一種基于一維旋轉的相控陣幅相誤差近場校準方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于一維旋轉的相控陣幅相誤差近場校準方法，屬于雷達領域。
【背景技術】
[0002] 相控陣幅相誤差對于相控陣天線性能的影響是多方面的。為了減小影響，需要對 相控陣幅相誤差進行校準，而學者們對此進行了大量卓有成效的工作并取得了豐富的研究 成果。相控陣幅相誤差的校準方法主要分為內校準法和外校準法。而外校準法則分為遠場 校準法和平面近場校準法兩種。
[0003] 內校準法是在相控陣天線系統內利用附加設備，如設置開關矩陣、行波饋電網絡 等實現校準，其在技術上是一種傳統的、較為成熟的方法。例如，申請號為201510263339. 5 的中國專利所公開的一種非相參校正相控陣系統及方法，該專利解決了非相參設計中的校 正功能實現，設計了頻率源分置的設計體制，降低了現有技術的復雜性，方便了小型化和集 成化。另外，公開號為CN104330777A的中國專利所公開的一種有源相控陣雷達的收發通道 自校準方法，該專利利用輸入輸出信號耦合電路收發通道，利用多路功分電路將多個收發 通道耦合信號合并成一路，實現有源相控陣的每個收發通道在線單獨校準。概括來說，內校 準法的優點是能實現在線校準，校準速度快、技術成熟、可靠性高、性能穩定、校準精確度較 高。但內校準法的校準結果不包括天線單元自身的幅相誤差，并且該方法需要做一個專門 的校準矩陣網絡，其系統復雜、設備量大、成本高，會給相控陣的電磁兼容性設計和結構設 計帶來了一定的難度。
[0004] 遠場校準法需要在相控陣天線的遠場設置一個或多個輔助校準源，然后從輔助校 準源獲得校準信號或者發射校準信號，穩定的相參信號經過各通道之后，改變后的幅相信 息能夠被采集到，從而得到相控陣幅相誤差數據。例如，申請號為201410631380. 9的中國 專利所公開的一種相控陣雷達發射通道遠場校準方法及系統，該專利在遠場架設兩個天 線，在雷達陣面旁邊安裝一個輔助天線，用于接收遠場第二個天線發射回來的信號，通過控 制發射組件的移相器，使其按照相位修正量進行相移，以此實現發射通道遠場校準。概括來 說，遠場校準法的優點是所需系統設備量較少，結構簡單，能有效地降低雷達成本，同時考 慮到了天線單元自身的幅相誤差，校準后的幅相值更接近真實值。但遠場校準法的遠場條 件限制對校準場地提出了較高要求，特別是頻段較高，陣面較大的相控陣天線很難滿足遠 場校準法的遠場條件。
[0005] 平面近場校準法作為一種現代天線測量的重要手段，其理論日趨成熟，應用也日 益廣泛。通過平面近場測量能反演出相控陣天線的口徑場分布，故能利用其進行天線的診 斷，同時得到所有陣元的初始幅相信息，用來對各陣元通道進行幅相誤差校準。例如，公開 號為CN103616569A的中國專利所公開的一種毫米波平面近場測試相位修正方法，該專利 通過記錄掃描面上指定的采樣點位置及在該位置下的采樣數據來建立采樣點對應的相位 漂移和時間的函數關系，通過插值的方式實現對整個掃描面數據的相位補償。與傳統的遠 場校準法相比，平面近場校準法具有測量精度高、不易受到外界電磁環境的干擾、能全天候 工作、保密性高等優點。但平面近場校準法需要專用的天線近場測量系統和測試場地，通用 性不尚。
[0006] 基于上述，目前亟需提出一種能夠避免現有技術中不足之處的相控陣幅相誤差的 校準方法。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在于提供一種基于一維旋轉的相控陣幅相誤差近場校準方法，只需 滿足相控陣天線中單個天線單元的遠場條件，不需要設置專門的校準矩陣網絡或者復雜的 近場測量設備，校準方法簡單，可操作性強，測量精度較高，易于工程實現。
[0008] 為了達到上述目的，本發明提供一種基于一維旋轉的相控陣幅相誤差近場校準方 法，包含以下步驟：
[0009] S1、搭建相控陣天線的相控陣幅相誤差的測試系統，將相控陣天線固定在預定的 初始旋轉角度，初步測量校準源以及相控陣天線的參考陣元在柱面坐標系中的初始位置； [0010] S2、測試系統測量相控陣天線的接收通道幅度信息和相位測量信息；
[0011] S3、測試系統測量相控陣天線的發射通道幅度信息和相位測量信息；
[0012] S4、判斷是否已經完成了對相控陣天線的所有預定旋轉角度的測量；如是，則繼續 執行S5 ;如否，則將相控陣天線旋轉至預定的其他旋轉角度后，返回執行S2和S3 ;
[0013] S5、計算相控陣幅度誤差的校準值；
[0014] S6、通過最優化原理計算校準源以及相控陣天線的參考陣元在柱面坐標系中的初 始位置；
[0015] S7、計算相控陣相位誤差的校準值。
[0016] 所述的S1中，具體包含以下步驟：
[0017] S11、搭建相控陣天線的相控陣幅相誤差的測試系統；該測試系統包含：
[0018] 相控陣天線，其包含天線陣面、和差網絡、TR組件和波控機；
[0019] 一維旋轉機構，所述的相控陣天線通過固定裝置設置在該一維旋轉機構上；
[0020] 測控設備，其通過旋轉控制電纜與一維旋轉機構連接，通過控制一維旋轉機構來 控制相控陣天線的天線陣面轉動；該測控設備還通過相控陣天線控制電纜與相控陣天線的 波控機連接，通過控制波控機來控制相控陣天線的TR組件的接收和發射通道；
[0021] 校準天線，其與相控陣天線相對設置，且與相控陣天線之間間隔一定距離；
[0022] 功率放大器，其與校準天線連接；
[0023] 網絡分析儀，其通過網絡分析儀控制電纜與測控設備連接；該網絡分析儀的第一 端口與功率放大器連接，該網絡分析儀的第二端口與相控陣天線的和差網絡和路端口連 接；
[0024] S12、保持設置在一維旋轉機構上的相控陣天線固定不動，其預定的初始旋轉角度 為Θ i，以相控陣天線的第1個天線陣元為參考陣元，初步測量校準源在柱面坐標系中的初 始位置為（r。，0。，^)，參考陣元在柱面坐標系中的初始位置為（r"f, 0raf，Zraf);
[0025] S13、根據相控陣天線的尺寸結構以及天線陣面的安裝位置，確定相控陣天線的其 他各個天線陣元相對參考陣元的初始位置矢量為：
[0026] An,, = (At\n, Αθλη, Αζ?η)；
[0027] n = 2,3，."，N;
[0028] 其中，n為相控陣天線的其他各個天線陣元的陣元號，N為相控陣天線的天線陣元 總數。
[0029] 所述的S12中，柱面坐標系（r，θ，z)與測試系統的直角坐標系（X，y，z)之間的轉 換關系為： .t = r cos Θ
[0030] { i' = r-sint? :; ? 二 Z
[0031] 其中，所述的測試系統的直角坐標系（x，y，z)以一維旋轉機構的旋轉軸與相控陣 天線的天線陣面的交點為直角坐標系的原點〇 ;以一維旋轉機構的旋轉軸為z軸，向上為 正；以一維旋轉機構的旋轉軸的垂面為x〇y平面；以天線陣面與x〇y平面的交線為y軸；根 據已經確定的Z軸和y軸，按照右手定理確定X軸。
[0032] 當天線陣面的安裝位置與一維旋轉機構的旋轉軸平行時，則確定一維旋轉機構的 旋轉軸上的任一點為測試系統的直角坐標系的原點。
[0033] 所述的S2中，功率放大器的輸出端連接校準天線；具體包含以下步驟：
[0034] S21、測控設備通過網絡分析儀控制電纜控制網絡分析儀產生第一參考信號，其經 由網絡分析儀的第一端口傳輸至功率放大器，被功率放大器放大后通過校準天線發射；
[0035] S22、在S21進行的過程中，測控設備通過波控機控制相控陣天線的TR組件的各個 接收通道依次打開，且每次只打開TR組件中的一個接收通道；
[0036] 其中，TR組件的每個接收通道分別--對應相控陣天線的各個天線陣元，因此，TR 組件共有N個接收通道，且將其中第1個接收通道作為參考接收通道，其他各個接收通道的 通道號可用η表示，η = 2, 3,…，N ;
[0037] S23、在TR組件的各個接收通道單獨打開時，分別由當前打開的接收通道接收從 校準天線發射的第一參考信號，通過和差網絡以及和差網絡和路端口，再經由網絡分析儀 的第二端口傳輸返回至網絡分析儀，并通過測控設備將網絡分析儀測量得到的TR組件的 各個接收通道的幅度信息和相位測量信息Φ m記錄下來，其中，r表示接收通道，1表 示是在初始旋轉角度Θ ^寸進行的測量。
[0038] 所述的S3中，功率放大器的輸入端連接校準天線；具體包含以下步驟：
[0039] S31、測控設備通過網絡分析儀控制電纜控制網絡分析儀產生第二參考信號，其通 過網絡分析儀的第二端口依次經由相控陣天線的和差網絡和路端口以及和差網絡后傳輸 至TR組件的發射輸入端；
[0040] S32、在S31進行的過程中，測控設備通過波控機控制相控陣天線的TR組