天線陣方向圖無人機(jī)測試系統(tǒng)研究

索 煒 宋 旸

（北京無線電計(jì)量測試研究所，北京 100039）

1 引 言

大型相控陣天線方向圖的測量通常是項(xiàng)復(fù)雜而艱巨的工作，對于高頻地波雷達(dá)接收陣天線方向圖的測試同樣如此。本文所涉及的天線陣列系統(tǒng)工作頻段覆蓋（3～30）MHz，波長較長，天線陣體積大，整個(gè)陣占地通常為數(shù)百米。

現(xiàn)有的測量手段，多以海面船載測量設(shè)備進(jìn)行測量，僅能沿海平面進(jìn)行方位圖測試，無法進(jìn)行俯仰圖測試；而使用有人飛機(jī)或飛艇等方式進(jìn)行測量的費(fèi)用及時(shí)間成本又太高，因此考慮設(shè)計(jì)使用無人機(jī)來實(shí)現(xiàn)更加經(jīng)濟(jì)和縮短時(shí)間的測試方式。

短波無線電系統(tǒng)的電離層干擾是很嚴(yán)重的。非理想的天線陣方向圖會(huì)引入更多的電離層干擾，如圖1所示［1］，在距離多普勒譜中160～180距離單元分布著較強(qiáng)的電離層雜波干擾，而位于該處的實(shí)際目標(biāo)被電離層干擾所淹沒。特別是夜間的時(shí)候，大氣層中的D層消失，電離層沒有D層的吸收效果時(shí)E層反射的干擾會(huì)更加嚴(yán)重。所以，有必要測試天線方向圖中面向空間電離層波束的實(shí)際情況。

圖1 電離層干擾對目標(biāo)檢測的影響Fig.1 The object detection influence from ionosphere clutter

該相控陣天線系統(tǒng)實(shí)際上屬于數(shù)字陣列天線系統(tǒng)，接收機(jī)將回波信號變換為模擬中頻后，經(jīng)數(shù)字下變頻、濾波、抽取等處理過程之后，再由數(shù)字波束形成（DBF）單元完成接收天線波束的指向?？梢姡枰鶕?jù)被測天線陣的實(shí)際情況構(gòu)建合適的天線測量系統(tǒng)和測試方法。

2 相控陣天線的測量方法

由于相控陣系統(tǒng)的多通道特點(diǎn)，完成一遍天線的所有測試通常很耗費(fèi)時(shí)間，所以相控陣天線快速的測量方法是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

天線的測量方法分類目前還沒有權(quán)威的定論，本文給出了一種分類方式，如圖2所示［2］。

圖2 一種天線測量方法分類圖Fig.2 A kind of category map about antenna measurement method

2.1 近場測試和遠(yuǎn)場測試的對比

雖然近場測試有多種經(jīng)過數(shù)學(xué)計(jì)算后折算成遠(yuǎn)場方向圖的方法，例如文獻(xiàn)［3］提出了一種近場聚焦技術(shù)的測試方法。但是，想要得到準(zhǔn)確的方向圖，需要滿足一定的測試條件和要求：探頭的校準(zhǔn)比遠(yuǎn)場測試中的饋源天線的校準(zhǔn)要求更高，需要精確地控制測試探頭/饋源的位置；由近場測試數(shù)據(jù)確定遠(yuǎn)場方向圖，需要完成大量的運(yùn)算；大型相控陣天線的近場測試通常效率低，需要對掃描范圍內(nèi)的所有配相狀態(tài)都測試一遍；近場測量通常在微波暗室中進(jìn)行，而實(shí)際的被測大型天線陣只能在安裝現(xiàn)場開放的實(shí)地環(huán)境中進(jìn)行；相比遠(yuǎn)場測試，近場測試對周圍的環(huán)境要求更高。

遠(yuǎn)場現(xiàn)場測試時(shí)，天線附近的地形、地勢和附近干擾物等也會(huì)造成天線方向圖的畸變，從而導(dǎo)致方位角估計(jì)誤差增大。天線陣實(shí)際的安裝、調(diào)試和使用環(huán)境對于天線實(shí)際的方向圖影響較大。被測大型天線陣安裝后固定不動(dòng)，其尺寸無法在室內(nèi)暗室內(nèi)完成測試。相比近場測試，遠(yuǎn)場測試對于參考天線（裝載在無人機(jī)上）的校準(zhǔn)精度要求相對不高；另外，被測天線架設(shè)在海邊，難以在海面上采取高架源天線的方式進(jìn)行天線近場或者遠(yuǎn)場測試。

所以，針對本接收陣天線，最佳的測試仍然是現(xiàn)場采用遠(yuǎn)場測試，來完成天線陣實(shí)際狀態(tài)的檢測。同時(shí)，天線遠(yuǎn)場測試對天線陣及接收機(jī)系統(tǒng)研制、調(diào)試、驗(yàn)收、校準(zhǔn)、日常維護(hù)和故障診斷等也具有重要意義。

2.2 數(shù)字陣列天線的測試

相比傳統(tǒng)的相控陣天線，數(shù)字陣列天線增加了數(shù)字波束形成單元。對于不同類型的相控陣天線，其測試方法也不盡相同。

地波雷達(dá)的信號通常為窄帶信號，而常規(guī)窄帶信號的數(shù)字波束形成基本方法為：陣列天線的每個(gè)天線單元接收各自的回波信號，各接收通道的射頻前端進(jìn)行模擬下變頻，中頻輸出信號通過ADC采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，將數(shù)字信號與預(yù)置的復(fù)加權(quán)因子或自適應(yīng)權(quán)值算法產(chǎn)生復(fù)加權(quán)因子，然后在數(shù)字波束合成器中進(jìn)行相乘和累加最終形成所需的數(shù)字波束。

對于多通道接收系統(tǒng)，接收天線陣的方向圖不同于單通道的天線方向圖測試，不僅需要知道單元天線的方向圖，而且需要獲取所有通道的接收數(shù)據(jù)得到整個(gè)的方向圖。被測天線的方向圖波束形成最終在數(shù)字信號處理的數(shù)字波束形成DBF中完成，因此實(shí)際檢測時(shí)是包括了前端的多通道接收機(jī)以及數(shù)字信號處理部分。

采用基于數(shù)字波束成形的相控陣天線校正和測試方法需要利用陣列接收系統(tǒng)本身的接收機(jī)信號處理設(shè)備共同來完成天線波束方向圖的測試。

3 天線陣方向圖無人機(jī)測試系統(tǒng)

3.1 天線陣方向圖無人機(jī)測試系統(tǒng)組成

大型天線陣方向圖無人機(jī)測試系統(tǒng)的組成示意圖如圖3所示。無人機(jī)上設(shè)計(jì)載有測試信號源、功放單元、饋源天線、天線伺服機(jī)構(gòu)、機(jī)載測控單元。地面設(shè)備包括有地面測控站、測試數(shù)據(jù)處理設(shè)備等。

圖3 無人機(jī)遠(yuǎn)場天線測試系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.3 the composition diagram of far field antennas measurement system based on UAV

基本測試原理是：被測天線固定，通過控制無人機(jī)和機(jī)載發(fā)射信源，并記錄移動(dòng)軌跡，再根據(jù)軌跡計(jì)算發(fā)射信源在不同時(shí)刻的方位，最后結(jié)合接收信號的輸出響應(yīng)得到方向圖。

3.2 無人機(jī)測試系統(tǒng)誤差分析

定性地，分析無人機(jī)測試系統(tǒng)引入的測量誤差：

式中：δx——無人機(jī)經(jīng)度誤差；δy——緯度誤差；δz——無人機(jī)的海拔高度誤差；δs——無人機(jī)載信號源的輸出功率的誤差；δk——無人機(jī)饋源天線的方向圖誤差；δm——無人機(jī)饋源信號經(jīng)海面多次反射引起的誤差；δn——環(huán)境電磁干擾引起的誤差；δp——無人機(jī)信號源與被測接收機(jī)系統(tǒng)非相參引起的誤差。

在微波暗室中，通常使用激光測距儀來標(biāo)定參考喇叭天線與被測天線陣面之間的距離；而對于無人機(jī)測試系統(tǒng)就需要依靠衛(wèi)星定位和高度計(jì)來標(biāo)定精確的三維位置。

δx經(jīng)度誤差和δy是緯度誤差主要由衛(wèi)星定位精度以及無人機(jī)控制精度決定。目前，衛(wèi)星定位的精度如果采取增強(qiáng)形式，例如差分定位可達(dá)厘米級，相比天線測試數(shù)公里的遠(yuǎn)場距離，定位誤差引起的方位角和俯仰角誤差很小，對方向圖的影響也很小，在定位精度方面可以保證使用無人機(jī)遠(yuǎn)場測試方法的可行性。

δz海拔高度誤差由機(jī)載高度計(jì)的測量精度決定，目前無人機(jī)機(jī)載高度計(jì)精度可達(dá)分米級，會(huì)帶來一定誤差。

δs信號源輸出功率的不穩(wěn)定性主要與設(shè)備溫度的變化有關(guān)，這個(gè)影響可以通過恒溫設(shè)計(jì)來克服。

δk饋源天線方向圖誤差主要受無人機(jī)自身懸停的穩(wěn)定性以及運(yùn)動(dòng)中的旋翼對饋源天線方向圖的影響造成一定的誤差。

δm海平面反射誤差，輻射電磁波通過海面反射路徑被接收天線接收，從而影響了天線方向圖的準(zhǔn)確測試；但是在遠(yuǎn)場測試中待測天線和饋源天線之間的耦合以及多次反射并不重要，而且測量結(jié)果對于天線相位中心的位置變化不太敏感，所以不會(huì)導(dǎo)致明顯的測量誤差。

δn環(huán)境電磁干擾誤差主要由眾多相同工作頻段內(nèi)的電臺等造成的干擾；環(huán)境電磁干擾誤差的消除可以通過測試前的電磁環(huán)境監(jiān)測，然后選擇干擾小的頻段進(jìn)行測量。

δp非相參誤差會(huì)使得接收中頻信號的頻率發(fā)生偏移，同時(shí)相當(dāng)于ADC的采樣時(shí)鐘發(fā)生抖動(dòng)，引起波束形成的誤差［4］。

通過研究和分析測試系統(tǒng)可能的測量誤差影響因素，可以針對性地指導(dǎo)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3.3 無人機(jī)測試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

天線陣方向圖無人機(jī)測試系統(tǒng)，所涉及的技術(shù)涵蓋了天線微波與電磁場、陣列接收機(jī)技術(shù)、自動(dòng)測試技術(shù)、數(shù)字信號處理、無人機(jī)技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、無線測控技術(shù)、軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)處理顯示技術(shù)等方面內(nèi)容。

根據(jù)天線輻射的遠(yuǎn)場距離公式為：

取接收天線陣列的天線孔徑D=200m，工作頻率取最大頻率f=30MHz，則λ=c/f=10m，所以遠(yuǎn)場距離R=8km。實(shí)際的測量距離要大于8km。

3.3.1 海面電磁波傳輸損耗

電磁波在海面上的總傳輸損耗：

式中：Lb——自由空間損耗；Lf——海面反射傳輸損耗；La——海面空氣吸收損耗；Lp——額外系統(tǒng)損耗。

其中，自由空間損耗為：

式中：f——工作頻率，單位MHz；d——收發(fā)天線的距離，單位km。

取f=3MHz，d=0．8km時(shí)，則Lb=40dB；

取f=30MHz，d=8km時(shí)，則Lb=80dB。

海面反射傳輸損耗為：

式中：DO——地面等效發(fā)射系數(shù)，這里取DO=1；h1——被測天線所處高度，取h1=4m；h2——無人機(jī)高度，假設(shè)h2=600m（f=3MHz時(shí)），h2=6000m（f=30MHz時(shí)）；λ——波長。

代入可估算得：

海面空氣吸收損耗為：

式中：γo——氧分子損耗率；γw——水蒸汽分子損耗率。這里，La忽略不計(jì)。

額外系統(tǒng)損耗Lp：由于海上惡劣天氣等因素引起的損耗稱為額外系統(tǒng)損耗。這里忽略不計(jì)。

綜上，當(dāng)f=30MHz時(shí)，傳輸損耗：

3.3.2 機(jī)載測量設(shè)備

無人機(jī)機(jī)載的測量設(shè)備包括有信號源單元、功放單元、饋源天線及伺服機(jī)構(gòu)、無人機(jī)測控單元。

信號源單元［5］可以按照地面的指令輸出與雷達(dá)激勵(lì)相同的波形，同時(shí)包含了實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)準(zhǔn)相參設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)源；饋源天線設(shè)計(jì)為小型化的全向鞭狀天線，安裝到無人機(jī)底部，同時(shí)考慮到天線的長度問題，設(shè)計(jì)伺服結(jié)構(gòu)［6］來折疊天線，以便無人機(jī)起飛后打開。設(shè)計(jì)為全向天線雖然增加了功放的體積和重量從而增加了無人機(jī)載荷，但是可以避免使用有方向性饋源天線時(shí)對準(zhǔn)被測天線角度的復(fù)雜控制問題。該饋源天線在設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合機(jī)體進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)在微波暗室內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)，作為校準(zhǔn)件，得到其參考方向圖特性，并將該校準(zhǔn)信息錄入到測試數(shù)據(jù)處理設(shè)備中進(jìn)行校準(zhǔn)處理。

功放單元的增益：發(fā)射測試信號的產(chǎn)生單元一般設(shè)計(jì)是由DDS合成產(chǎn)生，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后雜散可以滿足要求，輸出功率約0dBm左右；被測系統(tǒng)的接收機(jī)靈敏度一般小于-150dBm，這里取值-120dBm作為到達(dá)被測接收天線的測試信號功率；測試頻率30MHz、測試距離8km時(shí)，海上傳輸損耗L估算為154．4dB；設(shè)饋源全向天線增益2dBi；所以功放輸出功率約32．4dBm，即需要約2W的功放?？梢姡瑹o人機(jī)上功放單元的能耗所對應(yīng)的體積和重量都不會(huì)很高。因此，可以將無人機(jī)載測量設(shè)備的載荷控制在10kg的范圍內(nèi)。

3.3.3 無人機(jī)平臺

目前，市面上有多種多樣的無人機(jī)產(chǎn)品可供選擇。結(jié)合測試系統(tǒng)的實(shí)際需求，某款無人機(jī)的技術(shù)參數(shù)見表1。

從表1可見，主要的技術(shù)指標(biāo)能夠滿足測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。對某些指標(biāo)，例如控制精度，通過換裝能力更強(qiáng)的差分GPS定位系統(tǒng)，可以達(dá)到厘米級的定位精度，進(jìn)而提高控制精度。

表1 某無人機(jī)的技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters on a kind of UAV

3.3.4 無人機(jī)地面測控設(shè)備

地面測控站可以選用無人機(jī)配套的設(shè)備，經(jīng)過通信協(xié)議的二次開發(fā)和調(diào)試可以完成使用需求。地面測控設(shè)備通過數(shù)傳信道遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)操控，按照設(shè)計(jì)的通信協(xié)議與無人機(jī)進(jìn)行通信與控制。發(fā)送的指令分為兩類：無人機(jī)的飛行控制指令、機(jī)載信號源和參考天線伺服系統(tǒng)的控制指令?；貍鹘o地面的信息有：無人機(jī)的經(jīng)緯度和高度、無人機(jī)的其它狀態(tài)信息、信號源和參考天線伺服系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)信息等。

控制無人機(jī)飛行先找到信號最大的方向，然后控制無人機(jī)以天線陣中心為圓心，以固定距離為半徑飛行，實(shí)時(shí)記錄接收信號幅度，當(dāng)信號幅度下降為最大值的0．707倍（或下降3dB時(shí)），記錄兩端的坐標(biāo)位置，計(jì)算出相應(yīng)的角度值，可以得到天線的3dB波束寬度。

3.3.5 測量數(shù)據(jù)處理設(shè)備

測量數(shù)據(jù)處理設(shè)備使用通用的計(jì)算機(jī)即可。在其中安裝運(yùn)行相應(yīng)的測試軟件。

被測接收機(jī)的設(shè)計(jì)需要在DBF電路留有相應(yīng)的硬件接口，以方便數(shù)字波束成形后方向圖的測試。例如，可以通過網(wǎng)口通信將DBF之后的數(shù)據(jù)及時(shí)地反饋給天線測試系統(tǒng)的上位機(jī)，來進(jìn)行測試數(shù)據(jù)處理及繪圖。測試系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的測試，取決于被測試天線系統(tǒng)能否提供這樣的雙向通信接口。

通過測試數(shù)據(jù)得到天線方向圖，可以算出主波束寬度、天線增益、副瓣位置以及副瓣增益、波束指向精度等特性，并完成繪圖制表。

3.3.6 測試軟件技術(shù)

涉及的軟件開發(fā)包括：飛行控制軟件、測試控制軟件、測試數(shù)據(jù)處理軟件、測控界面和方向圖顯示軟件。

飛行控制軟件用來完成無人機(jī)的飛行航跡控制。測試控制軟件用來完成無人機(jī)輻射測試信號頻率設(shè)置、功率的控制、饋源天線狀態(tài)控制、設(shè)備狀態(tài)信息反饋等功能。測試數(shù)據(jù)處理軟件主要完成對測試數(shù)據(jù)的處理，當(dāng)無人機(jī)飛行完成一次測試遍歷后，計(jì)算出被測天線的相關(guān)性能指標(biāo)及遠(yuǎn)場方向圖?；贛atlab調(diào)用相應(yīng)的接口函數(shù)進(jìn)行方向圖的數(shù)值計(jì)算和圖形可視化處理，也可以基于Lab-View進(jìn)行界面和圖形的軟件開發(fā)。

3.4 測試前的校準(zhǔn)

3.4.1 被測接收陣的自校準(zhǔn)

陣列信號數(shù)字波束形成時(shí)，幅度和相位誤差會(huì)造成合成的波束與期望的波束間出現(xiàn)較大的偏差，進(jìn)而導(dǎo)致較大的測向誤差［7］。幅度相位誤差的校準(zhǔn)是陣列信號處理中的重要環(huán)節(jié)。其中，相位不一致性在天線方向圖波束指向、第一副瓣電平和3dB波束寬度等性能的影響比幅度不一致性更顯著。改善陣列多通道（含天線）的不一致性，會(huì)明顯降低旁瓣，并且明顯減少測角偏差。

測試開始前，各個(gè)接收通道先進(jìn)行閉環(huán)的自校準(zhǔn)，對多接收通道的幅度和相位不一致性進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn)。通道間幅相補(bǔ)償之后，可以認(rèn)為接收信號的幅度和相位的不一致性主要是由接收陣天線的不一致性造成的，即天線接收波束形成誤差主要由天線自身誤差決定。

實(shí)際中，由天線自身引起的幅度相位誤差原因主要有：單元天線的方向圖誤差、陣元安裝位置誤差、天線單元間的互耦效應(yīng)等。

3.4.2 無人機(jī)測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)

測試系統(tǒng)投入使用前需要對其進(jìn)行校準(zhǔn)，除了對機(jī)載信號源和參考天線進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)［8］外，還需要使用專用的儀器對無人機(jī)整機(jī)飛行懸停時(shí)位置和高度進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)，并給出不確定度。

4 待深入研究的問題

受制于工作波長，無人機(jī)載平臺對于高頻波段天線的尺寸不可能太大，鞭狀天線的長度受限，低頻段的測試難以實(shí)現(xiàn)。

無人機(jī)測試設(shè)備與地面接收機(jī)設(shè)備無法構(gòu)成相參系統(tǒng)，會(huì)影響測試的精度。

這種遠(yuǎn)場現(xiàn)場測試天線的方法，易受到空間電磁環(huán)境的影響，空間中高頻波段的干擾較多，特別是測試過程的未知干擾會(huì)對測試結(jié)果產(chǎn)生不良的影響。

5 結(jié)束語

相控陣天線對于方向圖的低副瓣要求越來越高，如何有效的測量大型相控陣天線的方向圖成為研究的熱點(diǎn)。雖然，使用無人機(jī)測試大型相控陣天線面臨一些問題，但是，通過本文的論述，可見使用無人機(jī)是一種工程上可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好的米波天線陣方向圖測量、調(diào)試和衡量的有效手段和途徑，可以滿足高頻陣列天線的研究、驗(yàn)證和評估的需要。

總之，隨著衛(wèi)星定位準(zhǔn)確度的提升、無人機(jī)技術(shù)性能的日趨成熟，使得基于無人機(jī)的大型天線陣方向圖的遠(yuǎn)場測試方法可以達(dá)到實(shí)用化的程度。本文力圖對后續(xù)研究和類似的測試系統(tǒng)研制提供一些參考價(jià)值。

［1］洪泓．高頻地波雷達(dá)多域協(xié)同抗電離層雜波干擾方法研究［D］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014．

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［3］高火濤，吳世才,侯杰昌等．高頻地波雷達(dá)天線陣方向圖的近場聚焦技術(shù)［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2001：1-4．

［4］叢紅艷，夏厚賠．DBF合成中高速數(shù)據(jù)采樣的抖動(dòng)對波束形成的影響［J］．雷達(dá)與對抗，2009．

［5］于長軍，龔勉．基于AD9957的三通道中頻模擬信號源［J］．雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2009．

［6］韓松，張曉林．無人機(jī)機(jī)載天線單軸穩(wěn)定平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．遙測遙控，2004．

［7］于長軍，張建，金榮．通道失真及通道間幅相不一致對三維成像雷達(dá)測距測角的影響［J］．系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2003．

［8］史偉,任偉．天線方向圖調(diào)零點(diǎn)方法及其在抗干擾通信中的應(yīng)用研究［J］．宇航計(jì)測技術(shù)，2011．