一種數(shù)字陣列雷達(dá)幅相監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)的新方法

宋　虎，李賽輝，劉　劍，蔣迺倜(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

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一種數(shù)字陣列雷達(dá)幅相監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)的新方法

宋虎，李賽輝，劉劍，蔣迺倜
(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

摘要:數(shù)字陣列雷達(dá)是一種接收和發(fā)射波束都以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)的全數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)?；谶h(yuǎn)場(chǎng)外監(jiān)測(cè)原理，研究了數(shù)字處理的幅相誤差校準(zhǔn)方法，并探討提出一種基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和中場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的陣地級(jí)校準(zhǔn)方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的方法可以得到精度很高的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，經(jīng)校準(zhǔn)后的天線波束可以滿足數(shù)字陣列雷達(dá)的要求。基于基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和中場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法是一種探索，是數(shù)字陣列雷達(dá)陣地級(jí)校準(zhǔn)的簡(jiǎn)單、易行、有效的方法。

關(guān)鍵詞:數(shù)字陣列雷達(dá);幅相誤差;監(jiān)測(cè)與校準(zhǔn)

0　引言

數(shù)字陣列雷達(dá)集成了陣列技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可有效地提升雷達(dá)的性能，滿足日益增長(zhǎng)的對(duì)雷達(dá)的需求。相對(duì)于傳統(tǒng)相控陣來說，它具有巨大的優(yōu)勢(shì):易于實(shí)現(xiàn)超低副瓣，大的動(dòng)態(tài)范圍，波束掃描速度快，可同時(shí)多波束等。為了解決艦載雷達(dá)在近海作戰(zhàn)時(shí)復(fù)雜環(huán)境下小目標(biāo)的檢測(cè)問題，美國海軍在2000年開展了DAR(Digital Array Radar)雷達(dá)的研究，并完成了L波段96個(gè)單元的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)系統(tǒng)［1］。國內(nèi)在數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)方面也進(jìn)行了大量的研究和試驗(yàn)［2］。

數(shù)字陣列的制造和安裝位置誤差、發(fā)射和接收通道存在幅相誤差等，均會(huì)對(duì)天線的副瓣電平、增益和波束指向造成影響。為了確保天線方向圖符合天線性能指標(biāo)要求，有源相控陣天線必須校準(zhǔn)。不同于傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)，數(shù)字陣列雷達(dá)采用數(shù)字波束形成技術(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收的波束，校準(zhǔn)處理也采用數(shù)字的方法，具有波束形成靈活、校準(zhǔn)精度高等優(yōu)點(diǎn)。本文研究數(shù)字陣列雷達(dá)的校準(zhǔn)方法和波束形成實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)技術(shù)，并進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證。

1　幅相誤差對(duì)天線性能的影響

一個(gè)典型的數(shù)字陣列雷達(dá)組成如圖1所示，一般由陣列輻射單元、數(shù)字發(fā)射/接收(T/R)組件、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)字處理機(jī)等組成。其中數(shù)字T/R組件模塊是數(shù)字陣列雷達(dá)的核心，它把發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、激勵(lì)器和本振信號(hào)發(fā)生器集為一體，成為一個(gè)完整的發(fā)射和接收機(jī)分系統(tǒng)。這里將陣列輻射單元和數(shù)字T/R組件組成的系統(tǒng)稱為天線。

圖1　數(shù)字陣列雷達(dá)典型組成架構(gòu)

任何雷達(dá)在設(shè)計(jì)過程中都會(huì)產(chǎn)生各種誤差，對(duì)于數(shù)字陣列雷達(dá)，其主要誤差可認(rèn)為來自兩部分:陣列天線單元和數(shù)字T/R組件。陣列天線中的誤差包括天線陣元互耦、天線陣元的位置誤差等。數(shù)字陣列雷達(dá)一般包括許多個(gè)T/R組件，每個(gè)T/R組件都是一個(gè)獨(dú)立的通道，其中包括了功率放大器、低噪聲放大器、混頻器、濾波器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等部件。這些器件及其構(gòu)成的有源電路不可避免地存在著幅度和相位的差異，使得發(fā)射通道和接收通道間產(chǎn)生幅度和相位不一致。而且系統(tǒng)由于時(shí)間、溫度、環(huán)境的改變及器件的老化也會(huì)引起各通道特性不一致。任何誤差都將轉(zhuǎn)化為通道的幅相誤差，對(duì)數(shù)字波束形成產(chǎn)生不良影響，比如會(huì)引起波束主瓣變寬、旁瓣抬高、自適應(yīng)置零深度抬高等問題。

Allen［3］就隨機(jī)幅相誤差對(duì)天線的均方根副瓣電平作過詳細(xì)的分析。使用的單元數(shù)目越少，誤差容限就越嚴(yán)格。本文考慮某S波段線陣，32單元，間距半波長(zhǎng)，進(jìn)行不同幅相誤差情況下的仿真，分析幅相誤差對(duì)最大副瓣電平、均方根副瓣電平等的影響。仿真時(shí)，考慮波束形成控制系數(shù)不加權(quán)、Taylor加權(quán)30 dB、Taylor加權(quán)40 dB三種情況，分別進(jìn)行100次Monter Carlo仿真。圖2是不加權(quán)的情況下沒有幅相誤差、幅度誤差0.3 dB(RMS)相位誤差4°(RMS)和幅度誤差0.6 dB(RMS)相位誤差10°(RMS)的方向圖。圖3是 Taylor加權(quán)30 dB的情況下，沒有幅相誤差、幅度誤差0.3 dB(RMS)相位誤差4°(RMS)和幅度誤差0.6 dB(RMS)相位誤差10°(RMS)的方向圖。圖4是Taylor加權(quán)40 dB的情況下，沒有幅相誤差、幅度誤差0.3 dB(RMS)相位誤差4°(RMS)和幅度誤差0.6 dB(RMS)相位誤差10°(RMS)的方向圖。從圖中可以看出，由于幅相誤差的引入，致使天線方向圖發(fā)生變化，其顯著特點(diǎn)之一是方向圖的副瓣電平抬高。

圖2　不同幅相誤差下的方向圖(不加權(quán))

圖3　不同幅相誤差下的方向圖(30 dB Taylor加權(quán))

圖4　不同幅相誤差下的方向圖(40 dB Taylor加權(quán))

在表1、表2、表3中統(tǒng)計(jì)給出了3種情況下的最大副瓣電平、均方副瓣電平和平均副瓣電平。對(duì)表1 ～3的分析，在沒有加權(quán)的情況下，均方副瓣電平惡化0.9 dB;在Taylor 30 dB加權(quán)時(shí)，均方副瓣電平惡化6.2 dB;在Taylor 40 dB加權(quán)時(shí)，均方副瓣電平惡化15 dB?？梢姡@得低副瓣，對(duì)幅相一致性要求更高。獲得天線低副瓣電平一直是系統(tǒng)設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)之一，數(shù)字陣列雷達(dá)在波束形成時(shí)一般采用加權(quán)抑制副瓣。所以，為了得到低的理想副瓣，必須對(duì)陣列天線的幅相誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。

表1　不同幅相誤差情況下的副瓣電平(不加權(quán))

表2　不同幅相誤差情況下的副瓣電平(30 dB Taylor加權(quán))

表3　不同幅相誤差情況下的副瓣電平(40 dB Taylor加權(quán))

2　數(shù)字陣列天線監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)技術(shù)

數(shù)字陣列雷達(dá)接收和發(fā)射信號(hào)都在靠近陣列天線端數(shù)字化，并且發(fā)射和接收都采用數(shù)字波束形成技術(shù)，控制波束的權(quán)值或時(shí)間延遲都是在基帶形成的。這樣處理的前提條件是假設(shè)各通道內(nèi)傳輸是無失真的以及各陣元通道的頻率特性是一致的。只有這樣才能保證基帶處理時(shí)各陣元信號(hào)的幅度和相位關(guān)系與在天線端的信號(hào)的幅度和相位關(guān)系是一樣的，但實(shí)際通道不可能滿足這種要求。在上一節(jié)分析了數(shù)字陣列雷達(dá)中的幅相誤差會(huì)對(duì)雷達(dá)性能的影響。為減少通道誤差對(duì)數(shù)字波束形成的性能影響，必須對(duì)通道進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)測(cè)量信號(hào)注入或獲取點(diǎn)的不同，有源相控陣天線校準(zhǔn)的方法分為兩種:內(nèi)監(jiān)測(cè)和外監(jiān)測(cè)［4］。內(nèi)外監(jiān)測(cè)的方法各有特點(diǎn)，內(nèi)監(jiān)測(cè)的結(jié)果不包括天線單元及其互耦作用，所監(jiān)測(cè)到的幅相數(shù)據(jù)與實(shí)際的數(shù)據(jù)有一定的差別。考慮到校準(zhǔn)的精度、設(shè)備量、應(yīng)用場(chǎng)合等，首先研究基于遠(yuǎn)場(chǎng)的外監(jiān)測(cè)方法，然后提出適用于工程實(shí)現(xiàn)的陣地級(jí)校準(zhǔn)方法。

遠(yuǎn)場(chǎng)外監(jiān)測(cè)方法是指在距離數(shù)字陣列天線滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件的地方放置監(jiān)測(cè)裝置(一般含輻射器、信號(hào)源等)。用該監(jiān)測(cè)裝置完成數(shù)字陣列天線發(fā)射通道和接收通道的校準(zhǔn)，如圖5所示。遠(yuǎn)場(chǎng)校準(zhǔn)一般在滿足電磁環(huán)境要求的天線測(cè)試外場(chǎng)進(jìn)行，這時(shí)不需要知道校準(zhǔn)源的精確位置，只需知道相對(duì)數(shù)字陣列天線的方向即可。

圖5　遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)示意圖

對(duì)于有源陣列，在發(fā)射和接收兩種模式下，為了確定每個(gè)陣元的校準(zhǔn)常數(shù)，必須對(duì)每個(gè)單元的幅度和相位進(jìn)行測(cè)量。

發(fā)射通道在遠(yuǎn)場(chǎng)校正時(shí)，將每個(gè)通道的信號(hào)通過天線向空間輻射，把遠(yuǎn)場(chǎng)接收到的信號(hào)與參考信號(hào)相比較，就可以得到每個(gè)發(fā)射通道的幅相誤差。將發(fā)射通道的幅相誤差補(bǔ)償?shù)綌?shù)字基帶信號(hào)上就可修正各發(fā)射通道的幅相誤差。

接收通道在遠(yuǎn)場(chǎng)校正時(shí)，將監(jiān)測(cè)信號(hào)從遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射，所有通道同時(shí)接收處理后分析得出每個(gè)接收通道的幅相誤差。在DBF時(shí)，通過修正波束控制權(quán)值，消除接收通道的誤差。

一旦有源相控陣被部署，為保持天線性能在指標(biāo)范圍內(nèi)，必須實(shí)施陣地級(jí)校準(zhǔn)。在實(shí)際數(shù)字陣列雷達(dá)裝載到平臺(tái)以后，如艦載雷達(dá)，一般很難找到滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件的監(jiān)測(cè)裝置安裝的位置來進(jìn)行陣地級(jí)校準(zhǔn)。利用放置在陣列外圍區(qū)域的前面或側(cè)面監(jiān)測(cè)天線，這時(shí)監(jiān)測(cè)天線的位置一般為介于近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的中場(chǎng)，如圖6所示。中場(chǎng)監(jiān)測(cè)一個(gè)重要的問題是需要知道監(jiān)測(cè)天線相對(duì)于每個(gè)陣元的精確位置，經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算，才能得出監(jiān)測(cè)天線和每個(gè)陣元的信號(hào)關(guān)系，而且測(cè)量出的位置關(guān)系一般很難滿足對(duì)幅相誤差校準(zhǔn)的要求。為了解決這個(gè)問題，在天線測(cè)試外場(chǎng)，綜合利用遠(yuǎn)場(chǎng)和中場(chǎng)的測(cè)量方法得出基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，再在陣地級(jí)校準(zhǔn)中使用。假設(shè)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量方法得出一組數(shù)據(jù)D1，計(jì)算得出校準(zhǔn)數(shù)據(jù)A1和φ1;中場(chǎng)測(cè)量方法得出一組數(shù)據(jù)D2，由于是對(duì)同一天線同一時(shí)間進(jìn)行的測(cè)量，這時(shí)中場(chǎng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)也是A1和φ1。將D2、A1和φ1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來，成為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。在陣地級(jí)校準(zhǔn)時(shí)，將實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)D2'和基準(zhǔn)數(shù)據(jù)D2比較，就可以得出幅度和相位相對(duì)于基準(zhǔn)數(shù)據(jù)A1和φ1的變化，從而得到陣地需要的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)A1'和φ1'。在實(shí)際中，根據(jù)雷達(dá)的頻率范圍分成很多段，將對(duì)應(yīng)頻率的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存成表格，供陣地校準(zhǔn)時(shí)使用。在數(shù)字陣列中，采用數(shù)字的方法進(jìn)行校準(zhǔn)處理，可以達(dá)到很高的精度，從而校準(zhǔn)后的天線能很好地滿足性能指標(biāo)的要求。

圖6　中場(chǎng)校準(zhǔn)方法示意圖

3　試驗(yàn)及結(jié)果

為了驗(yàn)證數(shù)字陣列校準(zhǔn)和波束形成技術(shù)，搭建了試驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)系統(tǒng)由S波段的32陣元線陣、數(shù)字T/R組件，監(jiān)測(cè)電路、波束形成器、遠(yuǎn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置等組成。遠(yuǎn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置位于線陣前方90 m。這里重點(diǎn)討論接收通道的校準(zhǔn)及試驗(yàn)結(jié)果。

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量得到32個(gè)數(shù)字T/R組件接收通道的幅度相位關(guān)系，然后經(jīng)遠(yuǎn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法得到整個(gè)陣列天線通道(含天線單元、數(shù)字T/R組件等)的幅相關(guān)系。僅32個(gè)T/R通道和整個(gè)陣列天線通道的幅度誤差如圖7所示，相位誤差如圖8。遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的幅相誤差數(shù)據(jù)存成表作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，供校準(zhǔn)用。

得到基準(zhǔn)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)后，利用某位置外場(chǎng)輻射源再次進(jìn)行輻射，采集32個(gè)通道的基帶數(shù)據(jù)并在FPGA處理板中進(jìn)行波束形成。波束形成時(shí)考慮不修正和利用外場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)修正兩種情況。波束形成不加權(quán)時(shí)得到的對(duì)比結(jié)果如圖9所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，修正之前的MSSL為－20.6，修正之后的MSSL為－23.8。波束形成Taylor加權(quán)30 dB時(shí)得到的對(duì)比結(jié)果如圖10所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，修正之前的MSSL為－21.1，修正之后的MSSL為－33.8?？梢钥闯觯?jīng)過校準(zhǔn)，明顯改善了波束的副瓣等特性。利用遠(yuǎn)場(chǎng)外監(jiān)測(cè)的方法可以快速地得到精度很高的幅相基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，經(jīng)補(bǔ)償處理后可以滿足數(shù)字陣列天線波束圖的要求。遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為中場(chǎng)監(jiān)測(cè)的陣地級(jí)校準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。

圖7　原始的幅度誤差

圖8　原始的相位誤差

圖9　校準(zhǔn)與不校準(zhǔn)的波束形成結(jié)果對(duì)比(不加權(quán)時(shí))

圖10　校準(zhǔn)與不校準(zhǔn)的波束形成結(jié)果對(duì)比(30dB Taylor加權(quán))

4　結(jié)束語

大量的仿真計(jì)算結(jié)果表明，幅相誤差對(duì)數(shù)字陣列天線性能的影響非常大。試驗(yàn)表明，采用基于遠(yuǎn)場(chǎng)外監(jiān)測(cè)的方法可以有效地得到精度很高的幅相誤差基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行天線校準(zhǔn)，從而改善天線性能，滿足數(shù)字陣列雷達(dá)對(duì)波束的要求?；诨鶞?zhǔn)數(shù)據(jù)和中場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的校準(zhǔn)方法的探索可以滿足雷達(dá)部署后的陣地級(jí)校準(zhǔn)，從而保證雷達(dá)全生命周內(nèi)的性能。

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A new amplitude－phase error monitoring and calibration method of digital array radar

SONG Hu，LI Sai-hui，LIU Jian，JIANG Nai-ti
(No.724 Research Institute of CSIC，Nanjing 211153)

Abstract:The digital array radar(DAR)is a fully digitized phased array radar in which the DBF technique is used both in receive and transmit.Based on the far-field external monitoring principle，the amplitude-phase error calibration method of the digital processing is studied，and the“in-thefield calibration”method，combining the reference data and the mid-field monitoring，is finally presented.The test results show that the high-precision calibration data can be obtained and the antenna beams after calibration can meet the requirements of the DAR through the method proposed.This new method which combines the reference data and the mid-field monitoring is a simple，feasible and effective method for the DAR in the field calibration.

Keywords:digital array radar; amplitude-phase error; monitoring and calibration

文章編號(hào):1009－0401(2015)01－0029－05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號(hào):TN958.92

作者簡(jiǎn)介:宋虎(1980-)，男，高級(jí)工程師，碩士，研究方向:雷達(dá)信號(hào)處理及雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù);李賽輝(1984-)，男，工程師，碩士，研究方向:雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù);劉劍(1983-)，男，工程師，碩士，研究方向:雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù);蔣迺倜(1984-)，男，工程師，碩士，研究方向:雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)。

收稿日期:2015-01-20