射頻光纖時(shí)延補(bǔ)償技術(shù)在數(shù)字陣列雷達(dá)上行外監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

田曉英,李云飛,袁昌成,高留安

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京211153)

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射頻光纖時(shí)延補(bǔ)償技術(shù)在數(shù)字陣列雷達(dá)上行外監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

田曉英,李云飛,袁昌成,高留安

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京211153)

在闡述外監(jiān)測(cè)原理的基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了射頻光纖時(shí)延補(bǔ)償系統(tǒng)在數(shù)字陣列雷達(dá)上行外監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)表明射頻光纖時(shí)延補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)光纖引入的幅相漂移量進(jìn)行了很好的修正補(bǔ)償,滿足了數(shù)字陣列雷達(dá)的外監(jiān)測(cè)需要。

數(shù)字陣列雷達(dá);光纖時(shí)延;補(bǔ)償;深消隱

0 引 言

外監(jiān)測(cè)是一種常用的數(shù)字陣列雷達(dá)通道校準(zhǔn)方法。但在實(shí)際上行監(jiān)測(cè)應(yīng)用中,由于T/R組件的發(fā)射功率較大,且相距監(jiān)測(cè)組件較近,其泄露到監(jiān)測(cè)組件的功率信號(hào)往往造成監(jiān)測(cè)組件接收正常路徑信號(hào)的干擾,影響其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本文在上行外監(jiān)測(cè)中引入射頻光纖時(shí)延補(bǔ)償系統(tǒng),在時(shí)間上屏蔽近端泄露信號(hào),修正監(jiān)測(cè)采集到的數(shù)據(jù)。該方法對(duì)陣面基本不作改變,能夠滿足上行通道的通道幅相測(cè)試要求,具有很好的應(yīng)用性[1-2]。

1 上行外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

上行監(jiān)測(cè)時(shí),T/R組件各通道依次發(fā)射大功率脈沖信號(hào),經(jīng)主天線陣元輻射,一部分通過監(jiān)測(cè)陣元進(jìn)入監(jiān)測(cè)組件,而另一部分通過線纜和空間輻射泄露進(jìn)入監(jiān)測(cè)組件,從而成為監(jiān)測(cè)組件的干擾信號(hào),降低了監(jiān)測(cè)組件對(duì)各通道幅相監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。常規(guī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1所示(不包含虛線部分)。

試驗(yàn)中,T/R組件上行通道輻射功率為47 dBm,主天線陣元與監(jiān)測(cè)陣元的空間耦合度為51～87 dB,監(jiān)測(cè)陣元接收到耦合信號(hào)范圍在-40～-4 dBm。監(jiān)測(cè)組件接收通道單次檢測(cè)信噪比要求20 dB,因此要求外界干擾電平不得大于-60 dBm。由于輻射功率為47 dBm,所以T/R組件上行通道與監(jiān)測(cè)通道接收端的隔離度要求達(dá)到107 dB。監(jiān)測(cè)組件和T/R組件通過電源組件、時(shí)鐘、本振、光纖等線纜間接相連,隔離度很難達(dá)到所需要的指標(biāo)要求。經(jīng)過測(cè)試,當(dāng)T/R組件上行通道輻射時(shí),監(jiān)測(cè)組件收到的輻射干擾約-37～-74 dBm。干擾輻射值如圖2所示。為了保證監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性,在常規(guī)外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)引入射頻光纖時(shí)延補(bǔ)償模塊(圖1虛線部分所示),從而能夠在時(shí)間上分開干擾信號(hào)與實(shí)際監(jiān)測(cè)信號(hào)。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

圖2 監(jiān)測(cè)組件受到的干擾幅度

2 射頻光纖時(shí)延補(bǔ)償技術(shù)

2.1 典型的射頻光纖時(shí)延系統(tǒng)

光纖時(shí)延是指光信號(hào)經(jīng)過一定長度的光纖傳輸后所產(chǎn)生的時(shí)間延遲。光纖時(shí)延系統(tǒng)主要包括光源、光電調(diào)制器、光電探測(cè)器和傳輸光纖等具有信號(hào)延遲功能的組合器件。光源LD發(fā)出的光信號(hào)受到射頻信號(hào)RFin的調(diào)制,然后耦合到具有時(shí)間延遲功能的光纖媒介中,經(jīng)由光電探測(cè)器PD檢測(cè)后再轉(zhuǎn)換成與調(diào)制信號(hào)頻譜相同的射頻信號(hào)RFout輸出[3]。

圖3 射頻光纖時(shí)延系統(tǒng)組成框圖

光信號(hào)延遲的時(shí)間與光纖長度成正比,假設(shè)光纖長度為L,光速為C,折射率為n,延遲時(shí)間為t,則t=n×L/C。由此可見,改變光纖長度能夠調(diào)節(jié)延遲時(shí)間,其最長可延遲時(shí)間主要取決于光纖的衰減。對(duì)于普通的通用光纖,當(dāng)光纖的衰減滿足使用要求時(shí),其最大可延遲時(shí)間可達(dá)200～300 μs。

經(jīng)過射頻信號(hào)調(diào)制后的輸出光信號(hào)表達(dá)式為

I=I0[(1+Acos(ωft)]·cosω0t

(1)

式中,I為光強(qiáng),A為幅度調(diào)制系數(shù),ωf為RFin角頻率,ω0為LD角頻率。

其電場(chǎng)可表示為

(2)

式中c為激光器系數(shù)。

上式的復(fù)數(shù)表達(dá)式為

(3)

經(jīng)過長度為L的光纖鏈路后,電場(chǎng)表達(dá)式為

(4)

其中

(5)

入射到光探測(cè)器內(nèi)的功率為

經(jīng)過光探測(cè)器后的輸出電流為i=ηP,η為探測(cè)器的靈敏度。

當(dāng)m比較小時(shí),激光器光載波的c=0；A較小時(shí),Km只考慮前3項(xiàng),即K-1、K0、K+1,可推導(dǎo)出如下簡(jiǎn)化公式:

(7)

2.2 射頻光纖時(shí)延特性

從公式(7)可以看出,光纖傳輸射頻信號(hào)時(shí),信號(hào)的幅度與相位都會(huì)發(fā)生變化,其中相位與延時(shí)成正比。此外,由于色散、環(huán)境溫度、入射波長的變化也會(huì)帶來信號(hào)幅度和相位的變化,尤其當(dāng)光纖外部溫度環(huán)境變化或自身散熱條件不好時(shí),光纖折射率變化較大,信號(hào)的相位發(fā)生很大漂移,造成監(jiān)測(cè)時(shí)幅相數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,降低了監(jiān)測(cè)修正系數(shù)的準(zhǔn)確度,造成雷達(dá)相參性能和波束合成性能下降,降低了雷達(dá)的靈敏度和EIRP。

實(shí)驗(yàn)中,射頻光纖時(shí)延模塊的相位隨溫度變化發(fā)生漂移,光纖越長漂移量越大。通過連續(xù)采集4個(gè)通道的相位,光纖相位漂移沒有固定規(guī)律,具有較強(qiáng)隨機(jī)性,如圖4所示。

圖4 射頻光纖時(shí)延模塊引入的相位漂移

2.3 光纖時(shí)延補(bǔ)償原理

從圖4可以看出,光纖傳輸射頻信號(hào)時(shí)引入的相位漂移有較強(qiáng)隨機(jī)性。這會(huì)造成解調(diào)信號(hào)相位失真。因此,需要采用必要的校準(zhǔn)技術(shù)來補(bǔ)償光纖的相位漂移,以減小光纖時(shí)延模塊引入的隨機(jī)誤差對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的影響。引入光纖時(shí)延系統(tǒng)后,監(jiān)測(cè)組件采集到的相位值是真值和光纖漂移引入誤差值的疊加。通過一個(gè)固定的參考通道來進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn),將參考通道相位變化值補(bǔ)償給被測(cè)通道。

假設(shè)數(shù)字陣列雷達(dá)有512個(gè)通道,當(dāng)進(jìn)行上行監(jiān)測(cè)時(shí),T/R組件上行通道按順序依次輻射,監(jiān)測(cè)組件得到的相位Φi(i:1～512)。當(dāng)?shù)趇個(gè)通道輻射后,參考通道輻射一次,監(jiān)測(cè)組件得到相位θi(i:1～512)。射頻光纖延時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)工作原理框圖如圖5所示。

第i個(gè)通道光纖引入相位漂移量△i:

△i=θi-θ1

(9)

第i個(gè)通道相位真值Ψi為

Ψi=Φi-△i

(10)

圖5 射頻光纖時(shí)延補(bǔ)償工作原理框圖

2.4 光纖時(shí)延系統(tǒng)采集時(shí)序

射頻光纖時(shí)延模塊對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行延遲,保證T/R組件上行通道發(fā)射工作時(shí)序內(nèi)被測(cè)通道工作在“深消隱”狀態(tài)[4],將發(fā)射信號(hào)和接收從時(shí)間上分開,空間輻射及其他串?dāng)_信號(hào)不被采集。時(shí)序圖如圖6所示。

圖6 采用射頻光纖時(shí)延模塊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集時(shí)序圖

3 測(cè)試結(jié)果

控制某個(gè)通道連續(xù)單獨(dú)發(fā)射,一段時(shí)間內(nèi),使用監(jiān)測(cè)組件連續(xù)采集相位。試驗(yàn)結(jié)果表明相位跳變比較大,約±15°。使用光纖時(shí)延系統(tǒng)后,發(fā)射和接收時(shí)序分開,跳變變小,約±3°,在經(jīng)過補(bǔ)償修正后,通道值基本保持恒定,結(jié)果如圖7所示。在遠(yuǎn)場(chǎng)上行外監(jiān)測(cè)中,使用射頻光纖時(shí)延補(bǔ)償系統(tǒng),修正前后數(shù)據(jù)比較結(jié)果如圖8所示。

圖7 比較結(jié)果

圖8 遠(yuǎn)場(chǎng)上行監(jiān)測(cè)相位結(jié)果比較

4 結(jié)束語

數(shù)字陣列雷達(dá)外監(jiān)測(cè)通過射頻光纖時(shí)延補(bǔ)償模塊將發(fā)射波形和接收波形從時(shí)間上分開,在發(fā)射監(jiān)測(cè)工作時(shí)序內(nèi),被測(cè)通道工作在“深消隱”狀態(tài),并完成光纖幅相漂移自校準(zhǔn),保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。該方法具有實(shí)時(shí)性好、操作便捷、性價(jià)比高的特點(diǎn),其工程實(shí)現(xiàn)可以很好地應(yīng)用在在數(shù)字陣列雷達(dá)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)領(lǐng)域,具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1] 束咸榮.何炳發(fā).相控陣?yán)走_(dá)天線[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007:317-340.

[2] 李迪.相控陣天線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[D].南京理工大學(xué)碩士論文,2008.

[3] 黃波.射頻信號(hào)光纖傳輸?shù)姆嗵匦匝芯縖J].現(xiàn)代雷達(dá),2014,36(8).

[4] 夏琛海. 利用雷達(dá)自身設(shè)備實(shí)現(xiàn)有源相控陣天線監(jiān)測(cè)與校準(zhǔn)[D]. 南京理工大學(xué)碩士論文,2008.

Application of RF optical fiber delay compensation technology in uplink external monitoring of digital array radar

TIAN Xiao-ying, LI Yun-fei, YUAN Chang-cheng, GAO Liu-an

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Based on the theory of the external monitoring, the application of the RF optical fiber delay compensation system in the uplink external monitoring of the digital array radar is introduced in detail. The test results show that the amplitude-phase drift introduced by the optical fiber can be well corrected and compensated for the RF optical fiber delay compensation system, satisfying the requirements of the external monitoring of the digital array radar.

digital array radar; optical fiber delay; compensation; deep blanking

2016-09-10;

2016-10-08

田曉英(1984-)，女，工程師，碩士，研究方向：射頻微波；李云飛(1982-)，男，工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)信號(hào)處理；袁昌成(1983-)，工程師，碩士，研究方向：射頻電路設(shè)計(jì)；高留安(1981-)，男，工程師，碩士，研究方向：有源面陣設(shè)計(jì)。

TN958.52

A

1009-0401(2016)04-0037-04