CN116520035A - 一种采用平面近场快速反演方法的二维方向图测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用平面近场快速反演方法的二维方向图测试方法，包括以下步骤：S1，搭建近场测试***；S2，利用测试***的控制终端控制测试雷达，使测试雷达的有源相控阵天线工作在接收状态并指向待测试方向；S3，使探头按照规定路径进行阵列扫描；S4，利用测试***的控制终端控制矢量网络测试仪，自动记录测试数据；S5，根据矢量网络测试仪采集的测试数据，进行二维方向图反演计算，得到该波束指向下的方向图反演结果。可以同时在近场测试环境下，完成近场校准和近场方向图测试两项工作，通过近场方向图测试得到的测试数据，进行近场方向图反演，推导出有源相控阵天线方向图结果，提高有源相控阵的测试效率。因此，适宜推广应用。

Description

一种采用平面近场快速反演方法的二维方向图测试方法

技术领域

本发明属于有源相控阵天线测试技术领域，具体地说，是涉及一种采用平面近场快速反演方法的二维方向图测试方法。

背景技术

有源相控阵天线测试的精准性影响雷达的测角性能，因此，有源相控阵天线测试是相控阵雷达测试的重要工作。现有的远场有源相控阵天线测试方法需要协调远场暗室才能完成测试，测试者需协调满足测试要求的远场测试暗室，还需在完成近场数据校准后，重新在远场架设设备，完成远场测试准备工作；且远场测试过程相对繁琐，对于尺寸较大的有源相控阵天线，架设和拆卸都十分困难。而采用天线方向图近场反演的方法，可以同时在近场测试环境下，完成近场校准和近场方向图测试两项工作，通过近场方向图测试得到的测试数据，进行近场方向图反演，推导出有源相控阵天线方向图结果，提高有源相控阵的测试效率，具有很高的工程实用性。

现有技术的近场方向图反演技术主要依据探头补偿理论，利用近场与远场方向图是傅里叶变换的关系，通过对同一***进行两次测量，计算二元一次方程组，实施反演变换，反演方法复杂，计算量大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用平面近场快速反演方法的二维方向图测试方法，主要用于对有源相控阵雷达二维方向图的实现情况进行快速验证，提升有源相控阵天线测试效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种采用平面近场快速反演方法的二维方向图测试方法，包括以下步骤：

S1，搭建近场测试***，在近场测试暗室中完成测试仪器和设备的连接；

S2，利用测试***的控制终端控制测试雷达，使测试雷达的有源相控阵天线工作在接收状态并指向待测试方向；

S3，利用测试***的控制终端控制测试***的探头电机，使探头按照规定路径进行阵列扫描；

S4，利用测试***的控制终端控制矢量网络测试仪，使矢量网络测试仪正常工作，并自动记录测试数据；

S5，根据矢量网络测试仪采集的测试数据，进行二维方向图反演计算，得到该波束指向下的方向图反演结果。

进一步地，在本发明中，所述测试***包括测试平台，架设于测试平台上的测试雷达，与测试雷达通过射频线缆相连的矢量网络测量仪，以及与矢量网络测量仪和测试雷达相连用于控制雷达的波束指向及矢量网络测试仪工作状态的控制柜终端，发射待测试频段的单频连续波信号的信号源，与信号源相连用于进行阵列扫描的探头，以及与探头和控制终端相连用于控制探头运动的探头电机。

进一步地，在步骤S2中，在控制测试雷达前对测试雷达完成近场校准测试。

进一步地，在所述步骤S3中，阵列扫描采用矩形栅格扫描方式。

进一步地，在所述步骤S4中，矢量网络测试仪记录的数据包括测试雷达的射频输出信号的幅值和相位信息、电机位置信息及对应通过天线辐射的射频信号的幅值和相位信息；

其中，探头电机沿x轴方向运动，间距Δx，沿x轴共采样N_x点数据；探头电机沿y轴方向运动，间距Δy，沿y轴共采样N_y点数据；完成数据采集后，共有N_x×N_y点数据。

进一步地，在步骤S5中，数据反演计算步骤为：

S51，计算在直角坐标系下，探头到阵面的波程复数值补偿值；

S52，计算探头到参考点的距离补偿值，计算公式为：

x轴距离补偿值d_x：d_x＝r×sin(β)；

y轴距离补偿值d_y：d_y＝r×cos(β)×sin(α)；

z轴距离补偿值d_z：d_z＝r×cos(β)×cos(α)；

其中，r为探头到阵面的垂线距离，α为阵面的波束方位指向角，β为阵面的波束俯仰指向角；

S53，计算探头到各采样位置的距离补偿值，计算公式为：

其中，Px、Py、Pz为阵元的坐标(P_x,P_y,P_z)；

S54，计算各采样位置幅值补偿值，计算公式为：

S54，计算各采样位置相位补偿值，计算公式为：

d_pha＝exp(2πj×d_r/λ)；

其中，λ为射频信号波长，j为虚数标志；

S55，探头到阵面各采样位置的波程幅相补偿值，计算公式为：

d_com＝d_amp×d_pha；

S56，计算补偿后各采样位置的反演结果幅相值Beam，计算公式为：

Beam＝d_com×d_ori；

其中，d_ori为某测试点下矢量网络测试仪的测试结果；

S57，完成整个阵面各采样位置的幅相值计算，得到该波束指向下的方向图反演结果。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明相比于有源相控阵天线的远场天线方向图测试方法，其测试方法简单，反演精度高，可实现二维天线方向图的反演计算，相比于其他近场方向图反演技术，本发明计算速度快、方法便捷，可以对有源相控阵雷达二维方向图的实现情况进行快速验证，提升了有源相相控阵天线测试效率。

附图说明

图1为本发明使用的近场反演测试***原理框图。

图2为本发明-实施例中采用的矩形栅格扫描示意图。

图3为本发明-实施例中阵列天线近场天线方向图反演结果。

图4为某波段阵列天线三维近场天线方向图反演结果。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

如图1所示，本发明公开的一种采用平面近场快速反演方法的二维方向图测试方法，包括以下步骤：

S1，搭建近场测试***，将待测试雷达架设于设备测试平台，待测试雷达为有源相控阵雷达；选用合适频段的探头，与信号源连接，信号源发射待测试频段的单频连续波信号；雷达输出的和路射频信号，经过射频线缆，与矢量网络测量仪相连，矢量网络测量仪采集输出的雷达射频信号的幅度和相位信息。控制终端与雷达和矢量网络测量仪相连，用于控制测试雷达的波束指向，控制矢量网络测试仪工作状态，并实时记录矢量网络测量仪测试得到的幅度和相位信息；控制终端还与与探头电机相连，用于控制探头运动；在近场测试暗室中完成仪器和设备的连接，除探头天线、雷达天线和等位置外，多余裸露的位置均用吸波材料紧紧覆盖。

S2，在雷达已完成近场校准测试的情况下，利用测试***的控制终端控制测试雷达，使测试雷达的有源相控阵天线工作在接收状态并指向待测试方向。

S3，通过控制终端控制探头电机，使测试探头按照约定的路线和步进进行运动，一般我们选用矩形栅格扫描的方式进行测试，扫描的范围大于天线阵面大小，扫描步进小于半波长。

S4，通过控制终端控制矢量网络测试仪工作在正常测试模式下，矢量网络测试仪可采集雷达射频输出信号的幅值和相位信息，并传输给控制终端，控制终端按照约定好的数据格式，实时记录电机位置信息及对应通过天线辐射的射频信号的幅值和相位信息。

探头电机沿x轴方向运动，间距Δx，沿x轴共采样N_x点数据；探头电机沿y轴方向运动，间距Δy，沿y轴共采样N_y点数据；完成数据采集后，共有N_x×N_y点数据。

S5，根据矢量网络测试仪采集的测试数据，进行二维方向图反演计算；

对采集记录的N_x×N_y点矢量网络测试仪数据进行数据反演计算。α为阵面的波束方位指向角，β为阵面的波束俯仰指向角。

首先，计算在直角坐标系下，探头到阵面的波程复数值补偿值。

直角坐标系下，r为探头到阵面的垂线距离，探头到参考点的距离补偿值公式为：

x轴距离补偿值d_x：d_x＝r×sin(β)

y轴距离补偿值d_y：d_y＝r×cos(β)×sin(α)

z轴距离补偿值d_z：d_z＝r×cos(β)×cos(α)

直角坐标系下，阵元的坐标为(P_x,P_y,P_z)，探头到各采样位置的距离补偿值公式为：

各采样位置幅值补偿值的公式为：

射频信号波长为λ，各采样位置相位补偿值的公式为：

d_pha＝exp(2πj×d_r/λ)

其中，j为虚数标志。

探头到阵面各采样位置的波程幅相补偿值公式为：

d_com＝d_amp×d_pha

然后，在某测试点下矢量网络测试仪测测试结果为d_ori，计算补偿后各采样位置的反演结果幅相值Beam，计算公式为：

Beam＝d_com×d_ori

最后，完成整个阵面各采样位置的幅相值计算，该波束指向下的方向图反演结果。

如图3所示，以波束方位角α指向-10°，波束俯仰角β指向-20°为例，依照本发明方法完成天线阵列校准和方向图反演计算，得到某波段阵列天线近场天线方向图反演结果。通过近场测试数据准确计算得到近场反演方向图，方向图波束指向角与波束设置值一致。

图4为波束方位角α指向-10°，波束俯仰角β指向-20°时，某波段阵列天线三维近场天线方向图反演结果。如图4所示，依照本发明方法完成天线阵列校准和方向图反演计算，可以通过近场测试数据准确计算得到近场反演方向图，方向图波束指向角与波束设置值一致。

通过上述设计，本发明相比于有源相控阵天线的远场天线方向图测试方法，其测试方法简单，反演精度高，可实现二维天线方向图的反演计算，相比于其他近场方向图反演技术，本发明计算速度快、方法便捷，可以对有源相控阵雷达二维方向图的实现情况进行快速验证，提升了有源相相控阵天线测试效率。因此，适宜推广应用。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种采用平面近场快速反演方法的二维方向图测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，搭建近场测试***，在近场测试暗室中完成测试仪器和设备的连接；

S2，利用测试***的控制终端控制测试雷达，使测试雷达的有源相控阵天线工作在接收状态并指向待测试方向；

S3，利用测试***的控制终端控制测试***的探头电机，使探头按照规定路径进行阵列扫描；

S4，利用测试***的控制终端控制矢量网络测试仪，使矢量网络测试仪正常工作，并自动记录测试数据；

S5，根据矢量网络测试仪采集的测试数据，进行二维方向图反演计算，得到该波束指向下的方向图反演结果。

2.根据权利要求1所述的一种采用平面近场快速反演方法的二维方向图测试方法，其特征在于，所述测试***包括测试平台，架设于测试平台上的测试雷达，与测试雷达通过射频线缆相连的矢量网络测量仪，以及与矢量网络测量仪和测试雷达相连用于控制雷达的波束指向及矢量网络测试仪工作状态的控制柜终端，发射待测试频段的单频连续波信号的信号源，与信号源相连用于进行阵列扫描的探头，以及与探头和控制终端相连用于控制探头运动的探头电机。

3.根据权利要求2所述的一种采用平面近场快速反演方法的二维方向图测试方法，其特征在于，在步骤S2中，在控制测试雷达前对测试雷达完成近场校准测试。

4.根据权利要求3所述的一种采用平面近场快速反演方法的二维方向图测试方法，其特征在于，在所述步骤S3中，阵列扫描采用矩形栅格扫描方式。

5.根据权利要求4所述的一种采用平面近场快速反演方法的二维方向图测试方法，其特征在于，在所述步骤S4中，矢量网络测试仪记录的数据包括测试雷达的射频输出信号的幅值和相位信息、电机位置信息及对应通过天线辐射的射频信号的幅值和相位信息；

其中，探头电机沿x轴方向运动，间距Δx，沿x轴共采样N_x点数据；探头电机沿y轴方向运动，间距Δy，沿y轴共采样N_y点数据；完成数据采集后，共有N_x×N_y点数据。

6.根据权利要求5所述的一种采用平面近场快速反演方法的二维方向图测试方法，其特征在于，在步骤S5中，数据反演计算步骤为：

S51，计算在直角坐标系下，探头到阵面的波程复数值补偿值；

S52，计算探头到参考点的距离补偿值，计算公式为：

x轴距离补偿值d_x：d_x＝r×sin(β)；

y轴距离补偿值d_y：d_y＝r×cos(β)×sin(α)；

z轴距离补偿值d_z：d_z＝r×cos(β)×cos(α)；

其中，r为探头到阵面的垂线距离，α为阵面的波束方位指向角，β为阵面的波束俯仰指向角；

S53，计算探头到各采样位置的距离补偿值，计算公式为：

其中，Px、Py、Pz为阵元的坐标(P_x,P_y,P_z)；

S54，计算各采样位置幅值补偿值，计算公式为：

S54，计算各采样位置相位补偿值，计算公式为：

d_pha＝exp(2πj×d_r/λ)；

其中，λ为射频信号波长，j为虚数标志；

S55，探头到阵面各采样位置的波程幅相补偿值，计算公式为：

d_com＝d_amp×d_pha；

S56，计算补偿后各采样位置的反演结果幅相值Beam，计算公式为：

Beam＝d_com×d_ori；

其中，d_ori为某测试点下矢量网络测试仪的测试结果；

S57，完成整个阵面各采样位置的幅相值计算，得到该波束指向下的方向图反演结果。