陳　原，張曉明，胥志毅

(南京電子技術研究所,　南京 210039)

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·天饋伺系統(tǒng)·

基于模糊控制的自適應幅相補償控制系統(tǒng)

陳原，張曉明，胥志毅

(南京電子技術研究所,南京 210039)

摘要：針對數(shù)字陣列在使用過程中存在的性能退化問題，利用模糊控制相關理論建立了自適應幅相補償控制器模型，并設計了新型數(shù)字陣列自適應幅相補償控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)能夠智能、實時地對數(shù)字陣列進行監(jiān)測，并根據(jù)陣面狀態(tài)對各通道幅相進行動態(tài)調整，實現(xiàn)數(shù)字陣列性能的優(yōu)化。該系統(tǒng)在未來數(shù)字相控陣雷達設計中具有很大的工程意義。

關鍵詞：數(shù)字陣列; 模糊控制; 自適應幅相補償; 控制系統(tǒng)

0引言

近年來，數(shù)字陣列雷達發(fā)展迅速，其接收機和發(fā)射機均采用數(shù)字波束形成技術，具有較好的靈活性和通用性，隨著超大規(guī)模數(shù)字電路、超高速處理芯片以及高速光纖傳輸?shù)燃夹g飛速發(fā)展，數(shù)字陣列雷達正逐步替代常規(guī)的模擬雷達。

由于相控陣天線存在各種誤差，從而導致相控陣天線的通道特性會偏離理論設計值，使得相控陣天線系統(tǒng)性能下降，如副瓣電平升高、波束指向偏離和增益下降等。因此，在相控陣列調試過程中，為了保證天線性能能夠達到設計要求，需要對陣列口徑的幅相分布作大量的測量和校準，陣面的測量與校準通常在陣面出廠之前通過暗室中近場測量來實現(xiàn)[1]。數(shù)字陣列雷達陣面結構較為復雜，有源電子元器件較多，單元間幅相的差異不僅僅只存在于天線，整個發(fā)射接收通道的差異性也應考慮進去。因此，相控陣天線間的誤差除了結構的不對稱性、器件制造公差、安裝公差等這些固定誤差之外，還包括陣面不平度、重力變形、風力變形、溫度變化、組件失效等這些隨機誤差。在暗室進行的陣面測試與校準只能消除固定誤差，當陣面裝備后，隨著環(huán)境的變化以及時間的推移，有源器件(T/R組件)的性能變化和失效會導致天線性能退化，從而嚴重影響雷達使用性能。

單元級數(shù)字陣列雷達的每個天線單元中均有一個數(shù)字T/R組件，發(fā)射信號波形產(chǎn)生和接收信號波形產(chǎn)生均以數(shù)字的方式實現(xiàn)，其相位、幅度可靈活控制。因此，可以設計自適應的幅相補償控制系統(tǒng)，對數(shù)字陣面天線單元間的幅相差異及由于外界環(huán)境等因素導致的幅相變化進行修調，從而增強數(shù)字陣列性能的穩(wěn)定性，提升數(shù)字陣列雷達的適應性。隨著使用時間的增加，陣面部分通道會失效，如果幅相補償系統(tǒng)僅僅只是將全陣面所有通道的幅相進行監(jiān)測后修平，則會抬高失效接收通道的底噪，從而影響全陣面通道合成后的信噪比，反而惡化了陣面的性能。

本文利用模糊控制相關理論設計了自適應幅相補償控制器模型，并提出了數(shù)字陣面自適應幅相補償控制系統(tǒng)構架及方案，該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測數(shù)字陣面各通道的幅相特性，并按照規(guī)則進行自適應補償修正，動態(tài)調整數(shù)字陣面性能以達到最優(yōu)態(tài)。

1模糊控制理論及自適應幅相補償控制器模型

1.1模糊控制理論

模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，以模糊數(shù)學、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯規(guī)則推理為理論基礎，一般采用計算機控制技術構成一種具有反饋通道的閉環(huán)結構的數(shù)字控制系統(tǒng)。模糊控制系統(tǒng)主要由模糊化接口、知識庫、模糊推理機、解模糊接口四個部分組成，其中，知識庫包含數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫[2-3]。

1)模糊化接口

模糊控制系統(tǒng)通常使用系統(tǒng)的實際輸出值與初始設定的期望值進行比較，得到一個偏差值，模糊控制器再根據(jù)這個偏差來決定如何對系統(tǒng)進行相應的調整，往往這個偏差值是一個精確的輸入值，需要先采用模糊控制理論將其轉換成模糊集合的隸屬函數(shù)。工程實踐中通常把輸出變量范圍人為離散化處理，離散化級數(shù)取決于所需輸入變量的分辨率要求，模糊化主要分為單點模糊化和非單點模糊化，對于任意可采用的模糊IF-THEN規(guī)則的隸屬度函數(shù)類型而言，單點模糊化能夠大大簡化模糊推理機的計算過程，而非單點模糊化能夠克服輸入變量中所包含的噪聲，具有更強的魯棒性。

2)知識庫

模糊控制的知識庫主要包含數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫。所有輸入、輸出變量所對應的論域，以及這些論域上所定義的規(guī)則庫中所使用的全部模糊子集的定義，都存放在數(shù)據(jù)庫中。在模糊控制器推理過程中，數(shù)據(jù)庫向推理機提供必要的數(shù)據(jù)，在模糊化接口和解模糊化接口進行模糊化和反模糊化時，數(shù)據(jù)庫也向它們提供相關論域的必要數(shù)據(jù)。因此，模糊規(guī)則庫是模糊控制器設計的關鍵。模糊規(guī)則庫通常由一系列的關系詞連接構成，例如IF-THEN、ELSE、AND、OR等，這些關系詞必須經(jīng)過翻譯才能將模糊規(guī)則進行量化。IF部分稱為“前件(前提)部分”，而THEN部分稱為“后件(結論)部分”；條件句的前件為系統(tǒng)的模糊化輸入，后件為控制量輸出。一般模糊控制規(guī)則是基于專家知識或操作人員經(jīng)驗經(jīng)過歸納整理所形成的，它是對被控對象進行控制的一個知識模型，這個模型將影響模糊控制系統(tǒng)的性能，模糊數(shù)據(jù)庫和模糊規(guī)則庫一般可以通過以下途徑建立[4-5]：

(1)將專家知識或操作者經(jīng)驗直接轉換成模糊語言規(guī)則；

(2)根據(jù)對模糊控制器控制的監(jiān)督進行歸納和總結；

(3)利用模糊集合理論對控制過程進行建模；

(4)在控制系統(tǒng)運行過程中實現(xiàn)規(guī)則的自組織。

3)模糊推理機

推理機是根據(jù)輸入模糊量，由模糊控制規(guī)則完成模糊推理來求解模糊關系方程，并獲得模糊控制量的功能部分。模糊推理算法和模糊蘊含規(guī)則、推理合成規(guī)則等因素緊密相關，因為這些因素定義不同，所以可以組合出相當多的推理算法。因此，模糊推理問題比較復雜，同時，模糊推理也具有較大的靈活性。

4)解模糊接口

在一定輸入狀態(tài)下，利用知識庫中的相關控制規(guī)則，經(jīng)過模糊推理機產(chǎn)生的輸出控制量是一個模糊量，即控制信號的語言值，而實際中需要精確的控制量才能實現(xiàn)對被控對象的控制。因此，輸出模糊值需要進行解模糊，解模糊主要有最大隸屬度法、中位數(shù)法、重心法等。

1.2自適應幅相補償控制器模型

圖1　自適應幅相補償控制器模型

將輸入的幅相差異值離散為若干等級，所定義的級數(shù)取決于雷達陣面幅相所需的精度，并將輸入量模糊化為“正大(PB)”“正中(PM)”“正小(PS)”“正零(PO)”“負零(NO)”“負小(NS)”“負中(NM)”“負大(NB)”八個模糊子集，根據(jù)雷達陣面具體特征對各等級按照八個模糊子集進行劃分。規(guī)則庫的制定采用專家知識和控制器監(jiān)督相結合的方式，專家知識包含已有同類型雷達陣面相關的模糊規(guī)則庫內容，控制器監(jiān)督過程包括對控制器執(zhí)行結果進行合理性判斷及干預，模糊規(guī)則包括輸入變量子集、結論變量子集以及規(guī)則的置信度，模糊規(guī)則庫見表1。

表1模糊規(guī)則庫

當陣面存在部分通道失效時，這些通道與參考通道幅度差異較大，如果采用數(shù)字補償方式強制將這些通道修正至與其他正常通道一致，則會導致這些通道的底噪按比例放大，從而影響全陣信噪比性能。在模糊規(guī)則庫制定過程中需要考慮此通道失效情況，并予以規(guī)避，當通道存在異常時，其相位變化往往更富有隨機性。因此，可以考慮使用相位差值以及相位差值的變化率作為自適應幅相補償控制器的雙輸入。對于第i條規(guī)則：Ei為第i條規(guī)則相位差值的隸屬函數(shù)；ΔEi為第i條規(guī)則相位差值變化率的隸屬函數(shù)；ΔUi為第i條規(guī)則輸出的隸屬函數(shù)；ei為相位差值在隸屬函數(shù)Ei中所對應的值；Δei為相位差值變化率在隸屬函數(shù)ΔEi中所對應的值。則模糊推理算法為

(1)

具體處理流程如圖2所示。

圖2　模糊推理算法流程圖

2數(shù)字陣列自適應幅相補償控制系統(tǒng)

數(shù)字陣列經(jīng)過暗室定標校準后可采用內監(jiān)測方式對陣面通道變化進行檢測，雷達在外場使用環(huán)境下內監(jiān)測方法簡單易實現(xiàn)，在有源組件和單元之間加入定向耦合器，耦合信號再經(jīng)微波網(wǎng)絡或開關進行合成，數(shù)字化接收處理后即可得到各端口的信號。數(shù)字陣列自適應幅相補償控制系統(tǒng)可在雷達裝機系統(tǒng)上實現(xiàn)，無需額外增加測試設備，在雷達正常工作過程中利用空閑時間進行陣面內監(jiān)測操作，并根據(jù)監(jiān)測結果進行自適應幅相補償，監(jiān)測周期可根據(jù)實際陣面通道性能穩(wěn)定程度進行實時調整。

數(shù)字陣列自適應幅相補償控制系統(tǒng)主要包含數(shù)字陣面內的數(shù)字T/R組件(DTRU)、預處理系統(tǒng)、幅相運算模塊、模糊控制器、系統(tǒng)調度模塊。

系統(tǒng)調度模塊可采用高速FPGA器件實現(xiàn)，快速處理能力能夠實現(xiàn)雷達工作周期的實時切換，高速SERDES接口硬核的編碼器、串行器、發(fā)送器以及時鐘產(chǎn)生電路能夠實現(xiàn)控制指令的快速發(fā)送，進入陣面監(jiān)測周期后，系統(tǒng)調度模塊將監(jiān)測控制指令通過高速光纖傳輸至陣面數(shù)字T/R組件，數(shù)字T/R組件通過SERDES接口的解碼器、解串器、接收器以及時鐘恢復電路實現(xiàn)控制指令的接收，并根據(jù)對應的控制指令進行收發(fā)監(jiān)測，同時，將各通道監(jiān)測數(shù)據(jù)通過下行光纖傳輸至預處理系統(tǒng)。預處理系統(tǒng)采用多片F(xiàn)PGA同步接收陣面各數(shù)字T/R組件的監(jiān)測數(shù)據(jù)并對采樣數(shù)據(jù)進行抽樣處理，降低后端處理的數(shù)據(jù)量，處理后的數(shù)據(jù)送至大型聯(lián)合運算服務器。

大型聯(lián)合運算服務器具備快速DSP運算能力以及與服務器互聯(lián)的高速總線資源，首先，分析各通道監(jiān)測數(shù)據(jù)并按照規(guī)則選擇合適的參考通道；然后，并行計算各通道和參考通道間的幅相差值。正確選擇參考通道可以簡化模糊控制器模型，提高處理速度，首先，對全陣面通道幅相信息按照大小進行排序，選擇幅度中間值和相位中間值作為參考值，運算得到的幅相差值所形成的論域具備對稱性；再經(jīng)過模糊化處理后能夠直接映射至上述8個模糊子集中，其隸屬函數(shù)可以選擇正態(tài)函數(shù)等易于處理的函數(shù)；最后，從全陣通道中選取一個幅相與參考值最接近的一個通道作為參考通道。各通道的幅相差值進入模糊控制器模塊，并通過高速總線從數(shù)據(jù)庫中調用對應的控制規(guī)則，最終判決得到陣面需要進行幅相修正的通道和頻點信息以及最終的修正參數(shù)，并將這些控制信息反饋至系統(tǒng)調度模塊。整個運算和處理過程可在雷達正常工作時后臺運行，不占用雷達系統(tǒng)工作時間資源。

系統(tǒng)調度模塊接收到對應的反饋控制信息后，產(chǎn)生幅相參數(shù)補償控制指令，并按照工作周期進入?yún)?shù)補償工作模式，系統(tǒng)調度模塊將產(chǎn)生的控制指令發(fā)送至陣面，數(shù)字T/R組件接收對應的幅相參數(shù)，并對收發(fā)通道數(shù)字幅度相位值進行補償，最終完成全陣面所有通道的幅相修正。

數(shù)字陣列自適應幅相補償控制系統(tǒng)功能框圖如圖3所示。

圖3　數(shù)字陣列自適應幅相補償控制系統(tǒng)功能框圖

3結束語

本文將模糊控制理論應用于數(shù)字雷達的陣列幅相補償控制系統(tǒng)，提出了新型數(shù)字陣列自適應幅相補償控制系統(tǒng)構架，該系統(tǒng)能夠智能、動態(tài)、實時地根據(jù)陣面狀態(tài)對各通道幅相進行調整，無需人工干預，最終實現(xiàn)陣面性能的優(yōu)化。此控制系統(tǒng)構架在未來智能化、軟件化數(shù)字雷達領域具有較好的應用前景。

參 考 文 獻

[1]文生平，趙國平，蔡康雄. 一種變論域模糊控制自適應算法[J]. 控制理論與應用，2009，26(3)：265-268.

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陳原男，1986年生，博士，工程師。研究方向為數(shù)字陣列控制、高速數(shù)據(jù)傳輸。

張曉明男，1976年生，高級工程師。研究方向為雷達顯示與系統(tǒng)控制設計。

胥志毅男，1977年生，高級工程師。研究方向為雷達波控系統(tǒng)設計。

Adaptive Amplitude-phase Calibration System Based on Fuzzy Control Theory

CHEN Yuan，ZHANG Xiaoming，XU Zhiyi

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

Abstract：For solving performance degradation problem of digital array, an adaptive amplitude-phase calibration control model is proposed with fuzzy control theory. Adaptive amplitude-phase calibration control system of digital array is also developed. This control system can calibrate digital amplitude and phase of each channel intelligently and in real-time, so the performance of digital array can be optimized finally. This system will also have great project meaning in future digital phased array radar design.

Key words：digital array; fuzzy control; adaptive amplitude-phase calibration; control system

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.05.013

通信作者：陳原Email：johnchy611@163.com

收稿日期：2016-01-19

修訂日期：2016-03-16

中圖分類號：TN82

文獻標志碼：A

文章編號：1004-7859(2016)05-0054-04