超大陣面分布式相控陣?yán)走_(dá)的自-交叉相位定標(biāo)方法

閆州杰*①② 王華兵①② 陳遠(yuǎn)征① 趙艷麗①

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超大陣面分布式相控陣?yán)走_(dá)的自-交叉相位定標(biāo)方法

閆州杰王華兵陳遠(yuǎn)征趙艷麗

(洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心 洛陽(yáng) 471003)(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 洛陽(yáng) 471003)

針對(duì)傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)定標(biāo)算法無(wú)法適用于超大陣面分布式相控陣?yán)走_(dá)的問(wèn)題，該文提出了自定標(biāo)、交叉定標(biāo)相結(jié)合的相位定標(biāo)算法。分析了超大陣面分布式相控陣?yán)走_(dá)的誤差來(lái)源；建立了超大陣面分布式天線陣列在工程約束下的誤差模型，詳細(xì)闡述了自定標(biāo)和交叉定標(biāo)的原理和方法，并將該方法從相位單元推廣到雷達(dá)陣列。最后，對(duì)自-相交相位定標(biāo)算法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用。結(jié)果表明該算法能大幅提高超大陣面分布式相控陣?yán)走_(dá)的主旁瓣電平比。

超大陣面分布式雷達(dá)；自定標(biāo)；交叉定標(biāo)；誤差模型

1 引言

超大陣面分布式相控陣?yán)走_(dá)是相控陣?yán)走_(dá)中的一個(gè)重要分支，其特點(diǎn)是陣面大，陣列單元數(shù)量多，載頻頻率較低(如：VHF)。超大陣面分布式相控陣?yán)走_(dá)可以有效地探測(cè)大氣的電離層，因此對(duì)氣候環(huán)境研究、災(zāi)害預(yù)測(cè)、航空航天等具有非常重要的作用。同時(shí)，超大陣面分布式相控陣?yán)走_(dá)信號(hào)的反隱身潛力也使其在軍事領(lǐng)域的價(jià)值日漸增長(zhǎng)。

超大陣面分布式相控陣?yán)走_(dá)需要各個(gè)收發(fā)單元信號(hào)波束精確合成，因此減小陣面各單元相位誤差控制成了需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。為了獲得分布式雷達(dá)系統(tǒng)的精確波束指向和超低副瓣性能，雷達(dá)天線單元的相位定標(biāo)是其研制過(guò)程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在實(shí)際的工程項(xiàng)目研究中發(fā)現(xiàn)，由于大陣面和分布式的影響，一些傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)定標(biāo)技術(shù)，包括典型的外定標(biāo)法和內(nèi)定標(biāo)法，單通道校準(zhǔn)和多通道校準(zhǔn)，都無(wú)法有效實(shí)施。這些障礙使得實(shí)際超大陣面分布式相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)難以依靠進(jìn)一步擴(kuò)大天線陣面積和增加單元數(shù)量來(lái)提高性能指標(biāo)。

本文分析了超大陣面相控陣?yán)走_(dá)相位誤差的來(lái)源，提出自-交叉定標(biāo)方法，并給出了雷達(dá)陣面定標(biāo)方法模型。最后，本文通過(guò)仿真分析，對(duì)波束形成和主旁瓣電平比進(jìn)行了比較，并根據(jù)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，給出該算法在工程實(shí)際中的應(yīng)用和取得的效果。

2 相位誤差分析

在場(chǎng)地建設(shè)符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的情況下，影響超大陣面分布式相控陣?yán)走_(dá)相位誤差主要包括時(shí)鐘和同步信號(hào)的傳輸誤差、單元個(gè)體差異等。

超大陣面分布式相控陣?yán)走_(dá)的各個(gè)收發(fā)單元需要在統(tǒng)一的時(shí)鐘和同步信號(hào)推動(dòng)下相參工作。時(shí)鐘同步信號(hào)需要從一個(gè)固定的分發(fā)設(shè)備以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的形式分發(fā)到各個(gè)收發(fā)單元。由于陣面面積大，因此時(shí)鐘和同步信號(hào)需要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的傳輸線。信號(hào)在這些傳輸線上的延遲誤差直接導(dǎo)致各個(gè)單元的相位誤差。由于傳輸線長(zhǎng)度很長(zhǎng)，每條傳輸線的布線路徑也不同，因而時(shí)鐘和同步信號(hào)的傳輸誤差很難消除。

超大陣面分布式相控陣?yán)走_(dá)的收發(fā)單元需要用到千瓦級(jí)功率放大器和低噪聲放大器。放大器件工作在較低的頻率且?guī)挷淮蟮那闆r下，放大器的相位特性和幅度特性是一條非平坦的、起伏比較大的曲線。當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)采用了諸多存在個(gè)體差異的放大器單元時(shí)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的相位難以保證嚴(yán)格的一致性。

因此，時(shí)鐘和同步信號(hào)的傳輸誤差、單元個(gè)體差異導(dǎo)致了超大陣面分布式相控陣?yán)走_(dá)各陣元的相位差異，造成波束指向性差和主瓣增益小。

3 自-交叉定標(biāo)法原理

根據(jù)超大陣面分布式相控陣?yán)走_(dá)誤差分析原因，本文提出了一種自-交叉相位定標(biāo)方法，通過(guò)計(jì)算時(shí)延來(lái)補(bǔ)償相位誤差，進(jìn)而對(duì)相位進(jìn)行校正。該方法在實(shí)現(xiàn)上分為兩步：自定標(biāo)和交叉定標(biāo)。

首先通過(guò)自定標(biāo)測(cè)算出各收發(fā)單元內(nèi)部發(fā)射機(jī)、接收機(jī)產(chǎn)生的時(shí)間延遲，然后通過(guò)公式換算得到相位差；再通過(guò)交叉定標(biāo)測(cè)算出同步時(shí)鐘延遲。最后，在雷達(dá)工作之前將該延遲預(yù)先加到時(shí)鐘源上即可實(shí)現(xiàn)數(shù)字單元的同步相參工作。

3.1 自定標(biāo)

通過(guò)自定標(biāo)模式可以測(cè)算出1個(gè)單元的發(fā)射機(jī)校準(zhǔn)量和接收機(jī)校準(zhǔn)量。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：連通A/D 和D/A通道，測(cè)出時(shí)鐘延遲, A/D通道產(chǎn)生的時(shí)延, D/A通道產(chǎn)生的時(shí)延3種延遲的總延遲；通過(guò)射頻單元發(fā)射信號(hào)經(jīng)D/A通道，再經(jīng)發(fā)射通道直接傳遞給A/D通道采樣，測(cè)算出發(fā)射通道總延遲；最后采用相同方法測(cè)算出接收通道總延遲。自定標(biāo)模式的實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

由雷達(dá)發(fā)送、接收信號(hào)的工作原理可知，導(dǎo)致每個(gè)天線單元相位不一致的因素主要有：時(shí)鐘源傳遞時(shí)鐘信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的時(shí)延，即同步時(shí)鐘傳輸延遲, D/A通道產(chǎn)生的時(shí)延，發(fā)射通道中功率放大器產(chǎn)生的時(shí)延，即發(fā)射機(jī)校準(zhǔn)量, A/D通道產(chǎn)生的時(shí)延以及接收通道中低噪聲放大器等產(chǎn)生的時(shí)延，即接收機(jī)校準(zhǔn)量。

圖1 VHF有源相控陣?yán)走_(dá)自定標(biāo)實(shí)現(xiàn)框圖

3.1.1發(fā)射機(jī)定標(biāo) 發(fā)射機(jī)定標(biāo)時(shí)，信號(hào)傳遞流程如圖1中線路1所示，前端數(shù)字單元將發(fā)射的射頻信號(hào)送入D/A通道，經(jīng)發(fā)射通道直接傳遞給A/D通道采樣，進(jìn)而由前端數(shù)字單元進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)處理?？梢?jiàn)，此過(guò)程產(chǎn)生的時(shí)延為：

3.1.2接收機(jī)定標(biāo) 接收機(jī)定標(biāo)時(shí)，信號(hào)傳遞流程如圖中線路2所示，前端數(shù)字單元將發(fā)射的射頻信號(hào)傳送給D/A，不經(jīng)發(fā)射通道，而是利用耦合器直接耦合至接收通道，并進(jìn)行A/D采樣，最后由前端數(shù)字單元進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)處理?？梢?jiàn)，此過(guò)程產(chǎn)生的時(shí)延為：

(2)

3.2 交叉定標(biāo)

首先，單元1發(fā)射信號(hào)，單元2進(jìn)行接收，由時(shí)鐘源下達(dá)時(shí)鐘信號(hào)至兩個(gè)數(shù)字單元，此過(guò)程產(chǎn)生的時(shí)鐘同步傳輸延遲分別為和，發(fā)射鏈路中，D/A和發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的時(shí)延分別為和；接收鏈路中，A/D和接收機(jī)產(chǎn)生的時(shí)延分別為和，信號(hào)從天線單元1輻射出去到天線單元2接收到輻射信號(hào)的時(shí)延為。因此，單元1發(fā)射信號(hào)，單元2接收信號(hào)，測(cè)得的總時(shí)延為：

反過(guò)來(lái)，單元2發(fā)射信號(hào)，單元1接收信號(hào)，此時(shí)測(cè)得的總時(shí)延為：

(5)

4 雷達(dá)陣列定標(biāo)

以上是針對(duì)某兩個(gè)單元做的分析，下面將其推廣至整個(gè)雷達(dá)陣列，以×個(gè)天線單元為例，記第行第列單元為，其中。

為了求出系統(tǒng)中每個(gè)收發(fā)單元的自身相位特性，即對(duì)各單元的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)進(jìn)行定標(biāo)測(cè)算，首先按圖1中線路1連接，測(cè)量延遲結(jié)果記為，然后按線路2連接，同樣測(cè)量延遲結(jié)果，記為，其中

(10)

最后將各單元的A/D與D/A連通，測(cè)得時(shí)延記為，

(12)

下面開(kāi)始討論雷達(dá)陣列中各單元間的同步時(shí)鐘傳輸延遲，將單元作為基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量，首先由發(fā)射信號(hào)，其它單元接收信號(hào)，測(cè)得的總延時(shí)為；接下來(lái)，其它單元發(fā)射信號(hào)，單元接收信號(hào)，測(cè)得的總延時(shí)為，其中

(14)

根據(jù)式(8)可得，其它單元與a的時(shí)鐘差為：

2.4.4 提取回收率試驗(yàn) 按“2.4.3”項(xiàng)下方法配制ATV低、中、高質(zhì)量濃度（1.25、6.25、25.00 ng/mL）的血漿樣本，每個(gè)濃度平行配制6份，同法預(yù)處理后進(jìn)樣，測(cè)得ATV與內(nèi)標(biāo)的峰面積比值（Y1）；另取空白血漿，同法預(yù)處理后加入適量ATV對(duì)照品溶液，進(jìn)樣，測(cè)得ATV與內(nèi)標(biāo)的峰面積比值（Y空白）。按公式Y(jié)1/Y空白×100%計(jì)算提取回收率。結(jié)果顯示，ATV低、中、高質(zhì)量濃度血漿樣本的平均提取回收率分別為88.30%、91.46%、87.64%，RSD均小于11%（n＝6）。

(16)

5 仿真及工程應(yīng)用分析

5.1 仿真分析

為了驗(yàn)證本文方法的效果，分別在天線主波束指向固定角度60°，120°和天線主波束指向隨機(jī)角度進(jìn)行仿真分析。

由以上的仿真結(jié)果可以看出，定標(biāo)后雷達(dá)天線陣方向圖在主瓣精確指向信號(hào)來(lái)波方向的同時(shí)，能夠使旁瓣電平抑制在左右，達(dá)到了有效地抑制旁瓣電平的效果。

5.2 工程應(yīng)用

本文的定標(biāo)方法已經(jīng)應(yīng)用到國(guó)家某重點(diǎn)項(xiàng)目VHF有源相控陣?yán)走_(dá)。該雷達(dá)是我國(guó)自主研制的第1套專用于電離層不規(guī)則體探測(cè)的雷達(dá)設(shè)備，共有4×18個(gè)陣元，陣元間距3.19 m。

根據(jù)文中方法分別對(duì)雷達(dá)72個(gè)陣元進(jìn)行自定標(biāo)和交叉定標(biāo)。下面給出真實(shí)數(shù)據(jù)支撐下的應(yīng)用結(jié)果。為便于觀察，選擇有目標(biāo)的情況下對(duì)天線增益和旁瓣抑制比進(jìn)行比較，圖5和圖6給出了某時(shí)刻定標(biāo)前后整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)某波位的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

該時(shí)刻雷達(dá)系統(tǒng)的相應(yīng)參數(shù)為：觀測(cè)起始高度為80 km，波門(mén)寬度為530 km，觀測(cè)時(shí)間為5 s，發(fā)射波形為13位巴克碼，子脈沖寬度為8 us，脈沖重復(fù)頻率為200 Hz，駐留脈沖數(shù)為128。

由圖5和圖6比較可得，定標(biāo)前和定標(biāo)后整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)都能在信號(hào)來(lái)波方向(高度約為370 km)得到很高的天線增益，提高了旁瓣抑制比。

圖3 主波束指向固定角度時(shí)定標(biāo)前后雷達(dá)天線方向圖

圖4 主波束指向隨機(jī)角度時(shí)定標(biāo)前后雷達(dá)天線方向圖

圖5 定標(biāo)前雷達(dá)系統(tǒng)某波位的高度-強(qiáng)度圖

圖6 定標(biāo)后雷達(dá)系統(tǒng)某波位的高度-強(qiáng)度圖

表1 定標(biāo)前后雷達(dá)性能指標(biāo)對(duì)比

Tab. 1 The comparison of radar performance indicators before and after calibration

由表1知，該定標(biāo)算法能有效地抑制旁瓣電平，同時(shí)在來(lái)波方向上對(duì)信號(hào)主瓣的增益也有一定的提高，優(yōu)化了整個(gè)系統(tǒng)的性能。

6 總結(jié)

本文針對(duì)超大陣面分布式相控陣?yán)走_(dá)所具有的分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作頻率較低、前端數(shù)字單元直接實(shí)現(xiàn)射頻收發(fā)、大陣面引起的安裝和布線精度較低等特性，提出采用自-交叉定標(biāo)法對(duì)其進(jìn)行相位校準(zhǔn)，并詳細(xì)闡述了該方法的實(shí)現(xiàn)原理，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。同時(shí)，將該方法實(shí)際應(yīng)用到超大陣面分布式相控陣?yán)走_(dá)工程中，收到了很好的效果。本文提出的自-相交相位定標(biāo)方法對(duì)大陣面雷達(dá)相位定標(biāo)方法的研究具有一定的參考和借鑒意義。

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Self-cross Phase Calibration Method of Oversized FrontDistributed Phased Array Radar

Yan Zhou-jieWang Hua-bingChen Yuan-zhengZhao Yan-li

(Luoyang Electronic Equipment Test Center, Luoyang 471003, China)(State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environmental Effects on Electronics & Information System, Luoyang 471003, China)

For an oversized front distributed phased-array radar, the conventional phased-array radar calibration algorithm cannot be applied. Hence, this paper presents a combination of self- and cross-calibration algorithms. For the oversized front distributed phased-array radar, the error sources are analyzed, and the error model is established. Then,the self- and cross-calibration techniques and their principles are presented. In addition, this method is extended to the phased-array radar from units. Finally, we conducted self-intersecting phase calibration simulation experiments, and the results show that the algorithm can significantly improve the sidelobe level of the oversized front distributed phased-array radar.

Oversized front distributed phased array radar; Self-calibration; Cross-calibration; Error model

TN958.92

A

2095-283X(2013)04-0439-06

10.3724/SP.J.1300.2013.13054

2013-07-01收到，2013-09-25改回；2013-10-09網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版

國(guó)家部委基金資助課題

閆州杰 yanzj20032007@163.com

閆州杰(1984-)，男，河南平輿人，北京理工大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心工程師，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)處理。

E-mail: yanzj20032007@163.com

王華兵(1979-)，男，云南陸良人，電子科技大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)對(duì)抗。

陳遠(yuǎn)征(1979-)，男，河南新蔡人，國(guó)防科技大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)綜合對(duì)抗。

趙艷麗(1977-)，女，河南南陽(yáng)人，國(guó)防科技大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)融合和雷達(dá)對(duì)抗。