CN109541558A - 一种全流程全系统主动相控阵雷达导引头的校准方法 - Google Patents

Abstract

一种全流程全系统主动相控阵雷达导引头的校准方法，首先进行主动相控阵雷达导引头相控阵天线阵面校准，然后进行通道幅相一致性校正，最后进行波束指向修正。本发明与现有技术相比，克服了现有技术只能对通道幅相一致性校准，不能对相控阵天线阵面进行校准、波束指向进行修正的问题，涵盖主动相控阵雷达导引头全系统、全流程的校准，能够快速完成主动相控阵雷达导引头系统校准，在方位角、俯仰角范围内波束指向误差不超过3dB波束宽度的1/15，具有很好的使用价值。

Description

一种全流程全系统主动相控阵雷达导引头的校准方法

技术领域

本发明涉及一种全流程全系统主动相控阵雷达导引头的校准方法。

背景技术

在某项目研制过程，需要快速完成主动相控阵雷达导引头系统校准：方位角、俯仰角范围内，波束指向误差不超过3dB波束宽度的1/15。

《半封闭回路耦合的相控阵通道幅相校准装置》、《一种相控阵雷达发射通道远场校准方法及系统》、《相控阵天线快速测量与校准技术研究》、《多通道高精度幅相检测模块的设计》皆对通道幅相一致性校准进行了说明，但在实际用用过程中，对整个主动相控阵雷达导引头系统的校准除通道幅相一致性校准外，还需要对相控阵天线阵面进行校准、对波束指向进行修正。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种全流程全系统主动相控阵雷达导引头的校准方法，解决了主动相控阵雷达导引头全系统、全流程的校准问题。

本发明的技术解决方案是：一种全流程全系统主动相控阵雷达导引头的校准方法，包括如下步骤：

(1)进行主动相控阵雷达导引头相控阵天线阵面校准；

(2)进行通道幅相一致性校正；

(3)进行波束指向修正。

所述的进行主动相控阵雷达导引头相控阵天线阵面校准的方法包括如下步骤：

(1)移动辅助测试天线使得辅助测试天线对准待测相控阵天线阵面当前阵元；

(2)调节相控阵天线阵面中当前阵元的开关状态，以及通道的移相、衰减状态；

(3)使用矢量网络分析仪测量待测相控阵天线阵面中当前阵元的传输参数，并记录相控阵天线阵面中当前阵元信号传输通道的幅度和相位测量值；

(4)依次遍历相控阵天线阵面阵元，完成所有阵元的传输参数测量、信号传输通道的幅度和相位测量值；

(5)以任一阵元为基准，归一化其他阵元的幅度和相位，进而得到相控阵天线阵面校准补偿数据，完成主动相控阵雷达导引头相控阵天线阵面校准。

所述的进行通道幅相一致性校正的方法包括如下步骤：

(1)设定通道幅相误差包括接收模块引入的幅度和相位失配误差、采集通道的时钟和器件抖动引入的相位误差、数字信号的量化误差、热噪声；

(2)设第k个通道对应的第k个不同滤波器的滤波器传递函数H_k(w)为H_k(w)＝α_k(w)exp[jβ_k(w)],k＝1,...,n-1,n

其中，α_k(w)为第k个通道的幅度函数，jβ_k(w)为第k个通道的相位函数，n为通道的数量；

(3)获取校正信号s(k)，计算得到第k个波束形成器接收通道接收并校准后的信号为

s_k(w)＝α_k(w)exp[jβ_k(w)]*s(k),k＝1,...,n-1,n；

(4)计算第k个波束形成器接收通道接收并校准后的信号和第1个波束形成器接收通道接收并校准后的信号的差异为

(5)对步骤(4)计算得到的信号差异进行归一化计算，得到幅相校准权系数，进而完成通道幅相一致性校正。

所述的进行波束指向修正的方法为：

(1)把相控阵天线阵面的所有指向等间距分成若干个格子，格子的4角分别为理论角度，并记为(theta0，phi0)、(theta0，phi1)、(theta1，phi0)、(theta1，phi1)，格子的4角为球坐标下的theta角度和phi角度；

(2)根据设定的角度步进并测试不同theta角、phi角对应的的相控阵天线阵面方向图；

(3)计算测试所得相控阵天线阵面方向图对应的实际波束指向与理论指向的差值，并作为指向精度误差；

(4)进行波束指向修正使得指向精度误差小于设计值。

一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-权利要求4任一所述方法的步骤。

一种全流程全系统主动相控阵雷达导引头的校准设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时实现如权利要求1-权利要求4任一所述方法的步骤。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明克服了现有技术只能对通道幅相一致性校准，不能对相控阵天线阵面进行校准、波束指向进行修正的问题，涵盖主动相控阵雷达导引头全系统、全流程的校准，能够快速完成主动相控阵雷达导引头系统校准，在方位角、俯仰角范围内波束指向误差不超过3dB波束宽度的1/15，具有很好的使用价值。

附图说明

图1为相位和差单脉冲测角计算原理框图；

图2为近场校准原理框图；

图3为幅相误差校正的实现框图；

图4为波束指向示意图；

图5为通道失配校正参考框图。

具体实施方式

在现代雷达应用时，一般用多通道接收机来进行测角。通道中包括高功率放大器、T/R组件、本振、带通滤波器、混频器、放大器等非线性器件。这些器件均为模拟器件，而同一型号的模拟器件各项参数总是存在着或大或小的离散度，随着温度等各种外界条件的变化，器件间的不一致性会显著增大，甚至达到系统指标所不能忍受的程度。而且随着接收信道带宽的增加，带内幅度与相位的平坦度更加难以保证，当接收宽带信号时，由于带内的不一致性而造成测角精度指标更加恶化。相控阵天线两个天线单元间距较近，每个天线都会存在互耦效应。使得天线在接收信号时就会改变天线方向图，特别是阵面边缘，这种互耦还会造成天线方向图旁辧增高。天线阵元的间距越小，天线间的互耦越大。会对后端信号处理中脉冲压缩、数字波束形成、旁辧相消等产生较大影响。

发射时，由信号处理系统针对每个组件单元产生不同的幅相控制字，由波束控制系统对各T/R组件的幅度和相位进行控制，修正过相位幅度的射频信号输出至对应的天线子阵单元，由各子阵单元产生的辐射信号在空间合成所需要的天线发射方向。

接收时，每路信号经过T/R组件、综合信道，经中频A/D采样后，在FPGA中通过数字下变频输出I/Q基带信号。通过高速数传系统送到信号处理系统，在信号处理机中完成通道均衡，波束形成和软件化信号处理，如脉冲压缩、MTI、FFT、CFAR等。

相控阵天线产生的和信号、方位差、俯仰差信号通过变频处理后，进行测角计算。相位和差单脉冲测角计算包括三个部分(如图1所示)。

本发明不对如何进行多普勒补偿、脉冲压缩、单脉冲测角进行说明，仅考虑测角精度由哪些因素决定，如何规避误差提高测角精度。主要误差因素有噪声误差、差波束零深、幅相不一致、波束扫描、和差通道隔离度、传播、动态滞后和A/D变换等。其中，传输、动态滞后和A/D变换对测角精度的影响很小。

主动相控阵雷达导引头系统校准包括相控阵天线幅相一致性校准、信号处理机及通道失配校正、波束指向误差校准。

为了提高主动相控阵雷达导引头的设计和测试成功率，节约调试测试和环境试验消耗的故障排查成本，保证导引头性能。

1、相控阵天线阵面校准

阵列中心附近的阵元对方向图的影响较大，随着阵元向阵中心靠拢，波束指向误差越来越大，副瓣电平越来越高。因此在将阵元装配到阵面前需要对所有阵元幅相一致性进行测试，归一化后将误差小的阵元安装在阵元中心，误差大的放在阵列的边缘。完成此步后进行相控天线幅相一致性校准(阵面校准)。

幅度误差影响旁瓣，相位误差影响指向。

近场校准是一种考虑天线阵元间耦合的通道校准方法，原理图如图2。所示。通过工控机上的测试软件控制波控板，对待测阵元的通道移相衰减状态进行控制和改变，使天线指向视场内任意波束；采用近场扫描架移动辅助测试天线，实现对被测阵元的切换；采用矢量网络分析仪依次对各通道(阵元)的传输参数S21进行测量，记录其幅度和相位；以其中某一通道为基准，进行归一化处理；分析各通道的幅度和相位的不一致性，为相控阵天线校准提供补偿数据。

2、通道幅相一致性校正

通道幅相误差由以下各部分组成：接收模块引入的幅度和相位失配误差；采集通道的时钟和器件抖动引入的相位误差；数字信号的量化误差；热噪声等。综合以上描述知，虽然不一致出现在整个接收通道的任何地方，但信号通过不同的通道进入波束形成器，相当于经过了不同的滤波器。假设n个通道对应的n个不同滤波器的传递函数为：

H₁(w)＝α₁(w)exp[jβ₁(w)]

H_n(w)＝α_n(w)exp[jβ_n(w)]

其中，α_k(w)为幅度函数，jβ_k(w)为相位函数。

在数字波束形成处理器中，可以很容易校正各通道间的幅相误差。我们采用内部校正的方式(如图3所示)，即将校正信号从功分网络馈入天线的耦合端，经天线耦合端，接收模块、A/D等进入波束形成器，并由波束形成器进入计算机，分析各通道幅相误差，得到幅相校准权系数。假设我们加入的校准信号为s(k)(实际中我们选择点频信号进行单频点校准)，则波束形成器上接收的通道的信号为:

s_k(w)＝α_k(w)exp[jβ_k(w)]*s(k),k＝1,...,n-1,n

其中，α_k(w)为幅度函数，jβ_k(w)为相位函数，s(k)为校准信号，k为当前通道号。

为了得到通道间不一致性，以1通道的数据为参考信号(参考信号可以任取一个通道信号)，那么k通道和1通道之间的差异用复数除法可以得到

其中，α₁(w)、α_k(w)为幅度函数，j(β_k(w)-β₁(w))为相位函数，s(k)为校准信号，1、k为通道号。进而得到幅相校准权系数。因为通道特性是随外部环境慢变的，所以并不是每次开机都需要接入校准信号对幅相校准权系数进行更新，因此这些权系数要保存到flash中去，以防止掉电丢失。

3、波束指向修正

通过上述两个校准补偿后，基本完成相控阵雷达导引头的校准。

但由于部分残留误差及环境变化和内部噪声等因素引起的随机误差难以消除，校准后各通道的方向图存在差异(无法保证完全一致)。理论波束合成指向与实际波束指向会存在偏差，此时需要对波束指向进行补偿。

相控阵实际波束指向由在球坐标下的theta角度和phi角度确定。测试不同theta角、phi角值时的天线方向图，由3dB中点确定当前波束的实际指向，与当前波束的理论指向之间的差值为指向精度误差。具体theta角和phi角的测试步进根据用户指标要求决定。

根据天线阵列仿真结果和天线方向图的实际测试，相控阵的指向精度误差会跟随theta角的增大而增大，具体比例根据天线实际布阵情况实际确定。

图4所示把天线的所有指向根据等间距分成若干个格子，格子的4角分别为理论角度(theta0，phi0)、(theta0，phi1)、(theta1，phi0)、(theta1，phi1)，每个理论值对应一个实际测试角度。二维线性差值算法近似认为在这4个角度之间的角度theta和phi均为线性变化(需要步进间隔取的足够小)，theta和phi角分别计算，得出所需理论角度和实际角度的插值，在需要指向某个角度时，根据二维线性差值法首先计算出于实际角度的差值，把插值加到理论角度上，作为修正后的波束指向。

波束指向(0,0)进行方向图扫描；波束指向每间隔5°或10°(具体间隔根据实际需要确定，一般指向角越大，误差越大)在方位向和俯仰向分别进行方向图扫描，对比理论指向与测试所得实际指向的差异，加入合适的补偿后，再次进行方向图扫描，再次比较，如误差还偏大，需重复直至误差在设计范围之内。完成指向误差校准。

如图2所示，所示进行仪器设备连接，矢网port1与功率分配网络输出端相连，矢网port2通过衰减器与辅助天线输出端相连，控制扫描架，使辅助天线对准待测天线，距离为天线在空气中波长的3到5倍。

对通道1进行幅相测量：在工控机控制下，利用矢量网络分析仪实现对通道1的各种不同波控码下的S12(幅度和相位)的自动测量，并保存成数据文件。(幅度控制码根据组件调试结果确定，使组件输出功率满足指标要求，同时输出功率尽量一致)

移动扫描架，使待测天线对准第二个待测单元，重复上述过程，完成对通道2～N各种移相状态下的S12的测量。

计算归一化幅相：以通道1波控码为0状态下的实测S12值为基准(A_1，0为通道1波控码为0状态下的幅度，为通道1波控码为0状态下的相位)，对各通道的S21进行归一化处理，建立波控码与相对幅度、相对相位之间的关系。设通道k波控码为m状态下S21幅度为A_km(dB)，相位为则归一化幅相计算如下

A′_km＝A_km-A_1，0

利用归一化数据，根据需要生成相应的幅度相位校准表。

如图5所示前端模拟信号我们用信号处理机产生PRF信号，触发信号源产生实际测量所需的单载波，然后经过功分器将信号等功分为多路信号，经综合信道，经过信号处理机A/D后，经数字下变频转化为I，Q两路信号。工控机通过ChipScope软件或其他方式将处理后的数字幅频特性、相频特性、时序特性保存下来。归一化调整后将校表置入信号处理机flash中。

完成相控阵天线幅相一致性校准及通道失配校正后，进行波束指向误差校准。

测试步骤如下：

a波束指向(0,0)，进行方向图扫描，确定法线与测试场地坐标系吻合；

b波束指向(0+m*n,0)，在方位向进行方向图扫描(规定角域内)，矢网记录方向图；(其中m为间隔(或步进)，取值1°、2°、5°或10°不等；其中n为整数；m*n在规定角域(或视场内)内)

c同理，在俯仰向进行方向图扫描；

d比对指向与测试之间的误差，通过上位机注入校表，完成指向修正；

e重复b)～d)，直至指向与实测指向一致，误差在设计误差之内。

本发明一种全系统全流程主动相控阵雷达导引头的校准方法，涉及主动相控阵雷达导引头相控阵天线幅相一致性校准、信号处理通道(含变频通道)失配校正、波束指向误差校准。主动相控阵雷达导引头相控阵天线幅相一致性校准，采用暗室近场逐阵元扫描进行幅相采集，归一化处理后进行补偿，并验证各阵元幅相一致性。主动相控阵雷达导引头信号处理通道(含变频通道)失配校正，采用实验室校正信号从功分网络馈入天线耦合端，经天线耦合端、变频通道、A/D等，获取各通道的幅相，归一化处理后进行补偿，并验证各通道幅相一致性。主动相控阵雷达导引头波束指向误差校准，采用远场逐指向进行方向图扫描，比对指向与3dB中点确定的实际指向，根据二维线性差值法进行波束指向修正，多次测量修正后使误差在设计范围之内。校准过程中，需要在不同场地(近场、远场、实验室)进行测试；同时测试涉及导引头系统分机(如相控阵天线分机)及整机的测试。因为天线电轴的不可见，测试过程需要多次扫描寻轴，为保证测试条件的一致性，可考虑辅助激光线标。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种全流程全系统主动相控阵雷达导引头的校准方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)进行主动相控阵雷达导引头相控阵天线阵面校准；

(2)进行通道幅相一致性校正；

(3)进行波束指向修正。

2.根据权利要求1所述的一种全流程全系统主动相控阵雷达导引头的校准方法，其特征在于：所述的进行主动相控阵雷达导引头相控阵天线阵面校准的方法包括如下步骤：

(1)移动辅助测试天线使得辅助测试天线对准待测相控阵天线阵面当前阵元；

(2)调节相控阵天线阵面中当前阵元的开关状态，以及通道的移相、衰减状态；

(3)使用矢量网络分析仪测量待测相控阵天线阵面中当前阵元的传输参数，并记录相控阵天线阵面中当前阵元信号传输通道的幅度和相位测量值；

(4)依次遍历相控阵天线阵面阵元，完成所有阵元的传输参数测量、信号传输通道的幅度和相位测量值；

(5)以任一阵元为基准，归一化其他阵元的幅度和相位，进而得到相控阵天线阵面校准补偿数据，完成主动相控阵雷达导引头相控阵天线阵面校准。

3.根据权利要求1所述的一种全流程全系统主动相控阵雷达导引头的校准方法，其特征在于：所述的进行通道幅相一致性校正的方法包括如下步骤：

(1)设定通道幅相误差包括接收模块引入的幅度和相位失配误差、采集通道的时钟和器件抖动引入的相位误差、数字信号的量化误差、热噪声；

(2)设第k个通道对应的第k个不同滤波器的滤波器传递函数H_k(w)为

H_k(w)＝α_k(w)exp[jβ_k(w)],k＝1,...,n-1,n

其中，α_k(w)为第k个通道的幅度函数，jβ_k(w)为第k个通道的相位函数，n为通道的数量；

(3)获取校正信号s(k)，计算得到第k个波束形成器接收通道接收并校准后的信号为

s_k(w)＝α_k(w)exp[jβ_k(w)]*s(k),k＝1,...,n-1,n；

(4)计算第k个波束形成器接收通道接收并校准后的信号和第1个波束形成器接收通道接收并校准后的信号的差异为

(5)对步骤(4)计算得到的信号差异进行归一化计算，得到幅相校准权系数，进而完成通道幅相一致性校正。

4.根据权利要求1所述的一种全流程全系统主动相控阵雷达导引头的校准方法，其特征在于：所述的进行波束指向修正的方法为：

(1)把相控阵天线阵面的所有指向等间距分成若干个格子，格子的4角分别为理论角度，并记为(theta0，phi0)、(theta0，phi1)、(theta1，phi0)、(theta1，phi1)，格子的4角为球坐标下的theta角度和phi角度；

(2)根据设定的角度步进并测试不同theta角、phi角对应的的相控阵天线阵面方向图；

(3)计算测试所得相控阵天线阵面方向图对应的实际波束指向与理论指向的差值，并作为指向精度误差；

(4)进行波束指向修正使得指向精度误差小于设计值。

5.一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-权利要求4任一所述方法的步骤。

6.一种全流程全系统主动相控阵雷达导引头的校准设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述的处理器执行所述的计算机程序时实现如权利要求1-权利要求4任一所述方法的步骤。