CN115361075A - 一种数字相控阵收发通道在线故障监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数字相控阵收发通道在线故障检测方法，发射时利用射频双工器的收发耦合效应实现接收通道对发射脉冲的耦合信号采集，计算其功率，与存储阈值比较，可确定当前收发通道状态是否异常，在此基础上进一步通过控制状态异常通道发射正交脉冲，利用天线单元间及射频双工器的收发耦合效应，通道状态正常的某邻近天线单元在接收通道获得其对正交脉冲的耦合信号，分析正交耦合信号功率并与对应阈值比较，从而对状态异常通道的接收或发射故障进行判别，在线实现，可用于相控阵后续任务可执行度评估，避免使用额外的故检专用信号产生电路和对应控制电路，降低了天线阵面设计复杂度，提升了天线阵面设计集成度和可靠性。

Description

一种数字相控阵收发通道在线故障监测方法

技术领域

本发明涉及数字相控阵技术领域，尤其是涉及数字相控阵接收通道在线故障监测方法。

背景技术

收发通道是构成数字相控阵天线阵面的基础，是数字相控阵的核心组成部分，其数量在相控阵中的数量少则几十上百，多则成千上万，其性能、可靠性等指标直接影响着数字相控阵的系统性能。收发通道故障监测的方法，一种是增加专用监测电路对各个通道进行在线监测，不影响相控阵设备的正常工作，例如专利CN107219509A、CN108196233A、通过增加少量器件，利用雷达系统的最小探测距离时隙，完成了对接收机支路参数以及对发射通道参数的在线状态检测和故障上报。CN110286361A利用固定目标回波信噪比测量构建参考模型进行比对实时监测其发射机健康状态。一种是利用原有电路或新增专用监测电路在设备专用健康检测模式下开展工作，例如专利CN109547050A通过增加校准电路实现收、发通道校准补偿和故检，专利CN1845625A通过在收发信机模块中增加射频开关电路建立故障链路与监测(正常)链路的连接路径进行故障判断，实现基站中射频前端模块的在线监测。

在相控阵设备的多功能应用中接收通道和发射通道具有各自的独立性，存在或偶发通道故障的情况下，整个相控阵阵面是否能继续满足当前任务需求需实时评估，新增专用电路降低了整个天线阵面及设备的可靠性，如何在不新增专用监测电路的情况下，实现对收发通道故障状态进行实时在线监测是一个设计上的难题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种数字相控阵收发通道在线故障监测方法。本发明不增加额外的信号产生及测试电路，利用射频双工器在接收通道与发射通道间的耦合效应，以及天线单元间耦合效应，实现发射时接收通道对发射脉冲的耦合信号采集和功率计算，与存储阈值比较，可确定当前收发通道是否状态异常，在此基础上进一步通过控制异常状态通道发射正交脉冲，通道状态正常的某邻近天线单元间及收发共用开关的耦合效应获得其接收通道对正交脉冲的耦合功率与对应阈值比较，从而对异常通道的接收或发射故障进行判别，可在线实现，可用于相控阵后续任务可执行度评估，避免使用额外的故检专用信号产生电路和对应控制电路，降低了天线阵面设计复杂度，提升了天线阵面可靠性。

为达到上述目的，本发明通过以下方案来实现：数字相控阵收发通道均为数字的，每个接收通道、发射通道的射频端与一个天线单元通过射频双工器相连接，数字端与可编程数字信号处理器相连接，在波控指令和收发控制脉冲的控制下分时实现某调制频率的发射、接收功能：发射时，控制射频双工器连接发射通道和天线单元，发射通道产生脉冲信号处理后经射频双工器至天线单元向空间辐射，部分能量经双工器耦合进入接收通道被数字化；接收时，控制射频双工器断开与发射通道的连接，接入接收通道，外界微波信号经天线单元和射频双工器进入接收通道，经接收通道处理并数字化后由可编程数字信号处理器进行定时采集，处理后，送至DBF模块；其中所述在线故障监测方法包含下列步骤：

1)在发射过程中发射脉冲信号X有部分能量通过双工器耦合至接收通道，经接收通道线性处理并数字化后由可编程数字信号处理器进行定时采集，得到耦合信号功率监测结果A_i，i＝1～N，i为对应的收发通道和天线单元序号，该结果送至DBF模块与对应频率和对应天线单元的单元内耦合功率阈值相比较，在误差范围内可以认为与该天线单元连接的发射通道和接收通道状态正常，否则认为当前天线单元连接的发射通道或接收通道状态异常；

2)检测到某天线单元n通道状态异常，且其邻近天线单元通道状态未全部异常的情况下，在下一个收发控制周期的脉冲发射期间由对应可编程数字信号处理器控制天线单元n的发射通道在脉冲信号产生一个与当前发射脉冲X正交的脉冲信号Y，经本天线单元辐射，通过天线单元间耦合和射频双工器收发耦合进入相应接收通道，选择一通道状态正常的邻近天线单元n_j并通过其接收通道检测该信号Y，经接收通道线性处理并数字化后，对Y的耦合信号进行相关检测，检测的功率结果，送至DBF模块与对应阈值相比较，在误差范围内则判定天线单元n连接的发射通道状态正常，接收通道状态异常，若出现超差情况则判定天线单元n连接的发射通道状态异常，接收通道状态正常。

所述DBF模块中的单元内耦合功率阈值表，邻近单元间耦合功率阈值通过下列步骤获得：

1)数字阵在微波暗室完成整个工作频带的通道幅相校准，且所有收发通道状态正常；

2)选一工作频率，在收发控制脉冲的控制下，全部发射通道产生最小脉宽Tmin脉冲X且满功率发射，根据射频双工器的收发隔离度计算接收通道的衰减器控制参数，发射期间控制衰减器使全部接收通道处于线性工作区，使经本收发通道射频双工器收发耦合得到的发射耦合信号经接收通道线性处理并数字化后由可编程数字信号处理器进行定时采集，得到耦合信号功率监测结果A_i0，i＝1～N，i为对应的收发通道序号，并记录为该频率天线单元i的单元内耦合功率阈值；

3)所有收发通道依次控制其发射通道产生一个脉宽Tmin且与X正交的脉冲信号Y，其余发射通道产生脉宽Tmin脉冲X，全部通道满功率发射，脉冲Y经天线单元i向空间辐射后，耦合进入与天线单元i(连接收发通道i)的邻近单元并通过其收发开关耦合进入其接收通道，Y的耦合信号经接收通道线性处理并数字化后由可编程数字信号处理器进行定时采集，得到耦合信号功率监测结果Cij，i＝1～N、j≤8，并记录为该频率天线单元i的邻近单元间耦合功率阈值；

4)依次遍历整个工作频率形成单元内耦合功率阈值表和邻近单元间耦合功率阈值表，并在DBF模块中存储。

优选的，所述发射脉冲宽度Tmin≥256/fs，fs为接收通道ADC采样率。

优选的，所述某天线单元的邻近天线单元是指距其布阵间隔距离最近的一圈天线单元。

优选的，所述的数字收发通道相互独立，射频端有且仅有的射频双工器收发开关(单刀双掷)连接于共用天线单元的射频输入输出口。.

优选的，所述线性处理是指使根据发射功率、射频双工器收发隔离度、单元间隔离度、接收通道输入1dB压缩点，ADC输入1dB压缩点，接收通道线性动态范围，计算接收通道的衰减器控制参数，在监测使能发射期间，控制衰减器使全部接收通道处于线性工作区，对所待检测的耦合信号实现包含但不仅限于射频滤波、衰减、放大、变频、中频滤波功能的线性处理：

天线单元内收发耦合功率核算：

接收机输入口的天线单元内耦合信号功率值P0需满足小于接收通道饱和信号-1dB压缩点的要求，如下式所示：

P0＝Pt-D1＜P_-1R；

为了使接收通道处于线性工作区，设置接收通道衰减器衰减△L，耦合信号经接收处理后，ADC输入口的天线单元内耦合信号功率值P1需满足处于接收机线性工作区间的要求，如下式所示：

邻近天线单元间耦合功率核算：

接收机输入口的邻近天线单元间耦合信号功率值P_ij0需满足小于接收通道饱和信号-1dB压缩点的要求，如下式所示：

P_ij0＝Pt-D2-D1＜P_-1R；

P_ij1计算：

为了使接收通道处于线性工作区，设置接收通道衰减器衰减△L，耦合信号经接收处理后，ADC输入口的邻近天线单元间耦合信号的功率值P_ij1和ADC输入口的天线单元内耦合信号功率值P1均需满足处于接收机线性工作区间的要求，如下式所示：

Pt为发射通道峰值功率值；P0为天线单元内接收机输入口耦合信号功率值；P_ij0为相邻天线单元内接收机输入口耦合信号功率值；G为接收通道增益；D1为双工器发射通道至接收通道隔离度；D2为邻近天线单元间隔离度；L为衰减器最大衰减量；P_-1AD为ADC输入1dB压缩点；P_-1R为接收通道输入1dB压缩点；SFDR为接收通道线性动态范围。

优选的，所述射频双工器包含但不限于收发开关或环形器及其组合。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1基于射频双工器及天线单元间固有的耦合效应，利用发射脉冲的接收通道耦合信号开展发射通道和接收通道状态异常判断，进一步利用发射正交脉冲的接收耦合信号开展发射通道和接收通道故障判断，收发通道及天线阵面减少了故检专用信号产生电路和对应控制电路，实现了收发通道故障状态实时在线监测，降低了天线阵面设计复杂度，提升了天线阵面设计集成度和可靠性。

2收发通道故障状态的实时在线监测的实现，可减少整个相控阵专用通道故障检测时间，可实时给出后续任务性能退化评估，提升了系统的测试性，提升了整个系统的任务执行效率。

附图说明

图1为实施例1阵面天线单元布局示意图；

图2数字收发通道组成原理框图模块；

图3检测阈值获取步骤流程图；

图4收发通道故障检测流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本例中阵面天线单元布局如图1所示：数字阵天线阵面为8*8单元面阵，天线单元的序号按从上至下、从左至右的顺序排列，左侧第一列依次为An1、An2、…An8，左侧第二列依次为An9、An10、…An16，…左侧第8列依次为An57、An58、…An64，某天线单元Ani的邻近天线单元是指距其布阵间隔距离最近的一圈天线单元，天线单元An1的临近天线单元为An2、An9、An10，天线单元An8的临近天线单元为An7、An15、An16，天线单元An57的临近天线单元为An49、An50、An58，天线单元An64的临近天线单元为An55、An56、An63，天线单元An2的临近天线单元为An1、An3、An9、An10、An11，天线单元An3的临近天线单元为An2、An4、An10、An11、An12，以此类推。8*8天线面阵单元后连接着8*8个相同的数字发射通道和相同数量的数字接收通道组成，每8个电路组成相同的数字收发通道物理形态上组成一个子阵收发模块，共8个，且每路收发通道共用一天线单元，收发通道的组成框图如图3所示，每一接收通道均具备独立的放大、变频、增益控制衰减器、滤波及ADC，每一发射通道均具备独立的DAC、滤波、变频、功率放大器、功率检测模块，每一路收发通道均通过大功率开关与对应天线单元相连，收发通道的、DAC和其他控制检测信号均连接至同一个子阵收发模块可编程信号处理器FPGA，其中ADC选用ADI公司的AD9230(fs＝250MHz)。发射通道峰值功率值Pt＝30dBm；双工器发射通道至接收通道隔离度D1＝70dB；邻近天线单元间隔离度为20dB～40dB；接收通道增益G＝50dB；接收通道饱和信号-1dB压缩点为P_-1R＝-25dBm，ADC输入饱和信号-1dB压缩点为P_-1AD＝6dBm，接收通道线性动态范围SFDR＝48dB，接收通道增益控制衰减器可控范围为L＝30dB，天线单元内收发耦合功率和邻近单元间耦合功率均满足接收通道线性工作区间要求，对其进行核算并获取接口通道衰减器控制量：

接收机输入口的天线单元内耦合信号的功率值P0计算：

P0＝Pt-D1＝30-70＝-40dBm＜P_-1R＝-25dBm，接收机输入口的耦合信号功率未超过接收通道饱和信号-1dB压缩点；

ADC输入口的天线单元内耦合信号的功率值P1计算：

P1＝Pt-D1+G＝30-70+50＝10dBm＞P_-1AD

已超过ADC输入饱和-1dB压缩点，为了使接收通道处于线性工作区，设置接收通道衰减器衰减△L＝10dB，耦合信号经放大后到达ADC入口处功率P1为：

P1＝Pt-D1+G-△L＝30-70+50-10＝0dBm＜P_-1AD＝6dBm，

P1＝Pt-D1+G-△L＝0dBm＞P_-1AD-SFDR＝6-48＝-42dBm

满足接收机线性工作区间要求；

接收机输入口的邻近单元间耦合信号的功率值P_ij0计算：

P_ij0＝Pt-D2-D1＝30-20-70＝-60dBm＜P_-1R＝-25dBm

接收机输入口的耦合信号功率未超过接收通道饱和信号-1dB压缩点；

ADC输入口的邻近单元间耦合信号的功率值P_ij1计算：

P_ij1＝Pt-D2-D1+G＝30-20-70+50＝-10dBm＜P_-1AD

未达到ADC输入饱和-1dB压缩点，但是本天线单元内ADC输入口收发耦合功率P1＝10dBm，已超过ADC输入饱和-1dB压缩点，为了使接收通道处于线性工作区，设置接收通道衰减器衰减△L＝10dB，耦合信号经放大后到达ADC入口处功率P_ij1为：

P_ij1＝Pt-D2-D1+G-△L＝30-20-70+50-10＝-20dBm＜P_-1AD＝6dBm，

P_ij1＝Pt-D2-D1+G-△L＝-20dBm＞P_-1AD-SFDR＝6-48＝-42dBm

P1、P_ij1均满足接收机线性工作区间要求；发射脉冲宽度计算≥Tmin＝256/fs＝256*4ns＝1024ns。

首先，获取单元内耦合功率阈值表和邻近单元间耦合功率阈值表：

1)数字阵在微波暗室完成整个工作频带的通道幅相校准，且所有收发通道状态正常；

2)选一工作频率F0，在收发控制脉冲的控制下，全部发射通道产生脉宽1024ns脉冲X且满功率发射，发射期间控制接收通道衰减器衰减量为10dB使全部接收通道处于线性工作区，使经本收发通道大功率开关收发耦合得到的发射耦合信号经接收通道线性处理并数字化后由可编程数字信号处理器进行定时采集，得到耦合信号功率监测结果A_i0，i＝1～N，i为对应的收发通道序号，并记录为该频率天线单元i的单元内耦合功率阈值；

3)所有收发通道依次控制其发射通道产生一个脉宽1024ns且与X正交的脉冲信号Y，其余发射通道产生脉宽1024ns脉冲X，全部通道满功率发射，发射期间控制衰减器衰减量为10dB使全部接收通道处于线性工作区，脉冲Y经天线单元Ani向空间辐射后，耦合进入与天线单元Ani(连接收发通道i)的邻近单元并通过其收发开关耦合进入其接收通道，Y的耦合信号经接收通道线性处理并数字化后由可编程数字信号处理器进行定时采集，开展相关检测，得到耦合信号功率监测结果Cij，i＝1～N、j≤8，并记录为该频率天线单元i的邻近单元间耦合功率阈值；

4)依次遍历整个工作频率形成单元内耦合功率阈值表和邻近单元间耦合功率阈值表，并在DBF模块中存储。

相控阵工作时，天线阵面的8个子阵收发模块在波控指令和收发控制(触发)脉冲的控制下进入到发射状态，子阵收发模块将内部FPGA产生脉宽为τ秒的数字基带脉冲信号经过数模转换、滤波、变频、放大等处理后通过天线单元向空间辐射。

在发射过程中有部分能量的发射脉冲信号通过收发开关耦合至接收通道，控制衰减器衰减量为10dB使全部接收通道处于线性工作区，经接收通道滤波、衰减、放大、变频、中频滤波、数字化后由可编程数字信号处理器进行定时采集，得到耦合信号功率监测结果A_i，i＝1～N，i为对应的收发通道和天线单元序号，该结果送至DBF模块后与存储的对应频率和对应天线单元的单元内耦合功率阈值相比较，在2dB误差范围内可以认为该天线单元的发射通道和接收通道状态正常，否则认为当前天线单元的发射通道或接收通道状态存在异常；

进一步，检测到某天线单元An_i通道状态异常，且其邻近天线单元通道状态良好的情况下，在下一个收发控制周期的脉冲发射期间由对应可编程数字信号处理器控制天线单元An_i的发射通道在脉冲信号产生一个与当前发射脉冲正交的脉宽为1024ns短脉冲信号，选择一通道状态良好的邻近天线单元An_ij接收并处理该耦合信号，数字化后，对插入的正交短脉冲进行相关检测，检测结果的功率，与对应阈值相比较，在2dB误差范围内可以认为是发射通道正常，接收通道异常，若出现超差情况则判定发射通道异常，接收通道正常。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种数字相控阵收发通道在线故障监测方法，其特征在于：所述数字相控阵收发通道均为数字的，每个接收通道、发射通道的射频端与一个天线单元通过射频双工器相连接，数字端与可编程数字信号处理器相连接，在波控指令和收发控制脉冲的控制下分时实现某调制频率的发射、接收功能：发射时，控制射频双工器连接发射通道和天线单元，发射通道产生脉冲信号处理后经射频双工器至天线单元向空间辐射，部分能量经双工器耦合进入接收通道被数字化；接收时，控制射频双工器断开与发射通道的连接，接入接收通道，外界微波信号经天线单元和射频双工器进入接收通道，经接收通道处理并数字化后由可编程数字信号处理器进行定时采集，处理后，送至DBF模块；所述在线故障监测方法包含下列步骤：

1)在发射过程中发射脉冲信号X有部分能量通过双工器耦合至接收通道，经接收通道线性处理并数字化后由可编程数字信号处理器进行定时采集，得到耦合信号功率监测结果A_i，i为对应的收发通道和天线单元序号，i＝1～N，该结果送至DBF模块与对应频率和对应天线单元的单元内耦合功率阈值相比较，在误差范围内可以认为与该天线单元连接的发射通道和接收通道状态正常，否则认为当前天线单元连接的发射通道或接收通道状态异常；

2)检测到某天线单元n通道状态异常，且其邻近天线单元通道状态未全部异常的情况下，在下一个收发控制周期的脉冲发射期间，由对应可编程数字信号处理器控制天线单元n的发射通道在脉冲信号产生一个与当前发射脉冲X正交的脉冲信号Y，经本天线单元辐射，通过天线单元间耦合和射频双工器收发耦合进入相应接收通道，选择一通道状态正常的邻近天线单元n_j并通过其接收通道检测该信号Y，经接收通道线性处理并数字化后，对Y的耦合信号进行相关检测，检测的功率结果，送至DBF模块与对应阈值相比较，在误差范围内则判定天线单元n连接的发射通道状态正常，接收通道状态异常，若出现超差情况则判定天线单元n连接的发射通道状态异常，接收通道状态正常。

2.根据权利要求1所述的一种数字相控阵收发通道在线故障监测方法，其特征在于：所述DBF模块中的单元内耦合功率阈值表，邻近单元间耦合功率阈值通过下列步骤获得：

1)数字阵在微波暗室完成整个工作频带的通道幅相校准，且所有收发通道状态正常；

2)选一工作频率，在收发控制脉冲的控制下，全部发射通道产生最小脉宽Tmin脉冲X且满功率发射，根据射频双工器的收发隔离度计算接收通道的衰减器控制参数，发射期间控制衰减器使全部接收通道处于线性工作区，使经本收发通道射频双工器收发耦合得到的发射耦合信号经接收通道线性处理并数字化后由可编程数字信号处理器进行定时采集，得到耦合信号功率监测结果A_i0，i＝1～N，i为对应的收发通道序号，并记录为该频率天线单元i的单元内耦合功率阈值；

3)所有收发通道依次控制其发射通道产生一个脉宽Tmin且与X正交的脉冲信号Y，其余发射通道产生脉宽Tmin脉冲X，全部通道满功率发射，脉冲Y经天线单元i向空间辐射后，耦合进入与天线单元i的邻近单元并通过其收发开关耦合进入其接收通道，Y的耦合信号经接收通道线性处理并数字化后由可编程数字信号处理器进行定时采集，得到耦合信号功率监测结果Cij，i＝1～N、j≤8，并记录为该频率天线单元i的邻近单元间耦合功率阈值；

4)依次遍历整个工作频率形成单元内耦合功率阈值表和邻近单元间耦合功率阈值表，并在DBF模块中存储。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的一种数字相控阵收发通道在线故障监测方法，其特征在于：所述发射脉冲宽度Tmin≥256/fs，fs为接收通道ADC采样率。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的一种数字相控阵收发通道在线故障监测方法，其特征在于：所述某天线单元的邻近天线单元是指距其布阵间隔距离最近的一圈天线单元。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的一种数字相控阵收发通道在线故障监测方法，其特征在于：所述的数字收发通道相互独立，射频端有且仅有的射频双工器连接于共用天线单元的射频输入输出口。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的一种数字相控阵收发通道在线故障监测方法，其特征在于：所述线性处理是指根据发射功率、射频双工器收发隔离度、单元间隔离度、接收通道输入1dB压缩点，ADC输入1dB压缩点，接收通道线性动态范围，计算接收通道的衰减器控制参数，在监测使能发射期间，控制衰减器使全部接收通道处于线性工作区，对所待检测的耦合信号实现包含但不仅限于射频滤波、衰减、放大、变频、中频滤波功能的线性处理：天线单元内收发耦合功率核算，接收机输入口的天线单元内耦合信号功率值P0需满足小于接收通道饱和信号-1dB压缩点的要求，如下式所示：

P0＝Pt-D1＜P_-1R；

为使接收通道处于线性工作区，设置接收通道衰减器衰减△L，耦合信号经接收处理后，ADC输入口的天线单元内耦合信号功率值P1需满足处于接收机线性工作区间的要求，如下式所示：

邻近天线单元间耦合功率核算，接收机输入口的邻近天线单元间耦合信号功率值P_ij0需满足小于接收通道饱和信号-1dB压缩点的要求，如下式所示：

P_ij0＝Pt-D2-D1＜P_-1R；

P_ij1计算：

为使接收通道处于线性工作区，设置接收通道衰减器衰减△L，耦合信号经接收处理后，ADC 输入口的邻近天线单元间耦合信号的功率值P_ij1和ADC输入口的天线单元内耦合信号功率值P1均需满足处于接收机线性工作区间的要求，如下式所示：

Pt为发射通道峰值功率值；P0为天线单元内接收机输入口耦合信号功率值；P_ij0为相邻天线单元内接收机输入口耦合信号功率值；G为接收通道增益；D1为双工器发射通道至接收通道隔离度；D2为邻近天线单元间隔离度；L为衰减器最大衰减量；P_-1AD为ADC输入1dB压缩点；P_-1R为接收通道输入1dB压缩点；SFDR为接收通道线性动态范围。

7.根据权利要求1或权利要求2所述的一种数字相控阵收发通道在线故障监测方法，其特征在于：所述射频双工器包含但不限于收发开关或环形器及其组合。

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