基于光子技術的相控陣雷達天線現(xiàn)場校準技術

盛永鑫，田曉光

(中國電子科技集團公司第38研究所，安徽 合肥 230031)

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基于光子技術的相控陣雷達天線現(xiàn)場校準技術

盛永鑫，田曉光

(中國電子科技集團公司第38研究所，安徽 合肥 230031)

摘要：為了保證相控陣雷達的性能，它的天線現(xiàn)場校準越來越受到重視。本文首先介紹相控陣雷達天線現(xiàn)場校準的現(xiàn)狀，提出目前存在的問題。然后分析光學電磁場探測技術優(yōu)勢，闡述基于光子技術的相控陣雷達天線現(xiàn)場校準實現(xiàn)的可行性，建立了現(xiàn)場校準裝置。通過實驗驗證，該技術能實現(xiàn)對相控陣雷達天線現(xiàn)場校準，具有高精度，對天線的輻射場的影響較小，能滿足相控陣雷達天線現(xiàn)場校準要求。

關鍵詞：光子技術；相控陣雷達天線；現(xiàn)場校準

0引言

相控陣雷達擺脫了傳統(tǒng)雷達機械伺服控制系統(tǒng)機械慣性大、精度差、速度慢等問題，將雷達的搜索跟蹤反應時間提高了數(shù)萬倍，因此相控陣雷達代表了雷達的發(fā)展趨勢并在許多軍事領域扮演著關鍵的角色。我國的相控陣雷達技術日益成熟，但隨著雷達的功能越來越強大，結構變得更加復雜，天線陣元的數(shù)量也成倍地增加，相控陣雷達天線整體的性能強烈依賴于天線各陣元的性能，特別是天線陣元的幅相特性及各陣元之間的一致性；因此對天線各陣元進行幅相校準是保證相控陣雷達性能的重要環(huán)節(jié)，開展相應的校準技術研究及校準裝置研制具有重要的科學意義和現(xiàn)實需求性。

1相控陣雷達天線校準現(xiàn)狀

通常相控陣雷達天線在設計生產完成后需要在微波暗室中進行測量，但一方面，微波暗室室內檢測與天線實際使用環(huán)境存在較大差異，因此在雷達的工作環(huán)境中對雷達天線進行現(xiàn)場測量與校準對掌握雷達的實際性能參數(shù)是十分必要的；另一方面，相控陣雷達天線在實際使用中不可避免地會面臨雷達快速拆撤、轉移場地后進行快速布設，必須進行現(xiàn)場校準的情況；此外，服役狀態(tài)的天線在長期工作后將產生器件老化、熱變形以及機械形變等問題，引起天線的幅相誤差，因此在天線的整個服役生命周期中，都需要對天線進行定期的現(xiàn)場測量與校準。利用微波暗室方法是不現(xiàn)實的，因此非常需要一種更為精確的可溯源的現(xiàn)場標定校準裝置來對相控陣雷達天線進行現(xiàn)場校準，這就需要用到近場測量校準技術。在近場測量中，接收天線作為探測器被放在被測天線陣的近場區(qū)域，并對被測天線進行校準。通常使用的近場接收天線有開口波導、偶極子、喇叭天線等。然而在近場使用這些金屬結構的天線會帶來限制[1-2]。

金屬天線在被測天線陣近場的出現(xiàn)會引起許多不希望的效應。金屬天線會干擾天線陣的正常近場分布，對被測場的幅度和相位分布產生扭曲，為了減小因為金屬結構的出現(xiàn)所帶來的副作用，測量天線需要被經過精心設計的吸波材料所包圍，還需要被放在至少離被測天線陣幾個波長遠的地方，并且通過多次測試進行修正以消除影響。

當使用從單個天線的校準技術發(fā)展而來的方法時，天線陣通常被當作一個大天線來進行校準，而天線陣中各個陣元的工作細節(jié)是探測不到的。這一方面是因為測量天線的空間分辨力有限，另一方面是因為無法把測量天線放到離天線陣口徑場足夠近的地方而不對被測場造成任何影響。作為結果，從天線陣近場測量中得到的信息被局限于對天線陣的一個整體的輪廓式的描述，但是卻不能發(fā)現(xiàn)天線陣內任何陣元單獨的行為以及陣元間的相互耦合，而這些信息對正確地校準和優(yōu)化相控陣天線卻又極具價值，因為在相控陣天線中，雷達波的發(fā)射和接收行為歸根到底是由組成天線陣的每個陣元的發(fā)射和接收行為來決定的。

金屬天線及信號電纜易受外界電磁干擾，而且對天線陣的近場測量需要較大的空間和相當重的設備，所以不適于對相控陣天線進行現(xiàn)場校準。

為了對復雜、大尺寸的相控陣雷達天線進行準確的校準和性能評估，一種靈活輕便的、能夠看清楚天線陣細節(jié)特征，甚至是能夠分辨單個陣元幅相信息的校準方法是高度期望的。如此以來，就能夠評估由每個單獨的天線陣元的行為累積起來所體現(xiàn)的整個陣列的性能。采用這種途徑，人們不僅能夠對整個陣列的性能進行評估，而且能夠研究對天線陣的整體性能做出貢獻的每一個因素及每一個細節(jié)。得到了這些細節(jié)，就可以對每個天線陣元的諸如相位等參數(shù)進行單獨的調節(jié)，從而糾正相位偏移等問題[3]。

2基于光子技術的相控陣雷達天線現(xiàn)場校準

一種適合近場天線陣校準并且能夠替代傳統(tǒng)金屬天線的技術是光學電磁場探測技術。與傳統(tǒng)的基于金屬天線的近場測量不同的是，光學探測方法利用了激光光束的光學屬性的改變來探測被測天線的近場幅度和相位信息。把電磁場信息轉換成光學信息的傳感探頭是由微型的電介質晶體材料粘附在一根單模光纖的底部而構成的。

光學電磁場探測技術用于相控陣雷達天線系統(tǒng)的校準有著諸多的優(yōu)點：

1)對被測場的干擾小。因為光學電磁場探針由非金屬、低介電常數(shù)、小物理尺寸的晶體材料構成，對微波和毫米波基本上是透明的，所以能夠被放在離待測的相控陣天線非常近的位置而不會對被測場造成干擾。

2)空間分辨力高。光學方法的空間分辨力由激光光束和被測電磁場在光學探針里的相互作用區(qū)域的尺寸來決定，通常是直徑小于10 μm的一個圓形區(qū)域。這一空間分辨力可以輕易地區(qū)分從每一個單獨的天線陣元發(fā)出的信號，從而得到每一陣元的幅度和相位信息。

3)不受外界環(huán)境的電磁干擾。從光學探針傳遞回來的信號是以光的形式通過光纖來傳輸，所以信號傳輸通道本身完全不受來自被測天線的任何電磁干擾。而控制系統(tǒng)可以被放在離被測場很遠的地方并通過光纖與光學探針相連，也不會受到電磁干擾的影響，從而保證了測量的準確性。

4)光學探針的物理尺寸小于1 mm。多個探針可以輕易地組成探針陣列，且體積小，重量輕，使得校準可以在非常小的空間范圍內進行，具有很高的機械靈活性。

5)工作帶寬大。電磁場與光的相互作用是一個極快的物理現(xiàn)象，理論上它能夠對高于太赫茲的頻率做出響應。同一根光學探針就可以覆蓋從直流到超過100 GHz的頻率測量范圍。因此一套基于光學的校準系統(tǒng)能夠同時滿足各種不同頻段的相控陣雷達天線的校準需求[4]。

這些優(yōu)點決定了光學電磁場探測探針非常適合于對相控陣雷達天線進行校準。光學電磁場探針陣列與后端連接的光學校準主系統(tǒng)一起便構成了一個完整的相控陣雷達天線的校準裝置。這一新型的基于光子技術的校準裝置充分利用了光學電磁場探針對被測場的干擾小、測量精度高、空間分辨力高、體積小等特點，通過對相控陣天線的近場幅度和相位的精確測量，實現(xiàn)對相控陣天線工作模式下的校準和功效評估。

目前，美國、日本、韓國和法國也在開展類似的工作。我國在光學電磁場測量領域的研究較少，報道中還沒有出現(xiàn)這一技術用于相控陣天線的校準測量。

3基于光電技術的相控陣雷達天線現(xiàn)場校準原理

基于光電技術的相控陣雷達天線現(xiàn)場校準系統(tǒng)原理圖如圖1所示，其主要包括校準裝置主系統(tǒng)、光學探針陣列、系統(tǒng)主機與系統(tǒng)控制軟件。其中校準裝置主系統(tǒng)是整套設備的信息傳輸、處理以及控制中心；光學探針陣列是裝置的電磁場接收感應前端；而系統(tǒng)主機與控制軟件負責人機交互的界面和通信連接以及后臺的數(shù)據(jù)處理計算。

圖1　基于光電技術的相控陣雷達天線校準系統(tǒng)原理框圖

校準裝置主系統(tǒng)具體可提供光傳輸鏈路、偏振態(tài)控制、光電變換、外差檢測、信號處理以及光路選擇等功能。如圖1所示，雷達信號源發(fā)出的微波信號通過功分器分出部分能量進入校準裝置主系統(tǒng)，并與低相噪振蕩器產生的低頻信號IF進行混頻，混頻器選擇工作在X波段的單邊帶低噪聲系數(shù)混頻器，混頻后的信號經過一個高通濾波器后濾掉IF信號，再經過放大器放大后進入電光調制器加載到光路上。另外，IF信號的一部分被分出并導入鎖相放大器的參考通道作為參考信號。在光學鏈路中，激光器輸出的激光經過高速的電光調制器，加載了雷達射頻信號與IF信號的混頻信號(RF+IF)。經過電光調制器的激光光束經過一個光學環(huán)行器后被導入光開關，在系統(tǒng)軟件的控制下，光開關進行快速切換將光束導入到與之相連的光學電磁場接收探針陣列中的任一探針單元。在光學接收探針里，電光晶體將感應到的天線輻射近場信號RF加載到已經被調制了的激光光束上(RF+IF)，即在電光晶體中產生混頻作用，產生的差頻信號IF正好等于低噪信號源提供的IF信號頻率。可以看出，光學接收探針在這里扮演了兩個角色，一是電磁場的接收天線，二是混頻器。從光學接收探針端面返回的光束經過同樣的路徑再回到光學主系統(tǒng)中，然后經由光電信號處理模塊進行偏振解調，再經過PD轉變?yōu)殡娦盘柡蟊粚腈i相放大模塊的信號通道。在鎖相放大器模塊中，從光學系統(tǒng)傳回的IF信號與振蕩器提供的參考信號進行比相和放大，最后給出被測電磁場的相對幅度和相對相位信息數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集及處理模塊提取處理并送入主機系統(tǒng)進行進一步的數(shù)據(jù)處理[5-6]。

4基于光電技術的相控陣雷達天線現(xiàn)場校準實驗驗證

國內X波段的相控雷達廣泛使用在預警探測、目標監(jiān)視、微波成像、大氣海洋環(huán)境探測、通信衛(wèi)星等領域，為了驗證基于光電技術的相控陣雷達天線現(xiàn)場校準可行性，設計了X波段4×4光學探針陣列的校準系統(tǒng)。

采用探針陣列的方式可以避免現(xiàn)場校準中的掃描過程，但為了精確定位各個探針的位置以抑制探針位置差異引入的各天線單元輻射相對相位誤差，必須設計精確的安裝架，為了達到快速現(xiàn)場校準的目的，我們設計可固化在相控陣天線上的安裝架(如圖2所示)。安裝支架由絕緣材料構成，兩端可以固定在雷達天線上，從支架上伸出固定臂，利用卡扣將光學探針固定在雷達天線陣元上方。安裝支架一體成型，具有很高的定位精度，并且可以保證各探針之間的位置一致性和高度一致性。固定架結構簡單且由絕緣介質材料構成，可固定安裝在相控陣雷達天線上，易于探針的快速安裝定位，保證現(xiàn)場快速校準的要求。

圖2　探針陣列安裝示意圖

通過本系統(tǒng)校準X波段相控陣雷達天線，天線單元的幅度和相位校準精度優(yōu)于傳統(tǒng)的校準方法。通過實驗驗證，幅度測量準確度為0.35 dB，相位測量準確度為2.0°。具體數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1　幅度測量準確度驗證數(shù)據(jù)

表2　相位測量準確度驗證數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)已應用到機載成像雷達天線系統(tǒng)校準。通過安裝在天線上，快速直接測量每個陣列單元的幅相信息，進行幅相校準標定修正。通過本方法校準天線系統(tǒng)后，大幅提升了雷達的指向精度和副瓣電平等重要指標。

5結論

針對相控陣雷達天線的現(xiàn)場校準需求，開展基于光子技術的相控陣雷達天線現(xiàn)場校準方法的研究，利用光學電磁場探針對被測場的干擾小、測量精度高、空間分辨力高、體積小等優(yōu)點，建立基于光子技術的相控陣雷達天線現(xiàn)場校準裝置，通過對相控陣天線的近場幅度和相位的精確測量，實現(xiàn)對相控陣天線工作模式下的校準和功效評估，滿足相控陣雷達天線現(xiàn)場校準的需要。

參考文獻

[1] 李宏，薛冰.相控陣天線的測試技術[J].中國測試技術，2003(9)：10-11.

[2]張云.相控陣天線近場幅相校準[J].中國電子科學研究院學報，2007(9)：611-612.

[3]樓世平，薛正輝，楊什明，等.天線時域平面近場測試實驗系統(tǒng)的研究[J].微波學報，2006(6)：48-49.

[4]王奇峰.光纖磁場傳感器換能器及系統(tǒng)研究[D].成都：電子科技大學，2005.

[5]黃春陽.三維電場矢量微波光子檢測器集成天線的設計與優(yōu)化[D].成都：電子科技大學，2011.

[6]田曉光.基于飛秒激光激勵半導體材料的太赫茲源與探測技術[D].武漢：華中科技大學，2011.

《宇航計測技術》2015年第6期目次

級間開縫間隙傳感器動態(tài)測試方法研究

特高壓線路干擾下無線電羅盤測角誤差分析

一種雙冗余LVDT式位移傳感器設計

導航星座自主運行平行系統(tǒng)的軌道計算方法

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軌姿控發(fā)動機動態(tài)推力與推力矢量測試系統(tǒng)研制

直管和彎管比較下的疲勞試驗臺穩(wěn)定性的研究

基于雙力源的疊加式多維力傳感器校準裝置研究

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砝碼校準能力驗證方案的設計

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衛(wèi)星擴頻信號抗窄帶干擾性能限研究

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無人直升機艦上自主起降設計及實現(xiàn)

伺服系統(tǒng)用反饋電位計故障分析及對策

一種多通道電子負載器的設計

PSO神經網絡在光電探測設備故障診斷中的應用

新書《聚焦超級核能》鎖定核輻射及其計量

本刊訊：2011年3月11日，日本大地震、海嘯引發(fā)的核泄漏事件吸引了全世界對核安全的關注，人們不得不再次對核能的研發(fā)和利用進行全面的思考。為了讓更多的讀者了解核方面的知識和發(fā)展現(xiàn)狀，了解核輻射的來源、特點、危害和防護，作者容超凡(國防科技工業(yè)電離輻射一級計量站原副站長)歷時兩年編著了《聚焦超級核能》一書，現(xiàn)已由北京出版社出版，全國新華書店經銷。此書是北京市科技協(xié)會組織編寫的系列科普叢書"科學家在做什么"中的一個分冊，全書共4章，其中第3章詳細介紹了核輻射的準確測量問題，從核輻射測量什么、核輻射與物質的相互作用、測量所用設備、測量儀器的檢定和校準、測量結果的準確表述等方面做了通俗易懂的講解，閱讀這本書，對于從事計量測試技術的科研人員定能有所收獲。

On-site Calibration of Phased Array Radar Antennas Based on Optical Technology

SHENG Yongxin，TIAN Xiaoguang

(CETC No.38 Research Institute，Hefei 230031，China)

Abstract：The on-site calibration of antennas is getting much more attention now because it can greatly impact the performance of the phased array radar.This paper introduces the current situation of on-site calibration of antennas and puts forward some existent problems.It focuses on analysing the advantages of optical-electromagnetic field detect technique and proving on-site calibration of phased array radar antennas based on optical technology is entirely feasible，by building the on-site calibration device and doing some experiments.With this technology，parameters of phased array radar antennas can be calibrated accurately with less impact on radiation field of antennas.It can meet the requirements of the on-site calibration of phased array radar antennas.

Key words：optical technology；phased array radar antenna；on-site calibration

作者簡介：盛永鑫(1979-)，男，主要從事雷達測試與計量保障技術研究。

收稿日期：2015-09-29；修回日期：2015-10-12

中圖分類號：TB97；TN95

文獻標識碼：A

文章編號：1674-5795(2015)06-0020-04

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.06.05