一種低系統誤差的干涉儀相位校正方案

(海軍裝備部重慶局，成都 610036)

1 引 言

干涉儀測向是一種高精度的測向體制，是電子對抗的一項重要技術，它通過比較到達天線陣射頻信號間的相位差來獲得方向信息[1-2]。近年來，隨著數字信號處理技術的飛速發展，各種新的測向算法層出不窮[3-5]。但由于寬頻帶多通道接收機各通道間的模擬器件難以保證相位和幅度的良好一致特性，因此，一般采用數字相位校正的方式來消除系統中的固有相位誤差。

典型的相位校正方案在消除接收通道間固定相位差的同時，受校正源信號器件特性限制，校正通道支路各通道間的相位同樣不平衡，也會引入新的系統誤差，從而影響系統測向精度。

本文提出了一種簡單的低失真校正方案，能夠在一定程度上消除校正源支路各通道的不平衡，改善系統性能，具有較高的工程應用價值。

2 干涉儀的工作原理

圖1所示為一個簡單的單基線干涉儀系統[1]，設當信號的入射方向與天線視軸偏離角度為θ時，波平面到達兩天線的相位差為Δφ。

(1)

式中，D為干涉儀基線長度，θ為射頻信號到達角，λ為波長。

圖1 干涉儀測向原理框圖Fig.1 Schematic diagram of interferometer DF

(2)

式中，C為光速，f為信號載頻。

由式(2)可以看出，在天線陣和信號載頻固定時，可以由通道相位差Δφ直接得出射頻信號的到達角θ，從而測出射頻信號到達的方向。

3 典型相位校正方案

為方便起見，以兩通道干涉儀接收機方案為例，介紹典型的相位誤差校正方案。

圖2給出了典型兩通道干涉儀的相位校正示意圖。可以看出，校正時，兩個接收通道分別通過單刀雙擲開關饋入從同一個校正源產生的校正信號，記錄此時兩通道間的相位差Δφ(即φa-φb)，以此作為兩接收通道間的固有相差。干涉儀正常工作時，接收射頻信號，記錄通道間的相差Δφ′，用Δφ′-Δφ，即得到了實際的相差，進而求出信號的到達方向角θ。

圖2 典型相位校正方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of a typical phase correction method

4 典型相位校正方案的缺陷

典型相位校正方案雖然簡單，但它在消除通道1和通道2間相位差的同時，又引入了新的系統誤差。該系統誤差主要是由于校正源信號支路中的功分器、單刀雙擲開關等關聯器件各通道相位不平衡造成的。如圖3所示，送入接收通道1校正信號相移Δa，送入接收通道2校正信號相移Δb，系統誤差為Δa-Δb，從而降低了整個系統的測向精度。

圖3 兩通道相位校正方案誤差分析圖Fig.3 Error analysis diagram of two-channel phase correction method

同時，典型相位校正方案也沒有涉及單刀雙擲開關前引入的相位φ1和φ2，φ1和φ2間的不平衡同樣會降低系統測向精度。

5 低系統誤差相位校正方案

如何用簡便方法消除掉校正源信號支路各通道間相位不平衡帶來的系統誤差，實現低系統誤差的相位校正方案？我們可以借鑒網絡分析儀中采用標準校正件的方法來消除系統誤差Δa-Δb。

圖4 低系統誤差相位校正方案示意圖Fig.4 Schematic diagram of low system error phase correction method

標準校正件就是用特殊處理方法實現具有特殊指標參數性能的器件，用于系統校正過程。它的成本往往很高，不能在一般設備中裝配。在這里標準校正件就是圖4中所示的標準功分器以及用于連接標準功分器和干涉儀的校準射頻電纜。經特殊處理后，必須保證校正件各通道間在全頻段具有高度的相位和幅度一致性，不平衡性可以忽略。考慮到標準校正件所需數量很少，能夠采用更新的設計手段、更好的工藝保障或者直接生產多件實物挑選等提高成本的方法來實現。

6 低系統誤差相位校正理論分析

首先設定接收通道1和接收通道2在單刀雙擲開關前器件(如電纜、限幅器、濾波器等)的相移分別為φ1和φ2。當標準功分器兩個輸出端口分別置于通道1和內置功分器時，單刀雙擲開關1選擇左支路，單刀雙擲開關2也選擇左支路，則可以得到此時的相位差：

Δ1=(φ1+φa)-(Δb+φb)

(3)

當標準功分器兩個輸出端口分別置于通道2和內置功分器時，單刀雙擲開關1選擇右支路，單刀雙擲開關2也選擇右支路，則可以得到此時的相位差：

Δ2=(φ2+φb)-(Δa+φa)

(4)

將Δ1和Δ2作為系統誤差因子存儲起來。

后面的校正過程與典型的相位校正方案一致。取下外置標準功分器，將校正信號接在干涉儀內置功分器上，單刀雙擲開關1置于右支路，單刀雙擲開關2置于左支路，則可以得到此時相位差：

Δ3=(Δa+φa)-(Δb+φb)

(5)

經過3次校正后，以Δ1、Δ2和Δ3為系統誤差因子計算出兩通道間相位誤差。

由式(3)和式(4)可以得出：

Δ1-(φ1+φa)+(Δb+φb)=Δ2-(φ2+φb)+

(Δa+φa)

兩通道間的固定系統相位差為

(φ1+φa)-(φ2+φb)=(Δ1-Δ2)-(Δa+φa)+

(Δb+φb)=Δ1-Δ2-Δ3

(6)

由此可以看出，經過3次校正，可以消除校正源信號支路中各端口的不平衡。由3次校正結果Δ1、Δ2和Δ3表示兩個接收通道間的固定相位誤差，從而能夠方便地測出后續測試到達射頻信號的相位差，準確測量射頻信號的方向角度。

7 結束語

干涉儀測向需要對接收通道的幅度相位一致性進行校正，但往往難以消除校正信號通路自身引入的系統誤差。本文通過對標準校正件的合理應用，給出了一種簡單的低系統誤差多通道相位校正方案，可以消除校正信號支路器件各通道不平衡性帶來的固有相差，并對實現方法進行了定性分析，從而有效提高了相位測量系統的精度，具有較高的工程應用價值。

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