利用雷達(dá)發(fā)射信號對接收陣列實(shí)時(shí)校正的方法

李春林 趙懷坤 吳琳擁

（四川九洲防控科技有限責(zé)任公司 四川省綿陽市 621000）

數(shù)字化陣列雷達(dá)的核心是DBF(數(shù)字波束形成)技術(shù)，利用數(shù)字方式同時(shí)產(chǎn)生多個獨(dú)立可控的波束并使其同相疊加，在特定方向上能量最大并且形成天線方向圖主瓣的技術(shù)[1]。其具有低副瓣、高信噪比、波束特征靈活可變、天線有較好的自校正能等特點(diǎn)[2]。

DBF雷達(dá)因?yàn)轶w制靈活而得到廣泛應(yīng)用，但DBF的性能直接受數(shù)字陣列校正結(jié)果的影響，因?yàn)閿?shù)字陣列的發(fā)射通道和各個接收通道間相互獨(dú)立，不可避免的存在幅相誤差，利用DBF技術(shù)進(jìn)行雷達(dá)目標(biāo)檢測，就必須對雷達(dá)的天饋系統(tǒng)中每個通道的幅度和相位進(jìn)行校準(zhǔn)，相控陣天線的快速測量和校準(zhǔn)一直是相控陣天線研究的熱門問題。目前主流的校準(zhǔn)方法有近場測量法、旋轉(zhuǎn)矢量法、互耦校準(zhǔn)法、換相測量法等，以上測量方法的測量速度都不夠快，一般用于相控陣天線研制階段的驗(yàn)證校準(zhǔn)工作，不能滿足大量工程需求的測量校準(zhǔn)[3-6]。而且為了使雷達(dá)在工作期間處于規(guī)定的技術(shù)范圍內(nèi)。還需要相應(yīng)的手段定期和不定期的進(jìn)行校正，確保在全壽命周期內(nèi)的性能[7-8]。

本文主要結(jié)合雷達(dá)設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用，通過合理的通道設(shè)計(jì)和軟件處理，直接利用雷達(dá)發(fā)射信號對接收陣列實(shí)時(shí)校正。

1 實(shí)時(shí)校正原理

實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的工作原理是采集外校正數(shù)據(jù)和內(nèi)校正數(shù)據(jù)，計(jì)算出校正修正基準(zhǔn)值，校正時(shí)，通過實(shí)時(shí)采集內(nèi)校正數(shù)據(jù)，結(jié)合修正基準(zhǔn)值完成接收通道校正。

1.1 內(nèi)校正相位測量

為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)校正，在雷達(dá)每個正常探測目標(biāo)的幀處理時(shí)間結(jié)束后，增加一個脈沖時(shí)序，作為校正時(shí)序，控制頻綜組件產(chǎn)生校正信號。校正信號由頻綜組件產(chǎn)生，校正信號經(jīng)過功分后通過耦合電路，耦合到每個接收通道的最前端，實(shí)現(xiàn)對每個接收通道整個鏈路幅度和相位的實(shí)時(shí)監(jiān)測，假如每個接收通道解算出的內(nèi)校正幅度和相位信息分別為A1n(n=1:N)、θ1n(n=1:N)。

1.2 外校正相位測量

應(yīng)在開闊、無干擾且滿足遠(yuǎn)場條件的場地測量外校正相位，如圖1所示。

外置信號源產(chǎn)生與雷達(dá)相同工作頻點(diǎn)的點(diǎn)頻連續(xù)波信號，采集每個接收通道的信號，計(jì)算每個通道的幅度和相位。

假如每個接收通道解算出外校正幅度和相位信息分別為A2n(n= 1:N)、θ2n(n=1:N)。

1.3 校正修正基準(zhǔn)值

內(nèi)校正能夠測得從頻綜組件產(chǎn)生校正信號到DBF組件AD采樣整個鏈路的幅度和相位信息，包含：頻綜組件到接收組件鏈路、接收組件內(nèi)部鏈路、接收組件到AD采樣鏈路。

外校正能夠測得從天線組件到DBF組件AD采樣整個鏈路的幅度和相位信息，包含：天線組件到接收組件鏈路、接收組件內(nèi)部鏈路、接收組件到AD采樣鏈路。

內(nèi)校正與外校正的相位差為內(nèi)外校正的路徑差，可以得到頻綜組件到接收組件鏈路與天線組件到接收組件鏈路之間的相位差，由于這兩個鏈路為無源器件，這個相位差為固定值。校正原理框圖如圖2所示。

圖1：外校正原理框圖

圖2：校正原理框圖

校正修正基準(zhǔn)值是用于通道實(shí)時(shí)校正的基準(zhǔn)數(shù)值，由幅度基準(zhǔn)值A(chǔ)n和相位基準(zhǔn)值θn組成，其值計(jì)算公式為：

1.4 算法步驟

利用雷達(dá)發(fā)射信號對接收陣列實(shí)時(shí)校正方法的步驟為：

（1）利用外置信號源，采集外校正數(shù)據(jù)；

（2）計(jì)算每個外校正通道的幅度和相位；

（3）利用內(nèi)校正信號，計(jì)算每個內(nèi)校正通道的幅度和相位；

（4）一一對應(yīng)，分別計(jì)算每個通道內(nèi)校相位和外校正相位差值，該值為固定值修正基準(zhǔn)值；

（5）在進(jìn)行通道校正時(shí)，實(shí)時(shí)采集內(nèi)校正信號的幅度和相位，然后與步驟（4）計(jì)算得到的修正基準(zhǔn)值進(jìn)行比較；

（6）步驟（5）計(jì)算出來的每個通道的幅度比值和相位差為該通道的校正值；

（7）將步驟（6）計(jì)算出的校正值發(fā)送到AD采樣前端，完成每個通道的幅度和相位校正。

圖3：理想方向圖

2 算法仿真分析

下面通過仿真分析驗(yàn)證本實(shí)時(shí)校正算法的有效性和可靠性。仿真時(shí)，隨機(jī)產(chǎn)生天線到接收機(jī)前端、接收機(jī)內(nèi)部、接收機(jī)到DBF組件、校正信號的相位和幅度，其中接收機(jī)不同通道間的相位差是固定不變的。

假設(shè)某天線由32個接收陣元組成，陣元間距為半波長，則指向0°的單波束加窗后的理想方向圖如圖3所示。

從圖3中可知，理想方向圖的主副瓣比為40dB，波束寬度為4°。

圖4：僅用內(nèi)校正信號校正后的方向圖

2.1 僅用內(nèi)校正信號進(jìn)行幅相校正

在僅用內(nèi)校正信號進(jìn)行校正時(shí)，對校正通道的幅度和相位進(jìn)行校正，圖4為仿真效果圖。

從圖4中可知，僅用內(nèi)校正信號進(jìn)行校正，副瓣只有10dB，波束指向也存在不確定的偏差，不但不能完成校正，還引入了校正通道本身幅度和相位誤差，校正效果甚至?xí)儾睢?/p>

圖5：采用本算法后的方向圖

2.2 本算法的方法進(jìn)行幅相校正

圖5為采用本算法進(jìn)行幅相校正后的方向圖。

從圖5中可知，采用本算法進(jìn)行通道校正后，副瓣只有35dB，波束指向不存在偏差，能夠完成實(shí)時(shí)校正。

3 結(jié)束語

在DBF體制的雷達(dá)中，通過外校正數(shù)據(jù)采集結(jié)合實(shí)時(shí)內(nèi)校正的方式，在無需其他的資源耗費(fèi)的情況下，可以快速、實(shí)時(shí)的對接收天線陣面進(jìn)行校準(zhǔn)，保證DBF的高質(zhì)量形成理想的波束，并能克服隨著溫度、器件的個性差異導(dǎo)致的波束質(zhì)量變換的情況。在某雷達(dá)的調(diào)試和實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)測結(jié)果表明，該校正方法具有測試過程簡單、便于實(shí)現(xiàn)和操作、結(jié)果精度高等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了一種低成本的實(shí)時(shí)波束校準(zhǔn)方法，對設(shè)備的全工作周期的精度保證、全壽命的周期維護(hù)十分有利。