雙通道跟蹤接收機(jī)的動(dòng)態(tài)極化校相*

李增有，劉嗣勤

(解放軍91550部隊(duì)，遼寧 大連 116023)

雙通道跟蹤接收機(jī)的動(dòng)態(tài)極化校相*

李增有*，劉嗣勤

(解放軍91550部隊(duì)，遼寧 大連 116023)

傳統(tǒng)校相方法無法檢測雙通道單脈沖體制雷達(dá)極化失配問題。采用基于靜態(tài)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)極化校相方法，即在靜態(tài)條件下，增加一個(gè)信標(biāo)天線正交極化角校相環(huán)節(jié)，用于完成跟蹤接收機(jī)和差信道的校相工作。數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建、仿真計(jì)算以及實(shí)測結(jié)果均表明，采用該方法可以準(zhǔn)確識別雙通道單脈沖體制雷達(dá)雙通道極化失配問題，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)校相方法在檢測跟蹤接收機(jī)和差信道極化失配問題上的缺陷。

跟蹤接收機(jī)；校相；極化失配；極化角

1 引 言

角跟蹤是測控設(shè)備完成跟蹤功能的基本前提，參試前系統(tǒng)標(biāo)校的重點(diǎn)工作之一就是雷達(dá)系統(tǒng)的跟蹤接收機(jī)校相。對于雙通道比幅單脈沖跟蹤體制雷達(dá)，接收信道相位的準(zhǔn)確校正與穩(wěn)定性是保證跟蹤接收機(jī)在方位、俯仰兩個(gè)軸向上定向靈敏度與線性度的基礎(chǔ)。因此，如何確保準(zhǔn)確校準(zhǔn)該體制雷達(dá)系統(tǒng)下行信道相位，并確保其保持穩(wěn)定，是雷達(dá)系統(tǒng)標(biāo)校的關(guān)鍵[1]。無論船載雷達(dá)、車載雷達(dá)、固定式雷達(dá)，跟蹤接收機(jī)校相工作通常都需要借助一個(gè)穩(wěn)定的信號源，并需要滿足遠(yuǎn)場條件。對于某些特殊的標(biāo)校需求，如船載雷達(dá)的無塔標(biāo)校問題，也都是遵循雙通道幅值的模擬，從而完成所需的信道校相工作[1-2]。但是上述過程都是建立在整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)正常工作的前提下，并未考慮在信道和差路出現(xiàn)極化失配條件下的校相問題，而一旦出現(xiàn)失配問題，常規(guī)標(biāo)校方法及相關(guān)文獻(xiàn)所提出的特殊方法是無法完成準(zhǔn)確校相的，在需要進(jìn)行大姿態(tài)合作目標(biāo)跟蹤時(shí)，必然會(huì)發(fā)生雷達(dá)系統(tǒng)無法跟蹤甚至飛車等嚴(yán)重故障。本文針對某典型雙通道比幅單脈沖體制雷達(dá)在接收信道極化失配條件下所出現(xiàn)的跟蹤飛車現(xiàn)象，從數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建、仿真計(jì)算、實(shí)測三個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并提出了基于靜態(tài)合作目標(biāo)動(dòng)態(tài)極化的校相方法，實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)標(biāo)校過程中發(fā)現(xiàn)并解決雙信道極化失配功能。

2 常規(guī)校相方法及基本原理

跟蹤接收機(jī)的校相過程就是對雷達(dá)系統(tǒng)接收和、差信道相位及增益進(jìn)行調(diào)整和標(biāo)定,使接收機(jī)和、差路的傳輸相位差為零,且鏈路增益為一合適值。雙通道單脈沖跟蹤體制天線跟蹤原理如圖1所示，天線電軸偏離目標(biāo)A角時(shí),天線饋源將產(chǎn)生差模信號，經(jīng)跟蹤接收機(jī)解調(diào)出方位、俯仰誤差電壓,并將誤差電壓送伺服跟蹤位置環(huán)完成對空間目標(biāo)的閉環(huán)跟蹤[3]。圖1中，d點(diǎn)為天線電軸指向點(diǎn)，c點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)，對應(yīng)的誤差電壓分別為

(1)

(2)

式中:UA為方位誤差電壓,UE為俯仰誤差電壓,k為下行鏈路增益系數(shù),A為天線電軸與天線到空間目標(biāo)連線之間的夾角(偏離角度),θ為目標(biāo)與方位軸夾角,Δφ為接收機(jī)和差鏈路相位差[1]。

圖1 目標(biāo)跟蹤誤差電壓形成原理圖

如公式(1)和公式(2)，跟蹤接收機(jī)的校相過程就是調(diào)整和路的相位，并將Δ=φ歸零的過程。如圖1所示，常規(guī)校相[4]過程如下：

(1)根據(jù)雷達(dá)天線方向圖和差波束特點(diǎn)，利用頻譜分析儀，確定天線的電軸零點(diǎn)，即和路最大值(差路最小值)角度位置。此時(shí)，天線電軸應(yīng)嚴(yán)格指向目標(biāo)c點(diǎn)。在未完成跟蹤接收機(jī)校相條件下，接收機(jī)輸出誤差電壓應(yīng)不為零。

(2)將天線電軸偏離目標(biāo)一定角度A，對應(yīng)的方位、俯仰誤差電壓如式(1)和式(2)，應(yīng)分別為UA、UE。為便于說明，取特例θ角為零，即單方位軸標(biāo)定，此時(shí)，方位、俯仰誤差電壓表達(dá)式為

(3)調(diào)整和路相位值(計(jì)算機(jī)自動(dòng)移相)，取方位誤差電壓最大、俯仰誤差電壓為零的相位值，由第2步所述，此時(shí)，Δφ應(yīng)為零。

(4)為保證校相結(jié)果的穩(wěn)定性，可在俯仰軸上重復(fù)第2～3步，進(jìn)行俯仰軸的標(biāo)定。

(5)更換旋向(視雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì))，重復(fù)上述第2～3步。

(6)調(diào)整兩個(gè)軸向的增益系數(shù)，以滿足特定的定向靈敏度、交叉耦合需求。

上述方法是在線極化接收，左右旋和差路信道極化完全匹配條件下完成的。對于車載雷達(dá)或固定站/船載站，在轉(zhuǎn)場或設(shè)備檢修等環(huán)節(jié)，不可避免地要多次拆裝饋線，期間如發(fā)生跟蹤接收機(jī)線纜配置錯(cuò)誤，將導(dǎo)致極化失配問題，如果仍按照上述方法進(jìn)行常規(guī)標(biāo)校，將無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，為試驗(yàn)任務(wù)的執(zhí)行埋下重大隱患。

3 校相方法數(shù)學(xué)模型構(gòu)建與仿真測試

動(dòng)態(tài)極化校相方法的根本目的就是要在靜態(tài)標(biāo)校環(huán)節(jié)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除雙通道跟蹤接收機(jī)的極化失配問題。

3.1 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

依據(jù)無線電波極化原理，任一圓極化波可分解為兩個(gè)正交的等幅線極化波，任一線極化波可分解為兩個(gè)等幅極性相反的圓極化波。假定對于一特定旋向的圓極化波，結(jié)合圖1，可分別設(shè)定和路水平分量、和路垂直分量、差路方位水平分量、差路方位垂直分量、差路俯仰水平分量、差路俯仰垂直分量分別為

Σh=AΣcos(wt+φ1h),

(3)

Σv=AΣcos(wt+φ1v),

(4)

Δah=kAcos(θ)cos(wt+φ2h),

(5)

Δav=kAcos(θ)cos(wt+φ2v),

(6)

Δeh=kAsin(θ)cos(wt+φ3h),

(7)

Δev=kAsin(θ)cos(wt+φ3v)。

(8)

式中:φ1h為和路水平分量初相，AΣ為分量幅值，φ1v為和路垂直分量初相，φ2h為差路方位水平分量初相，A為分量幅值，k為增益系數(shù)，φ2v為差路方位垂直分量初相，φ3h為差路俯仰水平分量初相，φ3v為差路俯仰垂直分量初相。

圖2 圓極化波相位關(guān)系示意圖

誤差解調(diào)過程為

U=Σ·Δ=(Σh+Σv)·(Δah+Δav+Δeh+Δev)。

(9)

將式(3)～(8)代入式(9)，并濾除高頻分量后可得到

(10)

雙通道誤差解調(diào)分為4種匹配狀態(tài)，即和左差左、和右差右、和左差右、和右差左。根據(jù)前述左右旋極化波水平分量與垂直分量的相對相位關(guān)系，各項(xiàng)組合條件下的誤差電壓表達(dá)式可由式(10)得到：

和左差左U1=AΣAk[cos(θ)cos(φ1h-φ2h)+sin(θ)cos(φ1h-φ3h)]，

(11)

和右差右U2=AΣAk[cos(θ)cos(φ1h-φ2h)+ sin(θ)cos(φ1h-φ3h)]，

(12)

和左差右U3=AΣAk[cos(θ)sin(φ2h-φ1h)+ sin(θ)sin(φ3h-φ1h)]，

(13)

和右差左U4=AΣAk[cos(θ)sin(φ1h-φ2h)+ sin(θ)sin(φ1h-φ3h)]。

(14)

將上述關(guān)系式代入式(11)～(14)，可得到水平線極化條件下的誤差電壓表達(dá)式：

(15)

(16)

(17)

(18)

圖3 誤差電壓解調(diào)示意圖

依據(jù)上述推論，在雷達(dá)系統(tǒng)高頻信道和差路信號出現(xiàn)極化失配時(shí)，常規(guī)標(biāo)校方法仍可以完成正常標(biāo)校，且標(biāo)校結(jié)果并無異常。跟蹤動(dòng)態(tài)目標(biāo)時(shí)，尤其是大姿態(tài)飛行目標(biāo)時(shí)，由于極化角度變化顯著(大于45°)，將導(dǎo)致跟蹤接收機(jī)誤差電壓出現(xiàn)嚴(yán)重的交叉耦合甚至反相現(xiàn)象，嚴(yán)重影響雷達(dá)系統(tǒng)跟蹤能力。

3.2 動(dòng)態(tài)校相過程

基于合作目標(biāo)的動(dòng)態(tài)極化進(jìn)行跟蹤接收機(jī)的校相，基本過程如下：

(1)將合作目標(biāo)發(fā)射天線(線極化)置于垂直極化狀態(tài)；

(2)利用頻譜分析儀校準(zhǔn)跟蹤天線的電軸零點(diǎn)，和路最大值(差路最小值)角度位置；

(3)方位或俯仰方向上單軸拉偏一定角度，調(diào)整和路相位值，使得方位或俯仰軸向誤差電壓取最大、對應(yīng)俯仰或方位軸向誤差電壓取零；

(4)重復(fù)第3步，完成另一軸向標(biāo)定；

(5)更換旋向，重復(fù)上述第3～4步；

(6)調(diào)整兩個(gè)軸向的增益系數(shù)，以滿足特定的定向靈敏度、交叉耦合需求；

(7)合作目標(biāo)發(fā)射天線(線極化)置于水平極化狀態(tài)；

(8)復(fù)核跟蹤接收機(jī)4個(gè)象限定向靈敏度、交叉耦合。

上述方法與常規(guī)校相方法的區(qū)別在于進(jìn)行了線極化合作目標(biāo)的變極化復(fù)核過程。

3.3 仿真計(jì)算

選取和路右旋、差路左旋組合與和路右旋、差路右旋組合，進(jìn)行仿真計(jì)算。由式(12)和式(14)，可分別將方位、俯仰誤差電壓解算公式表述如下：

URR_A=AΣAk[cos(θ)cos(φ1h+φ-φ2h-φ)+sin(θ)cos(φ1h+φ-φ3h-φ)],

(19)

(20)

URL_A=AΣAk[cos(θ)sin(φ1h+φ-φ2h+φ)+ sin(θ)sin(φ1h+φ-φ3h+φ)],

(21)

(22)

仿真結(jié)果如圖4所示。設(shè)定θ角為45°，極化角在±200°范圍內(nèi)以5°步進(jìn)。和差路同旋時(shí)，方位、俯仰誤差電壓保持恒定;和差路反旋時(shí)，方位、俯仰誤差電壓為正旋變化，極化角變化90°，方位、俯仰誤差電壓同時(shí)出現(xiàn)幅值反相現(xiàn)象，方位、俯仰定向靈敏度在極化角變化45°時(shí)，幅值在0與峰值間轉(zhuǎn)換。以和左差右組合俯仰定向靈敏度為例，極化角為22.5°時(shí)，俯仰誤差電壓為0 V，極化角為67.5°時(shí)，俯仰誤差電壓為4 V，極化角為-22.5°時(shí)，俯仰誤差電壓為-4 V。

圖4 動(dòng)態(tài)極化誤差電壓仿真結(jié)果

3.4 實(shí)測結(jié)果

采用某線極化接收雷達(dá)、線極化信標(biāo)構(gòu)成實(shí)測環(huán)境。分別完成了信標(biāo)天線在垂直線極化、水平線極化條件下的定向靈敏度標(biāo)校工作。實(shí)測數(shù)據(jù)如表1所示，跟蹤接收機(jī)在和差極化匹配條件下，極化角由0°～90°變化，定向靈敏度保持恒定500 mV；在和差極化失配條件下，水平極化(極化方向0°)，定向靈敏度為-500 mV，垂直極化(極化方向90°)，定向靈敏度為500 mV，即垂直極化與水平極化條件下，誤差電壓等幅反相。由此可見，實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果一致。

表1 動(dòng)態(tài)極化定向靈敏度測試數(shù)據(jù)

4 工程應(yīng)用

本文所論述的校相方法，較傳統(tǒng)的校相方法僅增加了變極化角的校相環(huán)節(jié)，但在工程應(yīng)用中卻具有顯著的實(shí)用意義。尤其是以活動(dòng)站為主的測控系統(tǒng)，采用該方法進(jìn)行標(biāo)校，往往可以發(fā)現(xiàn)測控裝備潛在的極化失配隱患。以某大型測量雷達(dá)為例，在某次測試后，由于操管人員的失誤，將高頻接收機(jī)輸出的雙旋向和路信號反接。在后續(xù)的常規(guī)測試甚至校飛試驗(yàn)中，由于常規(guī)標(biāo)校正常，而校飛試驗(yàn)合作天線為垂直線極化，飛機(jī)俯仰姿態(tài)角變化較小(小于±10°)，設(shè)備跟蹤正常，極化失配問題也仍未得到及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決。試驗(yàn)任務(wù)中，由于大姿態(tài)跟蹤(俯仰角大于45°)，雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)生飛車故障。依據(jù)筆者調(diào)研情況，該問題在國內(nèi)多個(gè)測控系統(tǒng)甚至廠家均發(fā)生過，而導(dǎo)致該問題的本質(zhì)原因就是常規(guī)標(biāo)校及校飛試驗(yàn)的正常結(jié)果掩蓋了故障隱患。

5 結(jié) 論

飛行器試驗(yàn)往往是不可重復(fù)的，而雷達(dá)系統(tǒng)是保證飛行器測控任務(wù)的關(guān)鍵，簡易、完善的校相方法是保證雷達(dá)系統(tǒng)跟蹤能力的基礎(chǔ)。本文所論述的基于合作目標(biāo)的動(dòng)態(tài)極化校相方法是對過往試驗(yàn)失敗經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，對于以活動(dòng)站為主或者需要頻繁拆裝的測控系統(tǒng)，采用該方法可以有效避免人為失誤所導(dǎo)致的雷達(dá)設(shè)備極化失配故障隱患，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1] 房新兵,毛南平,劉向前,等.艦載測控雷達(dá)無塔角度標(biāo)校新方法[J].電訊技術(shù),2010,50(12):116-120. FANG Xinbing,MAO Nanping,LIU Xiangqian,et al.A new towerless angle calibration method for shipboard TT&C system[J].Telecommunication Engineering,2010,50(12):116-120.(in Chinese)

[2] 劉童嶺,邵長寶,周成剛.船載雷達(dá)無塔動(dòng)態(tài)相位標(biāo)校方法研究[J].科學(xué)技術(shù)工程,2011,11(24):5989-5993.LIU Tongling,SHAO Changbao,ZHOU Chenggang.Study on the towerless dynamic phase calibration method for vessel track and control radar[J].Science Technology and Engineering,2011,11(24):5989-5993.(in Chinese)

[3] 沈民誼,蔡鎮(zhèn)遠(yuǎn).衛(wèi)星通信天線、饋源、跟蹤系統(tǒng)[ M].北京:人民郵電出版社,1993.

[4] 張德保,沈鵬.外場雷達(dá)目標(biāo)RCS極化特性測量方法[J].艦船電子對抗,2011,34(6):57-59. ZHANG Debao,SHENG Peng.RCS polarization characteristics measurement method of outer-field radar target[J].Shipboard Electronic Countermeasure,2011,34(6):57-59.(in Chinese)

[5] 成亞勇,李玉瑄.雙通道角跟蹤體制實(shí)時(shí)校相算法研究[J].無線電工程,2009,39(5):32-33. CHENG Yayong,LI Yuxuan.Real time phase calibration algorithm for double channel angle tracking[J].Radio Engineering,2009,39(5):32-33.(in Chinese)

李增有(1976—) ，男，吉林白山人，1999年于東北大學(xué)獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，2006 年于大連理工大學(xué)獲工學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要研究方向?yàn)闊o線電測控技術(shù);

Email:li_zeng_you@163.com

劉嗣勤(1984—)，男，遼寧大連人，2007年于海軍航空工程學(xué)院獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)闊o線電測控技術(shù)。

Dynamic Polarization Phase Calibration of Dual-channel Tracking Receiver

LI Zengyou,LIU Siqin

(Unit 91550 of PLA,Dalian 116023,China)

The traditional phase calibration method cannot detect the double-channel monopulse radar polarization mismatch problem. The dynamic polarization phase calibration method based on the static target,which is under the static condition,adds a beacon antenna orthogonal polarization angle phase correction link to complete the sum and difference channel’s synchronous phase calibration of dual-channel tracking receiver.Construction of mathematical model,simulation and experimental results show that this method can accurately identify dual-channel monopulse radar's dual-channel polarization mismatch problem,make up defect of the traditional method phase calibration for detecting tracking receiver’s sum and difference channel’s polarization mismatch problem.

tracking receiver;phase calibration;polarization mismatch;polarization angle

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.04.017

李增有，劉嗣勤.雙通道跟蹤接收機(jī)的動(dòng)態(tài)極化校相[J].電訊技術(shù)，2017,57(4):469-473.[LI Zengyou,LIU Siqin.Dynamic polarization phase calibration of dual-channel tracking receiver[J].Telecommunication Engineering,2017,57(4):469-473.]

2016-09-21；

2017-01-17 Received date:2016-09-21；Revised date：2017-01-17

TN95

A

1001-893X(2017)04-0469-05

*通信作者：li_zeng_you@163.com Corresponding author：li_zeng_you@163.com