一種基于可轉動輔助天線的大型天線方向圖測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及天線方向圖的測量方法，特指一種基于可轉動輔助天線的大型天線方 向圖測量方法。
【背景技術】
[0002] 無線電相關領域近幾年迅速發展，如雷達、通信、天文觀測領域等，天線在無線電 相關領域有著至關重要的地位，是該些領域的重要基礎設備，因此對天線各類參數測量問 題備受關注。其中尤為關鍵的是對天線方向圖測量，其表征天線福射能量在空間的分布。通 過測量天線方向圖可W確定天線的方向系數、增益、半功率波束寬度和副瓣電平等重要天 線參數。然而，對一些大型且無法機動的天線而言，定期進行調試、維護、檢測和標校是極為 困難，尤其是對安裝固定后無法在微波暗室測量的大型天線。因此，亟需一種針對無法轉動 的大型天線方向圖測量方法。通常，針對該種無法轉動的大型天線方向圖的常見測量方法 可分為兩種：
[0003] 基于能量法測量天線方向圖的方法；常規遠場法，射電源法與衛星法。
[0004] 基于信號形式測量天線方向圖的方法：發明專利一有源天線方向圖測試系統和 方法，申請號；201280002997. 3,提供了一種有源天線方向圖測試系統和方法，利用數模轉 換器及模數轉換器，將基準信號與測試信號進行相關運算，提取基準信號的幅度相位變化 量，進而測量獲得天線方向圖。發明專利一采用全息法測量天線面精度的方法，【申請號】 201110130024. 5，，主要是利用待測天線和輔助天線，計算信號源信號和參考信號各自在兩 天線間的互相關相位差，并將信號源信號與參考信號的互相關相位差進行差分，并進行二 維傅里葉變化獲得天線面精度分布，進而獲得天線方向圖。
[0005] 現有對無法轉動的大型天線測量方法，其測量效果易受測量環境，測量器材性能 等因素的影響。基于能量法測量天線方向圖等方法測試成本較高，且對測試場地要求苛刻， 測試儀器的性能也是制約該方法精度的主要原因。對于射電源法和衛星源法該兩種測量方 法，由于所選信源能量有限，因而限制了天線方向圖測量范圍，并且測量結果易受信道變化 的影響。基于信號形式測量天線方向圖等方法，發明專利一有源天線方向圖測試系統和 方法，申請號；201280002997. 3,其利用了信號的相關性但存在測量成本高、測量過程繁瑣 等不足。發明專利一采用全息法測量天線面精度的方法，申請號；201110130024. 5,其利 用信號的互相關相位差，其測量繁瑣、測量效率低、易受信道變化影響等不足。
【發明內容】
[0006] 針對W上測量天線方向圖方法的不足，本發明提供一種針對轉動困難甚至無法轉 動的大型天線，如大型射電望遠鏡FAST、Arecib等，仍能測量天線方向圖的方法。本發明 選定運動信源為觀測源，并借助可轉動輔助天線，設計了合理接收形式，測量待測天線方向 圖。利用觀測源信號在待測天線和輔助天線觀測數據中的相關性，獲得高精度、寬角度范圍 的天線方向圖。盡可能的方便測量、節約成本、提高測量精度和拓寬測量范圍。本發明對無 法轉動的大型天線方向圖進行測量，不僅省去了大量的測量工作，提高測量效率，還具有一 定的抗信道變化能力，保證了天線方向圖的測量精度。與現有技術相比，本發明具有受信道 變化影響小，測試條件易于滿足，且測試過程簡易、工作量小等優勢。
[0007] 本發明針對無法轉動的待測天線，設計了測量天線方向圖如圖1所示的接收形 式。測量需滿足；觀測源與待測天線相對運動，觀測源運動軌跡掠過待測天線方向圖主瓣中 也；觀測源與輔助天線相對靜止，輔助天線指向始終跟蹤觀測源轉動；觀測源信號具有良 好的相關性。
[000引本發明基本原理是電磁波自由空間傳播理論。觀測源信號通常為平穩過程，例如， 導航衛星信號是基于碼分多址的擴頻通信信號，機載信源等，待測天線接收信號的功率表 達式為：
[0009]
【主權項】
1. 一種基于可轉動輔助天線的大型天線方向圖測量方法，其特征在于步驟如下： (1)針對無法轉動的待測天線設計測量天線方向圖的接收形式，其測量需滿足：觀測 源與待測天線相對運動，觀測源運動軌跡掠過待測天線方向圖主瓣中心；觀測源與輔助天 線相對靜止，輔助天線指向始終跟蹤觀測源轉動；觀測源信號具有良好的相關性； ⑵利用觀測源仰角e的余弦值cose和待測天線與輔助天線間距離d的乘積，比上 光速c，即可得到路徑延時估計
?，為得到最大值At，用測量起始位置觀測源的 仰角進行計算； (3) 將輔助天線旋轉至待測起始位置，等待選定觀測源運動至待測起始位置； (4) 當觀測源運動至待測起始位置時，輔助天線開始進行實時跟蹤觀測源運動，保證其 指向始終對準觀測源；觀測源相對于待測天線運動的角速度為《 ; (5) 從待測起始位置進行測量，觀測AT時間，其中近似認為AT時間內待測天線場強 歸一化方向性函數尸(久P)不變，且AT>At，利用AN=fs.At進而獲得觀測點數AN， 其中fs為采樣頻率； (6) 利用在AT時間內所采集的待測天線和輔助天線的觀測數據，通過
進行互相關運算，并取互相關運算結果的最大值，即
(7) 利用在AT時間內所采集的待測天線和輔助天線的觀測數據，通過
丨進行自相關運算，取t2= 0處的自相關值^ (8) 得到
后，再利用
計算并記錄測量結果， 其中
，Cm，(；，4均可測量獲得且為常數； (9) 當觀測源運動至下一待測位置即下一AT時間時，重復步驟（6)_(8)直至觀測源運 動至待測終止位置，共得到M個測量結果； (10) 將記錄的M個測量結果，進行歸一化和插值處理，即得到待測天線方向圖。
2. 根據權利要求1所述的基于可轉動輔助天線的大型天線方向圖測量方法，其特征在 于： 待測天線接收信號的功率表達式為：
式（1)中，待測天線接收功率，P〇為觀測源的等效全向輻射功率，G。為觀測源發射 天線的增益，Gm為待測天線的增益，入為觀測源信號波長，為待測天線場強歸一化 方向性函數，其中0為方位角，P為俯仰角，d為觀測源到待測天線的傳播距離，LA為觀測 源信號到待測天線的大氣損耗； 同理，輔助天線接收信號的功率表達式為：
式⑵中，P,為輔助天線接收功率，G,為輔助天線的增益，6(以?>)為輔助天線場強歸 一化方向性函數，d'為觀測源到輔助天線的傳播距離，L' 4為觀測源信號到輔助天線的大 氣損耗； 式⑴和式⑵可表示為：
3.根據權利要求2所述的基于可轉動輔助天線的大型天線方向圖測量方法，其特征在 于： 待測天線的接收信號xm(t)可表示為：
輔助天線的接收信號\(t)可表示為：
式中％(!:)和w2(t)分別表示兩個通道噪聲，且Eliwjt)] =E[w2(t)] = 0，varEwJOW，var[w2(〇fJ22，E[w1(t)w2(t)] =0;s(t)為觀測源信號，與噪聲…⑴、 w2(t)均不相關；
I分別表示兩通道中的觀 測源信號，且滿足已[81(1:)]=￡ [82(1:)]=0，￡1[1? 1(，)>52(7)] = /^￡[>?12(7)]五[1^(>)]} 2，其中 P表不Si(t)與s2(t)的相關系數； 根據相關函數的定義可知：
由于輔助天線始終跟蹤對準觀測源轉動，所以6(0，以=1;觀測源信號為平穩過程，則 可令i= t-T將式⑵可化簡為：
同理可得輔助天線自相關函數為：
結合式（8)、式（9)可得：
令Tt。，T2= 〇,由式（1〇)可得：
式（12)中C為.
常數，4為即系統的噪聲功率，由于實際情況中觀測 數據為有限長度，因此只能得到M%)的估計值總ni.^,：)，其中％為％的離散表示； 通過將待測天線與輔助天線觀測數據的互相關運算結果取最大，來補償路徑延時，即
其中及估計表達式為式（13)，R"(0)的估計值之(〇)為式 (14):
式（13)和式（14)中，&為計算互相關函數的運算點數；N2為計算自相關函數的運算 點數。
【專利摘要】本發明公開了一種基于可轉動輔助天線的大型天線方向圖測量方法，其針對轉動困難甚至無法轉動的大型天線，如大型射電望遠鏡FAST、Arecib等。本發明選定運動信源為觀測源，并借助可轉動輔助天線，設計了合理接收形式，測量待測天線方向圖。利用觀測源信號在待測天線和輔助天線觀測數據中的相關性，獲得高精度、寬角度范圍的天線方向圖。盡可能的方便測量、節約成本、提高測量精度和拓寬測量范圍。本發明對無法轉動的大型天線方向圖進行測量，不僅省去了大量的測量工作，提高測量效率，還具有一定的抗信道變化能力，保證了天線方向圖的測量精度。
【IPC分類】G01R29-10
【公開號】CN104569625
【申請號】CN201510026896
【發明人】程翥, 王壯, 王 琦, 黃達, 王夢南, 苗可可, 張雪琴, 楊鵬
【申請人】中國人民解放軍國防科學技術大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月20日