，得到每个通道的相位补偿数据；
步骤2、通过外校准天线对前端阵面的每个子阵通道进行校准以及整个雷达***进行校准，将二者校准结果相减，得到雷达***除前端阵面外的所有通道后端的相位数据；
步骤3、采用功分器将待拼阵的两个前端阵面的子阵相连，并将其作为基准面；对基准面的各通道进行近场校准得到基准面各通道的相位补偿数据；计算基准面各通道的相位数据与基准面各通道对应在原前端阵面中通道的相位补偿数据之间的差值，求平均得到前端阵面与基准面的单通道相位差；
步骤4、在首次拼阵时，选取前端阵面某一固定通道，并通过外校准天线对该固定通道校准，得到参考值；在之后的每次拼阵时，通过外校准天线对前端阵面中固定通道进行校准得到固定通道的相位值，将相位值与参考值作比较得到对应前端阵面拼阵时固定通道相位差；
步骤5、拼阵后，采用步骤1-4得到的相位补偿数据、通道后端的相位数据、单通道相位差以及前端阵面拼阵时固定通道相位差对拼阵后前端阵面的对应通道进行相位补偿，完成校准。
具体的，本实施例以如图2所示的前端阵面为例进行详细说明上述校准过程，该前端阵面包括P个子阵，每个子阵包括Q个通道，前端阵面通道数为P*Q个，X表示第X个子阵，Y表示第Y个通道，X取值为1~P，Y取值为1~Q。
如图3所示，对于两个待拼阵的前端阵面1和前端阵面2，如图2所示，对两个前端阵面进行近场校准，将阵面补平，分别得到两个前端阵面的相位补偿数据。
前端阵面1的相位补偿数据用矩阵AX表示为：AX=[AX1、AX2、...、AXY]，其中AXY表示子阵X的第Y通道的相位补偿。
前端阵面2的相位补偿数据用矩阵BX表示为：BX=[BX1、BX2、...、BXY]，其中BXY表示子阵X的第Y通道的相位补偿。
需要说明的时，雷达***由前端阵面与后端处理机构成，在本实施例中，如图4所示，先通过雷达***自带的外校准天线对两个前端阵面进行校准，得到：
前端阵面1的子阵通道相位数据，用矩阵MX表示为：MX=[MX1、MX2、...、MXY]，其中MXY表示子阵X的第Y通道的相位。
前端阵面2的子阵通道相位数据，用矩阵NX表示为：NX=[NX1、NX2、...、NXY]，其中NXY表示子阵X的第Y通道的相位。
如图5所示，再通过外交准天线对两个前端阵阵面分别对应的整个雷达***通道进行校准，分别得到：
雷达***1通道相位，用矩阵MX表示为：MX=[MX11、MX22、...、MXYY]，其中MXYY表示子阵X的第Y通道的相位。
雷达***2通道相位，用矩阵NX表示为：NX=[NX11、NX22、...、NXYY]，其中NXYY表示子阵X的第Y通道的相位。
由此，计算得到雷达***1各通道后端的相位数据为：ΔMXY=MXY – MXYY，雷达***2各通道后端的相位数据为ΔNXY=NXY - NXYY。
此时，该后端相位数据和步骤1中得到的相位补偿数据不仅可以用于拼阵时的校准，还用于不拼阵时的天线校准，即：
不拼阵情况下，
雷达***1的通道相位（校准后）=理论相位+ MXY+ΔMXY；
雷达***2的通道相位（校准后）=理论相位+ NXY+ΔNXY。
进一步的，如图6所示，在步骤3中，通过功分器连接前端阵面1的子阵X-1、子阵X以及前端阵面2的子阵1、子阵2，并将其作为基准面进行通道校准，由此，得到前端阵面1子阵X-1通道的相位补偿C1(X-1)Y、前端阵面1子阵X通道相位补偿C1XY、前端阵面2的子阵1通道相位补偿C21Y以及前端阵面2子阵2的通道相位补偿C22Y。在本实施例中采用1分4功分器连接两个前端阵面。
由此，通过求平均值即可计算出，前端阵面1与基准面的单通道相位补偿差值：
ΔC1 = {[C1(X-1)Y - A(X-1)Y]+(C1XY - AXY)}/2*Q；
前端阵面2与基准面的单通道相位补偿差值：
ΔC2 = [(C21Y - B1Y)+(C22Y - B2Y)]/2*Q；
最后，在首次拼阵时或存在基准面时，通过外校准天线对前端阵面1和前端阵面2的某个固定通道校准，并将校准得到相位作为参考值；在之后的每次拼阵时，先通过外校准天线对两个前端阵面的对应固定通道再次进行校准，得到拼阵后固定通道相位值，将该相位值与参考值进行比较分别得到前端阵面1的固定通道相位差值ΔD1，前端阵面2的固定通道相位差值ΔD2。在本实施例中，参考值可存储于FLASH中，在每次拼阵时都能进行比较获得需要的相应差值。
根据前述计算即可完成拼阵后的前端阵面1和前端阵面2的校准：
前端阵面1对应的各通道相位=理论相位+AXY+ΔMXY+ΔC1+ΔD1；
前端阵面2对应的各通道相位=理论相位+AXY+ΔNXY+ΔC2+ΔD2；
即可完成相控阵天线拼阵后的校准。
另外，由于将ΔC1(ΔC2)和ΔD1（ΔD2）与未拼阵时阵面通道相位相叠加则得到拼阵后的相位。因此，将该校准数据储存于FLASH中，通过波控软件取数的选择，可实现非拼阵和拼阵情况下阵面相位的切换。
本发明在进行相控阵天线拼阵的校准时，其不仅实现天线拼阵的校准，同时还能兼容非拼阵模式下的校准，不需要拆机，不需要带回远场重新校准，大大节约了测试时间和测试成本。此外，本发明还以相位补偿的方式消除每次拼阵时相位的不一致性的问题，并且在最终***实际应用中能实现拼阵模式和非拼阵模式的任意切换。
需要说明的是，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”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；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种适用于拼阵的相控阵天线的校准方法，其特征在于，包括：
步骤1、对待拼阵的前端阵面各个通道进行近场校准，得到每个通道的相位补偿数据；
步骤2、通过外校准天线对前端阵面的每个子阵通道进行校准以及整个雷达***进行校准，将二者校准结果相减，得到雷达***除前端阵面外的所有通道后端的相位数据；
步骤3、采用功分器将待拼阵的两个前端阵面的子阵相连，并将其作为基准面；对基准面的各通道进行近场校准得到基准面各通道的相位补偿数据；计算基准面各通道的相位数据与基准面各通道对应在原前端阵面中通道的相位补偿数据之间的差值，求平均得到前端阵面与基准面的单通道相位差；
步骤4、在首次拼阵时，选取前端阵面某一固定通道，并通过外校准天线对该固定通道校准，得到参考值；在之后的每次拼阵时，通过外校准天线对前端阵面中固定通道进行校准得到固定通道的相位值，将相位值与参考值作比较得到对应前端阵面拼阵时固定通道相位差；
步骤5、拼阵后，采用步骤1-4得到的相位补偿数据、通道后端的相位数据、单通道相位差以及前端阵面拼阵时固定通道相位差对拼阵后前端阵面的对应通道进行相位补偿，完成校准。
2.根据权利要求1所述的适用于拼阵的相控阵天线的校准方法，其特征在于，还包括，不拼阵时雷达天线阵面各通道的校准方法：通过近场校准得到的各通道相位补偿数据与通道后端的相位数据对雷达天线阵面各通道进行补偿。
3.根据权利要求1或2所述的适用于拼阵的相控阵天线的校准方法，其特征在于，所述步骤3中，在拼阵的两个前端阵面中，将前一个前端阵面的最后两个子阵与后一个前端阵面的最前两个子阵通道作为基准面进行近场校准。
4.根据权利要求3所述的适用于拼阵的相控阵天线的校准方法，其特征在于，所述单通道相位差具体计算过程为：作为基准面校准时，前一个前端阵面的最后两个子阵通道的相位补偿分别为：C1(X-1)Y、C1XY，后一个前端阵面的最前两个子阵通道的相位补偿分别为C21Y、C22Y，由此计算得到：
前一个前端阵面与基准面的单通道相位补偿差值为：
ΔC1 = {[C1(X-1)Y - A(X-1)Y]+(C1XY - AXY)}/2*Q；
其中，A(X-1)Y、AXY分别为拼阵前前一个前端阵面的第X-1个子阵第Y通道的相位补偿和第X个子阵第Y通道的相位补偿，Q表示每个子阵的通道总数；
后一个前端阵面与基准面的单通道相位补偿差值为：
ΔC2 = [(C21Y - B1Y)+(C22Y - B2Y)]/2*Q；
其中，B1Y、B2Y分别为拼阵前前一个前端阵面的第1个子阵第Y通道的相位补偿和第2个子阵第Y通道的相位补偿，Q表示每个子阵的通道总数。
5.根据权利要求1所述的适用于拼阵的相控阵天线的校准方法，其特征在于，所述步骤4中，在前端阵面首次拼阵时，选取前端阵面中某一固定通道校准的得到相位数据存入FLASH作为参考值；在该前端阵面每一次拼阵后都再一次通过外交准天线对该固定通道进行校准得到拼阵后的相位数据，将其与参考值作比较，并将比较后得到的差值作为该前端阵面各通道的相位补偿。
6.根据权利要求1所述的适用于拼阵的相控阵天线的校准方法，其特征在于，所述步骤5中，拼阵后，前端阵面的各通道相位=理论相位+拼阵前近场校准得到的各通道相位补偿数据+各通道后端相位数据+拼阵后单通道相位补偿差值+拼阵前后固定通道相位差，其中，理论相位为未经任何补偿的通道相位。
7.根据权利要求1所述的适用于拼阵的相控阵天线的校准方法，其特征在于，所述外校准天线为雷达***前端自带的天线。
8.根据权利要求1所述的适用于拼阵的相控阵天线的校准方法，其特征在于，所述步骤3中采用一分四功分器连接两个前端阵面的子阵。
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