近場(chǎng)測(cè)量天線遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)特性快速計(jì)算方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種天線近場(chǎng)測(cè)量快速計(jì)算遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)特性方法。本方法首先對(duì)平面近場(chǎng)掃描得到的兩個(gè)切向場(chǎng)分量進(jìn)行二維快速傅里葉逆變換，得到相應(yīng)的波譜分量，避免二重積分求解大量的時(shí)間開(kāi)銷。已知波譜分量的K域離散采樣值，采用二維樣條插值方法近似計(jì)算其余各個(gè)目標(biāo)方向上波譜未知量，計(jì)算精度取決于傅里葉變換點(diǎn)數(shù)。最后利用仿真得到的開(kāi)口波導(dǎo)場(chǎng)分布，進(jìn)行探頭補(bǔ)償，快速修正波譜，用駐相法直接計(jì)算天線遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)特性。
【專利說(shuō)明】近場(chǎng)測(cè)量天線遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)特性快速計(jì)算方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于天線近場(chǎng)測(cè)量快速計(jì)算技術(shù)，主要是針對(duì)無(wú)源天線或有源相控陣天線 基于近場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)獲取遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的近遠(yuǎn)場(chǎng)變換技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代相控體制雷達(dá)天線主要技術(shù)指標(biāo)通常在微波暗室通過(guò)平面近場(chǎng)掃描測(cè)量獲 得，可以避免遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量中開(kāi)放場(chǎng)地需求及復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)測(cè)量精度的影響，尤其適合具有 低副瓣、超低副瓣等特殊性能天線的測(cè)試。
[0003] 平面近場(chǎng)測(cè)試主要依據(jù)為平面波譜展開(kāi)理論，即無(wú)源區(qū)域任何單頻電磁波可以表 示為沿不同方向傳播的一系列平面電磁波疊加，只要已知參與疊加的各個(gè)平面波的復(fù)振 幅，就可以完全確定場(chǎng)的特性。
[0004] 平面近場(chǎng)測(cè)量通常做法是用一個(gè)輻射特性已知的開(kāi)口波導(dǎo)探頭進(jìn)行極化相互正 交(水平極化、垂直極化）的兩次近場(chǎng)掃描測(cè)試獲得電場(chǎng)的X、y方向分量，之后進(jìn)行二維傅 里葉變換（Fourier Transform)確定譜函數(shù)，最后利用駐相法計(jì)算得到天線遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)特性。 由于探頭通常具有一定方向性，探頭測(cè)試值是待測(cè)天線輻射場(chǎng)在探頭接收平面上的加權(quán)平 均，還需經(jīng)過(guò)探頭修正考慮探頭本身特性的影響。
[0005] 近場(chǎng)掃描平面一般距待測(cè)天線口面3?5入，此時(shí)可認(rèn)為平面波譜在k域是帶限 的，只要平面柵格取樣間距滿足奈奎斯特（Nyquist)定理，近場(chǎng)掃描采樣后得到的離散場(chǎng) 分布能夠代表所有場(chǎng)信息。此外，平面近場(chǎng)掃描范圍設(shè)置只需覆蓋主波束附近能量，_40db 以下能量對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)貢獻(xiàn)幾乎可以忽略。因此可近似認(rèn)為場(chǎng)在空域也是范圍限定的，因此在譜 域也可以進(jìn)行采樣處理?；谝陨戏椒ǎ沼蚣白V域均為離散采樣信號(hào)，可利用二維快速傅 里葉變換（Fast Fourier Transform)進(jìn)行波譜的快速計(jì)算。遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖其它感興趣的方 位、俯仰（Az，El)方向上的波譜值可通過(guò)插值獲得，省去傳統(tǒng)方法中計(jì)算二重積分這種較 耗時(shí)的處理過(guò)程。
[0006] 探頭方向圖可以通過(guò)預(yù)先校準(zhǔn)獲取，本專利提出的方法是直接在電磁仿真軟件中 對(duì)開(kāi)口波導(dǎo)建模，仿真結(jié)束后導(dǎo)出對(duì)應(yīng)各個(gè)測(cè)試頻點(diǎn)的三維遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，可以在近遠(yuǎn)場(chǎng)快速 計(jì)算中直接導(dǎo)入，節(jié)省時(shí)間。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是：提供一種天線近場(chǎng)測(cè)量獲取遠(yuǎn)區(qū)三維場(chǎng)特性的快速計(jì)算方法。
[0008] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的解決方案是：探頭在掃描平面內(nèi)按照設(shè)定的掃描范圍及間距 GkAy S^/2)進(jìn)行兩次正交采樣，得到Es、E::兩個(gè)場(chǎng)分量的復(fù)振幅信息。Es、E ::為二維矩陣， 分別進(jìn)行二維快速傅里葉逆變換（點(diǎn)數(shù)應(yīng)取2的整數(shù)倍，點(diǎn)數(shù)不夠可以補(bǔ)零擴(kuò)充）得到對(duì)應(yīng) 的波譜分量Av。然后根據(jù)方位角、俯仰角的取值(-tpG)計(jì)算與其對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)(?. t )， 并在K域?qū)ζ?、A::進(jìn)行二維樣條插值，之后利用駐相法計(jì)算遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)分量(g 3分量)。探頭的 遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)分量通過(guò)電磁仿真軟件導(dǎo)出，利用該結(jié)果進(jìn)行探頭修正最終得到經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的真實(shí) 的待測(cè)天線遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)特性Ee、E.; ,并繪制三維方向圖。整個(gè)流程見(jiàn)圖4。
[0009] 本技術(shù)方法的關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)是：直接對(duì)傅里葉變換得到的波譜進(jìn)行二維樣條插值， 得到方位、俯仰目標(biāo)方向上的波譜未知值。具體的工作流程： 首先尋找波譜取樣值與自變量(?.?)離散值對(duì)應(yīng)關(guān)系，空域的采樣對(duì)應(yīng)譜域 的周期延拓，延拓周期取決于空域的采樣間隔，采樣間隔也卸對(duì)應(yīng)譜域波譜界限 Ics e I- it/乜,it/Ag , e [- ir/卻,?？焖俑道锶~變換方法同樣在譜域做采樣處理，采樣 點(diǎn)數(shù)必須大于空域采樣點(diǎn)數(shù)，并且為2的整數(shù)次冪。采樣點(diǎn)數(shù)一旦選定，在波譜界限范圍內(nèi) 對(duì)(?.k.)做等間隔離散化就可以得到(Scsi. & )。
[0010] 其次，按照坐標(biāo)變換公式將方位、俯仰坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的kx、ky坐標(biāo)，并用二維插 值方法確定未知波譜值。插值精度取決于傅里葉變換點(diǎn)數(shù)，只要點(diǎn)數(shù)取足夠大，就能保證插 值后波譜精度。
[0011] 本發(fā)明中的快速計(jì)算方法用MatIab語(yǔ)言編程并提供⑶I界面，目前已應(yīng)用于相控 陣產(chǎn)品測(cè)試。
[0012] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：1.開(kāi)口波導(dǎo)三維場(chǎng)特性通過(guò)仿真軟件 仿真得到，不需要實(shí)際測(cè)試；2.利用二維傅里葉變換及二維插值快速計(jì)算目標(biāo)方向上波 譜，不需要計(jì)算二重積分；3.可以直接計(jì)算直角坐標(biāo)、方位俯仰球坐標(biāo)、theta/phi球坐標(biāo) 系下三維場(chǎng)特性，只需要進(jìn)行坐標(biāo)變換。4.可以對(duì)三維方向圖任意面切割，得到二維方向 圖。
[0013] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖I (a)水平極化開(kāi)口波導(dǎo)立體方向，圖I (b)垂直極化開(kāi)口波導(dǎo)立體方向圖 圖2二維傅里葉逆變換計(jì)算的波譜分量Ay分布圖（等高線） 圖3.經(jīng)過(guò)探頭修正后計(jì)算得到的天線（8X80陣列）三維方向圖 圖4.近場(chǎng)測(cè)試快速計(jì)算天線遠(yuǎn)區(qū)三維場(chǎng)特性流程圖

【具體實(shí)施方式】
[0015] 1.在仿真軟件中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)口波導(dǎo)探頭按照頻段劃分建模仿真，開(kāi)口波導(dǎo)為水平 極化(波導(dǎo)窄邊方向沿X軸放置)，得到各頻段下每個(gè)測(cè)試頻點(diǎn)遠(yuǎn)區(qū)三維場(chǎng)特性數(shù)據(jù)，導(dǎo)出 ￡8,￡￡分量在球坐標(biāo)系下（111的&/?111)的幅度及相位值。111的 &/?111的取值間隔越小，導(dǎo)出 數(shù)據(jù)文件越大，方向圖越精細(xì)。
[0016] 2.對(duì)步驟1中仿真軟件導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，特殊情況下(視仿真軟件導(dǎo)出數(shù)據(jù) 格式而定)需要將數(shù)據(jù)重新排列，形成標(biāo)準(zhǔn)球坐標(biāo)系格式：e e e [0..2H]。開(kāi)口波導(dǎo)垂 直極化(波導(dǎo)窄邊方向沿Y軸放置)場(chǎng)與水平極化場(chǎng)沿Z軸旋轉(zhuǎn)90°等效，可通過(guò)對(duì)水平極 化場(chǎng)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單處理得到，不需要單獨(dú)仿真。兩個(gè)極化對(duì)應(yīng)的立體方向圖在Matlab中重構(gòu)效 果如圖1所示。
[0017] 3.探頭在掃描平面內(nèi)按照設(shè)定的采樣間距(水平間距dx、垂直間距dy)進(jìn)行兩次 正交采樣，得到Es、[7兩個(gè)場(chǎng)分量的幅度及相位信息。在極化純度較高情況下，也可以只采 樣一次主極化分量，另一個(gè)正交場(chǎng)分量近似為零。
[0018] 4.將采樣得到的離散場(chǎng)分量Es(Xg)、Er(x;.K分別進(jìn)行二維傅里葉逆變換，得 到同樣離散的波譜分量,見(jiàn)圖2。其中i = +I.2+.…M, T …N , M， N為傅里葉變換點(diǎn)數(shù)。傅里葉逆變換過(guò)程的關(guān)鍵之處在于確定譜分量自變量< 及< 的 離散取值，存在以下對(duì)應(yīng)關(guān)系:? = 2ran/(M. ds)，:\ = ，ra e [-M/2.M/2 - 11 ，n e [-N/2. N/'2 - 1]。譜函數(shù)中自變量:?或4大于W2的部分對(duì)應(yīng)的平面波為凋落波，對(duì)遠(yuǎn) 區(qū)場(chǎng)貢獻(xiàn)很小，實(shí)際計(jì)算中不予考慮。
[0019] 5.進(jìn)行如/奶坐標(biāo)系到7--//?/坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換，得到(0,(0)的具體取值， (與(Azi, E:;) 對(duì)應(yīng)。此時(shí)需要處理的問(wèn)題可以描述為，根據(jù)已有樣本值---.，& K A.(":獲取未知的自變量為(6,〇,)下的4(6#)為為，〕值。二維插值操作能夠快速完 成該過(guò)程，插值方法選取樣條插值。
[0020] 6.根據(jù)步驟5得到的A##〕、~(e#H十算4(e;，〕，之后采用駐相法求遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng) 分量為+決噸)及E:+(6;.0j。最后進(jìn)行矢量坐標(biāo)變換，得到￡6(6丨.〇;: ,遠(yuǎn)區(qū)不 存在徑向分量E11。
[0021] 7.利用步驟2得到的探頭水平極化及垂直極化兩種情況下的場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)E0(^O 1)、 進(jìn)行探頭修正，得到修正后場(chǎng)分量、Ep(K:。
[0022] 8.根據(jù)修正后的場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算三維立體方向圖，見(jiàn)圖3。任意的二維方向圖(如或 M取固定值情況下）可通過(guò)對(duì)立體方向圖進(jìn)行切割得到。
【權(quán)利要求】
1. 一種天線近場(chǎng)測(cè)量快速計(jì)算遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)特性方法，其特征在于：首先控制掃描架探頭在 二維平面內(nèi)離散采樣天線近區(qū)電場(chǎng)垂直、水平分量，利用二維傅里葉變換方法快速計(jì)算各 自對(duì)應(yīng)的波譜分量；波譜自變量離散取值可以根據(jù)變換關(guān)系嚴(yán)格確定，然后利用空間坐標(biāo) 與k坐標(biāo)的映射關(guān)系，采用二維插值方法計(jì)算其余目標(biāo)方向上的波譜未知量，用駐相法初 步確定天線遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)分布；然后通過(guò)電磁仿真軟件對(duì)探頭進(jìn)行建模，仿真得到各個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng) 的探頭水平及垂直極化遠(yuǎn)區(qū)三維場(chǎng)分布，并利用計(jì)算結(jié)果對(duì)天線方向圖進(jìn)行探頭補(bǔ)償，得 到真實(shí)的場(chǎng)分布信息。
2. -種如權(quán)利要求1所述的天線近場(chǎng)測(cè)量快速計(jì)算遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)特性方法，其特征在于：波 譜計(jì)算過(guò)程均采用快速算法，利用傅里葉變換和插值方法避免耗時(shí)較長(zhǎng)的積分運(yùn)算，具體 步驟為：將電場(chǎng)的切向分量采樣值進(jìn)行補(bǔ)零操作，使其兩個(gè)維數(shù)均為2的整數(shù)倍，對(duì)其進(jìn)行 二維FFT變換得到離散的波譜值；根據(jù)空域與譜域自變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將波譜值映射到對(duì) 應(yīng)的K域坐標(biāo)；最后，將計(jì)算方向圖的遠(yuǎn)區(qū)空間坐標(biāo)換算為相應(yīng)的K域坐標(biāo)，使用二維樣條 插值根據(jù)已知的某些坐標(biāo)上的波譜值求解特定坐標(biāo)上的波譜未知量。
【文檔編號(hào)】G01S7/40GK104391183SQ201410536441
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月11日
【發(fā)明者】胡永君, 陳文俊 申請(qǐng)人:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所