微波全息法天線面形測量相關機系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種微波全息法天線面形測量相關機系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括一雙通道相關機和一控制裝置，其中，所述雙通道相關機包括：兩個帶通采樣單元；兩個混頻濾波單元，分別通信連接至一所述帶通采樣單元；兩個傅立葉變換單元，分別通信連接至一所述混頻濾波單元；一實時相關運算單元，通信連接至兩個所述傅立葉變換單元；一積分器，通信連接至所述實時相關運算單元；一寄存器單元，其包括通信連接在所述積分器與所述控制裝置之間的數(shù)據(jù)輸出寄存器和參數(shù)設置寄存器。本發(fā)明避免了不能重復配置導致的動態(tài)范圍窄、測量精度低、擴展與升級難等問題，同時還避免了基帶轉(zhuǎn)換器帶來的系統(tǒng)復雜、穩(wěn)定性和可靠性低等問題。
【專利說明】微波全息法天線面形測量相關機系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及采用微波全息法測量天線面精度的技術，尤其涉及一種微波全息法天線面形測量相關機系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002]大口徑拋物面天線的表面精度是影響天線性能的重要指標，其直接影響天線的孔徑效率，并決定了天線可工作的最短波長，還影響天線方向圖的主瓣寬度和旁瓣結(jié)構(gòu)。為了便于加工制造和安裝，拋物面天線的主反射面通常由多塊單面板拼接而成，由于面板與面板之間的拼接誤差會降低天線的表面精度，因此需要一種高精度的測量方法對天線面形進行檢測并調(diào)整。
[0003]微波全息法是測量大口徑拋物面天線表面精度所采用的主要方法之一，自1977年Scott和Ryle采用該方法對劍橋的4面天線陣首次測量以來，該方法得到了極大的發(fā)展與廣泛的應用，測量精度不斷提高，2006年在ALMA (阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波天線陣)的12米毫米波天線上的測量精度達到了 5 μ m，調(diào)整后的天線表面精度達到了 20μπι，是當前拋物面天線面形測調(diào)案例中的最高測量精度與調(diào)整精度。微波全息法是根據(jù)天線互易性原理，利用天線的孔徑場與遠場存在傅立葉變換關系，通過測量遠場的振幅和相位來反推天線孔徑場的振幅和相位分布，并通過天線孔徑場的相位分布，利用光線追跡得到天線表面相對于理想拋物面的偏差信息，同時還可以得到副面位置、天線空徑照明、方向性和重力變形等因素引起的各種誤差。
[0004]在測量過程中，該方法首先包括在被測天線附近架設一參考天線，并使被測天線和參考天線同時接收一地球同步衛(wèi)星的信標信號；然后通過一雙通道相關機對被測天線和參考天線輸出的兩路信號進行相關運算來測定被測天線遠場的振幅和相位，從而獲得被測天線的面形誤差。在此，相關機作為微波全息法所采用的最主要的設備之一，其性能不但直接影響微波全息法測量的穩(wěn)定性與準確性，還對提高測量精度至關重要。
[0005]公布號為CN102778611A的專利申請?zhí)峁┝艘环N雙通道實時相關機，該相關機包括依次通信連接的ADC采樣單元、延遲補償單元、雙通道FFT核、通道數(shù)據(jù)分離單元、數(shù)據(jù)切割單元、自相關和互相關運算單元、積分單元和寄存器單元。但是，在該申請中并未設置能夠與相關機進行數(shù)據(jù)交互的控制裝置，因而不能對相關機的測量參數(shù)進行在線重復配置，從而導致相關機的動態(tài)范圍窄、測量精度低、擴展與升級難等問題。
[0006]此外,根據(jù)Nyquist (奈奎斯特)采樣定理,對于頻帶為(O, fmax)的信號,要使其采樣后能不失真地還原，采樣頻率必須大于信號最高頻率的兩倍。因此,如果按照Nyquist采樣定理對上述兩個天線輸出的信號進行采樣，那么采樣頻率需高達數(shù)GHz，這不僅對AD轉(zhuǎn)換器的性能要求較高，而且如此大的數(shù)據(jù)量對后續(xù)信號處理的速度也提出了更高的要求。為了解決這個問題，公布號為CN102778611A的專利申請?zhí)岢隽嗽贏D轉(zhuǎn)換器與天線之間增設基帶轉(zhuǎn)換器，從而在AD采樣之前先對天線輸出的信號進行基帶轉(zhuǎn)換的技術方案，但這樣一來增加了系統(tǒng)的復雜性，并且使得系統(tǒng)測量相位的穩(wěn)定性和可靠性受到了一定的影響，另外，兩個通道中設置的基帶轉(zhuǎn)換器也難以做到完全相同，因而可能影響測量結(jié)果的精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種可以在線重復配置的微波全息法天線面形測量相關機系統(tǒng)及方法，以避免不能重復配置導致的動態(tài)范圍窄、測量精度低、擴展與升級難等問題，同時還避免基帶轉(zhuǎn)換器帶來的系統(tǒng)復雜、穩(wěn)定性和可靠性低等問題。
[0008]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0009]本發(fā)明一方面提供一種微波全息法天線面形測量相關機系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一雙通道相關機和一控制裝置，其中，所述雙通道相關機包括:
[0010]兩個帶通采樣單元，分別采樣被測天線輸出的信號和參考天線輸出的信號，并分別對兩路所述信號進行AD轉(zhuǎn)換；
[0011]兩個混頻濾波單元，分別通信連接至一所述帶通采樣單元，各所述混頻濾波單元分別用于對相應所述帶通采樣單元所轉(zhuǎn)換的信號進行混頻和濾波處理；
[0012]兩個傅立葉變換單元，分別通信連接至一所述混頻濾波單元，各傅立葉變換單元分別用于對相應所述混頻濾波單元所處理的信號進行傅立葉變換，以使其轉(zhuǎn)換成頻域信號;
[0013]一實時相關運算單元，通信連接至兩個所述傅立葉變換單元，其根據(jù)兩個所述傅立葉變換單元轉(zhuǎn)換成的所述頻域信號進行自相關運算和互相關運算，并輸出運算結(jié)果；
[0014]一積分器，通信連接至所述實時相關運算單元，其對所述實時相關運算單元輸出的所述運算結(jié)果進行積分，并輸出積分結(jié)果；
[0015]一寄存器單元，其包括通信連接在所述積分器與所述控制裝置之間的數(shù)據(jù)輸出寄存器和參數(shù)設置寄存器，其中，所述積分器輸出的所述積分結(jié)果通過所述數(shù)據(jù)輸出寄存器傳輸至所述控制裝置，所述控制裝置通過所述參數(shù)設置寄存器配置所述雙通道相關機的參數(shù)。
[0016]優(yōu)選地，各所述帶通采樣單元分別包括依次通信連接在所述被測天線或所述參考天線與相應所述混頻濾波單元之間的一帶通濾波器、一 AD轉(zhuǎn)換器和一延時器。
[0017]優(yōu)選地，各所述混頻濾波單元分別包括依次通信連接在相應所述帶通采樣單元與相應所述傅立葉變換單元之間的一混頻器、一低通濾波器和一多相濾波器。
[0018]進一步地，所述參數(shù)設置寄存器包括分別通信連接在所述積分器與所述控制裝置之間的數(shù)字增益設置寄存器和積分長度設置寄存器。
[0019]進一步地，所述數(shù)據(jù)輸出寄存器包括分別通信連接在所述積分器與所述控制裝置之間的自相關數(shù)據(jù)輸出寄存器和互相關數(shù)據(jù)輸出寄存器。
[0020]進一步地，所述雙通道相關機還包括連接至所述AD轉(zhuǎn)換器的時鐘信號源。
[0021]優(yōu)選地，所述控制裝置為計算機。
[0022]本發(fā)明另一方面提供一種微波全息法天線面形測量方法，該方法包括:
[0023]通過兩個帶通采樣單元采樣被測天線輸出的信號和參考天線輸出的信號，并對采樣到的兩路所述信號分別進行AD轉(zhuǎn)換；
[0024]通過兩個混頻濾波單元分別對兩路經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換的所述信號進行混頻和濾波處理；
[0025]通過兩個傅立葉變換單元分別對兩路經(jīng)過混頻和濾波處理的信號進行傅立葉變換，以轉(zhuǎn)換成兩路頻域信號；
[0026]通過一實時相關運算單元根據(jù)兩路所述頻域信號進行自相關運算和互相關運算，并輸出運算結(jié)果；
[0027]通過一積分器對所述實時相關運算單元輸出的所述運算結(jié)果進行積分，并輸出積分結(jié)果；
[0028]通過一寄存器單元將所述積分器輸出的所述積分結(jié)果傳輸至一控制裝置。
[0029]綜上所述，在本發(fā)明中，由于雙通道相關機的寄存器為能夠與控制裝置進行數(shù)據(jù)交互的寄存器，因而該相關機的測量參數(shù)可以通過該控制裝置進行在線重復配置，從而避免了不能重復配置導致的動態(tài)范圍窄、測量精度低、擴展與升級難等問題；此外，本發(fā)明在天線與AD轉(zhuǎn)換器之間設置了帶通濾波器代替現(xiàn)有的基帶轉(zhuǎn)換器，因而可根據(jù)帶通采樣定理對天線輸出的高頻帶通信號進行直接采樣，從而避免基帶轉(zhuǎn)換器引起的系統(tǒng)復雜度高、穩(wěn)定性差的缺點，使系統(tǒng)更簡潔，更穩(wěn)定、可靠。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明的微波全息法天線面形測量相關機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0031]圖2為本發(fā)明的微波全息法天線面形測量相關機系統(tǒng)的硬件連接示意圖；
[0032]圖3為本發(fā)明的微波全息法天線面形測量方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0033]為使進一步深入了解本發(fā)明的技術手段與特征，謹配合附圖再予舉例進一步具體說明于后:
[0034]本發(fā)明提供一種可重復配置的微波全息法天線面形測量相關機系統(tǒng)，以實時解算被測天線與參考天線輸出的信號之間的相位差。如圖1和2所示，該系統(tǒng)包括一雙通道相關機I以及一控制裝置100 (圖中示出為監(jiān)控計算機100)，且該雙通道相關機I的A、B兩個通道分別對應于被測天線和(未示出)參考天線(未示出)。
[0035]在如圖2所示的實施例中，雙通道相關機I的A、B通道分別包括一帶通采樣單元、一混頻濾波單元和一傅立葉變換單元117、127，其中，該帶通采樣單元包括依次通信連接的帶通濾波器111、121、AD轉(zhuǎn)換器112、122和延時器113、123 ;該混頻濾波單元包括依次通信連接在延時器113、123與傅立葉變換單元117、127之間的數(shù)字的混頻器114、124、低通濾波器115、125和多相濾波器116、126，它們的參數(shù)均可根據(jù)需求進行調(diào)整。此外，雙通道相關機I還包括通信連接在傅立葉變換單元117、127與控制裝置100之間的實時相關運算單元
11、積分器12和寄存器單元13。
[0036]優(yōu)選地，如圖2所示，除帶通濾波器111、121和AD轉(zhuǎn)換器112、122以外，雙通道相關機I的其它組成部分均基于美國伯克利大學CASPER(卡斯帕)組織設計的R0ACH-FPGA(可重構(gòu)開放式架構(gòu)硬件計算平臺-現(xiàn)場可編程門陣列)硬件平臺實現(xiàn)，并在Matlab/Simulink和Xi I inx/System Generator聯(lián)合軟件平臺環(huán)境下進行開發(fā)，采用圖形化編程的方式，高效實現(xiàn)FPGA的設計構(gòu)建。更加優(yōu)選地，AD轉(zhuǎn)換器112、122如圖2所示集成在一雙通道AD轉(zhuǎn)換器中。
[0037]采用本發(fā)明的微波全息法天線面形測量相關機系統(tǒng)測量天線面形的方法通過如下步驟S1-S6實現(xiàn):
[0038]步驟SI，通過兩個帶通采樣單元采樣被測天線輸出的信號和參考天線輸出的信號，并對采樣到的兩路所述信號分別進行AD轉(zhuǎn)換。具體來說，步驟SI又包括以下步驟S11，S12 和 S13:
[0039]步驟S11，通過A、B通道中的帶通濾波器111、121分別采樣被測天線輸出的信號和參考天線輸出的信號，并對通帶中的其它頻帶上的信號進行過濾，以免引起混疊。
[0040]在本步驟中，帶通濾波器111、121采用帶通采樣技術(又稱欠采樣技術)進行采樣，從而可以對天線輸出的信號進行直接采樣，而無需進行基帶轉(zhuǎn)換，其工作原理是這樣的:當帶通采樣技術滿足以下條件時可以無失真的恢復信號:
[0041]首先，需要滿足式(O,
【權利要求】
1.一種微波全息法天線面形測量相關機系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括一雙通道相關機和一控制裝置，其中，所述雙通道相關機包括: 兩個帶通采樣單元，分別采樣被測天線輸出的信號和參考天線輸出的信號，并分別對兩路所述信號進行AD轉(zhuǎn)換； 兩個混頻濾波單元，分別通信連接至一所述帶通采樣單元，各所述混頻濾波單元分別用于對相應所述帶通采樣單元所轉(zhuǎn)換的信號進行混頻和濾波處理； 兩個傅立葉變換單元，分別通信連接至一所述混頻濾波單元，各傅立葉變換單元分別用于對相應所述混頻濾波單元所處理的信號進行傅立葉變換，以使其轉(zhuǎn)換成頻域信號； 一實時相關運算單元，通信連接至兩個所述傅立葉變換單元，其根據(jù)兩個所述傅立葉變換單元轉(zhuǎn)換成的所述頻域信號進行自相關運算和互相關運算，并輸出運算結(jié)果； 一積分器，通信連接至所述實時相關運算單元，其對所述實時相關運算單元輸出的所述運算結(jié)果進行積分，并輸出積分結(jié)果； 一寄存器單元，其包括通信連接在所述積分器與所述控制裝置之間的數(shù)據(jù)輸出寄存器和參數(shù)設置寄存器，其中，所述積分器輸出的所述積分結(jié)果通過所述數(shù)據(jù)輸出寄存器傳輸至所述控制裝置，所述控制裝置通過所述參數(shù)設置寄存器配置所述雙通道相關機的參數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的微波全息法天線面形測量相關機系統(tǒng)，其特征在于，各所述帶通采樣單元分別包 括依次通信連接在所述被測天線或所述參考天線與相應所述混頻濾波單兀之間的一帶通濾波器、一 AD轉(zhuǎn)換器和一延時器。
3.根據(jù)權利要求1所述的微波全息法天線面形測量相關機系統(tǒng)，其特征在于，各所述混頻濾波單元分別包括依次通信連接在相應所述帶通采樣單元與相應所述傅立葉變換單元之間的一混頻器、一低通濾波器和一多相濾波器。
4.根據(jù)權利要求1所述的微波全息法天線面形測量相關機系統(tǒng)，其特征在于，所述參數(shù)設置寄存器包括分別通信連接在所述積分器與所述控制裝置之間的數(shù)字增益設置寄存器和積分長度設置寄存器。
5.根據(jù)權利要求1所述的微波全息法天線面形測量相關機系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)輸出寄存器包括分別通信連接在所述積分器與所述控制裝置之間的自相關數(shù)據(jù)輸出寄存器和互相關數(shù)據(jù)輸出寄存器。
6.根據(jù)權利要求1所述的微波全息法天線面形測量相關機系統(tǒng)，其特征在于，所述雙通道相關機還包括連接至所述AD轉(zhuǎn)換器的時鐘信號源。
7.根據(jù)權利要求1所述的微波全息法天線面形測量相關機系統(tǒng)，其特征在于，所述控制裝置為計算機。
8.一種微波全息法天線面形測量方法，其特征在于，該方法包括: 步驟SI，通過兩個帶通采樣單元采樣被測天線輸出的信號和參考天線輸出的信號，并對采樣到的兩路所述信號分別進行AD轉(zhuǎn)換； 步驟S2，通過兩個混頻濾波單元分別對兩路經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換的所述信號進行混頻和濾波處理； 步驟S3，通過兩個傅立葉變換單元分別對兩路經(jīng)過混頻和濾波處理的信號進行傅立葉變換，以轉(zhuǎn)換成兩路頻域信號； 步驟S4，通過一實時相關運算單元根據(jù)兩路所述頻域信號進行自相關運算和互相關運算，并輸出運算結(jié)果； 步驟S5，通過一積分器對所述實時相關運算單元輸出的所述運算結(jié)果進行積分，并輸出積分結(jié)果； 步驟S6，通過一寄存器單元將所述積分器輸出的所述積分結(jié)果傳輸至一控制裝置。
【文檔編號】G01B15/04GK103900505SQ201410152102
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月15日 優(yōu)先權日:2014年4月15日
【發(fā)明者】裴鑫, 李健, 陳卯蒸, 聶俊 申請人:中國科學院新疆天文臺