船載測控雷達(dá)無塔角度標(biāo)校新方法

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214434)

1 引 言

大型船載精密測控雷達(dá)系統(tǒng)跟蹤接收機(jī)的方位、俯仰交叉耦合及定向靈敏度的精確標(biāo)定，是保證雷達(dá)完成目標(biāo)捕獲及穩(wěn)定跟蹤的必要前提。為了確保海上測控任務(wù)中船載測控雷達(dá)系統(tǒng)能捕獲目標(biāo)并具有良好的跟蹤性能,船載測控雷達(dá)跟蹤接收機(jī)系統(tǒng)方位、俯仰必須具有良好的拉偏線性度，即方位、俯仰的交叉耦合度要小,且方位、俯仰定向靈敏度大小在合適范圍,這就必須對跟蹤接收機(jī)進(jìn)行角度標(biāo)校[1]。船載測控天線跟蹤接收機(jī)無塔動(dòng)態(tài)角度標(biāo)校有多種方法，目前提出的副面饋電角度標(biāo)校法是一種利用在天線副反射面增加多個(gè)下行信號(hào)耦合器模擬信號(hào)相對于饋源喇叭形成方位、俯仰正反偏置從而實(shí)現(xiàn)角度標(biāo)校的方法。該方法得以實(shí)現(xiàn)的前提是在副面安裝的信號(hào)耦合器必須精確定位，但在實(shí)際工程運(yùn)用中由于天線實(shí)際安裝時(shí)副面與饋源喇叭的空間幾何位置較理論設(shè)計(jì)存在不同程度的偏差，因此耦合器精確定位相當(dāng)困難。基于這些矛盾，本文提出了一種特殊情況下的副面饋電角度標(biāo)校理論，通過在天線副反射面任意位置設(shè)置信號(hào)耦合器來模擬目標(biāo)完成天線單點(diǎn)頻無塔動(dòng)態(tài)角度標(biāo)校，并采用查表法及自動(dòng)校相輔助法等方法完成雷達(dá)工作頻段內(nèi)不同頻點(diǎn)的角度標(biāo)校。

2 角度標(biāo)校原理

為確保船載測控天線(本文僅研究雙通道單脈沖跟蹤體制天線)能夠及時(shí)捕獲并穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)，必須對天線跟蹤接收機(jī)的和、差鏈路相位及增益進(jìn)行調(diào)整和標(biāo)定，使接收機(jī)和、差鏈路的傳輸相位差ΔΦ=0°，且鏈路增益K為一合適的值，即接收機(jī)角度標(biāo)校。

雙通道單脈沖跟蹤體制的天線跟蹤工作原理如圖1所示，當(dāng)天線電軸偏離目標(biāo)θ角時(shí)，天線饋源將產(chǎn)生差模信號(hào)經(jīng)跟蹤接收機(jī)解調(diào)出方位、俯仰誤差電壓，將誤差電壓送伺服跟蹤位置環(huán)完成對空間目標(biāo)的閉環(huán)跟蹤[2]。

圖1 天線跟蹤目標(biāo)誤差電壓形成原理圖Fig.1 Illustration of error voltage produced by antenna tracking object

從圖1中可以看出，方位、俯仰誤差電壓表示如下：

UA=Kθcos(Φ+ΔΦ)=

(1)

UE=Kθsin(Φ+ΔΦ)=

(2)

式中，UA為方位誤差電壓，UE為俯仰誤差電壓，K為下行鏈路增益系數(shù)，θ為天線電軸與天線到空間目標(biāo)連線之間的夾角(偏離角度)，Φ為目標(biāo)與方位軸夾角，ΔΦ為接收機(jī)和、差鏈路相位差。

3 副面饋電角度標(biāo)校原理

副面饋電角度標(biāo)校是一種利用在天線副反射面增設(shè)多個(gè)(一般為5個(gè))下行信號(hào)點(diǎn)源來模擬標(biāo)校塔實(shí)現(xiàn)海上無塔角度標(biāo)校的新方法。天線副面處于饋源喇叭的遠(yuǎn)場區(qū)，根據(jù)天線微波輻射原理及電磁波傳播理論，如圖2所示，分別在天線副反射面中心位置以及過中心軸線且與中心位置上下、左右對稱的4個(gè)位置處共開設(shè)5個(gè)信號(hào)耦合孔，5個(gè)信號(hào)耦合孔后的正對處依次安裝5個(gè)信號(hào)耦合器。中心位置信號(hào)耦合器模擬天線正對目標(biāo)時(shí)的信號(hào)，上下位置信號(hào)耦合器分別模擬目標(biāo)俯仰正、反偏信號(hào)，左右位置信號(hào)耦合器分別模擬目標(biāo)方位正、反偏信號(hào)。通過對此5個(gè)信號(hào)耦合器射頻信號(hào)的控制達(dá)到對天線跟蹤接收機(jī)角度標(biāo)校[3]。

圖2 副面射頻信號(hào)耦合裝置分布示意圖Fig.2 Distribution of coupling devices

副面饋電角度標(biāo)校的原理是依據(jù)安裝于副面的信號(hào)耦合器相對與天線饋源喇叭模擬方位或俯仰空間位置上產(chǎn)生一定的偏置角來完成跟蹤接收機(jī)角度標(biāo)校，因此理論上要求每個(gè)偏置信號(hào)耦合器應(yīng)精確定位，確保耦合器產(chǎn)生的信號(hào)等效為一個(gè)僅在方位或僅在俯仰上具有一定偏置角度的目標(biāo)。但從實(shí)際的安裝調(diào)試情況來看，副面饋電角度標(biāo)校方法存在信號(hào)耦合器在天線副面上精確定位較困難的問題，導(dǎo)致同一信號(hào)耦合器產(chǎn)生模擬目標(biāo)偏置信號(hào)既包含方位偏置又包含俯仰偏置，且偏置角度較難控制為一固定值。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因有以下兩個(gè)方面：

(1)天線副反射面為曲面，信號(hào)耦合孔所在副面的曲面方向直接影響偏置信號(hào)在方位、俯仰上的偏置量，因此精確定位困難；

(2)由于天線實(shí)際安裝時(shí)副面與饋源喇叭的空間幾何位置較理論設(shè)計(jì)有一定的偏差，部分天線因反射體改造時(shí)為調(diào)整天線方向圖及電軸指向?qū)Ω泵嬲{(diào)整幅度較大，導(dǎo)致天線實(shí)際安裝的副面位置與饋源喇叭軸線偏差較大且明顯不對稱，因此耦合器精確定位相當(dāng)困難。

4 特殊情況下的副面饋電角度標(biāo)校

4.1 標(biāo)校原理及步驟

為解決副面饋電角度標(biāo)校因安裝于副面上的信號(hào)耦合器精確定位相對困難的問題，我們提出了一種基于副面饋電的新的角度標(biāo)校方法，在副面上開孔安裝信號(hào)耦合器的位置無需嚴(yán)格按照單個(gè)方位或單個(gè)俯仰偏置一固定值，可以有選擇地在副面任意位置開設(shè)信號(hào)耦合孔并在耦合孔后安裝信號(hào)耦合器。這里所說的任意位置是相對于副面角度標(biāo)校必須具有精確位置而言的，實(shí)際上耦合孔位置也有一定的要求，即必須確保信號(hào)耦合孔耦合出的信號(hào)處于天線差方向圖線性范圍內(nèi)且不在天線和方向圖零點(diǎn)。這樣既保證了用于標(biāo)校的耦合信號(hào)有一定的偏置，又保證了偏置處于天線方向圖線性范圍內(nèi)。

圖3為一信號(hào)耦合孔的開孔位置及與之對應(yīng)的天線伺服控制計(jì)算機(jī)跟蹤界面顯示的大天線實(shí)際偏離目標(biāo)的位置。從圖中可以看出，方位偏置對應(yīng)到跟蹤示波器的俯仰上，該現(xiàn)象可以從饋源輻射場的理論公式上進(jìn)行解釋，本文不作詳細(xì)說明。

圖3 副面信號(hào)耦合器對應(yīng)位置示意圖Fig.3 Corresponding position distribution of coupling devices

具體標(biāo)校實(shí)施步驟如下：

(1)接收機(jī)設(shè)置系統(tǒng)下行頻點(diǎn)f，頻率盡量選取在系統(tǒng)下行工作頻段中間點(diǎn)。對大天線遠(yuǎn)場目標(biāo)(標(biāo)校塔或?qū)ν叫?完成該頻點(diǎn)接收機(jī)精確的角度標(biāo)校，包括接收機(jī)方位、俯仰交叉耦合度調(diào)整及定向靈敏度調(diào)整。接收機(jī)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)(包括鏈路移相值α及增益K)[4]。

(2)開啟天線副面信號(hào)耦合孔信號(hào)，頻點(diǎn)為f，將信號(hào)輸出強(qiáng)度調(diào)整到要求值。接收機(jī)采用前一項(xiàng)的標(biāo)校數(shù)據(jù)，記錄信號(hào)在天線伺服控制臺(tái)界面的顯示位置方位誤差電壓UA及俯仰誤差電壓UE值。信號(hào)在天線伺服控制計(jì)算機(jī)界面的顯示具體位置如圖4中信號(hào)點(diǎn)1所示，由于接收機(jī)采用的是已經(jīng)標(biāo)校的數(shù)據(jù)，因此ΔΦ=0°系統(tǒng)無交叉耦合，則對應(yīng)的方位俯仰誤差電壓值為

UA1=KθcosΦ

(3)

UE1=KθsinΦ

(4)

(3)信號(hào)頻點(diǎn)不變，更換下行鏈路或鏈路不變將接收機(jī)相位和增益數(shù)據(jù)打亂模擬接收機(jī)性能發(fā)生漂移。開啟天線副面信號(hào)耦合孔信號(hào)，記錄信號(hào)在天線伺服控制計(jì)算機(jī)界面的顯示位置的方位誤差電壓UA及俯仰誤差電壓UE值[5]。信號(hào)在天線伺服控制臺(tái)界面的顯示具體位置如圖4中信號(hào)點(diǎn)2所示，由于接收機(jī)采用的是沒有經(jīng)角度標(biāo)校的數(shù)據(jù)，因此ΔΦ≠0°系統(tǒng)一般會(huì)有交叉耦合且鏈路增益也不為K(設(shè)為K′)，則對應(yīng)的方位俯仰誤差電壓值為

UA1=K′θcos(Φ+ΔΦ)

(5)

UE1=K′θsin(Φ+ΔΦ)

(6)

(4)接收機(jī)角度標(biāo)校。如圖4所示，保持鏈路增益K′不變，調(diào)整鏈路移相器改變鏈路相位使(Φ+ΔΦ)=0，此時(shí)信號(hào)在天線伺服控制計(jì)算機(jī)界面的顯示具體位置從信號(hào)點(diǎn)2移動(dòng)到信號(hào)點(diǎn)3位置；保持鏈路相位不變，調(diào)整鏈路增益，使UA1=Kθ，此時(shí)信號(hào)在天線伺服控制計(jì)算機(jī)界面的顯示具體位置從信號(hào)點(diǎn)3移動(dòng)到信號(hào)點(diǎn)4位置；保持鏈路增益不變，調(diào)整鏈路相位，使UA1=KθcosΦ，此時(shí)信號(hào)在天線伺服控制計(jì)算機(jī)界面的顯示具體位置從信號(hào)點(diǎn)4移動(dòng)到信號(hào)點(diǎn)1位置，ΔΦ=0接收機(jī)無交叉耦合，增益為K滿足要求。

圖4 角度標(biāo)校過程示意圖Fig.4 Illustration of phase calibration

(5)記錄接收機(jī)移相值及增益值數(shù)據(jù)，接收機(jī)f頻點(diǎn)角度標(biāo)校完成。采取同樣的方法可完成其它所有頻點(diǎn)的角度標(biāo)校工作。

4.2 海上無塔標(biāo)校實(shí)現(xiàn)

船出海后，因環(huán)境影響或鏈路維修等原因，接收機(jī)性能會(huì)有一定程度的改變，和差鏈路相位、增益均會(huì)發(fā)生漂移，必須進(jìn)行角度標(biāo)校，可采用如下兩種方法完成海上無塔動(dòng)態(tài)角度標(biāo)校。

(1)查表法

船在碼頭時(shí)，將天線下行工作頻段按照一定的步長(如5 MHz)分成若干個(gè)頻點(diǎn)，采用4.1節(jié)第2步的方法記錄下天線副面上某信號(hào)耦合器各頻點(diǎn)信號(hào)對應(yīng)的方位、俯仰誤差電壓uA、uE值，形成相應(yīng)數(shù)據(jù)表格。當(dāng)船出海后需要對某頻點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行角度標(biāo)校，可以采用查表方法找出與之最接近頻點(diǎn)信號(hào)的方位、俯仰誤差電壓uA、uE值，按照4.1節(jié)步驟4完成該頻點(diǎn)角度標(biāo)校工作。

(2)自動(dòng)校相輔助法

自動(dòng)校相是測控系統(tǒng)數(shù)字跟蹤接收機(jī)通過軟件自動(dòng)查找滿足某頻點(diǎn)信號(hào)角檢器輸出最大誤差電壓時(shí)所對應(yīng)的移相值。從多次試驗(yàn)情況來看，各頻點(diǎn)副面饋電信號(hào)自動(dòng)校相所得的移相值Φ自與該頻點(diǎn)信號(hào)遠(yuǎn)場目標(biāo)(對塔或同步星)角度標(biāo)校所得真實(shí)移相值Φ真的差值Φ差基本為一固定值。表1為某天線自動(dòng)校相及對同步星實(shí)際標(biāo)校數(shù)據(jù)，從表中可以看出，自動(dòng)校相與對同步星校相差值平均為110°左右，誤差小于±10°，在允許誤差范圍內(nèi)。因此，當(dāng)船出海后需要對某任務(wù)頻點(diǎn)f任信號(hào)進(jìn)行角度標(biāo)校時(shí)，可以先按照4.1節(jié)的方法得出某標(biāo)準(zhǔn)頻點(diǎn)f標(biāo)真實(shí)移相值Φ標(biāo),然后結(jié)合自動(dòng)校相法得出副面饋電信號(hào)在標(biāo)準(zhǔn)頻點(diǎn)f標(biāo)及所要標(biāo)校的任務(wù)頻點(diǎn)f任對應(yīng)的自動(dòng)校相移相值Φ自標(biāo)、Φ自任，最后計(jì)算出任務(wù)頻點(diǎn)f任真實(shí)移相值為：Φ自任+Φ標(biāo)-Φ自標(biāo)。

表1 角度標(biāo)校數(shù)據(jù)比較表Table 1 Data comparison table of angle calibration

5 試驗(yàn)情況

5.1 同頻點(diǎn)不同鏈路試驗(yàn)情況

試驗(yàn)所用天線類型為C頻段10 m修正型卡塞格倫雙反射面船載測控天線。按照4.1節(jié)方法對頻點(diǎn)f1不同鏈路進(jìn)行角度標(biāo)校，即先按照4.1節(jié)中步驟1和2在已經(jīng)標(biāo)校好的A套下行接收鏈路完成頻點(diǎn)f1副面信號(hào)耦合器誤差電壓顯示位置定位；再按照4.1節(jié)中步驟3～5對B套下行接收鏈路完成頻點(diǎn)f1角度標(biāo)校。B套標(biāo)校完成后對其方位、俯仰線性度檢查，其方位、俯仰拉偏線性如圖5所示。

圖5 接收機(jī)拉偏線性圖Fig.5 Deviation linearity of receiver

從圖5可以看出，方位、俯仰線性良好，接收機(jī)跟蹤性能滿足使用要求。

5.2 不同頻點(diǎn)不同鏈路試驗(yàn)情況

采用4.2節(jié)自動(dòng)校相輔助法對多個(gè)不同頻點(diǎn)進(jìn)行角度標(biāo)校試驗(yàn)，天線仍為C頻段10 m修正型卡塞格倫雙反射面船載測控天線，以f1為參考頻點(diǎn)，記錄A套接收機(jī)f1頻點(diǎn)標(biāo)校完成后的真實(shí)移相值Φ1，然后結(jié)合自動(dòng)校相法得出副面饋電信號(hào)在標(biāo)準(zhǔn)頻點(diǎn)f1及所要標(biāo)校的試驗(yàn)頻點(diǎn)f試對應(yīng)的自動(dòng)校相移相值Φ自標(biāo)、Φ自試，最后計(jì)算出試驗(yàn)頻點(diǎn)f試?yán)碚撘葡嘀禐椋害翟?Φ自試+Φ標(biāo)-Φ自標(biāo)。本次試驗(yàn)選用了f2、f3、f4、f54個(gè)試驗(yàn)頻點(diǎn)進(jìn)行角度標(biāo)校，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Test data

根據(jù)表2中各試驗(yàn)頻點(diǎn)的理論移相值Φ試設(shè)置跟蹤接收機(jī)參數(shù)，并檢查各試驗(yàn)頻點(diǎn)其方位、俯仰拉偏線性，如圖6所示。

圖6 各頻點(diǎn)接收機(jī)拉偏線性圖Fig.6 Deviation linearity of receiver at different frequency point

從圖6可以看出，方位、俯仰線性良好，接收機(jī)跟蹤性能滿足使用要求。

6 結(jié)束語

本文提出的在天線副面與饋源喇叭空間幾何位置不對稱情況下的角度標(biāo)校本質(zhì)上仍屬于副面饋電角度標(biāo)校，是一種特殊情況下的天線副面角度標(biāo)校，是對副面角度標(biāo)校方法的完善和補(bǔ)充。該方法較好地解決了副面饋電信號(hào)耦合器精確定位難的問題，為船載大型測控天線海上動(dòng)態(tài)角度標(biāo)校提供了一種新的角度標(biāo)校方法，具有較高的理論和實(shí)用價(jià)值。該方法可推廣運(yùn)用于其它無標(biāo)校塔的陸基高頻率大口徑測控天線的角度標(biāo)校。

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