通道相位不平衡對(duì)火控雷達(dá)測角影響分析

王李民,鄭啟寧,楊俊東

(1.海軍92493部隊(duì),遼寧葫蘆島125001;2.海軍航空兵學(xué)院,遼寧葫蘆島125001)

0 引言

單脈沖雷達(dá)由于測角精度高而得到廣泛應(yīng)用,其對(duì)和差通道中的相位一致性要求較高,因?yàn)槠渲苯佑绊憸y量精度,相位不平衡有可能造成測角靈敏度降低甚至測量結(jié)果完全失真。在設(shè)備交驗(yàn)過程中及重大任務(wù)前,都應(yīng)對(duì)和差通道相位的一致性進(jìn)行檢查,對(duì)于由于種種內(nèi)部和外部因素導(dǎo)致的一致性超差,應(yīng)及時(shí)分析誤差產(chǎn)生原因,并采用信號(hào)處理等方式加以補(bǔ)償,以保證測角精度。本文對(duì)某型火控雷達(dá)在工作中出現(xiàn)的相位跳變問題進(jìn)行分析,闡述了影響雷達(dá)相位一致性的因素,并通過仿真分析了相關(guān)參數(shù)對(duì)雷達(dá)測角特性的影響。

1 振幅和差式單脈沖測角理論

單脈沖測角技術(shù)是通過比較兩個(gè)或多個(gè)同時(shí)天線波束的接收信號(hào)來獲得精確的角位置信息[1]。在跟蹤雷達(dá)中,單脈沖處理器輸出的角偏差誤差信號(hào)送入雷達(dá)天線的隨動(dòng)角伺服系統(tǒng),以驅(qū)動(dòng)天線向角誤差減小的方向運(yùn)動(dòng),從而使天線波束連續(xù)追隨目標(biāo)前進(jìn)[2]。

在振幅和差單脈沖雷達(dá)系統(tǒng)中,如圖1所示,為了確定一個(gè)平面內(nèi)的角坐標(biāo),就要形成兩個(gè)互相迭交的天線方向圖,并設(shè)它們的中心線對(duì)等強(qiáng)信號(hào)方向偏離的角度分別為±θs。在零軸上,兩波束圖幅度相等,當(dāng)目標(biāo)在A點(diǎn),并且從零偏離θ角時(shí),則低波束接收信號(hào)大于高波束接收信號(hào),兩個(gè)信號(hào)的幅度差即表示等強(qiáng)方向的偏移量,而兩個(gè)幅度之差的符號(hào)則表示等強(qiáng)方向相對(duì)于目標(biāo)的偏離方向。典型的單脈沖雷達(dá)接收機(jī)通常有和、方位差、俯仰差三個(gè)接收支路,并對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行歸一化處理。因?yàn)榛鹂乩走_(dá)在跟蹤目標(biāo)時(shí),目標(biāo)始終處于天線電軸附近,所以和信號(hào)的幅度近似地與目標(biāo)的偏差角無關(guān),僅隨目標(biāo)回波的大小而變,而且這種變化和、差信號(hào)都是一致的。通過對(duì)和、差信號(hào)進(jìn)行歸一化,差信號(hào)中回波幅度變化的影響便能較好地消除。和差方向圖如圖2所示。

圖1 振幅定向法中角坐標(biāo)的確定

圖2 和差方向圖

下面簡要敘述單脈沖系統(tǒng)工作流程與原理。

設(shè)兩個(gè)分別與零軸方向偏離±θs的天線波束方向圖F1(θ)與F2(θ),當(dāng)目標(biāo)偏離等強(qiáng)信號(hào)方向的偏移量很小時(shí),天線第一支路和第二支路輸出的信號(hào)由以下兩式確定：

式中,Em為θ方向的目標(biāo)回波信號(hào)。

假定波導(dǎo)橋?qū)β势骄峙?則波導(dǎo)橋輸出的和信號(hào)及差信號(hào)分別為

現(xiàn)假定目標(biāo)的誤差角為ε,在跟蹤狀態(tài),ε很小,將Δ展開成Talor級(jí)數(shù)并忽略高次項(xiàng),則

2 通道不一致影響

比幅單脈沖雷達(dá)的角度提取一般采用和差支路相位檢波,圖3給出了雙平面內(nèi)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行單脈沖定向的幅度和、差單脈沖系統(tǒng)原理框圖。

圖3 幅度和差單脈沖系統(tǒng)原理框圖

單脈沖天饋線形成的和、差信號(hào)通常要經(jīng)過高頻放大器、混頻放大器及中頻放大器再送到差路相位檢波器進(jìn)行處理,最終差支路鑒相器輸出可表示為(取實(shí)部)

式中,Σ及φΣ分別為輸入接收機(jī)和支路的模及相角;Δ及φΔ分別為輸入接收機(jī)差支路的模及相角;E為AGC的比較電平;KΣ1,KΔ1分別為和、差支路高頻放大器、混頻放大器及中頻放大器部分總增益的模,其總相移分別為φKΣ,φKΔ。從式(6)可以看出,相位差的存在會(huì)使測角靈敏度降低。

為了得到較高的測角精度,設(shè)計(jì)中一般盡量采用數(shù)字補(bǔ)相方法使φKΣ與φKΔ之間的相位差為0。由于種種內(nèi)部和外部因素,通道間的一致性很難得到保證,引起接收機(jī)相位不一致的原因有：

(1)零件很難嚴(yán)格按照給定的公差制造;

(2)零件在使用過程中不可避免地會(huì)老化,因而引起一些參數(shù)的變化;

(3)在設(shè)備的使用過程中,因個(gè)別元件的溫升使某些電路失調(diào)及失配;

(4)雷達(dá)可能會(huì)受到外界雜波的作用。

3 和、差通道相位不一致對(duì)測角精度的影響

為了分析通道相位差對(duì)雷達(dá)測角精度的影響,進(jìn)行如下仿真。仿真研究中天線方向圖用高斯函數(shù)近似：

從圖4可以看出,60°相位不平衡會(huì)引起定向曲線斜率變小,測角靈敏度明顯降低,同時(shí)從圖5還可以看出,10°相位不平衡對(duì)定向特性曲線幾乎沒有影響。

圖4 相位差為60°對(duì)測向曲線的影響

圖5 相位差為10°對(duì)測向曲線的影響

4 通道相位一致性改進(jìn)方法

雷達(dá)通道相位不一致對(duì)測角精度、跟蹤質(zhì)量都有直接的影響[3],因此一定要在必要的環(huán)節(jié)按一定的要求去控制相位差別。除了在設(shè)計(jì)時(shí)盡量保證各支路相位一致性外[4],還應(yīng)在使用過程中采用相應(yīng)的改進(jìn)方法[5],以保證系統(tǒng)的測量精度,改進(jìn)方法很多[6],本文主要從信號(hào)注入法和標(biāo)定法兩個(gè)方面作介紹。

4.1 信號(hào)注入法

將合成信號(hào)源的射頻輸出接天線方位(俯仰)測試信號(hào)注入口,用示波器接中頻接收機(jī)相干檢波和路信號(hào)與方位(俯仰)差路信號(hào)。改變射頻點(diǎn),在示波器上讀出每一點(diǎn)頻方位差(俯仰差)信號(hào)相對(duì)于和信號(hào)的相位延遲時(shí)間和信號(hào)周期,計(jì)算出每一點(diǎn)頻的相位差,利用信號(hào)處理方法對(duì)接收機(jī)三路通道進(jìn)行相位修正。

4.2 標(biāo)定法

在距離雷達(dá)站適當(dāng)距離處架設(shè)高度滿足要求的信號(hào)源(或用氣球托起反射體),以形成孤立的點(diǎn)目標(biāo),以標(biāo)定的電軸中心為參考點(diǎn),將天線方位和俯仰各拉偏1 mrad,讀取方位(俯仰)誤差,改變頻點(diǎn),記錄每一頻點(diǎn)的誤差,利用信號(hào)處理方法對(duì)接收機(jī)三路通道相位一致性進(jìn)行補(bǔ)償。

通過補(bǔ)償和修正,接收通道相位誤差都能控制在10°之內(nèi),能夠滿足雷達(dá)測角精度要求。

5 改進(jìn)方法效能分析

如果和通道與差通道之間存在相位不平衡,有相位差Δφ2,其影響主要反映在測角靈敏度的降低和天線電軸的漂移上。以某型雷達(dá)為例,由于微波接收機(jī)和路場放組件老化造成了相位差不穩(wěn)定,通過信號(hào)注入法對(duì)相位進(jìn)行校正。表1和表2分別是在和路場放更換前和更換后和路與俯仰支路相位差的變化情況。

表1 和路場放更換前數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 和路場放更換后數(shù)據(jù)對(duì)比

從表1可以看出,由于微波組件老化造成通道相位差變化最大達(dá)到45°,在更換相關(guān)組件并經(jīng)過相位調(diào)整后,通道相位差在10°之內(nèi),如表2所示。

6 結(jié)束語

本文研究了實(shí)際中應(yīng)用比較廣泛的振幅和差式單脈沖雷達(dá)測角特性,分析了通道相位不一致的影響因素,結(jié)合實(shí)例介紹了高頻器件老化造成和差通道相位差的變化情況。最后通過仿真模擬了誤差大小對(duì)定向曲線的影響,仿真結(jié)果表明,相位不平衡會(huì)極大地影響單脈沖雷達(dá)測角靈敏度,進(jìn)一步說明了驗(yàn)前相位檢查的重要性。

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