有源相控陣天線快速檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉京然，王 星，程嗣怡，趙 亮

(1. 空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院， 西安 710038； 2. 中國(guó)西南電子設(shè)備研究所， 成都 610036)

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·天饋伺系統(tǒng)·

有源相控陣天線快速檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉京然1，王 星1，程嗣怡1，趙 亮2

(1. 空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院， 西安 710038； 2. 中國(guó)西南電子設(shè)備研究所， 成都 610036)

機(jī)載電子戰(zhàn)系統(tǒng)有源相控陣天線的完整參數(shù)檢測(cè)方法步驟復(fù)雜且消耗時(shí)間較長(zhǎng)，文中基于有源相控陣天線波束捷變特性設(shè)計(jì)出新的天線檢測(cè)方法，可實(shí)現(xiàn)有源相控陣天線檢測(cè)過程自動(dòng)化，從而大幅提高天線全波位、多頻點(diǎn)方向圖參數(shù)測(cè)量速度，并使用改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度數(shù)據(jù)分析算法(GRA)，對(duì)測(cè)量所得的參數(shù)集進(jìn)行快速計(jì)算與故障原因分析。為機(jī)載電子戰(zhàn)系統(tǒng)有源相控陣天線的研制、開發(fā)、檢測(cè)提供了技術(shù)支持。

有源相控陣天線；故障檢測(cè)；方向圖；灰色關(guān)聯(lián)度

0 引 言

如今的有源相控陣天線已經(jīng)應(yīng)用到雷達(dá)、電子對(duì)抗、通信導(dǎo)航等諸多領(lǐng)域，成為軍隊(duì)國(guó)防的重要裝備之一。隨著高度集成技術(shù)的進(jìn)步，有源相控陣天線的天饋單元體積越做越小，其故障檢測(cè)與定位難度也越來越大。而對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間工作在復(fù)雜電磁環(huán)境或惡劣條件下的有源相控陣天線器件，大功率信號(hào)的收、發(fā)容易使其中的T/R組件、饋線與波束形成網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)性能或穩(wěn)定性降低的情況[1]。而性能減弱會(huì)使天線對(duì)于大角度發(fā)射、接收的波束發(fā)生畸變，從而影響探測(cè)、干擾性能。但現(xiàn)有的有源相控陣天線檢測(cè)受其方法與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的雙重制約，其全部測(cè)量時(shí)間需要數(shù)百小時(shí)。

本文對(duì)此出現(xiàn)的性能檢測(cè)需求，設(shè)計(jì)研制機(jī)載電子戰(zhàn)系統(tǒng)有源相控陣天線的遠(yuǎn)場(chǎng)暗室檢測(cè)系統(tǒng)，基于有源相控陣天線波束捷變特性提出的一種新的參數(shù)測(cè)量方法，可將有源相控陣天線的全波位、多頻點(diǎn)參數(shù)測(cè)量、分析時(shí)間從理論上的數(shù)百小時(shí)縮短至3小時(shí)內(nèi)完成，使用改進(jìn)后的灰色關(guān)聯(lián)度分析算法實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量參數(shù)的快速分析與故障定位，為基地級(jí)大修廠、研究所或生產(chǎn)廠家的有源相控陣天線陣面故障單元定位與修后檢測(cè)提供了技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1.1 基礎(chǔ)理論

為使天線測(cè)試方法適用于暗室內(nèi)的天線性能測(cè)試，需要對(duì)待測(cè)的小型有源相控陣天線進(jìn)行遠(yuǎn)近場(chǎng)界限計(jì)算，設(shè)天線的陣面最大口徑為D，根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)劃分(夫瑯禾費(fèi)區(qū))界限的定義[2]：使入射到待測(cè)天線口面的電磁波近似于平面波，滿足從信號(hào)源球面波前到達(dá)待測(cè)天線邊緣與天線中心的相位差為π/8，可算出

(1)

式中：R為遠(yuǎn)近場(chǎng)劃分最小距離；λ為測(cè)量頻點(diǎn)射頻信號(hào)波長(zhǎng)。對(duì)小型有源相控陣線來說，R的大小允許讓天線在暗室內(nèi)實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)場(chǎng)的參數(shù)測(cè)量，這樣在天線參數(shù)測(cè)量過程中可有效減小外界的電磁干擾，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)在測(cè)量過程中模擬實(shí)際使用場(chǎng)景的各種需求。

為對(duì)有源相控陣天線性能進(jìn)行檢測(cè)分析，其中重要方法是通過該天線的方向圖參數(shù)測(cè)量，計(jì)算出天線能否達(dá)到相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)。完整的天線方向圖是一個(gè)三維空間圖形，可以將方向圖F(θ,φ)表示為[3]

k(dr2sinθ-β)]}

(2)

式中：i,k為天線第(i,k)個(gè)天線陣元；θ,φ為球坐標(biāo)下的目標(biāo)較參考中心(0，0)陣元方向角；ak為幅度加權(quán)系數(shù)；d1和d2為天線陣元水平與豎直方向間距；α和β分別為第(i,k)陣元與第(0,0)陣元的水平和豎直方向的陣內(nèi)相位差。

對(duì)于均勻分布式的平面相控陣天線而言，其F(θ,φ)可表示為

|F(θ,φ)|=|F1(θ,φ)·F2(θ)|

(3)

式中：F1(θ,φ)為水平線陣的方向圖；F2(θ)為垂直線陣的方向圖。

與機(jī)械掃描天線不同的是，有源相控陣天線的每一個(gè)波束位置都有對(duì)應(yīng)該波位的收/發(fā)幅值-角度直角坐標(biāo)圖(下文簡(jiǎn)稱為波位方向圖)，此圖與相控陣天線方向圖類似，可從其中獲得天線在不同波束位置處的主瓣寬度、旁瓣電平、前后比和方向系數(shù)等參數(shù)。另外，當(dāng)波束靠近天線有效工作范圍邊緣時(shí)，波形通常會(huì)發(fā)生畸變，主瓣展寬，旁瓣增高，對(duì)于T/R組件長(zhǎng)時(shí)間高溫工作的有源相控陣天線來講，會(huì)加劇此情況發(fā)生。因此，裝備科研單位與維修部門將波位方向圖測(cè)量分析作為產(chǎn)品、裝備必要的檢測(cè)手段。

1.2 測(cè)試方法設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段的有源相控陣天線參數(shù)測(cè)量方法[4]是將天線放置于轉(zhuǎn)臺(tái)上，將測(cè)量頻點(diǎn)參數(shù)設(shè)定好，固定天線波束位置旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)并記錄，機(jī)械旋轉(zhuǎn)過程中，天線波束位置保持不變，待轉(zhuǎn)臺(tái)從-90°旋轉(zhuǎn)至+90°位置后，結(jié)束當(dāng)前測(cè)量，改變波束位置至下一待測(cè)波位，之后再重復(fù)上述工作，直到所有波位方向圖參數(shù)測(cè)量完成。此方法耗時(shí)巨大，對(duì)陣元數(shù)量較多的有源相控陣天線會(huì)需要消耗數(shù)百小時(shí)的測(cè)試時(shí)間。在實(shí)際工程應(yīng)用中常用抽檢的方式隨機(jī)選取某些頻點(diǎn)和波位來替代上述方法，但是此種抽檢方法效率低，而且極易漏檢。

由于有源相控陣天線的波位捷變能力可以在毫秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)空域內(nèi)所有波位的電控掃描，將此優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于其性能檢測(cè)過程，把波位捷變與轉(zhuǎn)動(dòng)較慢的機(jī)械掃描相結(jié)合，可使波位方向圖參數(shù)測(cè)量時(shí)間從理論上的幾百小時(shí)縮短至數(shù)小時(shí)之內(nèi)，并且不受天線口徑與陣元數(shù)目影響。圖1為改進(jìn)后的有源相控陣天線檢測(cè)系統(tǒng)原理圖。

通過主控計(jì)算機(jī)對(duì)微波信號(hào)源、天饋單元中T/R組件與轉(zhuǎn)臺(tái)的聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)待測(cè)頻點(diǎn)、波位的數(shù)據(jù)測(cè)量，之后接收并記錄由微波接收機(jī)輸出的三路和差信號(hào)，待數(shù)據(jù)測(cè)量過程結(jié)束后進(jìn)行參數(shù)計(jì)算分析。以某一頻點(diǎn)波束寬度為6°的有源相控陣天線陣為例，在其左右、俯仰的 探測(cè)范圍內(nèi)可以排列20×20個(gè)外切波位，由式(3)可知測(cè)量過程只需測(cè)量其水平與豎直方向即可，如圖2所示[5]。

圖1 有源相控陣天線檢測(cè)原理圖

圖2 水平波束位置排序示意圖

測(cè)量開始前，由于天線性質(zhì)的原因，不同頻點(diǎn)波束的3 dB帶寬不同，所以需要將待測(cè)試的所有頻點(diǎn)，波位信息輸入主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，之后將有源相控陣天線放置于轉(zhuǎn)臺(tái)上，對(duì)齊轉(zhuǎn)臺(tái)上的天線陣面基準(zhǔn)線后才能開始測(cè)試，從-90°位置開始每次以1°遞進(jìn)旋轉(zhuǎn)直至+90°位置，每旋轉(zhuǎn)1°轉(zhuǎn)臺(tái)停止數(shù)秒，期間通對(duì)波位1至波位20快速掃描后，控制信號(hào)源產(chǎn)生下一頻點(diǎn)射頻信號(hào)，再進(jìn)行對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的波位控制測(cè)量。接收到的信號(hào)經(jīng)過合路器輸出一路和信號(hào)和兩路差信號(hào)，接入主控計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)矩陣等待之后的數(shù)據(jù)分析處理。信號(hào)矩陣定義如下

(4)

式中：A1(f,i,k,n)為天線水平放置時(shí)在fGHz信號(hào)頻點(diǎn)下轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)至k°，波位i的和信號(hào)第n次測(cè)量數(shù)據(jù)，n的定義是為補(bǔ)測(cè)時(shí)預(yù)留的參數(shù)設(shè)置。由該天線測(cè)量出的水平方向數(shù)據(jù)可以看做為一個(gè)和信號(hào)參數(shù)三維點(diǎn)陣和兩個(gè)差信號(hào)參數(shù)三維點(diǎn)陣的總集合，該集合可以有效反映有源相控陣天線的所有參數(shù)性能，如圖3所示。

圖3 有源相控陣天線和信號(hào)參數(shù)點(diǎn)陣示意圖

天線在水平放置狀態(tài)測(cè)量完后，將天線陣面順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°放置，重復(fù)上述測(cè)量步驟，完成天線陣面的豎直方向參數(shù)測(cè)量，得到A2、B2、C2參數(shù)集之后，輸出測(cè)量參數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算分析，由于相控陣天線的陣元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常采用非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性設(shè)計(jì)，所以當(dāng)天線旋轉(zhuǎn)后，天線陣元的位置關(guān)系會(huì)發(fā)生變化，測(cè)量所得的方向圖數(shù)據(jù)也會(huì)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)變化，這為后文中的故障區(qū)域識(shí)別奠定基礎(chǔ)。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法研究

得到和信號(hào)參數(shù)點(diǎn)陣后，將每一頻點(diǎn)的參數(shù)矩陣按照行的方式制角度-幅度直角坐標(biāo)圖，即可得到該型天線對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)、波位的天線波位方向圖。之后采用傳統(tǒng)天線方向圖的數(shù)據(jù)處理方法分析其系統(tǒng)參數(shù)即可[6]，此處將不再介紹。

由于測(cè)得的6個(gè)點(diǎn)陣包含數(shù)據(jù)量非常大，而測(cè)試的目標(biāo)是為了檢測(cè)天線的性能衰減、故障和故障定位，為此引入灰色關(guān)聯(lián)度分析算法，通過直接對(duì)比整體點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的方法，用少量的計(jì)算方式來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

1.3.1 灰色關(guān)聯(lián)度

灰色關(guān)聯(lián)度分析法(GRA)是一種可對(duì)多因素統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析方法，最初的鄧氏關(guān)聯(lián)通過簡(jiǎn)潔的計(jì)算即可反應(yīng)兩序列見發(fā)展過程或量級(jí)的相近性[7]。灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算方式為

設(shè)參照序列X0={x0(k),k=1,2,…,n}和待對(duì)比序列Xi={xi(k),k=1,2,…,n},(i=1,2,…,m)，那么X0和Xi的灰色關(guān)聯(lián)度γ(X0,Xi)定義為

(5)

其中

[|x0(k)-xi)k)|+

(6)

式中：ρ為分辨系數(shù)，且ρ∈[0,1]。將m個(gè)γ(X0,Xi)按照自大到小的順序排列起來，來判斷X0和Xi之間的關(guān)聯(lián)度大小。

但是，此種關(guān)聯(lián)法在應(yīng)用時(shí)存在一些缺陷，文獻(xiàn)[7]里面指出了由于兩兩因素的關(guān)聯(lián)度在計(jì)算過程中參照序列不同，使其不具有可比性，無法進(jìn)行因素分析，文獻(xiàn)[8]證明了不滿足規(guī)范性。同時(shí)，灰色系統(tǒng)的提出是為計(jì)算多組待比較數(shù)據(jù)與參照數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)度，計(jì)算結(jié)果對(duì)于每組待比較數(shù)據(jù)都為一個(gè)γ(X0,Xi)(γ∈[0,1])，這無法滿足對(duì)于有源相控陣天線的數(shù)據(jù)對(duì)比需求，因此需對(duì)此算法作如下改進(jìn)。

1.3.2 算法改進(jìn)

為確定天饋系統(tǒng)是否有性能減弱或故障存在，需要對(duì)天線測(cè)量出的6組數(shù)據(jù)點(diǎn)陣與其出廠測(cè)量值進(jìn)行關(guān)聯(lián)性對(duì)比，計(jì)算每一個(gè)頻點(diǎn)、方向和波位接收信號(hào)幅值與出廠值之間的灰色關(guān)聯(lián)度。因此，所需要的關(guān)聯(lián)度為逐個(gè)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)值而非整體的數(shù)據(jù)的平均關(guān)聯(lián)值。這樣從點(diǎn)到面的數(shù)據(jù)處理方法也就避免了灰色關(guān)聯(lián)計(jì)算過程中存在的不保序性和無法驗(yàn)證負(fù)相關(guān)的弊端。

鄧氏關(guān)聯(lián)度算法中，k為序列中數(shù)據(jù)的排序代號(hào)，對(duì)k進(jìn)行如下更改，令k=(-90,-89,…,0,1,…,90)，代表著天線參數(shù)矩陣角度采樣編號(hào)，從而方便之后的故障定位。在實(shí)際應(yīng)用中，k的取值可隨實(shí)際機(jī)械旋轉(zhuǎn)角度需要進(jìn)行更改。

由于天線參數(shù)在測(cè)量過程中，天線接收到的微波信號(hào)功率與實(shí)際微波發(fā)射天線的發(fā)射功率和距離有關(guān)，為使檢測(cè)測(cè)量結(jié)果與天線出廠數(shù)據(jù)具有可比較性，需將天線參數(shù)進(jìn)行歸一化預(yù)處理，即

(7)

在對(duì)A(f,i,k,n)的預(yù)處理過程中，需要對(duì)每一頻點(diǎn)、每一波位包含的所有角度對(duì)應(yīng)參數(shù)進(jìn)行分組預(yù)處理，定義n=0為天線出廠測(cè)量數(shù)據(jù)，則灰色關(guān)聯(lián)度γ需做如下更改

(|y(f,i,k,0)-y(f,i,k,n)|+

(8)

[|y(f,i,k,0)-y(f,i,k,n)|+

(9)

式中：ρ∈(0,1]，取值大小需要視實(shí)際檢測(cè)的有源相控陣天線指標(biāo)要求而定，ρ取值越小關(guān)聯(lián)度計(jì)算值越靈敏。

將所有滿足0.33≤γ<γ0的γ(f,i,k,n)作為天線故障判斷特征值的f、i、k位置進(jìn)行分析，或者與先驗(yàn)故障數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)即可實(shí)現(xiàn)待測(cè)天線的故障檢測(cè)與定位。

1.4 天線測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)測(cè)量、分析流程及實(shí)例應(yīng)用

有源相控陣天線快速檢測(cè)系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 有源相控陣天線快速檢測(cè)流程圖

為使測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確，系統(tǒng)加入了故障數(shù)據(jù)補(bǔ)測(cè)功能，將灰色關(guān)聯(lián)度γ(f,i,k,n)小于判決門限γ0對(duì)應(yīng)參數(shù)的頻點(diǎn)f、波位i與角度k記錄下并進(jìn)行兩次補(bǔ)測(cè)，等測(cè)量過程全部結(jié)束后，將所有測(cè)得的數(shù)據(jù)匯總存儲(chǔ)。為使計(jì)算結(jié)果能清晰的反應(yīng)存疑點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)可視化分析，系統(tǒng)可按不同頻點(diǎn)的灰色關(guān)聯(lián)度數(shù)據(jù)分開作圖。圖5為有源相控陣天線實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算獲得的灰色關(guān)聯(lián)度散點(diǎn)圖(局部放大圖)。

圖5 有源相控陣天線實(shí)測(cè)灰色關(guān)聯(lián)度散點(diǎn)圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程中用金屬片擋住了某一個(gè)天線陣元，模擬該陣元失效，從而判斷算法能否對(duì)有源相控陣天線性能減弱的實(shí)際情況作出檢驗(yàn)。其中，淺色數(shù)據(jù)點(diǎn)為可能存在性能減弱的參數(shù)點(diǎn)，深色數(shù)據(jù)點(diǎn)為存疑數(shù)據(jù)。深色數(shù)據(jù)點(diǎn)的出現(xiàn)會(huì)受以下因素的影響而出現(xiàn)：

(1)灰色關(guān)聯(lián)度影響因子ρ與故障判斷門限值；

(2)有源相控陣天線放置于轉(zhuǎn)臺(tái)上所出現(xiàn)的誤差角度；

(3)系統(tǒng)自身噪聲影響；

(4)環(huán)境噪聲影響；

(5)有源相控陣天線出現(xiàn)的器件性能下降或者器件損壞，包括天線陣面陣元天線、T/R組件、合路器、波束形成網(wǎng)絡(luò)、饋線、連接插口等。

由于通過GRA算法得到的數(shù)據(jù)為天線整體系統(tǒng)的參數(shù)分析，尤其適用于陣元密度低、數(shù)量較少的有源相控陣天線--電子戰(zhàn)系統(tǒng)有源陣列，通過對(duì)數(shù)據(jù)存疑參數(shù)的位置分析可以確定所出現(xiàn)性能衰減或故障的天饋單元。如果應(yīng)用此方法對(duì)陣元數(shù)量很多的大型相控陣天線進(jìn)行故障定位是較為困難的，只能從6組測(cè)量點(diǎn)陣中提取方向圖參數(shù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)束語

本文將介紹的有源相控陣天線測(cè)試新方法與參數(shù)處理改進(jìn)方法成功應(yīng)用于所設(shè)計(jì)研制的檢測(cè)設(shè)備實(shí)際檢測(cè)中，將天線存在故障的失效區(qū)域陣元分析出來，證明了新的檢測(cè)方法與參數(shù)處理方法的可行性，為有源相控陣天線測(cè)試、調(diào)試、故障定位、維修閉環(huán)流程提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

此方法較適用于天線各模塊的自檢狀態(tài)正常，但整體性能指標(biāo)出現(xiàn)異常的情況，之后通過結(jié)合檢測(cè)設(shè)備的模塊測(cè)試分系統(tǒng)進(jìn)行天線模塊的拆解、測(cè)試、分析、維修，可以大幅提高檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)、維修效率與可靠性。

需要說明的是，目前基于GRA算法的天線故障定位方法應(yīng)用在陣元較少的機(jī)載電子對(duì)抗相控陣天線效果更好，它需要人工分析其存疑參數(shù)點(diǎn)的位置而推算出天線的故障位置。下一步工作應(yīng)重點(diǎn)放在建立較完善的天線故障先驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，并與故障診斷算法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)定位等方面。

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劉京然 男，1991年生，碩士研究生。研究方向?yàn)樾畔⑴c通信工程。

王 星 男，1965年生，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗理論與技術(shù)。

程嗣怡 男，1980年生，副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗理論與技術(shù)。

趙 亮 男，1978年生，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)樽詣?dòng)測(cè)試與檢測(cè)技術(shù)開發(fā)。

Design of Active Phased Array Antenna Swift Detection System

LIU Jingran1，WANG Xing1，CHENG Siyi1，ZHAO Liang2

(1. Aero & Astronautics Engineering School, Air Force Engineering University, Xi′an 710038, China) (2. Southwest China Research Institute of Electronic Equipment, Chengdu 610036, China)

The intact-parameter detecting method of the airborne EW system's active phased array antenna comprises complicated steps while consumes considerable time. The novel antenna-detecting method is proposed in this paper, which can realize the automatic detection of the active phased array antenna and largely accelerate the parameter measurement of the antenna pattern, is designed based on the beam-agility characteristics of the active phased array antenna. An improved grey relevancy data-analyzing algorithm (GRA) is applied to perform the swift calculating and fault-cause analysis to the measured parameter sets. Technical supports to the studying, developing and detecting of the airborne EW system's active phased array antenna is provided.

active phased array antenna; fault detection; pattern; GRA

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.10.013

陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012JQ8019)

劉京然 Email：reiman@vip.qq.com

2015-06-08

2015-09-12

TN82

A

1004-7859(2015)10-0051-05