相位補償技術在和差單脈沖雷達中的應用

張梅倉，姬長華,2

(1. 中國華陰兵器試驗中心,　陜西 華陰 714200) (2. 中原電子技術研究所，　鄭州 450047)

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·信號處理·

相位補償技術在和差單脈沖雷達中的應用

張梅倉1，姬長華1,2

(1. 中國華陰兵器試驗中心,陜西 華陰 714200) (2. 中原電子技術研究所，鄭州 450047)

摘要：介紹了比幅單脈沖測角工作原理，分析了和差通道的幅度相位一致性，特別是相位對測角的影響，給出了不同相位補償在雷達上應用后對目標探測的影響實例。在和差通道中進行一定的相位補償，再通過一定的幅度較正，能夠得到較為理想的目標探測精度。該技術在實踐中已經得到了充分的驗證，可以在相似的系統(tǒng)中加以應用。

關鍵詞：單脈沖雷達；相位補償；幅相校正；角敏函數(shù)；數(shù)字信號處理

0引言

單脈沖雷達測角分為比幅單脈沖測角和比相單脈沖測角。單脈沖雷達測角精度高，但它對和差通道的幅相一致性要求也比較高。由于天線及射頻、中頻模擬電路受環(huán)境溫度、工作時間等因素的影響，會使通道的幅相一致性發(fā)生變化，進而影響測量精度，需要對兩個通道(或多個通道)的幅相一致性進行校正補償[1]。

對于通道補償，可以在射頻補償，也可以在中頻補償[2]。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，大量使用DSP、FPGA器件，補償也更多在數(shù)字處理部分進行，用數(shù)字的方式進行幅相補償有更好的靈活性。補償可以采用自適應均衡器進行，利用測試信號求得各個通道間的頻響差異，然后求出補償所需的頻率響應，再利用相應頻響的均衡器進行補償[3]。本文基于數(shù)字信號處理(DSP)的補償方法，采用DSP對和差通道進行補償，簡化了電路，提高了速度，有效地補償了通道幅相不一致，簡單易行，具有較好的補償精度。

下面首先介紹了比幅單脈沖測角工作原理，詳細分析了和差雙通道的幅度相位，特別是相位對測角的影響；然后，給出不同相位補償在雷達上應用后對目標探測的影響實例。

1和差單脈沖測角工作原理

圖1為比幅單脈沖雷達的信息流程。

圖1　雷達信息流程

雷達以一維相掃天線、和差同時波束技術實現(xiàn)精確測角[4]。

目標回波信號由天線接收，經過和差比較器輸出“和”“差”兩路信號，送入和差雙接收通道，經過限幅、隔離，進入低噪聲放大器，然后兩次下變頻到中頻信號。

中頻后的信號進入信號處理分機，以數(shù)字的方式進行處理。解調采用數(shù)字方式，在中頻采樣，然后由數(shù)字下變頻器完成。解調濾波抽取后的正交基帶信號首先進行速度補償和脈沖壓縮，然后經過數(shù)據(jù)重排、快速傅里葉變換、求模、恒虛警判決、測角測距等處理。

為滿足高精度測角的要求，雷達采用了和、差同時波束測角技術。通過和差比較器產生“和”“差”波束，然后作歸一化處理，得到歸一化角誤差信號，通過查尋角敏函數(shù)表得到目標偏離電軸的位置。

信號處理原理框圖如圖2所示。

圖2　數(shù)字信號處理原理框圖

和、差兩個支路的中放信號模數(shù)變換采樣之后，經過數(shù)字下變頻和濾波抽取，得到和、差支路的I、Q視頻信號。對I、Q信號進行脈沖壓縮處理后，送給DSP存儲。然后，DSP對回波做MTD、求模、恒虛警、檢測、測距、測速、測角、解模糊、距離跟蹤、角度跟蹤等處理，最終得到測量目標的距離、速度、角度數(shù)據(jù)等信息。

2相位補償技術

在波門中心位置，對差支路進行脈沖壓縮和MTD處理后，用和支路進行歸一化處理，使角誤差信號的大小及符號只取決于目標偏離雷達天線電軸的狀態(tài)，與回波幅度無關。

2.1角誤差數(shù)字鑒相和歸一化處理

單脈沖跟蹤雷達的角誤差信號處理，經常需要用和路信號對角誤差信號作歸一化處理，并且用和路信號對角誤差信號進行鑒相，判斷角誤差信號的符號，當和路信號與差路信號同相時，判定角誤差信號為“+”；當和路信號與差路信號反相時，判定角誤差信號為“-”。傳統(tǒng)鑒相的方法是采用模擬電路鑒相器[5]，這里采用數(shù)字數(shù)學計算的方法實現(xiàn)和差的數(shù)字鑒相。

假設和路信號為Σ=ΣI+jΣQ，差路信號為Δ=ΔI+jΔQ，則和差歸一化處理為

(1)

(2)

式(2)表明歸一化角誤差信號幅值等于差路信號幅值除以和路信號幅值。式⑴中虛部一般情況等于零(當I、Q正交時)，因此可以用ΣIΔI+ΣQΔQ的符號來鑒別角誤差信號的極性。當差路信號與和路信號同相時，ΣIΔI+ΣQΔQ>0，式⑵角誤差信號前加正號；當差路信號與和路信號反相(相位差為π)時，ΣIΔI+ΣQΔQ<0，式(2)角誤差信號前加負號。

在實際電路中差路信號與和路信號經過不同電路存在相位差(不嚴格同相或反相)，I、Q信號存在不正交性[6]。和差通道相位差及I、Q不正交性對角誤差信號數(shù)字鑒相的影響到底有多嚴重，下面對此問題進行分析。

設和差通道輸出的I、Q信號分別為

(3)

式中：ωd為多普勒頻率；φ1,φ2,φ3,φ4為初相；AI,AQ,BI,BQ為各通路幅度。則角誤差符號判別式為

SIGN=ΣIΔI+ΣQΔQ=

(4)

假設I、Q幅度滿足AIBI=AQBQ，并令AIBI=2，和差相位差φ1-φ3=φ2-φ4=θ,則

SIGN=2cosθ-cos(2ωdt+2φ1-θ)+

cos(2ωdt+2φ2-θ)=

2cosθ-2sin(2ωdt+φ1+φ2-θ)sin(φ2-φ1)

(5)

下面分四種情況討論：

(1) 當I、Q正交時，即φ2-φ1=0，則

可見，當I、Q正交時，和差支路具有相位差不會影響角誤差信號的符號判別。

(2) 當θ=0或π時，由式(5)可得

可見，當和差支路沒有相位差時，I、Q的不正交性對角誤差信號的符號判別不會產生影響。

(3) 當θ在一、四象限時(四象限用負角度表示)，要求

SIGN=cosθ-sin(2ωdt+φ1+φ2-θ)sin(φ2-φ1)>0

第一種情況，當0<φ2-φ1<90°時

上式成立的充分條件是

cosθ>sin(φ2-φ1)

?sin(90°-θ)>sin(φ2-φ1)

?90°-θ>φ2-φ1=φ?θ+φ<90°

式中：φ2-φ1=φ為I、Q不正交性相位差?？梢姡灰筒钪废辔徊钆cI、Q不正交相位差之和小于90°，則角誤差信號符號判別正確。

第二種情況，當-90°<φ2-φ1<0時，可得到與0<φ2-φ1<90°情況下同樣的結論。

(4) 當θ在二、三象限時，令θ=π+θ′，同理可以證明，當θ′+φ<90°時，和差相位差與I、Q不正交性不會影響角誤差符號的判別。

下面分析當不存在和差相位差和不正交性時，幅度不平衡性對角誤差信號符號判別的影響。

當φ1=φ2=φ3=φ4=0時

當φ1=φ2=0，φ3=φ4=π時

SIGN=-AIBIsin2ωdt-AQBQcos2ωdt≤0

可見，沒有相位差時，幅度不平衡性對角誤差信號符號判別不存在影響。但是，幅度不平衡影響測量誤差，這里不過多展開討論，可參考有關文獻[7-8]。

綜上所述，單脈沖跟蹤雷達數(shù)字鑒相器通過算式SIGN=ΣIΔI+ΣQΔQ來判定角誤差信號符號。在不考慮其他因素的情況下，當和差相位差與I、Q不正交相位差之和小于90°時，角誤差信號符號判別正確，但角誤差信號幅值有偏差。由于電路引起的和差相位差及I、Q不正交相位差一般較小，因此，一般情況和差數(shù)字鑒相器可以不考慮和差相位差及I、Q不正交相位差對角誤差符號判別的影響[9]；但當和差相位差與I、Q不正交相位差之和大于90°時，需要進行相位補償。

2.2和差幅相一致性校正

單脈沖雷達測角精度高，但它對和差通道的幅相一致性要求較高，一般情況下，需要對二個通道幅相一致性做出校正，才能保證測角精度。采用的校正方法是：在射頻對和差支路灌入相同的基準測試信號，在數(shù)字下變頻后，由信號處理分機獲得和差支路的I、Q數(shù)據(jù)，然后以和支路為基準，計算差支路的幅相補償因子。在雷達正常工作時，就以這個補償因子對差支路的數(shù)據(jù)先進行補償，然后再用于測角[10]。

3相位補償技術應用實例

圖3是某和差單脈沖雷達在大范圍掃描情況下的目標探測情況。圖中為B顯方式，橫向坐標是角度，單位用mil(1 mil=0.025 4 mm)，縱向坐標是距離，單位用km。最遠探測距離設置為40 km，電掃描范圍為±32.5°(±540 mil)。9 km以近區(qū)域目標較少，是雷達波束沒有覆蓋到的原因。左下角的目標是雷達波束的旁瓣探測到的目標。

圖3　大范圍掃描目標探測情況

圖3是相位補償已經設置正確的探測圖示畫面，測角精度良好。為了更清楚地說明相位補償對目標探測的影響，下面選取了兩個區(qū)域，分別設置不同的補償角度，目標探測差異非常大。這兩個區(qū)域的方位范圍均為2 950 mil～3 850 mil，距離范圍一個在4.5 km～18 km，另一個在22.5 km～36 km。

圖4是該雷達在不同相位補償情況下的目標探測情況。圖中的左邊為4.5 km～18 km區(qū)域，右邊為22.5 km～36 km區(qū)域。

隨著補償角度的增加，測角開始離散，如圖4c)左圖箭頭所指位置。補償角度繼續(xù)增加，則在每個波束駐留的測角左右翻轉，如圖4d)左圖箭頭所指位置，并且圖4e)、圖4f)一直翻轉；豎直的一條道路則分裂為多條顯示，如圖4c)右圖箭頭所示位置。補償角度繼續(xù)增加，又開始出現(xiàn)離散的情況，如圖4g)的箭頭所示。補償角度繼續(xù)增加，圖4i)又恢復正常。

圖4　不同補償角度的目標探測

4結束語

在和差通道中進行一定的相位補償，再通過一定的幅度較正，能夠得到較為理想的目標探測精度。這一技術在實踐中已經得到了比較充分的驗證，可以在相似的系統(tǒng)中加以應用。

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張梅倉男，1965年生，高級工程師。研究方向為雷達試驗鑒定與評估。

姬長華男，1967年生，研究員。研究方向為雷達總體和雷達信號處理。

Application of Phase Compensation in Sum-difference Mono-pulse Radar

ZHANG Meicang1，JI Changhua1,2

(1. Huayin Ordnance Test Centre, Huayin 714200, China) (2. Zhongyuan Institute of Electronics Technology, Zhengzhou 450047, China)

Abstract：The principle of the amplitude mono-pulse angle measurement is introduced in this paper and the amplitude-phase consistency of sum and difference channels, especially the impact of the phase in angle measurement is analyzed. Influence instances of different phase compensation for target detection are listed. Phase compensation is conducted in sum and difference channels, and then through a certain amplitude correction, and ideal target detection accuracy can be obtained. The technique has been fully validated in practice, and it can be applied in similar system.

Key words：mono-pulse radar; phase compensation; amplitude and phase correction; angle sensitivity function; digital signal processing

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.05.008

通信作者：張梅倉Email：2694506176@.qq.com

收稿日期：2015-12-29

修訂日期：2016-02-23

中圖分類號：TN957

文獻標志碼：A

文章編號：1004-7859(2016)05-0029-04