劉京然，王 星，程嗣怡，趙 亮

(1. 空軍工程大學 航空航天工程學院， 西安 710038； 2. 中國西南電子設備研究所， 成都 610036)

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·天饋伺系統(tǒng)·

有源相控陣天線快速檢測系統(tǒng)設計

劉京然1，王 星1，程嗣怡1，趙 亮2

(1. 空軍工程大學 航空航天工程學院， 西安 710038； 2. 中國西南電子設備研究所， 成都 610036)

機載電子戰(zhàn)系統(tǒng)有源相控陣天線的完整參數(shù)檢測方法步驟復雜且消耗時間較長，文中基于有源相控陣天線波束捷變特性設計出新的天線檢測方法，可實現(xiàn)有源相控陣天線檢測過程自動化，從而大幅提高天線全波位、多頻點方向圖參數(shù)測量速度，并使用改進的灰色關聯(lián)度數(shù)據(jù)分析算法(GRA)，對測量所得的參數(shù)集進行快速計算與故障原因分析。為機載電子戰(zhàn)系統(tǒng)有源相控陣天線的研制、開發(fā)、檢測提供了技術(shù)支持。

有源相控陣天線；故障檢測；方向圖；灰色關聯(lián)度

0 引 言

如今的有源相控陣天線已經(jīng)應用到雷達、電子對抗、通信導航等諸多領域，成為軍隊國防的重要裝備之一。隨著高度集成技術(shù)的進步，有源相控陣天線的天饋單元體積越做越小，其故障檢測與定位難度也越來越大。而對于長時間工作在復雜電磁環(huán)境或惡劣條件下的有源相控陣天線器件，大功率信號的收、發(fā)容易使其中的T/R組件、饋線與波束形成網(wǎng)絡出現(xiàn)性能或穩(wěn)定性降低的情況[1]。而性能減弱會使天線對于大角度發(fā)射、接收的波束發(fā)生畸變，從而影響探測、干擾性能。但現(xiàn)有的有源相控陣天線檢測受其方法與系統(tǒng)設計的雙重制約，其全部測量時間需要數(shù)百小時。

本文對此出現(xiàn)的性能檢測需求，設計研制機載電子戰(zhàn)系統(tǒng)有源相控陣天線的遠場暗室檢測系統(tǒng)，基于有源相控陣天線波束捷變特性提出的一種新的參數(shù)測量方法，可將有源相控陣天線的全波位、多頻點參數(shù)測量、分析時間從理論上的數(shù)百小時縮短至3小時內(nèi)完成，使用改進后的灰色關聯(lián)度分析算法實現(xiàn)對測量參數(shù)的快速分析與故障定位，為基地級大修廠、研究所或生產(chǎn)廠家的有源相控陣天線陣面故障單元定位與修后檢測提供了技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)設計與應用

1.1 基礎理論

為使天線測試方法適用于暗室內(nèi)的天線性能測試，需要對待測的小型有源相控陣天線進行遠近場界限計算，設天線的陣面最大口徑為D，根據(jù)遠場劃分(夫瑯禾費區(qū))界限的定義[2]：使入射到待測天線口面的電磁波近似于平面波，滿足從信號源球面波前到達待測天線邊緣與天線中心的相位差為π/8，可算出

(1)

式中：R為遠近場劃分最小距離；λ為測量頻點射頻信號波長。對小型有源相控陣線來說，R的大小允許讓天線在暗室內(nèi)實現(xiàn)其遠場的參數(shù)測量，這樣在天線參數(shù)測量過程中可有效減小外界的電磁干擾，同時也可實現(xiàn)在測量過程中模擬實際使用場景的各種需求。

為對有源相控陣天線性能進行檢測分析，其中重要方法是通過該天線的方向圖參數(shù)測量，計算出天線能否達到相應技術(shù)指標。完整的天線方向圖是一個三維空間圖形，可以將方向圖F(θ,φ)表示為[3]

k(dr2sinθ-β)]}

(2)

式中：i,k為天線第(i,k)個天線陣元；θ,φ為球坐標下的目標較參考中心(0，0)陣元方向角；ak為幅度加權(quán)系數(shù)；d1和d2為天線陣元水平與豎直方向間距；α和β分別為第(i,k)陣元與第(0,0)陣元的水平和豎直方向的陣內(nèi)相位差。

對于均勻分布式的平面相控陣天線而言，其F(θ,φ)可表示為

|F(θ,φ)|=|F1(θ,φ)·F2(θ)|

(3)

式中：F1(θ,φ)為水平線陣的方向圖；F2(θ)為垂直線陣的方向圖。

與機械掃描天線不同的是，有源相控陣天線的每一個波束位置都有對應該波位的收/發(fā)幅值-角度直角坐標圖(下文簡稱為波位方向圖)，此圖與相控陣天線方向圖類似，可從其中獲得天線在不同波束位置處的主瓣寬度、旁瓣電平、前后比和方向系數(shù)等參數(shù)。另外，當波束靠近天線有效工作范圍邊緣時，波形通常會發(fā)生畸變，主瓣展寬，旁瓣增高，對于T/R組件長時間高溫工作的有源相控陣天線來講，會加劇此情況發(fā)生。因此，裝備科研單位與維修部門將波位方向圖測量分析作為產(chǎn)品、裝備必要的檢測手段。

1.2 測試方法設計

現(xiàn)階段的有源相控陣天線參數(shù)測量方法[4]是將天線放置于轉(zhuǎn)臺上，將測量頻點參數(shù)設定好，固定天線波束位置旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺并記錄，機械旋轉(zhuǎn)過程中，天線波束位置保持不變，待轉(zhuǎn)臺從-90°旋轉(zhuǎn)至+90°位置后，結(jié)束當前測量，改變波束位置至下一待測波位，之后再重復上述工作，直到所有波位方向圖參數(shù)測量完成。此方法耗時巨大，對陣元數(shù)量較多的有源相控陣天線會需要消耗數(shù)百小時的測試時間。在實際工程應用中常用抽檢的方式隨機選取某些頻點和波位來替代上述方法，但是此種抽檢方法效率低，而且極易漏檢。

由于有源相控陣天線的波位捷變能力可以在毫秒內(nèi)實現(xiàn)空域內(nèi)所有波位的電控掃描，將此優(yōu)勢應用于其性能檢測過程，把波位捷變與轉(zhuǎn)動較慢的機械掃描相結(jié)合，可使波位方向圖參數(shù)測量時間從理論上的幾百小時縮短至數(shù)小時之內(nèi)，并且不受天線口徑與陣元數(shù)目影響。圖1為改進后的有源相控陣天線檢測系統(tǒng)原理圖。

通過主控計算機對微波信號源、天饋單元中T/R組件與轉(zhuǎn)臺的聯(lián)動控制，實現(xiàn)待測頻點、波位的數(shù)據(jù)測量，之后接收并記錄由微波接收機輸出的三路和差信號，待數(shù)據(jù)測量過程結(jié)束后進行參數(shù)計算分析。以某一頻點波束寬度為6°的有源相控陣天線陣為例，在其左右、俯仰的 探測范圍內(nèi)可以排列20×20個外切波位，由式(3)可知測量過程只需測量其水平與豎直方向即可，如圖2所示[5]。

圖1 有源相控陣天線檢測原理圖

圖2 水平波束位置排序示意圖

測量開始前，由于天線性質(zhì)的原因，不同頻點波束的3 dB帶寬不同，所以需要將待測試的所有頻點，波位信息輸入主控計算機系統(tǒng)，之后將有源相控陣天線放置于轉(zhuǎn)臺上，對齊轉(zhuǎn)臺上的天線陣面基準線后才能開始測試，從-90°位置開始每次以1°遞進旋轉(zhuǎn)直至+90°位置，每旋轉(zhuǎn)1°轉(zhuǎn)臺停止數(shù)秒，期間通對波位1至波位20快速掃描后，控制信號源產(chǎn)生下一頻點射頻信號，再進行對應頻點的波位控制測量。接收到的信號經(jīng)過合路器輸出一路和信號和兩路差信號，接入主控計算機存儲至數(shù)據(jù)矩陣等待之后的數(shù)據(jù)分析處理。信號矩陣定義如下

(4)

式中：A1(f,i,k,n)為天線水平放置時在fGHz信號頻點下轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)至k°，波位i的和信號第n次測量數(shù)據(jù)，n的定義是為補測時預留的參數(shù)設置。由該天線測量出的水平方向數(shù)據(jù)可以看做為一個和信號參數(shù)三維點陣和兩個差信號參數(shù)三維點陣的總集合，該集合可以有效反映有源相控陣天線的所有參數(shù)性能，如圖3所示。

圖3 有源相控陣天線和信號參數(shù)點陣示意圖

天線在水平放置狀態(tài)測量完后，將天線陣面順時針旋轉(zhuǎn)90°放置，重復上述測量步驟，完成天線陣面的豎直方向參數(shù)測量，得到A2、B2、C2參數(shù)集之后，輸出測量參數(shù)并進行數(shù)據(jù)計算分析，由于相控陣天線的陣元結(jié)構(gòu)設計通常采用非旋轉(zhuǎn)對稱性設計，所以當天線旋轉(zhuǎn)后，天線陣元的位置關系會發(fā)生變化，測量所得的方向圖數(shù)據(jù)也會出現(xiàn)對應變化，這為后文中的故障區(qū)域識別奠定基礎。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法研究

得到和信號參數(shù)點陣后，將每一頻點的參數(shù)矩陣按照行的方式制角度-幅度直角坐標圖，即可得到該型天線對應頻點、波位的天線波位方向圖。之后采用傳統(tǒng)天線方向圖的數(shù)據(jù)處理方法分析其系統(tǒng)參數(shù)即可[6]，此處將不再介紹。

由于測得的6個點陣包含數(shù)據(jù)量非常大，而測試的目標是為了檢測天線的性能衰減、故障和故障定位，為此引入灰色關聯(lián)度分析算法，通過直接對比整體點陣數(shù)據(jù)的方法，用少量的計算方式來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

1.3.1 灰色關聯(lián)度

灰色關聯(lián)度分析法(GRA)是一種可對多因素統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析方法，最初的鄧氏關聯(lián)通過簡潔的計算即可反應兩序列見發(fā)展過程或量級的相近性[7]。灰色關聯(lián)度的計算方式為

設參照序列X0={x0(k),k=1,2,…,n}和待對比序列Xi={xi(k),k=1,2,…,n},(i=1,2,…,m)，那么X0和Xi的灰色關聯(lián)度γ(X0,Xi)定義為

(5)

其中

[|x0(k)-xi)k)|+

(6)

式中：ρ為分辨系數(shù)，且ρ∈[0,1]。將m個γ(X0,Xi)按照自大到小的順序排列起來，來判斷X0和Xi之間的關聯(lián)度大小。

但是，此種關聯(lián)法在應用時存在一些缺陷，文獻[7]里面指出了由于兩兩因素的關聯(lián)度在計算過程中參照序列不同，使其不具有可比性，無法進行因素分析，文獻[8]證明了不滿足規(guī)范性。同時，灰色系統(tǒng)的提出是為計算多組待比較數(shù)據(jù)與參照數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)度，計算結(jié)果對于每組待比較數(shù)據(jù)都為一個γ(X0,Xi)(γ∈[0,1])，這無法滿足對于有源相控陣天線的數(shù)據(jù)對比需求，因此需對此算法作如下改進。

1.3.2 算法改進

為確定天饋系統(tǒng)是否有性能減弱或故障存在，需要對天線測量出的6組數(shù)據(jù)點陣與其出廠測量值進行關聯(lián)性對比，計算每一個頻點、方向和波位接收信號幅值與出廠值之間的灰色關聯(lián)度。因此，所需要的關聯(lián)度為逐個數(shù)據(jù)的關聯(lián)值而非整體的數(shù)據(jù)的平均關聯(lián)值。這樣從點到面的數(shù)據(jù)處理方法也就避免了灰色關聯(lián)計算過程中存在的不保序性和無法驗證負相關的弊端。

鄧氏關聯(lián)度算法中，k為序列中數(shù)據(jù)的排序代號，對k進行如下更改，令k=(-90,-89,…,0,1,…,90)，代表著天線參數(shù)矩陣角度采樣編號，從而方便之后的故障定位。在實際應用中，k的取值可隨實際機械旋轉(zhuǎn)角度需要進行更改。

由于天線參數(shù)在測量過程中，天線接收到的微波信號功率與實際微波發(fā)射天線的發(fā)射功率和距離有關，為使檢測測量結(jié)果與天線出廠數(shù)據(jù)具有可比較性，需將天線參數(shù)進行歸一化預處理，即

(7)

在對A(f,i,k,n)的預處理過程中，需要對每一頻點、每一波位包含的所有角度對應參數(shù)進行分組預處理，定義n=0為天線出廠測量數(shù)據(jù)，則灰色關聯(lián)度γ需做如下更改

(|y(f,i,k,0)-y(f,i,k,n)|+

(8)

[|y(f,i,k,0)-y(f,i,k,n)|+

(9)

式中：ρ∈(0,1]，取值大小需要視實際檢測的有源相控陣天線指標要求而定，ρ取值越小關聯(lián)度計算值越靈敏。

將所有滿足0.33≤γ<γ0的γ(f,i,k,n)作為天線故障判斷特征值的f、i、k位置進行分析，或者與先驗故障數(shù)據(jù)庫進行比對即可實現(xiàn)待測天線的故障檢測與定位。

1.4 天線測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)測量、分析流程及實例應用

有源相控陣天線快速檢測系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 有源相控陣天線快速檢測流程圖

為使測量結(jié)果更準確，系統(tǒng)加入了故障數(shù)據(jù)補測功能，將灰色關聯(lián)度γ(f,i,k,n)小于判決門限γ0對應參數(shù)的頻點f、波位i與角度k記錄下并進行兩次補測，等測量過程全部結(jié)束后，將所有測得的數(shù)據(jù)匯總存儲。為使計算結(jié)果能清晰的反應存疑點，并實現(xiàn)可視化分析，系統(tǒng)可按不同頻點的灰色關聯(lián)度數(shù)據(jù)分開作圖。圖5為有源相控陣天線實際測量數(shù)據(jù)計算獲得的灰色關聯(lián)度散點圖(局部放大圖)。

圖5 有源相控陣天線實測灰色關聯(lián)度散點圖

實驗測量過程中用金屬片擋住了某一個天線陣元，模擬該陣元失效，從而判斷算法能否對有源相控陣天線性能減弱的實際情況作出檢驗。其中，淺色數(shù)據(jù)點為可能存在性能減弱的參數(shù)點，深色數(shù)據(jù)點為存疑數(shù)據(jù)。深色數(shù)據(jù)點的出現(xiàn)會受以下因素的影響而出現(xiàn)：

(1)灰色關聯(lián)度影響因子ρ與故障判斷門限值；

(2)有源相控陣天線放置于轉(zhuǎn)臺上所出現(xiàn)的誤差角度；

(3)系統(tǒng)自身噪聲影響；

(4)環(huán)境噪聲影響；

(5)有源相控陣天線出現(xiàn)的器件性能下降或者器件損壞，包括天線陣面陣元天線、T/R組件、合路器、波束形成網(wǎng)絡、饋線、連接插口等。

由于通過GRA算法得到的數(shù)據(jù)為天線整體系統(tǒng)的參數(shù)分析，尤其適用于陣元密度低、數(shù)量較少的有源相控陣天線--電子戰(zhàn)系統(tǒng)有源陣列，通過對數(shù)據(jù)存疑參數(shù)的位置分析可以確定所出現(xiàn)性能衰減或故障的天饋單元。如果應用此方法對陣元數(shù)量很多的大型相控陣天線進行故障定位是較為困難的，只能從6組測量點陣中提取方向圖參數(shù)進行分析。

2 結(jié)束語

本文將介紹的有源相控陣天線測試新方法與參數(shù)處理改進方法成功應用于所設計研制的檢測設備實際檢測中，將天線存在故障的失效區(qū)域陣元分析出來，證明了新的檢測方法與參數(shù)處理方法的可行性，為有源相控陣天線測試、調(diào)試、故障定位、維修閉環(huán)流程提供了技術(shù)基礎。

此方法較適用于天線各模塊的自檢狀態(tài)正常，但整體性能指標出現(xiàn)異常的情況，之后通過結(jié)合檢測設備的模塊測試分系統(tǒng)進行天線模塊的拆解、測試、分析、維修，可以大幅提高檢測設備的檢測、維修效率與可靠性。

需要說明的是，目前基于GRA算法的天線故障定位方法應用在陣元較少的機載電子對抗相控陣天線效果更好，它需要人工分析其存疑參數(shù)點的位置而推算出天線的故障位置。下一步工作應重點放在建立較完善的天線故障先驗數(shù)據(jù)庫，并與故障診斷算法相結(jié)合實現(xiàn)故障的自動定位等方面。

[1] 於洪標. 有源相控陣雷達T/R組件穩(wěn)定性分析設計[J]. 電子學報, 2005, 33(6): 1102-1104. Yu Hongbiao. Stability analysis and design of T/R module in active phased array radar[J]. ACTA Electronica Sinica, 2005, 33(6): 1102-1104.

[2] 郭衍瑩. 相控陣雷達測試維修技術(shù)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2013. Guo Yanying. Measuring and maintenance technique of phased array radar[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2013.

[3] 張光義. 相控陣雷達原理[M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 2009. Zhang Guangyi. Principles of phased array radar[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2009.

[4] 吳祖權(quán). 大型固定式有源相控陣天線系統(tǒng)性能測試技術(shù)[J]. 現(xiàn)代雷達, 2005, 27(5): 72-74. Wu Zuquan. Performance measurement technology of large unturnable active phased array system[J]. Modern Radar, 2005, 27(5): 72-74.

[5] 胡衛(wèi)東, 郁文賢, 盧建斌, 等. 相控陣雷達資源管理的理論與方法[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2010. Hu Weidong, Yu Wenxian, Lu Jianbin, et al. Principles and methods of management of active phased array radar source[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2010.

[6] 劉學觀, 郭輝萍. 微波技術(shù)與天線[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 2006. Liu Xueguan, Guo Huiping. Microwave technique and antenna[M]. Xi′an: XiDian University Press, 2006.

[7] 田 民, 劉思峰, 卜志坤. 灰色關聯(lián)度算法模型的研究綜述[J]. 統(tǒng)計與決策, 2008(1): 24-27. Tian Min, Liu Sifeng, Bu Zhikun. The summarization of GRA model[J]. Statistics and decision-making, 2008(1): 24-27.

[8] 何文章, 郭 鵬. 關于灰色關聯(lián)度中的幾個問題的探討[J]. 數(shù)理統(tǒng)計與管理, 1999, 18(3): 25-29, 24. He Wenzhang, Guo Peng. The discussion of problems of GRA[J]. Mathematical Statistics and Management, 1999, 18(3): 25-29, 24.

[9] 水乃翔, 董太亨, 沙 震. 關于灰關聯(lián)度的一些理論問題[J]. 系統(tǒng)工程, 1992, 10(6): 23-26. Shui Naixiang, Dong Taiheng, Sha Zhen. Some theory problems of GRA[J]. Systematic Engineering, 1992, 10(6): 23-26.

劉京然 男，1991年生，碩士研究生。研究方向為信息與通信工程。

王 星 男，1965年生，教授，博士生導師。研究方向為電子對抗理論與技術(shù)。

程嗣怡 男，1980年生，副教授，碩士生導師。研究方向為電子對抗理論與技術(shù)。

趙 亮 男，1978年生，高級工程師。研究方向為自動測試與檢測技術(shù)開發(fā)。

Design of Active Phased Array Antenna Swift Detection System

LIU Jingran1，WANG Xing1，CHENG Siyi1，ZHAO Liang2

(1. Aero & Astronautics Engineering School, Air Force Engineering University, Xi′an 710038, China) (2. Southwest China Research Institute of Electronic Equipment, Chengdu 610036, China)

The intact-parameter detecting method of the airborne EW system's active phased array antenna comprises complicated steps while consumes considerable time. The novel antenna-detecting method is proposed in this paper, which can realize the automatic detection of the active phased array antenna and largely accelerate the parameter measurement of the antenna pattern, is designed based on the beam-agility characteristics of the active phased array antenna. An improved grey relevancy data-analyzing algorithm (GRA) is applied to perform the swift calculating and fault-cause analysis to the measured parameter sets. Technical supports to the studying, developing and detecting of the airborne EW system's active phased array antenna is provided.

active phased array antenna; fault detection; pattern; GRA

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.10.013

陜西省自然科學基金資助項目(2012JQ8019)

劉京然 Email：reiman@vip.qq.com

2015-06-08

2015-09-12

TN82

A

1004-7859(2015)10-0051-05