CN116047436A - 有源相控阵雷达天线的近场幅相校准方法、***、设备 - Google Patents

有源相控阵雷达天线的近场幅相校准方法、***、设备 Download PDF

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CN116047436A CN202211732927.5A CN202211732927A CN116047436A CN 116047436 A CN116047436 A CN 116047436A CN 202211732927 A CN202211732927 A CN 202211732927A CN 116047436 A CN116047436 A CN 116047436A
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Abstract

本说明书公开了一种有源相控阵雷达天线的近场幅相校准方法、***、设备，涉及相控阵雷达天线校准技术领域，旨在解决现有技术对相控阵雷达天线进行近场校准鲁棒性较差的问题。本发明方法包括：对各发射通道一一进行平面扫描，获取相控阵雷达天线的各发射通道的幅度值、相位值；计算幅度值、相位值的误差，并基于误差对各发射通道进行校准；判断是否需要重新进行平面扫描，若否，则计算待测的发射通道的幅度值、相位值；获取待测的发射通道对应的参考阵面的幅度值、相位值，计算幅度值、相位值之间的误差，并基于误差对待测的发射通道再次进行校准。本发明提高了雷达天线方向图的补偿精度和效率，解决了有源相控阵雷达天线的幅相校准鲁棒性差问题。

Description

有源相控阵雷达天线的近场幅相校准方法、***、设备
技术领域
本文件涉及相控阵雷达天线校准技术领域，尤其涉及一种有源相控阵雷达天线的近场幅相校准方法、***、设备。
背景技术
有源相控阵雷达的天线阵面由众多辐射单元组成，每个连接单元的T/R组件都能独立改变收发信号的幅相，在极短的时间内形成多个指向的波束。因其具有灵活的波束控制能力，以及信号增益、抗干扰和空间分辨力等方面的优势，可有效提高雷达装备的大范围快速搜索、高精度探测和全天候工作的能力。随着有源相控阵雷达在我国武器装备、气象探测、海洋检测、民用航空等不同领域的广泛应用，针对***中用于发射和接收雷达信号的相控阵天线的性能考核也日趋严格。天线方向图是相控阵天线的最主要性能之一，通过快速改变天线方向图的波束指向，使天线按照预设的方式进行空域扫描，从而实现雷达装备的工作性能。
有源相控阵雷达由于存在制造公差、装配误差、器件不一致性以及通道内损耗和单元间耦合等诸多方面的原因，往往使雷达天线单元、TR组件、雷达收发信道的幅相一致性存在误差。幅相一致性误差是指在相控阵天线各单元通道辐射信号时，实际采样的幅相参数与预设值的误差。该误差会造成辐射方向图畸变，使波束指向发生变化，进而导致天线工作性能的降低，无法满足指标需求。
因此，有源相控阵天线各通道的幅度和相位一致性的好坏直接决定了天线产品最终方向图辐射性能，需对有源相控阵雷达天线的幅相一致性进行校准，获得天线阵面通道的幅度初始分布与相位初始分布，并据此处理得到阵面通道的幅相补偿表，补偿通道初始幅相值，提高天线方向图的精度和工作效率。一方面，每套相控阵天线产品性能调试的首个步骤均为通道幅度和相位的校准，将其校准后获得的幅度和相位数据反向补偿给天线，使天线阵元间工作在相同的幅度和相位，以形成等相位面，此后天线方向图综合的所有数据均基于此等相位面，由此对天线幅度相位一致性的计量，可直接评估天线是否达到校准目的，有利于整机实现优良性能。另一方面，有源相控阵天线随着长期贮存或复杂电磁环境使用后，有产生通道幅度相位一致性误差的可能，从而导致产品性能与出厂时存在一定差异，这就需要再次开展天线幅相一致性计量校准工作，确定产品是否满足继续使用的条件。
对相控阵雷达天线幅相一致性的校准方法，在工程上常采用近场扫描法。近场校准方法具有成本低、精度高、信息量大等优势，此方法操作简单，可通过计算机实时监测待测通道的信息。但近场扫描法通常忽略了阵元间存在的互耦效应，难以精确地修正通道的幅相一致性误差
本发明为解决上述校准难题，提出了一种有源相控阵雷达天线的近场幅相校准方法。
发明内容
本说明书提供了一种有源相控阵雷达天线的近场幅相校准方法，用以解决现有技术采用近场扫描法对相控阵雷达天线进行近场校准，但近场扫描法通常忽略了阵元间存在的互耦效应，难以精确地修正通道的幅相一致性误差，导致校准鲁棒性较差的问题，该方法包括以下步骤；
步骤S100，调整待校准的相控阵雷达天线处于单通道工作，并通过所述有源相控阵雷达天线的近场幅相校准***中的微波探头依次对各发射通道一一进行平面扫描，获取相控阵雷达天线的各发射通道的幅度值、相位值，作为第一幅度值、第一相位值；
步骤S200，结合预设的波控映射表，分别计算第一幅度值与第二幅度值、第一相位值与第二相位值的误差，并基于误差对各发射通道进行校准；所述第二幅度值、所述第二相位值分别为波控映射表中预设的幅度值、相位值；
步骤S300，判断第一幅度值与第二幅度值的误差大于设定的幅度误差阈值的发射通道数量是否小于设定数量阈值且第一相位值与第二相位值的误差大于设定的相位误差阈值的发射通道数量是否小于设定数量阈值，若是，则跳转步骤S400，否则跳转步骤S100；
步骤S400，调整相控阵雷达天线的发射通道处于多通道工作，通过相控阵雷达天线的移相器改变待测的发射通道的相位并测量信号的幅度变化值，根据幅度变化值计算待测的发射通道的幅度值、相位值，作为第三幅度值、第三相位值；
步骤S500，获取待测的发射通道对应的参考阵面的幅度值、相位值，作为第四幅度值、第四相位值，计算所述第四幅度值与所述第三幅度值、所述第四相位值与所述第三相位值之间的误差，并基于误差对待测的发射通道再次进行校准。
在一些优选的实施方式中，所述波控映射表包括由发射通道的幅度值、相位值、子板号、加电号、DA号、通道号、坐标。
在一些优选的实施方式中，在步骤S100前还包括对有源相控阵雷达天线的近场幅相校准***中的微波探头校准的过程：
获取激光测量装置、待校准的微波探头以及参考天线；其中，参考天线为1GHz～18GHz参考天线；
通过所述激光测量装置测量参考天线与微波探头的三维坐标数据，并修正扫描架与参所述考天线的相对位置，进而完成所述扫描架与所述参考天线的空间位置标定；所述扫描架用于安装微波探头；
标定后，微波探头按照预设的扫描轨迹对参考天线进行扫描，根据扫描数据对微波探头进行校准。
在一些优选的实施方式中，通过相控阵雷达天线的移相器改变待测的发射通道的相位并测量信号的幅度变化值，根据幅度变化值计算待测的发射通道的幅度值、相位值，其方法为：
根据旋转矢量法，相控阵雷达天线的所有天线单元最终合成的矢量变化为
Figure BDA0004031690820000031
待测的发射通道的相位变化了Δ，则
Figure BDA0004031690820000032
变化为
Figure BDA0004031690820000033
Figure BDA0004031690820000034
其中，
Figure BDA0004031690820000035
表示第n个天线单元的矢量变化；
定义阵元单元的相对幅度k和相对相位X分别为：
Figure BDA0004031690820000036
Figure BDA0004031690820000037
电场矢量
Figure BDA0004031690820000038
和
Figure BDA0004031690820000039
的功率比如下：
Figure BDA00040316908200000310
其中，Y2＝(cosX-k)2+sin2X、
Figure BDA00040316908200000311
随着Δ的变化，电场矢量
Figure BDA00040316908200000312
和
Figure BDA00040316908200000313
的功率比函数出现最大值和最小值：
Figure BDA00040316908200000314
Figure BDA00040316908200000315
其中，γ是最大信号与最小信号的功率比；
基于最大信号与最小信号的功率比，获取相对幅度k与相对相位X，进而计算当前天线单元的幅度值、相位值。
在一些优选的实施方式中，在最大信号与最小信号的功率比取正值时，相对幅度k与相对相位X的获取方法为：
Figure BDA0004031690820000041
Figure BDA0004031690820000042
Figure BDA0004031690820000043
在一些优选的实施方式中，在最大信号与最小信号的功率比取负值时，相对幅度k与相对相位X的获取方法为：
Figure BDA0004031690820000044
Figure BDA0004031690820000045
本说明书的第二方面，提出了一种有源相控阵雷达天线的近场幅相校准***，所述近场幅相校准***设置于半电波暗室场地中，其包括：幅相校准硬件***、高精度近场扫描***、转台控制***和相控阵天线测控***；所述幅相校准硬件***、高精度近场扫描***、转台控制***和相控阵天线测控***通过通信链路连接；
所述幅相校准硬件***，包括矢量网络分析仪、微波探头；所述微波探头与所述待校准的相控阵雷达天线相对设置；所述矢量网络分析仪分别与所述微波探头与所述待校准的相控阵雷达天线连接；
所述幅相校准硬件***，用于在校准过程中，对射频信号进行发射、接收和测量；
所述高精度近场扫描***，包括高精度扫描架、近场扫描控制装置；所述高精度扫描架上安装所述微波探头；所述近场扫描控制装置与所述高精度扫描架连接；
所述高精度近场扫描***，用于通过所述近场扫描控制装置按照设定的扫描轨迹运动高精度扫描架，通过微波探头对待校准的相控阵雷达天线的各发射通道进行平面近场扫描；
所述转台控制***，三维转台和转台控制装置；所述待校准的相控阵雷达天线放置在所述三维转台上；
所述转台控制***，用于通过所述转台控制装置转动三维转台，实现相控阵雷达天线发射通道的角度旋转测量；
所述相控阵天线测控***，包括工控机和天线单元控制装置；所述工控机与所述天线单元控制装置、近场扫描控制装置、所述矢量网络分析仪连接；
所述相控阵天线测控***，用于控制所述高精度扫描架的移动及微波探头的扫描、控制移相器改变待测的发射通道的相位、控制待校准的相控阵雷达天线处于单通道或多通道的工作、获取相控阵雷达天线的各发射通道的幅度值、相位值，进而实现对相控阵雷达天线二次校准。
在一些优选的实施方式中，所述高精度扫描架定位精度在λ/50以下，其中，λ表示相控阵雷达天线辐射信号的波长。
本说明书的第三方面，提出了一种电子设备，至少一个处理器；以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的有源相控阵雷达天线的近场幅相校准方法。
本说明书的第四方面，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指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的有源相控阵雷达天线的近场幅相校准方法。
本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本发明提高了雷达天线方向图的补偿精度和效率，解决了有源相控阵雷达天线的幅相校准鲁棒性差问题。
1)本发明通过在微波暗室中搭建近场校准***对相控阵天线进行测量，实现对相控阵天线通道幅相一致性的校准。依据相控阵雷达天线各阵元的幅值和相位一致性校准需求，以及近场校准方法的优势和特征，搭建有源相控阵天线近场幅相校准***，实现快速、准确的相控阵雷达幅相一致性误差校准。采用搭建的高精度近场扫描平台进行测量，利用天线单元测控***改变电磁波辐射的幅值和相位，然后通过去互耦算法得到每一个通道的幅度及相位参数，即全阵的幅相分布，分析并补偿校准过程中的测量误差，最终实现对阵面的校准，提高校准鲁棒性。
2)本发明采用近场扫描法和旋转矢量法对相控阵天线进行两次校准，提高了雷达天线方向图的补偿精度和效率，以此解决有源相控阵雷达天线的幅相校准问题。并且在近场平面扫描校准方法中，设计扫描架装置以保证精确的轨迹移动，通过激光测量***完成扫描架和待测天线的空间位置标定，并设置校准***的波控映射表确定TR模块通道的加电顺序和扫描架的运动位置，进一步提升校准效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本说明书一实施例提供的有源相控阵雷达天线的近场幅相校准方法的流程示意图；
图2为本说明书一实施例提供的有源相控阵雷达天线的近场幅相校准***的框架示意图；
图3为本说明书一实施例提供的旋转矢量法原理的示意图；
图4为本说明书一实施例提供的合成功率随相位Δ变化的曲线示意图；
图5为本说明书一实施例提供的适于用来实现本申请实施例的电子设备的计算机***的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的一种有源相控阵雷达天线的近场幅相校准方法，如图1所示，该方法包括以下步骤；
步骤S100，调整待校准的相控阵雷达天线处于单通道工作，并通过所述有源相控阵雷达天线的近场幅相校准***中的微波探头依次对各发射通道一一进行平面扫描，获取相控阵雷达天线的各发射通道的幅度值、相位值，作为第一幅度值、第一相位值；
步骤S200，结合预设的波控映射表，分别计算第一幅度值与第二幅度值、第一相位值与第二相位值的误差，并基于误差对各发射通道进行校准；所述第二幅度值、所述第二相位值分别为波控映射表中预设的幅度值、相位值；
步骤S300，判断第一幅度值与第二幅度值的误差大于设定的幅度误差阈值的发射通道数量是否小于设定数量阈值且第一相位值与第二相位值的误差大于设定的相位误差阈值的发射通道数量是否小于设定数量阈值，若是，则跳转步骤S400，否则跳转步骤S100；
步骤S400，调整相控阵雷达天线的发射通道处于多通道工作，通过相控阵雷达天线的移相器改变待测的发射通道的相位并测量信号的幅度变化值，根据幅度变化值计算待测的发射通道的幅度值、相位值，作为第三幅度值、第三相位值；
步骤S500，获取待测的发射通道对应的参考阵面的幅度值、相位值，作为第四幅度值、第四相位值，计算所述第四幅度值与所述第三幅度值、所述第四相位值与所述第三相位值之间的误差，并基于误差对待测的发射通道再次进行校准。
为了更清晰地对本发明有源相控阵雷达天线的近场幅相校准方法进行说明，下面结合附图，对本发明方法一种实施例中各步骤进行展开详述。
在下述实施例中，先对有源相控阵雷达天线的近场幅相校准***进行详述，再对有源相控阵雷达天线的近场幅相校准方法进行详述。
本发明第一实施例的一种有源相控阵雷达天线的近场幅相校准***：
本发明搭建有源相控阵天线近场幅相校准***，实现快速、准确的相控阵雷达幅相一致性误差校准。采用搭建的高精度近场扫描平台进行测量，利用天线单元测控***改变电磁波辐射的幅值和相位，然后通过去互耦校准方法得到每一个通道的幅度及相位参数，即全阵的幅相分布，分析并补偿校准过程中的测量误差，最终实现对阵面的校准。被测产品为相控阵雷达天线，天线阵面规模优选设置为8×8阵列，阵元间距优选设置为10mm，阵面尺寸优选设置为120mm×120mm，如图2所示。具体如下：
所述近场幅相校准***设置于半电波暗室场地中，其包括：幅相校准硬件***、高精度近场扫描***、转台控制***和相控阵天线测控***；所述幅相校准硬件***、高精度近场扫描***、转台控制***和相控阵天线测控***通过通信链路连接；
所述幅相校准硬件***，包括矢量网络分析仪、微波探头；所述微波探头与所述待校准的相控阵雷达天线相对设置；所述矢量网络分析仪分别与所述微波探头与所述待校准的相控阵雷达天线连接。
所述幅相校准硬件***，用于在校准过程中，对射频信号进行发射、接收和测量；
在本实施例中，利用现有的矢量网络分析仪作为信号收发设备，扫描探头(即微波探头)与信号接收设备相连，待测的相控阵雷达天线与天线单元测控装置相连，测量并计算扫描探头与待测的相控阵雷达天线之间的幅度和相位信息。
所述高精度近场扫描***，包括高精度扫描架、近场扫描控制装置；所述高精度扫描架上安装所述微波探头；所述近场扫描控制装置与所述高精度扫描架连接；
所述高精度近场扫描***，用于通过所述近场扫描控制装置按照设定的扫描轨迹运动高精度扫描架，通过微波探头对待校准的相控阵雷达天线的各发射通道进行平面近场扫描；
在本实施例中，对被测的相控阵雷达天线进行测试需要精密扫描架搭载微波探头对阵面单元进行逐一扫描，在工程实现上需要搭建高精度平面扫描装置。准确定位和测量是其最主要两大功用，影响测试精度最主要原因是探头在扫描过程中的定位精度，需使用高精度扫描架提高校准精度，本发明中高精度扫描架定位精度优选设置为λ/50以下，其中，λ表示相控阵雷达天线辐射信号的波长。
为保证扫描架装置精确的轨迹移动，采用小型化高精度现场扫描装置(即高精度扫描架)，使其满足现场安装空间和扫描行程范围校准需求，控制扫描装置进行两维扫描运动，主要为水平X轴，竖直Y轴，各轴分别由各自的驱动控制器控制，工作时各轴在各自控制***下既可同时工作，也可单独工作。水平方向X轴行程计划设计0.6m，竖直方向Y轴行程设计0.6m，控制探头移动轨迹面向来波方向直线度优于0.03mm，定位精度0.03mm，极化轴360°连续旋转，定位精度0.1°。水平X轴和竖直Y轴均由焊接基座、直线导轨、滚珠丝杠、丝母、行星减速器、直线磁栅尺、交流伺服电机、拖链和调整机构等组成，具有构型简单、刚性高、性价比高等特点，各轴采用整体铣削加工的方式保证安装所需的平面度、直线度等精度指标；水平运动部件初步采用HSR20A滚珠直线导轨作为运动承载部件；竖直运动采用HSR20A滚珠直线导轨作为运动承载部件；水平运动滚珠丝杠副采用研磨级滚珠丝杠(精度等级C1)；竖直运动滚珠丝杠副采用研磨级滚珠丝杠(精度等级C1)。行星减速器，直线磁栅尺，交流伺服电机和拖链等外购件均采用国际知名厂商产品，质量可靠。工作时由电机驱动行星减速器，驱动齿轮反推齿条实现直线运动。同时由贴在基座上的直线磁栅尺，作为反馈元件实现全闭环，保证定位精度。整体结构通过地脚调至水平，可保证探头天线安装面在足够的平面度精度范围内运动。
近场扫描控制装置可实现各位置阵元扫描坐标系的建立，同时完成空间轨迹扫描的控制。通过智能软件使探头按预设的轨迹完成近场扫描，再根据所测量的结果进行误差修正。
所述转台控制***，三维转台和转台控制装置；所述待校准的相控阵雷达天线放置在所述三维转台上；
所述转台控制***，用于通过所述转台控制装置转动三维转台，实现相控阵雷达天线发射通道的角度旋转测量；
在本实施例中，转台控制***可实现相控阵雷达天线阵面的俯仰调节和通道对准。在基于近场扫描法和旋转矢量法对相控阵天线进行校准和去耦时，需依靠转台支撑待测的相控阵雷达天线和控制天线空间位置，以获取天线单元的幅值和相位信息。
所述相控阵天线测控***，包括工控机和天线单元控制装置；所述工控机与所述天线单元控制装置、近场扫描控制装置、所述矢量网络分析仪连接；
所述相控阵天线测控***，用于控制所述高精度扫描架的移动及微波探头的扫描、控制移相器改变待测的发射通道的相位、控制待校准的相控阵雷达天线处于单通道或多通道的工作、获取相控阵雷达天线的各发射通道的幅度值、相位值，进而实现对相控阵雷达天线二次校准。
在本实施例中，相控阵天线测控***是相控阵天线的控制中心，主要功能是完成信号处理器发送的指令、解算并分发天线单元幅相值以及加电控制信号，实现天线单元校准、天线波束空间合成及发射接收控制等功能。测控***通过可编程逻辑器件FPGA与信号处理器、TR组件等接口的控制、通信以及波控解算实现产品功能，具有控制精度高、波束切换时间快、响应时间短等特点，可满足多种应用需求。相控阵天线测控***主要功能如下：
1)与信号处理器串口通信功能：接收信号处理器发送的波束指向控制、相控阵加电断电、版本查询、温度查询等命令，发送温度回传、版本回传等命令；
2)与TR组件通信功能：测控***对TR组件的幅相和加电控制时，生成通信协议要求的传输时钟、串行控制码、使能信号及锁存信号，传输给TR组件，实现TR组件的移相衰减控制、加断电控制；
3)指令解析功能：测控***正确收到一帧指令后，按照与信号处理器的指令协议，对指令的命令码进行解析，产生相应功能模块的使能信号，如角度指令使能、加电使能、温度查询使能、模式切换控制使能等，并将指令中的相应信息发送给相应的处理模块中；
4)角度解算功能：测控***收到信号处理器通过同步串口发送的角度指令后，进行角度解算，得到整个阵面各个通道的解算相位，按照TR组件的相位精度进行量化，并下发到TR组件中，实现整阵波束指向控制。
5)电源控制功能：测控***软件收到信号处理发送的加/断电指令后，将TR组件相应通道进行加/断电处理；
6)温度查询功能：测控***根据温度芯片的通信协议进行温度芯片数据循环读取，并存储起来。收到温度查询指令后，将读取的数据按照与信号处理器的通信协议发送至信号处理器；
7)版本查询功能：收到信号处理器发送的版本查询指令后，进行版本回传操作。
需要说明的是，上述实施例提供的有源相控阵雷达天线的近场幅相校准***，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
本发明第二实施例的一种有源相控阵雷达天线的近场幅相校准方法：
天线是有源相控阵雷达***的核心组件，天线方向图是相控阵天线的最主要性能之一，通过快速改变天线方向图的波束指向，使天线按照预设的方式进行空域扫描，从而实现雷达装备的工作性能。雷达天线单元、TR组件、雷达收发信道的幅相一致性误差会造成辐射方向图畸变，使波束指向发生变化，进而导致天线工作性能的降低，无法满足指标需求。
平面近场扫描测量技术通过探头在距离待测天线特定位置处的平面上扫描获得在该平面范围内各点的幅值和相位信息。近场校准利用扫描架对天线阵面进行扫描，然后通过去互耦算法得到每一个通道的幅度及相位参数，即全阵的幅相分布，从而实现对阵面的校准。近场校准***的主要优势在于测量距离小，对测试空间要求低。本发明考虑到相控阵天线工作时是多通道同时工作，而采用单通道幅相校准的方法容易忽视通道之间的耦合干扰。为分析并降低阵元之间互耦效应对天线阵面幅相特性校准的影响，需在近场扫描法的基础上对天线发射通道进行二次校准，调整天线处于多通道工作情况下，对相控阵天线单一阵元的工作情况进行分析，具体如下：
步骤S100，调整待校准的相控阵雷达天线处于单通道工作，并通过所述有源相控阵雷达天线的近场幅相校准***中的微波探头依次对各发射通道一一进行平面扫描，获取相控阵雷达天线的各发射通道的幅度值、相位值，作为第一幅度值、第一相位值；
在本实施例中，首先采用近场扫描法依次对各通道的幅相参数进行测量和补偿，在校准过程中只考虑各阵元的独立作用并利用天线近场测量设备对天线通道依次校准。
在进行校准前，先设置校准***的波控映射表，格式如表1所示。数据行、数据列表明该行数据所在波控映射表中的行、列。子板号、加电号、DA号、通道号定义TR模块通道的加电顺序，由相控阵天线阵面及TR模块定义确定。坐标X，坐标Y确定扫描架的运动位置，由天线阵面分布决定，波控映射表还包括幅度值、相位值，但在下表中不表示。
表1
Figure BDA0004031690820000101
连接矢量网络分析仪、扫描架与波控，连接成功后，对扫描架和矢量网络分析仪参数进行配置。矢量网络分析仪配置参数包括频率、功率、中频带宽、扫描频点数、S参数。根据波控映射表定义校准原点，并进行原点定位，保证待测天线阵面到波导口距离为3～5个波长。校准中，扫描架按照波控映射表(坐标X，坐标Y)自动扫描，近场校准***测量、记录、并计算实际采样角度与预设值的误差。
然后，待测天线与探头几何中心对准的空间位置测量，采用激光测量装置、测量探头和待测天线的空间位置坐标，通过激光测量***的天线、探头的三维方位数据(即三维坐标数据)来修正扫描架与天线的相对位置及姿态从而完成平面近场扫描的运动轨迹。在扫描之前，激光测量***分别完成扫描架和待测天线的空间位置标定，并通过数据分析建立坐标系，根据测量方法，进行扫描轨迹的预设，最后完成扫描轨迹的实现。测试前，需通过1GHz～18GHz参考天线对扫描探头进行校准，确保测量准确性。
其中，对有源相控阵雷达天线的近场幅相校准***中的微波探头校准的过程：
获取激光测量装置、待校准的微波探头以及参考天线；其中，参考天线为1GHz～18GHz参考天线；
通过所述激光测量装置测量参考天线与微波探头的三维坐标数据，并修正扫描架与参所述考天线的相对位置，进而完成所述扫描架与所述参考天线的空间位置标定；所述扫描架用于安装微波探头；
标定后，微波探头按照预设的扫描轨迹对参考天线进行扫描，根据扫描数据对微波探头进行校准。
步骤S200，结合预设的波控映射表，分别计算第一幅度值与第二幅度值、第一相位值与第二相位值的误差，并基于误差对各发射通道进行校准；所述第二幅度值、所述第二相位值分别为波控映射表中预设的幅度值、相位值；
在本实施例中，利用发射通道从波控到天线的幅度差、相位差测量筛选异常通道并作补偿，通过波控映射表给64通道预设幅度值a0、相位值q0进行测量。依次打开发射机第1个至第64个通道，测试每个通道时关闭其他通道，得到64组幅度、相位测试数据ai、qi(i＝1,2,3...64)。依次对各通道的幅度差、相位差进行计算，则计算公式如下：
ΔPi＝ai-a0    (1)
Δφi＝qi-q0    (2)
其中，ΔPi、Δφi分别表示第i个通道的第一幅度值与第二幅度值、第一相位值与第二相位值的误差。
步骤S300，判断第一幅度值与第二幅度值的误差大于设定的幅度误差阈值的发射通道数量是否小于设定数量阈值且第一相位值与第二相位值的误差大于设定的相位误差阈值的发射通道数量是否小于设定数量阈值，若是，则跳转步骤S400，否则跳转步骤S100；
在本实施例中，若所有待测通道满足表2中幅相一致性要求，则可进行下一步通道间幅相一致性测量，否则判定该通道校准异常，将幅度差或相位差在该通道的波控表中进行补偿，再次开展测试，直至所有待测通道满足要求。分别选择6组不同的预设幅度值和相位值，使所有待测通道均满足幅相一致性要求。
表2
序号 幅度一致性要求 相位一致性要求
1 幅度差≤0.5dB 相位差≤5°
2 异常通道数量<2％ 异常通道数量<2％
步骤S400，调整相控阵雷达天线的发射通道处于多通道工作，通过相控阵雷达天线的移相器改变待测的发射通道的相位并测量信号的幅度变化值，根据幅度变化值计算待测的发射通道的幅度值、相位值，作为第三幅度值、第三相位值；
在本实施例中，考虑到相控阵天线工作时是多通道同时工作，而采用单通道幅相校准的方法容易忽视通道之间的耦合干扰。为分析并降低阵元之间互耦效应对天线阵面幅相特性校准的影响，需在近场扫描法的基础上对天线发射通道进行二次校准，调整天线处于多通道工作情况下，对相控阵天线单一阵元的工作情况进行分析。采用旋转矢量法对天线发射通道进行二次校准，旋转矢量法原理如图3所示。具体如下：
旋转矢量法通过移相器改变待测通道的相位，进而通过测得信号幅度变化求出待测通道的实际幅度相位。为保证待测通道的实际工作状态，待测单元周围的天线单元也保持工作状态。根据旋转矢量法，相控阵雷达天线的所有天线单元最终合成的矢量变化为
Figure BDA0004031690820000121
待测的发射通道的相位变化了Δ，则
Figure BDA0004031690820000122
变化为
Figure BDA0004031690820000123
Figure BDA0004031690820000124
其中，
Figure BDA0004031690820000125
表示第n个天线单元的矢量变化；
定义阵元单元的相对幅度k和相对相位X分别为：
Figure BDA0004031690820000126
Figure BDA0004031690820000127
电场矢量
Figure BDA00040316908200001313
和
Figure BDA00040316908200001312
的功率比如下：
Figure BDA0004031690820000131
其中，Y2＝(cosX-k)2+sin2X、
Figure BDA0004031690820000132
由电场矢量功率比表达式可以看出，其功率满足余弦函数，如图4所示。
随着Δ的变化，电场矢量
Figure BDA0004031690820000133
和
Figure BDA0004031690820000134
的功率比函数出现最大值和最小值：
Figure BDA0004031690820000135
Figure BDA0004031690820000136
其中，γ是最大信号与最小信号的功率比，通过测试可以直接获取其结果，且γ值大于1；
基于最大信号与最小信号的功率比，获取相对幅度k与相对相位X，进而计算当前天线单元的幅度值、相位值。
在最大信号与最小信号的功率比取正值时，相对幅度k与相对相位X的获取方法为：
Figure BDA0004031690820000137
Figure BDA0004031690820000138
Figure BDA0004031690820000139
在最大信号与最小信号的功率比取负值时，相对幅度k与相对相位X的获取方法为：
Figure BDA00040316908200001310
Figure BDA0004031690820000141
由相对幅度k与相对相位X计算该天线单元的初始幅相，改变下一单元的相位，根据微波探头所接收到的信号计算初始幅相，重复此过程直至完成全部单元的校准并加载校准数据对幅相参数进行补偿。根据移相器位数选择3个相位参数变化量值Δ进行校准，对测量数据进行处理，将其幅度、相位校准到与参考阵面相同。综上所述，拟采用两种校准方法修正阵元之间的幅相一致性误差，研究通过旋转矢量法的二次校准技术，从而降低互耦对阵列的影响。
步骤S500，获取待测的发射通道对应的参考阵面的幅度值、相位值，作为第四幅度值、第四相位值，计算所述第四幅度值与所述第三幅度值、所述第四相位值与所述第三相位值之间的误差，并基于误差对待测的发射通道再次进行校准。
在本实施例中，旋转矢量法通过移相器改变待测通道的相位，进而通过测得信号幅度变化求出待测通道的幅度相位。为保证待测通道的实际工作状态，待测天线单元周围的天线单元也保持工作状态。其中，参考阵面是由预设值得到的微波探头所在平面的等相面，将所有通道的信号校准到在同一平面形成同相位。
对二次校准后的相控阵天线阵面的通道间幅相一致性误差进行测量，通过波控映射表给64通道预设幅度值a0、相位值q0，依次打开发射机第1个至第64个通道开展测试，测试每个通道时关闭其他通道，得到64组幅度、相位测试数据ai、qi(i＝1、2、3...64)。以1通道作为参考通道，依次对2，3，4...64通道相对于参考通道的幅度差、相位差进行计算，则通道间幅度一致性误差、相位一致性误差计算如下。
第i个通道幅度一致性误差：
ΔPi＝|ai-a1|                                            (14)
其中i＝2，3，4，...，64。
第i个通道相位一致性误差：
Δφi＝|qi-q1|                                                    (15)
其中i＝2，3，4，...，64。
按照上述方法依次计算其余通道校准后的幅度一致性误差、相位一致性误差，并计算通道间最大幅相一致性误差，计算公式如下。
天线阵面幅度一致性误差：
ΔP＝max{ΔPi}                                              (16)
其中i＝2，3，4，...，64。
天线阵面相位一致性误差：
Δφ＝max{Δφi}                                              (17)
其中i＝2，3，4，...，64。
本发明第三实施例的一种电子设备，至少一个处理器；以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的有源相控阵雷达天线的近场幅相校准方法。
本发明第四实施例的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指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的有源相控阵雷达天线的近场幅相校准方法。
所述技术领域的技术人员可以清楚的了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的电子设备、计算机可读存储介质的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实例中的对应过程，在此不再赘述。
下面参考图5，其示出了适于用来实现本申请***实施例的服务器的计算机***的结构示意图。图5示出的服务器仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图5所示，计算机***包括中央处理单元(CPU，Central Processing Unit)501，其可以根据存储在只读存储器(ROM，Read Only Memory)502中的程序或者从存储部分508加载到随机访问存储器(RAM，Random Access Memory)503中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 503中，还存储有***操作所需的各种程序和数据。CPU501、ROM 502以及RAM503通过总线504彼此相连。输入/输出(I/O，Input/Output)接口505也连接至总线504。
以下部件连接至I/O接口505：包括键盘、鼠标等的输入部分506；包括诸如阴极射线管(CRT，Cathode Ray Tube)、液晶显示器(LCD，Liquid Crystal Display)等以及扬声器等的输出部分507；包括硬盘等的存储部分508；以及包括诸如LAN(局域网，Local AreaNetwork)卡、调制解调器等的网络接口卡的通讯部分509。通讯部分509经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器510也根据需要连接至I/O接口505。可拆卸介质511，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器510上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分508。
特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通讯部分509从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质511被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)501执行时，执行本申请的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本申请上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的***、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本申请中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本申请中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本申请的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施例的***、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种有源相控阵雷达天线的近场幅相校准方法，应用于有源相控阵雷达天线的近场幅相校准***，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S100，调整待校准的相控阵雷达天线处于单通道工作，并通过所述有源相控阵雷达天线的近场幅相校准***中的微波探头依次对各发射通道一一进行平面扫描，获取相控阵雷达天线的各发射通道的幅度值、相位值，作为第一幅度值、第一相位值；
步骤S200，结合预设的波控映射表，分别计算第一幅度值与第二幅度值、第一相位值与第二相位值的误差，并基于误差对各发射通道进行校准；所述第二幅度值、所述第二相位值分别为波控映射表中预设的幅度值、相位值；
步骤S300，判断第一幅度值与第二幅度值的误差大于设定的幅度误差阈值的发射通道数量是否小于设定数量阈值且第一相位值与第二相位值的误差大于设定的相位误差阈值的发射通道数量是否小于设定数量阈值，若是，则跳转步骤S400，否则跳转步骤S100；
步骤S400，调整相控阵雷达天线的发射通道处于多通道工作，通过相控阵雷达天线的移相器改变待测的发射通道的相位并测量信号的幅度变化值，根据幅度变化值计算待测的发射通道的幅度值、相位值，作为第三幅度值、第三相位值；
步骤S500，获取待测的发射通道对应的参考阵面的幅度值、相位值，作为第四幅度值、第四相位值，计算所述第四幅度值与所述第三幅度值、所述第四相位值与所述第三相位值之间的误差，并基于误差对待测的发射通道再次进行校准。
2.根据权利要求1所述的有源相控阵雷达天线的近场幅相校准方法，其特征在于，所述波控映射表包括由发射通道的幅度值、相位值、子板号、加电号、DA号、通道号、坐标。
3.根据权利要求1所述的有源相控阵雷达天线的近场幅相校准方法，其特征在于，在步骤S100前还包括对有源相控阵雷达天线的近场幅相校准***中的微波探头校准的过程：
获取激光测量装置、待校准的微波探头以及参考天线；其中，参考天线为1GHz～18GHz参考天线；
通过所述激光测量装置测量参考天线与微波探头的三维坐标数据，并修正扫描架与参所述考天线的相对位置，进而完成所述扫描架与所述参考天线的空间位置标定；所述扫描架用于安装微波探头；
标定后，微波探头按照预设的扫描轨迹对参考天线进行扫描，根据扫描数据对微波探头进行校准。
4.根据权利要求1所述的有源相控阵雷达天线的近场幅相校准方法，其特征在于，通过相控阵雷达天线的移相器改变待测的发射通道的相位并测量信号的幅度变化值，根据幅度变化值计算待测的发射通道的幅度值、相位值，其方法为：
根据旋转矢量法，相控阵雷达天线的所有天线单元最终合成的矢量变化为
Figure FDA0004031690810000021
待测的发射通道的相位变化了Δ，则
Figure FDA0004031690810000022
变化为
Figure FDA0004031690810000023
Figure FDA0004031690810000024
其中，
Figure FDA0004031690810000025
表示第n个天线单元的矢量变化；
定义阵元单元的相对幅度k和相对相位X分别为：
Figure FDA0004031690810000026
Figure FDA0004031690810000027
电场矢量
Figure FDA0004031690810000028
和
Figure FDA0004031690810000029
的功率比如下：
Figure FDA00040316908100000210
其中，Y2＝(cosX-k)2+sin2X、
Figure FDA00040316908100000211
随着Δ的变化，电场矢量
Figure FDA00040316908100000212
和
Figure FDA00040316908100000213
的功率比函数出现最大值和最小值：
Figure FDA00040316908100000214
Figure FDA00040316908100000215
其中，γ是最大信号与最小信号的功率比；
基于最大信号与最小信号的功率比，获取相对幅度k与相对相位X，进而计算当前天线单元的幅度值、相位值。
5.根据权利要求4述的有源相控阵雷达天线的近场幅相校准方法，其特征在于，在最大信号与最小信号的功率比取正值时，相对幅度k与相对相位X的获取方法为：
Figure FDA0004031690810000031
Figure FDA0004031690810000032
Figure FDA0004031690810000033
6.根据权利要求5所述的有源相控阵雷达天线的近场幅相校准方法，其特征在于，在最大信号与最小信号的功率比取负值时，相对幅度k与相对相位X的获取方法为
Figure FDA0004031690810000034
Figure FDA0004031690810000035
7.一种有源相控阵雷达天线的近场幅相校准***，其特征在于，所述近场幅相校准***设置于半电波暗室场地中，其包括：幅相校准硬件***、高精度近场扫描***、转台控制***和相控阵天线测控***；所述幅相校准硬件***、高精度近场扫描***、转台控制***和相控阵天线测控***通过通信链路连接；
所述幅相校准硬件***，包括矢量网络分析仪、微波探头；所述微波探头与所述待校准的相控阵雷达天线相对设置；所述矢量网络分析仪分别与所述微波探头与所述待校准的相控阵雷达天线连接；
所述幅相校准硬件***，用于在校准过程中，对射频信号进行发射、接收和测量；
所述高精度近场扫描***，包括高精度扫描架、近场扫描控制装置；所述高精度扫描架上安装所述微波探头；所述近场扫描控制装置与所述高精度扫描架连接；
所述高精度近场扫描***，用于通过所述近场扫描控制装置按照设定的扫描轨迹运动高精度扫描架，通过微波探头对待校准的相控阵雷达天线的各发射通道进行平面近场扫描；
所述转台控制***，三维转台和转台控制装置；所述待校准的相控阵雷达天线放置在所述三维转台上；
所述转台控制***，用于通过所述转台控制装置转动三维转台，实现相控阵雷达天线发射通道的角度旋转测量；
所述相控阵天线测控***，包括工控机和天线单元控制装置；所述工控机与所述天线单元控制装置、近场扫描控制装置、所述矢量网络分析仪连接；
所述相控阵天线测控***，用于控制所述高精度扫描架的移动及微波探头的扫描、控制移相器改变待测的发射通道的相位、控制待校准的相控阵雷达天线处于单通道或多通道的工作、获取相控阵雷达天线的各发射通道的幅度值、相位值，进而实现对相控阵雷达天线二次校准。
8.根据权利要求7所述的有源相控阵雷达天线的近场幅相校准***。其特征在于，所述高精度扫描架定位精度在λ/50以下，其中，λ表示相控阵雷达天线辐射信号的波长。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；
其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现权利要求1-7任一项所述的有源相控阵雷达天线的近场幅相校准方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现权利要求1-6任一项所述的有源相控阵雷达天线的近场幅相校准方法。
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