基于通道合成的數字陣列通道校準方法

丁 堅，薛 堅

(南京電子技術研究所， 南京210039)

0 引言

數字陣雷達具有損耗低、接收波束副瓣低等優(yōu)點［1］，因數字陣列各通道有一定的差異性，故通道間存在幅度、相位不一致性［2］。通道不一致性的存在會影響數字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)后波束的質量，特別對波束指向、主瓣寬度、副瓣電平和波束形狀有著較大的影響［3-8］，進而影響雷達整體性能。通道校準通過測試得到通道之間的幅相不一致性，對通道進行補償，可得到較好的波束方向圖。為了保證通道校準的質量，陣面測試一般采用近場測試方式，利用穩(wěn)定基準源逐個對天線單元測試。

傳統(tǒng)的模擬陣列雷達通道校準采用模擬饋線網絡，下行數據通過網絡進行合成，采樣數據量小，處理方便。大型數字陣列雷達的規(guī)模大，一般達到幾千甚至上萬個通道，各通道獨立、通道數據通過光纖下行，近場測試時每次需要將所有通道采樣數據進行記錄，事后解析出同一時刻所有通道的數據進行累加，記錄的數據量大，處理復雜，分析時間長。本文提出了一種基于通道合成的數字陣列通道校準方法，該方法利用現場可編程門陣列(Field Programm-able Gate Array，FPGA)實現通道合成，將所有被測通道數據進行累加合成，在保證信噪比滿足測試要求的情況下快速得到當前測試通道數據的近似值，有效實現了數據壓縮，大大減少了數據記錄量和處理時間，提高了測試效率。根據暗室測試系統(tǒng)架構，提出了一種通道校準計算方法，通過FPGA實現計算功能。在實際測量中，與原有校準方法比較，事實證明該方法測試時間少，精度高，對波束保形有較好的效果。

1 基于通道合成的數字陣列通道校準方法

1.1 原通道校準方法

為保證通道校準測量精度，雷達天線陣面測試一般在電磁環(huán)境較好的天線暗室內進行，受限于測試空間等因素，陣面測試一般采用近場測試方法［6］。數字陣雷達通道數據直接進入數字接收機，各通道獨立。近場測試時原有的通道校準測試方法，如圖1所示。測試系統(tǒng)由頻率源、待測試的N個陣元、記錄儀和校準計算機組成。

圖1 原有的窄帶通道校準測試方法

頻率源能產生穩(wěn)定的信號作為基準通道，用于測試的參考，頻率源信號通過掃描探頭依次在N個單元組件上切換，探頭移動到某個單元時，對該單元進行校準測試。該方法陣面測試任務多，時間長，測試過程中探頭在不停變換位置，對測試結果分析時，需要通過指令解析得到本次測試的通道號，并將同一時刻所有通道的數據進行累加，得到該通道的校準采樣值。測試過程中需要將N個通道和基準通道全部記錄下來，記錄量大、且各通道數據對齊工作繁瑣。當陣面規(guī)模較大時，全陣面測試數據記錄量大，分析時間長，處理效率低。

1.2 基于通道合成的數字陣列通道校準方法

針對原有測試方法在大型數字陣列測試中效率低的問題，本文提出了一種基于通道合成的數字陣列通道校準方法。將所有通道進行通道合成，通道合成不進行移相和幅度加權，合成的結果是所有被測通道的累加，融合了所有通道的信息，由此可以得到被測通道采樣數據的近似值。

在近場測試過程中，當探頭移動到某個組件上時，只有該通道能夠收到基準通道發(fā)射的信號，其他N-1個通道接收到為噪聲，被測通道與其他通道的信噪比非常高。

測試時，下行數據由信號和白噪聲相加而成，單個通道信號可以表示為

當信噪比很大時

將N個通道信號進行通道合成，通道合成過程不進行移相和幅度加權，合成后的結果是將所有通道進行累加，累加后結果可以表示為

當信噪比很大時，

由此可見，當信噪比很大時，x'(i)≈x(i)，即單通道信號可以近似為所有通道合成后的結果。

通過上述方法，利用FPGA實現通道合成能迅速得到被測通道采樣信息。在不影響測試結果的前提下，減少了數據量。

另外，在原有的測試方法中，有效通道采樣數據需要通過記錄和分析后得到;然后將解析出的數據與基準進行配對，得到同一時刻的基準與被測通道數據。該處理方法復雜，且配對時間長，容易造成配對錯誤或失配導致校準錯誤。

為了提高測試速度和穩(wěn)定性，采用一塊專用硬件模塊，將被測通道和基準通道的數據同時接收，并利用FPGA計算通道不一致性，將校準結果直接送出。這樣做不需要后期進行解數和匹配操作，保留了系統(tǒng)原有同步性，增強了實時性和穩(wěn)定性。

通過上述兩個手段，可以實現自動化通道校準實時測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)構架如圖2所示。

圖2 基于通道合成的數字陣列通道校準方法

2 通道校準算法

通道校準是指測試出各個通道之間的幅度和相位不一致性，以便對各通道進行幅相補償，實現波束方向圖的保形。校準算法是通道校準系統(tǒng)的核心，需要與校準系統(tǒng)相結合。如圖2所示，基準通道信號由頻率源提供，信號幅相特性穩(wěn)定，可作為固定參考。探頭通過空間輻射依次向各個被測通道發(fā)送監(jiān)校信號。

設基準通道信號為X(i)，被測通道信號為Y(i)，i=1，2，…，n。其中，n為采樣點數，為了防止采樣點數過少，校準結果有一定誤差，一般取n為128點。

由于校準測試依賴于掃描架、探頭和測試網絡等設備，測試過程中難免會有一些測試系統(tǒng)引起的誤差信息，為了將誤差消除，對n個采樣點幅相差結果做快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，FFT)處理，并對FFT結果求最大值，可以將誤差信息濾除，以得到更準確的幅相測量值。

經過濾波后的通道校準結果可表示為

3 性能分析

3.1 采樣點信噪比比較

原校準采樣方法，不引入通道合成。設信號為16位，單通道噪聲為白噪聲，噪聲功率為8，則單個通道的信噪比為

結合實際測試情況，假設N為3072通道，則N通道合成后的信噪比為

在實際測試中對3 072個通道分別逐個測試，圖3是兩種方法的原始信號與噪聲疊加前后的比較，可以看出，兩種方法的噪聲相對于信號本身的幅度和相位影響都很小。

將兩種方法測試結果做定量比較，兩種方法的幅度和相位標準差都相差非常小，不影響通道校準的效果?；谕ǖ篮铣傻耐ǖ佬史椒ê笮旁氡扔?2.4 dB，能夠滿足測試精度需求。

圖3 單通道和通道合成信噪比比較

3.2 校準記錄數據量比較

假設測試3 072個通道的陣面，每次測試50個頻點。每次測試所需的單通道采樣點數是128點，所需的通道號、頻點、控制等掃描控制信息有50點。

原有測試系統(tǒng)，每次需要記錄3 072個被測通道和1個基準通道信號，則單通道、單頻點的數據記錄量為

3 073(128×2×16 bit+50×16 bit)=1.88 MB

全陣面所有3072通道，所有頻點做一次測試，總的數據記錄量為

1.88 MB×3 072×50=288.77 GB

采用通道合成提速的測試系統(tǒng)，每一幀只需記錄基本控制信息和修正后的通道校準結果，單通道單頻點的記錄量為

2×32 bit+2×50×32 bit=408 Byte

整個陣面所有波位和頻點做一遍，總的數據記錄量為

408 Byte×3 072×50=62.67 MB

由此可見，基于通道合成方法的記錄量是原有測試方法的0.022%。

3.3 校準測試時間比較

數據記錄量的減少和通道校準數據的實時計算，大大減少了通道校準的測試時間。在實際測試中，原有測試方法做一次測試所需時間約為120 h，而基于通道合成的方法測試時間為4 h。另外，本方法省去了數據配對的步驟，減小了出錯概率，增加了穩(wěn)定性。

3.4 通道校準對波束方向圖的影響比較

3 072個通道陣面為64×48排布，圖4給出了采用基于通道合成的通道校準方法修正前后的等幅權的水平方向波束圖比較。由圖可見通道修正后，波束方向圖形狀有了明顯的改善。

圖4 通道校準前后波束圖比較

在實際測試中，以測試3 072個通道、單通道50個頻點為例，將基于通道合成的校準方法與原有校準方法性能比較，結果如表1所示。

表1 本方法與原校準方法性能比較

綜上所述，基于通道合成的校準方法與原方法相比性能相當，可以滿足測試要求。同時，數據記錄量和測試時間有了顯著減少，大大縮短了通道測試的時間。

4 結束語

本文介紹了基于通道合成的數字陣列通道校準方法原理和組成，給出了基于這種測試方法的通道校準算法。工程實踐證明，校準后形成的波束方向圖性能良好，能滿足陣面測試要求。與傳統(tǒng)數字陣列通道校準方法比較，本方法在保證通道校準性能的前提下大大降低了通道校準測試的測試量和測試時間，增加了測試穩(wěn)定性，可為大型數字陣列陣面快速測試提供系統(tǒng)方案支撐。

［1］ 陳文俊，胡永君.數字陣列天線接收波束形成方法及實驗研究［J］.現代雷達，2011，33(2):66-69.Chen Wenjun，Hu Yongjun.A study on beamforming method of digital receiving array antenna and its experiment［J］.Modern Radar，2011，33(2):66-69.

［2］ 林新黨，石春燕.相控陣雷達接收通道校準方法仿真［J］.雷達與對抗，2009，34(1):23-25.Lin Xindang，Shi Chunyan.Simulation on the method of receiving channel calibration for the phased array radar［J］.Radar＆ ECM，2009，34(1):23-25.

［3］ 謝良貴.數字波束形成技術的工程應用問題［J］.電子學報，1995，23(10):105-109.Xie Lianggui.Application problem about digital beamforming technology in radar engineering［J］.Acta Electronica Sinica，1995，23(10):105-109.

［4］ 程 偉，左繼章，許悅雷.數字波束形成器的FPGA實現［J］.現代雷達，2003，25(5):34-36，39.Cheng Wei，Zuo Jizhang，Xu Yuelei.FPGA implementations of digital beamformer［J］.Modern Radar，2003，25(5):34-36，39.

［5］ Steyskal H，Rose J F.Digital beamforming for radar systems［J］.Microwave Journal，1989，32(1):121-136.

［6］ 曹俊鋒，許建文，方 云.接收DBF雷達系統(tǒng)校正技術［J］.火控雷達技術，2007，36(12):63-67.Cao Junfeng，Xu Jianwen，Fang Yun.Correction technology for radar system based on receiving DBF［J］.Fire Control Radar Technology，2007，36(12):63-67.

［7］ 汪 海，王 侃.基于短時FFT的相控陣遠場校準方法［J］.現代雷達，2011，33(12):65-67，71.Wang Hai，Wang Kan.Calibration method based on shorttime FFT of phased array in far-field［J］.Modern Radar，2011，33(12):65-67，71.

［8］ 牛寶君.大型相控陣外監(jiān)測系統(tǒng)［J］.現代雷達，1999，21(1):53-57.Niu Baojun.Outer surveillance system for large phased array［J］.Modern Radar，1999，21(1):53-57.