張梅倉，姬長(zhǎng)華,2

(1. 中國(guó)華陰兵器試驗(yàn)中心,　陜西 華陰 714200) (2. 中原電子技術(shù)研究所，　鄭州 450047)

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·信號(hào)處理·

相位補(bǔ)償技術(shù)在和差單脈沖雷達(dá)中的應(yīng)用

張梅倉1，姬長(zhǎng)華1,2

(1. 中國(guó)華陰兵器試驗(yàn)中心,陜西 華陰 714200) (2. 中原電子技術(shù)研究所，鄭州 450047)

摘要：介紹了比幅單脈沖測(cè)角工作原理，分析了和差通道的幅度相位一致性，特別是相位對(duì)測(cè)角的影響，給出了不同相位補(bǔ)償在雷達(dá)上應(yīng)用后對(duì)目標(biāo)探測(cè)的影響實(shí)例。在和差通道中進(jìn)行一定的相位補(bǔ)償，再通過一定的幅度較正，能夠得到較為理想的目標(biāo)探測(cè)精度。該技術(shù)在實(shí)踐中已經(jīng)得到了充分的驗(yàn)證，可以在相似的系統(tǒng)中加以應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)蚊}沖雷達(dá)；相位補(bǔ)償；幅相校正；角敏函數(shù)；數(shù)字信號(hào)處理

0引言

單脈沖雷達(dá)測(cè)角分為比幅單脈沖測(cè)角和比相單脈沖測(cè)角。單脈沖雷達(dá)測(cè)角精度高，但它對(duì)和差通道的幅相一致性要求也比較高。由于天線及射頻、中頻模擬電路受環(huán)境溫度、工作時(shí)間等因素的影響，會(huì)使通道的幅相一致性發(fā)生變化，進(jìn)而影響測(cè)量精度，需要對(duì)兩個(gè)通道(或多個(gè)通道)的幅相一致性進(jìn)行校正補(bǔ)償[1]。

對(duì)于通道補(bǔ)償，可以在射頻補(bǔ)償，也可以在中頻補(bǔ)償[2]。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，大量使用DSP、FPGA器件，補(bǔ)償也更多在數(shù)字處理部分進(jìn)行，用數(shù)字的方式進(jìn)行幅相補(bǔ)償有更好的靈活性。補(bǔ)償可以采用自適應(yīng)均衡器進(jìn)行，利用測(cè)試信號(hào)求得各個(gè)通道間的頻響差異，然后求出補(bǔ)償所需的頻率響應(yīng)，再利用相應(yīng)頻響的均衡器進(jìn)行補(bǔ)償[3]。本文基于數(shù)字信號(hào)處理(DSP)的補(bǔ)償方法，采用DSP對(duì)和差通道進(jìn)行補(bǔ)償，簡(jiǎn)化了電路，提高了速度，有效地補(bǔ)償了通道幅相不一致，簡(jiǎn)單易行，具有較好的補(bǔ)償精度。

下面首先介紹了比幅單脈沖測(cè)角工作原理，詳細(xì)分析了和差雙通道的幅度相位，特別是相位對(duì)測(cè)角的影響；然后，給出不同相位補(bǔ)償在雷達(dá)上應(yīng)用后對(duì)目標(biāo)探測(cè)的影響實(shí)例。

1和差單脈沖測(cè)角工作原理

圖1為比幅單脈沖雷達(dá)的信息流程。

圖1　雷達(dá)信息流程

雷達(dá)以一維相掃天線、和差同時(shí)波束技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確測(cè)角[4]。

目標(biāo)回波信號(hào)由天線接收，經(jīng)過和差比較器輸出“和”“差”兩路信號(hào)，送入和差雙接收通道，經(jīng)過限幅、隔離，進(jìn)入低噪聲放大器，然后兩次下變頻到中頻信號(hào)。

中頻后的信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理分機(jī)，以數(shù)字的方式進(jìn)行處理。解調(diào)采用數(shù)字方式，在中頻采樣，然后由數(shù)字下變頻器完成。解調(diào)濾波抽取后的正交基帶信號(hào)首先進(jìn)行速度補(bǔ)償和脈沖壓縮，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)重排、快速傅里葉變換、求模、恒虛警判決、測(cè)角測(cè)距等處理。

為滿足高精度測(cè)角的要求，雷達(dá)采用了和、差同時(shí)波束測(cè)角技術(shù)。通過和差比較器產(chǎn)生“和”“差”波束，然后作歸一化處理，得到歸一化角誤差信號(hào)，通過查尋角敏函數(shù)表得到目標(biāo)偏離電軸的位置。

信號(hào)處理原理框圖如圖2所示。

圖2　數(shù)字信號(hào)處理原理框圖

和、差兩個(gè)支路的中放信號(hào)模數(shù)變換采樣之后，經(jīng)過數(shù)字下變頻和濾波抽取，得到和、差支路的I、Q視頻信號(hào)。對(duì)I、Q信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮處理后，送給DSP存儲(chǔ)。然后，DSP對(duì)回波做MTD、求模、恒虛警、檢測(cè)、測(cè)距、測(cè)速、測(cè)角、解模糊、距離跟蹤、角度跟蹤等處理，最終得到測(cè)量目標(biāo)的距離、速度、角度數(shù)據(jù)等信息。

2相位補(bǔ)償技術(shù)

在波門中心位置，對(duì)差支路進(jìn)行脈沖壓縮和MTD處理后，用和支路進(jìn)行歸一化處理，使角誤差信號(hào)的大小及符號(hào)只取決于目標(biāo)偏離雷達(dá)天線電軸的狀態(tài)，與回波幅度無關(guān)。

2.1角誤差數(shù)字鑒相和歸一化處理

單脈沖跟蹤雷達(dá)的角誤差信號(hào)處理，經(jīng)常需要用和路信號(hào)對(duì)角誤差信號(hào)作歸一化處理，并且用和路信號(hào)對(duì)角誤差信號(hào)進(jìn)行鑒相，判斷角誤差信號(hào)的符號(hào)，當(dāng)和路信號(hào)與差路信號(hào)同相時(shí)，判定角誤差信號(hào)為“+”；當(dāng)和路信號(hào)與差路信號(hào)反相時(shí)，判定角誤差信號(hào)為“-”。傳統(tǒng)鑒相的方法是采用模擬電路鑒相器[5]，這里采用數(shù)字?jǐn)?shù)學(xué)計(jì)算的方法實(shí)現(xiàn)和差的數(shù)字鑒相。

假設(shè)和路信號(hào)為Σ=ΣI+jΣQ，差路信號(hào)為Δ=ΔI+jΔQ，則和差歸一化處理為

(1)

(2)

式(2)表明歸一化角誤差信號(hào)幅值等于差路信號(hào)幅值除以和路信號(hào)幅值。式⑴中虛部一般情況等于零(當(dāng)I、Q正交時(shí))，因此可以用ΣIΔI+ΣQΔQ的符號(hào)來鑒別角誤差信號(hào)的極性。當(dāng)差路信號(hào)與和路信號(hào)同相時(shí)，ΣIΔI+ΣQΔQ>0，式⑵角誤差信號(hào)前加正號(hào)；當(dāng)差路信號(hào)與和路信號(hào)反相(相位差為π)時(shí)，ΣIΔI+ΣQΔQ<0，式(2)角誤差信號(hào)前加負(fù)號(hào)。

在實(shí)際電路中差路信號(hào)與和路信號(hào)經(jīng)過不同電路存在相位差(不嚴(yán)格同相或反相)，I、Q信號(hào)存在不正交性[6]。和差通道相位差及I、Q不正交性對(duì)角誤差信號(hào)數(shù)字鑒相的影響到底有多嚴(yán)重，下面對(duì)此問題進(jìn)行分析。

設(shè)和差通道輸出的I、Q信號(hào)分別為

(3)

式中：ωd為多普勒頻率；φ1,φ2,φ3,φ4為初相；AI,AQ,BI,BQ為各通路幅度。則角誤差符號(hào)判別式為

SIGN=ΣIΔI+ΣQΔQ=

(4)

假設(shè)I、Q幅度滿足AIBI=AQBQ，并令A(yù)IBI=2，和差相位差φ1-φ3=φ2-φ4=θ,則

SIGN=2cosθ-cos(2ωdt+2φ1-θ)+

cos(2ωdt+2φ2-θ)=

2cosθ-2sin(2ωdt+φ1+φ2-θ)sin(φ2-φ1)

(5)

下面分四種情況討論：

(1) 當(dāng)I、Q正交時(shí)，即φ2-φ1=0，則

可見，當(dāng)I、Q正交時(shí)，和差支路具有相位差不會(huì)影響角誤差信號(hào)的符號(hào)判別。

(2) 當(dāng)θ=0或π時(shí)，由式(5)可得

可見，當(dāng)和差支路沒有相位差時(shí)，I、Q的不正交性對(duì)角誤差信號(hào)的符號(hào)判別不會(huì)產(chǎn)生影響。

(3) 當(dāng)θ在一、四象限時(shí)(四象限用負(fù)角度表示)，要求

SIGN=cosθ-sin(2ωdt+φ1+φ2-θ)sin(φ2-φ1)>0

第一種情況，當(dāng)0<φ2-φ1<90°時(shí)

上式成立的充分條件是

cosθ>sin(φ2-φ1)

?sin(90°-θ)>sin(φ2-φ1)

?90°-θ>φ2-φ1=φ?θ+φ<90°

式中：φ2-φ1=φ為I、Q不正交性相位差。可見，只要和差支路相位差與I、Q不正交相位差之和小于90°，則角誤差信號(hào)符號(hào)判別正確。

第二種情況，當(dāng)-90°<φ2-φ1<0時(shí)，可得到與0<φ2-φ1<90°情況下同樣的結(jié)論。

(4) 當(dāng)θ在二、三象限時(shí)，令θ=π+θ′，同理可以證明，當(dāng)θ′+φ<90°時(shí)，和差相位差與I、Q不正交性不會(huì)影響角誤差符號(hào)的判別。

下面分析當(dāng)不存在和差相位差和不正交性時(shí)，幅度不平衡性對(duì)角誤差信號(hào)符號(hào)判別的影響。

當(dāng)φ1=φ2=φ3=φ4=0時(shí)

當(dāng)φ1=φ2=0，φ3=φ4=π時(shí)

SIGN=-AIBIsin2ωdt-AQBQcos2ωdt≤0

可見，沒有相位差時(shí)，幅度不平衡性對(duì)角誤差信號(hào)符號(hào)判別不存在影響。但是，幅度不平衡影響測(cè)量誤差，這里不過多展開討論，可參考有關(guān)文獻(xiàn)[7-8]。

綜上所述，單脈沖跟蹤雷達(dá)數(shù)字鑒相器通過算式SIGN=ΣIΔI+ΣQΔQ來判定角誤差信號(hào)符號(hào)。在不考慮其他因素的情況下，當(dāng)和差相位差與I、Q不正交相位差之和小于90°時(shí)，角誤差信號(hào)符號(hào)判別正確，但角誤差信號(hào)幅值有偏差。由于電路引起的和差相位差及I、Q不正交相位差一般較小，因此，一般情況和差數(shù)字鑒相器可以不考慮和差相位差及I、Q不正交相位差對(duì)角誤差符號(hào)判別的影響[9]；但當(dāng)和差相位差與I、Q不正交相位差之和大于90°時(shí)，需要進(jìn)行相位補(bǔ)償。

2.2和差幅相一致性校正

單脈沖雷達(dá)測(cè)角精度高，但它對(duì)和差通道的幅相一致性要求較高，一般情況下，需要對(duì)二個(gè)通道幅相一致性做出校正，才能保證測(cè)角精度。采用的校正方法是：在射頻對(duì)和差支路灌入相同的基準(zhǔn)測(cè)試信號(hào)，在數(shù)字下變頻后，由信號(hào)處理分機(jī)獲得和差支路的I、Q數(shù)據(jù)，然后以和支路為基準(zhǔn)，計(jì)算差支路的幅相補(bǔ)償因子。在雷達(dá)正常工作時(shí)，就以這個(gè)補(bǔ)償因子對(duì)差支路的數(shù)據(jù)先進(jìn)行補(bǔ)償，然后再用于測(cè)角[10]。

3相位補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

圖3是某和差單脈沖雷達(dá)在大范圍掃描情況下的目標(biāo)探測(cè)情況。圖中為B顯方式，橫向坐標(biāo)是角度，單位用mil(1 mil=0.025 4 mm)，縱向坐標(biāo)是距離，單位用km。最遠(yuǎn)探測(cè)距離設(shè)置為40 km，電掃描范圍為±32.5°(±540 mil)。9 km以近區(qū)域目標(biāo)較少，是雷達(dá)波束沒有覆蓋到的原因。左下角的目標(biāo)是雷達(dá)波束的旁瓣探測(cè)到的目標(biāo)。

圖3　大范圍掃描目標(biāo)探測(cè)情況

圖3是相位補(bǔ)償已經(jīng)設(shè)置正確的探測(cè)圖示畫面，測(cè)角精度良好。為了更清楚地說明相位補(bǔ)償對(duì)目標(biāo)探測(cè)的影響，下面選取了兩個(gè)區(qū)域，分別設(shè)置不同的補(bǔ)償角度，目標(biāo)探測(cè)差異非常大。這兩個(gè)區(qū)域的方位范圍均為2 950 mil～3 850 mil，距離范圍一個(gè)在4.5 km～18 km，另一個(gè)在22.5 km～36 km。

圖4是該雷達(dá)在不同相位補(bǔ)償情況下的目標(biāo)探測(cè)情況。圖中的左邊為4.5 km～18 km區(qū)域，右邊為22.5 km～36 km區(qū)域。

隨著補(bǔ)償角度的增加，測(cè)角開始離散，如圖4c)左圖箭頭所指位置。補(bǔ)償角度繼續(xù)增加，則在每個(gè)波束駐留的測(cè)角左右翻轉(zhuǎn)，如圖4d)左圖箭頭所指位置，并且圖4e)、圖4f)一直翻轉(zhuǎn)；豎直的一條道路則分裂為多條顯示，如圖4c)右圖箭頭所示位置。補(bǔ)償角度繼續(xù)增加，又開始出現(xiàn)離散的情況，如圖4g)的箭頭所示。補(bǔ)償角度繼續(xù)增加，圖4i)又恢復(fù)正常。

圖4　不同補(bǔ)償角度的目標(biāo)探測(cè)

4結(jié)束語

在和差通道中進(jìn)行一定的相位補(bǔ)償，再通過一定的幅度較正，能夠得到較為理想的目標(biāo)探測(cè)精度。這一技術(shù)在實(shí)踐中已經(jīng)得到了比較充分的驗(yàn)證，可以在相似的系統(tǒng)中加以應(yīng)用。

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張梅倉男，1965年生，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)試驗(yàn)鑒定與評(píng)估。

姬長(zhǎng)華男，1967年生，研究員。研究方向?yàn)槔走_(dá)總體和雷達(dá)信號(hào)處理。

Application of Phase Compensation in Sum-difference Mono-pulse Radar

ZHANG Meicang1，JI Changhua1,2

(1. Huayin Ordnance Test Centre, Huayin 714200, China) (2. Zhongyuan Institute of Electronics Technology, Zhengzhou 450047, China)

Abstract：The principle of the amplitude mono-pulse angle measurement is introduced in this paper and the amplitude-phase consistency of sum and difference channels, especially the impact of the phase in angle measurement is analyzed. Influence instances of different phase compensation for target detection are listed. Phase compensation is conducted in sum and difference channels, and then through a certain amplitude correction, and ideal target detection accuracy can be obtained. The technique has been fully validated in practice, and it can be applied in similar system.

Key words：mono-pulse radar; phase compensation; amplitude and phase correction; angle sensitivity function; digital signal processing

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.05.008

通信作者：張梅倉Email：2694506176@.qq.com

收稿日期：2015-12-29

修訂日期：2016-02-23

中圖分類號(hào)：TN957

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-7859(2016)05-0029-04