一种阵列天线外场差分相差标定方法与流程

1.本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种阵列天线外场差分相差标定方法。


背景技术：

2.阵列天线已经在卫星通信、卫星导航领域得到了广泛应用，相比于传统的单天线，在阵元间、接收通道间的相位差准确标定与修正基础上，阵列天线可通过多阵元接收信号相位控制、空域调零等技术完成阵列天线接收波束的空域扫描及干扰抑制，也可通过多阵元相位干涉及空间谱估计等技术完成辐射源的精确测向。由于阵列天线中每个阵元均包含一个完整的天线阵子与接收通道，传统阵列天线的标校工作流程复杂且效率较低，主要体现在：1）阵列天线阵元与接收通道的相差标校需借助微波暗室环境，包括转台、机械臂及多径抑制环境，测试环境相对苛刻；2）阵列天线阵元之间相差与天线极化形式、安装姿态、安装位置直接相关，传统标定方法针对不同阵列流行阵元间相差标定需完成阵列天线中每个阵元的天线相位方向图测试，测试流程复杂；3）阵列天线的各阵元接收通道（如放大器、滤波器、混频器、adc等）相位传输延迟不同，阵列天线的标定需完成每个阵元接收通道相位的标定，测试流程复杂。
3.随着阵列天线在卫星通信、卫星导航领域广泛应用，不依赖于暗室环境的情况下，阵列天线阵元与接收信道一体化相差标定方法可为阵列天线标校提供新的技术手段并可大幅度提升标校效率。


技术实现要素：

4.为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种阵列天线外场差分相差标定方法，拟解决目前天线与通道相位标定，流程复杂，效率低下的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种阵列天线外场差分相差标定方法，包括以下步骤：步骤1：选取一处周围无建筑遮挡且平整的空旷场地，以场地中心作为待测阵列天线放置点，以待测阵列天线本体坐标原点为圆心，围绕待测阵列天线本体坐标原点确定一个正圆，通过gnss测向设备测定m个水平距离为r的测试天线点位，其中测试天线点位1位于待测阵列天线的正北方向；步骤2：将待测阵列天线部署到场地中心，将待测阵列天线的x轴对准位于正北方向的测试天线点位，z轴正对天顶，x-y平面与地面保持平行；步骤3：基于确定的测试天线点位以及所部署的待测阵列天线，计算测试天线点位相对于待测阵列天线x-y-z坐标点位的方位与俯仰；步骤4：依次将测试天线放置于所确定的m个测试天线点位，通过待测阵列天线接收机完成每个阵列天线的阵元n到阵元1通道的载波相位差测量，并记录载波相位差；
步骤5：根据步骤3得到的方位与俯仰以及步骤4得到的载波相位差，解算阵元n到阵元1之间的天线及信道相位差。
6.本发明在外场通过gnss高精度测向定位设备实现待测阵列天线与测试天线两者之间的相对方位与俯仰角度标定，结合空旷场地弱多径电磁环境特征，无需微波暗室环境以及机械臂及转台等基础设施完成阵子间与信道间联合相位差的一次性标定；不受阵列流行约束。
7.优选的，所述阵元n到阵元1之间的天线及信道相位差的解算步骤如下：a.基于步骤4得到m个测试天线点位的载波相位差，形成测试数据矩阵；b.基于步骤3得到m个测试天线点位与待测阵列天线的方位与俯仰，并形成方位与俯仰数据矩阵；c.获取阵列天线各阵元在坐标系x-y-z中的安装位置，以阵元1为阵列天线基准点，则阵元n与阵元1的空间位置矢量为；根据数据矩阵b得到测试天线点位n的测试天线与待测阵列天线方位与俯仰角；再基于如下公式得到阵元n与阵元1的波程相位差：；d.构建阵列流行理论波程相位差矩阵,当阵元n与阵元1距离大于时，可大于，其中为电磁波波长，通过公式解算的模糊度，得到修正测试矩阵；
e.将修正测试矩阵与理论波程相位差矩阵做差得到矩阵,对矩阵中的n列数据求均值，得到阵元n到阵元1之间的不同方向的平均相位差；f.将平均相位差作为每个阵元及通道的修正参数录入接收机修正参数中，实现阵列天线中阵元n到阵元1之间的相位差标定与修正。
8.优选的，所述待测阵列天线本体坐标系x负轴指向正北方向。
9.优选的，所述测试天线点位n俯仰角的计算方式如下：= atan（(r2-r1)/r）；式中：表示第n个测试天线点位的俯仰角；r1表示待测阵列天线安装高度；r2表示测试天线支架高度；r表示测试天线支架与待测阵列天线支架的水平距离。
10.优选的，所述测试天线点位n的方位差的计算方式如下：=；式中：表示第n个测试天线点位的方位差；n表示第n个测试天线点位；m表示第m个测试天线点位。
11.本发明的有益效果包括：本发明在外场通过gnss高精度测向定位设备实现待测阵列天线与测试天线两者之间的相对方位与俯仰角度标定，结合空旷场地弱多径电磁环境特征，无需微波暗室环境以及机械臂及转台等基础设施完成阵子间与信道间联合相位差的一次性标定；不受阵列流行约束。
附图说明
12.图1为本发明阵列天线外场差分相差标定方法原理图，其中a部分为俯视图，b部分为侧视图。
13.图2为本发明阵列天线差分相差解算方法流程及步骤。
14.图3为本发明阵列天线差分相差解算方法修正结果示意图（未修正）。
15.图4为本发明阵列天线差分相差解算方法修正结果示意图（标定后）。
具体实施方式
16.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
17.下面结合图1到图4对本发明作进一步的详细说明：
一种阵列天线外场差分相差标定方法，包括以下步骤：参见图1，步骤1：选取一处处周围无建筑遮挡且平整空旷场地，以场地中心作为待测阵列天线放置点，通过gnss测向设备距离测定m个水平距离为r的测试天线点位，测试天线点位1位于放置点的正北方向，点位1~m分别按照顺时针方向以 间隔设定，待测阵列天线安装高度为r1，测试天线支架高度为r2，测试天线支架与待测阵列天线支架的水平距离为r，则天线仰角可通过调整r1或r2值进行设定；步骤2：将待测阵列天线部署到场地中心，将待测阵列天线的x轴对准位于正北方向的测试天线点位，z轴正对天顶，x-y平面与地面保持平行；待测阵列天线原点o与场地中心点位重合；步骤3：基于确定的测试天线点位以及所部署的待测阵列天线，计算测试天线点位相对于待测阵列天线x-y-z坐标点位的方位与俯仰；测试天线点位n俯仰角通过atan（(r2-r1)/r）计算获得，方位角通过标定好测试天线点位角度直接获取；步骤4：依次将测试天线放置于所确定的m个测试天线点位，通过天线接收机完成每个阵列天线的阵元n到阵元1通道的载波相位差测量，并记录载波相位差；步骤5：根据步骤3得到的方位与俯仰以及步骤4得到的载波相位差，解算阵元n到阵元1之间的阵元及信道相位差。
18.参见图2，所述阵元n到阵元1之间的天线及信道相位差的解算步骤如下：a.阵列天线接收机完成位于测试天线点位n的待测阵列天线各阵元通道相位差，直至遍历整个圆周m个测试天线点位，形成测试数据矩阵；b.获取测试天线点位与待测阵列天线之间的方位与俯仰矩阵；c.获取阵列天线各阵元在天线本体坐标系x-y-z中的安装位置，以阵元1为阵列天线基准点，则阵元n与阵元1的空间位置矢量为；根据数据矩阵b得到测试天线点位n的测试天线与待测阵列天线方位与俯仰角；再
基于如下公式得到阵元n与阵元1的波程相位差：；d.构建理论波程相位差矩阵,当阵元n与阵元1距离大于时，可大于，其中为电磁波波长，通过公式解算的模糊度，得到修正测试矩阵；e.将修正测试矩阵与理论波程相位差矩阵做差得到矩阵,对矩阵中的n列数据求均值，得到阵元n到阵元1之间的不同方向的平均相位差；f.将平均相位差作为每个阵元及通道的修正参数录入接收机修正参数中，实现阵列天线中阵元n到阵元1之间的相位差标定与修正。
19.参见图3所示，以6阵列天线标定为例，天线1坐标为（0,0,0），天线2坐标为（0.4，0,0），天线3（0，0.4，0），天线4（0.4，0.4，0），天线5（2，0，0），天线6（0，2，0）；未通过本发明方法修正的阵元间相位差具有如下特点：（1）实线代表天线阵子n与阵子1之间的实测数据，点线代表不同测试天线点位对应的理论波程相位差；（2）阵子2~阵子n与阵子1之间的相位差各不相同，且与理论波程差在不同方位来向上不一致，在无标定情况下，各阵子之间无法进行相位合成，进而直接影响阵列天线的各类应用。
20.参见图4，以相同6阵元为例，经过本专利方法天线2~天线6与天线1之间的相差特点如下：（1）实线代表天线阵子n与阵子1之间的实测数据，点线代表不同测试天线点位对应的理论波程相位差；（2）经本发明方法标定后，阵元间相位差与理论波程差一致且误差较小；（3）经本发明方法标定后，阵子2~阵子n与阵子1之间的相位差保持一致，不影响阵列天线的各类应用。
21.以上所述实施例仅表达了本技术的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。