雷達偵察型無人機任務載荷校準技術研究

張周賢,趙先紅,王 彧,孫志敏,陽治平

(成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司,四川 成都 610091)

0 引言

數(shù)字陣列測向和數(shù)字干涉儀測向作為高精度的測向方法,主要通過比較射頻信道到達天線陣的相位差進行測向,經(jīng)過信號處理,得到來波的方向,是電子對抗偵察領域的重要技術,目前已得到了廣泛的應用。由于采用寬頻帶多通道接收機進行信號處理,難以保證各通道幅度相位的一致性,各通道之間幅度和相位不匹配,因此引入測向誤差。測向精度不僅與系統(tǒng)測向算法、各天線性能響應、各通道幅度相位有關,在電纜、天線等安裝、使用和維護過程中也會引入測向誤差。如某雷達偵察型無人機,其天線罩和無人機蒙皮共形,任務載荷天線單元內埋在機身內部,由于任務載荷偵察天線都是寬波束天線,天線內埋后對電磁信號幅度和相位特性影響較大,因此必須采用一定的校準手段,實現(xiàn)對電磁特征影響的評估,對初始相位誤差進行精確估計與校正補償。如何對某雷達偵察型無人機任務載荷進行校準,從而減少甚至消除所引入的誤差,提供系統(tǒng)的測向精度,是本文研究的出發(fā)點。本文基于某雷達偵察型無人機任務載荷,研究其校準技術和方法,并完成地面校準和測向驗證,效果良好,具有較高的工程應用價值。

1 測向原理分析

射頻信號相位測向是根據(jù)電磁波從不同的方向到達天線陣時,各天線陣元接收到的信號相位不同,通過測量各陣元輸出的信號相位差就可以確定來波方向。圖1所示是一個簡單的單基線數(shù)字測向系統(tǒng)。通過對圖1 的分析可以了解數(shù)字測向的基本原理。

圖1 數(shù)字測向系統(tǒng)基本原理框圖

假設射頻信號入射方向與天線法向方向偏離角度為,根據(jù)遠場條件,可認為電磁波為平行波入射,波平面到達兩天線的信號相位差為,則有:

式中:為光速;為電磁信號波長,=/;為 信號載頻;為兩天線相位中心距離,即基線長度。

一般情況下,由于制造工藝等原因,天線相位中心和幾何中心嚴格意義上并不重合。由上式可以看出,在天線陣設計布局和信號載頻確定時,可以由通道相位差得出射頻信號的到達角,最終得到來波的方向。同理,對于多基線線陣或二維面陣(圓陣列),可以以其中某一天線的接收通道值作為參考基準。當天線陣接收到來自外界來波信號時,通過射頻通道完成對多路信號的變頻處理,將射頻信號變頻為中頻信號,送至數(shù)字采集及處理單元,完成對中頻信號的數(shù)字采集、信號檢測和參數(shù)測量,再經(jīng)過信號處理單元進行相關處理后,最終得到PDW(脈沖描述字)的分選結果、測向信息、定位信息等。

2 測向精度分析

測向精度即指到達任務載荷天線陣的輻射源電磁波的來波方向,經(jīng)過任務載荷處理后得到的測向結果(均方根統(tǒng)計值),是任務載荷測向性能的重要指標之一。為了研究對測向精度影響的因素,即對測向誤差來源進行分析,對式(1)求偏導數(shù),可得:

將微分改為增量形式,得到:

由上式可以看出,測向誤差主要來源為相位差測量誤差、信號頻率誤差和基線測量誤差等。而當天線陣安裝布局固定后,基線長度也就相對確定,即使相位中心與幾何中心不一致,也可通過一定手段進行補償校正,而任務載荷頻率測量精度基本能夠消除信號頻率誤差的影響,因此主要影響因素為相位測量誤差。

各接收通道幅度相位不一致性是引起相位測量誤差的主要原因,而各接收通道幅度相位的不一致性主要由信道中各個元器件相位特性所確定。圖2為對數(shù)字接收機通道的基本原理模型,一般來說,從天線端(包括天線罩)到接收前端部分為外通道,從前端到信號處理部分為內通道。

圖2 數(shù)字接收機通道基本原理模型框圖

來自天線陣的射頻信號經(jīng)過射頻前端,完成頻段選擇、信號限幅、放大、陷波、濾波等處理后,再由變頻模塊完成從射頻信號至中頻信號的轉換,經(jīng)過濾波后,送至數(shù)字接收模塊,將相關中頻信號進行模數(shù)(AD)量化、信號檢測和參數(shù)測量,生成中頻數(shù)字信號,再送至后端進行處理。

由于任務載荷天線陣每個陣元到數(shù)字處理端都有一個獨立而完整的通道,盡管各個通道由相同電路、相同型號的元器件組成,但是由模擬器件組成的電路不可能完全相同,從而導致各個通道電參數(shù)會有一定的差異,其頻相、幅相特性一致性有限。而在實際工作中,幅度相位不一致性還會隨著接收機工作頻率、電壓、環(huán)境溫度、濕度、器件老化、設備安裝等因素的變化而產(chǎn)生相位漂移。

綜上所述,信號測向誤差主要來源為各通道幅度相位的不一致性、天線陣元位置誤差、陣元間電磁耦合、陣元本身響應和近場信號源入射等,而天線陣元和射頻電纜的安裝也會帶來不同程度的影響,在保證安裝精度、電纜轉彎半徑等要求的情況下,在長期的使用維護過程中,各接收通道性能參數(shù)亦會由于人為或自然性質變化從而導致信號通道性能傳輸?shù)淖兓?。根?jù)數(shù)字陣列測向和數(shù)字干涉儀測向技術原理,其測向方法已弱化了天線陣本身所帶來的不利影響,從天線陣元輸出端到接收機輸出端的通道并不會改變各天線陣元間信號相位的相對關系,通道間信號的相位差完全由電磁波到達天線陣各天線的波程差決定。因此,保證各接收通道的幅度和相位特性一致是確保完成對輻射源信號精確測向的前提,是無人機完成電子對抗偵察任務的基礎,否則通道間的幅度相位失衡會引入附加相位,導致測向誤差。因此,需要研究某雷達偵察型無人機任務載荷校準技術,采用有效措施和技術消除各接收通道幅度和相位偏差,確保各接收通道的一致性。

3 校準原理分析

在任務載荷天線陣元及電纜裝機前,需要對射頻電纜和天線陣單元的安裝環(huán)境進行分析,結合實際裝機位置,合理布局射頻電纜和天線的安裝。其一,電纜要保證良好接觸,盡量減少彎折,一定要彎折時,必須要保證電纜最小的轉彎半徑;同時,在使用過程中需要盡量減少電纜插頭的插拔次數(shù),如果插拔超過一定次數(shù)后,需要對電纜插頭進線檢查,以確保電纜的電性能。其二,天線陣元安裝時,同一頻段的天線陣單元中心應保證在同一直線上,天線安裝板與天線罩內表面之間使用吸波材料填充;對天線陣元的安裝階差和縫隙使用導電膠條進行平滑處理,確保天線陣良好的工作環(huán)境,保證響應性能;同時,基于機體坐標系,需要對天線陣的安裝角度偏差精度進行校準,保證安裝位置的精度要求,并將相應的校準修正值寫入系統(tǒng)的配置軟件中,通過系統(tǒng)軟件補償?shù)姆绞阶詣訉y向結果進行修正。主要采用外輻射信號源的方法進行校準和測向驗證,保證各接收通道的一致性。

圖3為外輻射信號校準的簡單原理框圖。選擇任務載荷需要校準的頻段,設置輻射信號源的頻率、脈寬、脈沖重復周期等參數(shù),并保證與偵察的雷達信號同頻同調制。通過標準喇叭天線向機載任務載荷天線陣輻射,輻射源信號脈沖到達天線陣時,以其中某個通帶內較平坦、畸變較小的通道作為參考通道,其余各個通道與參考通道做比較,得到包含通道幅度相位失衡引入的相位誤差的相位差,得到具有良好一致性的頻率傳遞函數(shù),形成初始校準表,同時可以適當調整頻率的步進,對校準數(shù)據(jù)進行修正更新,并根據(jù)幅度和相位的校準判據(jù),確認天線陣法向校正值。完成所有頻率的校準數(shù)據(jù)后,將校準表下發(fā)至系統(tǒng)的軟件配置中,系統(tǒng)在工作時自動完成測向方位修正,以滿足系統(tǒng)測向精度要求。

圖3 外輻射通道幅相一致性校準原理框圖

4 校準應用及測向驗證

在完成校準值更新后,需要進行外輻射測向推車驗證,如果不同角度下各通道幅度值差異較小,基本保持平穩(wěn),無明顯凹坑,測向值相位差連續(xù),變化趨勢基本一致,無明顯突變,則完成校準的測向驗證。

一般情況下,任務載荷校準要求載機處于空曠場地,地面平整,周圍無反射、無遮擋,校準輻射源距離載機50 m 以上。進行信號源輻射時,由于地面雜波反射等影響比較嚴重,因此需要在輻射信號源與載機天線陣之間鋪設吸波材料,以減少地面反射帶來的影響,并且吸波材料的鋪設方式對校準結果都有一定影響。

4.1 校準應用過程

在某雷達偵察型無人機任務載荷實際校準和測向驗證的過程中,首先,根據(jù)天線陣的安裝方式和位置,確定地面基準點,標定天線陣的法線方向,作為校準參考基準方向。其次,完成校準后,需要對測向性能進行確認驗證,因此需要標定測向方位點,確定測向驗證點的位置,一般選擇20°,30°,45°的位置,然后再進行輻射信號源推車驗證。同時,根據(jù)地面雜波反射情況,鋪設吸波材料,以消除多徑反射影響。

首先要確定地面基準點。如圖4所示,根據(jù)地面基準點,使用激光水平儀完成天線陣基準線和輻射源信號基準線的標記,并在基準線上確認天線陣中心點和輻射信號源中心點。在信號源基準線的基礎上,進行測向驗證點的標記,由于信號源基準線到天線陣基準線距離一般超過50 m,為了精確標記驗證點,可先找輔助標記點,再用卷尺等測量完成標記。對于地面雜波發(fā)射、多徑反射等的影響,根據(jù)輻射信號源與載機天線陣離地高度,可以嘗試通過更換吸波材料的位置觀察各通道幅度和相位差,來確定反射影響的方向。選取各通道幅度最高的吸波材料鋪設方式以消除反射影響,并且吸波材料的輻射范圍以天線陣法向±45°為宜。以低波段為例,典型的吸波材料的鋪設方式如圖5所示。

圖4 任務載荷天線陣法線標記示意圖

圖5 吸波材料典型的鋪設示意圖

在實際的裝機環(huán)境情況下,中心和中心只相隔5 mm,由于輻射源放置距離天線陣中心點一般為50 m,因此可以將信號源和信號源合成為一個點,不影響對2個波段的校準。

校準時,先進行通道內校準,通過通道內校準得到各通道的幅度、相位初始差值;完成通道內校準后,再進行通道外校準,得到包括天線罩以內的接收通道的校準值。將校準表下發(fā)后,對法線方位點進行全頻段測向,觀察測向結果,若測向結果和預期的基本一致,則認為校準正確,更新校準值并下發(fā)至系統(tǒng)軟件配置中;若發(fā)現(xiàn)某頻點測向值不正確,則需要對出錯頻點重新校準,校準完成后下發(fā)校準表并重新測試,直到測向正確為止。

4.2 校準值測向驗證

在完成各天線陣通道校準后,需要對得到的校準值進行測向驗證。以某個偵收支路為例,其校準值數(shù)據(jù)及驗證過程如圖6所示。設置信號源中心頻率為2.8 GHz,信噪比為10 dB,對某支路進行2～18 GHz全頻段驗證。在驗證過程中,要確保發(fā)射天線指向天線陣,并盡量保持勻速。整理數(shù)據(jù),統(tǒng)計測向精度值,在天線陣法線方向±45°以內無測向跳點,測向精度值(rms)在0.6°左右。

圖6 校準數(shù)據(jù)的驗證

一般情況下,雷達任務載荷首次裝機,或者更換相關天線和電纜后,需要進行全面的校準工作。完成校準后,后續(xù)只需周期性進行通道內校準,通過軟件修正方式來保證各接收通道的幅相一致性。

5 結束語

本文基于測向原理,分析了影響測向精度的主要因素,針對某雷達偵察型無人機任務載荷各接收通道幅度相位不一致性,分析了其校準技術原理和方法,并將校準方法應用在某型無人機任務載荷校準過程中。對校準方法分析和實際外場驗證表明,可以對任務載荷各接收通道幅度相位進行補償,實現(xiàn)了通道間的幅相一致性,有效提高了校準工作效率,保證了系統(tǒng)測向精度。經(jīng)過試飛驗證,對雷達輻射源目標測向精確,定位精度高,滿足功能要求,具有較高的工程應用價值和現(xiàn)實意義。