CN115494462A - 一种相控阵雷达在线自动幅相校准方法及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及G01S,更具体地,本发明涉及一种相控阵雷达在线自动幅相校准方法及存储介质。包括:发射通道中校准信号处理、工作校准链路数据表更新、幅相差计算、发射通道幅相校准。本发明提供一种有源相控阵雷达自动幅相校准算法,当设备内部器件老化引起阵列天线性能下降时,可以分别采集雷达发射校准信号和接收校准信号,计算发射校准通道和接收校准通道的幅相数据,通过与出厂状态下发射校准通过到和接收校准通道的幅相数据进行对比,当判断正常时,在线补偿雷达工作状态下的发射通道和接收通道的幅度和相位,使阵列天线性能基本恢复至出厂状态。
Description
技术领域
本发明涉及G01S,更具体地,本发明涉及一种相控阵雷达在线自动幅相校 准方法及存储介质。
背景技术
相控阵雷达具有移相精确、性能稳定、频带和功率容量大、便于快速控制、 激励功率和插入损耗小、体积小、重量轻等优点,是通过改变雷达波相位来改变 波束方向的雷达,各激励单元的幅度和相位的控制由波控机实现;随着功率放大 器、移相器等器件工艺的成熟和市场的推广,一维有源相控阵雷达是目前较为常 见的两坐标(或三坐标)雷达技术体制。针对一维有源相控阵雷达,最常见的相 控阵波控算法如图1所示,是在单个CPI内,波控机根据雷达的单个工作频率和 波束指向,结合天线阵元的尺寸间距,计算相邻激励单元之间的相位差,控制收 发组件内的数字移相器和数控衰减器,完成雷达波的幅度加权和相位控制,最终 实现波束扫描。
为了保证相控阵雷达的准确性,需要提供校准方法,如CN106249205B公开 了一种用于雷达通道幅度与相位修正的认知盲均衡方法,包括:将校准信号送入 到认知盲均衡器,促进数字阵雷达成百上千的雷达通道均衡器的可靠性。
但是随着相控阵雷达校准装置长使用时间,由于收发组件内部衰减器和移相 器等器件老化,各辐射阵元的相位和幅度关系会逐渐偏离原始的出厂状态,随之 影响天线波束指向和雷达抗干扰能力,甚至于影响雷达系统性能。另一方面,由 此导致的系统故障不易定位,而且即使定位到收发组件器件故障,也无法现场对 设备进行修复和补偿,往往需要返厂维修,雷达设备的测试和维护工作困难重重。
发明内容
为了解决上述问题,本发明第一个方面提供了一种自动幅相发射校准方法, 包括:
S11、发射通道中校准信号处理:对发射通道中校准信号处理,得到第n个 通道的发射幅度TAmp(n)和第n个通道的发射相位TAmp(n);
S12、工作校准链路数据表更新:将TAmp(n)、TAmp(n)更新至工作校准链路幅 相数据表C,作为n通道的工作校准链路发射幅度CT_Amp、工作校准链路发射相 位CT_P;
S13、幅相差计算:根据工作校准链路幅相数据表C和出厂校准链路初始幅 相数据B计算发射幅度差ΔT_Amp,发射相位差ΔT_P;其中BT_Amp为表B出厂校 准链路初始幅度、BT_P为表B出厂校准链路初始相位:
ΔT_Amp=|CT_Amp-BT_Amp|
ΔT_P=|CT_P-BT_P|
S14、发射通道相位校准:
当通道n的ΔT_Amp小于幅度门限KT_Amp时,判定发射通道n正常;读取出厂 收发链路的初始幅相数据表A中发射相位AT_P,将ΔT_P补偿至AT_P,得到工作 时工作链路数据表D的发射相位DT_P,得到更新后的表D;更优选地,所述ΔT_P补偿至AT_P时,通过发射相位编码Tphasecode将ΔT_P补偿至AT_P,得到工作时工 作链路数据表D的发射相位DT_P,TPhaseCode(n)=mod(TPhase(n)-TPhase(1),360)。
当通道n的ΔT_Amp大于等于发射幅度门限KT_Amp时,判定发射通道n异常, 上报异常结果;优选地,将异常发射通道的相位用相邻通道的初相数据补偿。
作为本发明一种优选的技术方案,所述S11发射通道中校准信号处理包括:
(1)接收发射通道的校准信号:根据发射校准时序,采集发射通道中脉冲 2和脉冲3的校准信号;
(2)校准信号处理:校准信号生成基带I/Q信号,得到基带I/Q信号的幅 度和相位;
(3)幅相处理:相位以第一个通道做归一化处理,得到第n个通道的发射 相位Tphase(n),幅度以第一个通道做加权处理,得到第n个通道的发射相位TAmp(n);
TAmp(n)=sqrt(I2(n)+Q2(n));
其中I2(n)和Q2(n)分别表示为采样点n对应基带信号的同相信号分量和正交 信号分量。
作为本发明一种优选的技术方案,所述步骤S11(1)中,依据发射校准时 序,每N+L个PRI周期内采集相修接收机的第2~N+1个PRI的校准信号,并处 理脉冲2(载频A)和脉冲3(载频B)的信号,其中N为PRI周期总数,也即 发射通道总数,L为预留的PRI周期数量。脉冲1信号不处理;优选地,载频A 采样点为:Fs*(T4+T5+T6+T7/2),载频B采样点为Fs*(T4+T5+T6+T7+T8+T9/2)。
本发明所述发射校准时序可和工作模式相同或不同,不做具体限定,其中为 了简化系统设计,时序、脉宽以及重复周期与正常工作模式相同,发射校准工作 时序可参照图5所示。其中,在工作模式下,。
作为本发明一种优选的技术方案,所述发射通道中脉冲2和脉冲3的校准信 号经过频综接收机处理,所述频综接收机处理包括:
1)频综接收机产生CPI信号和PRI信号,PRI周期为T1,重复次数为M, 在每个PRI周期校准单个发射通道的两个工作频点(即脉冲2和脉冲3的工作频 点),N+L个PRI校准校准所有发射通道的两个频点的幅度和相位数据后,工 作频点自动递增,直至在单个CPI内遍历所有的工作频点,其中频点总数K有 如下关系:
本发明通过添加L,来确保频综接收机频率切换准确无误。
本发明第二个方面提供了一种自动幅相接收校准方法,包括:
S21、接收通道中校准信号处理:对接收通道中校准信号处理,得到第n个 通道的接收幅度RAmp(n)和第n个通道的接收相位RAmp(n);
S22、工作校准链路数据表更新:将RAmp(n)、RAmp(n)更新至工作校准链路 幅相数据表C,作为n通道的工作校准链路接收幅度CR_A、工作校准链路接收相 位CR_P;
S23、幅相差计算:根据工作校准链路幅相数据表C和出厂校准链路初始幅 相数据B计算接收幅度差ΔR_A,接收相位差ΔR_P;其中BR_A为表B出厂校准 链路初始幅度、BR_P为表B出厂校准链路初始相位:
ΔR_A=|CR_A-BR_A|;
ΔR_P=|CR_P-BR_P|;
S24、接收通道幅相校准:
当通道n的ΔR_A小于接收幅度门限KR_Amp时,接收通道n正常;优选地, 读取出厂收发链路的初始幅相数据表A中接收相位AR_P、接收幅度AR_A,将ΔR_P补偿至AR_P,ΔR_A补偿至AR_A,得到工作时工作链路数据表D的接收相位DR_P、 接收幅度DR_A,得到更新后的表D。
更优选地,所述ΔR_P补偿至AR_P时,通过接收相位编码Rphasecode将ΔR_P补 偿至AR_P,得到工作时工作链路数据表D的接收相位DR_P, RPhaseCode(n)=mod(RPhase(n)-RPhase(1),360);所述ΔR_A补偿至AR_A时,通过接收 幅度编码RAmpcode将ΔR_A补偿至AR_A,得到工作时工作链路数据表D的接收幅 度DR_A,RAmpCode(n)=(RAmp(n)-max(RAmp))×w(n),也即D=C-B+A。其中w(n) 为阵列泰勒加权系数,n为通道编号。
当通道n的ΔT_Amp大于等于接收幅度门限KR_Amp时,接收通道n异常;优选 地,将异常接收通道的幅度用最大接收幅度门限补偿,得到工作时工作链路数据 表D的接收幅度,即D=最大接收幅度门限。
作为本发明一种优选的技术方案,所述S21接收通道中校准信号处理:
(1)接收通道的校准信号:根据接收校准时序,采集接收通道中脉冲2和 脉冲3的校准信号;
(2)校准信号处理:校准信号生成基带I/Q信号,得到基带I/Q信号的幅 度和相位;
(3)幅相处理:相位以第一个通道做归一化处理,得到第n个通道的接收 相位Rphase(n),幅度以第一个通道做加权处理,得到第n个通道的接收相位 RAmp(n);
RAmp(n)=sqrt(I2(n)+Q2(n));
作为本发明一种优选的技术方案,所述S21(1)中,采集和通道接收机输 出的中频和信号,处理脉冲2(载频A)和脉冲3(载频B)的信号,并在每个 PRI校准单个接收通道的两个工作频点(即脉冲2和脉冲3的工作频点),每 N+L个PRI校准校准所有接收通道的2个频点的幅相数据,得到接收通道中脉 冲2和脉冲3的校准信号。脉冲1信号不处理。优选地,A频采样点为: Fs*(T4+T5+T6+T7/2),B频采样点为Fs*(T4+T5+T6+T7+T8+T9/2);
作为本发明一种优选的技术方案,所述S21(2)中,校准信号完成混频、 滤波、抽取等数字下变频处理,生成基带I/Q信号。
本发明第三个方面提供一种相控阵雷达在线自动幅相校准方法,包括如上所 述的自动幅相发射校准方法和自动幅相接收校准方法。
如图2所示,自动发射校准时发射链路正常工作,校准信号通过天线校准网 络输入至校准接收机,采集校准接收机输出的中频校准信号的幅相数据,完成信 号发射链路的相位自动修正,同时根据修正结果判断各通道发射链路的工作状态, 并上报给显示模块。自动接收校准时校准信号从天线校准网络接入,组件内接收 链路正常工作,校准信号接入到和通道接收机,通过采集和通道中频信号的幅度 相位数据,完成接收链路幅相数据的自动修正,同时根据修正结果判断各通道接 收链路的工作状态,并上报给显示模块。
如图3所示,在信号处理单元中,利用FPGA内部查找表,设立四块数据表, 每块数据表内数据存储格式相同,但数据来源和功能用途不同;数据表A存储 了出厂状态下收发链路的初始幅相数据,数据表B存储了出厂状态下校准链路 的初始幅相数据;数据表C存储了工作时校准链路的初始幅相数据,当在线收 发校准时,数据表的内容会根据实时的幅相计算结果完成更新;数据表D存储 了工作时工作链路的初始幅相数据,工作时对阵列天线各辐射阵元进行幅度和相 位修正。
数据存储说明如图4所示。数据T_P_k_n代表第n个通道第k个频点的发 射初始相位码数据,数据R_P_k_n代表第n个通道第k个频点的接收初始相位 码数据,数据R_A_k_n代表第n个通道第k个频点的接收初始幅度码数据。所 以每块数据表存储了接收相位码、接收幅度码、发射相位码等初始信息,每类信 息占用1个字节,总计存储空间为3K*N个字节,其中K为工作频点总数,N 为收发组件通道总数。
本发明第四个方面提供了一种存储介质,所述存储介质用于存储计算机程序, 所述计算机程序用于执行所述的自动幅相发射校准方法。
本发明第五个方面提供了一种存储介质,所述存储介质用于存储计算机程序, 所述计算机程序用于执行权利要求1~9中任一项所述的自动幅相接收校准方法。
本发明第六个方面提供了一种存储介质,所述存储介质用于存储计算机程序, 所述计算机程序用于执行权利要求1~9中任一项所述的相控阵雷达在线自动幅 相校准方法。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
(1)本发明提供一种有源相控阵雷达自动幅相校准算法,当设备内部器件 老化引起阵列天线性能下降时,可以分别采集雷达发射校准信号和接收校准信号, 计算发射校准通道和接收校准通道的幅相数据,通过与出厂状态下发射校准通过 到和接收校准通道的幅相数据进行对比,当判断正常时,在线补偿雷达工作状态 下的发射通道和接收通道的幅度和相位,使阵列天线性能基本恢复至出厂状态。
(2)而当发现校准通道的幅相数据超差严重时,判断异常时,也通过设定 合理有效的幅度和相位变化范围,来减少异常状态对设备装置的进一步破坏,且 及时上报各组件内部收发链路的故障信息,提示用户及时更换维护,提升设备的 维修性能和测试性能。
(3)且本发明提供的方法的应用范围包括但不限于有源相控阵雷达波控设 计、有源相控阵雷达幅相校准信号设计、雷达链路故障在线监测等应用范围,增 强雷达的测试性和维修性。
(4)此外,通过在系统内部模块产生校准时序和校准信号,在有波控单元、 信号处理单元、天线单元等分系统协同工作下,调节发射和接收信号的校准补偿 的同时,还可根据幅相补偿情况,准确定位各组件内部收发链路的故障情况,给 设备维护带来极大便利。
附图说明
图1一维有源相扫工作示意图。
图2自动校准工作流程图。
图3收发幅相初始数据表。
图4数据表格式说明。
图5自动发射校准模式时序图的一种实例。
图6自动接收校准模式时序图一种实例。
具体实施方式
实施例
如图2~6所示,本例提供一种自动幅相发射校准方法相控阵雷达在线自动幅 相校准方法,包括步骤1)-8)所述的自动幅相发射校准方法和步骤9)-17)所 述的自动幅相接收校准方法。
1)操控终端设置校准工作模式,频综接收机产生CPI信号和PRI信号,PRI 周期为T1,重复次数为M。为了简化系统设计,时序、脉宽以及重复周期与正 常工作模式相同,发射校准工作时序如图5所示。
2)波控板依据双频切换信号和PRI信号,完成收发组件波控码传输与加载, 在每个PRI周期校准单个发射通道的两个工作频点,N+L个PRI校准校准所有 发射通道的2个频点的幅相数据(同样预留L个PRI周期,确保频综接收机频 率切换准确无误)。;
3)此状态下,所有脉冲均为点频,工作频率持续N+L个PRI周期后,工 作频点自动递增,直至在单个CPI内遍历所有的工作频点(频点总数为K),有 如下关系;
4)发射校准时,信号处理单元依据发射校准时序,每N+L个PRI周期内, 在系统工作时钟fCLK下采集相修接收机的第2~N+1个PRI的校准信号,其中 只处理脉冲2(载频A)和脉冲3(载频B)的信号,脉冲1信号不处理;A频 采样点为:Fs*(T4+T5+T6+T7/2),B频采样点为Fs*(T4+T5+T6+T7+T8+T9/2);
5)对采样后的各通道校准信号完成混频、滤波、抽取等数字下变频处理, 生成基带I/Q信号;并计算基带信号的幅度和相位:并对相位以第一个通道做归 一化处理;
TAmp(n)=sqrt(I2(n)+Q2(n))
TPhaseCode(n)=mod(TPhase(n)-TPhase(1),360)
6)读取数据表B中通道n的幅度码和相位码,计算当前发射校准链路中各 通道幅度和相位相比出厂状态下发射链路中各通道幅度差值ΔT_Amp和相位差值 ΔT_P;
ΔT_Amp=|CT_Amp-BT_Amp|
ΔT_P=|CT_P-BT_P|
7)当ΔT_Amp均小于幅度门限KT_Amp时,判定各发射通道工作正常,从数据 表A中读取出厂时的工作状态发射相位数据,并将上述发射相位差值ΔT_P加以 补偿进工作状态,将补偿后的保存到数据表D中,数据表D可作为最终发射相 初相数据使用。完成发射相位补偿后,发射幅度可不做补偿。
8)当ΔT_Amp大于等于幅度门限KT_Amp时,判定该发射通道工作异常,并将 故障监测结果上报给操控终端;对判定故障的发射通道以相邻组件的初相数据来 完成补偿。
9)接收校准模式下,信号处理单元依据接收校准时序,采集和通道接收机 输出的中频和信号,同样只处理脉冲2(载频A)和脉冲3(载频B)的信号, 脉冲1信号不处理。A频采样点为:Fs*(T4+T5+T6+T7/2),B频采样点为 Fs*(T4+T5+T6+T7+T8+T9/2);
10)每个PRI校准单个接收通道的两个工作频点,每N+L个PRI校准校准 所有接收通道的2个频点的幅相数据(同样预留L个PRI周期,确保频综接收 机频率切换准确无误)。
11)对采样后的接收校准信号完成混频、滤波、抽取等数字下变频处理, 生成基带I/Q信号;计算基带信号的幅度和相位:并对相位以第一个通道做归一 化处理;对幅度做加权处理;
RAmp(n)=sqrt(I2(n)+Q2(n))
RAmpCode(n)=(RAmp(n)-max(RAmp))×w(n)
RPhaseCode(n)=mod(RPhase(n)-RPhase(1),360)
12)读取数据表B中通道n的幅度码和相位码,计算当前接收校准链路中 各通道幅度和相位相比出厂状态下接收链路中各通道幅度差值ΔR_A和相位差值 ΔR_P;
ΔR_A=|CR_A-BR_A|
ΔT_P=|CT_P-BT_P|
13)当ΔR_A小于幅度门限KR_Amp时,判定接收通道工作正常,读从数据表 A中读取出厂时的工作状态接收相位数据和接收幅度数据,并将上述接收相位差 值ΔR_P加以补偿进工作状态接收相位数据,将上述接收幅度差值ΔR_A加以补偿 进工作状态接收幅度数据,将补偿后的保存到数据表D中,数据表D可作为最 终接收幅度和相位初始数据使用。
14)当ΔR_A大于等于幅度门限KR_Amp时,判定该接收通道工作异常,依据 上述步骤对工作异常的接收通道进行相位补偿,以最大幅度门限进行幅度补偿; 并将补偿结果保存到数据表D中,数据表D可作为最终幅相补偿数据使用,数 据表中数据关系如下。
D=C-B+A
15)完成接收幅相补偿后,信号处理单元依据各接收通道的幅度和相位补 偿信息,对接收通道的工作状态进行判断,并将故障监测结果上报给操控终端; 数据表D可作为最终工作状态下发射链路和接收链路的幅相补偿数据使用。
测试结果表明,当设备由于器件老化等原因发生波束指向偏差,天线方向图 指标恶化时,雷达系统经过自动幅相校准功能可有效改善相控阵雷达的方向图参 数,出厂状态的天线副瓣为-24.5dB,出故障时天线方向图副瓣恶化至-18dB,经 过自动幅相校准技术后,天线副瓣为-24.2dB,所以天线性能与出厂状态相当。
Claims (10)
1.一种自动幅相发射校准方法,其特征在于,包括:
S11、发射通道中校准信号处理:对发射通道中校准信号处理,得到第n个通道的发射幅度TAmp(n)和第n个通道的发射相位TAmp(n);
S12、工作校准链路数据表更新:将TAmp(n)、TAmp(n)更新至工作校准链路幅相数据表C,作为n通道的工作校准链路发射幅度CT_Amp、工作校准链路发射相位CT_P;
S13、幅相差计算:根据工作校准链路幅相数据表C和出厂校准链路初始幅相数据B计算发射幅度差ΔT_Amp,发射相位差ΔT_P;其中BT_Amp为表B出厂校准链路初始幅度、BT_P为表B出厂校准链路初始相位:
ΔT_Amp=|CT_Amp-BT_Amp|
ΔT_P=|CT_P-BT_P|
S14、发射通道幅相校准:
当通道n的ΔT_Amp小于幅度门限KT_Amp时,发射通道n正常;
当通道n的ΔT_Amp大于等于发射幅度门限KT_Amp时,发射通道n异常。
2.根据权利要求1所述的自动幅相发射校准方法,其特征在于,当通道n的ΔT_Amp小于幅度门限KT_Amp时,读取出厂收发链路的初始幅相数据表A中发射相位AT_P,将ΔT_P补偿至AT_P,得到工作时工作链路数据表D的发射相位DT_P,得到更新后的表D;更优选地,所述ΔT_P补偿至AT_P时,通过发射相位编码Tphasecode将ΔT_P补偿至AT_P,得到工作时工作链路数据表D的发射相位DT_P,TPhaseCode(n)=mod(TPhase(n)-TPhase(1),360)。
3.根据权利要求1所述的自动幅相发射校准方法,其特征在于,当通道n的ΔT_Amp大于等于发射幅度门限KT_Amp时,将异常结果发送至操控终端;优选地,将异常发射通道的相位用相邻通道的初相数据补偿。
5.一种自动幅相接收校准方法,其特征在于,包括:
S21、接收通道中校准信号处理:对接收通道中校准信号处理,得到第n个通道的接收幅度RAmp(n)和第n个通道的接收相位RAmp(n);
S22、工作校准链路数据表更新:将RAmp(n)、RAmp(n)更新至工作校准链路幅相数据表C,作为n通道的工作校准链路接收幅度CR_A、工作校准链路接收相位CR_P;
S23、幅相差计算:根据工作校准链路幅相数据表C和出厂校准链路初始幅相数据B计算接收幅度差ΔR_A,接收相位差ΔR_P;其中BR_A为表B出厂校准链路初始幅度、BR_P为表B出厂校准链路初始相位:
ΔR_A=|CR_A-BR_A|;
ΔR_P=|CR_P-BR_P|;
S24、接收通道幅相校准:
当通道n的ΔR_A小于接收幅度门限KR_Amp时,接收通道n正常;
当通道n的ΔT_Amp大于等于接收幅度门限KR_Amp时,接收通道n异常。
6.根据权利要求1所述的自动幅相接收校准方法,其特征在于,当通道n的ΔR_A小于接收幅度门限KR_Amp时,读取出厂收发链路的初始幅相数据表A中接收相位AR_P、接收幅度AR_A,将ΔR_P补偿至AR_P,ΔR_A补偿至AR_A,得到工作时工作链路数据表D的接收相位DR_P、接收幅度DR_A,得到更新后的表D;优选地,所述ΔR_P补偿至AR_P时,通过接收相位编码Rphasecode将ΔR_P补偿至AR_P,得到工作时工作链路数据表D的接收相位DR_P,RPhaseCode(n)=mod(RPhase(n)-RPhase(1),360);所述ΔR_A补偿至AR_A时,通过接收幅度编码RAmpcode将ΔR_A补偿至AR_A,得到工作时工作链路数据表D的接收幅度DR_A,RAmpCode(n)=(RAmp(n)-max(RAmp))×w(n)。
7.根据权利要求1所述的自动幅相接收校准方法,其特征在于,当通道n的ΔT_Amp大于等于接收幅度门限KR_Amp时,将异常接收通道的幅度用最大接收幅度门限补偿,得到工作时工作链路数据表D的接收幅度。
9.一种相控阵雷达存储介质,其特征在于,所述存储介质用于存储计算机程序,所述计算机程序用于执行权利要求1~4中任一项所述的自动幅相发射校准方法。
10.一种相控阵雷达存储介质,其特征在于,所述存储介质用于存储计算机程序,所述计算机程序用于执行权利要求5~8中任一项所述的自动幅相接收校准方法。
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CN (1) | CN115494462A (zh) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN116381657A (zh) * | 2023-06-07 | 2023-07-04 | 天津知海科技有限公司 | 发射通道故障监测方法、装置、声呐发射机及存储介质 |
CN116827453A (zh) * | 2023-08-29 | 2023-09-29 | 成都智芯雷通微系统技术有限公司 | 一种相控阵天线实时自校准补偿系统及方法 |
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2022
- 2022-01-26 CN CN202210092027.2A patent/CN115494462A/zh active Pending
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