陣列雷達(dá)接收通道校正技術(shù)分析

鄭東衛(wèi) 白亞莉

(1.西安電子工程研究所 西安 710100;2.中國兵器工業(yè)第二○二所 咸陽 712099)

1 引言

陣列雷達(dá)是將多個傳感器分別裝置在空間不同的位置從而組成所謂的傳感器陣列，利用傳感器陣列來接收空間信號進(jìn)而對接收的信號進(jìn)行特定的處理，增強(qiáng)所感興趣的有用信號，抑制無用的干擾和噪聲，從而使陣列的輸出信號干擾噪聲比達(dá)到最大。

陣列雷達(dá)要有好的性能是基于各個接收通道之間的幅度、相位一致性和通道本身的平穩(wěn)性。在波束形成運(yùn)算之前，首先確保目標(biāo)信號從法線方向入射時(shí)，各路信號的初始相位一致，幅度相同，這樣才能保證在接收端能夠任意控制波束接收方向。

但是實(shí)際系統(tǒng)常存在各種誤差，每個通道都包括陣元和饋電線路，射頻放大與變頻，中頻處理，I/O支路和A/D變換的數(shù)字輸出，任一環(huán)節(jié)有誤差都會引起通道不一致。顯然，由于功能相同的模擬器件所構(gòu)成的電路不可能做得完全相同，并且，在工作中，模擬電路的狀態(tài)也會不斷的變化。因此，對于眾多的接收通道要求其工作特性在任何時(shí)刻完全一致是不可能的。通道之間的誤差只能通過校正技術(shù)來解決。

假設(shè)某雷達(dá)天線為N個線陣，對應(yīng)N路行波饋源和N路接收機(jī)，仰角上同時(shí)形成M個指向的波束，覆蓋一定空域。則此雷達(dá)信號處理機(jī)要得到M個波束，需要完成下列運(yùn)算:

其中，Xn為一組來自N個接收機(jī)的復(fù)信號;Wchuangn(m)為M組用于形成M個波束的加權(quán)窗系數(shù)，每一組都有N個;Wdbfn(m)為M組用于形成M個波束指向的系數(shù)，每一組都有N個;Wjzn為一組N個通道的接收校正系數(shù);W(m)為形成的M個波束信息。

校正系數(shù)Wjzn是通過內(nèi)場和外場校準(zhǔn)得到的，此值的精度直接關(guān)系到波束形成的性能。

2 接收校正方法

接收通道校正分為接收機(jī)有源校正和天線的無源校正。對于有源器件來說，每次開機(jī)因?yàn)榄h(huán)境參數(shù)及電壓波動對信號產(chǎn)生幅度和相位的偏差是不一致的，例如T/R組件在每次環(huán)境變化或每次開機(jī)時(shí)，組件的特性參數(shù)都各不相同，為保證其工作特性一致，必須每次都進(jìn)行校正，而這個校正可以通過雷達(dá)內(nèi)部測試信號來校正，即用內(nèi)場校準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)。對無源器件來說，每次開機(jī)對信號產(chǎn)生的幅度和相位的偏差是一致的，例如天線各個陣元在天線制作完成后，各個天線之間的參數(shù)是不隨時(shí)間變化的，或者說變化不大。為此，這個參數(shù)在天線完成之后，利用外場測試信號做一次完整的測試，即只需要做一次外場校準(zhǔn)即可實(shí)現(xiàn)(外場校正基于遠(yuǎn)場校正，遠(yuǎn)場需要一個大范圍的測試場，較內(nèi)場校準(zhǔn)復(fù)雜)。

雷達(dá)正常工作時(shí)，從回波經(jīng)過的路徑來看，回波信號從天線接收回來后經(jīng)過饋線傳給接收陣列。天線和饋線等無源器件的校準(zhǔn)可通過外場來校準(zhǔn)，接收陣列等有源器件的校準(zhǔn)可通過內(nèi)場來校準(zhǔn)。

外場校準(zhǔn)時(shí)，外場送來的測試信號Xwai，經(jīng)過無源的接收天線和饋線(對測試信號幅頻偏差設(shè)為A)，然后送到接收陣列(對測試信號幅頻偏差設(shè)為C)。內(nèi)場校準(zhǔn)時(shí)，雷達(dá)的頻率綜合器產(chǎn)生內(nèi)場測試信號Xnei，經(jīng)過無源的功率分配器(對測試信號幅頻偏差設(shè)為B)，送到接收陣列(對測試信號幅頻偏差設(shè)為C)。內(nèi)外場校準(zhǔn)通路在接收陣列處共用，兩者C值相同。

整個校正過程可由下面框圖1來描述。

圖1 接收通道外場校準(zhǔn)和內(nèi)場校正

對于天線陣列A的校正需要外場校正一次得到，對于低噪聲放大器和接收機(jī)C值需要每次開機(jī)時(shí)都做內(nèi)場校正。

實(shí)現(xiàn)通道校正有三種方案[1]:

a.對于多通道處理器，選擇一個帶內(nèi)相對較為平坦的，畸變較小的通道作為參考通道，其余各通道與它做比較。

b.以理想的中頻濾波器特性為“參考”，所有通道中全部加入均衡器，使所有通道的頻率特性盡可能的接近理想狀態(tài)。

c.以任意一個通道作為參考，在其它各個通道中加入均衡器，使其它所有通道都與參考通道相一致。

不論哪種方案，其校正原理都是相同的。

通道校正的原理框圖如圖2所示。

圖2 通道校正原理框圖

本文選擇第二種，以理想的通道為參考，每個通道都做校正，參考通道幅度為1，相位為零。由此圖一中，通過外場校準(zhǔn)可得到

通過內(nèi)場校準(zhǔn)可得到

在相同環(huán)境下，雷達(dá)開機(jī)做一次外場校準(zhǔn)和一次內(nèi)場校準(zhǔn)，此時(shí)接收陣列對內(nèi)外測試信號的幅頻偏差C相同，通過Wwaijz和Wneijz比值，得到無源器件的校正系數(shù)比值K

此K值可作為固定數(shù)值存儲起來，每次雷達(dá)開機(jī)做內(nèi)場校準(zhǔn)時(shí)再參與運(yùn)算。

雷達(dá)每次開機(jī)時(shí)，都需要再做一次內(nèi)場校準(zhǔn)

此式中C'與式(3)和式(4)中C值已不同，有源器件接收陣列的特性已改變。

整個雷達(dá)接收校準(zhǔn)可由下式表示

觀察Wjz與外場校準(zhǔn)Wwaijz式，等式右邊完成的功能一樣，但Wjz只需做一次外場校準(zhǔn)，每次雷達(dá)開機(jī)時(shí)只做內(nèi)場校準(zhǔn)即可完成整個雷達(dá)的接收校準(zhǔn)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了得到校正的K值，需要在相同的環(huán)境下做一次外場校準(zhǔn)和一次內(nèi)場校準(zhǔn)。選擇一開闊且滿足遠(yuǎn)場測試條件的地方。

首先進(jìn)行外場校準(zhǔn)，在遠(yuǎn)處架一外場測試信號源，測試信號Xwai經(jīng)過接收天線，饋源到達(dá)接收陣列，然后經(jīng)中頻采樣，數(shù)字下變頻后，將下變頻后的數(shù)據(jù)采集下來，在MATLAB中通過(3)式完成Wwaijz=(AC)－1運(yùn)算。

然后進(jìn)行內(nèi)場校準(zhǔn)，在相同環(huán)境下，關(guān)閉雷達(dá)發(fā)射機(jī)，頻率綜合器產(chǎn)生內(nèi)場測試信號Xnei。Xnei信號通過功率分配器，低噪聲放大器和接收機(jī)后，經(jīng)中頻采樣，數(shù)字下變頻后變?yōu)榱嘶鶐盘?。?shù)字信號處理器首先對基帶信號進(jìn)行脈沖壓縮處理，只需計(jì)算其中主要部分點(diǎn)的脈壓結(jié)果;求取模值，尋找到最大幅度位置對應(yīng)的復(fù)數(shù)值，將參考通道值除以測量得到的復(fù)數(shù)值即得到校正系數(shù);將最大幅度位置對應(yīng)的復(fù)數(shù)值作為校正前數(shù)據(jù)輸出給終端;再使用一個CPI中斷，將最大幅度位置對應(yīng)的復(fù)數(shù)值×校正系數(shù)，計(jì)算得到校正后數(shù)據(jù)輸出給終端;終端根據(jù)信處送過來的校正前后數(shù)據(jù)，判斷系統(tǒng)是否存在故障及校正過程是否正確。接收校正過程，對所有工作頻點(diǎn)的接收信號進(jìn)行幅度相位校正，校正完成后將校正系數(shù)燒入flash中，工作時(shí)，從flash中將校正系數(shù)調(diào)入使用。

此內(nèi)場校準(zhǔn)過程可以得到Wneijz=(BC)－1。然后通過(5)式在MATLAB中可以得到內(nèi)外場校準(zhǔn)比值K，將計(jì)算K得到的數(shù)據(jù)文件可以作為一個標(biāo)準(zhǔn)文件存放在特定存儲單元內(nèi)，即使雷達(dá)工作環(huán)境變化了，此值可保持不變。

圖3為16個陣源工作在同一個頻點(diǎn)下，在相同工作環(huán)境中，采集外場校準(zhǔn)和內(nèi)場校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)得到了比值K的幅度和相位。在不同時(shí)間采集了三組數(shù)據(jù)分別得到K值的幅度，可以看出，三組值基本一致，說明了無源器件的特性不隨時(shí)間環(huán)境變化。

圖3 三組K值的幅度和相位對比

實(shí)際工作時(shí)，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化，雷達(dá)每次開機(jī)時(shí)，只要用內(nèi)部的測試信號進(jìn)行內(nèi)場校準(zhǔn)就可以校正由于時(shí)間和溫度等因素引入的各路接收機(jī)幅度和相位不一致變化問題。當(dāng)?shù)玫絎'neijz=(BC')－1后，將此式和K值相乘完成(7)式運(yùn)算，即完成了接收校準(zhǔn)。

圖4為在外場試驗(yàn)中得到的一組某個頻點(diǎn)16個組件報(bào)送給終端的接收校準(zhǔn)前和接收校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)截圖?？梢钥闯觯?zhǔn)前，16個組件相位幅度相對差距較大;校準(zhǔn)后，16個組件相位幅度相對差距明顯減小。幅度最大差距不超過0.2;相位最大差距不超過5°。由此可見此校準(zhǔn)方法是行之有效的。

圖4 接收校準(zhǔn)前后幅度相位對比

雷達(dá)正常工作時(shí)，接收校準(zhǔn)校正系數(shù)Wjz參與(1)式的運(yùn)算。經(jīng)過多次外場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此接收校準(zhǔn)方法有效，對后續(xù)陣列信號處理性能的發(fā)揮提供了保障。

[1]王欣.DBF系統(tǒng)中的自適應(yīng)通道均衡[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2006，35(4):19－22.

[2]王永良，自適應(yīng)陣列處理[M].北京:清華大學(xué)出版社，2009.

[3]丁鷺飛，耿富錄.雷達(dá)原理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1995.

[4]馬曉巖，向家彬.雷達(dá)信號處理[M].長沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1999.