一種直線陣列接收通道校正技術(shù)

陳 黎，管吉興，魯振興,張萬(wàn)玉

(1.陸軍北京軍代局駐石家莊地區(qū)軍代室，河北 石家莊 050081； 2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

一種直線陣列接收通道校正技術(shù)

陳 黎1，管吉興2，魯振興2,張萬(wàn)玉1

(1.陸軍北京軍代局駐石家莊地區(qū)軍代室，河北 石家莊 050081； 2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對(duì)相控陣?yán)走_(dá)多通道一致性問(wèn)題，基于一維線陣數(shù)字波束形成接收機(jī)開發(fā)應(yīng)用背景，描述了接收通道幅相一致性對(duì)陣列增益、波束指向和天線副瓣等指標(biāo)的影響，介紹了多接收通道校正的原理和實(shí)現(xiàn)方法，給出了詳細(xì)的理論推導(dǎo)。結(jié)合工程實(shí)踐，提出了遠(yuǎn)場(chǎng)校正與近場(chǎng)校正相結(jié)合的方法，并對(duì)接收通道校正的詳細(xì)工作流程做出了說(shuō)明。應(yīng)用結(jié)果表明，該幅相校正方法幅度和相位校正精度分別優(yōu)于0.5 dB和5°，可有效地提高數(shù)字波束指標(biāo)。

數(shù)字波束形成；接收通道校正；遠(yuǎn)場(chǎng)校正；近場(chǎng)校正

0 引言

數(shù)字波束形成(DBF)技術(shù)是對(duì)天線陣列的接收信號(hào)進(jìn)行數(shù)字加權(quán)運(yùn)算，從而使接收波束具有特定的形狀。通過(guò)對(duì)權(quán)值的控制，DBF技術(shù)可以完成高速波束賦形和波束指向控制[1]。DBF可以獲得優(yōu)良的波束性能，可以自適應(yīng)地形成波束實(shí)現(xiàn)空域抗干擾[2]，可以進(jìn)行非線性處理改善角分辨率，可以同時(shí)形成多個(gè)獨(dú)立可控的波束而不損失信噪比，且天線具有較好的自校正和低副瓣性能[3]。

接收通道的幅相一致性是影響DBF性能的關(guān)鍵因素[4]，其校正方法按照帶寬可分為窄帶和寬帶校正，按照校正信號(hào)饋入方式可分為內(nèi)部校正和遠(yuǎn)場(chǎng)校正[3]。文獻(xiàn)[5-8]描述了窄帶校正方法，文獻(xiàn)[9-11]描述了寬帶校正方法，文獻(xiàn)[12-15]描述了遠(yuǎn)場(chǎng)和內(nèi)場(chǎng)校正方法。本文提出了遠(yuǎn)場(chǎng)校正與近場(chǎng)校正相結(jié)合的方法，能夠?qū)ㄌ炀€在內(nèi)的接收通道的幅度和相位變化一并校正，使得波束形成效果更好。

1 通道校正原理

1.1 通道校正分類

通道校正可分為窄帶校正和寬帶校正。窄帶數(shù)字陣?yán)走_(dá)由于工作帶寬較窄，通常認(rèn)為其帶內(nèi)幅相特性一致(即通道內(nèi)的幅相誤差與頻率無(wú)關(guān))，但通道間的幅相誤差依然存在。在這種情況下，就只需進(jìn)行通道校正。

寬帶數(shù)字陣列雷達(dá)的各個(gè)通道的傳輸特性與頻率有關(guān)，因此需要考慮整個(gè)雷達(dá)工作帶寬內(nèi)的通道失配。相對(duì)于窄帶工作模式，寬帶工作時(shí)數(shù)字陣列雷達(dá)的通道失配會(huì)更加嚴(yán)重，通道失配會(huì)嚴(yán)重影響寬帶數(shù)字陣?yán)走_(dá)所具有的優(yōu)越性能。因此，有必要采用數(shù)字均衡技術(shù)對(duì)這種與頻率有關(guān)的幅相誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

本文重點(diǎn)對(duì)窄帶數(shù)字陣列的通道校正進(jìn)行論述。窄帶數(shù)字陣?yán)走_(dá)的通道校正通常包括內(nèi)部校正和遠(yuǎn)場(chǎng)校正2種方式。接收通道在內(nèi)部校正時(shí)，將校正信號(hào)饋入天線的耦合器，經(jīng)數(shù)字接收組件接收后，由計(jì)算機(jī)分析得出每個(gè)通道的幅相誤差，再加上天線的固定誤差，就可以得到接收通道的幅相誤差。接收通道在遠(yuǎn)場(chǎng)校正時(shí)，將校正信號(hào)從遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射，經(jīng)天線、數(shù)字接收組件接收處理后，由計(jì)算機(jī)分析得出每個(gè)接收通道的幅相誤差。在DBF雷達(dá)工作時(shí)，通過(guò)修正波束控制權(quán)值，消除接收通道的誤差。

1.2 窄帶接收通道校正原理

單頻點(diǎn)校正時(shí)各通道引入了一個(gè)不同的幅度誤差因子和誤差相移。對(duì)于通道i，其頻域復(fù)傳輸系數(shù)為：

H(ω)=|H(ω)|exp(j∠H(ω))。

為了進(jìn)行校正，首先設(shè)定一理想通道。設(shè)理想通道的中心頻率傳輸系數(shù)為：

H0(ω)=|H0(ω)|exp(j∠H0(ω))。

則在測(cè)量得到Hi(ω)、H0(ω)后，可得到各通道的校正系數(shù)：

C=diag[H1(ω)/H0(ω)…HN(ω)/H0(ω)]-1。

1.3 寬帶接收通道校正原理

假定第i(i= 1,2,…,N，N為數(shù)字陣的通道總數(shù))個(gè)通道的頻率響應(yīng)為Ci(ω)，待插入的數(shù)字均衡濾波器的頻率響應(yīng)為Hi(ω)，均衡后通道的頻率響應(yīng)為Bi(ω)。

Bi(ω)=Ci(ω)Hi(ω)。

如果均衡后各個(gè)通道的頻率響應(yīng)Bi(ω)都與參考通道的頻率響應(yīng)Bref(ω)相等，那么通道均衡就得以實(shí)現(xiàn)了[3]。

B1(ω)=B2(ω)=…=BN(ω)=Bref(ω)。

數(shù)字均衡器必然產(chǎn)生一定的延時(shí)，通常選擇Href(ω)為全通線性相位網(wǎng)絡(luò)，延時(shí)量為D=(L-1)*T/2，這樣就可以確保待均衡通道和參考通道具有相同的延時(shí)，即Href(ω)=e-jω(L-1)T/2，假設(shè)參考通道的頻率響應(yīng)為Cref(ω)，則第i個(gè)通道的均衡器的頻率響應(yīng)可以寫為：

式中，已知Cref(ω)、Href(ω)，要求得各通道均衡器的頻率響應(yīng)Hi(ω)，就只需測(cè)出第i個(gè)待均衡通道的頻率響應(yīng)Ci(ω)(向各個(gè)通道注入相同的線性調(diào)頻信號(hào)就可以測(cè)出)。

如果數(shù)字均衡器的頻率響應(yīng)Hi(ω)離散化成M個(gè)離散的頻率點(diǎn)，則第i個(gè)通道的期望數(shù)字均衡器的頻率響應(yīng)可表示為：

實(shí)際中采用L階的FIR濾波器來(lái)擬合期望的數(shù)字均衡器，期望的均衡器的頻率響應(yīng)可以表示為：

求解均衡濾波器系數(shù)實(shí)質(zhì)上就是求解最小二乘的問(wèn)題。

根據(jù)最小二乘求解方法[3]，得到：

hi=(AHA)-1AHHi。

2 幅相不一致對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)的影響分析

陣列天線的幅相不一致主要包括系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，主要來(lái)源于天線陣元的安裝位置誤差、天線陣元的差異、饋電網(wǎng)絡(luò)的不一致性、本振信號(hào)的不一致以及接收通道和A/D采樣的不一致等，對(duì)天線方向圖的影響主要體現(xiàn)在天線增益下降、副瓣電平抬高、波束指向產(chǎn)生誤差。

2.1 幅相誤差對(duì)方向系數(shù)的影響

假設(shè)陣元通道的幅度誤差的均值為0，方差為δ2，相位誤差的均值為0，的方差為φ2，天線方向系數(shù)的變化可以近似表示為[16]：

根據(jù)上式可以計(jì)算，2 dB的通道幅度誤差引起的方向系數(shù)變化減小為0.3 dB，15°通道相位誤差引起的方向系數(shù)變化減小也為0.3 dB。

2.2 幅相誤差對(duì)波束指向的影響

對(duì)于對(duì)稱加權(quán)的均勻線陣，波束指向的方差與相位誤差的關(guān)系為[17]：

式中，Ii為第i個(gè)陣元通道的加權(quán)幅度；xi為以陣元間距為d進(jìn)行歸一化的第i個(gè)陣元的位置。

而在幅度相位均存在誤差的情況下，波束指向誤差可以近似表示為[18]：

式中，Δ為波束指向的均方根誤差；N為天線陣元個(gè)數(shù)；λ為工作波長(zhǎng)；

σe=(1+δ2)φ2

為隨機(jī)誤差項(xiàng)。

2.3 幅相誤差對(duì)副瓣電平的影響

幅相誤差對(duì)副瓣電平的影響主要考慮平均副瓣電平和峰值副瓣電平，不考慮陣元失效的情況，陣列的平均合成方向圖可以表示為[18]：

MRI組患者接受核磁共振檢查，應(yīng)用專用膝關(guān)節(jié)線圈，患者取平臥位，設(shè)置參數(shù)：間距3mm、層厚0.5mm，根據(jù)患者病情進(jìn)行軸位和斜位一般掃描，采用梯度回波、自旋形式回波序，掃描患者膝關(guān)節(jié)矢狀位和冠狀位，采取T2加權(quán)成像，T2、T1加權(quán)成像。

式中，F(xiàn)0n(θ)為理想陣列的歸一化方向圖；

為陣列因子；ε為通道加權(quán)導(dǎo)致的損失因子。

在遠(yuǎn)旁瓣區(qū)，相對(duì)于方向圖主瓣，通道不一致引起的平均副瓣可以近似表示為：

而對(duì)于峰值副瓣電平，當(dāng)副瓣電平低于該值的概率大于99.9%時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以表示為[19]：

也就是峰值副瓣電平高于平均副瓣電平8 dB。

3 工程實(shí)現(xiàn)方法

3.1 遠(yuǎn)場(chǎng)與近場(chǎng)結(jié)合的校正方法

本文DBF雷達(dá)采用遠(yuǎn)場(chǎng)與近場(chǎng)相結(jié)合的校正方法。該方法與內(nèi)部校正方法相比，能夠?qū)⑻炀€陣元、饋線等接收組件之前的環(huán)節(jié)一起校正，波束形成效果更好。

近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)校正的示意圖如圖1所示。利用遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)將各通道的幅度相位進(jìn)行標(biāo)定后，將不一致性(或差值)記錄，用于對(duì)各通道進(jìn)行修正；此后，利用近場(chǎng)校準(zhǔn)天線測(cè)量到各單元之間的幅度相位差，記錄相應(yīng)的幅度相位值。在系統(tǒng)運(yùn)行期間，通過(guò)測(cè)試校準(zhǔn)天線到各單元之間幅度相位變化情況，得到各單元幅度相位的變化，并修正遠(yuǎn)場(chǎng)校正的幅相差，得到新的校正系數(shù)。

圖1 遠(yuǎn)場(chǎng)與近場(chǎng)校正示意

3.2.1 出廠前遠(yuǎn)場(chǎng)校準(zhǔn)

遠(yuǎn)場(chǎng)校準(zhǔn)的目的是將各通道的幅度相位嚴(yán)格校成一致。方法是將遠(yuǎn)場(chǎng)天線與被校天線的距離拉開足夠遠(yuǎn)，使得遠(yuǎn)場(chǎng)天線發(fā)射的信號(hào)到各接收天線近似平行[20]。遠(yuǎn)場(chǎng)校準(zhǔn)在設(shè)備出廠前進(jìn)行。系統(tǒng)經(jīng)通過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試后，得到對(duì)各通道進(jìn)行幅相修正的遠(yuǎn)場(chǎng)基準(zhǔn)系數(shù)為：

3.2.2 出廠前近場(chǎng)校準(zhǔn)

近場(chǎng)校準(zhǔn)方法與遠(yuǎn)場(chǎng)本質(zhì)上并無(wú)區(qū)別，只不過(guò)利用近場(chǎng)天線發(fā)射校準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行校正[21]。此校正也是在出廠前進(jìn)行。下發(fā)遠(yuǎn)場(chǎng)基準(zhǔn)系數(shù)后，通過(guò)測(cè)試得到近場(chǎng)基準(zhǔn)系數(shù)為：

3.2.3 校正系數(shù)計(jì)算

雷達(dá)出廠后，工作間隙進(jìn)行近場(chǎng)校正，得到工作中近場(chǎng)校正系數(shù)，并與出廠前的近場(chǎng)基準(zhǔn)系數(shù)進(jìn)行比較，得到變化差值，即修正系數(shù)為：

將修正系數(shù)與出廠前遠(yuǎn)場(chǎng)基準(zhǔn)系數(shù)相乘，便得到校正系數(shù)為：

式中，Ci(ω)=Ai(ω)*ΔBi(ω)。

3.2.4 復(fù)核校正

下發(fā)校正系數(shù)Ci(ω)，進(jìn)行復(fù)核校正。得到通道之間的幅度和相位值。如果在在門限范圍內(nèi)，則校正成功[22]。

經(jīng)過(guò)該方法校正，通道間幅度和相位差異小于0.5 dB和5°，對(duì)于-25 dB切比雪夫加權(quán)的數(shù)字波束，旁瓣電平≤-23 dB。

4 結(jié)束語(yǔ)

DBF體制雷達(dá)多通道之間的幅相一致性的好壞直接影響波束形成的方向系數(shù)、指向和副瓣電平，采用遠(yuǎn)場(chǎng)與近場(chǎng)相結(jié)合的校正方法能夠有效地消除通道之間的幅度和相位不一致。該方法通過(guò)無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)，無(wú)需復(fù)雜的校正網(wǎng)絡(luò)，已成功應(yīng)用于工程中，波束形成效果較好，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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ReceivingChannelCalibrationTechnologyforLinearArray

CHEN Li1,GUAN Ji-xing2,LU Zhen-xing2,ZHANG Wan-yu1

(1.MilitaryRepresentativeOfficeinShijiazhuangDistrict,MilitaryRepresentativeBureauofArmyinBeijing,ShijiazhuangHebei050081,China； 2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

Based on the application of digital beam forming(DBF) receiver in the linear array,the effect of amplitude-phase consistency on array gain,beam pointing,sidelobe of beam pattern is described to solve the multichannel consistency.The principle and implementation method of receiving channel calibration are presented,and theoretical derivation is given in detail.Combined with engineering practice,a calibration method based on far-field and near-field is proposed,and the detailed work flow of calibration is given.Application results show that the precision of the calibration method is better than 0.5dB and 0.5°in amplitude and phase respectively,which can effectively improve the DBF index.

digital beam forming;receiving channel calibration;far-field calibration;near-field calibration

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.10.05

陳黎，管吉興，魯振興,等.一種直線陣列接收通道校正技術(shù)[J].無(wú)線電工程,2017,47(10):22-24,72.[CHEN Li,GUAN Jixing,LU Zhenxing,et al.Receiving Channel Calibration Technology for Linear Array[J].Radio Engineering,2017,47(10):22-24,72.]

TN957.51

A

1003-3106(2017)10-0022-03

2017-01-17

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(201505002)。

陳黎男，(1977—)，工程師。主要研究方向：雷達(dá)和測(cè)控技術(shù)。管吉興男，(1979—)，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：雷達(dá)總體和信號(hào)處理技術(shù)。