李增有，劉嗣勤

(解放軍91550部隊，遼寧 大連 116023)

雙通道跟蹤接收機的動態(tài)極化校相*

李增有*，劉嗣勤

(解放軍91550部隊，遼寧 大連 116023)

傳統(tǒng)校相方法無法檢測雙通道單脈沖體制雷達極化失配問題。采用基于靜態(tài)目標的動態(tài)極化校相方法，即在靜態(tài)條件下，增加一個信標天線正交極化角校相環(huán)節(jié)，用于完成跟蹤接收機和差信道的校相工作。數(shù)學模型的構建、仿真計算以及實測結果均表明，采用該方法可以準確識別雙通道單脈沖體制雷達雙通道極化失配問題，彌補了傳統(tǒng)校相方法在檢測跟蹤接收機和差信道極化失配問題上的缺陷。

跟蹤接收機；校相；極化失配；極化角

1 引 言

角跟蹤是測控設備完成跟蹤功能的基本前提，參試前系統(tǒng)標校的重點工作之一就是雷達系統(tǒng)的跟蹤接收機校相。對于雙通道比幅單脈沖跟蹤體制雷達，接收信道相位的準確校正與穩(wěn)定性是保證跟蹤接收機在方位、俯仰兩個軸向上定向靈敏度與線性度的基礎。因此，如何確保準確校準該體制雷達系統(tǒng)下行信道相位，并確保其保持穩(wěn)定，是雷達系統(tǒng)標校的關鍵[1]。無論船載雷達、車載雷達、固定式雷達，跟蹤接收機校相工作通常都需要借助一個穩(wěn)定的信號源，并需要滿足遠場條件。對于某些特殊的標校需求，如船載雷達的無塔標校問題，也都是遵循雙通道幅值的模擬，從而完成所需的信道校相工作[1-2]。但是上述過程都是建立在整個雷達系統(tǒng)正常工作的前提下，并未考慮在信道和差路出現(xiàn)極化失配條件下的校相問題，而一旦出現(xiàn)失配問題，常規(guī)標校方法及相關文獻所提出的特殊方法是無法完成準確校相的，在需要進行大姿態(tài)合作目標跟蹤時，必然會發(fā)生雷達系統(tǒng)無法跟蹤甚至飛車等嚴重故障。本文針對某典型雙通道比幅單脈沖體制雷達在接收信道極化失配條件下所出現(xiàn)的跟蹤飛車現(xiàn)象，從數(shù)學模型的構建、仿真計算、實測三個方面進行了詳細闡述，并提出了基于靜態(tài)合作目標動態(tài)極化的校相方法，實現(xiàn)了靜態(tài)標校過程中發(fā)現(xiàn)并解決雙信道極化失配功能。

2 常規(guī)校相方法及基本原理

跟蹤接收機的校相過程就是對雷達系統(tǒng)接收和、差信道相位及增益進行調整和標定,使接收機和、差路的傳輸相位差為零,且鏈路增益為一合適值。雙通道單脈沖跟蹤體制天線跟蹤原理如圖1所示，天線電軸偏離目標A角時,天線饋源將產生差模信號，經跟蹤接收機解調出方位、俯仰誤差電壓,并將誤差電壓送伺服跟蹤位置環(huán)完成對空間目標的閉環(huán)跟蹤[3]。圖1中，d點為天線電軸指向點，c點為目標點，對應的誤差電壓分別為

(1)

(2)

式中:UA為方位誤差電壓,UE為俯仰誤差電壓,k為下行鏈路增益系數(shù),A為天線電軸與天線到空間目標連線之間的夾角(偏離角度),θ為目標與方位軸夾角,Δφ為接收機和差鏈路相位差[1]。

圖1 目標跟蹤誤差電壓形成原理圖

如公式(1)和公式(2)，跟蹤接收機的校相過程就是調整和路的相位，并將Δ=φ歸零的過程。如圖1所示，常規(guī)校相[4]過程如下：

(1)根據(jù)雷達天線方向圖和差波束特點，利用頻譜分析儀，確定天線的電軸零點，即和路最大值(差路最小值)角度位置。此時，天線電軸應嚴格指向目標c點。在未完成跟蹤接收機校相條件下，接收機輸出誤差電壓應不為零。

(2)將天線電軸偏離目標一定角度A，對應的方位、俯仰誤差電壓如式(1)和式(2)，應分別為UA、UE。為便于說明，取特例θ角為零，即單方位軸標定，此時，方位、俯仰誤差電壓表達式為

(3)調整和路相位值(計算機自動移相)，取方位誤差電壓最大、俯仰誤差電壓為零的相位值，由第2步所述，此時，Δφ應為零。

(4)為保證校相結果的穩(wěn)定性，可在俯仰軸上重復第2～3步，進行俯仰軸的標定。

(5)更換旋向(視雷達系統(tǒng)設計)，重復上述第2～3步。

(6)調整兩個軸向的增益系數(shù)，以滿足特定的定向靈敏度、交叉耦合需求。

上述方法是在線極化接收，左右旋和差路信道極化完全匹配條件下完成的。對于車載雷達或固定站/船載站，在轉場或設備檢修等環(huán)節(jié)，不可避免地要多次拆裝饋線，期間如發(fā)生跟蹤接收機線纜配置錯誤，將導致極化失配問題，如果仍按照上述方法進行常規(guī)標校，將無法及時發(fā)現(xiàn)問題，為試驗任務的執(zhí)行埋下重大隱患。

3 校相方法數(shù)學模型構建與仿真測試

動態(tài)極化校相方法的根本目的就是要在靜態(tài)標校環(huán)節(jié)及時發(fā)現(xiàn)并排除雙通道跟蹤接收機的極化失配問題。

3.1 數(shù)學模型構建

依據(jù)無線電波極化原理，任一圓極化波可分解為兩個正交的等幅線極化波，任一線極化波可分解為兩個等幅極性相反的圓極化波。假定對于一特定旋向的圓極化波，結合圖1，可分別設定和路水平分量、和路垂直分量、差路方位水平分量、差路方位垂直分量、差路俯仰水平分量、差路俯仰垂直分量分別為

Σh=AΣcos(wt+φ1h),

(3)

Σv=AΣcos(wt+φ1v),

(4)

Δah=kAcos(θ)cos(wt+φ2h),

(5)

Δav=kAcos(θ)cos(wt+φ2v),

(6)

Δeh=kAsin(θ)cos(wt+φ3h),

(7)

Δev=kAsin(θ)cos(wt+φ3v)。

(8)

式中:φ1h為和路水平分量初相，AΣ為分量幅值，φ1v為和路垂直分量初相，φ2h為差路方位水平分量初相，A為分量幅值，k為增益系數(shù)，φ2v為差路方位垂直分量初相，φ3h為差路俯仰水平分量初相，φ3v為差路俯仰垂直分量初相。

圖2 圓極化波相位關系示意圖

誤差解調過程為

U=Σ·Δ=(Σh+Σv)·(Δah+Δav+Δeh+Δev)。

(9)

將式(3)～(8)代入式(9)，并濾除高頻分量后可得到

(10)

雙通道誤差解調分為4種匹配狀態(tài)，即和左差左、和右差右、和左差右、和右差左。根據(jù)前述左右旋極化波水平分量與垂直分量的相對相位關系，各項組合條件下的誤差電壓表達式可由式(10)得到：

和左差左U1=AΣAk[cos(θ)cos(φ1h-φ2h)+sin(θ)cos(φ1h-φ3h)]，

(11)

和右差右U2=AΣAk[cos(θ)cos(φ1h-φ2h)+ sin(θ)cos(φ1h-φ3h)]，

(12)

和左差右U3=AΣAk[cos(θ)sin(φ2h-φ1h)+ sin(θ)sin(φ3h-φ1h)]，

(13)

和右差左U4=AΣAk[cos(θ)sin(φ1h-φ2h)+ sin(θ)sin(φ1h-φ3h)]。

(14)

將上述關系式代入式(11)～(14)，可得到水平線極化條件下的誤差電壓表達式：

(15)

(16)

(17)

(18)

圖3 誤差電壓解調示意圖

依據(jù)上述推論，在雷達系統(tǒng)高頻信道和差路信號出現(xiàn)極化失配時，常規(guī)標校方法仍可以完成正常標校，且標校結果并無異常。跟蹤動態(tài)目標時，尤其是大姿態(tài)飛行目標時，由于極化角度變化顯著(大于45°)，將導致跟蹤接收機誤差電壓出現(xiàn)嚴重的交叉耦合甚至反相現(xiàn)象，嚴重影響雷達系統(tǒng)跟蹤能力。

3.2 動態(tài)校相過程

基于合作目標的動態(tài)極化進行跟蹤接收機的校相，基本過程如下：

(1)將合作目標發(fā)射天線(線極化)置于垂直極化狀態(tài)；

(2)利用頻譜分析儀校準跟蹤天線的電軸零點，和路最大值(差路最小值)角度位置；

(3)方位或俯仰方向上單軸拉偏一定角度，調整和路相位值，使得方位或俯仰軸向誤差電壓取最大、對應俯仰或方位軸向誤差電壓取零；

(4)重復第3步，完成另一軸向標定；

(5)更換旋向，重復上述第3～4步；

(6)調整兩個軸向的增益系數(shù)，以滿足特定的定向靈敏度、交叉耦合需求；

(7)合作目標發(fā)射天線(線極化)置于水平極化狀態(tài)；

(8)復核跟蹤接收機4個象限定向靈敏度、交叉耦合。

上述方法與常規(guī)校相方法的區(qū)別在于進行了線極化合作目標的變極化復核過程。

3.3 仿真計算

選取和路右旋、差路左旋組合與和路右旋、差路右旋組合，進行仿真計算。由式(12)和式(14)，可分別將方位、俯仰誤差電壓解算公式表述如下：

URR_A=AΣAk[cos(θ)cos(φ1h+φ-φ2h-φ)+sin(θ)cos(φ1h+φ-φ3h-φ)],

(19)

(20)

URL_A=AΣAk[cos(θ)sin(φ1h+φ-φ2h+φ)+ sin(θ)sin(φ1h+φ-φ3h+φ)],

(21)

(22)

仿真結果如圖4所示。設定θ角為45°，極化角在±200°范圍內以5°步進。和差路同旋時，方位、俯仰誤差電壓保持恒定;和差路反旋時，方位、俯仰誤差電壓為正旋變化，極化角變化90°，方位、俯仰誤差電壓同時出現(xiàn)幅值反相現(xiàn)象，方位、俯仰定向靈敏度在極化角變化45°時，幅值在0與峰值間轉換。以和左差右組合俯仰定向靈敏度為例，極化角為22.5°時，俯仰誤差電壓為0 V，極化角為67.5°時，俯仰誤差電壓為4 V，極化角為-22.5°時，俯仰誤差電壓為-4 V。

圖4 動態(tài)極化誤差電壓仿真結果

3.4 實測結果

采用某線極化接收雷達、線極化信標構成實測環(huán)境。分別完成了信標天線在垂直線極化、水平線極化條件下的定向靈敏度標校工作。實測數(shù)據(jù)如表1所示，跟蹤接收機在和差極化匹配條件下，極化角由0°～90°變化，定向靈敏度保持恒定500 mV；在和差極化失配條件下，水平極化(極化方向0°)，定向靈敏度為-500 mV，垂直極化(極化方向90°)，定向靈敏度為500 mV，即垂直極化與水平極化條件下，誤差電壓等幅反相。由此可見，實測數(shù)據(jù)與仿真結果一致。

表1 動態(tài)極化定向靈敏度測試數(shù)據(jù)

4 工程應用

本文所論述的校相方法，較傳統(tǒng)的校相方法僅增加了變極化角的校相環(huán)節(jié)，但在工程應用中卻具有顯著的實用意義。尤其是以活動站為主的測控系統(tǒng)，采用該方法進行標校，往往可以發(fā)現(xiàn)測控裝備潛在的極化失配隱患。以某大型測量雷達為例，在某次測試后，由于操管人員的失誤，將高頻接收機輸出的雙旋向和路信號反接。在后續(xù)的常規(guī)測試甚至校飛試驗中，由于常規(guī)標校正常，而校飛試驗合作天線為垂直線極化，飛機俯仰姿態(tài)角變化較小(小于±10°)，設備跟蹤正常，極化失配問題也仍未得到及時發(fā)現(xiàn)和解決。試驗任務中，由于大姿態(tài)跟蹤(俯仰角大于45°)，雷達系統(tǒng)發(fā)生飛車故障。依據(jù)筆者調研情況，該問題在國內多個測控系統(tǒng)甚至廠家均發(fā)生過，而導致該問題的本質原因就是常規(guī)標校及校飛試驗的正常結果掩蓋了故障隱患。

5 結 論

飛行器試驗往往是不可重復的，而雷達系統(tǒng)是保證飛行器測控任務的關鍵，簡易、完善的校相方法是保證雷達系統(tǒng)跟蹤能力的基礎。本文所論述的基于合作目標的動態(tài)極化校相方法是對過往試驗失敗經驗的總結，對于以活動站為主或者需要頻繁拆裝的測控系統(tǒng)，采用該方法可以有效避免人為失誤所導致的雷達設備極化失配故障隱患，具有較高的推廣應用價值。

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李增有(1976—) ，男，吉林白山人，1999年于東北大學獲工學學士學位，2006 年于大連理工大學獲工學碩士學位，現(xiàn)為高級工程師，主要研究方向為無線電測控技術;

Email:li_zeng_you@163.com

劉嗣勤(1984—)，男，遼寧大連人，2007年于海軍航空工程學院獲工學學士學位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為無線電測控技術。

Dynamic Polarization Phase Calibration of Dual-channel Tracking Receiver

LI Zengyou,LIU Siqin

(Unit 91550 of PLA,Dalian 116023,China)

The traditional phase calibration method cannot detect the double-channel monopulse radar polarization mismatch problem. The dynamic polarization phase calibration method based on the static target,which is under the static condition,adds a beacon antenna orthogonal polarization angle phase correction link to complete the sum and difference channel’s synchronous phase calibration of dual-channel tracking receiver.Construction of mathematical model,simulation and experimental results show that this method can accurately identify dual-channel monopulse radar's dual-channel polarization mismatch problem,make up defect of the traditional method phase calibration for detecting tracking receiver’s sum and difference channel’s polarization mismatch problem.

tracking receiver;phase calibration;polarization mismatch;polarization angle

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.04.017

李增有，劉嗣勤.雙通道跟蹤接收機的動態(tài)極化校相[J].電訊技術，2017,57(4):469-473.[LI Zengyou,LIU Siqin.Dynamic polarization phase calibration of dual-channel tracking receiver[J].Telecommunication Engineering,2017,57(4):469-473.]

2016-09-21；

2017-01-17 Received date:2016-09-21；Revised date：2017-01-17

TN95

A

1001-893X(2017)04-0469-05

*通信作者：li_zeng_you@163.com Corresponding author：li_zeng_you@163.com