基于分布式源数字相控阵全相拟合自校准方法

1.本发明属于数字相控阵领域，特别涉及一种相控阵校准技术。


背景技术：

2.相控阵系统性能的发挥取决于控制器对各单元天线幅相的精确控制。但是对于数字相控阵而言校准很困难：一方面，传统应用在模拟相控阵系统上使用矢网进行校准的方法不能用于数字相控阵的校准；另一方面，随着目前大规模相控阵的本振网络设计变得复杂，越来越多的数字相控阵系统采用分布式源设计。由于分布式源之间相互独立无法保证各本振信号之间的相位固定，因此会导致每次上电后相控阵收发通道之间引入随机相位使数字相控阵校准困难。因此在数字相控阵上由于分布式源引入的随机相位问题需要解决。目前相控阵校准的方法主要有以下三种：
3.方法一是近场扫描校准法，近场扫描校准是相控阵最常用校准方法之一，通过近场测量数据的逆傅里叶变换重建天线或阵列孔径场分布，但是近场扫描校准法的难点在于校准通道和各待校准通道之间的距离不一致，由距离导致的路径损耗差异无法忽略；
4.方法二是远场校准方法，该方法可实现在远场区对阵列天线通道幅相一致性进行自动化测量和校准，校准探头系统仅由单个天线构成，校准系统仅需控制待校准通道的通断，通过n次数据采集，即可由反演算法反演出通道数为n的待校准单元幅相误差。但是远场校准方法由于对校准源信号质量、待校准阵列的运动状态、环境状况有较高的要求，导致远场校准方法的校准精度不高且可操作性较为复杂；
5.方法三是互耦校准法，互耦技术和互耦校准方法作为外部校准的一种替代方法，可以在阵列内部实现系统的在线校准，因此互耦校准法也被认为是未来相控阵系统校准中的理想选择。但是互耦校准法需要对每一个发射通道的发射信号强度进行控制，以防止发射通道周围的接收机因接收信号强度过大而损毁，且该方法还需要保证单元之间互耦状态的一致性并通过足够的先验知识来辅助校准。
6.相控阵系统的设计往往针对于具体的使用场景，而对应的相控阵校准方法也需要根据具体的应用场景进行必要的调整以提高校准精度。目前国内与国际上针对分布式源数字相控阵系统的自校准方法比较少，本发明所提出的基于分布式源数字相控阵全相拟合自校准方法，不需要远场校准设备，仅依靠自身收发通道即可消除通道间的随机相位，实现系统的自校准，减小了数字相控阵校准的难度与复杂度，增加了数字相控阵系统校准的精度。


技术实现要素：

7.为解决上述技术问题，本发明提出一种基于分布式源数字相控阵全相拟合自校准方法，通过在全相位变化范围内进行校准曲线的拟合增加了数字相控阵校准的精度；利用系统自身收发通道实现自校准功能，减小了数字相控阵系统校准的复杂程度与工作量，相比于旋转矢量法来说得到的解不存在二值性的问题。
8.本发明采用的技术方案为：基于分布式源数字相控阵全相拟合自校准方法，所基
于的数字相控阵系统包括：多个本振源、控制器、发射通道、接收通道；具体分为发射通道校准与接收通道校准；
9.对于发射通道校准，每个本振源对应多个发射通道；校准过程包括：
10.a1、通过测试得到同一本振源控制下的各发射通道之间的固定相位差；然后通过示波器将各发射通道之间的相位差校准至0
°
，将各发射通道的发射信号幅度进行校准得到各发射通道的幅度补偿参数；
11.a2、对不同本振源控制下的一个发射通道进行校准，具体的：以不同本振源控制下的一个发射通道作为各自控制下的第一个发射通道，以其中一个本振源作为第一个本振源；以第一个本振源控制下的第一个发射通道作为基准发射通道，其他本振源控制下的第一个发射通道作为待校准发射通道；通过基准发射通道对待校准发射通道进行校准，包括以下分步骤：
12.a21、控制器控制第一个本振源通过自身接收通道接收基准发射通道与待校准发射通道共同作用下的合成信号；并不断控制待校准发射通道在当前相位基础上以360/m为步进从0
°
相移至360
°
，得到各待校准发射通道的校准目标曲线；m为移相步进；
13.a22、当数字相控阵系统再次运行时，打开第一个本振源自身接收通道、基准发射通道与待校准发射通道；根据步骤a1得到的待校准发射通道的幅度补偿参数对该待校准发射通道的幅度进行校准，从而得到各待校准发射通道的校准曲线；
14.a23、对于同一待校准发射通道，计算在相同幅值下校准曲线与校准目标曲线对应的移相值之差的平均数；
15.a3、对同一本振源控制下的发射通道进行校准，具体的：根据步骤a1得到的同一本振源控制下的各发射通道之间的固定相位差，在步骤a2的基础上，得到同一本振源控制下的所有发射通道的校准相移值；
16.对于接收通道校准，每个本振源对多个接收通道；校准过程包括：
17.b1、通过测试得到同一本振源控制下的各接收通道之间的固定相位差，然后控制器控制各接收通道的接收增益将接收基带信号调节至同一幅度水平，得到接收通道增益补偿值；
18.b2、对不同本振源控制下的一个接收通道进行校准，具体的：以不同本振源控制下的一个接收通道作为各自控制下的第一个接收通道，以其中一个本振源作为第一个本振源；以第一个本振源控制下的第一个接收通道作为基准接收通道，其他本振源控制下的第一个接收通道作为待校准接收通道；通过基准接收通道对待校准接收通道进行校准；
19.所述通过基准接收通道对待校准接收通道进行校准，包括：打开第一个本振源自身发射通道，使用各待校准接收通道同时开始接收；首先根据步骤b1得到的接收通道增益补偿值对接收通道增益进行校准，然后在控制器中计算得到基准接收通道基带值与其他待校准接收通道基带值之间的相位差；
20.b3、根据步骤b1得到的同一本振源控制下的各接收通道之间的固定相位差，和步骤b2得到的基准接收通道基带值与其他待校准接收通道基带值之间的相位差，计算得到接收通道的相位补偿值。
21.本发明的有益效果：本发明的基于分布式源数字相控阵全相拟合自校准方法不需要使用校准设备，仅依靠自身收发通道即可消除分布式源引入的通道间随机相位差，实现
2.4}。连接上天线，以tx
11
作为基准通道，tx
21
作为待校准通道，利用得到的a
t1
[3]和a
t2
[3]对发射通道的幅度进行校准，然后控制器控制传输进入tx
21
的发射基带信号相位以5.625
°
为步进从0
°
移动至360
°
，每进行一次移相，控制器通过rx
11
接收一次tx
11
和tx
21
共同作用下的合成信号，得到tx
21
校准目标曲线如图4中虚线所示。
[0033]
当数字相控阵系统再次上电运行时，由于分布式本振源1和2的不同导致了在本振源1和2控制的发射通道之间产生了随机相位差。此时，以本振源1控制下tx
11
为基准发射通道对本振源2控制下tx
21
通道进行校准，以消除由于分布式源不同而引入的随机相位差。
[0034]
打开tx
11
、tx
21
和rx
11
的通道，利用得到的a
t1
[3]和a
t2
[3]对发射通道的幅度进行校准，然后控制器控制传输进入tx
21
的发射基带信号相位以5.625
°
为步进从0
°
移动至360
°
，每进行一次移相，控制器就通过rx
11
接收一次tx
11
和tx
21
的合成信号，并计算出接收基带信号的幅值。通过对整个360
°
移相范围内接收基带信号幅值的统计可以得到校准过程中的tx
21
校准曲线结果如图4中实线所示。
[0035]
控制器在整个移相范围内分析得到的tx
21
校准曲线与tx
21
校准目标曲线之间的关系，找到在幅值相同时，两条曲线对应移相值之差，然后在整个幅度变化范围内统计移相值之差的平均值得到
[0036][0037]
计算出分布式本振源1和本振源2之间的相位差之后，根据之前得到的同一个本振源内通道间的相位差可以计算出整个数字相控阵系统的各发射通道相位校准值。根据之前测试得到的φ1[3]和φ2[3]可以推导出6个发射通道各自的相位校准值为：
[0038]
tx
11
：0
°
，tx
12
：-10.52
°
，tx
13
：-11.33
°
，
[0039]
tx
21
：-29.71
°
，tx
22
：-34.95
°
，tx
23
：-31.08
°
。
[0040]
对于分布式源数字相控阵接收通道的校准，在图2所示的模型下，以2个本振源构成的6个接收通道和1个发射通道数字相控阵系统为例，即图2中n＝2，n＝3。
[0041]
类似于发射通道校准，首先通过信号源给各接收通道传输相同的信号，控制器中对各接收通道的接收基带信号进行处理得到本振源1和本振源2控制下接收通道固定相位差θ1[3]＝{0
°
，-7.04
°
，-2.34
°
}，θ2[3]＝{0
°
，4.06
°
，-1.47
°
}，然后控制器控制将各接收通道的接收增益调节至同一幅度水平，得到接收通道增益补偿值a
r1
[3]＝{0，2.03，1.98}，a
r2
[3]＝{4.30，1.32，0.76}。
[0042]
打开tx
11
，以rx
11
作为接收基准通道，通过接收通道增益补偿值a
r1
[3]和a
r2
[3]对各接收通道进行校准，然后使用rx
11
、rx
21
同时开始接收。在控制器中计算得到当拟合优度参数r2取最大值时，接收基带值rx
21
对应波形的移相值
△
γ
21
＝-7.62
°
。通过得到的θ1[3]、θ2[3]和
△
γ
21
得到接收通道的相位补偿值为：
[0043]
rx
11
：0
°
，rx
12
：-7.04
°
，rx
13
：-2.34
°
，
[0044]
rx
21
：-7.62
°
，rx
22
：-3.56
°
，rx
23
：-9.09
°
。
[0045]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的
任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

技术特征：
1.基于分布式源数字相控阵全相拟合自校准方法，其特征在于，所基于的数字相控阵系统包括：多个本振源、控制器、发射通道、接收通道；具体分为发射通道校准与接收通道校准；对于发射通道校准，每个本振源对应多个发射通道；校准过程包括：a1、通过测试得到同一本振源控制下的各发射通道之间的固定相位差；然后通过示波器将各发射通道之间的相位差校准至0
°
，将各发射通道的发射信号幅度进行校准得到各发射通道的幅度补偿参数；a2、对不同本振源控制下的一个发射通道进行校准，具体的：以不同本振源控制下的一个发射通道作为各自控制下的第一个发射通道，以其中一个本振源作为第一个本振源；以第一个本振源控制下的第一个发射通道作为基准发射通道，其他本振源控制下的第一个发射通道作为待校准发射通道；通过基准发射通道对待校准发射通道进行校准，包括以下分步骤：a21、控制器控制第一个本振源对应的自身接收通道接收基准发射通道与待校准发射通道共同作用下的合成信号；并不断控制待校准发射通道在当前相位基础上以设定步进从0
°
相移至360
°
，得到各待校准发射通道的校准目标曲线；a22、当数字相控阵系统再次运行时，打开第一个本振源自身接收通道、基准发射通道与待校准发射通道；并不断控制待校准发射通道在当前相位基础上以设定步进从0
°
相移至360
°
，通过第一个本振源对应的自身接收通道得到各待校准发射通道的校准曲线；a23、对于同一待校准发射通道，计算在相同幅值下校准曲线与校准目标曲线对应的移相值之差的平均数；a3、对同一本振源控制下的发射通道进行校准，具体的：根据步骤a1得到的同一本振源控制下的各发射通道之间的固定相位差，在步骤a2的基础上，得到同一本振源控制下的所有发射通道的校准相移值；对于接收通道校准，每个本振源对应多个的接收通道；校准过程包括：b1、通过测试得到同一本振源控制下的各接收通道之间的固定相位差，然后控制器控制各接收通道的接收增益将接收基带信号调节至同一幅度水平，得到接收通道增益补偿值；b2、对不同本振源控制下的一个接收通道进行校准，具体的：以不同本振源控制下的一个接收通道作为各自控制下的第一个接收通道，以其中一个本振源作为第一个本振源；以第一个本振源控制下的第一个接收通道作为基准接收通道，其他本振源控制下的第一个接收通道作为待校准接收通道；通过基准接收通道对待校准接收通道进行校准；所述通过基准接收通道对待校准接收通道进行校准，包括：打开第一个本振源自身发射通道，使用各接收通道同时开始接收；首先根据步骤b1得到的接收通道增益补偿值对接收通道增益进行校准，然后在控制器中计算得到基准接收通道基带值与其他待校准接收通道基带值之间的相位差；b3、根据步骤b1得到的同一本振源控制下的各接收通道之间的固定相位差，和步骤b2得到的基准接收通道基带值与其他待校准接收通道基带值之间的相位差，计算得到接收通道的相位补偿值。2.根据权利要求1所述的基于分布式源数字相控阵全相拟合自校准方法，其特征在于，
步骤a21所述校准目标曲线通过以下过程得到：根据步骤a1得到的待校准发射通道的幅度补偿参数对该待校准发射通道的幅度进行校准；控制器控制传输进入待校准发射通道的发射基带信号以设定步进从0
°
相移至360
°
；在移相过程中，每改变一次发射基带信号，控制器控制第一个本振源自身接收通道接收一次基准发射通道与待校准发射通道的合成信号，并统计出整个移相过程中得到的合成信号幅值与移相值之间的关系，得到待校准发射通道的校准目标曲线。3.根据权利要求2所述的基于分布式源数字相控阵全相拟合自校准方法，其特征在于，步骤a22得到各待校准发射通道的校准曲线的过程具体为：根据步骤a1得到的待校准发射通道的幅度补偿参数对该待校准发射通道的幅度进行校准；控制器控制传输进入待校准发射通道的发射基带信号以设定步进从0
°
相移至360
°
；在移相过程中，每改变一次发射基带信号，控制器控制第一个本振源自身接收通道接收一次基准发射通道与待校准发射通道的合成信号，并统计出整个移相过程中得到的合成信号幅值与移相值之间的关系，得到待校准发射通道的校准曲线。4.根据权利要求3所述的基于分布式源数字相控阵全相拟合自校准方法，其特征在于，步骤a23对应的计算式为：其中，表示待校准发射通道需要的移相值，m为移相步进，分别表示相同幅值下校准曲线、校准目标曲线各自对应的移相值。5.根据权利要求4所述的基于分布式源数字相控阵全相拟合自校准方法，其特征在于，步骤b2所述在控制器中计算得到基准接收通道基带值与其他待校准接收通道基带值之间的相位差，具体为：在控制器中将各接收通道得到的接收基带信号数据转化为时域波形；对各待校准接收通道的接收基带信号波形进行移相，使移相后的待校准接收通道的接收基带信号波形与基准接收通道的接收基带信号波形对齐；求解出移相后的待校准接收通道的接收基带信号波形与基准接收通道的接收基带信号波形之间的拟合优度参数；当拟合优度参数的值达到最大时，对应的移相值即为基准接收通道基带值与待校准接收通道基带值之间的相位差。

技术总结
本发明公开一种基于分布式源数字相控阵全相拟合自校准方法，应用于数字相控阵领域，针对数字相控阵系统中分布式源引入的随机相位问题，对于数字相控阵发射通道的校准，本发明主要是通过在全相位变化范围内对校准曲线与校准目标曲线进行比较，通过控制待校准通道发射基带信号的相位，使自身接收通道接收到的信号幅度和相位趋近于校准目标曲线；对于数字相控阵接收通道的校准，本发明主要是通过对各接收通道的接收基带信号进行相互拟合，当待校准通道与基准通道之间的拟合优度最大时，可认为数字相控阵接收通道校准成功。为数字相控阵接收通道校准成功。为数字相控阵接收通道校准成功。


技术研发人员：杨海宁 付勇 沈嘉诚 刘禹廷 蔡银基 李廷军 李娜
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/9/14