一種基于內(nèi)/外校準(zhǔn)結(jié)合的相控陣收/發(fā)校準(zhǔn)方法

蔣鑫 劉永剛 陳偉

（四川九洲空管科技有限責(zé)任公司 四川省綿陽(yáng)市 621000）

針對(duì)相控陣二次雷達(dá)，完成生產(chǎn)后可以在暗室測(cè)試對(duì)系統(tǒng)的收/發(fā)幅相特性進(jìn)行標(biāo)定，但由于出廠后的安裝使用以及日常維護(hù)和檢修（含收/發(fā)通道更換），都可能造成系統(tǒng)的收/發(fā)幅相特性發(fā)生變化，最終導(dǎo)致合成的數(shù)字波束形狀發(fā)生畸變，影響相控陣二次雷達(dá)的探測(cè)性能。

為了使相控陣二次雷達(dá)在外場(chǎng)安裝使用和維護(hù)檢修以后依然能保證探測(cè)性能，本文提出一種基于內(nèi)/外校準(zhǔn)結(jié)合的相控陣收/發(fā)校準(zhǔn)方法，可以在外場(chǎng)使用過(guò)程中對(duì)天線陣列及收/發(fā)通道的幅相特性進(jìn)行校準(zhǔn)，得到接收外校準(zhǔn)補(bǔ)償系數(shù)、發(fā)射外校準(zhǔn)補(bǔ)償系數(shù)等，并將系數(shù)補(bǔ)償?shù)绞?發(fā)通道中，提高二次雷達(dá)的探測(cè)性能。

1 相控陣二次雷達(dá)的波束形成原理

1.1 相控陣二次雷達(dá)信號(hào)收發(fā)鏈路

相控陣二次雷達(dá)收發(fā)鏈路，包含天線陣列、數(shù)字TR 組件、校準(zhǔn)源、波束形成模塊和信號(hào)處理模塊等。

天線陣列：包含N 個(gè)全向天線振子用于接收/發(fā)射空間無(wú)線電信號(hào)；

數(shù)字TR 組件：包含N 個(gè)獨(dú)立的收/發(fā)通道，接收天線振子接收或者校準(zhǔn)源發(fā)射的射頻信號(hào)并解調(diào)為基帶數(shù)字I/Q 信號(hào)，并傳輸給波束形成模塊；將收到來(lái)自波束形成模塊的基帶數(shù)字I/Q 信號(hào)調(diào)制為射頻信號(hào)傳輸給天線振子發(fā)射出去；

波束形成模塊：收/發(fā)波束合成，實(shí)現(xiàn)接收和/差/控制加權(quán)算法，將N 路接收I/Q 信號(hào)合成為和/差/控制三個(gè)數(shù)字接收波束I/Q 信號(hào)輸出給信號(hào)處理模塊；實(shí)現(xiàn)發(fā)射和/控制加權(quán)算法，產(chǎn)生N 路發(fā)射I/Q 信號(hào)傳輸給數(shù)字TR 組件；

校準(zhǔn)源：收/發(fā)內(nèi)校準(zhǔn)，接收TR 各發(fā)射通道輸出的校準(zhǔn)信號(hào)并完成解調(diào)、采樣，傳輸給波束形成模塊；完成校準(zhǔn)信號(hào)的調(diào)制輸出；

信號(hào)處理模塊：信號(hào)處理FPGA 用于編碼、數(shù)字信號(hào)的接收和轉(zhuǎn)換、和/差/控制通道接收信號(hào)的校準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)?；信?hào)處理CPU 用于系統(tǒng)控制、校準(zhǔn)補(bǔ)償值的運(yùn)算、與外部控制界面通信等；譯碼器用于目標(biāo)數(shù)據(jù)的譯碼得到目標(biāo)原始點(diǎn)跡。

1.2 相控陣二次雷達(dá)的波束形成原理

二次雷達(dá)天線為均勻直線陣列天線，并且采用和/差/控制三個(gè)波束進(jìn)行應(yīng)答信號(hào)的接收、采用和/控制兩個(gè)波束進(jìn)行詢問(wèn)信號(hào)的發(fā)射，其中和/差兩個(gè)波束的接收/發(fā)射信號(hào)與目標(biāo)的探測(cè)距離、方位精度直接相關(guān)。

其中ai為幅相加權(quán)系數(shù)，bi為幅相補(bǔ)償系數(shù)，為相鄰單元之間的饋電相位差，λ 為波長(zhǎng)、d 為振子間距。

如圖1所示，均勻直線陣列天線理論上的法向和/差波束方向圖。

圖1：理論上的天線法向-60°～+60°方向圖

圖2：外場(chǎng)校準(zhǔn)環(huán)境搭建示意圖

2 一種基于內(nèi)/外校準(zhǔn)結(jié)合的相控陣收/發(fā)校準(zhǔn)方法

為了實(shí)現(xiàn)在外場(chǎng)使用環(huán)境下對(duì)天線陣列及各接收通道的幅相特性進(jìn)行標(biāo)定，本文提出一種基于內(nèi)/外校準(zhǔn)結(jié)合的相控陣收/發(fā)校準(zhǔn)方法，需要進(jìn)行接收外校準(zhǔn)、接收內(nèi)校準(zhǔn)、發(fā)射內(nèi)校準(zhǔn)，最后運(yùn)算得到接收外校準(zhǔn)補(bǔ)償系數(shù)、發(fā)射外校準(zhǔn)補(bǔ)償系數(shù)等，并將系數(shù)補(bǔ)償?shù)蕉卫走_(dá)收/發(fā)通道中，提高二次雷達(dá)的探測(cè)性能。

其中接收外校準(zhǔn)需要搭建外部校準(zhǔn)環(huán)境，如圖2所示。

本文所提出校準(zhǔn)方法包含以下4 個(gè)步驟：

2.1 完成接收外校準(zhǔn)

按如圖2所示搭建外校準(zhǔn)環(huán)境，定向天線需要標(biāo)定在陣列天線的法向軸上，由于陣列天線長(zhǎng)度3～6m，依據(jù)天線測(cè)試遠(yuǎn)場(chǎng)要求，信號(hào)源距離陣列天線距離不小于400m。

將信號(hào)源設(shè)置到雷達(dá)主機(jī)當(dāng)前設(shè)定的接收頻率，打開信號(hào)源發(fā)射連續(xù)方波信號(hào)，周期4us，占空比50%。

控制雷達(dá)主機(jī)對(duì)陣列天線對(duì)應(yīng)的N 個(gè)接收通道的接收信號(hào)進(jìn)行采樣，選擇通道1 作為參考通道，計(jì)算得到其余通道的相對(duì)參考通道的相對(duì)補(bǔ)償系數(shù)這里稱為接收外校準(zhǔn)補(bǔ)償系數(shù)。

圖3：接收通道未校準(zhǔn)的天線法向-60°～+60°方向圖

圖4：接收通道校準(zhǔn)補(bǔ)償后的天線法向-60°～+60°方向圖

2.2 完成接收內(nèi)校準(zhǔn)

控制內(nèi)部校準(zhǔn)源發(fā)射脈沖，數(shù)字TR 組件各通道同時(shí)接收，選擇通道1 作為參考通道，計(jì)算得到其余通道的相對(duì)參考通道的相對(duì)補(bǔ)償系數(shù)這里稱為接收內(nèi)校準(zhǔn)補(bǔ)償系數(shù)。

2.3 完成發(fā)射內(nèi)校準(zhǔn)

控制數(shù)字TR 組件各通道（1～N）依次發(fā)射脈沖，內(nèi)部校準(zhǔn)源接收，選擇通道1 作為參考通道，計(jì)算得到其余通道的相對(duì)參考通道的相對(duì)補(bǔ)償系數(shù)這里稱為發(fā)射內(nèi)校準(zhǔn)補(bǔ)償系數(shù)。

2.4 計(jì)算發(fā)射外校準(zhǔn)補(bǔ)償系數(shù)

得到校準(zhǔn)通道耦合系數(shù)和天線補(bǔ)償系數(shù)的固定關(guān)系：

采用上述方法，首次安裝或者更換天線陣列后進(jìn)行校準(zhǔn)需開展步驟（1）～步驟（4）的校準(zhǔn)工作，將作為收/發(fā)校準(zhǔn)補(bǔ)償系數(shù)實(shí)際使用，天線校準(zhǔn)耦合系數(shù)作為常量保存，完成上述校準(zhǔn)過(guò)程后，二次雷達(dá)便可以正常使用。

日常維護(hù)或更換數(shù)字TR 組件通道，更換完成后只需要再重新進(jìn)行步驟（2）和步驟（3），得到新的接收內(nèi)校準(zhǔn)補(bǔ)償系數(shù)和發(fā)射內(nèi)校準(zhǔn)補(bǔ)償系數(shù)利用保存的天線校準(zhǔn)耦合系數(shù)再計(jì)算新的接收外校準(zhǔn)補(bǔ)償系數(shù)和發(fā)射外校準(zhǔn)補(bǔ)償系數(shù)為

3 校準(zhǔn)方法的實(shí)現(xiàn)和效果分析

由于在實(shí)際生產(chǎn)和安裝過(guò)程中，不同天線振子和TR 收/發(fā)通道的幅相特性都存在差異，這種差異性將導(dǎo)致數(shù)字波束合成的效果與理論上存在較大的偏差，接收/發(fā)射通道未校準(zhǔn)形成接收方向圖如圖3所示，可能造成形成的波束指向不準(zhǔn)、輻射能量不集中，增益變小等問(wèn)題，導(dǎo)致二次雷達(dá)測(cè)角精度變差、作用距離變短，影響正常使用。

所以在二次雷達(dá)的使用前需要對(duì)天線振子和TR 收/發(fā)通道的幅相特性進(jìn)行校準(zhǔn)，按照本文提出的方法完成校準(zhǔn)后，得到一組接收通道校準(zhǔn)系數(shù)和發(fā)射通道補(bǔ)償系數(shù)。

在系統(tǒng)中完成接收/發(fā)射校準(zhǔn)系數(shù)補(bǔ)償后，測(cè)試形成的方向圖如圖4所示，和圖1理論上的數(shù)字波束合成的效果比較，波束指向和波束增益得到了校準(zhǔn)，可以很好地保證二次雷達(dá)的測(cè)角精度和作用距離等探測(cè)性能。

4 結(jié)論

本文中參與實(shí)驗(yàn)的相控陣二次雷達(dá)系統(tǒng)是基于FPGA 控制并由光纖通信傳輸控制命令，后端由powerPC 進(jìn)行處理的高度自動(dòng)化數(shù)字化相控陣天線系統(tǒng)。能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制幅相，精準(zhǔn)控頻并能實(shí)現(xiàn)多頻點(diǎn)跳頻測(cè)試。

本文為陣面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、覆蓋介質(zhì)不均勻的大型相控陣天線系統(tǒng)，如地面陣地、大型飛機(jī)、艦艇等返場(chǎng)測(cè)試成本非常高的項(xiàng)目提供了外場(chǎng)校準(zhǔn)的工程實(shí)現(xiàn)可行性和經(jīng)濟(jì)性的解決方案。在保證測(cè)試有效性的條件下，解決了大型相控陣天線系統(tǒng)在安裝后的校準(zhǔn)、維護(hù)檢修后狀態(tài)恢復(fù)等問(wèn)題，該方法經(jīng)過(guò)不同頻點(diǎn)，多個(gè)陣面的反復(fù)驗(yàn)證，以及在幾年的使用中取得了良好的效果。文中所提及的相控陣二次雷達(dá)使用的均勻直線陣是相控陣天線系統(tǒng)中比較簡(jiǎn)單的一種，此方法還可以推廣到各種平面陣列的校準(zhǔn)上。但由于項(xiàng)目所限，未對(duì)平面陣列作驗(yàn)證。