干涉儀測向系統相位誤差校準方法

張 娟，劉 恒，何冠良

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

干涉儀測向系統相位誤差校準方法

張 娟，劉 恒，何冠良

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

通過分析干涉儀測向系統的相位誤差來源，對接收機各通道的相位不一致性、接收機前端無源部分的相位差異、工作環境溫度變化及系統噪聲引起的相位差變化進行了分析與探討，并針對不同的誤差來源提出了相應的校準方法和設計原則，對于工程實踐具有一定的借鑒意義。

干涉儀測向；通道間相位差；動態相位校準；系統噪聲；測向精度

0 引 言

干涉儀測向系統一般由天線、接收和處理機構成。干涉儀天線一般由按一定方式排列的天線陣列構成；接收和處理機通過比較各天線單元接收到的信號的相位差來獲得目標信號的到達方位信息[1]。由于設計、工藝等方面的影響，接收機前端無源器件很難做到相位一致；接收機無源器件的相位會隨著工作時間、溫度等的影響產生漂移。上述因素會對系統相位差的計算帶來系統相位誤差。對上述系統相位誤差存在的原因進行分析，并進行系統相位誤差校準對提高系統的測向精度具有重要的現實意義。

1 干涉儀測向系統測向誤差來源分析

一個兩天線單元陣進行干涉儀測向的系統模型如圖1所示。圖中，d為天線1與天線2之間的基線長度，θ為入射波的到達角度, 則相位差為

圖1 干涉儀測向系統模型

(1)

式中，λ為入射波波長，d/λ=n，則

φ=2πnsinθ

(2)

根據入射波到達天線時的相位差φ可計算出入射波到達方位:

(3)

對電磁波到達方位θ的測量精度進行分析，得到如下公式：

(4)

式中,σθ為測量方位θ的標準偏差，σφ是測量相位差φ的標準偏差，σλ是測量電磁波波長(或頻率)的標準偏差，σd是測量基線長度的標準偏差。假定各誤差源相互獨立，一般而言,電磁波波長λ(或頻率)和基線長度d都能加以精確測定,所以在式(4)中主要的誤差來源是等號右邊的第一項。而引起σφ的主要誤差源是接收通道的相位不一致性、熱噪聲引起的隨機相位抖動,以及數字處理引入的相位噪聲(主要是量化噪聲)等。天線單元相位中心的移動既可造成基線長度的變化,又可引起通道相位不一致,但一般可以做到足夠小。隨著數字A/D采樣芯片位數的提高，數字處理引入的相位噪聲(量化噪聲)已經很小。因此，要想保證整個干涉儀測向系統的測向精度，接收通道的相位一致性及穩定性顯得尤為重要。本文主要從接收通道相位一致性和穩定性等方面入手，對各方面的系統相位誤差校準方法進行分析和探討。

2 接收通道的相位不一致性校準方法

要減小接收機各通道的相位不一致性引起的相位誤差，最直接的辦法就是提高接收機各通道的相位一致性。隨著偵測雷達向更高寬頻段發展，從硬件上來實現接收通道的相位一致性已不太現實，單純依靠工藝來實現的話，調試起來也比較繁雜；又由于接收機中的有源器件和濾波器等器件的相位變化隨環境、時間推移等存在差異，需要采用一種動態的校準方式才能滿足系統長期工作的需要。針對這種情況，可采用圖 2的校準方式來解決[2]。

圖2 通道相位不一致性校準框架

如圖2所示，在每個通道前加入一級開關控制,開關的兩個輸入端分別連接到天線陣元和校準信號源，用于選擇通道的信號來源。校準信號源內置于接收系統中，通過終端操控產生校準所需的校準信號。校準信號經功分器功分，輸出幾路同頻同相信號給不同的接收通道。同頻同相信號經接收通道后產生相位差ξ，ξ即為由接收通道的相位不平衡性引起的相位差。

當接收到的信號通過兩路通道測相輸出時,相位差中包含了通道不一致性引入的相位誤差，即

(5)

(6)

當校準信號源通過功分器功分后產生同頻同相信號，通過兩路通道測相輸出時得到兩信道的相位誤差中也包含了通道不一致性引入的相位誤差,即

(7)

(8)

兩者相減后即可消除該組測相通道因通道相位不一致性引入的相位誤差,得到信號到達前的真實相位差，即

校準信號源內置于接收系統中，通過終端操控隨時產生校準所需的校準信號。系統可根據實際情況隨時對接收機進行自動校準，整個校準過程快速便捷，校準后既消除了接收通道開關以后部分的系統誤差,也消除了部分隨機誤差。

3 接收機前端無源部分相位差校準方法

圖2中的通道相位校準方案只能對接收通道開關以后部分引起的相位差ξ進行校準，對開關前的通道相位誤差β不能進行校準，同時引進了校準源中的功分器及后端線纜引起的相位誤差α。這兩部分相位差由無源的天線、線纜及功分器引起，開關的相位不平衡性也會帶來一定的相位差。由于這部分相位差都是信號頻率的函數，可把這部分相位差作為系統差進行校準。因此，這部分相位差可與天線一起進行輻射校準。

輻射校準示意圖見圖 3所示。自檢源進行校準時，測得的相位差為

△φ=(ξ2-ξ1)+(α2-α1)

(11)

圖3 輻射校準示意圖

輻射校準時，假定輻射信號均為平面波，且到達接收天線時同頻等相，則此時測得的相位差為

△φ′=(ξ2-ξ1)+(β2-β1)

(12)

假設待測信號到接收天線前的相位分別是θ1、θ2，則待測信號經整個接收系統后測得的相位差為

△φ″=(θ2-θ1)+(ξ2-ξ1)+(β2-β1)

(13)

而待測相位差為

(14)

△φ、△φ′、△φ″均可通過干涉儀測向系統的測相部分測得，在終端可直接讀出這部分數據。實際使用過程中，可通過操控終端控制信號源按既定頻點自動掃描，實現自動化校準，大大節省了校準調試時間。這種方法校準的難點在于保證輻射源的信號波為平面波，同時還要保證測試電磁環境相對比較干凈，且信號在進入天線前等相位。

4 溫度變化引起的相位誤差校準

受工作環境及系統功耗影響，系統工作溫度存在較大起伏，溫度起伏將引起接收通道相位的改變。由公式(4)可知：在干涉儀測向系統中，系統只關心接收機通道間的相位差變化。當各接收通道相位變化隨溫度變化不一致時，將引起通道間的相位差變化[3]。針對溫度變化引起的這部分相位差，可采用以下幾種方法來解決：

(1) 盡量選用穩相同批次的器件及線纜，盡量保證接收通道在工藝上的一致性，使接收通道的相位變化隨溫度變化盡量趨向一致；

(2) 通過一些散熱恒溫裝置，使系統工作溫度盡量保持恒定；

(3) 必要時在接收機內部加入相位補償。根據需要劃分為不同的溫區，在實驗室里得出接收通道隨溫度變化時的相位變化數據，利用溫度傳感器得到系統的工作環境溫度，調用相應的數據加以補償。

5 系統噪聲對相位測量的影響分析

當存在噪聲時，相位合成矢量將偏離原信號矢量的相位[4]，如圖4所示。

根據正弦定理，由圖 4可得

圖4 噪聲引起的相位偏差

即

n(sinφcosθ+cosφsinθ)=Asinφ

在系統噪聲n比較小的情況下，即φ接近于零，sinφ≈φ，cosφ≈1，ncosθ與A相比可忽略不計。

n(φcosθ+sinθ)=Aφ

其中φ為奇函數，其均值為0，方差為

其中，A為被檢測信號電壓，n為噪聲電壓，θ為被檢測信號電壓矢量與噪聲電壓矢量的夾角，N為噪聲功率，S為被檢測信號功率。其均方根值為

(15)

由公式(14)可得出信噪比對相位差測量的影響，信噪比越大，它對相位測量的影響越小。為減小相位測量的誤差，應盡量提高系統的信噪比。提高系統信噪比的主要方法有[5-6]：

(1) 盡量提高天線增益和接收機前級的增益；

(2) 采用相對小的信號處理帶寬，抑制帶外噪聲，增加信噪比；

(3) 采用多次測量，測量值進行二次處理。

6 結束語

本文對干涉儀測向中各個環節的相位誤差來源進行了分析與探討，并對誤差產生的原因進行了詳細分析。針對不同的誤差來源，提出了相關的校準方法和設計原則，有助于系統設計者在實際工程應用中找到一種合適的方法來消除各個環節引入的系統相位誤差，在工程應用上具有一定的指導意義。

[1] 潘琳. 干涉儀測向與相位差變化率定位技術[M].西安：西安電子科技大學,2009：17,26.

[2] 李川.干涉儀測向體制誤差性能分析[J].電子測量技術,2011，34(6)：116.

[3] 張文旭,司錫才，蔣伊琳.相位干涉儀測向系統相位誤差研究[J].系統工程與電子技術,2006,28(11):1632.

[4] 熊立志,漆蘭芳,張元培.一種新的天線陣列位置誤差校正算法[J].電波科學學報,2004,19:192-194.

[5] 馮成燕,吳援明,劉剛,等.基于改進NLMS算法的通道校正技術研究[J].信號處理,2005,21(6):649-652.

[6] 賀志毅,張峋,郝祖全.一種寬帶雷達幅相誤差分析與校正方法[J].系統工程與電子技術,2003,25(11):1351-1354.

Phase error calibration methods of direction-finding system of an interferometer

ZHANG Juan, LIU Heng, HE Guan-liang

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

With the analysis of the sources of the phase error of the direction-finding system of the interferometer, the inconsistent phases in each channel of the receiver, the phase differences in the passive part of the front end of the receiver, the temperature change of the working environment, and the phase difference change caused by the system noise are analyzed and discussed. The corresponding calibration methods and design principles are proposed for different error sources, having a certain reference significance for the engineering applications.

direction finding of interferometer; inter-channel phase difference; dynamic phase calibration; system noise; direction-finding precision

2014-06-12；

2014-07-02

張娟(1982-)，女，工程師，碩士，研究方向：雷達信號接收；劉恒(1982-)，男，工程師，研究方向：雷達總體；何冠良(1985-)，男，碩士,工程師，研究方向：雷達信號處理。

TN957.5

A

1009-0401(2014)03-0023-04