一種和差單脈沖雷達(dá)幅相自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)

賈玉琳 李春娟

（南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司,江蘇 南京 211106）

單脈沖技術(shù)是雷達(dá)提高測(cè)角精度的一種方法,通過(guò)和、差信號(hào)比幅或比相來(lái)獲得更加精確測(cè)角,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)更加精確的定位與跟蹤[1]。單脈沖技術(shù)的主要原理,首先由天線對(duì)所接收的信號(hào)分別進(jìn)行和差加權(quán)得到的對(duì)應(yīng)的兩個(gè)信號(hào),然后這兩個(gè)信號(hào)分別由兩個(gè)一致性較好的接收通道實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大,最后這個(gè)兩個(gè)放大過(guò)的信號(hào)進(jìn)行鑒相處理,得出偏軸指示,和差比值,從而完成一次單脈沖處理。然而放大鏈路中,模擬器件曲線差異和溫度變化都會(huì)引起和差通道幅相的不一致,影響測(cè)角精度,嚴(yán)重時(shí)測(cè)角精度反而低于不采用單脈沖技術(shù)同類設(shè)備,因此對(duì)單脈沖接收機(jī)的和差一致性必須進(jìn)行監(jiān)測(cè),當(dāng)不一致時(shí)及時(shí)補(bǔ)償。

目前補(bǔ)償方式主要分為模擬方式和數(shù)字方式兩類。模擬方式是在射頻端插入衰減器和移相器,從而分別調(diào)節(jié)通道的衰減和相位[2-3]。移相器是通過(guò)在通道內(nèi)并聯(lián)或串聯(lián)電抗器件來(lái)引入相移,然而移相器內(nèi)部的電抗器件和傳輸線也會(huì)帶來(lái)信號(hào)的部分衰減；同理,衰減器通常是電阻元件組成的,然而插入衰減器同時(shí)也會(huì)影響信號(hào)的相位。因此,如果同時(shí)補(bǔ)償通道間的幅度和相位,需要不斷優(yōu)化衰減器和移相器的設(shè)置值,以達(dá)到一個(gè)期望的平衡,對(duì)硬件電路調(diào)試提出了很高的要求。而數(shù)字方式可分為基帶補(bǔ)償、中頻補(bǔ)償和射頻補(bǔ)償三類,實(shí)現(xiàn)方式相對(duì)靈活,且保證了幅相補(bǔ)償精度。目前數(shù)字補(bǔ)償大多是在中頻或基帶實(shí)現(xiàn),中頻補(bǔ)償是數(shù)字接收機(jī)根據(jù)角誤差計(jì)算值得到校準(zhǔn)信號(hào),反饋到接收通道的處理前端,由數(shù)字本振IP 核（Intellectual Property Core）根據(jù)校準(zhǔn)相位值和幅度值調(diào)整相應(yīng)參數(shù),從而消除通道內(nèi)的幅相不平衡[4]；而基帶補(bǔ)償是由計(jì)算機(jī)或DSP（Digital Signal Processing,數(shù)字信號(hào)處理）計(jì)算補(bǔ)償值,然后根據(jù)計(jì)算值在正交基帶信號(hào)上進(jìn)行補(bǔ)償,以保持通道間幅相一致性[5-6]。

然而,目前的補(bǔ)償方式都需要在系統(tǒng)運(yùn)行前,先用測(cè)試信號(hào)求得不同環(huán)境下的各通道間補(bǔ)償值并存儲(chǔ)下來(lái),然后在實(shí)際運(yùn)行中根據(jù)實(shí)際使用情況（例如接收信號(hào)的頻率、帶寬和溫度等）讀取補(bǔ)償值進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償,此方法增加了操作復(fù)雜度,且隨著模擬器件老化,之前存儲(chǔ)的補(bǔ)償值不再完全適用,調(diào)節(jié)精度會(huì)進(jìn)一步下降。針對(duì)上述情況,本文提出一種基于數(shù)字化接收機(jī)平臺(tái)的和差單脈沖雷達(dá)幅相自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù),這種方式可根據(jù)不同使用環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償,簡(jiǎn)單易行,同時(shí)具有高補(bǔ)償精度,為提高單脈沖雷達(dá)的處理性能提供良好的技術(shù)支持。

1 單脈沖工作原理

然而,在雷達(dá)實(shí)際工作中,多種原因會(huì)對(duì)和差通道信號(hào)的幅度和相位值產(chǎn)生影響。主要包括：雖然和差通道接收電路的組成框架相同,但通道內(nèi)各個(gè)組件本身存在性能差異以及加工差異,導(dǎo)致和差通道信號(hào)的幅頻響應(yīng)產(chǎn)生有差別；雷達(dá)工作頻率和帶寬發(fā)生改變后,元器件對(duì)接收信號(hào)的幅相頻響應(yīng)發(fā)生改變；當(dāng)外界溫度變化時(shí),接收通道模擬響應(yīng)特性隨之漂移等。

和差通道間幅相失配會(huì)引起天線方向圖零點(diǎn)偏移,零值深度減小,從而產(chǎn)生測(cè)角誤差[6]：和3π 2附近時(shí),微小的偏移會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)角誤差,因此必須進(jìn)行幅相校正。

2 幅相補(bǔ)償技術(shù)

2.1 實(shí)現(xiàn)框圖

傳統(tǒng)的幅相補(bǔ)償方式是脫機(jī)進(jìn)行的,即先確定雷達(dá)運(yùn)行的環(huán)境,例如接收信號(hào)的頻率和帶寬、接收通道的硬件電路組成、接收通道的溫度等,在此特定情況下,將相應(yīng)校準(zhǔn)信號(hào)輸入到和差通道,信號(hào)處理端計(jì)算并存儲(chǔ)補(bǔ)償值,然后運(yùn)行雷達(dá),根據(jù)對(duì)應(yīng)情況讀取補(bǔ)償值進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償。

然而,這種方式只能補(bǔ)償實(shí)際中穩(wěn)定且可測(cè)的系統(tǒng)誤差,例如由于元器件的性能差異、加工差異產(chǎn)生的幅相頻響應(yīng)差異,以及接收通道對(duì)不同工作頻率帶寬的響應(yīng)差異等。而例如外界溫度變化導(dǎo)致的模擬器件性能漂移等隨機(jī)誤差沒(méi)有穩(wěn)定狀態(tài),很難在校準(zhǔn)初期進(jìn)行模擬和預(yù)判斷。另外,模擬器件隨著雷達(dá)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的增加發(fā)生老化,之前存儲(chǔ)的補(bǔ)償值無(wú)法適配此時(shí)的工作狀態(tài),調(diào)節(jié)精度會(huì)進(jìn)一步下降。如若更換接收通道內(nèi)的組件模塊,理論上需重新使用測(cè)試設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn),操作繁瑣。本文提出的一種和差單脈沖雷達(dá)中幅相自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù),通過(guò)在雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部增加實(shí)時(shí)校準(zhǔn)電路,可在線進(jìn)行幅相的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

圖1 是本文自動(dòng)幅相補(bǔ)償技術(shù)的原理框圖,在雷達(dá)數(shù)字處理模塊根據(jù)雷達(dá)工作狀態(tài)生成相應(yīng)的測(cè)試信號(hào),在每個(gè)幀周期的空閑時(shí)期輸出該信號(hào),經(jīng)上行模塊的模擬測(cè)試通道進(jìn)行放大濾波,得到幅相校準(zhǔn)信號(hào)。將校準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)過(guò)定向耦合器分別輸入到和差兩路下行通道,經(jīng)過(guò)限幅、低噪放大以及模擬混頻等處理到達(dá)數(shù)字處理模塊,處理模塊對(duì)兩路信號(hào)分別進(jìn)行數(shù)字下變頻得到校準(zhǔn)信號(hào)的基帶IQ 數(shù)據(jù),并根據(jù)該數(shù)據(jù)求得實(shí)時(shí)幅相補(bǔ)償值。然后在此幀周期內(nèi)發(fā)射實(shí)際激勵(lì)信號(hào),利用該幅相補(bǔ)償值對(duì)從天線接收的回波信號(hào)進(jìn)行幅相補(bǔ)償。該方法能夠?qū)走_(dá)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償,補(bǔ)償精度高,對(duì)系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行期間產(chǎn)生的隨機(jī)誤差也能較好的補(bǔ)償。

圖1 幅相補(bǔ)償原理框圖

2.2 補(bǔ)償模塊

本文采用基帶補(bǔ)償方式,在FPGA（Field-programmable Gate Array,現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）上對(duì)解調(diào)后的基帶正交信號(hào)采用對(duì)應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。具體補(bǔ)償如下：

假設(shè)和差通道信號(hào)正交解調(diào)輸出分別是：

圖2 補(bǔ)償模塊框圖

本技術(shù)可在差通道上進(jìn)行補(bǔ)償,也可在和通道上進(jìn)行補(bǔ)償,處理方式類似。以在差通道補(bǔ)償為例,將差通道的基帶正交信號(hào)IΔ和QΔ與幅相補(bǔ)償值Iδ和Qδ進(jìn)行復(fù)數(shù)相乘,得到補(bǔ)償后的差通道信號(hào)；同時(shí),和通道的正交信號(hào)IΣ和QΣ需要在FPGA 內(nèi)部進(jìn)行相應(yīng)的延遲,延遲值等于差通道補(bǔ)償算法產(chǎn)生的延遲時(shí)間。將補(bǔ)償后的和差通道進(jìn)行鑒相處理,得出偏軸指示以及和差比值,結(jié)合天線的角碼器方位值,綜合獲得目標(biāo)的方位。

2.3 補(bǔ)償值計(jì)算模塊

該模塊幅相自動(dòng)補(bǔ)償算法由處理模塊自動(dòng)進(jìn)行,無(wú)需人工干預(yù),當(dāng)雷達(dá)在空閑期間發(fā)送校準(zhǔn)信號(hào)時(shí),在數(shù)字處理模塊在FPGA 內(nèi)對(duì)校準(zhǔn)信號(hào)完成正交解調(diào)和幅度相位補(bǔ)償均值實(shí)時(shí)計(jì)算,然后在雷達(dá)實(shí)際收發(fā)期間,根據(jù)該補(bǔ)償值對(duì)差通道數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償,以保證和差兩個(gè)通道的幅相一致性。

3 應(yīng)用實(shí)例

為驗(yàn)證本文的幅相自動(dòng)補(bǔ)償算法性能,本文采用Xilinx公司開發(fā)的Kintex-7 系列芯片實(shí)現(xiàn)上述幅相補(bǔ)償功能模塊。該系列芯片邏輯資源豐富,處理能力強(qiáng)大,能滿足數(shù)字處理模塊處理資源的需求。首先在Vivado 軟件端驗(yàn)證本文中幅相補(bǔ)償算法的可行性,從和差通道輸入端輸入不同幅度不同相位的1091MHz 正弦波脈沖信號(hào),在數(shù)字處理端進(jìn)行1090MHz 本振下變頻后得到基帶正交信號(hào),sigmai_org、sigmaq_org 為和通道的IQ 值,deltai_org、deltaq_org 為差通道的IQ 值,從圖3 可以看出,原始和通道信號(hào)幅度比差通道大,相位比差通道超前,因此原始的和差通道信號(hào)幅度和相位都不一致。

圖3 Vivado 中幅相補(bǔ)償波形圖

圖4 是民航單脈沖二次雷達(dá)探測(cè)飛機(jī)時(shí)是否進(jìn)行本文幅相補(bǔ)償?shù)膶?duì)比圖,淺色點(diǎn)表示目標(biāo)回波信號(hào)來(lái)自于天線瞄準(zhǔn)軸左測(cè),黑色點(diǎn)表示目標(biāo)回波信號(hào)來(lái)自于天線瞄準(zhǔn)軸右側(cè)。由數(shù)字處理模塊產(chǎn)生1090MHz 的校準(zhǔn)脈沖信號(hào),經(jīng)定向耦合器輸入到和差兩個(gè)通道,為了更加方便對(duì)比測(cè)試,在差通道串入與和通道不等相的電纜來(lái)模擬和差通道幅度相位的不平衡。由上圖中可以看出,不進(jìn)行補(bǔ)償時(shí),由于和差相位偏離,PPI 顯示器上的回波點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的單脈沖偏軸指示不以目標(biāo)位置對(duì)稱,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)怀霈F(xiàn)淺色。而進(jìn)行自動(dòng)幅相補(bǔ)償后,可以直觀看到回波眉毛以目標(biāo)真實(shí)位置左右對(duì)稱,表明進(jìn)行本文幅相補(bǔ)償?shù)挠行浴?/p>

圖4 目標(biāo)探測(cè)結(jié)果圖

結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種單脈沖雷達(dá)中的幅相自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù),該技術(shù)可自動(dòng)補(bǔ)償和差通道的幅度和相位不平衡,確保實(shí)現(xiàn)單脈沖測(cè)角功能。在數(shù)字處理端采用在雷達(dá)空閑期間發(fā)送校準(zhǔn)信號(hào)并計(jì)算補(bǔ)償值,在收發(fā)期間使用復(fù)數(shù)乘法算法進(jìn)行補(bǔ)償,提高實(shí)現(xiàn)的靈活性與可擴(kuò)展性。目前本文幅相自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)已成功運(yùn)用到民航二次雷達(dá)設(shè)備中,能夠?qū)δ繕?biāo)民航飛機(jī)的角度測(cè)量進(jìn)行修正,滿足對(duì)飛機(jī)測(cè)角高精度的要求。