一種數字陣列雷達幅相監測校準的新方法

宋　虎，李賽輝，劉　劍，蔣迺倜(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京211153)

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一種數字陣列雷達幅相監測校準的新方法

宋虎，李賽輝，劉劍，蔣迺倜
(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京211153)

摘要:數字陣列雷達是一種接收和發射波束都以數字方式實現的全數字相控陣雷達。基于遠場外監測原理，研究了數字處理的幅相誤差校準方法，并探討提出一種基準數據和中場監測相結合的陣地級校準方法。試驗結果表明，本文提出的方法可以得到精度很高的校準數據，經校準后的天線波束可以滿足數字陣列雷達的要求。基于基準數據和中場監測相結合的方法是一種探索，是數字陣列雷達陣地級校準的簡單、易行、有效的方法。

關鍵詞:數字陣列雷達;幅相誤差;監測與校準

0　引言

數字陣列雷達集成了陣列技術和數字技術的優點，可有效地提升雷達的性能，滿足日益增長的對雷達的需求。相對于傳統相控陣來說，它具有巨大的優勢:易于實現超低副瓣，大的動態范圍，波束掃描速度快，可同時多波束等。為了解決艦載雷達在近海作戰時復雜環境下小目標的檢測問題，美國海軍在2000年開展了DAR(Digital Array Radar)雷達的研究，并完成了L波段96個單元的實驗樣機系統［1］。國內在數字陣列雷達系統及關鍵技術方面也進行了大量的研究和試驗［2］。

數字陣列的制造和安裝位置誤差、發射和接收通道存在幅相誤差等，均會對天線的副瓣電平、增益和波束指向造成影響。為了確保天線方向圖符合天線性能指標要求，有源相控陣天線必須校準。不同于傳統的相控陣雷達，數字陣列雷達采用數字波束形成技術實現發射和接收的波束，校準處理也采用數字的方法，具有波束形成靈活、校準精度高等優點。本文研究數字陣列雷達的校準方法和波束形成實時實現技術，并進行實際試驗驗證。

1　幅相誤差對天線性能的影響

一個典型的數字陣列雷達組成如圖1所示，一般由陣列輻射單元、數字發射/接收(T/R)組件、數據傳輸系統、數字處理機等組成。其中數字T/R組件模塊是數字陣列雷達的核心，它把發射機、接收機、激勵器和本振信號發生器集為一體，成為一個完整的發射和接收機分系統。這里將陣列輻射單元和數字T/R組件組成的系統稱為天線。

圖1　數字陣列雷達典型組成架構

任何雷達在設計過程中都會產生各種誤差，對于數字陣列雷達，其主要誤差可認為來自兩部分:陣列天線單元和數字T/R組件。陣列天線中的誤差包括天線陣元互耦、天線陣元的位置誤差等。數字陣列雷達一般包括許多個T/R組件，每個T/R組件都是一個獨立的通道，其中包括了功率放大器、低噪聲放大器、混頻器、濾波器、模/數轉換器等部件。這些器件及其構成的有源電路不可避免地存在著幅度和相位的差異，使得發射通道和接收通道間產生幅度和相位不一致。而且系統由于時間、溫度、環境的改變及器件的老化也會引起各通道特性不一致。任何誤差都將轉化為通道的幅相誤差，對數字波束形成產生不良影響，比如會引起波束主瓣變寬、旁瓣抬高、自適應置零深度抬高等問題。

Allen［3］就隨機幅相誤差對天線的均方根副瓣電平作過詳細的分析。使用的單元數目越少，誤差容限就越嚴格。本文考慮某S波段線陣，32單元，間距半波長，進行不同幅相誤差情況下的仿真，分析幅相誤差對最大副瓣電平、均方根副瓣電平等的影響。仿真時，考慮波束形成控制系數不加權、Taylor加權30 dB、Taylor加權40 dB三種情況，分別進行100次Monter Carlo仿真。圖2是不加權的情況下沒有幅相誤差、幅度誤差0.3 dB(RMS)相位誤差4°(RMS)和幅度誤差0.6 dB(RMS)相位誤差10°(RMS)的方向圖。圖3是 Taylor加權30 dB的情況下，沒有幅相誤差、幅度誤差0.3 dB(RMS)相位誤差4°(RMS)和幅度誤差0.6 dB(RMS)相位誤差10°(RMS)的方向圖。圖4是Taylor加權40 dB的情況下，沒有幅相誤差、幅度誤差0.3 dB(RMS)相位誤差4°(RMS)和幅度誤差0.6 dB(RMS)相位誤差10°(RMS)的方向圖。從圖中可以看出，由于幅相誤差的引入，致使天線方向圖發生變化，其顯著特點之一是方向圖的副瓣電平抬高。

圖2　不同幅相誤差下的方向圖(不加權)

圖3　不同幅相誤差下的方向圖(30 dB Taylor加權)

圖4　不同幅相誤差下的方向圖(40 dB Taylor加權)

在表1、表2、表3中統計給出了3種情況下的最大副瓣電平、均方副瓣電平和平均副瓣電平。對表1 ～3的分析，在沒有加權的情況下，均方副瓣電平惡化0.9 dB;在Taylor 30 dB加權時，均方副瓣電平惡化6.2 dB;在Taylor 40 dB加權時，均方副瓣電平惡化15 dB。可見，要獲得低副瓣，對幅相一致性要求更高。獲得天線低副瓣電平一直是系統設計所追求的目標之一，數字陣列雷達在波束形成時一般采用加權抑制副瓣。所以，為了得到低的理想副瓣，必須對陣列天線的幅相誤差進行校準。

表1　不同幅相誤差情況下的副瓣電平(不加權)

表2　不同幅相誤差情況下的副瓣電平(30 dB Taylor加權)

表3　不同幅相誤差情況下的副瓣電平(40 dB Taylor加權)

2　數字陣列天線監測校準技術

數字陣列雷達接收和發射信號都在靠近陣列天線端數字化，并且發射和接收都采用數字波束形成技術，控制波束的權值或時間延遲都是在基帶形成的。這樣處理的前提條件是假設各通道內傳輸是無失真的以及各陣元通道的頻率特性是一致的。只有這樣才能保證基帶處理時各陣元信號的幅度和相位關系與在天線端的信號的幅度和相位關系是一樣的，但實際通道不可能滿足這種要求。在上一節分析了數字陣列雷達中的幅相誤差會對雷達性能的影響。為減少通道誤差對數字波束形成的性能影響，必須對通道進行校準。根據測量信號注入或獲取點的不同，有源相控陣天線校準的方法分為兩種:內監測和外監測［4］。內外監測的方法各有特點，內監測的結果不包括天線單元及其互耦作用，所監測到的幅相數據與實際的數據有一定的差別。考慮到校準的精度、設備量、應用場合等，首先研究基于遠場的外監測方法，然后提出適用于工程實現的陣地級校準方法。

遠場外監測方法是指在距離數字陣列天線滿足遠場條件的地方放置監測裝置(一般含輻射器、信號源等)。用該監測裝置完成數字陣列天線發射通道和接收通道的校準，如圖5所示。遠場校準一般在滿足電磁環境要求的天線測試外場進行，這時不需要知道校準源的精確位置，只需知道相對數字陣列天線的方向即可。

圖5　遠場監測校準示意圖

對于有源陣列，在發射和接收兩種模式下，為了確定每個陣元的校準常數，必須對每個單元的幅度和相位進行測量。

發射通道在遠場校正時，將每個通道的信號通過天線向空間輻射，把遠場接收到的信號與參考信號相比較，就可以得到每個發射通道的幅相誤差。將發射通道的幅相誤差補償到數字基帶信號上就可修正各發射通道的幅相誤差。

接收通道在遠場校正時，將監測信號從遠場發射，所有通道同時接收處理后分析得出每個接收通道的幅相誤差。在DBF時，通過修正波束控制權值，消除接收通道的誤差。

一旦有源相控陣被部署，為保持天線性能在指標范圍內，必須實施陣地級校準。在實際數字陣列雷達裝載到平臺以后，如艦載雷達，一般很難找到滿足遠場條件的監測裝置安裝的位置來進行陣地級校準。利用放置在陣列外圍區域的前面或側面監測天線，這時監測天線的位置一般為介于近場和遠場的中場，如圖6所示。中場監測一個重要的問題是需要知道監測天線相對于每個陣元的精確位置，經過復雜的計算，才能得出監測天線和每個陣元的信號關系，而且測量出的位置關系一般很難滿足對幅相誤差校準的要求。為了解決這個問題，在天線測試外場，綜合利用遠場和中場的測量方法得出基準數據，再在陣地級校準中使用。假設遠場測量方法得出一組數據D1，計算得出校準數據A1和φ1;中場測量方法得出一組數據D2，由于是對同一天線同一時間進行的測量，這時中場校準數據也是A1和φ1。將D2、A1和φ1數據存儲下來，成為基準數據。在陣地級校準時，將實際測量數據D2'和基準數據D2比較，就可以得出幅度和相位相對于基準數據A1和φ1的變化，從而得到陣地需要的校準數據A1'和φ1'。在實際中，根據雷達的頻率范圍分成很多段，將對應頻率的校準數據存成表格，供陣地校準時使用。在數字陣列中，采用數字的方法進行校準處理，可以達到很高的精度，從而校準后的天線能很好地滿足性能指標的要求。

圖6　中場校準方法示意圖

3　試驗及結果

為了驗證數字陣列校準和波束形成技術，搭建了試驗系統。試驗系統由S波段的32陣元線陣、數字T/R組件，監測電路、波束形成器、遠場校準裝置等組成。遠場校準裝置位于線陣前方90 m。這里重點討論接收通道的校準及試驗結果。

在實驗室測量得到32個數字T/R組件接收通道的幅度相位關系，然后經遠場校準方法得到整個陣列天線通道(含天線單元、數字T/R組件等)的幅相關系。僅32個T/R通道和整個陣列天線通道的幅度誤差如圖7所示，相位誤差如圖8。遠場監測得到的幅相誤差數據存成表作為基準數據，供校準用。

得到基準校準數據后，利用某位置外場輻射源再次進行輻射，采集32個通道的基帶數據并在FPGA處理板中進行波束形成。波束形成時考慮不修正和利用外場監測結果作為基準數據修正兩種情況。波束形成不加權時得到的對比結果如圖9所示。經統計，修正之前的MSSL為－20.6，修正之后的MSSL為－23.8。波束形成Taylor加權30 dB時得到的對比結果如圖10所示。經統計，修正之前的MSSL為－21.1，修正之后的MSSL為－33.8。可以看出，經過校準，明顯改善了波束的副瓣等特性。利用遠場外監測的方法可以快速地得到精度很高的幅相基準數據，經補償處理后可以滿足數字陣列天線波束圖的要求。遠場監測得到的基礎數據為中場監測的陣地級校準奠定了基礎。

圖7　原始的幅度誤差

圖8　原始的相位誤差

圖9　校準與不校準的波束形成結果對比(不加權時)

圖10　校準與不校準的波束形成結果對比(30dB Taylor加權)

4　結束語

大量的仿真計算結果表明，幅相誤差對數字陣列天線性能的影響非常大。試驗表明，采用基于遠場外監測的方法可以有效地得到精度很高的幅相誤差基準數據，并進行天線校準，從而改善天線性能，滿足數字陣列雷達對波束的要求。基于基準數據和中場監測相結合的校準方法的探索可以滿足雷達部署后的陣地級校準，從而保證雷達全生命周內的性能。

參考文獻:

［1］B Cantrell，J de Graaf.Development of a Digital Array Radar(DAR)［J］.IEEE Aerospace and E-lectronic Systems Magazine，2002(17):22-27.

［2］吳曼青.數字陣列雷達及其進展［J］.中國電子科學研究院學報，2006(1):11-16.

［3］Merrill I.Skolnik.Radar Handbook［M］.3rd ed.McGraw-Hill，2008:504-505.

［4］吳祖權.有源相控陣雷達陣面監測方法及其實驗研究［J］.現代雷達，1998(5):1-7.

A new amplitude－phase error monitoring and calibration method of digital array radar

SONG Hu，LI Sai-hui，LIU Jian，JIANG Nai-ti
(No.724 Research Institute of CSIC，Nanjing 211153)

Abstract:The digital array radar(DAR)is a fully digitized phased array radar in which the DBF technique is used both in receive and transmit.Based on the far-field external monitoring principle，the amplitude-phase error calibration method of the digital processing is studied，and the“in-thefield calibration”method，combining the reference data and the mid-field monitoring，is finally presented.The test results show that the high-precision calibration data can be obtained and the antenna beams after calibration can meet the requirements of the DAR through the method proposed.This new method which combines the reference data and the mid-field monitoring is a simple，feasible and effective method for the DAR in the field calibration.

Keywords:digital array radar; amplitude-phase error; monitoring and calibration

文章編號:1009－0401(2015)01－0029－05

文獻標志碼:A

中圖分類號:TN958.92

作者簡介:宋虎(1980-)，男，高級工程師，碩士，研究方向:雷達信號處理及雷達系統技術;李賽輝(1984-)，男，工程師，碩士，研究方向:雷達信號處理技術;劉劍(1983-)，男，工程師，碩士，研究方向:雷達信號處理技術;蔣迺倜(1984-)，男，工程師，碩士，研究方向:雷達信號處理技術。

收稿日期:2015-01-20