CN102313847B

CN102313847B - 相控阵天线t/r组件的内定标方法

Info

Publication number: CN102313847B
Application number: CN 201010222574
Authority: CN
Inventors: 王朔; 禹卫东; 祁海明
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2030-06-30
Also published as: CN102313847A

Abstract

本发明公开了了一种相控阵天线T/R组件的内定标方法，涉及雷达相控阵天线技术，对T/R组件信号按照选定码序进行相位编码解码等操作。本发明方法能在所有T/R组件都正常工作的情况下，从所有T/R组件的复合信号中提取出任一T/R组件的增益和相移信息，从而实现对单个T/R组件性能的监测。

Description

相控阵天线T/R组件的内定标方法

技术领域

本发明涉及雷达相控阵天线技术领域，是一种监测相控阵天线T/R组件性能的方法。

背景技术

相控阵天线的核心器件是收发组件(T/R组件)，相控阵天线的方向图是所有T/R组件幅相特性合成的结果，每个T/R组件的性能都会对合成的方向图产生影响。相控阵天线通过控制每个T/R组件移相器的相位来控制波束扫描，通过控制每个T/R组件放大器来实现特定方向图的波束。在实际工作中，环境、温度改变和器件老化等因素会造成T/R组件幅相特性与设定值存在一定偏差，因此必须对每一个T/R组件的实际增益和相移进行监测。由于系统物理结构上的限制，监测相控阵天线性能时，来自所有T/R组件的定标信号要经功合器汇合后送入专门设备进行处理。对单个T/R组件的幅相特性进行监测的关键是采取措施从复合信号中分离出单个T/R组件的定标信号。

定标的目的是通过采取一定措施、借助专门设备或特殊方法，来实现对雷达系统性能和关键参数的监测。利用雷达系统内部设备或信号处理方法(包括编码)实现监测，即内定标；利用雷达系统外部设备(如地面角反射器、有源转发器等)实现监测，即外定标。雷达系统内定标所要监测的一个关键参数就是T/R组件的工作情况。已知的一种T/R组件内定标方法是单个T/R组件通断法，即开启待测的那个T/R组件，关闭其余的T/R组件，这样复合定标信号即来自待测的那个T/R组件。这种方法的原理和信号处理都比较简单，但是，定标时电源负荷与实际工作时相差较大，此时的T/R组件幅相特性可能与全部组件都工作时的性能不同；由于复合信号是来自所有T/R组件的信号之和，若某些T/R组件由于老化或失效等原因无法关闭，则会给其它T/R组件的定标造成很大误差。因此，保持所有T/R组件都正常工作的同时从复合信号中提取出单个T/R组件的信号是实现T/R组件定标的关键难点。

发明内容

本发明的主要目的是解决现有技术问题，提出一种相控阵天线T/R组件的内定标方法，它可以不增加任何附加硬件，仅利用相控阵天线T/R组件自身的移相器，通过对T/R组件信号编码、解码处理，达到在所有T/R组件都正常工作的实际情况下对单个T/R组件的性能进行监测的目的。

为实现以上目的，本发明采用的技术解决方案是：

一种相控阵天线T/R组件内定标方法，其保持所有T/R组件都正常工作，在T/R组件定标过程中，以各T/R组件的数字移相器自身作为编码器，对经过各T/R组件的复信号进行空间和时间两个维度上的相位编码，对编码后得到的复合信号序列进行解码，最后即得到每个T/R组件的复信号。

所述的相控阵天线T/R组件内定标方法，其包括下列操作：

(1)同时对经过各个T/R组件的信号按照各自码序的第一个码字进行相位编码；

(2)以相同比例抽取各T/R组件的信号，得到它们的复合信号；

(3)更改各T/R组件的编码为各自码序中下一个码字，进行相位编码；

(4)重复进行(2)(3)两步操作，得到多个复合信号；

(5)对得到的多个复合信号进行解码，从而计算出每个T/R组件未经编码的信号，即单个T/R组件的信号估值。

所述的相控阵天线T/R组件内定标方法，其所述步骤(1)中的相位编码，是通过T/R组件移相器实现，即使用移相器中产生180°相移的那一位作为编码器，接通产生180°相移，代表编码为-1；断开产生0°相移，代表编码为1。

所述的相控阵天线T/R组件内定标方法，其所述编码操作，是：

(1)对于不同的T/R组件，它们同时编码，它们的码字所组成的码序是编码矩阵的一行或一列；

(2)对于同一T/R组件，它在不同时刻的编码所组成的码序是编码矩阵的一列或一行。

所述的相控阵天线T/R组件内定标方法，其所述编码矩阵：

(1)编码矩阵是Hadamard矩阵的子矩阵，且编码矩阵阶数等于T/R组件个数；

(2)编码矩阵是从Hadamard矩阵的第二行、第二列开始的方阵。

所述的相控阵天线T/R组件内定标方法，其所述步骤(5)中解码操作，是：

(1)解码矩阵是编码矩阵的逆矩阵；

(2)解码操作是矩阵乘法运算，即用解码矩阵去乘以多次编码得到的复合信号所组成的列向量，其结果仍为一个列向量；

(3)解码操作后得到的列向量的第一个元素对应第一个T/R组件的信号估值，第二个元素对应第二个T/R组件的信号估值，以此类推。

本发明的有益效果是：

1)可以在所有T/R组件都工作的情况下监测单个组件的性能，电源负荷情况与正常成像时符合，因此对T/R组件性能的监测与实际情况十分接近；

2)若某个T/R组件出现(其放大器或移相器不可控制)，用本方法得到的其它T/R组件的测试结果不受影响。

附图说明

图1是T/R组件的结构示意图，其中，T/R组件19、端口11、移相器12、收发开关13、高功率放大器14、环形器15、地面回波射频信号端口16、低噪声放大器17、数控衰减器18；

图2是相控阵天线系统线路方框示意图，其中，T/R组件19、功分器和功合器21、24、辐射单元22、定向耦合器23。

具体实施方式

本发明的相控阵天线T/R组件的内定标方法，保持所有T/R组件都正常工作，在T/R组件定标过程中，以各T/R组件的数字移相器自身作为编码器，对经过各T/R组件的复信号(增益和相移)进行两个维度(空间和时间)上的相位编码，对编码后得到的复合信号序列进行解码，最后即可得到每个T/R组件的复信号。

具体地讲，原则上任何正交码组都可用做本发明方法的编码。建议采用Hadamard码组进行编码，因为该编码相对于其它编码而言具有更好的正交性。Hadamard码序是由1和-1组成的正交编码序列。

为了在不加入任何额外硬件的条件下提供这种编码，在本发明方法的一个方面，使用T/R组件移相器中产生180°相移的那一位作为编码器，通过对该位的通断来实现编码。若编码为1，即在正常相移的基础上没有额外相移，则该位设定为产生T/R组件正常工作所需相移的那种状态；若编码为-1，即T/R组件的相移应在正常状态的基础上加入180°的额外相移，则该位设定为产生T/R组件正常工作所需相移的那种状态的相反状态。

首先对下文将要用到的符号进行说明：

N代表相控阵天线中T/R组件的个数；

T代表依据T/R组件个数而选用的编码矩阵；

H_N代表N阶Hadamard矩阵；

s_n(t)代表第n个T/R组件的复信号(包括幅度和相位)，所有T/R组件的复信号组成向量S；

t表示时间；

t_mn代表编码矩阵T的第m行第n列元素；

y_k(t)代表第k次编码后得到的所有T/R组件复信号之和，各次编码得到的复信号之和组成向量Y。

具体步骤如下。首先跟据T/R组件的个数N选择编码所用的Hadamard矩阵。Hadamard矩阵维数要大于T/R组件的个数N，此外，还需要考虑两个因素：(1)Hadamard矩阵的第一行或第一列不能用于编码，因为用它们进行编码会在某些情况下导致很大的定标误差(将在后面证明)；(2)Hadamard矩阵的维数是2的整数次幂(这是Hadamard矩阵的固有性质)。

然后确定编码矩阵。两个维度上编码所用到的编码矩阵T是Hadamard矩阵的子矩阵，通常应该是从一个Hadamard矩阵的第二行第二列起的子矩阵。本发明所需编码的次数与T/R组件的个数相同，这样才能保证在解码后得到每个T/R组件的信号，即编码矩阵T的维数等于T/R组件的个数N。

两个维度的编码过程如下：首先，对各个T/R组件的信号s_n(t)，n＝1，2，...N进行编码，即空间维度上的编码过程，所有T/R组件的码字t₁₁，t₁₂，...t_1N构成编码矩阵T的第一行。根据相控阵天线系统的典型结构，这些编码后的T/R组件信号经过功合器后，成为一个复合信号

y₁(t)＝t₁₁·s₁(t)+t₁₂·s₂(t)+...+t_1N·s_N(t) (1)

将该信号记录。然后，在时间维度上，对每个T/R组件进行多次编码。对于某一个T/R组件而言，它在各次编码过程中用到的码序是编码矩阵T的一列。编码的次数与T/R组件的个数相同。每一次编码都会由功合器得到一个复合信号：

y_m(t)＝t_m1·s₁(t)+t_m2·s₂(t)+...+t_mN·s_N(t) (2)

其中m＝1，2，...N，这些复合信号y₁(t)，y₂(t)，...，y_N(t)组成一个复合信号序列Y。整个编码过程用数学表达式表示如下

[\begin{matrix} y_{1} (t) \\ y_{2} (t) \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ y_{N} (t) \end{matrix}] = [\begin{matrix} t_{11} & t_{12} & \cdot \cdot \cdot & t_{1 N} \\ t_{21} & t_{22} & \cdot \cdot \cdot & t_{2 N} \\ \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot \\ t_{N 1} & t_{N 2} & \cdot \cdot \cdot & t_{NN} \end{matrix}] [\begin{matrix} s_{1} (t) \\ s_{2} (t) \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ s_{N} (t) \end{matrix}] - - - (3)

将上式写为向量形式：

Y＝T·S (4)

为了求得每个T/R组件的信号s_n(t)，n＝1，2，...N，将(4)左右两端乘以T^-1即可，因此解码矩阵是编码矩阵的逆矩阵。

使用解码矩阵T^-1与上述得到的复合信号序列Y相乘后可得到一个新的信号序列，该序列的元素即为单个T/R组件的信号估值(复数信号)

T^-1·Y＝T^-1·T·S＝S (5)

作为本发明的另一方面，编码矩阵T应不含有Hadamard矩阵的第一行或第一列。因为当某个T/R组件的编码器出现故障(无法控制其通断)时，使用含有Hadamard第一行或第一列的编码矩阵会影响第一个T/R组件的定标结果。证明过程如下：

假设N个T/R组件中的第k个组件的移相器出现故障，无法利用其移相器作为编码器，编码失效，则在时问维度上第k个T/R组件的编码全为1，即在(3)式中编码矩阵的第k列全为1。此时编码矩阵不是标准的Hadamard矩阵，将其记为T_e。

在根据N阶Hadamard矩阵H_N的性质：

●

H_{N}^{- 1} = H_{N} / N

●

H_{N}^{T} = H_{N}

●H_N的第i行(列)元素之和等于0(i≠1)或N(i＝1)；

●H_N的第一行(列)元素全为1；

●H_N的各行(列)相互正交。

进行矩阵的乘法运算后，可得到含有误差的估计值为

\tilde{S} = T^{- 1} \cdot Y = T^{- 1} \cdot T_{e} \cdot S

上式中左侧方阵中的省略号代表1，空白代表0；右侧向量中省略号代表相应T/R组件的信号。上式经过整理得到

{\tilde{s}}_{1} (t) = s_{1} (t) + s_{k} (t) - - - (7)

{\tilde{s}}_{k} (t) = 0 - - - (8)

{\tilde{s}}_{n} (t) = s_{n} (t),

其中n≠1且n≠k (9)

(7)式说明第一个T/R组件的信号估值为其真值s₁(t)加上移相器失效那个T/R组件的信号s_k(t)；(8)式说明失效组件的信号估值

为0；(9)式说明其余T/R组件的估值正常。

上面推导过程证明了若采用Hadamard矩阵第一行元素进行编码可能会导致第一个T/R组件信号估计误差，同时也证明了某个T/R组件出现故障对除第一个T/R组件以外的其他组件的监测没有影响。因此，为了消除第一个T/R组件的信号估计误差，本发明方法所用的编码矩阵要求剔除Hadamard矩阵第一行第一列。经过类似推导容易证明，选取编码矩阵时剔除Hadamard矩阵第一行第一列后，仅第k个组件的信号估值为0，其它组件信号估值均正常。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是T/R组件的结构示意图，图示为T/R组件处于接收模式时的情形。以具有一个发射支路和一个接收支路的T/R组件19为例，两个支路共用一个移相器12，T/R组件的工作模式由收发开关13进行选择。

图1中所示的收发开关13指向上端，T/R组件19处于接收模式。相控阵天线系统接收到的地面回波射频信号经端口16进入环形器15，环形器15的安装方式使得该射频信号进入由低噪声放大器17和数控衰减器18组成的接收支路，接收的射频信号经收发开关13、移相器12后，经端口11进入系统接收通道。

图1中若收发开关13指向下端，则T/R组件处于发射模式。来自系统发射通道的射频信号从端口11经过移相器12，由收发开关13进入T/R组件发射支路，经高功率放大器14、环形器15后，到达端口16，准备由辐射单元发射到空间中去。

图2是相控阵天线系统线路方框图，图示为系统处于接收模式时的情形。以4通道为例，其中每个T/R组件19都具有图1所示的结构。其中21和24既可用作功分器也可用作功合器，由信号流向决定。

当雷达系统处于发射定标模式时，所有T/R组件19内部的收发开关13都连接发射支路。来自雷达信号产生器的待发射的射频信号经功分器24分为四等分，各自进入T/R组件19，在进入辐射单元22之前，每个发射支路中的定向耦合器23将相同比例的发射信号送入功合器21，将各发射支路的T/R组件抽样信号合成一个复合信号送入系统专门设备(定标器)进行数据处理，从而实现对各个T/R组件发射支路工作情况的监测。定向耦合器23只是按一定比例抽取每个发射支路的信号，剩余信号功率最后经辐射单元22发射到空间中去。

当雷达系统处于接收定标模式时，相控阵天线系统的信号源由雷达系统提供。用于接收定标模式的射频信号经功分器21分成四等分，再通过定向耦合器23送入相控阵天线系统接收支路，各接收支路的射频信号经T/R组件19后进入功合器24，成为复合信号，该复合信号送入雷达系统接收机进行数据处理，从而实现对每个T/R组件接收支路工作情况的监测。

发射定标和接收定标模式中虽然信号流向相反，但最终得到的都是各个T/R组件编码后的复合信号，因此本方法适用于发射定标和接收定标。

实施例1

以T/R组件发射定标为例给出使用本发明的方法选取编码的过程。

假设雷达系统设定相控阵天线每个T/R组件放大器增益为某一常值g_s，移相器为3位数字移相器，相移设定为-135°。

移相器由45°，90°，180°三个相位延迟器件组成，通过这三个相位延迟器件的通断来实现0°～360°的相移，步进精度为45°。为了提供-135°相移或360°-135°＝225°相移，需要接通180°和45°相位延迟器件，断开90°的相位延迟器件。采用本发明的编码方法，若编码为1，则移相器无需引入附加相移；若编码为-1，则需在上述状态的基础上断开180°相位延迟器件。所谓“断开”即提供0°相移。

因T/R组件总个数为4，且Hadamard矩阵第一行第一列无法使用，因此所需Hadamard矩阵阶数应不小于5，又考虑到其阶数是2的整数次幂，因此编码矩阵需要从2³＝8阶Hadamard矩阵中选取。编码矩阵是8阶Hadamard矩阵从第二行第二列开始的4阶子矩阵。根据Hadamard矩阵定义可得：

H_{2} = [\begin{matrix} 1 & 1 \\ 1 & - 1 \end{matrix}], H_{4} = [\begin{matrix} H_{2} & H_{2} \\ H_{2} & - H_{2} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 1 & 1 & 1 & 1 \\ 1 & - 1 & 1 & - 1 \\ 1 & 1 & - 1 & - 1 \\ 1 & - 1 & - 1 & 1 \end{matrix}]

因此得到编码矩阵为

T = [\begin{matrix} - 1 & 1 & - 1 & 1 \\ 1 & - 1 & - 1 & 1 \\ - 1 & - 1 & 1 & 1 \\ 1 & 1 & 1 & - 1 \end{matrix}] - - - (10)

以此编码矩阵按本发明的方法进行编码定标，以T^-1进行解码后即可得到单个T/R组件的信号。

以上所述的实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质进行的相关修改仍属于本发明权利要求书的保护范围内。

Claims

1.一种相控阵天线T/R组件内定标方法，其特征在于：保持所有T/R组件都正常工作，在T/R组件定标过程中，以各T/R组件的数字移相器自身作为编码器，对经过各T/R组件的复信号进行空间和时间两个维度上的相位编码，对编码后得到的复合信号序列进行解码，最后即得到每个T/R组件的复信号；该方法包括下列步骤：

(2)以相同比例抽取各T/R组件的信号，得到它们的复合信号；

(4)重复进行(2)(3)两步操作，得到多个复合信号；

2.根据权利要求1所述的相控阵天线T/R组件内定标方法，其特征在于：所述步骤(1)中的相位编码，是通过T/R组件移相器实现，即使用移相器中产生180°相移的那一位作为编码器，接通产生180°相移，代表编码为-1；断开产生0°相移，代表编码为1。

3.根据权利要求1或2所述的相控阵天线T/R组件内定标方法，其特征在于：编码操作是：

4.根据权利要求3所述的相控阵天线T/R组件内定标方法，其特征在于：所述编码矩阵：

(2)编码矩阵是从Hadamard矩阵的第二行、第二列开始的方阵。

5.根据权利要求1所述的相控阵天线T/R组件内定标方法，其特征在于：步骤(5)中解码操作是：

(1)解码矩阵是编码矩阵的逆矩阵；