丁 堅(jiān)，薛 堅(jiān)

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

數(shù)字陣?yán)走_(dá)具有損耗低、接收波束副瓣低等優(yōu)點(diǎn)［1］，因數(shù)字陣列各通道有一定的差異性，故通道間存在幅度、相位不一致性［2］。通道不一致性的存在會(huì)影響數(shù)字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)后波束的質(zhì)量，特別對(duì)波束指向、主瓣寬度、副瓣電平和波束形狀有著較大的影響［3-8］，進(jìn)而影響雷達(dá)整體性能。通道校準(zhǔn)通過測(cè)試得到通道之間的幅相不一致性，對(duì)通道進(jìn)行補(bǔ)償，可得到較好的波束方向圖。為了保證通道校準(zhǔn)的質(zhì)量，陣面測(cè)試一般采用近場(chǎng)測(cè)試方式，利用穩(wěn)定基準(zhǔn)源逐個(gè)對(duì)天線單元測(cè)試。

傳統(tǒng)的模擬陣列雷達(dá)通道校準(zhǔn)采用模擬饋線網(wǎng)絡(luò)，下行數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合成，采樣數(shù)據(jù)量小，處理方便。大型數(shù)字陣列雷達(dá)的規(guī)模大，一般達(dá)到幾千甚至上萬個(gè)通道，各通道獨(dú)立、通道數(shù)據(jù)通過光纖下行，近場(chǎng)測(cè)試時(shí)每次需要將所有通道采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，事后解析出同一時(shí)刻所有通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，記錄的數(shù)據(jù)量大，處理復(fù)雜，分析時(shí)間長(zhǎng)。本文提出了一種基于通道合成的數(shù)字陣列通道校準(zhǔn)方法，該方法利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programm-able Gate Array，F(xiàn)PGA)實(shí)現(xiàn)通道合成，將所有被測(cè)通道數(shù)據(jù)進(jìn)行累加合成，在保證信噪比滿足測(cè)試要求的情況下快速得到當(dāng)前測(cè)試通道數(shù)據(jù)的近似值，有效實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)壓縮，大大減少了數(shù)據(jù)記錄量和處理時(shí)間，提高了測(cè)試效率。根據(jù)暗室測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)，提出了一種通道校準(zhǔn)計(jì)算方法，通過FPGA實(shí)現(xiàn)計(jì)算功能。在實(shí)際測(cè)量中，與原有校準(zhǔn)方法比較，事實(shí)證明該方法測(cè)試時(shí)間少，精度高，對(duì)波束保形有較好的效果。

1 基于通道合成的數(shù)字陣列通道校準(zhǔn)方法

1.1 原通道校準(zhǔn)方法

為保證通道校準(zhǔn)測(cè)量精度，雷達(dá)天線陣面測(cè)試一般在電磁環(huán)境較好的天線暗室內(nèi)進(jìn)行，受限于測(cè)試空間等因素，陣面測(cè)試一般采用近場(chǎng)測(cè)試方法［6］。數(shù)字陣?yán)走_(dá)通道數(shù)據(jù)直接進(jìn)入數(shù)字接收機(jī)，各通道獨(dú)立。近場(chǎng)測(cè)試時(shí)原有的通道校準(zhǔn)測(cè)試方法，如圖1所示。測(cè)試系統(tǒng)由頻率源、待測(cè)試的N個(gè)陣元、記錄儀和校準(zhǔn)計(jì)算機(jī)組成。

圖1 原有的窄帶通道校準(zhǔn)測(cè)試方法

頻率源能產(chǎn)生穩(wěn)定的信號(hào)作為基準(zhǔn)通道，用于測(cè)試的參考，頻率源信號(hào)通過掃描探頭依次在N個(gè)單元組件上切換，探頭移動(dòng)到某個(gè)單元時(shí)，對(duì)該單元進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試。該方法陣面測(cè)試任務(wù)多，時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)試過程中探頭在不停變換位置，對(duì)測(cè)試結(jié)果分析時(shí)，需要通過指令解析得到本次測(cè)試的通道號(hào)，并將同一時(shí)刻所有通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，得到該通道的校準(zhǔn)采樣值。測(cè)試過程中需要將N個(gè)通道和基準(zhǔn)通道全部記錄下來，記錄量大、且各通道數(shù)據(jù)對(duì)齊工作繁瑣。當(dāng)陣面規(guī)模較大時(shí)，全陣面測(cè)試數(shù)據(jù)記錄量大，分析時(shí)間長(zhǎng)，處理效率低。

1.2 基于通道合成的數(shù)字陣列通道校準(zhǔn)方法

針對(duì)原有測(cè)試方法在大型數(shù)字陣列測(cè)試中效率低的問題，本文提出了一種基于通道合成的數(shù)字陣列通道校準(zhǔn)方法。將所有通道進(jìn)行通道合成，通道合成不進(jìn)行移相和幅度加權(quán)，合成的結(jié)果是所有被測(cè)通道的累加，融合了所有通道的信息，由此可以得到被測(cè)通道采樣數(shù)據(jù)的近似值。

在近場(chǎng)測(cè)試過程中，當(dāng)探頭移動(dòng)到某個(gè)組件上時(shí)，只有該通道能夠收到基準(zhǔn)通道發(fā)射的信號(hào)，其他N-1個(gè)通道接收到為噪聲，被測(cè)通道與其他通道的信噪比非常高。

測(cè)試時(shí)，下行數(shù)據(jù)由信號(hào)和白噪聲相加而成，單個(gè)通道信號(hào)可以表示為

當(dāng)信噪比很大時(shí)

將N個(gè)通道信號(hào)進(jìn)行通道合成，通道合成過程不進(jìn)行移相和幅度加權(quán)，合成后的結(jié)果是將所有通道進(jìn)行累加，累加后結(jié)果可以表示為

當(dāng)信噪比很大時(shí)，

由此可見，當(dāng)信噪比很大時(shí)，x'(i)≈x(i)，即單通道信號(hào)可以近似為所有通道合成后的結(jié)果。

通過上述方法，利用FPGA實(shí)現(xiàn)通道合成能迅速得到被測(cè)通道采樣信息。在不影響測(cè)試結(jié)果的前提下，減少了數(shù)據(jù)量。

另外，在原有的測(cè)試方法中，有效通道采樣數(shù)據(jù)需要通過記錄和分析后得到;然后將解析出的數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)進(jìn)行配對(duì)，得到同一時(shí)刻的基準(zhǔn)與被測(cè)通道數(shù)據(jù)。該處理方法復(fù)雜，且配對(duì)時(shí)間長(zhǎng)，容易造成配對(duì)錯(cuò)誤或失配導(dǎo)致校準(zhǔn)錯(cuò)誤。

為了提高測(cè)試速度和穩(wěn)定性，采用一塊專用硬件模塊，將被測(cè)通道和基準(zhǔn)通道的數(shù)據(jù)同時(shí)接收，并利用FPGA計(jì)算通道不一致性，將校準(zhǔn)結(jié)果直接送出。這樣做不需要后期進(jìn)行解數(shù)和匹配操作，保留了系統(tǒng)原有同步性，增強(qiáng)了實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

通過上述兩個(gè)手段，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化通道校準(zhǔn)實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示。

圖2 基于通道合成的數(shù)字陣列通道校準(zhǔn)方法

2 通道校準(zhǔn)算法

通道校準(zhǔn)是指測(cè)試出各個(gè)通道之間的幅度和相位不一致性，以便對(duì)各通道進(jìn)行幅相補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)波束方向圖的保形。校準(zhǔn)算法是通道校準(zhǔn)系統(tǒng)的核心，需要與校準(zhǔn)系統(tǒng)相結(jié)合。如圖2所示，基準(zhǔn)通道信號(hào)由頻率源提供，信號(hào)幅相特性穩(wěn)定，可作為固定參考。探頭通過空間輻射依次向各個(gè)被測(cè)通道發(fā)送監(jiān)校信號(hào)。

設(shè)基準(zhǔn)通道信號(hào)為X(i)，被測(cè)通道信號(hào)為Y(i)，i=1，2，…，n。其中，n為采樣點(diǎn)數(shù)，為了防止采樣點(diǎn)數(shù)過少，校準(zhǔn)結(jié)果有一定誤差，一般取n為128點(diǎn)。

由于校準(zhǔn)測(cè)試依賴于掃描架、探頭和測(cè)試網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備，測(cè)試過程中難免會(huì)有一些測(cè)試系統(tǒng)引起的誤差信息，為了將誤差消除，對(duì)n個(gè)采樣點(diǎn)幅相差結(jié)果做快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)處理，并對(duì)FFT結(jié)果求最大值，可以將誤差信息濾除，以得到更準(zhǔn)確的幅相測(cè)量值。

經(jīng)過濾波后的通道校準(zhǔn)結(jié)果可表示為

3 性能分析

3.1 采樣點(diǎn)信噪比比較

原校準(zhǔn)采樣方法，不引入通道合成。設(shè)信號(hào)為16位，單通道噪聲為白噪聲，噪聲功率為8，則單個(gè)通道的信噪比為

結(jié)合實(shí)際測(cè)試情況，假設(shè)N為3072通道，則N通道合成后的信噪比為

在實(shí)際測(cè)試中對(duì)3 072個(gè)通道分別逐個(gè)測(cè)試，圖3是兩種方法的原始信號(hào)與噪聲疊加前后的比較，可以看出，兩種方法的噪聲相對(duì)于信號(hào)本身的幅度和相位影響都很小。

將兩種方法測(cè)試結(jié)果做定量比較，兩種方法的幅度和相位標(biāo)準(zhǔn)差都相差非常小，不影響通道校準(zhǔn)的效果。基于通道合成的通道校準(zhǔn)方法后信噪比有52.4 dB，能夠滿足測(cè)試精度需求。

圖3 單通道和通道合成信噪比比較

3.2 校準(zhǔn)記錄數(shù)據(jù)量比較

假設(shè)測(cè)試3 072個(gè)通道的陣面，每次測(cè)試50個(gè)頻點(diǎn)。每次測(cè)試所需的單通道采樣點(diǎn)數(shù)是128點(diǎn)，所需的通道號(hào)、頻點(diǎn)、控制等掃描控制信息有50點(diǎn)。

原有測(cè)試系統(tǒng)，每次需要記錄3 072個(gè)被測(cè)通道和1個(gè)基準(zhǔn)通道信號(hào)，則單通道、單頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)記錄量為

3 073(128×2×16 bit+50×16 bit)=1.88 MB

全陣面所有3072通道，所有頻點(diǎn)做一次測(cè)試，總的數(shù)據(jù)記錄量為

1.88 MB×3 072×50=288.77 GB

采用通道合成提速的測(cè)試系統(tǒng)，每一幀只需記錄基本控制信息和修正后的通道校準(zhǔn)結(jié)果，單通道單頻點(diǎn)的記錄量為

2×32 bit+2×50×32 bit=408 Byte

整個(gè)陣面所有波位和頻點(diǎn)做一遍，總的數(shù)據(jù)記錄量為

408 Byte×3 072×50=62.67 MB

由此可見，基于通道合成方法的記錄量是原有測(cè)試方法的0.022%。

3.3 校準(zhǔn)測(cè)試時(shí)間比較

數(shù)據(jù)記錄量的減少和通道校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)計(jì)算，大大減少了通道校準(zhǔn)的測(cè)試時(shí)間。在實(shí)際測(cè)試中，原有測(cè)試方法做一次測(cè)試所需時(shí)間約為120 h，而基于通道合成的方法測(cè)試時(shí)間為4 h。另外，本方法省去了數(shù)據(jù)配對(duì)的步驟，減小了出錯(cuò)概率，增加了穩(wěn)定性。

3.4 通道校準(zhǔn)對(duì)波束方向圖的影響比較

3 072個(gè)通道陣面為64×48排布，圖4給出了采用基于通道合成的通道校準(zhǔn)方法修正前后的等幅權(quán)的水平方向波束圖比較。由圖可見通道修正后，波束方向圖形狀有了明顯的改善。

圖4 通道校準(zhǔn)前后波束圖比較

在實(shí)際測(cè)試中，以測(cè)試3 072個(gè)通道、單通道50個(gè)頻點(diǎn)為例，將基于通道合成的校準(zhǔn)方法與原有校準(zhǔn)方法性能比較，結(jié)果如表1所示。

表1 本方法與原校準(zhǔn)方法性能比較

綜上所述，基于通道合成的校準(zhǔn)方法與原方法相比性能相當(dāng)，可以滿足測(cè)試要求。同時(shí)，數(shù)據(jù)記錄量和測(cè)試時(shí)間有了顯著減少，大大縮短了通道測(cè)試的時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于通道合成的數(shù)字陣列通道校準(zhǔn)方法原理和組成，給出了基于這種測(cè)試方法的通道校準(zhǔn)算法。工程實(shí)踐證明，校準(zhǔn)后形成的波束方向圖性能良好，能滿足陣面測(cè)試要求。與傳統(tǒng)數(shù)字陣列通道校準(zhǔn)方法比較，本方法在保證通道校準(zhǔn)性能的前提下大大降低了通道校準(zhǔn)測(cè)試的測(cè)試量和測(cè)試時(shí)間，增加了測(cè)試穩(wěn)定性，可為大型數(shù)字陣列陣面快速測(cè)試提供系統(tǒng)方案支撐。

［1］ 陳文俊，胡永君.數(shù)字陣列天線接收波束形成方法及實(shí)驗(yàn)研究［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2011，33(2):66-69.Chen Wenjun，Hu Yongjun.A study on beamforming method of digital receiving array antenna and its experiment［J］.Modern Radar，2011，33(2):66-69.

［2］ 林新黨，石春燕.相控陣?yán)走_(dá)接收通道校準(zhǔn)方法仿真［J］.雷達(dá)與對(duì)抗，2009，34(1):23-25.Lin Xindang，Shi Chunyan.Simulation on the method of receiving channel calibration for the phased array radar［J］.Radar＆ ECM，2009，34(1):23-25.

［3］ 謝良貴.數(shù)字波束形成技術(shù)的工程應(yīng)用問題［J］.電子學(xué)報(bào)，1995，23(10):105-109.Xie Lianggui.Application problem about digital beamforming technology in radar engineering［J］.Acta Electronica Sinica，1995，23(10):105-109.

［4］ 程 偉，左繼章，許悅雷.數(shù)字波束形成器的FPGA實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2003，25(5):34-36，39.Cheng Wei，Zuo Jizhang，Xu Yuelei.FPGA implementations of digital beamformer［J］.Modern Radar，2003，25(5):34-36，39.

［5］ Steyskal H，Rose J F.Digital beamforming for radar systems［J］.Microwave Journal，1989，32(1):121-136.

［6］ 曹俊鋒，許建文，方 云.接收DBF雷達(dá)系統(tǒng)校正技術(shù)［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2007，36(12):63-67.Cao Junfeng，Xu Jianwen，F(xiàn)ang Yun.Correction technology for radar system based on receiving DBF［J］.Fire Control Radar Technology，2007，36(12):63-67.

［7］ 汪 海，王 侃.基于短時(shí)FFT的相控陣遠(yuǎn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2011，33(12):65-67，71.Wang Hai，Wang Kan.Calibration method based on shorttime FFT of phased array in far-field［J］.Modern Radar，2011，33(12):65-67，71.

［8］ 牛寶君.大型相控陣外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，1999，21(1):53-57.Niu Baojun.Outer surveillance system for large phased array［J］.Modern Radar，1999，21(1):53-57.