紀 斌，楊 勇

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

相控陣雷達在線幅相校正*

紀 斌＊＊，楊 勇

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

TR組件有源通道會隨環(huán)境條件的變化引起雷達回波幅度和相位的變化，使得相控陣天線波束的指向精度下降、副瓣電平抬高，導致雷達系統(tǒng)在探測、成像、跟蹤時失效。為此，通過對相控陣天線產(chǎn)生幅相誤差原因的分析，提出了采用遠場最優(yōu)方向圖和近場平均矢量法相結(jié)合的算法，對相控陣雷達進行非實時在線幅相校正，從而提高相控陣天線的幅相一致性，保證雷達系統(tǒng)正常工作。暗室試驗和外場試驗驗證了算法的正確性和可實現(xiàn)性。

相控陣雷達;幅相校正;最優(yōu)方向圖;平均矢量法

1 引言

由于相控陣雷達具有波束快速捷變、多波束形成、空間功率分配可控和低副瓣等優(yōu)點，能實現(xiàn)對多個目標快速掃描和跟蹤，而且近幾年來國內(nèi)TR芯片技術(shù)的飛速發(fā)展和成本的迅速下降，使相控陣雷達受到了越來越多的重視和發(fā)展。但是，由于相控陣雷達采用多個天線單元空間合成的方式實現(xiàn)波束的發(fā)射和接收，每個天線的幅相不一致性以及TR溫度和外部環(huán)境變化，都會引起發(fā)射和接收波束的偏差，影響雷達目標識別和跟蹤精度，嚴重時會導致任務(wù)失敗，因此多通道幅度相位的監(jiān)測與校準是相控陣系統(tǒng)正常工作的前提。

常用的方法是在實驗室測試每個TR組件時，測出其自身的幅度、相位誤差，然后補償?shù)讲厮惴ㄖ?，進行一次性修正。但是現(xiàn)在大功率TR組件發(fā)熱量很大，外部環(huán)境溫度和內(nèi)部信道參數(shù)變化也很大，在實驗室得出的補償參數(shù)不能很好地滿足使用需求。為此，本文分析了相控陣天線指向誤差的構(gòu)成，提出了一種非實時的在線校正方法來減小測量誤差，使相控陣雷達利用工作間隙進行校正后能正常工作。

2 相控陣雷達誤差分析和在線校正原理

相控陣雷達發(fā)射和接收信號是陣列中所有天線單元輻射電磁波的矢量合成，因此，引起相控陣雷達回波誤差的因素包括各個單元的幅度誤差、相位誤差、單元的定位誤差和單元失效誤差。

單元的定位誤差是指安裝時天線單元的位置會偏離理論值，導致波束指向偏離理論值，造成波束指向誤差。單元失效誤差是指在使用過程中，單元因各種原因造成失效，使得波束指向偏離理論值，造成波束指向誤差。由于這些誤差值不隨外部環(huán)境的變化而改變，因此都可以通過前期測量和計算，進行一次性補償。而幅度誤差和相位誤差具有很大的隨機性和環(huán)境溫度變化性，會對相控陣雷達的波束指向和天線增益產(chǎn)生較大影響，因此必須對相控陣雷達進行定時的幅相校正，才能滿足現(xiàn)在高精度雷達對目標的識別和跟蹤。

相控陣雷達校準的功能在于補償各通道發(fā)射/接收通道信號之間幅度和相位的不一致性，若能做到每次探測時對發(fā)射和接收通道做一次檢測，就能得到更能反映當時雷達狀態(tài)的補償值。相控陣雷達在線校正原理為:在每次使用前，通過雷達設(shè)備自帶的耦合天線發(fā)射信號對設(shè)備的TR組件單元和信道單元通道間一致性進行測試，雷達信號處理機把接收到的校正信號通過平均矢量法和FFT校正法，計算得到當前實時的幅相值，與前期保存在雷達中的初始值進行比較，從而得到相控陣雷達隨時間和溫度變化產(chǎn)生的誤差值，進而進行必要的補償，這樣就能解決相控陣雷達幅相誤差隨環(huán)境變化的問題。相控陣雷達在線校正的硬件框圖如圖1所示，關(guān)鍵在于雷達系統(tǒng)設(shè)計中需要考慮校準通道和校準天線的設(shè)計和使用。

圖1 相控陣雷達在線校準框圖Fig.1 Diagram of online calibration for prased array radar

3 幅相校正流程及算法

根據(jù)相控陣雷達的組成和天線產(chǎn)生誤差的原因，設(shè)計了整個幅相校正工作流程，如圖2所示。

相控陣雷達的幅相校正需要整個系統(tǒng)，包括天線、TR組件、信道、信號處理和主控的相互配合，校正流程分為三個步驟:

（1）首先是在暗室環(huán)境下，通過遠場最優(yōu)方向圖，測得和存儲相控陣天線的遠場發(fā)射幅相數(shù)據(jù)A1和接收幅相數(shù)據(jù)A2;

（2）然后通過雷達整機的測試天線和終端處理計算并儲存近場發(fā)射幅相數(shù)據(jù)B1和接收幅相數(shù)據(jù)B2;

（3）最后把雷達整機挪到外場測試實時工作時的近場發(fā)射幅相數(shù)據(jù)C1和接收幅相數(shù)據(jù)C2，計算得到準確的發(fā)射和接收幅相數(shù)據(jù)。

3.1 遠場天線圖測量

在暗室中，主控計算機通過隨機布相法，給被測相控陣雷達的波控單元產(chǎn)生上萬個接收和發(fā)射的幅度、相位碼值，并通過標準天線逐一測試被測天線的方向圖，然后從中分別找出接收和發(fā)射幅度、相位最好兩幅，則為最優(yōu)方向圖。記錄下這兩幅圖的幅度和相位碼值，分別記為A1和A2，存儲到被測雷達中。這個步驟的目的是測試出每個單元天線由于幅度和相位的不一致性和單元定位差異引起的幅相誤差的補償值。

3.2 近場幅相校正測量

近場幅相校準是通過信號處理機的配合，使用平均矢量法，計算出幅相數(shù)據(jù)B1和B2，用于后續(xù)外場環(huán)境下進行幅相校正的計算基準，具體近場幅相校正算法流程如圖3所示。

圖3 近場幅相校正算法流程Fig.3 Near－ field measurement method of gain and phase calibration flow

近場測試總的思路是屏蔽TR組件其他支路的耦合影響，一次只對其中一路的某個TR，通過平均矢量法求得幅度和相位值，最后組合成整個天線的幅度和相位碼。流程中使用到了FFT相參積累，算法為:信號處理采集在接收模式下采集M組幅相值（M=8 192）A=ai，i=1，2，…，M，利用下式進行FFT變換:

3.3 外場實時近場校正

4 幅相校正算法試驗驗證

在未進行幅相校正前，在暗室中對相控陣雷達天線進行了一次指標測試，如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)天線的副瓣電平過高，并且不對稱，而其波束指向精度很差，最大到4°，嚴重影響了天線的性能。

圖4 校正前的不同指向的方向圖Fig.4 Antenna's directional patterns before calibration

通過幅相校正后，對幅相碼值進行了一次比較，如圖5所示，可以看出幅度和相位碼值發(fā)生了一定的變化。同時在相同的發(fā)射和接收功率、波束指向等條件下，測試的雷達天線指標如圖6所示，可見天線的指向精度大大提高，減小到了0.3°以內(nèi)。

圖5 校正前后的幅度相位分布Fig.5 Amplitude and phase distribution before calibration

圖6 校正后的不同指向的方向圖Fig.6 Antenna's directional patterns after calibration

5 結(jié)論

采用上述在線校正算法，可以“隨時隨地”對雷達設(shè)備進行幅相校正，而不需要拆下相控陣天線，在暗室中反復測試，大大簡化了校正復雜度。本算法還可以在不同環(huán)境下對天線幅度相位進行測試和補償，提高了補償?shù)木?。通過試驗驗證，波束指向精度由原來的0.5°左右提升為了0.1°左右，副瓣電平降低了1～2 dB（法相方向），波束掃描到不同方向的增益平坦性也有所改善，提高了相控陣雷達的測角精度，為后端信號處理成像、識別和跟蹤提供了有效的保證。

相控陣雷達在線幅相校正還需要考慮到系統(tǒng)的各項設(shè)計參數(shù)，如TR組件數(shù)量、接收機增益、TR發(fā)射功率、AD采樣頻率、校正信號耦合系數(shù)等。同時，由于不同狀態(tài)下校正信號的幅度有較大的動態(tài)變化，小信號時的信噪比較差，影響幅相校正精度，因此，后期校正信號的設(shè)計考慮用相參積累的方法提高接收信號信噪比，進一步改善幅相校正效果。

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Online Gain and Phase Calibration for Phased Array Radar

JI Bin，YANG Yong
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

Because the radar echo's amplitude and phase will be changed when the temperature of TR module channel rises，the phased array antenna beam pointing accuracy will descend and side － lobe level will drive up，resulting in the failure when the radar system begins to detect，imaging and track.Through analyzing the reason causing amplitude － phase error，this paper introduces an algorithm which combines farfield measurement method of optimized radiation pattern with near－field measurement method of average vector algorithm to calibrate the radar non－realtimely and improve the phased array antenna's amplitudephase consistency.The correction and feasibility of this algorithm have been proved by the measurement in anechoic chamber and outfield test.

phased array radar;gain and phase calibration;optimized radiation pattern;average vector algorithm

TN958.92

A

1001－893X（2014）05－0621－05

10.3969/j.issn.1001 －893x.2014.05.018

紀斌，楊勇.相控陣雷達在線幅相校正［J］.電訊技術(shù)，2014，54（5）:621 －625.［JI Bin，YANG Yong.Online Gain and Phase Calibration for Phased Array Radar［J］.Telecommunication Engineering，2014，54（5）:621 －625.］

2013－11－28;

2014－03－24

date:2013－11－28;Revised date:2014－03－24

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ziyoudianzi1981@sina.com Corresponding author:ziyoudianzi1981@sina.com

紀 斌（1981—），男，四川廣漢人，2007年于電子科技大學獲碩士學位，現(xiàn)為工程師，主要從事雷達系統(tǒng)研發(fā)工作;

JI Bin was born in Guanghan，Sichuan Province，in 1981.He received the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2007.He is now an engineer.Hisresearch concerns radar system R＆D.

Email:ziyoudianzi1981@sina.com

楊 勇（1978—），男，遼寧撫順，2006年于武漢大學電子信息學院獲通信與信息系統(tǒng)專業(yè)博士學位，現(xiàn)為高級工程師，主要從事雷達系統(tǒng)研發(fā)工作。

YANG Yong was born in Fushun，Liaoning Province，in 1978.He received the Ph.D.degree from Wuhan University in 2006.He is now a senior engineer.His research concerns radar system R＆D.

Email:25600073@qq.com