专利名称：采用全息法测量天线面精度的方法
技术领域：
本发明涉及采用全息法测量天线面精度的方法。
背景技术：
微波全息法是抛物面天线面形检测的一个重要方法，全息法测量天线面精度是基于如下的一个电磁理论及一个几何事实。电磁理论由于天线的远场和口径场存在二维傅里叶变换关系，通过测量复数平面内天线辐射场(远场)的幅度和相位，就可以通过数学手段推出天线口径场的幅度和相位分布，然后根据抛物面与口径面的几何关系就可以了解天线表面面形偏离抛物面的情况。图I是一个理想的圆形等相位口径面，图2是其远场辐射幅度图，两者通过二维傅里叶变换建立关系，也就是说获得了其中任何一个就可以用数学手段推出另一个。 几何事实如果是理想抛物面，在焦点上有发射源，信号经过抛物面反射，那么在口径平面上的波前相位值将处处相等(因为从焦点到口径平面的光程距离相等)，然而在现实情况下，天线面不会是完全理想的抛物面，所以在口径平面上的相位也必然不相等，在信号源波长已知的情况下，通过检测这个相位差，从理论上就可以确定天线面与理想抛物面之间的微小差别。图3是一个直观的歪曲波前示意图。在测量的实现手段上，首先利用硬件的高速处理性能，实时地得到天线远场的全息信息，也就是对应图2的幅度和相位，然后对数据进行校准和补偿，再对这些数据做二维逆傅里叶变换，获得口径场相位和能量分布(也就是图I的信息，当然图I是理想的等相位面，实际在口径面上相位是有所偏离的)，最后通过抛物面和口径面之间严格的几何关系推出天线面形偏离理想抛物面的偏差。目前我们利用了国内VLBI观测站通用的硬件设备，组建我们所要的测量系统，这包括被测佘山25米天线(即主天线,MainAntenna) ,Ku波段接收机,氢原子钟(Maze) ,VLBI基带转换器(BBC)，用于天线控制和数据记录的通用计算机。此外要配置的设备有口径I. 2米参考天线以及硬件相关机。我们采用了同步卫星鑫诺I号的12. 26GHz的信标信号，作为测量用的信号。因为信号源必须满足远场条件，对于佘山25米射电望远镜，远场距离条件为
9Γ)2 9 y ^2R > =9 = 52.083^
/I 2.4χ10—2D-天线口径(25m) ； λ -全息测量信号源的波长(12. 26GHz对应约2. 4cm)通过调研我们知道，鑫诺I号距离佘山站的实际距离为36952km左右，所以卫星信号完全满足远场条件。图4示出了当前具备的全息测量用到的硬件系统，图中主天线是被测天线；参考天线是用来跟踪信号源变化的，两个天线的下变频链路完全相同。其中AMP是前置低噪声放大器，DRO是介质振荡器(通过IOMHz倍频到11. 3GHz)作为本振信号，把天线接收的12. 26GHz的Ku波段高频信号混频到960MHz左右，然后通过电缆传输到VLBI BBC(甚长基线干涉用基带转换器)，再下变频到4MHz以内，最后把两路基带信号送入相关机，以实时求解互相关相位和幅度，以及自相关幅度。相关机得到的数据传输到PC/数据记录，进而传输到天线控制单元。在测量的时候参考天线始终对着卫星信号，而主天线则围绕信号源做网格扫描如图5(目的是为了获取远场信息)，并且每隔两分钟让主天线指向信号源，这样可以有效跟踪互相关相位和幅度的变化。整个测量观测时间为I个半小时，使用的口径面空间分辨率为O. 5米。图6为当前采用的数据处理流程框图。其中，相关后数据信息来自相关机接收的两路信号互相关后的相位、幅度，以及两天线的自相关幅度信息。主天线指向数据，指主天线在围绕卫星做网格扫描时实时记录的时间、方位和俯仰信息，以及状态信息，来自天线控制计算机。通过以上两个数据，就可以把网格扫描状态时的互相关相位信息准确提取出来(这个信息就是主天线的远场信息)，这个时候也就可以给出数据质量评估的记录数据，在网格数据校准好以后，根据天线远场与口径场的数学关系，就可以通过二维逆傅里叶变换 把天线的口径场信息从远场信息求解出来，这样就知道了口径面的形变情况(在成图过程中就是面形梯度搜索、面形重构)。最后是统计信息和绘图输出。其中网格数据校准在很大程度上将影响最终的面形计算精度，因此需要提供一种全息测量中能改善网格数据校准从而提高面形计算精度的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种采用全息法测量天线面精度的方法。一种采用全息法测量天线面精度的方法，包括提供一参考天线和一单点频的信号源；被测天线和所述参考天线分别接收来自所述信号源的信号并输入到相关机中以实时解算所述被测天线和所述参考天线接收的两路信号源信号的互相关相位差；提供一参考信号；所述被测天线和所述参考天线分别接收所述参考信号并输入到相关机中以实时解算所述被测天线和所述参考天线接收的两路参考信号的互相关相位差；所述两路信号源信号的互相关相位差减去所述两路参考信号的的互相关相位差得到一差分量；对所述差分量进行二维傅里叶逆变换从而获得所述被测天线的的天线面精度分布。一种采用全息法测量天线面精度的方法，包括提供一信号源和一参考天线，所述信号源为多点频或宽带信号；被测天线和所述参考天线分别接收来自所述信号源的信号并输入到相关机中以实时解算所述被测天线和所述参考天线接收的两路信号源信号的互相关相位差，其中所述参考天线始终对着所述信号源而所述被测天线围绕所述信号源做网格扫描；对所述信号源信号进行综合处理以得到综合后的互相关相位差；对所述综合后的互相关相位差进行二维傅里叶逆变换从而获得所述被测天线的的天线面精度分布。与常规的全息测量技术相比，采用这种提高相位准确性的方法，可以有效提高全息测量的精度，并且可以有效分离空间传播误差、接收系统误差。并且对于任何卫星信号都可以用于全息测量，提高了全息测量的工程实现性。
图I示出了天线理想的圆形等相位口径面；
图2示出了图I所示口径面的远场辐射幅度图；图3示出了歪曲的波前示意图；图4示出了现有全息测量硬件系统；图5示出了主天线围绕信号源进行的网格扫描图；图6示出了现有全息测量中的数据处理流程图。图7示出了本发明全息测量硬件系统。
具体实施例方式以下结合附图对本发明进行详细描述。·在全息测量的数据处理流程中校准网格数据主要是为了扣除测量量的误差，或者说是提高测量量的准确性。这里的主要测量量是互相关获得的相位(也就是进入相关机的两路信号的相位差，相关机的一个作用就是实时解算两路信号的相位差，假如该两路信号是频率相同单点频信号，就很好理解了，这时候就是两个正弦波信号的相位差，本文所说的“相位”都是指两路信号的相位差)。为了提高相位的准确性，本申请提出了以下方法该方法采用的硬件系统如图7所示。在靠近信号源，比如靠近信标信号12. 26GHz的频率上人工地注入或发射一个参考信号(或者说主天线和参考天线同时用一个参考信号注入)，例如如图7所示通过信号发生器产生该参考信号，其余部分与图4所示相同。主天线和参考天线接收的两路参考信号经过相同的下变频链路进入到相关机中(此处也需要参考天线始终对着参考信号，而主天线则围绕参考信号做网格扫描)，然后在后处理中提取这两路参考信号的互相关相位差(即根据频点，在相关机的输出信息中抽取出两路参考信号的互相关相位差(即根据频点分离出两路信号源信号的互相关相位差与两路参考信号的互相关相位差)，该互相关相位差的变化就反应了两个天线接收系统的相对不稳定性，假如这个相位差为PHA (ref),而用来测量的信标信号12. 26GHz的互相关相位差为PHA (holo)(通常情况下，PHA(holo)的二维傅里叶逆变换就可以得到面板的精度分布，这也是现有技术中采用的手段)，而本方法中利用PHA (holo)-PHA (ref)这个差分量来做二维傅里叶逆变换获取面板的精度分布，因为这个差分量将把两个天线接收系统的误差抵消掉，但同时保留了真正的远场相位变化信息。通过PHA(ref)这个量就可以分离出是天线接收系统的问题还是大气扰动造成的，如果是前者就可以很容易扣除这种波动造成的误差。本方法可以把PHA(holo)和PHA(ref)随时间变化情况都记录下来，PHA(ref)只反应了大气扰动带来的影响，因为系统部分被减后抵消掉了。PHA(holo)则既带有系统影响又带有大气影响，通过比较这两个数据序列，就可以分辨出来。这种方法的优点是把系统的所有误差在最大限度上进行剥离，但是需要设计硬件系统(主要是Ku波段注入信号的设计与安装)。第二种方法是多点频和带宽综合方法在卫星上的多个点频和宽带信号综合叠加后提高有用信号的信噪比，最终提高相位的准确性。有的卫星并不是只有一个信标信号，而有的卫星则根本没有信标信号。针对这两种截然不同的情况，为了充分利用各种卫星上信号，可以对多点频信标和宽带信号综合处理。如果是多点频就可以对多个点频的互相关相位直接做平均处理，如果是宽带信号，就要先算出带宽内的延迟(delay = delt (phase)/delt (f)，也就是互相关相位对频率的斜率，这个信息从相关机的输出信息中很容易计算)，再做延迟补偿，最后做复数平均。
在获得了综合后的互相关相位后，就可以对该综合后的互相关相位做校准处理，这个过程的核心做法是利用两个相邻的、主天线和参考天线同时指向卫星时的相位信息(大概两分钟间隔)做线性内插处理，算得的这些插值数据与网格扫描时的相位对应相减，这就取得了最终的、可以用来做二维傅里叶逆变换的相位信息。采用本方法，与前面的差分相位校准法相比，同样可以提高相位的稳定性和信噪比。 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明的权利要求保护范围。
权利要求
1.一种采用全息法测量天线面精度的方法，包括 提供一参考天线和一单点频的信号源； 被测天线和所述参考天线分别接收来自所述信号源的信号并输入到相关机中以实时解算所述被测天线和所述参考天线接收的两路信号源信号的互相关相位差； 提供一参考信号； 所述被测天线和所述参考天线分别接收所述参考信号并输入到相关机中以实时解算所述被测天线和所述参考天线接收的两路参考信号的互相关相位差； 所述两路信号源信号的互相关相位差减去所述两路参考信号的的互相关相位差得到一差分量; 对所述差分量进行二维傅里叶逆变换从而获得所述被测天线的的天线面精度分布。
2.如权利要求I所述的采用全息法测量天线面精度的方法，其特征在于，所述参考天线始终对着所述信号源而所述被测天线围绕所述信号源做网格扫描。
3.如权利要求I所述的采用全息法测量天线面精度的方法，其特征在于，所述参考信号的频率接近所述信号源的频率。
4.如权利要求I所述的采用全息法测量天线面精度的方法，其特征在于，所述被测天线和参考天线接收到的信号源信号和参考信号分别经两路相同的下变频链路后输入到所述相关机中。
5.一种采用全息法测量天线面精度的方法，包括 提供一信号源和一参考天线，所述信号源为多点频或宽带信号； 被测天线和所述参考天线分别接收来自所述信号源的信号并输入到相关机中以实时解算所述被测天线和所述参考天线接收的两路信号源信号的互相关相位差，其中所述参考天线始终对着所述信号源而所述被测天线围绕所述信号源做网格扫描； 对所述信号源信号进行综合处理以得到综合后的互相关相位差； 对所述综合后的互相关相位差进行二维傅里叶逆变换从而获得所述被测天线的的天线面精度分布。
6.如权利要求5所述的采用全息法测量天线面精度的方法，其特征在于，所述综合处理包括多点频信号的多个点频的互相关相位差直接进行平均处理。
7.如权利要求5所述的采用全息法测量天线面精度的方法，其特征在于，所述综合处理包括首先计算宽带信号内的延迟，再进行延迟补偿后做复数平均。
8.如权利要求5所述的采用全息法测量天线面精度的方法，其特征在于，还包括对所述综合后的互相关相位差做校准处理。
9.如权利要求8所述的采用全息法测量天线面精度的方法，其特征在于，所述校准处理包括所述被测天线和参考天线同时指向信号源时的相位信息做线性内插处理，得到的插值数据与网格扫描时的相位对应相减。
全文摘要
本发明提供了一种采用全息法测量天线面精度的方法，包括提供一参考天线和一单点频的信号源；分别接收来自信号源的信号并输入到相关机中实时解算接收的两路信号源信号的互相关相位差；提供一参考信号；分别接收所述参考信号并输入到相关机中实时解算接收的两路参考信号的互相关相位差；两路信号源信号的互相关相位差减去两路参考信号的的互相关相位差得到一差分量；对差分量进行二维傅里叶逆变换从而获得被测天线的的天线面精度分布。与常规的全息测量技术相比，采用这种提高相位准确性的方法，可以有效提高全息测量的精度，并且可以有效分离空间传播误差、接收系统误差。并且对于任何卫星信号都可以用于全息测量，提高了全息测量的工程实现性。
文档编号G01R29/10GK102788909SQ20111013002
公开日2012年11月21日 申请日期2011年5月18日 优先权日2011年5月18日
发明者江永琛, 沈自强, 洪晓瑜, 王锦清, 范庆元, 虞林峰, 赵融冰 申请人:中国科学院上海天文台