一種艦載一維相控陣雷達陣面控制系統(tǒng)的設計方法

陳彥來，劉文政，高 星

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

一維相控陣雷達是當今世界海軍廣泛應用的一種三坐標艦載雷達，該體制雷達方位角采用機械掃描，俯仰角采用相控電子掃描，具備海空探測能力，可為艦船防御武器提供高質量的三維目標信息。隨著電子技術和軟件無線電的發(fā)展，艦載一維相控陣雷達的陣面集成度越來越高，通常包含了雷達天線陣列、收發(fā)射頻和中頻通道、數(shù)字波束形成、混合數(shù)據(jù)光纖傳輸?shù)饶K，其陣面控制系統(tǒng)通常需要完成波束指向控制、收發(fā)通道幅相一致性校準、陣面工作時序控制和工作參數(shù)配置等功能，同時為了減輕天線陣面重量，陣面控制系統(tǒng)通常還需集成電子穩(wěn)定平臺解算功能，用以取代傳統(tǒng)雷達的機械穩(wěn)定平臺。本文介紹了一種艦載一維相控陣雷達陣面控制系統(tǒng)的設計方案，針對電子穩(wěn)定平臺解算方法、收發(fā)波束指向控制，收發(fā)通道自動校準方法等關鍵技術進行了詳細描述。

1 雷達陣面的組成

艦載一維相控陣雷達的天線陣面主要由雷達天線陣列、接收組件陣列、發(fā)射組件陣列、收發(fā)開關陣列、頻率合成分機、波形產(chǎn)生模塊、功分網(wǎng)絡、數(shù)字波束形成模塊、陣面控制系統(tǒng)等組成，其它還包括電源系統(tǒng)，環(huán)境控制系統(tǒng)、混合數(shù)據(jù)光纖傳輸系統(tǒng)等。陣面控制系統(tǒng)與陣面其它系統(tǒng)的連接關系如圖1所示。

圖1 雷達陣面組成部分及其連接關系

陣面控制系統(tǒng)需要完成天線陣列的電子穩(wěn)定平臺解算、收發(fā)波束指向控制、收發(fā)通道自動校準以及各種觸發(fā)信號的產(chǎn)生等。收發(fā)波束指向控制包括發(fā)射組件移相碼、接收組件移相碼和衰減值的計算；電子穩(wěn)定平臺主要解決艦船在縱橫搖的情況下，發(fā)射波束和接收波束仍然可以按照預定空域進行掃描；同時，由于各個收發(fā)通道存在幅相不一致性，陣面控制系統(tǒng)還需控制其它模塊完成收發(fā)通道的一致性校準。

2 雷達陣面控制系統(tǒng)的關鍵技術

2.1 雷達陣面控制系統(tǒng)的組成及其工作流程

雷達陣面控制系統(tǒng)由定時觸發(fā)模塊、發(fā)射波束波位解算模塊、接收波束波位解算模塊、發(fā)射組件控制碼計算模塊、接收組件控制碼計算模塊組成。整個陣面控制系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2 雷達陣面控制系統(tǒng)的工作流程

2.2 電子穩(wěn)定平臺的解算方法

艦船在風浪和浪涌的作用下，甲板坐標系坐標軸發(fā)生了旋轉，假設橫搖為β，縱搖為α，則：

oR=TRα·TRβ·oE

(1)

(2)

式(1)、式(2)給出了在縱橫搖存在的條件下，甲板坐標系和大地坐標系之間的轉換關系。假設某個重頻周期，按照雷達預定的工作方式，在大地坐標系下，發(fā)射波束或接收波束的俯仰角為ε，而此時方位角為φ，根據(jù)極坐標系和直角坐標系的轉換關系式(3)，可得在大地坐標系下，其單位方向向量oE為：

(3)

假設此時橫搖為β，縱搖為α，根據(jù)式(1)，可以得到甲板坐標系下的方向向量oR的計算公式為：

(4)

根據(jù)式(5)，即可得到在甲板坐標系的俯仰角：

(5)

重復式(3)、式(4)、式(5)，即可計算出同一重頻周期內(nèi)，所有發(fā)射波束和接收波束在甲板坐標系的俯仰角。

2.3 收發(fā)通道幅度和相位的自動校準

為了滿足相控陣雷達天線的低副瓣、高增益指標，對天線收發(fā)通道幅度和相位一致性有很高要求，同時對于校準好的天線陣面，收發(fā)組件的更換都有可能造成天線方向圖的變化，因而需要尋求一種對天線陣面收發(fā)通道進行校準的有效方法。根據(jù)測量信號注入或獲取點的不同，有源相控陣天線監(jiān)測的方法分為2種：遠場監(jiān)測和近場監(jiān)測。遠場監(jiān)測是指在距離陣列天線滿足遠場條件的地方放置監(jiān)測裝置(一般含輻射源和接收通道)，利用該監(jiān)測裝置完成陣列天線發(fā)射通道和接收通道的校準。近場檢測需要微波暗室的配合。在艦載雷達安裝完成后，一般很難找到滿足遠場條件和近場條件的監(jiān)測裝置安裝位置來進行遠場監(jiān)測和近場監(jiān)測，所以研究利用雷達自身設備或少量輔助設備實時進行接收和發(fā)射通道的自動校準具有重要意義。下面以發(fā)射通道為例來介紹收發(fā)通道幅度和相位的自動校準流程[5]。

同時，為了給予幼兒潛移默化的影響，教師要積極引導和督促家長養(yǎng)成良好的閱讀習慣，給幼兒做好榜樣。還可以充分利用班級微信群、家園共育欄、家校共建活動等方法指導家長教給幼兒閱讀的方法，如聽讀啟蒙法、講述故事法、提問回答法、角色扮演法，游戲比賽法等等。還可以通過各種活動，組織家長與幼兒一起進行親子閱讀，定期在幼兒園開展家庭故事會、親子閱讀活動展示等活動，評選書香家庭，讓幼兒切實感受到閱讀的快樂和魅力，進而引發(fā)他們對閱讀活動的興趣，培養(yǎng)幼兒愛讀書，好讀書，會讀書的好習慣。

當雷達工作于校準模式下時，雷達陣面控制系統(tǒng)觸發(fā)波形產(chǎn)生模塊產(chǎn)生基帶校準信號，該校準信號和頻率合成器輸出的射頻信號進行混頻，通過功分網(wǎng)絡輸出到待校準的發(fā)射通道，發(fā)射通道的輸出在校正耦合網(wǎng)絡的作用下，輸出到標準校準接收組件，該接收組件完成對射頻發(fā)射波形(和陣列天線的相位相同，幅度作固定衰減)的下變頻，然后輸出中頻信號到陣面控制系統(tǒng)的模/數(shù)(A/D)轉換電路，陣面控制系統(tǒng)完成A/D轉換、數(shù)字下變頻、正交接收后得到此發(fā)射通道的IQ支路輸出，通過計算得到該發(fā)射通道的幅度值和相位值；在一個發(fā)射通道校準完成后，切換到下一個待校準的發(fā)射通道，依次完成所有發(fā)射通道的校準工作。完成一個發(fā)射通道的校準流程僅需幾個毫秒，對于規(guī)模不大的艦載一維相控陣雷達，完成整個陣面所有發(fā)射通道的校準工作僅需數(shù)秒，可以認為在該段時間內(nèi)，所有發(fā)射通道和標準校準接收組件的外部工作溫度條件相同，因而利用此方法得到的發(fā)射通道幅度值和相位值即可作為發(fā)射陣面的校準值。

圖3 發(fā)射通道幅度和相位的自動校準原理

接收通道與發(fā)射通道的校準原理基本相同，區(qū)別僅在于用同一個標準校準發(fā)射組件發(fā)射射頻波形，然后利用校準耦合網(wǎng)絡依次耦合到待校準的接收通道，最后完成A/D轉換、數(shù)字下變頻、正交接收等一系列處理，從而得到接收通道的校準值。

2.4 收發(fā)波束控制方法[6-7]

假設艦載一維相控陣雷達天線陣列如圖4所示，在YOZ平面內(nèi)，各相鄰單元在Z方向上的間距為d，根據(jù)相鄰單元之間信號的“空間相位差”與“陣內(nèi)相位差”相等的原理，算出陣列中第k行天線單元(k=0,1,2,…，m-1) 波控碼Ck相對于第0列天線單元的波控碼C0:

(6)

Ck=(k+1)C0

(7)

式中：k=0,1,2,…，m-1；N為數(shù)字式移相器的計數(shù)位數(shù)；λ為發(fā)射波長；εR為雷達在仰角上的掃描角度，其范圍是-π/2<θB<π/2。

圖4 艦載一維相控陣雷達天線分布

進一步考慮到組件的初始相位的不一致性和非線性溫度補償，將式(7)修改為：

Ck=(k+1)C0+δ(k)

(8)

式中：δ(k)為第k行的校準值。

收發(fā)波束的布相方法主要有查表法和計算法2種?？紤]到數(shù)據(jù)存儲量和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)計算的便利性，在本控制系統(tǒng)中采用查表法和計算法相結合的方法進行波控碼的計算，具體計算流程如下：

(1) 由電子穩(wěn)定平臺解算得到的雷達天線陣面波束俯仰角εR，發(fā)射頻點查表得到第0列天線單元的波控碼C0；

(2) 查表得到第k行組件的校準值δ(k);

(3) 根據(jù)式(8)，利用FPGA計算得到第k行的波控碼Ck；

(4) 在定時脈沖的驅動下，將組件的控制碼加載到所對應的控制組件。

3 結束語

本文論述了一種艦載一維相控陣雷達陣面控制系統(tǒng)的設計方法，對陣面控制系統(tǒng)需要解決的電子

穩(wěn)定平臺、收發(fā)通道幅相的自動校準和收發(fā)波束控制方法進行了詳細的論述，同時該控制系統(tǒng)具有集成度高、重量輕、成本低等優(yōu)點，具有一定理論價值和工程價值。

[1] 欒鑄徴，陳舒敏，吳儉.艦載一維相控陣雷達波束電子穩(wěn)定研究[J].現(xiàn)代雷達，2013,35(8):14-18.

[2] 方成一，王振旺.艦載雷達天線電子穩(wěn)定方程的推導方法[J].雷達與對抗，1999(2)：68-74.

[3] 馮同玲，陳龍?zhí)?艦載雷達天線電子穩(wěn)定方程的推導與分析[J].火控雷達技術，2001，30(1)：31-36.

[4] 曹正才.艦載雷達常用穩(wěn)定方式坐標變換[J].雷達與對抗，2010(3):47-52.

[5] 宋虎，李賽輝，劉劍，將迺倜.一種數(shù)字陣列雷達幅相檢測校準的新方法[J].雷達與對抗，2015(1):29-33.

[6] 簡育華，付學斌，席安安.波束控制算法在FPGA中的實現(xiàn)[J].火控雷達技術，2009,38(4)：57-61.

[7] 呂大鑫，馮彩霞，徐曉瑤.基于DSP的高速相控陣波束控制器設計[J].艦船電子對抗，2014,37(10)：118-120.