基于人工源的方向圖現(xiàn)場測試?

倪淑燕，任宇飛，楊龍輝，竇曉杰

（1.裝備學(xué)院，北京101416；2.解放軍61541部隊(duì)，北京100094）

基于人工源的方向圖現(xiàn)場測試?

倪淑燕1，??，任宇飛1，楊龍輝2，竇曉杰1

（1.裝備學(xué)院，北京101416；2.解放軍61541部隊(duì)，北京100094）

針對(duì)大型相控陣不易采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)法進(jìn)行遠(yuǎn)場測試的問題，提出了一種基于人工運(yùn)動(dòng)源的現(xiàn)場測試方法實(shí)現(xiàn)對(duì)方向圖的測試。該方法利用航空平臺(tái)搭載測試系統(tǒng)和高精度定位測姿系統(tǒng)，同步記錄時(shí)間、接收信號(hào)強(qiáng)度和三維位置信息，通過后續(xù)數(shù)據(jù)處理得到方向圖。并針對(duì)測試過程中存在的誤差進(jìn)行了分析和修正，最后通過計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了方法的有效性。

相控陣天線；方向圖；遠(yuǎn)場測試；現(xiàn)場測試；人工源；航空平臺(tái)

1 引言

天線測量是天線設(shè)計(jì)和性能分析工作中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。天線測量技術(shù)始于二戰(zhàn)期間，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，經(jīng)歷了由遠(yuǎn)場測量到近場測量，由室外場地到微波暗室，由人工操作到自動(dòng)測量的發(fā)展歷程［1－3］。天線方向圖是描述天線性能的重要參數(shù)，雖然近場等效的方法已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到方向圖的測量中，但遠(yuǎn)場測量方法更加直觀簡便，能夠最大程度模仿天線的實(shí)際工作情況，因此天線遠(yuǎn)場測試方法對(duì)天線驗(yàn)收、日常維護(hù)和故障診斷等仍具有非常重要的意義。

傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場測試方法都是基于轉(zhuǎn)臺(tái)和標(biāo)校塔的旋轉(zhuǎn)天線法［4］，其測試只能在低仰角范圍內(nèi)進(jìn)行，無法體現(xiàn)全空域特性，并且對(duì)于規(guī)模龐大的相控陣，構(gòu)建轉(zhuǎn)臺(tái)也是不現(xiàn)實(shí)的。還有一種方向圖的現(xiàn)場測試方法［5］，利用運(yùn)載工具攜帶源天線圍繞被測天線飛行，記錄幅度和角度信息，通過后續(xù)數(shù)據(jù)處理得到方向圖?，F(xiàn)場測試方法一般適用于3種情況：一是在現(xiàn)場天線方向圖受到安裝場所的嚴(yán)重影響并且必須測試現(xiàn)場方向圖；二是天線架設(shè)和裝配只能在現(xiàn)場進(jìn)行，方向圖事先無法測試；三是驗(yàn)證方向圖與周圍環(huán)境的相互作用是否與預(yù)期相一致。

對(duì)于大型相控陣多波束天線，由于待測天線結(jié)構(gòu)龐大，轉(zhuǎn)動(dòng)不便，所以測試工作必須在使用現(xiàn)場進(jìn)行。目前對(duì)于現(xiàn)場測試方法的研究很少，本文以地面站的大型相控陣天線為測試對(duì)象，提出一種基于航空平臺(tái)的人工運(yùn)動(dòng)源現(xiàn)場測試方法，可以彌補(bǔ)標(biāo)校塔的不足，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型相控陣高仰角情況下天線輻射特性的測試。

2 測試方法概述

2.1 測試原理

對(duì)于確定的加權(quán)向量，畫出波束響應(yīng)能量相對(duì)于方向的函數(shù)，便得到波束形成器的指向性圖，也稱為波束圖或方向圖，即

一般方向圖會(huì)采用對(duì)數(shù)形式表示，即20lg（·）dB。因此，只需在全空域抽樣地測出一系列俯仰θ和方位φ對(duì)應(yīng)的信號(hào)能量，就可以近似地得到三維方向圖。令θ、φ其中一個(gè)固定就可以得到二維方向圖。

標(biāo)校塔法是利用被測天線的轉(zhuǎn)動(dòng)來測不同方向的信號(hào)能量。對(duì)于大型相控陣，被測天線轉(zhuǎn)動(dòng)不易實(shí)現(xiàn)，本文提出基于航空平臺(tái)的人工運(yùn)動(dòng)源測試方法，令被測天線固定，采用飛艇或無人機(jī)等攜帶輔助天線，通過控制其航跡，使其攜帶的輔助天線圍繞被測天線轉(zhuǎn)動(dòng)來得到不同平面的二維方向圖。航跡設(shè)定如圖1所示，圖中O點(diǎn)為待測天線的相位中心。要測φ面的方向圖，只需按圖1（a）中的航跡飛行，保持R、θ不變，而要得到θ面的方向圖，則需按圖1（b）中的航跡飛行，保持R、φ不變。

圖1 飛行航跡的設(shè)定Fig.1 Setting of flight path

在飛行過程中，利用航空平臺(tái)上的定位系統(tǒng)獲得飛艇的三維位置信息，同時(shí)利用頻譜儀獲得接收信號(hào)功率，并利用存儲(chǔ)設(shè)備記錄時(shí)間、位置和強(qiáng)度信息。后續(xù)數(shù)據(jù)處理可以根據(jù)三維位置信息計(jì)算出飛艇的方位、俯仰信息，分別以方位、俯仰信息為橫坐標(biāo)，以同一時(shí)刻的接收信號(hào)幅度為縱坐標(biāo)，就可以把對(duì)應(yīng)的方向圖繪制出來。

2.2 測試系統(tǒng)構(gòu)成

航空平臺(tái)由飛控系統(tǒng)、定位測姿系統(tǒng)、GPS授時(shí)系統(tǒng)和測試設(shè)備（標(biāo)準(zhǔn)天線、頻譜儀／信號(hào)分析儀、信號(hào)源等）組成。飛控系統(tǒng)控制航跡精度越高，定位測姿系統(tǒng)精度越高，方向圖測試誤差就越小。目前，國內(nèi)飛控系統(tǒng)的控制精度可以到達(dá)米級(jí)，采用差分GPS＋慣導(dǎo)的定位系統(tǒng)精度可以達(dá)到厘米級(jí)。對(duì)于飛艇的三維位置和接收信號(hào)強(qiáng)度的記錄需要精度的時(shí)間同步，因此需要采用可外觸發(fā)內(nèi)存儲(chǔ)的頻譜儀或信號(hào)分析儀（如安捷倫的N9000A－503型信號(hào)分析儀），利用GPS授時(shí)作為觸發(fā)源，實(shí)現(xiàn)位置和接收信號(hào)強(qiáng)度的精確同步。

測試設(shè)備連接框圖如圖2和圖3所示。測試發(fā)射性能時(shí)，將相控陣作為發(fā)射天線，標(biāo)準(zhǔn)天線作為接收天線，令地面站發(fā)射功率固定，測不同方位的接收功率就可以得到不同方位的相對(duì)增益，進(jìn)而繪出發(fā)射方向圖。測接收性能時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)天線作為發(fā)射天線，相控陣作為接收天線，發(fā)射功率固定，測不同方位的接收功率就可以得到不同方位的相對(duì)增益，進(jìn)而繪出接收方向圖。

圖2 發(fā)射方向圖測試框圖Fig.2 Testing structure of transmitting pattern

圖3 接收方向圖測試框圖Fig.3 Testing structure of receiving pattern

3 測試數(shù)據(jù)處理及誤差分析

3.1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

艇上定位測姿系統(tǒng)輸出的位置信息為定位測姿系統(tǒng)幾何中心在WGS84坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，根據(jù)其與標(biāo)準(zhǔn)天線的相位中心P1的位置關(guān)系以及飛艇的姿態(tài)信息，可以算出P1在WGS84坐標(biāo)系中的坐標(biāo)（x1，y1，z1）。設(shè)地面站相控陣天線的相位中心P0，地面測向設(shè)備測得的方位信息是以P0為原點(diǎn)的當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系中，因此需要將P1的位置信息從WGS84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系的坐標(biāo)（x，y，z）。

將直角坐標(biāo)系坐標(biāo)（x，y，z）轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)系坐標(biāo)（θ、φ，ρ）。如果飛艇按航跡設(shè)定圓周飛行的情況下，θ、φ面方向圖分別以計(jì)算出來的θ、φ為橫坐標(biāo)，測得的功率P為縱坐標(biāo)就可以繪制出來。

3.2 航跡誤差影響及其修正

實(shí)際上，飛艇不可能嚴(yán)格按照設(shè)定的圓周飛行，飛行航跡是存在誤差的，這樣就會(huì)造成在測某一固定θ或φ面時(shí)θ或φ不固定造成的誤差，測試距離R遠(yuǎn)近差別造成的誤差。由于艇上記錄設(shè)備可以記錄飛艇的位置信息，因此航跡偏離圓周引起的誤差是可測得的，這樣就可以通過后期的數(shù)據(jù)處理對(duì)測試值進(jìn)行修正。

在測某一θ面方向圖時(shí)，固定φ＝φ0，理論方向圖為

設(shè)φ的浮動(dòng)為Δφ，實(shí)測方向?yàn)?/p>

同樣在測某一φ面方向圖時(shí)，固定θ＝θ0，理論和實(shí)測方向圖分別為

而對(duì)于距離R的變化，會(huì)使不同角度時(shí)由于路徑損耗不同而造成接收功率測量的相對(duì)值誤差。路徑損耗L計(jì)算公式為：L＝20lg4πRf／c。在同一球面時(shí)路徑損耗是相同的，設(shè)飛艇飛行時(shí)距離波動(dòng)為ΔR，則路徑損耗浮動(dòng)為

設(shè)飛艇偏離航跡的最大值為Δd，則Δθ、Δφ的最大值為Δθmax＝2arcsin（Δd／2R），Δφmax＝2arcsin（Δd／2r）＝2arcsin（Δd／2Rsinθ），其中r表示畫φ面圖時(shí)飛行航跡圓周的半徑。可以看出，在測方位波束圖時(shí)，俯仰波動(dòng)的最大值是固定的，由于Δd相對(duì)于R比較小，Δθmax也會(huì)很?。欢跍y俯仰波束圖時(shí)，方位波動(dòng)的最大值與θ有關(guān)，θ越小，Δφmax越大，也就是說在過頂測試時(shí)，即使很小的航跡偏移量也可能引起方位的很大波動(dòng)，造成較大的測試誤差。

由于艇上記錄設(shè)備可以記錄飛艇的位置信息，因此航跡偏離圓周引起的誤差是可測的，這樣就可以通過后期的數(shù)據(jù)處理對(duì)測試值進(jìn)行修正。

在測θ面方向圖時(shí)，假設(shè)要求飛行航跡滿足φ＝φ0、R＝R0，而某一時(shí)刻根據(jù)飛艇位置（x，y，z）算出的實(shí)際值為（θ，φ，R），由于

把路徑損耗差也考慮在內(nèi)，ΔL＝20lg（4πRf／R0c），可以得到

將此時(shí)測得的功率F（θ，φ）修正到φ＝φ0、R＝R0的圓周，可得

用上式對(duì)測得的方向圖進(jìn)行修正，修正后的θ面方向圖可表示為

同樣地，在測φ面方向圖時(shí)，把測得的功率修正到θ＝θ0、R＝R0的圓周，得到修正后的φ面方向圖為

在對(duì)方向圖進(jìn)行修正時(shí)，導(dǎo)數(shù)階數(shù)取得越高，校正后的測試方向圖越接近于實(shí)際方向圖，測試誤差越小。實(shí)際處理時(shí)可以根據(jù)航跡偏離程度和測試精度要求選擇適當(dāng)?shù)碾A數(shù)。

3.3 定位誤差影響

設(shè)定位誤差為（Δx，Δy，Δz），即飛艇實(shí)際的位置是［x＋Δx，y＋Δy，z＋Δz］，而我們所認(rèn)為的位置是［x，y，z］，定位誤差會(huì)引起繪制方向圖時(shí)（θ，φ）的誤差，存在誤差時(shí)（θ，φ）方向?qū)?yīng)的單位向量v（θ，φ）變成了

用ve（θ，φ）代替v（θ，φ）代入方向圖計(jì)算公式［6］中，可以得出存在定位誤差時(shí)的方向圖Fe（θ，φ），與理想方向圖F（θ，φ）對(duì)比可以看出定位誤差的影響。

實(shí)際上，在采用高精度的差分GPS＋慣導(dǎo)定位時(shí)，定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)。設(shè)定位誤差為10 cm，R＝2 km時(shí)俯仰角誤差僅為0.0049°，方位角誤差越接近過頂越大，在θ＝5°（接近過頂）時(shí)僅為0.056°，對(duì)方向圖的影響很小，這也保證了現(xiàn)場測試方法的可行性。

4 測試方法仿真

從原理上看，航跡球面半徑越大，定位誤差和航跡偏離的影響越小，但同時(shí)路徑衰減大對(duì)測試是不利的。根據(jù)對(duì)航空平臺(tái)（飛艇）的實(shí)際調(diào)研，我們將R設(shè)為2 km，巡航時(shí)速度為10 m／s，記錄設(shè)備采樣頻率為1 Hz。假設(shè)波束指向?yàn)椋?0°，30°），根據(jù)設(shè)計(jì)航跡可以得出測俯仰和方位面方向圖時(shí)對(duì)應(yīng)的巡航半徑分別為R＝2 km和r＝Rsin10°＝387.3 m，那么每次記錄的角度間隔為φd＝0.287°、θd＝1.65°。設(shè)航跡偏離的最大值為10 m，定位誤差最大為10 cm，每個(gè)位置的偏移量和位置誤差取隨機(jī)值。

圖4給出了實(shí)測方向圖、修正方向圖與理論方向圖的對(duì)比?？梢钥闯觯瑢?shí)測波束方向圖在理論波束方向圖附近波動(dòng)，這種波動(dòng)在主波束附近比較小，越偏離主波束波動(dòng)越大，在零陷的位置誤差最大，這樣會(huì)對(duì)方向圖旁瓣和零陷（抗干擾能力）的測量造成一定影響。如圖5所示，利用后處理的方式修正后的方向圖更接近于實(shí)際方向圖，誤差大大減小，主瓣內(nèi)誤差小于0.01 dB，旁瓣處最大誤差小于0.01 dB，零陷處最大誤差小于2 dB，整體最大誤差小于2 dB。

圖4 測試方向圖Fig.4 Test radiation pattern

圖5 測試誤差Fig.5 Test error

5 結(jié)論

針對(duì)大型相控陣轉(zhuǎn)動(dòng)不便的問題，本文提出了一種基于航空平臺(tái)的人工運(yùn)動(dòng)源現(xiàn)場測試方法，介紹了其測試原理、測試系統(tǒng)構(gòu)成和數(shù)據(jù)處理過程，并對(duì)測試數(shù)據(jù)中的誤差進(jìn)行了分析和修正，最后的計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了測試方法的有效性。這種現(xiàn)場測試方法不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大型相控陣的測試，還可以實(shí)現(xiàn)高仰角情況下天線輻射特性的測試，并且利用精確測量技術(shù)和航空平臺(tái)的懸停特性，可以高精度、多數(shù)據(jù)冗余處理地研究相控陣的某些特性等，是一個(gè)非常有意義的研究方向，今后可以從誤差分析、數(shù)據(jù)處理等方面進(jìn)行更深入全面的研究。

［1］尚軍平.相控陣天線快速測量與校準(zhǔn)技術(shù)研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2010. SHANG Jun-ping.Study of Fast Measurement and Calibration Techniques for Phased Array Antennas［D］.Xi′an：Xidian University，2010.（in Chinese）

［2］Gao Tie，Guo Yanchang，Wang Jinyuan，et al.Large active phased array antenna calibration using MCM［C］／／Proceedings of 2001 IEEE International Symposiun on Antennas and Propagation.Boston，MA，USA：IEEE，2001：606－609.

［3］陳佳濱.衛(wèi)星通信地球站天線測試系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［D］.南京：南京郵電大學(xué)，2012. CHEN Jia-bin.Research and Design of Satellite Communication Earth Station Antenna Test System［D］.Nanjing：Nanjing University of Posts and Telecommunications，2012.（in Chinese）

［4］邱天，蔡興雨.相控陣天線方向圖遠(yuǎn)場測試方法研究［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2008，37（6）：47－50. QIU Tian，CAI Xing-yu.Study on Phased Array Antenna Pattern Far-field Testing Method［J］.Fire Control Radar Technology，2008，37（6）：47－50.（in Chinese）

［5］SJ2534.7－86，天線測試方法：幅度方向圖的現(xiàn)場測量［S］. SJ2534.7－86，Test of Antenna：Site measure of amplitude［S］.（in Chinese）

［6］鄢社風(fēng)，馬良遠(yuǎn).傳感器陣列波束優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2009：17－27. YAN She-feng，MA Liang-yuan.Sensor Array Beampattern Optimization：Theory with Application［M］.Beijing：Science Press，2009：17－27.（in Chinese）

NI Shu-yan was born in Xingtai，Heibei Province，in 1981.She received the Ph.D.degree in 1998.She is now a lecturer.Her research concerns spatial information transmission and array signal processing.

Email：daninini＠163.com

任宇飛（1974—），男，陜西扶風(fēng)人，2004年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為講師，主要從事通信系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航方面的研究；

REN Yu-fei was born in Fufeng，Shaanxi Province，in 1973. He received the M.S.degree in 2004.He is now a lecturer.His research concerns.communication system and satellite navigation.

楊龍輝（1962—），男，福建漳州人，2005年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級(jí)工程師，主要從事電子對(duì)抗方面的研究；

YANG Long-hui was in Zhangzhou，F(xiàn)ujian Province，in 1962. He received the M.S.degree in 2005.He is now a senior engineer.His research concerns ECM.

竇曉杰（1988—），女，山東濟(jì)南人，2011年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要從事陣列信號(hào)處理和天線測試方面的研究。

DOU Xiao-jie was born in Jinan，Shandong Province，in 1988.She received the B.S.degree in 2011.She is now a graduate student.Her research concerns array signal processing and antenna test.

Site Test of Radiation Pattern Based on Artificial Source

NI Shu-yan1，REN Yu-fei1，YANG Long-hui2，DOU Xiao-jie1
（1.Academy of Equipment，Beijing，101416，China；2.Unit 61541 of PLA，Beijing 100094，China）

Traditional far-field test method can hardly be used to carry on far field test of a large phase array because of the difficulty in building a large turntable.To solve the problem，a site method based on artificial source is proposed to test the radiation pattern.The method uses an airborne platform embarking test system and highprecision positioning and orientation system to synchronously record the time，amplitude of the receiving signal and three-dimensional position.Through data processing of the recorded data the radiation pattern can be obtained.The test errors are also analyzed and corrected.Finally，computer simulations are provided to illustrate the validity of the proposed method.

phase array antenna；radiation pattern；far field test；site test；artificial source；airborne platform

date：2013－04－18；Revised date：2013－06－09

??通訊作者：daninini＠163.comCorresponding author：daninini＠163.com

TN82

A

1001－893X（2013）09－1218－05

倪淑燕（1981—），女，河北邢臺(tái)人，2010年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為講師，主要從事空間信息傳輸、陣列信號(hào)處理方面的研究；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.09.019

2013－04－18；

2013－06－09