CN103592639A - 基于光纤延迟系统的数字阵列雷达幅相监测与校准方法 - Google Patents

基于光纤延迟系统的数字阵列雷达幅相监测与校准方法 Download PDF

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田晓英
张金良
陈文锋
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Abstract

本发明涉及一种基于光纤延迟系统的数字阵列雷达幅相监测及校准方法。该方法主要利用雷达阵面阵元与阵面监测耦合阵元通过互相耦合的方式采集雷达阵面阵元所有上、下行通道的幅相数据，完成雷达阵面所有通道上、下行的幅相监测，当需要对阵面进行幅相修正校准时，通过幅相监测得到与出厂数据的差值，然后将差值修正后完成阵面上、下行的幅相校准。该方法引入了光纤延迟系统将发射和接收从时间上分开，在发射监测工作时序内，被测通道工作在“深消隐”状态，并完成光纤幅相漂移自校准，保证监测数据的准确性。该方法具有实时性好、操作便捷、良好的性价比特点，它的提出及工程实现在数字阵列雷达监测校准领域具有很高的实际应用价值。

Description

基于光纤延迟系统的数字阵列雷达幅相监测与校准方法
技术领域
本发明属于数字阵列雷达监测与校准方法，应用于数字阵列雷达阵面的幅度相位监测和校准，提高数字阵列雷达幅相监测与校准的精度和可操作性。
背景技术
目前，数字阵列雷达监测校准方法主要包括：平面近场校准法、中场直接测量法、换相测量法、远场监测法和内监测法。平面近场校准法测试精确，但是需要笨重而精密的机械扫描架系统，效率很低；中场直接测量法和远场监测法设备量小，但是需要在中场和远场假设辅助天线；内监测法由于其设备量大，导致可靠性降低，主要适用于小规模系统。
数字阵列雷达由许多个辐射单元组成，通过精心控制成千上万辐射单元的幅度相位关系来形成所需要的波束形状和指向。数字阵列雷达之所以优于其他体制雷达，主要是靠天线波束扫描的灵活性、信号波形的捷变性及数字波束形成技术。然而雷达在实际应用中生命周期比较长，在长期的使用过程中，相控阵天线各个通道之间不一致性会逐渐积累，系统误差会不断增大，当误差大到一定程度时，天线性能会明显下降，对雷达整体性能有影响。因此需要能够实时的监测每个通道的状态，但是如果每次校准都采用假设辅助天线的方式会增加校准的难度且在舰上不易操作及实现。
该方法是一种光纤延迟系统的数字阵列雷达幅相监测与校准方法，需要设备量非常小，且对阵面基本不做改变，能够满足测试精度要求，故障诊断和隔离要求，具有良好的性价比。
发明内容
本发明的目的在于提供一种便捷的、可操作性强的数字阵列雷达的监测与校准技术，其具体是通过雷达阵面阵元与阵面监测耦合阵元通过互相耦合的方式采集各个有源通道上、下行幅相数据，完成阵面所有通道上、下行的幅相监测，并依据出厂数据实时完成阵面所有通道上、下行的幅相校准。
架设远场监测天线按照固定顺序测试天线面阵所有上行通道已修正、未修正幅相数据；所有下行通道已修正、未修正幅相数据；同时，在外场路径无干扰的情况下，利用阵面监测耦合阵元按照固定顺序测试天线面阵所有上行通道已修正、未修正幅相数据和所有下行通道已修正、未修正幅相数据；然后利用阵面监测耦合阵元实时监测阵面上、下行通道幅相数据，得到幅相变化值，通过幅相监测得到与出厂数据的差值，然后将差值修正后完成阵面上、下行的幅相校准。
本发明引入了光纤延迟系统，将发射信号和接收从时间上分开，保证发射监测工作时序内，被测通道工作在“深消隐”状态，保证监测数据的准确性。并且采用光纤自校准方式将光纤自身的相位漂移引入的误差校准，保证采到的数据的准确性及有效性。
本发明与现有技术相比，其显著优点为： 
对阵面基本不做改变，设备量小，提高了数字阵列雷达在舰上监测与校准的可操作性；具有实时性好、操作便捷效果好的特点，便捷的实时实现雷达阵面的上、下行幅相监测和校准；满足测试精度要求，故障诊断和隔离要求，具有良好的性价比。它的提出及工程实现在相控阵雷达监测校准领域具有很高的实际应用价值。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
附图1是本发明的系统框架图。
附图2是本发明的雷达阵面上、下行相位校准流程图。
附图3是本发明利用光纤延迟系统发射监测时序图。
附图4是本发明实现光纤幅相漂移自校准流程图。
具体实施方式
本发明基于当天线阵面加工好以后，其散射矩阵为恒定值，天线阵面的相互耦合特性就是恒定的，利用雷达阵面阵元与阵面监测耦合阵元互相耦合的方式实现雷达阵面的上、下行幅相监测。
上、下行幅相监测实施具体步骤，系统框架参见附图1：
上行幅相监测步骤：
当需要对天线面阵某路发射通道进行监测时，由综合控制及波束合成分系统通过光纤控制T/R组件其中一个发射单元工作，单刀双掷开关切换至延迟系统，射频信号经天线面阵空间耦合至阵面监测耦合阵元，经过延迟系统物理延迟一段时间，然后进入监测组件的接收通道，将射频信号解调到零中频，最后将I/Q数据通过千兆网络交换机送给监测计算机进行数据处理；
下行幅相监测步骤：
当需要对天线面阵某路接收通道进行监测时，由综合控制分系统通过光纤控制监测组件发射支路工作，单刀双掷开关切换至直通通道，经过监测阵元耦合天线辐射，微波信号经一定空间耦合至天线面阵，面阵所有 T/R组件的接收通道同时接收，再经过下变频至零中频信号，最后将I/Q数据通过千兆交换机送给监测计算机进行数据处理。
雷达阵面上、下行相位校准流程图实施具体步骤为，参见附图2：
①   通过架设远场监测天线按照固定顺序测试天线面阵上行数据：天线面阵上行原始未修正数据θ 未修正、已修正数据θ 已修正；得到天线面阵上行修正与未修正差值Δθ；
②   通过架设远场监测天线按照固定顺序测试天线面阵下行数据：天线面阵下行原始未修正数据                                                
Figure 892738DEST_PATH_IMAGE001
未修正、已修正数据 已修正，得到天线面阵下行修正与未修正差值；
③   在外场路径没有回波干扰的情况下，利用阵面耦合阵元按照固定顺序测试上行幅相原始未修正数据σ 未修正；
④   在外场路径没有回波干扰的情况下，利用阵面耦合阵元按照固定顺序测试下行幅相原始未修正数据
Figure 132592DEST_PATH_IMAGE003
未修正；（①、②、③、④四步需要在天线面阵同样的状态下采集完成）
⑤   可以推导出利用阵面耦合阵元按固定程序测试到的
上行辐射已修正数据为：θ 已修正-θ 未修正+σ 未修正；
下行接收已修正数据为：
Figure 629914DEST_PATH_IMAGE001
已修正-
Figure 50531DEST_PATH_IMAGE001
未修正+ 未修正；
⑥   由⑤推导出的两组数据为天线面阵的出厂数据，当天线面阵经过一段时间的使用后，通道间的相位不一致性会逐渐累积，可以通过利用阵面耦合阵元完成上、下行幅相监测，当不一致性达到一定程度时，需要进行校准；
假设σ 未修正→σ’ 未修正、
Figure 698867DEST_PATH_IMAGE003
未修正→
Figure 624098DEST_PATH_IMAGE004
未修正；
TR组件上行通道相位修正补偿系数为
θ 已修正-θ 未修正-（σ’ 未修正-σ 未修正）；
TR组件下行通道相位修正补偿系数为
已修正- 未修正-（
Figure 256570DEST_PATH_IMAGE004
未修正- 未修正）；
⑦   将上、下行通道相位修正补偿系数写入FPGA中。
由于发射链路功率很大，监测发射信号时，受到电缆空间辐射泄露及被测通道自身收发隔离的影响，监测组件通道信噪比无法保证，为了保证发射测试有效、准确地实施，引入光纤延迟系统，将发射信号和接收从时间上分开，保证发射监测工作时序内，被测通道工作在“深消隐”状态，参见附图3；
通过实验室测试发现光纤自身的幅相随温度变化有漂移现象，光纤越长漂移量越大，且通过外场测试发现，光纤相位漂移完全受到外界环境温度的影响，且没有固定规律，因此如果使用光纤采集接收数据，必须将光纤自身的相位漂移引入的误差校准，才能保证采到的数据的准确性及有效性。
光纤幅相漂移自校准方法实施具体步骤为，参见附图4：
首先，假设相邻两次利用光纤采集的数据是没有幅相漂移误差的；当完成一次采集阵面阵元数据后，就采集一次参考通道阵元的数据，接着再采集下个阵面阵元数据；通过连续采集参考通道的幅相值，得到第N次采集与第一次采集的参考通道幅相差值，反应出阵面采集第N个通道因为光纤引入的误差值，然后将第N个通道的采集数据减去误差值即完成校准；
基于传统的数字阵列雷达幅相监测校准方法，该方法能便捷的实时实现雷达阵面的上、下行幅相监测和校准，并且引入光纤延迟系统和完成了光纤幅相漂移自校准，该方法能够满足测试精度要求，故障诊断和隔离要求，具有良好的性价比。有效地排查TR组件工作异常现象，保证数字阵列雷达工作的稳定度与可靠性。

Claims (2)

1.基于光纤延迟系统的数字阵列雷达幅相监测及校准方法，其主要特征在于：
（1）利用雷达阵面阵元与阵面监测耦合阵元通过互相耦合的方式采集雷达阵面阵元所有上、下行通道的幅相数据，完成雷达阵面所有通道上、下行的幅相监测；架设远场监测天线按照固定顺序测试天线面阵所有上行通道已修正、未修正幅相数据和所有下行通道已修正、未修正幅相数据；同时，在外场路径无干扰的情况下，利用阵面监测耦合阵元按照固定顺序测试天线面阵所有上行通道已修正、未修正幅相数据和所有下行通道已修正、未修正幅相数据；然后利用阵面监测耦合阵元实时监测阵面上、下行通道幅相数据，得到幅相变化值，通过幅相监测得到与出厂数据的差值，然后将差值修正后完成阵面上、下行的幅相校准；
（2）引入了光纤延迟系统，将发射信号和接收从时间上分开，保证发射监测工作时序内，被测通道工作在“深消隐”状态，并且采用光纤自校准方式将光纤自身的相位漂移引入的误差校准，保证采到数据的准确性及有效性。
2.一种根据权利要求1所述的基于光纤延迟系统的数字阵列雷达幅相监测及校准方法，其特征在于：
（1）雷达阵面每个阵元与阵面监测耦合阵元间的耦合系数能够保证所有下行接收通道工作在动态范围内，且信噪比≥20dB；
（2）光纤幅相漂移自校准方法是在假设相邻两次利用光纤采集的数据是没有幅相漂移误差的基础上完成的。
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