一種直線陣列接收通道校正技術

陳 黎，管吉興，魯振興,張萬玉

(1.陸軍北京軍代局駐石家莊地區軍代室，河北 石家莊 050081； 2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

一種直線陣列接收通道校正技術

陳 黎1，管吉興2，魯振興2,張萬玉1

(1.陸軍北京軍代局駐石家莊地區軍代室，河北 石家莊 050081； 2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對相控陣雷達多通道一致性問題，基于一維線陣數字波束形成接收機開發應用背景，描述了接收通道幅相一致性對陣列增益、波束指向和天線副瓣等指標的影響，介紹了多接收通道校正的原理和實現方法，給出了詳細的理論推導。結合工程實踐，提出了遠場校正與近場校正相結合的方法，并對接收通道校正的詳細工作流程做出了說明。應用結果表明，該幅相校正方法幅度和相位校正精度分別優于0.5 dB和5°，可有效地提高數字波束指標。

數字波束形成；接收通道校正；遠場校正；近場校正

0 引言

數字波束形成(DBF)技術是對天線陣列的接收信號進行數字加權運算，從而使接收波束具有特定的形狀。通過對權值的控制，DBF技術可以完成高速波束賦形和波束指向控制[1]。DBF可以獲得優良的波束性能，可以自適應地形成波束實現空域抗干擾[2]，可以進行非線性處理改善角分辨率，可以同時形成多個獨立可控的波束而不損失信噪比，且天線具有較好的自校正和低副瓣性能[3]。

接收通道的幅相一致性是影響DBF性能的關鍵因素[4]，其校正方法按照帶寬可分為窄帶和寬帶校正，按照校正信號饋入方式可分為內部校正和遠場校正[3]。文獻[5-8]描述了窄帶校正方法，文獻[9-11]描述了寬帶校正方法，文獻[12-15]描述了遠場和內場校正方法。本文提出了遠場校正與近場校正相結合的方法，能夠將包括天線在內的接收通道的幅度和相位變化一并校正，使得波束形成效果更好。

1 通道校正原理

1.1 通道校正分類

通道校正可分為窄帶校正和寬帶校正。窄帶數字陣雷達由于工作帶寬較窄，通常認為其帶內幅相特性一致(即通道內的幅相誤差與頻率無關)，但通道間的幅相誤差依然存在。在這種情況下，就只需進行通道校正。

寬帶數字陣列雷達的各個通道的傳輸特性與頻率有關，因此需要考慮整個雷達工作帶寬內的通道失配。相對于窄帶工作模式，寬帶工作時數字陣列雷達的通道失配會更加嚴重，通道失配會嚴重影響寬帶數字陣雷達所具有的優越性能。因此，有必要采用數字均衡技術對這種與頻率有關的幅相誤差進行補償。

本文重點對窄帶數字陣列的通道校正進行論述。窄帶數字陣雷達的通道校正通常包括內部校正和遠場校正2種方式。接收通道在內部校正時，將校正信號饋入天線的耦合器，經數字接收組件接收后，由計算機分析得出每個通道的幅相誤差，再加上天線的固定誤差，就可以得到接收通道的幅相誤差。接收通道在遠場校正時，將校正信號從遠場發射，經天線、數字接收組件接收處理后，由計算機分析得出每個接收通道的幅相誤差。在DBF雷達工作時，通過修正波束控制權值，消除接收通道的誤差。

1.2 窄帶接收通道校正原理

單頻點校正時各通道引入了一個不同的幅度誤差因子和誤差相移。對于通道i，其頻域復傳輸系數為：

H(ω)=|H(ω)|exp(j∠H(ω))。

為了進行校正，首先設定一理想通道。設理想通道的中心頻率傳輸系數為：

H0(ω)=|H0(ω)|exp(j∠H0(ω))。

則在測量得到Hi(ω)、H0(ω)后，可得到各通道的校正系數：

C=diag[H1(ω)/H0(ω)…HN(ω)/H0(ω)]-1。

1.3 寬帶接收通道校正原理

假定第i(i= 1,2,…,N，N為數字陣的通道總數)個通道的頻率響應為Ci(ω)，待插入的數字均衡濾波器的頻率響應為Hi(ω)，均衡后通道的頻率響應為Bi(ω)。

Bi(ω)=Ci(ω)Hi(ω)。

如果均衡后各個通道的頻率響應Bi(ω)都與參考通道的頻率響應Bref(ω)相等，那么通道均衡就得以實現了[3]。

B1(ω)=B2(ω)=…=BN(ω)=Bref(ω)。

數字均衡器必然產生一定的延時，通常選擇Href(ω)為全通線性相位網絡，延時量為D=(L-1)*T/2，這樣就可以確保待均衡通道和參考通道具有相同的延時，即Href(ω)=e-jω(L-1)T/2，假設參考通道的頻率響應為Cref(ω)，則第i個通道的均衡器的頻率響應可以寫為：

式中，已知Cref(ω)、Href(ω)，要求得各通道均衡器的頻率響應Hi(ω)，就只需測出第i個待均衡通道的頻率響應Ci(ω)(向各個通道注入相同的線性調頻信號就可以測出)。

如果數字均衡器的頻率響應Hi(ω)離散化成M個離散的頻率點，則第i個通道的期望數字均衡器的頻率響應可表示為：

實際中采用L階的FIR濾波器來擬合期望的數字均衡器，期望的均衡器的頻率響應可以表示為：

求解均衡濾波器系數實質上就是求解最小二乘的問題。

根據最小二乘求解方法[3]，得到：

hi=(AHA)-1AHHi。

2 幅相不一致對系統指標的影響分析

陣列天線的幅相不一致主要包括系統誤差和隨機誤差，主要來源于天線陣元的安裝位置誤差、天線陣元的差異、饋電網絡的不一致性、本振信號的不一致以及接收通道和A/D采樣的不一致等，對天線方向圖的影響主要體現在天線增益下降、副瓣電平抬高、波束指向產生誤差。

2.1 幅相誤差對方向系數的影響

假設陣元通道的幅度誤差的均值為0，方差為δ2，相位誤差的均值為0，的方差為φ2，天線方向系數的變化可以近似表示為[16]：

根據上式可以計算，2 dB的通道幅度誤差引起的方向系數變化減小為0.3 dB，15°通道相位誤差引起的方向系數變化減小也為0.3 dB。

2.2 幅相誤差對波束指向的影響

對于對稱加權的均勻線陣，波束指向的方差與相位誤差的關系為[17]：

式中，Ii為第i個陣元通道的加權幅度；xi為以陣元間距為d進行歸一化的第i個陣元的位置。

而在幅度相位均存在誤差的情況下，波束指向誤差可以近似表示為[18]：

式中，Δ為波束指向的均方根誤差；N為天線陣元個數；λ為工作波長；

σe=(1+δ2)φ2

為隨機誤差項。

2.3 幅相誤差對副瓣電平的影響

幅相誤差對副瓣電平的影響主要考慮平均副瓣電平和峰值副瓣電平，不考慮陣元失效的情況，陣列的平均合成方向圖可以表示為[18]：

MRI組患者接受核磁共振檢查，應用專用膝關節線圈，患者取平臥位，設置參數：間距3mm、層厚0.5mm，根據患者病情進行軸位和斜位一般掃描，采用梯度回波、自旋形式回波序，掃描患者膝關節矢狀位和冠狀位，采取T2加權成像，T2、T1加權成像。

式中，F0n(θ)為理想陣列的歸一化方向圖；

為陣列因子；ε為通道加權導致的損失因子。

在遠旁瓣區，相對于方向圖主瓣，通道不一致引起的平均副瓣可以近似表示為：

而對于峰值副瓣電平，當副瓣電平低于該值的概率大于99.9%時，根據經驗可以表示為[19]：

也就是峰值副瓣電平高于平均副瓣電平8 dB。

3 工程實現方法

3.1 遠場與近場結合的校正方法

本文DBF雷達采用遠場與近場相結合的校正方法。該方法與內部校正方法相比，能夠將天線陣元、饋線等接收組件之前的環節一起校正，波束形成效果更好。

近場與遠場校正的示意圖如圖1所示。利用遠場測試系統將各通道的幅度相位進行標定后，將不一致性(或差值)記錄，用于對各通道進行修正；此后，利用近場校準天線測量到各單元之間的幅度相位差，記錄相應的幅度相位值。在系統運行期間，通過測試校準天線到各單元之間幅度相位變化情況，得到各單元幅度相位的變化，并修正遠場校正的幅相差，得到新的校正系數。

圖1 遠場與近場校正示意

3.2.1 出廠前遠場校準

遠場校準的目的是將各通道的幅度相位嚴格校成一致。方法是將遠場天線與被校天線的距離拉開足夠遠，使得遠場天線發射的信號到各接收天線近似平行[20]。遠場校準在設備出廠前進行。系統經通過遠場測試后，得到對各通道進行幅相修正的遠場基準系數為：

3.2.2 出廠前近場校準

近場校準方法與遠場本質上并無區別，只不過利用近場天線發射校準信號進行校正[21]。此校正也是在出廠前進行。下發遠場基準系數后，通過測試得到近場基準系數為：

3.2.3 校正系數計算

雷達出廠后，工作間隙進行近場校正，得到工作中近場校正系數，并與出廠前的近場基準系數進行比較，得到變化差值，即修正系數為：

將修正系數與出廠前遠場基準系數相乘，便得到校正系數為：

式中，Ci(ω)=Ai(ω)*ΔBi(ω)。

3.2.4 復核校正

下發校正系數Ci(ω)，進行復核校正。得到通道之間的幅度和相位值。如果在在門限范圍內，則校正成功[22]。

經過該方法校正，通道間幅度和相位差異小于0.5 dB和5°，對于-25 dB切比雪夫加權的數字波束，旁瓣電平≤-23 dB。

4 結束語

DBF體制雷達多通道之間的幅相一致性的好壞直接影響波束形成的方向系數、指向和副瓣電平，采用遠場與近場相結合的校正方法能夠有效地消除通道之間的幅度和相位不一致。該方法通過無線方式實現，無需復雜的校正網絡，已成功應用于工程中，波束形成效果較好，具有一定的應用價值。

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ReceivingChannelCalibrationTechnologyforLinearArray

CHEN Li1,GUAN Ji-xing2,LU Zhen-xing2,ZHANG Wan-yu1

(1.MilitaryRepresentativeOfficeinShijiazhuangDistrict,MilitaryRepresentativeBureauofArmyinBeijing,ShijiazhuangHebei050081,China； 2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

Based on the application of digital beam forming(DBF) receiver in the linear array,the effect of amplitude-phase consistency on array gain,beam pointing,sidelobe of beam pattern is described to solve the multichannel consistency.The principle and implementation method of receiving channel calibration are presented,and theoretical derivation is given in detail.Combined with engineering practice,a calibration method based on far-field and near-field is proposed,and the detailed work flow of calibration is given.Application results show that the precision of the calibration method is better than 0.5dB and 0.5°in amplitude and phase respectively,which can effectively improve the DBF index.

digital beam forming;receiving channel calibration;far-field calibration;near-field calibration

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.10.05

陳黎，管吉興，魯振興,等.一種直線陣列接收通道校正技術[J].無線電工程,2017,47(10):22-24,72.[CHEN Li,GUAN Jixing,LU Zhenxing,et al.Receiving Channel Calibration Technology for Linear Array[J].Radio Engineering,2017,47(10):22-24,72.]

TN957.51

A

1003-3106(2017)10-0022-03

2017-01-17

海洋公益性行業科研專項基金資助項目(201505002)。

陳黎男，(1977—)，工程師。主要研究方向：雷達和測控技術。管吉興男，(1979—)，碩士，高級工程師。主要研究方向：雷達總體和信號處理技術。