[发明专利]一种超稀疏天线阵列收发波束方向图的测试方法

摘要

本发明公开了一种超稀疏天线阵列收发波束方向图的测试方法，主要解决现有测量方法和体制无法对超稀疏天线阵列进行地面方向图测试的难题。本发明通过多天线接收同一卫星的回波信号，利用FX相关合成器获取各天线间延迟差和相位差，作为天线间延迟差和相位差的零值；在此基础上对单天线波束宽度内的来波方向进行栅格化，利用对应的延迟差和相位差对各天线接收的卫星信号进行精确补偿，从而实现超稀疏天线阵列收发方向图的测试。本发明具有延迟/相位测量精度高、方法简单可靠等优点，比较适用于区域天线组阵、网络化雷达等超稀疏、分布式天线阵列的远场方向图测试。

主权项

1.一种超稀疏天线阵列收发波束方向图的测试方法，其特征在于包括以下步骤：①天线间延迟差/相位差模型单元根据外部输入的天线1～天线N延迟/相位预报模型，选择天线1作为参考天线，将天线1～天线N延迟/相位预报模型分别与参考天线延迟/相位预报模型进行做差得到天线1～天线N各自对应的天线间延迟差/相位差多项式模型；根据自谱和互谱计算单元输出的残余延迟差和残余相位差初始值对天线1～天线N各自对应的天线间延迟差/相位差多项式模型一一对应进行修正，得到N个修正后的天线间延迟差/相位差多项式模型，作为天线1～天线N各自对应的理论延迟差/相位差多项式模型；根据外部输入的单天线波束宽度栅格化信息，对单天线波束宽度内的来波方向进行K*K的二维栅格化，生成K*K个不同来波方向的延迟差/相位差多项式模型；将K*K个延迟差/相位差多项式模型均与天线1～天线N各自对应的理论延迟差/相位差多项式模型分别相加得到天线1～天线N各自对应的天线间延迟差/相位差补偿模型；将天线1～天线N各自对应的天线间延迟差补偿模型一一对应送至天线1～天线N各自对应的粗延迟补偿单元和精延迟补偿单元，将天线1～天线N各自对应的天线间延迟差/相位差补偿模型一一对应送至天线1～天线N各自对应的载波相位差补偿单元；其中，N为大于1的自然数，K为大于1的自然数；②粗延迟补偿单元根据天线间延迟差补偿模型及其对应天线信号的时标信息进行计算，得到对应积分时间内中间时刻航天器相对于天线的延迟差预报值，将该延迟差预报值分解为整数比特延迟补偿值和小数比特延迟补偿值；粗延迟补偿单元对天线信号在时域完成对应积分时间内整数比特延迟补偿，并将补偿后的信号送至载波相位差补偿单元；③载波相位差补偿单元根据天线间延迟差/相位差补偿模型及其对应天线信号的时标信息进行计算，得到对应积分时间内中间时刻航天器相对于天线的延迟差预报值和相位差预报值，将该延迟差预报值分离成整数比特延迟补偿值和小数比特延迟补偿值；载波相位差补偿单元对粗延迟补偿单元输出的信号在时域内完成相位差补偿以及由整数比特延迟补偿引起的载波相位差补偿，并将补偿后的信号送至正交下变频和积分清洗单元；④正交下变频和积分清洗单元根据外部输入的中频载波标称值构造下变频信号，利用构造的下变频信号对载波相位差补偿单元输出的信号进行正交下变频，得到复数基带信号，对复数基带信号的I、Q支路分别进行积分清洗降低数据速率后，将积分清洗后的I、Q基带信号送入FFT单元；⑤FFT单元根据积分清洗后的I、Q基带信号，构造复数基带信号并进行复数FFT运算，并将FFT计算结果送入精延迟补偿单元；⑥精延迟补偿单元根据天线间延迟差补偿模型及其对应天线信号的时标信息进行计算，得到对应积分时间内中间时刻航天器相对于天线的延迟差预报值，将该延迟差预报值分解为整数比特延迟补偿值和小数比特延迟补偿值；根据小数比特延迟值和FFT频率构造小数比特延迟对应的相位补偿权值矢量，对FFT单元输出的结果进行条纹旋转实现小数比特延迟的精补偿，将精补偿后的结果分别送入幅度加权单元和自谱及互谱计算单元；⑦幅度加权单元根据外部输入的天线方向图增益值计算得到相应的幅度加权值，然后对精延迟补偿单元输出的结果进行幅度加权，并将幅度加权后结果送至合成单元；⑧合成单元将天线1～天线N各自对应的幅度加权单元输出的信号直接相加，得到总合成信号，一方面利用各天线对应的基带信号和噪声功率，计算得到总合成信号的噪声功率和信号功率，进而计算得到总合成信号的带内SNR，并将总合成信号的带内SNR值送至阵增益计算单元；另一方面把总合成信号反馈至天线1～天线N各自对应的自谱和互谱计算单元；⑨自谱和互谱计算单元根据精延迟补偿单元输出的信号和合成单元输出的总合成信号进行自谱和互谱计算，其中参与互谱计算的信号分别是各天线信号以及总合成信号减去自身天线信号得到的参考信号；将互谱结果的互谱相位信息通过最小二乘线性拟合进行计算，得到残余延迟差和残余相位差，将残余延迟差和残余相位差送天线间延迟差/相位差模型单元，用于残余延迟差和残余相位差迭代更新；利用互谱结果的幅度谱迭代求解得到各天线的信号幅度，结合自谱幅度信息计算得到相应的噪声功率，进而计算得到各天线信号的带内SNR，并将各天线信号的带内SNR值送至阵增益计算单元；⑩阵增益计算单元根据天线1～天线N各自对应的带内SNR值和总合成信号的带内SNR值，计算得到该来波方向上的阵增益值，将该阵增益值与其对应的来波方向一起输出；针对记录的同一段时间内的接收数据，根据单天线波束宽度栅格化生成的不同来波方向从步骤②至⑩重复进行K*K‑1次，得到K*K个来波方向及其对应的阵增益值，将来波方向及其对应的阵增益值进行三维画图输出，即得到超稀疏阵列天线的收发波束增益方向图；完成超稀疏天线阵列收发波束方向图的测试。