劉嘉興

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

0 引 言

無線電測(cè)控系統(tǒng)具有跟蹤測(cè)軌、遙控、遙測(cè)功能,它采用連續(xù)波測(cè)量體制,相比于其他飛行器測(cè)軌設(shè)備,其特點(diǎn)是具有髙的測(cè)速精度和測(cè)距精度[1-2],而這兩個(gè)指標(biāo)也是研制測(cè)控系統(tǒng)的重要指標(biāo),因此對(duì)測(cè)速、測(cè)距的精度分析是測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。連續(xù)波測(cè)控系統(tǒng)采用載波多普勒頻移測(cè)速獲得了極高的測(cè)速精度,采用頻率較高的測(cè)距信號(hào)(甚至載波)的相位測(cè)量獲得了很高的測(cè)距精度,但是測(cè)控系統(tǒng)相控陣化后,由于控制相位進(jìn)行角掃描和角跟蹤的同時(shí)引起了合成載波相位的變化,從而使測(cè)速、測(cè)距精度變差,這種角誤差對(duì)測(cè)速/測(cè)距誤差的耦合效應(yīng)筆者已在文獻(xiàn)[3]中作了介紹。這是相控陣測(cè)控技術(shù)中的一個(gè)特殊的新問題,相應(yīng)的精度分析也需要一種新的方法,這也是當(dāng)前工程技術(shù)人員急需解決的理論問題 。這種方法既要能繼承已往的精度分析的成果,又要針對(duì)它的特殊問題探討一種準(zhǔn)確且簡(jiǎn)單實(shí)用、物理概念清晰、便于工程應(yīng)用的新分析方法。有鑒于此,本文提出附加誤差法和基準(zhǔn)陣元法。

1 機(jī)掃天線測(cè)控系統(tǒng)相控陣化后的附加誤差

從我國相控陣測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展過程來看,它是由機(jī)掃天線測(cè)控系統(tǒng)相控陣化后形成的一種新系統(tǒng),相控陣化以后,它較原機(jī)掃天線系統(tǒng)增加了一部分誤差,本文將其命名為附加誤差,即圖1(b)和圖1(a)兩種天線對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的測(cè)速、測(cè)距誤差之差。

(a)機(jī)掃陣列天線

本文提出用基準(zhǔn)陣元法分析測(cè)速、測(cè)距附加誤差。

在圖1(a)中加入移相器即構(gòu)成圖1(b)所示的相控陣天線。圖中基準(zhǔn)陣元通道不加移相器,或加移相器但不參加電控,它是與機(jī)掃天線基準(zhǔn)陣通道完全相同的一個(gè)機(jī)械天線,當(dāng)陣中各陣元通道移相器置于0°時(shí),該相控陣也與機(jī)掃天線完全相同。

下面先討論入射電波垂直于陣面情況。這時(shí)各陣元通道輸出載波同相相加且合成載波與基準(zhǔn)陣元載波同相,在闡述圖1(a)時(shí)已經(jīng)指出,這種情況下,基準(zhǔn)陣元相位代表了機(jī)掃陣列天線陣的相位,因此對(duì)輸出載波的相位而言,可用基準(zhǔn)陣元等效代替圖1(a)所示的機(jī)掃天線(天線陣的增益除外),而機(jī)掃天線測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)速/測(cè)距誤差分析在理論上和工程應(yīng)用上都很成熟,已有成熟的公式計(jì)算[4],這時(shí)算出的誤差定義為基本誤差。

以下再討論入射波偏離陣面垂線θ時(shí)的情況。這時(shí)按電波空間相移理論值,以基準(zhǔn)陣元相位為基準(zhǔn)對(duì)陣中各陣元配相,理論上可實(shí)現(xiàn)各陣元輸出同相相加并與基準(zhǔn)陣元同相。實(shí)際上由于各種誤差因素的影響,使得各陣元輸出信號(hào)不能同相相加,使合成載波的相位偏離了基準(zhǔn)陣元的相位,亦即偏離了機(jī)掃天線陣輸出載波的相位,也就是產(chǎn)生了載波附加相移。由于測(cè)控系統(tǒng)是利用合成載波測(cè)速、測(cè)距的,從而產(chǎn)生了測(cè)速、測(cè)距附加誤差,這個(gè)附加誤差是相控陣測(cè)控系統(tǒng)需要研究的特殊誤差。

2 陣元方向圖引入的基準(zhǔn)陣元法方法誤差

對(duì)于機(jī)掃天線,它由伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo),因此目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí),信號(hào)是在基準(zhǔn)陣元相位方向圖和幅度方向圖的一個(gè)固定角度上傳輸?shù)?。這時(shí)陣元的相移和增益是固定的,但對(duì)于相控陣天線,則是天線陣面不動(dòng),目標(biāo)飛掠過基準(zhǔn)陣元。由于陣中基準(zhǔn)陣元的方向圖是不平坦的,故在不同的方向角θ上,基準(zhǔn)陣元的相移是不一樣的。作為例子,圖2給出了單環(huán)縫隙陣中陣內(nèi)陣元相位方向圖隨θ變化的情況[5]。

圖2 縫隙陣元在陣中的相位方向圖

從圖2可見,由于相控陣的互耦、邊緣效應(yīng)、多徑反射等的影響,陣元在陣內(nèi)的相位方向隨θ而變,且與陣元間距有關(guān)。圖2是縫隙陣元情況,改變陣元形式會(huì)有不同的變化。

由于前述的附加誤差分析是以基準(zhǔn)陣元在陣面法線方向上的相移作基準(zhǔn)來分析合成載波附加相移的,因此當(dāng)信號(hào)偏離陣面法線方向而使基準(zhǔn)陣元相移發(fā)生變化時(shí),合成載波的相移也會(huì)隨之變化,就會(huì)引起測(cè)距/測(cè)速附加誤差,因此要將它作為一個(gè)另加的附加誤差項(xiàng)。它的分析和計(jì)算,筆者將在下一篇論文中介紹。

3 T/R組件相移引入的基準(zhǔn)陣元法方法誤差

以上分析了圖1(b)所示天線陣引入的測(cè)速、測(cè)距誤差,它還沒有包括有源相控陣的T/R組件。當(dāng)陣元后面聯(lián)接有T/R電路時(shí),是在T/R輸出實(shí)現(xiàn)信號(hào)合成,如圖3所示。

圖3 帶T/R組件的相控陣天線

從圖3可見,T/R組件的相移也會(huì)使合成載波的相移發(fā)生變化,它包括兩個(gè)方面:

1) 基準(zhǔn)陣元通道T/R組件的相移:由于它是各陣元通道載波合成的基準(zhǔn),所以會(huì)引起合成載波的同步移相,引起距離附加誤差。它可以通過距離標(biāo)校來扣除,但基準(zhǔn)陣元通道的慢漂移會(huì)引起距離漂移誤差。

2) 各陣元通道T/R組件相移的不一致性:它引起合成載波相位的變化,使之與基準(zhǔn)載波的相位不一致,產(chǎn)生測(cè)距附加誤差[6]。它同樣可用標(biāo)?？鄢?但其慢漂移也會(huì)產(chǎn)生距離慢漂移誤差。

由于T/R組件的相移是慢漂移的,其微分?jǐn)?shù)值會(huì)很小,所以引起的測(cè)速附加誤差也會(huì)很小。

需要指出的是,對(duì)于圖1所示的兩種陣列天線,合成載波的相位與其基準(zhǔn)陣元近似同相,因此基準(zhǔn)陣元的相位中心可以作為測(cè)距的參考點(diǎn)。但是對(duì)于圖3所示的有源相控陣天線,它是一個(gè)由陣元天線與有源T/R電路組合的系統(tǒng),是電磁場(chǎng)與電路的結(jié)合,是在T/R組件輸出端實(shí)現(xiàn)同相合成(相當(dāng)于聚焦),物理上它不存在電磁場(chǎng)的相位中心,如果仍沿用相位中心的概念來研究這個(gè)問題,就很難與實(shí)際系統(tǒng)一致。實(shí)際上,在研究測(cè)距誤差時(shí),可以把相位中心漂移,歸結(jié)到總的測(cè)距誤差漂移中去研究并用工程中的距離標(biāo)校去扣除,而不必去單獨(dú)測(cè)量相位中心。這時(shí)測(cè)距的基準(zhǔn)點(diǎn)是載波信號(hào)的相位,在它之前引起附加距離靜態(tài)誤差可用距離標(biāo)校來扣除。

4 相控陣測(cè)控系統(tǒng)總的測(cè)距、測(cè)速誤差

4.1 測(cè)距總誤差

工程中求總誤差的常用方法是,對(duì)隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差中的不相關(guān)部分用平方和開方計(jì)算,對(duì)系統(tǒng)誤差中的相關(guān)部分用代數(shù)和計(jì)算。本系統(tǒng)中對(duì)測(cè)距基本誤差ΔR0和相控陣附加誤差中的互不相關(guān)部分,它們的總測(cè)距誤差

(1)

式中:ΔRΣ為相控陣測(cè)控系統(tǒng)的總測(cè)距誤差,其中恒值分量可以用標(biāo)校去除;ΔR0為基本測(cè)距誤差,其中熱噪音引起的誤差應(yīng)按最大天線增益時(shí)的合成信噪比ρp計(jì)算;ΔRp為相控陣引入的附加測(cè)距誤差。

相控陣引入的測(cè)距附加誤差包括相時(shí)延和群時(shí)延兩種,相時(shí)延是載波在無色散介質(zhì)中的時(shí)延(如空氣),群時(shí)延是調(diào)制在載波上的測(cè)距信號(hào)在有色散介質(zhì)中的時(shí)延(如帶通濾波器)。相控陣中合成載波的附加相移等效為相時(shí)延,它引起的測(cè)距誤差與載波在空氣中傳播的時(shí)延等效,可用下式計(jì)算:

(2)

式中:φp為相控陣引入到合成載波的附加相移;ω0為載波工作頻率;c為光速;τp為相控陣引入到合成載波的附加相時(shí)延(如果測(cè)距采用了高精度的載波相位測(cè)量,也可將它包含到載波測(cè)相的誤差中去;對(duì)于調(diào)制信號(hào)測(cè)距,則要分析在多通道濾波器合成后的群時(shí)延,具體可參見文獻(xiàn)[5])。

4.2 測(cè)速總誤差

(3)

(4)

5 結(jié)束語

本文介紹的相控陣中測(cè)速、測(cè)距附加誤差分析方法繼承了幾十年來機(jī)掃天線測(cè)控系統(tǒng)精度分析的已有成果,聚焦于分析測(cè)控系統(tǒng)相控化的特殊問題,物理概念較為清晰。這種分析方法對(duì)于相控陣測(cè)控工程研制具有較大的實(shí)用意義。筆者采用這種方法分析了相控陣化后由角度誤差對(duì)測(cè)速、測(cè)距誤差耦合效應(yīng)等引起的多項(xiàng)附加誤差,但由于篇幅所限,分析結(jié)果及計(jì)算公式將在下一篇系列論文中介紹。