一種基于可轉(zhuǎn)動(dòng)輔助天線的大型天線方向圖測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及天線方向圖的測(cè)量方法，特指一種基于可轉(zhuǎn)動(dòng)輔助天線的大型天線方 向圖測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)線電相關(guān)領(lǐng)域近幾年迅速發(fā)展，如雷達(dá)、通信、天文觀測(cè)領(lǐng)域等，天線在無(wú)線電 相關(guān)領(lǐng)域有著至關(guān)重要的地位，是該些領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)設(shè)備，因此對(duì)天線各類參數(shù)測(cè)量問(wèn) 題備受關(guān)注。其中尤為關(guān)鍵的是對(duì)天線方向圖測(cè)量，其表征天線福射能量在空間的分布。通 過(guò)測(cè)量天線方向圖可W確定天線的方向系數(shù)、增益、半功率波束寬度和副瓣電平等重要天 線參數(shù)。然而，對(duì)一些大型且無(wú)法機(jī)動(dòng)的天線而言，定期進(jìn)行調(diào)試、維護(hù)、檢測(cè)和標(biāo)校是極為 困難，尤其是對(duì)安裝固定后無(wú)法在微波暗室測(cè)量的大型天線。因此，亟需一種針對(duì)無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng) 的大型天線方向圖測(cè)量方法。通常，針對(duì)該種無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)的大型天線方向圖的常見測(cè)量方法 可分為兩種：
[0003] 基于能量法測(cè)量天線方向圖的方法；常規(guī)遠(yuǎn)場(chǎng)法，射電源法與衛(wèi)星法。
[0004] 基于信號(hào)形式測(cè)量天線方向圖的方法：發(fā)明專利一有源天線方向圖測(cè)試系統(tǒng)和 方法，申請(qǐng)?zhí)枺?01280002997. 3,提供了一種有源天線方向圖測(cè)試系統(tǒng)和方法，利用數(shù)模轉(zhuǎn) 換器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將基準(zhǔn)信號(hào)與測(cè)試信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，提取基準(zhǔn)信號(hào)的幅度相位變化 量，進(jìn)而測(cè)量獲得天線方向圖。發(fā)明專利一采用全息法測(cè)量天線面精度的方法，【申請(qǐng)?zhí)枴?201110130024. 5，，主要是利用待測(cè)天線和輔助天線，計(jì)算信號(hào)源信號(hào)和參考信號(hào)各自在兩 天線間的互相關(guān)相位差，并將信號(hào)源信號(hào)與參考信號(hào)的互相關(guān)相位差進(jìn)行差分，并進(jìn)行二 維傅里葉變化獲得天線面精度分布，進(jìn)而獲得天線方向圖。
[0005] 現(xiàn)有對(duì)無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)的大型天線測(cè)量方法，其測(cè)量效果易受測(cè)量環(huán)境，測(cè)量器材性能 等因素的影響。基于能量法測(cè)量天線方向圖等方法測(cè)試成本較高，且對(duì)測(cè)試場(chǎng)地要求苛刻， 測(cè)試儀器的性能也是制約該方法精度的主要原因。對(duì)于射電源法和衛(wèi)星源法該兩種測(cè)量方 法，由于所選信源能量有限，因而限制了天線方向圖測(cè)量范圍，并且測(cè)量結(jié)果易受信道變化 的影響?；谛盘?hào)形式測(cè)量天線方向圖等方法，發(fā)明專利一有源天線方向圖測(cè)試系統(tǒng)和 方法，申請(qǐng)?zhí)枺?01280002997. 3,其利用了信號(hào)的相關(guān)性但存在測(cè)量成本高、測(cè)量過(guò)程繁瑣 等不足。發(fā)明專利一采用全息法測(cè)量天線面精度的方法，申請(qǐng)?zhí)枺?01110130024. 5,其利 用信號(hào)的互相關(guān)相位差，其測(cè)量繁瑣、測(cè)量效率低、易受信道變化影響等不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)W上測(cè)量天線方向圖方法的不足，本發(fā)明提供一種針對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)困難甚至無(wú)法轉(zhuǎn) 動(dòng)的大型天線，如大型射電望遠(yuǎn)鏡FAST、Arecib等，仍能測(cè)量天線方向圖的方法。本發(fā)明 選定運(yùn)動(dòng)信源為觀測(cè)源，并借助可轉(zhuǎn)動(dòng)輔助天線，設(shè)計(jì)了合理接收形式，測(cè)量待測(cè)天線方向 圖。利用觀測(cè)源信號(hào)在待測(cè)天線和輔助天線觀測(cè)數(shù)據(jù)中的相關(guān)性，獲得高精度、寬角度范圍 的天線方向圖。盡可能的方便測(cè)量、節(jié)約成本、提高測(cè)量精度和拓寬測(cè)量范圍。本發(fā)明對(duì)無(wú) 法轉(zhuǎn)動(dòng)的大型天線方向圖進(jìn)行測(cè)量，不僅省去了大量的測(cè)量工作，提高測(cè)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(cè)量精度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有受信道 變化影響小，測(cè)試條件易于滿足，且測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)易、工作量小等優(yōu)勢(shì)。
[0007] 本發(fā)明針對(duì)無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)的待測(cè)天線，設(shè)計(jì)了測(cè)量天線方向圖如圖1所示的接收形 式。測(cè)量需滿足；觀測(cè)源與待測(cè)天線相對(duì)運(yùn)動(dòng)，觀測(cè)源運(yùn)動(dòng)軌跡掠過(guò)待測(cè)天線方向圖主瓣中 也；觀測(cè)源與輔助天線相對(duì)靜止，輔助天線指向始終跟蹤觀測(cè)源轉(zhuǎn)動(dòng)；觀測(cè)源信號(hào)具有良 好的相關(guān)性。
[000引本發(fā)明基本原理是電磁波自由空間傳播理論。觀測(cè)源信號(hào)通常為平穩(wěn)過(guò)程，例如， 導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)是基于碼分多址的擴(kuò)頻通信信號(hào)，機(jī)載信源等，待測(cè)天線接收信號(hào)的功率表 達(dá)式為：
[0009]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于可轉(zhuǎn)動(dòng)輔助天線的大型天線方向圖測(cè)量方法，其特征在于步驟如下： (1)針對(duì)無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)的待測(cè)天線設(shè)計(jì)測(cè)量天線方向圖的接收形式，其測(cè)量需滿足：觀測(cè) 源與待測(cè)天線相對(duì)運(yùn)動(dòng)，觀測(cè)源運(yùn)動(dòng)軌跡掠過(guò)待測(cè)天線方向圖主瓣中心；觀測(cè)源與輔助天 線相對(duì)靜止，輔助天線指向始終跟蹤觀測(cè)源轉(zhuǎn)動(dòng)；觀測(cè)源信號(hào)具有良好的相關(guān)性； ⑵利用觀測(cè)源仰角e的余弦值cose和待測(cè)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(shí)估計(jì)
?，為得到最大值A(chǔ)t，用測(cè)量起始位置觀測(cè)源的 仰角進(jìn)行計(jì)算； (3) 將輔助天線旋轉(zhuǎn)至待測(cè)起始位置，等待選定觀測(cè)源運(yùn)動(dòng)至待測(cè)起始位置； (4) 當(dāng)觀測(cè)源運(yùn)動(dòng)至待測(cè)起始位置時(shí)，輔助天線開始進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤觀測(cè)源運(yùn)動(dòng)，保證其 指向始終對(duì)準(zhǔn)觀測(cè)源；觀測(cè)源相對(duì)于待測(cè)天線運(yùn)動(dòng)的角速度為《 ; (5) 從待測(cè)起始位置進(jìn)行測(cè)量，觀測(cè)AT時(shí)間，其中近似認(rèn)為AT時(shí)間內(nèi)待測(cè)天線場(chǎng)強(qiáng) 歸一化方向性函數(shù)尸(久P)不變，且AT>At，利用AN=fs.At進(jìn)而獲得觀測(cè)點(diǎn)數(shù)AN， 其中fs為采樣頻率； (6) 利用在AT時(shí)間內(nèi)所采集的待測(cè)天線和輔助天線的觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)
進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，并取互相關(guān)運(yùn)算結(jié)果的最大值，即
(7) 利用在AT時(shí)間內(nèi)所采集的待測(cè)天線和輔助天線的觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)
丨進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算，取t2= 0處的自相關(guān)值^ (8) 得到
后，再利用
計(jì)算并記錄測(cè)量結(jié)果， 其中
，Cm，(；，4均可測(cè)量獲得且為常數(shù)； (9) 當(dāng)觀測(cè)源運(yùn)動(dòng)至下一待測(cè)位置即下一AT時(shí)間時(shí)，重復(fù)步驟（6)_(8)直至觀測(cè)源運(yùn) 動(dòng)至待測(cè)終止位置，共得到M個(gè)測(cè)量結(jié)果； (10) 將記錄的M個(gè)測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行歸一化和插值處理，即得到待測(cè)天線方向圖。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可轉(zhuǎn)動(dòng)輔助天線的大型天線方向圖測(cè)量方法，其特征在 于： 待測(cè)天線接收信號(hào)的功率表達(dá)式為：
式（1)中，待測(cè)天線接收功率，P〇為觀測(cè)源的等效全向輻射功率，G。為觀測(cè)源發(fā)射 天線的增益，Gm為待測(cè)天線的增益，入為觀測(cè)源信號(hào)波長(zhǎng)，為待測(cè)天線場(chǎng)強(qiáng)歸一化 方向性函數(shù)，其中0為方位角，P為俯仰角，d為觀測(cè)源到待測(cè)天線的傳播距離，LA為觀測(cè) 源信號(hào)到待測(cè)天線的大氣損耗； 同理，輔助天線接收信號(hào)的功率表達(dá)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(chǎng)強(qiáng)歸 一化方向性函數(shù)，d'為觀測(cè)源到輔助天線的傳播距離，L' 4為觀測(cè)源信號(hào)到輔助天線的大 氣損耗； 式⑴和式⑵可表示為：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于可轉(zhuǎn)動(dòng)輔助天線的大型天線方向圖測(cè)量方法，其特征在 于： 待測(cè)天線的接收信號(hào)xm(t)可表示為：
輔助天線的接收信號(hào)\(t)可表示為：
式中％(!:)和w2(t)分別表示兩個(gè)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(cè)源信號(hào)，與噪聲…⑴、 w2(t)均不相關(guān)；
I分別表示兩通道中的觀 測(cè)源信號(hào)，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(guān)系數(shù)； 根據(jù)相關(guān)函數(shù)的定義可知：
由于輔助天線始終跟蹤對(duì)準(zhǔn)觀測(cè)源轉(zhuǎn)動(dòng)，所以6(0，以=1;觀測(cè)源信號(hào)為平穩(wěn)過(guò)程，則 可令i= t-T將式⑵可化簡(jiǎn)為：
同理可得輔助天線自相關(guān)函數(shù)為：
結(jié)合式（8)、式（9)可得：
令Tt。，T2= 〇,由式（1〇)可得：
式（12)中C為.
常數(shù)，4為即系統(tǒng)的噪聲功率，由于實(shí)際情況中觀測(cè) 數(shù)據(jù)為有限長(zhǎng)度，因此只能得到M%)的估計(jì)值總ni.^,：)，其中％為％的離散表示； 通過(guò)將待測(cè)天線與輔助天線觀測(cè)數(shù)據(jù)的互相關(guān)運(yùn)算結(jié)果取最大，來(lái)補(bǔ)償路徑延時(shí)，即
其中及估計(jì)表達(dá)式為式（13)，R"(0)的估計(jì)值之(〇)為式 (14):
式（13)和式（14)中，&為計(jì)算互相關(guān)函數(shù)的運(yùn)算點(diǎn)數(shù)；N2為計(jì)算自相關(guān)函數(shù)的運(yùn)算 點(diǎn)數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于可轉(zhuǎn)動(dòng)輔助天線的大型天線方向圖測(cè)量方法，其針對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)困難甚至無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)的大型天線，如大型射電望遠(yuǎn)鏡FAST、Arecib等。本發(fā)明選定運(yùn)動(dòng)信源為觀測(cè)源，并借助可轉(zhuǎn)動(dòng)輔助天線，設(shè)計(jì)了合理接收形式，測(cè)量待測(cè)天線方向圖。利用觀測(cè)源信號(hào)在待測(cè)天線和輔助天線觀測(cè)數(shù)據(jù)中的相關(guān)性，獲得高精度、寬角度范圍的天線方向圖。盡可能的方便測(cè)量、節(jié)約成本、提高測(cè)量精度和拓寬測(cè)量范圍。本發(fā)明對(duì)無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)的大型天線方向圖進(jìn)行測(cè)量，不僅省去了大量的測(cè)量工作，提高測(cè)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(cè)量精度。
【IPC分類】G01R29-10
【公開號(hào)】CN104569625
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510026896
【發(fā)明人】程翥, 王壯, 王 琦, 黃達(dá), 王夢(mèng)南, 苗可可, 張雪琴, 楊鵬
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年1月20日