一種基于相關(guān)法的大天線方向圖測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于相關(guān)法的大天線方向圖測量方法，尤其針對(duì)可轉(zhuǎn)動(dòng)的大型單天線，如射電拋物面望遠(yuǎn)鏡等。本發(fā)明利用相關(guān)運(yùn)算方式和輔助天線，設(shè)計(jì)了合理的接收形式測量待測天線方向圖并利用待測天線與輔助天線接收信號(hào)間的相關(guān)性獲得高精度、寬角度范圍的天線方向圖?？筛鶕?jù)實(shí)際測量情況選擇合適的測量參數(shù)，以達(dá)到在不影響天線正常使用的情況下，盡可能節(jié)約成本、方便測量、提高測量精度和拓寬測量范圍的目的。本發(fā)明對(duì)外場可轉(zhuǎn)動(dòng)的大天線進(jìn)行方向圖測量，一方面省去了繁瑣的測量過程，另一方面可以在保證測量精度的情況下快速測得待測天線方向圖。
【專利說明】一種基于相關(guān)法的大天線方向圖測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及天線方向圖的測量方法，特指一種基于相關(guān)法的大天線方向圖測量方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 20世紀(jì)以來，雷達(dá)、通信、天文觀測等領(lǐng)域迅猛發(fā)展，天線已然成為這些領(lǐng)域的重 要基礎(chǔ)設(shè)備，因此對(duì)天線各類參數(shù)測量問題備受關(guān)注。天線方向圖是最為重要和基礎(chǔ)的天 線參數(shù)，其表征天線輻射能量在空間的分布。通過測量天線方向圖可以確定天線的方向系 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，在特定的外場環(huán)境下，定期 對(duì)天線進(jìn)行調(diào)試、維護(hù)、檢測和標(biāo)校時(shí)，大多數(shù)常規(guī)方法會(huì)影響天線的正常使用且測量難度 大，尤其是對(duì)安裝固定后難以拆卸返回微波暗室重新測量的大型天線。因此，亟需一種高效 的大天線方向圖測量方法，常見測量方法有：
[0003] 常規(guī)遠(yuǎn)場法：該方法是利用信標(biāo)塔或輔助源天線測量待測天線方向圖，待測天線 在不同方向接收由信標(biāo)塔或輔助源天線輻射的信號(hào)，根據(jù)不同角度能量的變化測量方向 圖。此測量方法是天線方向圖測量中最常用的方法。
[0004] 近場測試法：近場測試法是利用現(xiàn)代測試場的設(shè)計(jì)能力，根據(jù)待測天線口面的近 場幅度和相位，通過數(shù)據(jù)變換確定天線遠(yuǎn)場電性能的方法。
[0005] 射電源法：射電源法是以射電源（如太陽、月亮及其他星座）作為信標(biāo)源來測量天 線方向圖。主要利用頻譜儀測量待測天線主軸不同指向時(shí)接收射電源輻射的信號(hào)強(qiáng)度。
[0006] 衛(wèi)星源法：衛(wèi)星源法是利用能輻射電磁波的同步軌道靜止衛(wèi)星作為信號(hào)源來完成 天線方向圖的測量。原理與射電源法相同，只是信源選擇上有差異。
[0007] 現(xiàn)有常用測量天線方向圖方法，受環(huán)境條件、測試器材等因素的限制且會(huì)在一定 程度上影響天線的正常使用，很難適用于大型單天線方向圖測量。常規(guī)遠(yuǎn)場法對(duì)測試成本 要求高，且對(duì)測試場地要求苛刻，此外，測試儀器的性能也是制約該方法精度的主要原因。 對(duì)于近場測試法，為了避免電磁干擾，大多是在微波暗室里進(jìn)行，測量過程繁瑣、工作量大。 盡管發(fā)明專利[5]利用了信號(hào)的相關(guān)性但存在測量成本高、測量過程繁瑣等不足。目前射 電源法和衛(wèi)星源法這兩種測量方法均是基于能量檢測等方式，有天線方向圖測量范圍受 限，并易受信道變化的影響等不足。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對(duì)現(xiàn)有常規(guī)方法測量天線方向圖的不足，本發(fā)明提出一種在不影響天線正常使 用情況下，仍能測量天線方向圖的方法。通過選定合適的觀測源、設(shè)計(jì)合理的接收形式、借 助輔助天線，利用觀測源信號(hào)相關(guān)性特性，快速、高效、低成本地獲得高精度、寬測量范圍的 天線方向圖。本發(fā)明具有對(duì)場地要求不高、測試過程簡易、工作量小、受信道變化影響小等 優(yōu)勢。
[0009] 本發(fā)明針對(duì)待測天線可轉(zhuǎn)動(dòng)（如圖1所示）設(shè)計(jì)了測量天線方向圖的接收形式。 測量需滿足：觀測源與待測天線相對(duì)運(yùn)動(dòng)，觀測源相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡掠過待測天線方向圖主瓣 中心；觀測源與輔助天線相對(duì)靜止，輔助天線始終指向觀測源；觀測源信號(hào)具有良好的相 關(guān)性。
[0010] 本發(fā)明基本原理是電磁波自由空間傳播理論。觀測源信號(hào)通常為平穩(wěn)過程，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)，太陽信號(hào)可視為白噪聲等，待測天線接收 信號(hào)的功率表達(dá)式為：
[0011]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于相關(guān)法的大天線方向圖測量方法，其特征在于步驟如下： (1) 針對(duì)待測天線可轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)計(jì)測量天線方向圖的接收形式，測量需滿足：觀測源與待 測天線相對(duì)運(yùn)動(dòng)，觀測源相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡掠過待測天線方向圖主瓣中心；觀測源與輔助天線 相對(duì)靜止，輔助天線始終指向觀測源；觀測源信號(hào)具有良好的相關(guān)性； (2) 將待測天線以ω的旋轉(zhuǎn)速度從起始待測位置旋轉(zhuǎn)至終止待測位置，記錄測量總時(shí) 間Τ，并采集T時(shí)間內(nèi)待測天線和輔助天線的觀測數(shù)據(jù)并保存； (3) 將測量總時(shí)間T按At時(shí)間為單位分成Af=I個(gè)數(shù)據(jù)段，每個(gè)數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)長度 At 為ΛΝ，然后分別對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)段內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理； (4) 計(jì)算每段待測天線與輔助天線觀測數(shù)據(jù)的互相關(guān)運(yùn)算結(jié)果， 幻進(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 ΑΛ ，其目的是補(bǔ)償路徑時(shí)延帶來的時(shí)延差，使得觀測源信號(hào)的相關(guān)性達(dá)到最 大；其中互相關(guān)運(yùn)算點(diǎn)數(shù)為ΛΝ = fs · At，fs為采樣頻率； (5) 利用Δ之（r2) = .(/?>·,. (? + r2)計(jì)算對(duì)應(yīng)每段輔助天線觀測數(shù)據(jù)的自相關(guān)運(yùn) Δ/V 算，取τ 2= 〇處的自相關(guān)仉，以保證觀測源信號(hào)的相關(guān)性達(dá)到最大；為充分利用數(shù) 據(jù)，因此自相關(guān)運(yùn)算點(diǎn)數(shù)為ΛΝ = fs · At，fs為采樣頻率； (6) 得到和A^(G)，再利^
十算并記錄測量結(jié)果，其 中
Cm，(；，O2 2均可測量獲得且為常數(shù)，因此可計(jì)算得到M個(gè)測量結(jié)果并記錄； (7) 若需要多次測量時(shí)，待測天線以同樣的旋轉(zhuǎn)速度和測量軌跡，進(jìn)行下一次快速掃 描，獲得觀測數(shù)據(jù)并與前次觀測對(duì)齊后，將本次運(yùn)算的互相關(guān)運(yùn)算和自相關(guān)運(yùn)算結(jié)果與前 次進(jìn)行累積，再利用步驟（3)?（6)中的計(jì)算方式，計(jì)算并記錄，可得到M 個(gè)積累后的記錄值；
(8) 將記錄M個(gè)測量結(jié)果，進(jìn)行歸一化和插值處理，即得到待測天線方向圖。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相關(guān)法的大天線方向圖測量方法，其特征在于：待測天 線接收信號(hào)的功率表達(dá)式為：
式（1)中，PmS待測天線接收功率，Po為觀測源的等效全向輻射功率，Gtl為觀測源發(fā)射 天線的增益，Gm為待測天線的增益，λ為觀測源信號(hào)波長，為待測天線場強(qiáng)歸一化 方向性函數(shù)，其中Θ為方位角，P為俯仰角，d為觀測源到待測天線的傳播距離，La為觀測 源信號(hào)到待測天線的大氣損耗； 同理，輔助天線接收信號(hào)的功率表達(dá)式為：
式（2)中，匕為輔助天線接收功率，G^j輔助天線的增益，f(久0為輔助天線場強(qiáng)歸 一化方向性函數(shù)，d'為觀測源到輔助天線的傳播距離，L' 4為觀測源信號(hào)到輔助天線的大 氣損耗； 式（1)和式（2)可表示為：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于相關(guān)法的大天線方向圖測量方法，其特征在于： 待測天線的接收信號(hào)Xm (t)可表示為：
輔助天線的接收信號(hào)\(t)可表示為：
式中=W1U)和 w2(t)分別表示兩個(gè)通道噪聲，且Eliw1 (t)] = E[w2(t)] = (^varliw1 (t)] =oAvarHwJt)] = =0;s(t)觀測源信號(hào)，與噪聲^^!:)、^^!:)均不 相關(guān)；
)分別表示兩通道中的觀 測源信號(hào)，且滿足E [S1 (t) ] = E [S2⑴]=0,五[力⑴七⑴]=⑴]五卜22⑴]}*，其中 P表不S1⑴與s2⑴的相關(guān)系數(shù)； 根據(jù)相關(guān)函數(shù)的定義可知：
由于輔助天線始終對(duì)準(zhǔn)觀測源，所以€ (AM = 1 ·，觀測源信號(hào)為平穩(wěn)過程，則可令1 = t-τ ;將式（7)可化簡為：
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 τ t。，τ 2= 〇,由式（1〇)可得： ^ "rr V ； u 2
式（12)中Cj
^數(shù)，4為即系統(tǒng)的噪聲功率；實(shí)際情況中觀測數(shù) 據(jù)為有限長度，因此只能得到MnQ)(nQ為tQ的離散表示）的估計(jì)值/?(",)，可通 過將待測天線與輔助天線觀測數(shù)據(jù)的互相關(guān)運(yùn)算結(jié)果取最大，來補(bǔ)償路徑延時(shí)，即 我? max[l(q)]，其中之^r1)估計(jì)表達(dá)式，如式（13) ,Rrr(O)的估計(jì)值夂(0),如式 (14)；
式（13)、（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)。
【文檔編號(hào)】G01R29/10GK104515909SQ201510027115
【公開日】2015年4月15日 申請(qǐng)日期:2015年1月20日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月20日
【發(fā)明者】王壯, 程翥, 黃達(dá), 王夢南, 王 琦, 苗可可, 張雪琴, 王敬 申請(qǐng)人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)