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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)波束，需要完成下列運(yùn)算:

其中，Xn為一組來自N個(gè)接收機(jī)的復(fù)信號;Wchuangn(m)為M組用于形成M個(gè)波束的加權(quán)窗系數(shù)，每一組都有N個(gè);Wdbfn(m)為M組用于形成M個(gè)波束指向的系數(shù)，每一組都有N個(gè);Wjzn為一組N個(gè)通道的接收校正系數(shù);W(m)為形成的M個(gè)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(gè)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(gè)陣元在天線制作完成后，各個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)通道作為參考，在其它各個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)陣源工作在同一個(gè)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(gè)頻點(diǎn)16個(gè)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。可以看出，校準(zhǔn)前，16個(gè)組件相位幅度相對差距較大;校準(zhǔn)后，16個(gè)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.