基于信道化的寬帶信號(hào)測(cè)向偏差校正*

楊 佳 白立云

(武漢船舶通信研究所 武漢 430200)

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基于信道化的寬帶信號(hào)測(cè)向偏差校正*

楊 佳 白立云

(武漢船舶通信研究所 武漢 430200)

基于移相器的寬帶相控陣天線在測(cè)向中進(jìn)行角度掃描時(shí)，由于渡越時(shí)間、孔徑效應(yīng)的影響，收發(fā)信號(hào)不能有效地同相合成，難以實(shí)現(xiàn)期望的波束形成和波束指向控制。鑒于采用模擬延遲線方法帶來設(shè)備體積大等問題，論文從數(shù)字化方法考慮，采用信道化對(duì)頻率分段。在每個(gè)信道中進(jìn)行適當(dāng)值進(jìn)行補(bǔ)償校正，有效改善了測(cè)向角度偏差問題。

寬帶信號(hào); 數(shù)字化方法; 校正; 角度偏差

Class Number TN957.51

1 引言

基于相控陣天線測(cè)向的基本原理[1]，已有文獻(xiàn)通過對(duì)寬帶相控陣天線波束指向頻響分析[2]指出，對(duì)于寬帶信號(hào)，相控陣將會(huì)出現(xiàn)測(cè)向角度偏差問題。針對(duì)減小或消除該問題帶來的影響，一種應(yīng)用實(shí)時(shí)延遲線的模擬方法應(yīng)運(yùn)而生。

自1984年P(guān).G.Sheehan等[3]提出在相控陣天線上使用光延遲線控制波束指向以來，每年都有新的光延遲方法提出。無(wú)論是從實(shí)時(shí)延遲線所用材料的分析[4]，還是實(shí)時(shí)延遲線應(yīng)用方法的研究[5]，這些都使得實(shí)時(shí)延遲線成為解決寬帶相控陣測(cè)向角度偏差問題的不錯(cuò)選擇。

從另一角度出發(fā)，文獻(xiàn)[6]指出，光纖延遲線受到體積和成本的限制，實(shí)現(xiàn)難度大。因此對(duì)應(yīng)用數(shù)字化方法解決寬帶相控陣測(cè)向角度偏差問題的研究極為重要。

本文將基于寬帶信號(hào)信道化[7]和系統(tǒng)誤差補(bǔ)償[8]，提出一種解決寬帶相控陣測(cè)向角度偏差問題的數(shù)字化方法。

2 寬帶信號(hào)測(cè)向偏差

以線性有源相控陣[9]為例，設(shè)波束形成中心頻率為f0，相控陣天線波束指向?yàn)棣?，則相鄰兩天線單元之間的陣內(nèi)相位差可以由下式計(jì)算：

(1)

其中d為相鄰陣元間距，c為自由空間光速。因?yàn)橄嗫仃嚨奈锢斫Y(jié)構(gòu)決定了其相鄰兩天線單元之間的陣內(nèi)相位差φ，所以當(dāng)頻率為f0+Δf時(shí)，波束方向則變?yōu)棣?+Δθ，Δθ可以根據(jù)下式計(jì)算：

(2)

由式(2)可以得到：

(3)

寬帶相控陣天線工作時(shí)，孔徑[10]上各個(gè)輻射單元的移相器[11]只設(shè)置中心頻率f0的相移指令碼，而且移相器提供的相差值原則上不隨頻率的變化而變化。因此，對(duì)于確定的相控陣，其中心頻率f0值固定不變。由式(3)可知，測(cè)向角度偏差量Δθ只與信號(hào)頻率f0+Δf和波束掃描角(波束指向)θ0有關(guān)。

本文研究的信號(hào)頻段為4.4GHz～4.9GHz，中心頻率取其中間值4.65GHz。測(cè)向角度偏差量是由信號(hào)頻率和信號(hào)方向兩個(gè)因素共同決定的。在目標(biāo)頻率范圍、設(shè)定掃描角度范圍內(nèi)，測(cè)向角度偏差量仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1中頻率范圍為4.4GHz～4.9GHz，掃描角范圍為-60o～+60o。測(cè)向角度偏差量為正，則表示在該信號(hào)頻率和掃描角下，其測(cè)量值比真實(shí)值偏大；相反，測(cè)向角度偏差量為負(fù)，則表示在該信號(hào)頻率和掃描角下，其測(cè)量值比真實(shí)值偏小。

圖1 角度偏移量與頻率和掃描角的關(guān)系

3 測(cè)向偏差校正

根據(jù)相控陣測(cè)向的特點(diǎn)，補(bǔ)償方法實(shí)質(zhì)就是所測(cè)信號(hào)真實(shí)方向的推算。為了盡量多地接收到目標(biāo)頻段內(nèi)的信號(hào)，測(cè)向系統(tǒng)必須完整地掃描其掃描范圍。并且，為了更好地對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，在可接受偏差內(nèi)，將頻段進(jìn)行分段，分別在每一小頻段內(nèi)進(jìn)行取值補(bǔ)償。

如圖2所示為兩種信道劃分方式：按頻段等分方式和按偏差值等分方式。鑒于本文研究頻段為4.4GHz～4.9GHz，中心頻率為其中間值4.65GHz。由于信道劃分寬窄引起的精度和成本的矛盾，此處將該頻段劃分到10個(gè)信道，分別對(duì)每個(gè)信道進(jìn)行取值補(bǔ)償校正。

圖2 兩種信道分段方法

3.1 等頻率間距分段方法校正

如圖2(a)所示，將整個(gè)500MHz帶寬按等頻率間距劃分為10段，每段50MHz。選取每個(gè)信道頻段中間值所對(duì)應(yīng)的角度偏差值對(duì)落在該信道頻段的信號(hào)測(cè)向角度進(jìn)行補(bǔ)償校正。

圖3中所示掃描角為60°，信號(hào)頻率為4.9GHz，測(cè)得角為66.2°。應(yīng)用等頻段信道劃分方法進(jìn)行測(cè)角偏差補(bǔ)償校正后，得到測(cè)角60.6°。

圖3 等頻率間距分段校正后測(cè)向圖

3.2 等偏差間距分段方法校正

如圖2(b)所示，以邊界頻率對(duì)應(yīng)的測(cè)角偏差為首末點(diǎn)，將其等分為10段，按每個(gè)等分點(diǎn)的測(cè)角偏差對(duì)應(yīng)的頻率來劃分頻段，每個(gè)信道頻段中選取測(cè)角偏差值中間值作為該頻段補(bǔ)償值。

圖4中所示仿真條件仍然是掃描角為60°，信號(hào)頻率為4.9GHz，測(cè)得角為66.2°。應(yīng)用等偏差值信道劃分方法進(jìn)行測(cè)角偏差補(bǔ)償校正后，得到測(cè)角60.4°。

4 誤差分析

根據(jù)式(3)表示的偏差角與掃描角和信號(hào)頻率的關(guān)系，可以得到如表1所示的兩種信道劃分方法對(duì)應(yīng)分段節(jié)點(diǎn)與補(bǔ)償點(diǎn)的偏差值(部分)。其中行值分別為相間隔的分段節(jié)點(diǎn)和補(bǔ)償值。

圖4 等偏差間距分段校正后測(cè)向圖

頻率等分方法偏差值等分方法信號(hào)頻率/Hz偏差/度信頻率/Hz偏差/度44000000006．2444000000006．2444250000005．5144188240855．6944500000004．8244382183495．1444750000004．1444581939134．5945000000003．4944787623464．0445250000002．8744999356893．545500000002．2645217264712．95

假定信號(hào)的各頻率出現(xiàn)是等概率的，現(xiàn)基于以上情況分別對(duì)兩種分段方法進(jìn)行誤差分析。

4.1 頻率等分方法誤差分析

等頻率間距分成的10個(gè)信道，每個(gè)信道占5*107Hz，按照等頻率間距分段方法，各頻率出現(xiàn)概率相同為：

(4)

結(jié)合(3)式，平均補(bǔ)償后誤差可以由下式計(jì)算：

(5)

式中fi為等頻率間距分段的節(jié)點(diǎn)頻率，且滿足fi+1=fi+5*107Hz，θ0為目標(biāo)方向，θf(wàn)ci為第i個(gè)信道的偏角補(bǔ)償值，取此頻率點(diǎn)的角度偏差值的相反數(shù)。

4.2 偏差值等分方法誤差分析

等偏差間距分段方法所得到的平均補(bǔ)償后誤差：

(6)

式中fj為等偏差值間距分段的節(jié)點(diǎn)頻率，θ0為目標(biāo)方向，θdcj為第j個(gè)信道的偏角補(bǔ)償值，取此頻率點(diǎn)的角度偏差值的相反數(shù)。

4.3 兩種分段方法誤差對(duì)比分析

從圖3和圖4可以看出，兩種分段方法對(duì)偏差補(bǔ)償效果都比較明顯。但是從整體上對(duì)兩者進(jìn)行比較，我們可以取在整個(gè)頻段上的平均校正后偏差進(jìn)行對(duì)比分析。如下表列出了在式(5)和式(6)的基礎(chǔ)上，選取不同采樣點(diǎn)數(shù)時(shí)，兩種分段方法的平均校正后偏差。

表 2 兩種方法的平均校正后偏差比較

由表2可以看出，按照等頻率間距分段方法和按照等偏差值間距分段方法對(duì)信道進(jìn)行劃分，平均校正后偏差隨著采樣點(diǎn)數(shù)的增加逐漸降低。但是隨著頻率采樣點(diǎn)數(shù)的不斷增加，平均校正后偏差減小量變化并不大，而是逐漸趨于穩(wěn)定。

比較兩種分段方法的平均校正后偏差，按照等偏差間距分段方法對(duì)信道進(jìn)行劃分所得到的校正效果會(huì)更理想一些。當(dāng)然，其信道劃分頻率節(jié)點(diǎn)的確定需要先做些預(yù)先計(jì)算。

5 結(jié)語(yǔ)

理論上，測(cè)向角度偏差與掃描角和信號(hào)頻率都有關(guān)系，本文側(cè)重于分析了測(cè)向角度偏差受信號(hào)頻率的變化影響。在實(shí)際信道化校正中，可以結(jié)合測(cè)得信號(hào)方向時(shí)的掃描角信息，按照文中固定掃描角確定信道化校正參數(shù)值的方法，添加對(duì)應(yīng)參數(shù)以補(bǔ)全在測(cè)向中由于掃描角變化帶來的角度偏差部分。

此處對(duì)測(cè)向偏差進(jìn)行信道化校正的分析，避免有些對(duì)測(cè)向設(shè)備體積過大而不滿足要求的問題。在數(shù)字方向上提出了一種進(jìn)行測(cè)向偏差校正的方法。

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Deviation-Correcting of Wideband Signal DOA Based on Channelizing

YANG Jia BAI Liyun

(Wuhan Ship Communication Research Institute, Wuhan 430200)

When phase array antenna scans wideband signals in DOA(Direction of Arrival), for the infection of transit time and aperture effect, signals received or launched can’t synthesize in phase effectively. This makes it hard to realize expected beam forming and direction controlling of beam. For the problem of devices size brought from analogue delay time method, a digital method is presented. It is mainly about channelizing and compensating a proper parameter in every channel. It is proved to be helpful in correcting the angle deviation in DOA.

wideband signal, digital method, correcting, angle deviation

2016年5月16日,

2016年6月19日

楊佳，男，碩士研究生，研究方向：陣列信號(hào)分析與測(cè)向。白立云，男，博士，研究員，研究方向：通信系統(tǒng)與信號(hào)處理。

TN957.51

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.016