基于光子技術(shù)的相控陣?yán)走_天線現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)

盛永鑫，田曉光

(中國電子科技集團公司第38研究所，安徽 合肥 230031)

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基于光子技術(shù)的相控陣?yán)走_天線現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)

盛永鑫，田曉光

(中國電子科技集團公司第38研究所，安徽 合肥 230031)

摘要：為了保證相控陣?yán)走_的性能，它的天線現(xiàn)場校準(zhǔn)越來越受到重視。本文首先介紹相控陣?yán)走_天線現(xiàn)場校準(zhǔn)的現(xiàn)狀，提出目前存在的問題。然后分析光學(xué)電磁場探測技術(shù)優(yōu)勢，闡述基于光子技術(shù)的相控陣?yán)走_天線現(xiàn)場校準(zhǔn)實現(xiàn)的可行性，建立了現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置。通過實驗驗證，該技術(shù)能實現(xiàn)對相控陣?yán)走_天線現(xiàn)場校準(zhǔn)，具有高精度，對天線的輻射場的影響較小，能滿足相控陣?yán)走_天線現(xiàn)場校準(zhǔn)要求。

關(guān)鍵詞：光子技術(shù)；相控陣?yán)走_天線；現(xiàn)場校準(zhǔn)

0引言

相控陣?yán)走_擺脫了傳統(tǒng)雷達機械伺服控制系統(tǒng)機械慣性大、精度差、速度慢等問題，將雷達的搜索跟蹤反應(yīng)時間提高了數(shù)萬倍，因此相控陣?yán)走_代表了雷達的發(fā)展趨勢并在許多軍事領(lǐng)域扮演著關(guān)鍵的角色。我國的相控陣?yán)走_技術(shù)日益成熟，但隨著雷達的功能越來越強大，結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，天線陣元的數(shù)量也成倍地增加，相控陣?yán)走_天線整體的性能強烈依賴于天線各陣元的性能，特別是天線陣元的幅相特性及各陣元之間的一致性；因此對天線各陣元進行幅相校準(zhǔn)是保證相控陣?yán)走_性能的重要環(huán)節(jié)，開展相應(yīng)的校準(zhǔn)技術(shù)研究及校準(zhǔn)裝置研制具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實需求性。

1相控陣?yán)走_天線校準(zhǔn)現(xiàn)狀

通常相控陣?yán)走_天線在設(shè)計生產(chǎn)完成后需要在微波暗室中進行測量，但一方面，微波暗室室內(nèi)檢測與天線實際使用環(huán)境存在較大差異，因此在雷達的工作環(huán)境中對雷達天線進行現(xiàn)場測量與校準(zhǔn)對掌握雷達的實際性能參數(shù)是十分必要的；另一方面，相控陣?yán)走_天線在實際使用中不可避免地會面臨雷達快速拆撤、轉(zhuǎn)移場地后進行快速布設(shè)，必須進行現(xiàn)場校準(zhǔn)的情況；此外，服役狀態(tài)的天線在長期工作后將產(chǎn)生器件老化、熱變形以及機械形變等問題，引起天線的幅相誤差，因此在天線的整個服役生命周期中，都需要對天線進行定期的現(xiàn)場測量與校準(zhǔn)。利用微波暗室方法是不現(xiàn)實的，因此非常需要一種更為精確的可溯源的現(xiàn)場標(biāo)定校準(zhǔn)裝置來對相控陣?yán)走_天線進行現(xiàn)場校準(zhǔn)，這就需要用到近場測量校準(zhǔn)技術(shù)。在近場測量中，接收天線作為探測器被放在被測天線陣的近場區(qū)域，并對被測天線進行校準(zhǔn)。通常使用的近場接收天線有開口波導(dǎo)、偶極子、喇叭天線等。然而在近場使用這些金屬結(jié)構(gòu)的天線會帶來限制[1-2]。

金屬天線在被測天線陣近場的出現(xiàn)會引起許多不希望的效應(yīng)。金屬天線會干擾天線陣的正常近場分布，對被測場的幅度和相位分布產(chǎn)生扭曲，為了減小因為金屬結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)所帶來的副作用，測量天線需要被經(jīng)過精心設(shè)計的吸波材料所包圍，還需要被放在至少離被測天線陣幾個波長遠的地方，并且通過多次測試進行修正以消除影響。

當(dāng)使用從單個天線的校準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展而來的方法時，天線陣通常被當(dāng)作一個大天線來進行校準(zhǔn)，而天線陣中各個陣元的工作細節(jié)是探測不到的。這一方面是因為測量天線的空間分辨力有限，另一方面是因為無法把測量天線放到離天線陣口徑場足夠近的地方而不對被測場造成任何影響。作為結(jié)果，從天線陣近場測量中得到的信息被局限于對天線陣的一個整體的輪廓式的描述，但是卻不能發(fā)現(xiàn)天線陣內(nèi)任何陣元單獨的行為以及陣元間的相互耦合，而這些信息對正確地校準(zhǔn)和優(yōu)化相控陣天線卻又極具價值，因為在相控陣天線中，雷達波的發(fā)射和接收行為歸根到底是由組成天線陣的每個陣元的發(fā)射和接收行為來決定的。

金屬天線及信號電纜易受外界電磁干擾，而且對天線陣的近場測量需要較大的空間和相當(dāng)重的設(shè)備，所以不適于對相控陣天線進行現(xiàn)場校準(zhǔn)。

為了對復(fù)雜、大尺寸的相控陣?yán)走_天線進行準(zhǔn)確的校準(zhǔn)和性能評估，一種靈活輕便的、能夠看清楚天線陣細節(jié)特征，甚至是能夠分辨單個陣元幅相信息的校準(zhǔn)方法是高度期望的。如此以來，就能夠評估由每個單獨的天線陣元的行為累積起來所體現(xiàn)的整個陣列的性能。采用這種途徑，人們不僅能夠?qū)φ麄€陣列的性能進行評估，而且能夠研究對天線陣的整體性能做出貢獻的每一個因素及每一個細節(jié)。得到了這些細節(jié)，就可以對每個天線陣元的諸如相位等參數(shù)進行單獨的調(diào)節(jié)，從而糾正相位偏移等問題[3]。

2基于光子技術(shù)的相控陣?yán)走_天線現(xiàn)場校準(zhǔn)

一種適合近場天線陣校準(zhǔn)并且能夠替代傳統(tǒng)金屬天線的技術(shù)是光學(xué)電磁場探測技術(shù)。與傳統(tǒng)的基于金屬天線的近場測量不同的是，光學(xué)探測方法利用了激光光束的光學(xué)屬性的改變來探測被測天線的近場幅度和相位信息。把電磁場信息轉(zhuǎn)換成光學(xué)信息的傳感探頭是由微型的電介質(zhì)晶體材料粘附在一根單模光纖的底部而構(gòu)成的。

光學(xué)電磁場探測技術(shù)用于相控陣?yán)走_天線系統(tǒng)的校準(zhǔn)有著諸多的優(yōu)點：

1)對被測場的干擾小。因為光學(xué)電磁場探針由非金屬、低介電常數(shù)、小物理尺寸的晶體材料構(gòu)成，對微波和毫米波基本上是透明的，所以能夠被放在離待測的相控陣天線非常近的位置而不會對被測場造成干擾。

2)空間分辨力高。光學(xué)方法的空間分辨力由激光光束和被測電磁場在光學(xué)探針里的相互作用區(qū)域的尺寸來決定，通常是直徑小于10 μm的一個圓形區(qū)域。這一空間分辨力可以輕易地區(qū)分從每一個單獨的天線陣元發(fā)出的信號，從而得到每一陣元的幅度和相位信息。

3)不受外界環(huán)境的電磁干擾。從光學(xué)探針傳遞回來的信號是以光的形式通過光纖來傳輸，所以信號傳輸通道本身完全不受來自被測天線的任何電磁干擾。而控制系統(tǒng)可以被放在離被測場很遠的地方并通過光纖與光學(xué)探針相連，也不會受到電磁干擾的影響，從而保證了測量的準(zhǔn)確性。

4)光學(xué)探針的物理尺寸小于1 mm。多個探針可以輕易地組成探針陣列，且體積小，重量輕，使得校準(zhǔn)可以在非常小的空間范圍內(nèi)進行，具有很高的機械靈活性。

5)工作帶寬大。電磁場與光的相互作用是一個極快的物理現(xiàn)象，理論上它能夠?qū)Ω哂谔掌澋念l率做出響應(yīng)。同一根光學(xué)探針就可以覆蓋從直流到超過100 GHz的頻率測量范圍。因此一套基于光學(xué)的校準(zhǔn)系統(tǒng)能夠同時滿足各種不同頻段的相控陣?yán)走_天線的校準(zhǔn)需求[4]。

這些優(yōu)點決定了光學(xué)電磁場探測探針非常適合于對相控陣?yán)走_天線進行校準(zhǔn)。光學(xué)電磁場探針陣列與后端連接的光學(xué)校準(zhǔn)主系統(tǒng)一起便構(gòu)成了一個完整的相控陣?yán)走_天線的校準(zhǔn)裝置。這一新型的基于光子技術(shù)的校準(zhǔn)裝置充分利用了光學(xué)電磁場探針對被測場的干擾小、測量精度高、空間分辨力高、體積小等特點，通過對相控陣天線的近場幅度和相位的精確測量，實現(xiàn)對相控陣天線工作模式下的校準(zhǔn)和功效評估。

目前，美國、日本、韓國和法國也在開展類似的工作。我國在光學(xué)電磁場測量領(lǐng)域的研究較少，報道中還沒有出現(xiàn)這一技術(shù)用于相控陣天線的校準(zhǔn)測量。

3基于光電技術(shù)的相控陣?yán)走_天線現(xiàn)場校準(zhǔn)原理

基于光電技術(shù)的相控陣?yán)走_天線現(xiàn)場校準(zhǔn)系統(tǒng)原理圖如圖1所示，其主要包括校準(zhǔn)裝置主系統(tǒng)、光學(xué)探針陣列、系統(tǒng)主機與系統(tǒng)控制軟件。其中校準(zhǔn)裝置主系統(tǒng)是整套設(shè)備的信息傳輸、處理以及控制中心；光學(xué)探針陣列是裝置的電磁場接收感應(yīng)前端；而系統(tǒng)主機與控制軟件負(fù)責(zé)人機交互的界面和通信連接以及后臺的數(shù)據(jù)處理計算。

圖1　基于光電技術(shù)的相控陣?yán)走_天線校準(zhǔn)系統(tǒng)原理框圖

校準(zhǔn)裝置主系統(tǒng)具體可提供光傳輸鏈路、偏振態(tài)控制、光電變換、外差檢測、信號處理以及光路選擇等功能。如圖1所示，雷達信號源發(fā)出的微波信號通過功分器分出部分能量進入校準(zhǔn)裝置主系統(tǒng)，并與低相噪振蕩器產(chǎn)生的低頻信號IF進行混頻，混頻器選擇工作在X波段的單邊帶低噪聲系數(shù)混頻器，混頻后的信號經(jīng)過一個高通濾波器后濾掉IF信號，再經(jīng)過放大器放大后進入電光調(diào)制器加載到光路上。另外，IF信號的一部分被分出并導(dǎo)入鎖相放大器的參考通道作為參考信號。在光學(xué)鏈路中，激光器輸出的激光經(jīng)過高速的電光調(diào)制器，加載了雷達射頻信號與IF信號的混頻信號(RF+IF)。經(jīng)過電光調(diào)制器的激光光束經(jīng)過一個光學(xué)環(huán)行器后被導(dǎo)入光開關(guān)，在系統(tǒng)軟件的控制下，光開關(guān)進行快速切換將光束導(dǎo)入到與之相連的光學(xué)電磁場接收探針陣列中的任一探針單元。在光學(xué)接收探針里，電光晶體將感應(yīng)到的天線輻射近場信號RF加載到已經(jīng)被調(diào)制了的激光光束上(RF+IF)，即在電光晶體中產(chǎn)生混頻作用，產(chǎn)生的差頻信號IF正好等于低噪信號源提供的IF信號頻率?？梢钥闯?，光學(xué)接收探針在這里扮演了兩個角色，一是電磁場的接收天線，二是混頻器。從光學(xué)接收探針端面返回的光束經(jīng)過同樣的路徑再回到光學(xué)主系統(tǒng)中，然后經(jīng)由光電信號處理模塊進行偏振解調(diào)，再經(jīng)過PD轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柡蟊粚?dǎo)入鎖相放大模塊的信號通道。在鎖相放大器模塊中，從光學(xué)系統(tǒng)傳回的IF信號與振蕩器提供的參考信號進行比相和放大，最后給出被測電磁場的相對幅度和相對相位信息數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集及處理模塊提取處理并送入主機系統(tǒng)進行進一步的數(shù)據(jù)處理[5-6]。

4基于光電技術(shù)的相控陣?yán)走_天線現(xiàn)場校準(zhǔn)實驗驗證

國內(nèi)X波段的相控雷達廣泛使用在預(yù)警探測、目標(biāo)監(jiān)視、微波成像、大氣海洋環(huán)境探測、通信衛(wèi)星等領(lǐng)域，為了驗證基于光電技術(shù)的相控陣?yán)走_天線現(xiàn)場校準(zhǔn)可行性，設(shè)計了X波段4×4光學(xué)探針陣列的校準(zhǔn)系統(tǒng)。

采用探針陣列的方式可以避免現(xiàn)場校準(zhǔn)中的掃描過程，但為了精確定位各個探針的位置以抑制探針位置差異引入的各天線單元輻射相對相位誤差，必須設(shè)計精確的安裝架，為了達到快速現(xiàn)場校準(zhǔn)的目的，我們設(shè)計可固化在相控陣天線上的安裝架(如圖2所示)。安裝支架由絕緣材料構(gòu)成，兩端可以固定在雷達天線上，從支架上伸出固定臂，利用卡扣將光學(xué)探針固定在雷達天線陣元上方。安裝支架一體成型，具有很高的定位精度，并且可以保證各探針之間的位置一致性和高度一致性。固定架結(jié)構(gòu)簡單且由絕緣介質(zhì)材料構(gòu)成，可固定安裝在相控陣?yán)走_天線上，易于探針的快速安裝定位，保證現(xiàn)場快速校準(zhǔn)的要求。

圖2　探針陣列安裝示意圖

通過本系統(tǒng)校準(zhǔn)X波段相控陣?yán)走_天線，天線單元的幅度和相位校準(zhǔn)精度優(yōu)于傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方法。通過實驗驗證，幅度測量準(zhǔn)確度為0.35 dB，相位測量準(zhǔn)確度為2.0°。具體數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1　幅度測量準(zhǔn)確度驗證數(shù)據(jù)

表2　相位測量準(zhǔn)確度驗證數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)已應(yīng)用到機載成像雷達天線系統(tǒng)校準(zhǔn)。通過安裝在天線上，快速直接測量每個陣列單元的幅相信息，進行幅相校準(zhǔn)標(biāo)定修正。通過本方法校準(zhǔn)天線系統(tǒng)后，大幅提升了雷達的指向精度和副瓣電平等重要指標(biāo)。

5結(jié)論

針對相控陣?yán)走_天線的現(xiàn)場校準(zhǔn)需求，開展基于光子技術(shù)的相控陣?yán)走_天線現(xiàn)場校準(zhǔn)方法的研究，利用光學(xué)電磁場探針對被測場的干擾小、測量精度高、空間分辨力高、體積小等優(yōu)點，建立基于光子技術(shù)的相控陣?yán)走_天線現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置，通過對相控陣天線的近場幅度和相位的精確測量，實現(xiàn)對相控陣天線工作模式下的校準(zhǔn)和功效評估，滿足相控陣?yán)走_天線現(xiàn)場校準(zhǔn)的需要。

參考文獻

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《宇航計測技術(shù)》2015年第6期目次

級間開縫間隙傳感器動態(tài)測試方法研究

特高壓線路干擾下無線電羅盤測角誤差分析

一種雙冗余LVDT式位移傳感器設(shè)計

導(dǎo)航星座自主運行平行系統(tǒng)的軌道計算方法

基于激光測距的飛艇凈重在線計算方法研究

關(guān)于角度量列為基本量的探討

軌姿控發(fā)動機動態(tài)推力與推力矢量測試系統(tǒng)研制

直管和彎管比較下的疲勞試驗臺穩(wěn)定性的研究

基于雙力源的疊加式多維力傳感器校準(zhǔn)裝置研究

稱重法低溫介質(zhì)流量校驗系統(tǒng)方案研究

改進小波閾值去噪法在管道泄漏檢測中的應(yīng)用

砝碼校準(zhǔn)能力驗證方案的設(shè)計

壓力傳感器單電源調(diào)理電路技術(shù)研究

衛(wèi)星擴頻信號抗窄帶干擾性能限研究

裝備時延校準(zhǔn)及監(jiān)控技術(shù)研究

無人直升機艦上自主起降設(shè)計及實現(xiàn)

伺服系統(tǒng)用反饋電位計故障分析及對策

一種多通道電子負(fù)載器的設(shè)計

PSO神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在光電探測設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用

新書《聚焦超級核能》鎖定核輻射及其計量

本刊訊：2011年3月11日，日本大地震、海嘯引發(fā)的核泄漏事件吸引了全世界對核安全的關(guān)注，人們不得不再次對核能的研發(fā)和利用進行全面的思考。為了讓更多的讀者了解核方面的知識和發(fā)展現(xiàn)狀，了解核輻射的來源、特點、危害和防護，作者容超凡(國防科技工業(yè)電離輻射一級計量站原副站長)歷時兩年編著了《聚焦超級核能》一書，現(xiàn)已由北京出版社出版，全國新華書店經(jīng)銷。此書是北京市科技協(xié)會組織編寫的系列科普叢書"科學(xué)家在做什么"中的一個分冊，全書共4章，其中第3章詳細介紹了核輻射的準(zhǔn)確測量問題，從核輻射測量什么、核輻射與物質(zhì)的相互作用、測量所用設(shè)備、測量儀器的檢定和校準(zhǔn)、測量結(jié)果的準(zhǔn)確表述等方面做了通俗易懂的講解，閱讀這本書，對于從事計量測試技術(shù)的科研人員定能有所收獲。

On-site Calibration of Phased Array Radar Antennas Based on Optical Technology

SHENG Yongxin，TIAN Xiaoguang

(CETC No.38 Research Institute，Hefei 230031，China)

Abstract：The on-site calibration of antennas is getting much more attention now because it can greatly impact the performance of the phased array radar.This paper introduces the current situation of on-site calibration of antennas and puts forward some existent problems.It focuses on analysing the advantages of optical-electromagnetic field detect technique and proving on-site calibration of phased array radar antennas based on optical technology is entirely feasible，by building the on-site calibration device and doing some experiments.With this technology，parameters of phased array radar antennas can be calibrated accurately with less impact on radiation field of antennas.It can meet the requirements of the on-site calibration of phased array radar antennas.

Key words：optical technology；phased array radar antenna；on-site calibration

作者簡介：盛永鑫(1979-)，男，主要從事雷達測試與計量保障技術(shù)研究。

收稿日期：2015-09-29；修回日期：2015-10-12

中圖分類號：TB97；TN95

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-5795(2015)06-0020-04

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.06.05