全自適應(yīng)數(shù)字陣列的近場(chǎng)測(cè)試

夏德平，劉雪晶

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

隨著數(shù)字技術(shù)快速發(fā)展，全自適應(yīng)數(shù)字陣列已開(kāi)始在雷達(dá)中廣泛應(yīng)用，它是一種以數(shù)字技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)波束形成的技術(shù)，保留了天線陣列單元信號(hào)的全部信息，用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)陣列信號(hào)進(jìn)行處理，以獲得優(yōu)良的波束形成性能。采用全自適應(yīng)天線陣列后，傳統(tǒng)的模擬天線陣列的近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)已不再使用，需要對(duì)現(xiàn)有測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以滿(mǎn)足不斷發(fā)展的技術(shù)需求。

本文對(duì)全自適應(yīng)數(shù)字陣列開(kāi)展相關(guān)研究，針對(duì)全自適應(yīng)數(shù)字陣列自身特性，采用多通道并行處理技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有模擬近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)了全自適應(yīng)數(shù)字陣列性能測(cè)試。采用改進(jìn)后測(cè)試系統(tǒng)，除了完成常規(guī)數(shù)字波束的測(cè)試外，還對(duì)在外場(chǎng)條件下無(wú)法測(cè)量的自適應(yīng)波束進(jìn)行測(cè)試，從而確切地評(píng)估雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾能力。

1 近場(chǎng)測(cè)試原理

天線近場(chǎng)測(cè)試需要專(zhuān)門(mén)的技術(shù)和測(cè)試設(shè)備，在專(zhuān)用的微波測(cè)量場(chǎng)地才能實(shí)現(xiàn)測(cè)試，其工作原理是利用特性已知的探頭在距被測(cè)天線 3 λ～5 λ的表面上［1-2］，測(cè)出天線場(chǎng)的幅度分布和相位分布，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)利用數(shù)學(xué)變換計(jì)算出被測(cè)天線遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)［3］，其核心思想是把待測(cè)天線在空間建立的場(chǎng)展開(kāi)成平面波函數(shù)(或柱面、或球面函數(shù))之和，展開(kāi)式中加權(quán)函數(shù)包含著遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的完整信息，根據(jù)近場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)算出加權(quán)函數(shù)，進(jìn)而確定天線的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。由于應(yīng)用了模式展開(kāi)，所以稱(chēng)之為模式展開(kāi)法，這種方法已成為天線方向圖和增益的一種準(zhǔn)確測(cè)量技術(shù)。

天線近場(chǎng)測(cè)試包括平面、柱面和球面3種掃描測(cè)試［4］，其中平面掃描法適應(yīng)于超低副瓣天線的測(cè)試，最大場(chǎng)角在±70°，其掃描系統(tǒng)復(fù)雜，而數(shù)學(xué)計(jì)算比較簡(jiǎn)單，能夠測(cè)量前半個(gè)球面的方向圖?，F(xiàn)有的模擬陣列近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)通常采用平面掃描測(cè)試系統(tǒng)，包括Agilent專(zhuān)用測(cè)試矢網(wǎng)、掃描架控制系統(tǒng)、測(cè)試探頭、測(cè)試計(jì)算機(jī)等，如圖1所示，能實(shí)現(xiàn)常規(guī)和通道、差通道測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，先通過(guò)測(cè)試計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)指令的發(fā)布，再通過(guò)掃描架伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)掃描架控制，定時(shí)控制器實(shí)現(xiàn)與雷達(dá)系統(tǒng)的同步，專(zhuān)用矢網(wǎng)實(shí)現(xiàn)測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生及回波信號(hào)處理并將數(shù)據(jù)送測(cè)試計(jì)算機(jī)，最終由測(cè)試計(jì)算機(jī)完成測(cè)試數(shù)據(jù)的分析和天線波瓣計(jì)算。

圖1 模擬陣列近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)

2 全自適應(yīng)數(shù)字陣列測(cè)試

2.1 全自適應(yīng)數(shù)字陣列模型

本文研究的全自適應(yīng)天線陣面為M行N列的矩形陣列，其具有代表性，可推廣到圓形、橢圓形天線陣列。矩形陣列的陣元在行方向的間隔為dx，列方向的間隔為dy，這里設(shè)dx=dy=λ/2(λ為工作波長(zhǎng))，如圖2所示，圖中θ為方位角，φ為高低角，ψ為錐角，天線波束指向?yàn)?θ0，φ0)，陣列采用二維可分離加權(quán)。

圖2 天線陣列模型

天線陣面的發(fā)射方向圖為［5-6］

式中:gnm為單元接收幅度加權(quán);Φnm為單元接收相位加權(quán);wk為自適應(yīng)權(quán)。

式(2)中，如果接收波束為常規(guī)波束，Wk為全1的權(quán)值，如果為自適應(yīng)響應(yīng)波束，Wk則取自適應(yīng)權(quán)值。

2.2 全自適應(yīng)數(shù)字陣列近場(chǎng)測(cè)試

全自適應(yīng)數(shù)字陣列由陣列天線、數(shù)字收發(fā)組件、定時(shí)控制以及信號(hào)源等組成，每個(gè)天線單元對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)字收發(fā)通道，可得到單個(gè)陣元的信息，提高處理的自由度，但會(huì)導(dǎo)致陣面數(shù)據(jù)龐大，如采用原有的模擬近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，已無(wú)法實(shí)現(xiàn)全數(shù)字陣列的測(cè)試。

為了解決該問(wèn)題，采用專(zhuān)用的現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)構(gòu)建數(shù)字波束形成分機(jī)，用于陣元數(shù)據(jù)的接收和合成，可同時(shí)接收500路以上的數(shù)字信號(hào)，并能實(shí)時(shí)合成所需的通道。該近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示，專(zhuān)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)試指令控制和測(cè)試數(shù)據(jù)分析，信號(hào)源提供收發(fā)組件所需的時(shí)鐘、本振信號(hào)，實(shí)時(shí)控制提供多路數(shù)字收發(fā)組件的定時(shí)信號(hào)用于陣面同步，數(shù)字波束形成分機(jī)合成每個(gè)單元的數(shù)字信號(hào)，并將合成結(jié)果送專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，最后由專(zhuān)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)天線波瓣的測(cè)試。

圖3 全自適應(yīng)數(shù)字陣列近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)

天線近場(chǎng)測(cè)試前，按照加權(quán)要求實(shí)現(xiàn)收發(fā)通道的標(biāo)校，考慮幅相誤差時(shí)［7-8］，第m行n列信號(hào)以復(fù)數(shù)形式表示為

式中:anm為單元幅度;Φnm為單元相位;δnm，σnm為單元幅度相位誤差;ωd為校準(zhǔn)信號(hào)頻率。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字陣列的校準(zhǔn)，將Xnm(t)調(diào)整到設(shè)計(jì)的目標(biāo)值，需對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行校準(zhǔn)，先選定其中一路作為基準(zhǔn)，定義為X11(t)，將其他通道的幅相與之相比較，并同時(shí)與所需調(diào)整的目標(biāo)值進(jìn)行比較，即可得到被校準(zhǔn)通道的補(bǔ)償系數(shù)，從而得到校準(zhǔn)結(jié)果，如式(4)所示，f即為補(bǔ)償系數(shù)，其中δnm，σnm的定義同式(3)。

發(fā)射通道校準(zhǔn)時(shí)，因?yàn)榘l(fā)射通道信號(hào)較強(qiáng)，通道間存在干擾現(xiàn)象，只能進(jìn)行單通道的校準(zhǔn)，而在接收通道校準(zhǔn)時(shí)，用于校準(zhǔn)的信號(hào)為小信號(hào)，通道間不存在相互干擾，因此可實(shí)現(xiàn)全陣面同時(shí)校準(zhǔn)，只用一個(gè)校準(zhǔn)指令即可完成全陣面校準(zhǔn)，大幅提高了效率。

發(fā)射波瓣測(cè)試時(shí)，雷達(dá)處于全陣面發(fā)射狀態(tài)，測(cè)試掃描架按照大于天線陣面面積的范圍進(jìn)行掃描，掃描完成后，將錄取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即可得到發(fā)射波瓣圖。

接收波瓣測(cè)試時(shí)，雷達(dá)處于全陣面接收狀態(tài)，測(cè)試掃描架按照大于天線陣面面積的范圍進(jìn)行掃描，掃描完成后，將錄取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。與接收校準(zhǔn)一樣，因?yàn)榻邮詹ㄊ蓴?shù)字信號(hào)合成，測(cè)試時(shí)只需測(cè)試法向波位的波瓣，其他波位將法向數(shù)據(jù)按照掃描角合成即可，不再需要測(cè)試，從而簡(jiǎn)化了測(cè)試過(guò)程，縮短了測(cè)試時(shí)間。

2.3 干擾抑制方向圖測(cè)試

普通常規(guī)波束形成依賴(lài)于天線陣列幾何結(jié)構(gòu)和波達(dá)方向角，是一個(gè)匹配濾波器，在主瓣方向信號(hào)相干積累，并且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，在白噪聲背景下它是最優(yōu)的，但是常規(guī)波束存在旁瓣，且不隨信號(hào)環(huán)境改變而變化，如果有強(qiáng)干擾信號(hào)從旁瓣進(jìn)入后，會(huì)提高系統(tǒng)的底噪，從而影響雷達(dá)的探測(cè)能力，采用加窗處理可在一定程度上降低旁瓣，但不會(huì)從根本上解決干擾抑制問(wèn)題。

采用全自適應(yīng)數(shù)字陣列，由于單元的信息得到保留，可利用自適應(yīng)空域?yàn)V波［9］技術(shù)，對(duì)干擾實(shí)現(xiàn)有效抑制，同時(shí)在目標(biāo)方向形成最大增益波束，自適應(yīng)處理輸出可表示為

為歸一化常數(shù)。式中:Wopt為自適應(yīng)權(quán)值，將該權(quán)值代人到式(2)，即可得到自適應(yīng)響應(yīng)波束，通過(guò)改進(jìn)的近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，可得到該響應(yīng)波束，從而真實(shí)評(píng)估系統(tǒng)的干擾抑制能力。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究對(duì)象為M×N矩形天線陣列，L波段，單元間隔為λ/2。通過(guò)近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)測(cè)得到的發(fā)射方向圖如圖4所示，方位向最大副瓣電平為-23 dB。

圖4 發(fā)射天線方向圖

測(cè)試的接收方向圖如圖5所示，方位向最大副瓣電平為-36 dB。

圖5 接收天線方向圖

存在單個(gè)干擾時(shí)，干擾從偏離天線陣面法向20°進(jìn)入，通過(guò)自適應(yīng)處理，得到自適應(yīng)權(quán)值，由測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試自適應(yīng)響應(yīng)波束，測(cè)試結(jié)果如圖6所示，在20°處形成有效干擾抑制，零深達(dá)-60 dB。

圖6 自適應(yīng)響應(yīng)波束圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在對(duì)模擬陣列近場(chǎng)測(cè)試闡述的基礎(chǔ)上，對(duì)全自適應(yīng)數(shù)字陣列進(jìn)行系統(tǒng)分析，介紹了陣列模型，近場(chǎng)測(cè)試原理，干擾抑制原理，并給出了實(shí)測(cè)結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)全自適應(yīng)數(shù)字陣列的全面評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)字化改進(jìn)，該測(cè)試系統(tǒng)已具備全自適應(yīng)數(shù)字陣列近場(chǎng)測(cè)試能力，為后續(xù)全數(shù)字陣列的研制打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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