張 娟，劉 恒，何冠良

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

干涉儀測(cè)向系統(tǒng)相位誤差校準(zhǔn)方法

張 娟，劉 恒，何冠良

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

通過(guò)分析干涉儀測(cè)向系統(tǒng)的相位誤差來(lái)源，對(duì)接收機(jī)各通道的相位不一致性、接收機(jī)前端無(wú)源部分的相位差異、工作環(huán)境溫度變化及系統(tǒng)噪聲引起的相位差變化進(jìn)行了分析與探討，并針對(duì)不同的誤差來(lái)源提出了相應(yīng)的校準(zhǔn)方法和設(shè)計(jì)原則，對(duì)于工程實(shí)踐具有一定的借鑒意義。

干涉儀測(cè)向；通道間相位差；動(dòng)態(tài)相位校準(zhǔn)；系統(tǒng)噪聲；測(cè)向精度

0 引 言

干涉儀測(cè)向系統(tǒng)一般由天線、接收和處理機(jī)構(gòu)成。干涉儀天線一般由按一定方式排列的天線陣列構(gòu)成；接收和處理機(jī)通過(guò)比較各天線單元接收到的信號(hào)的相位差來(lái)獲得目標(biāo)信號(hào)的到達(dá)方位信息[1]。由于設(shè)計(jì)、工藝等方面的影響，接收機(jī)前端無(wú)源器件很難做到相位一致；接收機(jī)無(wú)源器件的相位會(huì)隨著工作時(shí)間、溫度等的影響產(chǎn)生漂移。上述因素會(huì)對(duì)系統(tǒng)相位差的計(jì)算帶來(lái)系統(tǒng)相位誤差。對(duì)上述系統(tǒng)相位誤差存在的原因進(jìn)行分析，并進(jìn)行系統(tǒng)相位誤差校準(zhǔn)對(duì)提高系統(tǒng)的測(cè)向精度具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 干涉儀測(cè)向系統(tǒng)測(cè)向誤差來(lái)源分析

一個(gè)兩天線單元陣進(jìn)行干涉儀測(cè)向的系統(tǒng)模型如圖1所示。圖中，d為天線1與天線2之間的基線長(zhǎng)度，θ為入射波的到達(dá)角度, 則相位差為

圖1 干涉儀測(cè)向系統(tǒng)模型

(1)

式中，λ為入射波波長(zhǎng)，d/λ=n，則

φ=2πnsinθ

(2)

根據(jù)入射波到達(dá)天線時(shí)的相位差φ可計(jì)算出入射波到達(dá)方位:

(3)

對(duì)電磁波到達(dá)方位θ的測(cè)量精度進(jìn)行分析，得到如下公式：

(4)

式中,σθ為測(cè)量方位θ的標(biāo)準(zhǔn)偏差，σφ是測(cè)量相位差φ的標(biāo)準(zhǔn)偏差，σλ是測(cè)量電磁波波長(zhǎng)(或頻率)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，σd是測(cè)量基線長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差。假定各誤差源相互獨(dú)立，一般而言,電磁波波長(zhǎng)λ(或頻率)和基線長(zhǎng)度d都能加以精確測(cè)定,所以在式(4)中主要的誤差來(lái)源是等號(hào)右邊的第一項(xiàng)。而引起σφ的主要誤差源是接收通道的相位不一致性、熱噪聲引起的隨機(jī)相位抖動(dòng),以及數(shù)字處理引入的相位噪聲(主要是量化噪聲)等。天線單元相位中心的移動(dòng)既可造成基線長(zhǎng)度的變化,又可引起通道相位不一致,但一般可以做到足夠小。隨著數(shù)字A/D采樣芯片位數(shù)的提高，數(shù)字處理引入的相位噪聲(量化噪聲)已經(jīng)很小。因此，要想保證整個(gè)干涉儀測(cè)向系統(tǒng)的測(cè)向精度，接收通道的相位一致性及穩(wěn)定性顯得尤為重要。本文主要從接收通道相位一致性和穩(wěn)定性等方面入手，對(duì)各方面的系統(tǒng)相位誤差校準(zhǔn)方法進(jìn)行分析和探討。

2 接收通道的相位不一致性校準(zhǔn)方法

要減小接收機(jī)各通道的相位不一致性引起的相位誤差，最直接的辦法就是提高接收機(jī)各通道的相位一致性。隨著偵測(cè)雷達(dá)向更高寬頻段發(fā)展，從硬件上來(lái)實(shí)現(xiàn)接收通道的相位一致性已不太現(xiàn)實(shí)，單純依靠工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)的話，調(diào)試起來(lái)也比較繁雜；又由于接收機(jī)中的有源器件和濾波器等器件的相位變化隨環(huán)境、時(shí)間推移等存在差異，需要采用一種動(dòng)態(tài)的校準(zhǔn)方式才能滿足系統(tǒng)長(zhǎng)期工作的需要。針對(duì)這種情況，可采用圖 2的校準(zhǔn)方式來(lái)解決[2]。

圖2 通道相位不一致性校準(zhǔn)框架

如圖2所示，在每個(gè)通道前加入一級(jí)開(kāi)關(guān)控制,開(kāi)關(guān)的兩個(gè)輸入端分別連接到天線陣元和校準(zhǔn)信號(hào)源，用于選擇通道的信號(hào)來(lái)源。校準(zhǔn)信號(hào)源內(nèi)置于接收系統(tǒng)中，通過(guò)終端操控產(chǎn)生校準(zhǔn)所需的校準(zhǔn)信號(hào)。校準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)功分器功分，輸出幾路同頻同相信號(hào)給不同的接收通道。同頻同相信號(hào)經(jīng)接收通道后產(chǎn)生相位差ξ，ξ即為由接收通道的相位不平衡性引起的相位差。

當(dāng)接收到的信號(hào)通過(guò)兩路通道測(cè)相輸出時(shí),相位差中包含了通道不一致性引入的相位誤差，即

(5)

(6)

當(dāng)校準(zhǔn)信號(hào)源通過(guò)功分器功分后產(chǎn)生同頻同相信號(hào)，通過(guò)兩路通道測(cè)相輸出時(shí)得到兩信道的相位誤差中也包含了通道不一致性引入的相位誤差,即

(7)

(8)

兩者相減后即可消除該組測(cè)相通道因通道相位不一致性引入的相位誤差,得到信號(hào)到達(dá)前的真實(shí)相位差，即

校準(zhǔn)信號(hào)源內(nèi)置于接收系統(tǒng)中，通過(guò)終端操控隨時(shí)產(chǎn)生校準(zhǔn)所需的校準(zhǔn)信號(hào)。系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)對(duì)接收機(jī)進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程快速便捷，校準(zhǔn)后既消除了接收通道開(kāi)關(guān)以后部分的系統(tǒng)誤差,也消除了部分隨機(jī)誤差。

3 接收機(jī)前端無(wú)源部分相位差校準(zhǔn)方法

圖2中的通道相位校準(zhǔn)方案只能對(duì)接收通道開(kāi)關(guān)以后部分引起的相位差ξ進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)開(kāi)關(guān)前的通道相位誤差β不能進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)引進(jìn)了校準(zhǔn)源中的功分器及后端線纜引起的相位誤差α。這兩部分相位差由無(wú)源的天線、線纜及功分器引起，開(kāi)關(guān)的相位不平衡性也會(huì)帶來(lái)一定的相位差。由于這部分相位差都是信號(hào)頻率的函數(shù)，可把這部分相位差作為系統(tǒng)差進(jìn)行校準(zhǔn)。因此，這部分相位差可與天線一起進(jìn)行輻射校準(zhǔn)。

輻射校準(zhǔn)示意圖見(jiàn)圖 3所示。自檢源進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，測(cè)得的相位差為

△φ=(ξ2-ξ1)+(α2-α1)

(11)

圖3 輻射校準(zhǔn)示意圖

輻射校準(zhǔn)時(shí)，假定輻射信號(hào)均為平面波，且到達(dá)接收天線時(shí)同頻等相，則此時(shí)測(cè)得的相位差為

△φ′=(ξ2-ξ1)+(β2-β1)

(12)

假設(shè)待測(cè)信號(hào)到接收天線前的相位分別是θ1、θ2，則待測(cè)信號(hào)經(jīng)整個(gè)接收系統(tǒng)后測(cè)得的相位差為

△φ″=(θ2-θ1)+(ξ2-ξ1)+(β2-β1)

(13)

而待測(cè)相位差為

(14)

△φ、△φ′、△φ″均可通過(guò)干涉儀測(cè)向系統(tǒng)的測(cè)相部分測(cè)得，在終端可直接讀出這部分?jǐn)?shù)據(jù)。實(shí)際使用過(guò)程中，可通過(guò)操控終端控制信號(hào)源按既定頻點(diǎn)自動(dòng)掃描，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化校準(zhǔn)，大大節(jié)省了校準(zhǔn)調(diào)試時(shí)間。這種方法校準(zhǔn)的難點(diǎn)在于保證輻射源的信號(hào)波為平面波，同時(shí)還要保證測(cè)試電磁環(huán)境相對(duì)比較干凈，且信號(hào)在進(jìn)入天線前等相位。

4 溫度變化引起的相位誤差校準(zhǔn)

受工作環(huán)境及系統(tǒng)功耗影響，系統(tǒng)工作溫度存在較大起伏，溫度起伏將引起接收通道相位的改變。由公式(4)可知：在干涉儀測(cè)向系統(tǒng)中，系統(tǒng)只關(guān)心接收機(jī)通道間的相位差變化。當(dāng)各接收通道相位變化隨溫度變化不一致時(shí)，將引起通道間的相位差變化[3]。針對(duì)溫度變化引起的這部分相位差，可采用以下幾種方法來(lái)解決：

(1) 盡量選用穩(wěn)相同批次的器件及線纜，盡量保證接收通道在工藝上的一致性，使接收通道的相位變化隨溫度變化盡量趨向一致；

(2) 通過(guò)一些散熱恒溫裝置，使系統(tǒng)工作溫度盡量保持恒定；

(3) 必要時(shí)在接收機(jī)內(nèi)部加入相位補(bǔ)償。根據(jù)需要?jiǎng)澐譃椴煌臏貐^(qū)，在實(shí)驗(yàn)室里得出接收通道隨溫度變化時(shí)的相位變化數(shù)據(jù)，利用溫度傳感器得到系統(tǒng)的工作環(huán)境溫度，調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)加以補(bǔ)償。

5 系統(tǒng)噪聲對(duì)相位測(cè)量的影響分析

當(dāng)存在噪聲時(shí)，相位合成矢量將偏離原信號(hào)矢量的相位[4]，如圖4所示。

根據(jù)正弦定理，由圖 4可得

圖4 噪聲引起的相位偏差

即

n(sinφcosθ+cosφsinθ)=Asinφ

在系統(tǒng)噪聲n比較小的情況下，即φ接近于零，sinφ≈φ，cosφ≈1，ncosθ與A相比可忽略不計(jì)。

n(φcosθ+sinθ)=Aφ

其中φ為奇函數(shù)，其均值為0，方差為

其中，A為被檢測(cè)信號(hào)電壓，n為噪聲電壓，θ為被檢測(cè)信號(hào)電壓矢量與噪聲電壓矢量的夾角，N為噪聲功率，S為被檢測(cè)信號(hào)功率。其均方根值為

(15)

由公式(14)可得出信噪比對(duì)相位差測(cè)量的影響，信噪比越大，它對(duì)相位測(cè)量的影響越小。為減小相位測(cè)量的誤差，應(yīng)盡量提高系統(tǒng)的信噪比。提高系統(tǒng)信噪比的主要方法有[5-6]：

(1) 盡量提高天線增益和接收機(jī)前級(jí)的增益；

(2) 采用相對(duì)小的信號(hào)處理帶寬，抑制帶外噪聲，增加信噪比；

(3) 采用多次測(cè)量，測(cè)量值進(jìn)行二次處理。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)干涉儀測(cè)向中各個(gè)環(huán)節(jié)的相位誤差來(lái)源進(jìn)行了分析與探討，并對(duì)誤差產(chǎn)生的原因進(jìn)行了詳細(xì)分析。針對(duì)不同的誤差來(lái)源，提出了相關(guān)的校準(zhǔn)方法和設(shè)計(jì)原則，有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在實(shí)際工程應(yīng)用中找到一種合適的方法來(lái)消除各個(gè)環(huán)節(jié)引入的系統(tǒng)相位誤差，在工程應(yīng)用上具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 潘琳. 干涉儀測(cè)向與相位差變化率定位技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué),2009：17,26.

[2] 李川.干涉儀測(cè)向體制誤差性能分析[J].電子測(cè)量技術(shù),2011，34(6)：116.

[3] 張文旭,司錫才，蔣伊琳.相位干涉儀測(cè)向系統(tǒng)相位誤差研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2006,28(11):1632.

[4] 熊立志,漆蘭芳,張?jiān)?一種新的天線陣列位置誤差校正算法[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2004,19:192-194.

[5] 馮成燕,吳援明,劉剛,等.基于改進(jìn)NLMS算法的通道校正技術(shù)研究[J].信號(hào)處理,2005,21(6):649-652.

[6] 賀志毅,張峋,郝祖全.一種寬帶雷達(dá)幅相誤差分析與校正方法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2003,25(11):1351-1354.

Phase error calibration methods of direction-finding system of an interferometer

ZHANG Juan, LIU Heng, HE Guan-liang

(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

With the analysis of the sources of the phase error of the direction-finding system of the interferometer, the inconsistent phases in each channel of the receiver, the phase differences in the passive part of the front end of the receiver, the temperature change of the working environment, and the phase difference change caused by the system noise are analyzed and discussed. The corresponding calibration methods and design principles are proposed for different error sources, having a certain reference significance for the engineering applications.

direction finding of interferometer; inter-channel phase difference; dynamic phase calibration; system noise; direction-finding precision

2014-06-12；

2014-07-02

張娟(1982-)，女，工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)信號(hào)接收；劉恒(1982-)，男，工程師，研究方向：雷達(dá)總體；何冠良(1985-)，男，碩士,工程師，研究方向：雷達(dá)信號(hào)處理。

TN957.5

A

1009-0401(2014)03-0023-04