用于诊断天线阵口径幅相场的畸变位置的方法技术

本发明专利技术提供一种用于诊断天线阵口径幅相场的畸变位置的方法，首先是对近场数据进行近场‑平面波谱变换得到k空间的平面波谱分量，然后在k空间平面波谱实施探头和单元的方向图校正，最后进行平面波谱‑口径场逆变换获得口径场分布。最后，为了获得更为准确数据，需要进行口径场的重构，获取口面上实际物理位置的幅相分布，从而判断出口径场或激励电流发生畸变的位置以及所对应的辐射单元，达到对天线进行“诊断”的目的。本发明专利技术可以准确定位天线失效单元位置，及时排查故障，节约大量测试时间，并且通过反演补偿的方式提高方向图质量。另外，本发明专利技术利用快速傅立叶变换(FFT)作高效计算，因而具有较强的工程实用性。

【技术实现步骤摘要】
用于诊断天线阵口径幅相场的畸变位置的方法
本专利技术涉及天线近场测试
，尤其涉及用于诊断天线阵口径幅相场的畸变位置的方法。
技术介绍
近年来，阵列天线尤其是相控阵天线技术得到了较快的发展，在各种军用和民用无线电系统中得到了广泛的应用。目前，国内阵列天线尤其是相控阵天线的研制任务十分繁重，但由于加工制造等原因，天线在实际设计中有大量不可避免的误差，另外阵列的振动、天线单元间的耦合、有源器件的老化及其温度特性的变化等都会给天线引入不可预见的误差或造成失效单元，这就需要对雷达天线的幅相进行诊断和调试，以确定天线各辐射单元上电流的幅相分布情况。目前，国内在诊断、调试大型阵列天线时，主要有两种方法：第一种是用探头接近天线阵面，粗略测出阵中失效的单元或奇异变化的区域。此方法不能精确测出天线口面的幅相分布，因为探头与AUT之间存在较强的多次反射效应，这种效应会随着探头在扫描面上采样运动而发生变化，从而导致了很大的诊断误差，且此种方法需要不断的人工移动探头和手动记录数据，会耗费大量的人力和时间成本。第二种是利用美国NSI公司的商业软件嵌套的口径反演模块进行口径场幅相的诊断，但国外将口径反演模块作为商业秘密，未公开其原理和源代码，外界无从了解其反演的原理、方式和途径，无法学习、借鉴乃至在其基础上增进和优化；而且，口径反演模块主要使用在雷达上，涉及国防工业，完全使用他国软件存在雷达参数泄密的风险；最后，该口径反演模块作为软件一部分封装出口，价格昂贵，国内无法自主应用。不论从自主研发、自主知识产权、确保雷达测试参数保密的角度，还是从产品二次开发、降低生产成本、缩短制造周期的角度，都需要提出一套适合我国雷达(天线阵)实际需要的、具有完全知识产权的技术方案，也只有在此基础上编写的源代码才具有安全性，杜绝后门。针对上述问题，国内有大量科研院所进行了有益的研究探索和尝试，目前主要有等效磁流法与平面波谱法。但在实际运用中，我们专利技术上述方法仍存在使用环境的局限性，具体为：等效磁流法主要不足之处在于没有进行探头方向图校正，从而使得该方法走向实用受到限制。另外，在该方法中，由于计算机内存的限制在由近场数据确定等效磁流时无法考虑整个平面内等效磁流的贡献，只能考虑待测天线口径面或稍大区域内等效磁流的贡献，加上平面近场测量中有限扫描面的影响，使得利用该方法得到的口径场分布的精度受限。此外，该方法在由近场数据确定等效磁流时需要求解矩阵方程，因此，当待测天线口径面和扫描面均很大，从而导致矩阵元素很多时，计算效率不高，增加了时间成本。而现有的平面波谱法则只在水平方向图和垂直方向均为奇数个点时，才可以使用。而在实际天线测试中，由于频率、采样面及探头到天线距离等因素，采样点数可能是偶数个也可能是奇数个，这就导致国内传统的方法在使用上受到很大的限制。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述技术缺陷，本专利技术提供一种用于诊断天线阵口径幅相场的畸变位置的方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的：用于诊断天线阵口径幅相场的畸变位置的方法，所述天线阵包含4个以上的辐射单元，所述辐射单元分别产生并发射激励电流，由所述激励电流共同构成口径幅相场；该方法包括如下步骤：初始步骤：获取所述天线阵的平面近场测试数据；校正步骤：对所述平面近场测试数据进行探头方向图校正的近场-平面波谱变换，得到进行探头校正后的k空间的平面波谱分量，获得校正后的k空间的平面波谱方向图；反演步骤：对所述校正后的k空间的平面波谱方向图进行平面波谱-口径场逆变换，获得反演后的口径幅相场分布图；比对步骤：测量所述天线阵的每个辐射单元的实际物理位置，将每个辐射单元的实际物理位置与所述反演后的口径幅相场分布图中的位置进行比对，从而得出天线阵各辐射单元的幅相分布，进而判断出发生畸变的位置以及所对应的辐射单元。本专利技术相对于现有技术的有益效果在于：(1)本专利技术是通过测量天线近区场的分布，逆推出天线口径场的分布或天线各辐射单元的激励电流，从而判断出口径场或激励电流发生畸变的位置以及所对应的辐射单元，达到对天线进行“诊断”的目的，同时以此为根据对天线各通道进行校正，使口径面幅相分布符合设计要求，从而使天线性能达到预定指标要求。(2)本专利技术可以准确定位天线失效单元位置，及时排查故障，节约大量测试时间，并且通过反演补偿的方式提高方向图质量。另外，本专利技术利用快速傅立叶变换(FFT)作高效计算，因而具有较强的工程实用性。(3)本专利技术彻底克服了我国在诊断、调试大型阵列天线时，主要靠人工用探头接近天线阵面，粗略测出阵中失效的单元或奇异变化的区域的方法。克服采用该方法不能精确测出天线口面的幅相分布的问题，大幅降低诊断误差。(4)本专利技术首次提出采用电脑反演的方式进行诊断天线阵口径幅相场的畸变位置的方法，打破国外对我国高精密技术的商业垄断。采用本技术方案仿真度高、避免人为引入的误差、反演效率高、使用范围广，基于本专利技术方法的软件，具有完全的知识产权，不存在后门的风险。(5)基于本专利技术方法的软件，可独立在电脑上运行，降低了采购成本，且具有再开发、再改进的升级优势。(6)本专利技术实现了平面近场测试中天线阵面幅相的反演和诊断，实现了国内在近场诊断方面的知识产权自主化，专利技术可以作为独立模块嵌套于近场测试系统中，为我国近场测试系统的搭建打下了坚实的基础。(7)本专利技术实现了平面近场测试中天线阵面幅相的反演和诊断，实现了国内在近场诊断方面的知识产权自主化，专利技术可以作为独立模块嵌套于近场测试系统中，为我国近场测试系统的搭建打下了坚实的基础。(8)本专利技术方法克服了等效磁流法、现有的平面波谱法的不足，考虑了探头方向图的影响，在计算过程中使用快速FFT变换，且对任何类型的采样点数适用，因此具有精度高、计算速度快以及通用性等优点。换言之，通过本专利技术能够同时解决阵列天线口径场幅相诊断精度不高、计算速度慢及算法适用性差等问题。附图说明图1为本专利技术用于诊断天线阵口径幅相场的畸变位置的方法的总流程图。图2为探头为水平线极化时，探头坐标系与天线坐标系的对应关系图。图3为矢量在空间坐标系的示意图。图4位探头为垂直线极化时，探头坐标系与天线坐标系的对应关系图。图5为矢量在空间坐标系的示意图。图6为采用本专利技术的实施例1的三维立体幅度方向图。图7为采用本专利技术的实施例1的口径场水平幅度分布曲线。图8为采用本专利技术的实施例1的口径场水平相位分布曲线。图9为采用本专利技术的实施例1的定位到每个单元幅度分布曲线。图10为采用本专利技术的实施例2的三维立体幅度方向图。图11为采用本专利技术的实施例2口径场水平幅度分布曲线。图12为采用本专利技术的实施例2口径场水平相位分布曲线。图13采用本专利技术的实施例2为定位到每个单元幅度分布曲线。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，用于诊断天线阵口径幅相场的畸变位置的方法，所述天线阵包含4个以上的辐射单元，所述辐射单元分别产生并发射激励电流，由所述激励电流共同构成口径幅相场；其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤S1，初始步骤：获取所述天线阵的平面近场测试数据.步骤S2，校正步骤：对所述平面近场测试数据进行探本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于诊断天线阵口径幅相场的畸变位置的方法，所述天线阵包含4个以上的辐射单元，所述辐射单元分别产生并发射激励电流，由所述激励电流共同构成口径幅相场；其特征在于，该方法包括如下步骤：初始步骤：获取所述天线阵的平面近场测试数据；校正步骤：对所述平面近场测试数据进行探头方向图校正的近场‑平面波谱变换，得到进行探头校正后的k空间的平面波谱分量，获得校正后的k空间的平面波谱方向图；反演步骤：对所述校正后的k空间的平面波谱方向图进行平面波谱‑口径场逆变换，获得反演后的口径幅相场分布图；比对步骤：测量所述天线阵的每个辐射单元的实际物理位置，将每个辐射单元的实际物理位置与所述反演后的口径幅相场分布图中的位置进行比对，从而得出天线阵各辐射单元的幅相分布，进而判断出发生畸变的位置以及所对应的辐射单元。

【技术特征摘要】
1.用于诊断天线阵口径幅相场的畸变位置的方法，所述天线阵包含4个以上的辐射单元，所述辐射单元分别产生并发射激励电流，由所述激励电流共同构成口径幅相场；其特征在于，该方法包括如下步骤：初始步骤：获取所述天线阵的平面近场测试数据；校正步骤：对所述平面近场测试数据进行探头方向图校正的近场-平面波谱变换，得到进行探头校正后的k空间的平面波谱分量，获得校正后的k空间的平面波谱方向图；反演步骤：对所述校正后的k空间的平面波谱方向图进行平面波谱-口径场逆变换，获得反演后的口径幅相场分布图；比对步骤：测量所述天线阵的每个辐射单元的实际物理位置，将每个辐射单元的实际物理位置与所述反演后的口径幅相场分布图中的位置进行比对，从而得出天线阵各辐射单元的幅相分布，进而判断出发生畸变的位置以及所对应的辐射单元。2.根据权利要求1所述的用于诊断天线阵口径幅相场的畸变位置的方法，其特征在于，所述校正步骤具体包括：设探头主电场极化沿x方向取向、在z＝d平面上扫描，获得探头为水平极化时采得的近场数据与天线波谱之间关系的函数：其中，参数的含义分别为k为波数；Bx为探头为水平极化时在z＝d平面上测得的信号；F[Bx]是Bx的二维Fourier反变换；为天线的平面波谱，且有为探头为水平极化时的平面波谱，有将上述函数进行归一化处理，转换为a11Ax+a12Ay＝Ix，该式即为关于平面波谱分量的一个方程式；设探头主电场极化沿y方向取向、在z＝d平面上扫描，获得探头为垂直极化时采得的近场数据与天线波谱之间关系的函数：其中，参数的含义分别为By为探头为垂直极化时在z＝d平面上测得的信号；F[By]是By的二维Fourier反变换；为探头为垂直极化时的平面波谱，有将上述函数进行归一化处理，转换为a21Ax+a22Ay＝Iy，该式即为关于平面波谱分量的另一个方程式；联立平面波谱分量的2个方程式，得到的方程组如下：由上式即可解得Ax和Ay，进而求得Az，从而得到进行探头方向图校正后的平面波谱的切向分量进一步得到的值。3.根据权利要求1或2所述的用于诊断天线阵口径幅相场的畸变位置的方法，其特征在于，所述校正步骤进一步包括：设探头主电场极化沿x方向取向、在z＝d平面上扫描时测得的信号为Bx(x,y,d)，则由平面近场天线测量的耦合公式可得式中，k为波数；kz为k在z方向的分量；为k方向的矢量；为天线的平面波谱；为探头为水平极化时的平面波谱；F[Bx(x,y,d)]是Bx(x,y,d)的二维Fourier反变换，即有：式中，π＝3.14159；kx和ky分别为k的x和y分量；探头坐标系与天线坐标系的关系为：矢量在空间坐标系的关系为：这里，为的单位矢；而则由式303、式304与式305可得，由上式可得：即有：则(式301)式中的可化为如下形式：式中，A′θ′为在方向的分量，为在方向的分量；将式309代入式301，并根据式303，可得因为测试时，天线位于无源区，则有：又因为电场与波谱的关系式为：式中，a0表示入射波的复振幅；将式3...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈玉林，胡元奎，于丁，张大海，范忠亮，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十八研究所，
类型：发明
国别省市：安徽,34