田曉英,李云飛,袁昌成,高留安

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京211153)

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射頻光纖時延補償技術在數(shù)字陣列雷達上行外監(jiān)測中的應用

田曉英,李云飛,袁昌成,高留安

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京211153)

在闡述外監(jiān)測原理的基礎上詳細介紹了射頻光纖時延補償系統(tǒng)在數(shù)字陣列雷達上行外監(jiān)測的應用。實驗表明射頻光纖時延補償系統(tǒng)對光纖引入的幅相漂移量進行了很好的修正補償,滿足了數(shù)字陣列雷達的外監(jiān)測需要。

數(shù)字陣列雷達;光纖時延;補償;深消隱

0 引 言

外監(jiān)測是一種常用的數(shù)字陣列雷達通道校準方法。但在實際上行監(jiān)測應用中,由于T/R組件的發(fā)射功率較大,且相距監(jiān)測組件較近,其泄露到監(jiān)測組件的功率信號往往造成監(jiān)測組件接收正常路徑信號的干擾,影響其監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。本文在上行外監(jiān)測中引入射頻光纖時延補償系統(tǒng),在時間上屏蔽近端泄露信號,修正監(jiān)測采集到的數(shù)據(jù)。該方法對陣面基本不作改變,能夠滿足上行通道的通道幅相測試要求,具有很好的應用性[1-2]。

1 上行外監(jiān)測系統(tǒng)概述

上行監(jiān)測時,T/R組件各通道依次發(fā)射大功率脈沖信號,經(jīng)主天線陣元輻射,一部分通過監(jiān)測陣元進入監(jiān)測組件,而另一部分通過線纜和空間輻射泄露進入監(jiān)測組件,從而成為監(jiān)測組件的干擾信號,降低了監(jiān)測組件對各通道幅相監(jiān)測的準確性。常規(guī)監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖1所示(不包含虛線部分)。

試驗中,T/R組件上行通道輻射功率為47 dBm,主天線陣元與監(jiān)測陣元的空間耦合度為51～87 dB,監(jiān)測陣元接收到耦合信號范圍在-40～-4 dBm。監(jiān)測組件接收通道單次檢測信噪比要求20 dB,因此要求外界干擾電平不得大于-60 dBm。由于輻射功率為47 dBm,所以T/R組件上行通道與監(jiān)測通道接收端的隔離度要求達到107 dB。監(jiān)測組件和T/R組件通過電源組件、時鐘、本振、光纖等線纜間接相連,隔離度很難達到所需要的指標要求。經(jīng)過測試,當T/R組件上行通道輻射時,監(jiān)測組件收到的輻射干擾約-37～-74 dBm。干擾輻射值如圖2所示。為了保證監(jiān)測的準確性,在常規(guī)外監(jiān)測系統(tǒng)引入射頻光纖時延補償模塊(圖1虛線部分所示),從而能夠在時間上分開干擾信號與實際監(jiān)測信號。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)框圖

圖2 監(jiān)測組件受到的干擾幅度

2 射頻光纖時延補償技術

2.1 典型的射頻光纖時延系統(tǒng)

光纖時延是指光信號經(jīng)過一定長度的光纖傳輸后所產(chǎn)生的時間延遲。光纖時延系統(tǒng)主要包括光源、光電調制器、光電探測器和傳輸光纖等具有信號延遲功能的組合器件。光源LD發(fā)出的光信號受到射頻信號RFin的調制,然后耦合到具有時間延遲功能的光纖媒介中,經(jīng)由光電探測器PD檢測后再轉換成與調制信號頻譜相同的射頻信號RFout輸出[3]。

圖3 射頻光纖時延系統(tǒng)組成框圖

光信號延遲的時間與光纖長度成正比,假設光纖長度為L,光速為C,折射率為n,延遲時間為t,則t=n×L/C。由此可見,改變光纖長度能夠調節(jié)延遲時間,其最長可延遲時間主要取決于光纖的衰減。對于普通的通用光纖,當光纖的衰減滿足使用要求時,其最大可延遲時間可達200～300 μs。

經(jīng)過射頻信號調制后的輸出光信號表達式為

I=I0[(1+Acos(ωft)]·cosω0t

(1)

式中,I為光強,A為幅度調制系數(shù),ωf為RFin角頻率,ω0為LD角頻率。

其電場可表示為

(2)

式中c為激光器系數(shù)。

上式的復數(shù)表達式為

(3)

經(jīng)過長度為L的光纖鏈路后,電場表達式為

(4)

其中

(5)

入射到光探測器內的功率為

經(jīng)過光探測器后的輸出電流為i=ηP,η為探測器的靈敏度。

當m比較小時,激光器光載波的c=0；A較小時,Km只考慮前3項,即K-1、K0、K+1,可推導出如下簡化公式:

(7)

2.2 射頻光纖時延特性

從公式(7)可以看出,光纖傳輸射頻信號時,信號的幅度與相位都會發(fā)生變化,其中相位與延時成正比。此外,由于色散、環(huán)境溫度、入射波長的變化也會帶來信號幅度和相位的變化,尤其當光纖外部溫度環(huán)境變化或自身散熱條件不好時,光纖折射率變化較大,信號的相位發(fā)生很大漂移,造成監(jiān)測時幅相數(shù)據(jù)不準確,降低了監(jiān)測修正系數(shù)的準確度,造成雷達相參性能和波束合成性能下降,降低了雷達的靈敏度和EIRP。

實驗中,射頻光纖時延模塊的相位隨溫度變化發(fā)生漂移,光纖越長漂移量越大。通過連續(xù)采集4個通道的相位,光纖相位漂移沒有固定規(guī)律,具有較強隨機性,如圖4所示。

圖4 射頻光纖時延模塊引入的相位漂移

2.3 光纖時延補償原理

從圖4可以看出,光纖傳輸射頻信號時引入的相位漂移有較強隨機性。這會造成解調信號相位失真。因此,需要采用必要的校準技術來補償光纖的相位漂移,以減小光纖時延模塊引入的隨機誤差對雷達系統(tǒng)的影響。引入光纖時延系統(tǒng)后,監(jiān)測組件采集到的相位值是真值和光纖漂移引入誤差值的疊加。通過一個固定的參考通道來進行標定校準,將參考通道相位變化值補償給被測通道。

假設數(shù)字陣列雷達有512個通道,當進行上行監(jiān)測時,T/R組件上行通道按順序依次輻射,監(jiān)測組件得到的相位Φi(i:1～512)。當?shù)趇個通道輻射后,參考通道輻射一次,監(jiān)測組件得到相位θi(i:1～512)。射頻光纖延時補償系統(tǒng)工作原理框圖如圖5所示。

第i個通道光纖引入相位漂移量△i:

△i=θi-θ1

(9)

第i個通道相位真值Ψi為

Ψi=Φi-△i

(10)

圖5 射頻光纖時延補償工作原理框圖

2.4 光纖時延系統(tǒng)采集時序

射頻光纖時延模塊對監(jiān)測信號進行延遲,保證T/R組件上行通道發(fā)射工作時序內被測通道工作在“深消隱”狀態(tài)[4],將發(fā)射信號和接收從時間上分開,空間輻射及其他串擾信號不被采集。時序圖如圖6所示。

圖6 采用射頻光纖時延模塊監(jiān)測系統(tǒng)采集時序圖

3 測試結果

控制某個通道連續(xù)單獨發(fā)射,一段時間內,使用監(jiān)測組件連續(xù)采集相位。試驗結果表明相位跳變比較大,約±15°。使用光纖時延系統(tǒng)后,發(fā)射和接收時序分開,跳變變小,約±3°,在經(jīng)過補償修正后,通道值基本保持恒定,結果如圖7所示。在遠場上行外監(jiān)測中,使用射頻光纖時延補償系統(tǒng),修正前后數(shù)據(jù)比較結果如圖8所示。

圖7 比較結果

圖8 遠場上行監(jiān)測相位結果比較

4 結束語

數(shù)字陣列雷達外監(jiān)測通過射頻光纖時延補償模塊將發(fā)射波形和接收波形從時間上分開,在發(fā)射監(jiān)測工作時序內,被測通道工作在“深消隱”狀態(tài),并完成光纖幅相漂移自校準,保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。該方法具有實時性好、操作便捷、性價比高的特點,其工程實現(xiàn)可以很好地應用在在數(shù)字陣列雷達監(jiān)測校準領域,具有很高的實際應用價值。

[1] 束咸榮.何炳發(fā).相控陣雷達天線[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007:317-340.

[2] 李迪.相控陣天線監(jiān)測技術研究[D].南京理工大學碩士論文,2008.

[3] 黃波.射頻信號光纖傳輸?shù)姆嗵匦匝芯縖J].現(xiàn)代雷達,2014,36(8).

[4] 夏琛海. 利用雷達自身設備實現(xiàn)有源相控陣天線監(jiān)測與校準[D]. 南京理工大學碩士論文,2008.

Application of RF optical fiber delay compensation technology in uplink external monitoring of digital array radar

TIAN Xiao-ying, LI Yun-fei, YUAN Chang-cheng, GAO Liu-an

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

Based on the theory of the external monitoring, the application of the RF optical fiber delay compensation system in the uplink external monitoring of the digital array radar is introduced in detail. The test results show that the amplitude-phase drift introduced by the optical fiber can be well corrected and compensated for the RF optical fiber delay compensation system, satisfying the requirements of the external monitoring of the digital array radar.

digital array radar; optical fiber delay; compensation; deep blanking

2016-09-10;

2016-10-08

田曉英(1984-)，女，工程師，碩士，研究方向：射頻微波；李云飛(1982-)，男，工程師，碩士，研究方向：雷達信號處理；袁昌成(1983-)，工程師，碩士，研究方向：射頻電路設計；高留安(1981-)，男，工程師，碩士，研究方向：有源面陣設計。

TN958.52

A

1009-0401(2016)04-0037-04