超大陣面分布式相控陣雷達的自-交叉相位定標方法

閆州杰*①② 王華兵①② 陳遠征① 趙艷麗①

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超大陣面分布式相控陣雷達的自-交叉相位定標方法

閆州杰王華兵陳遠征趙艷麗

(洛陽電子裝備試驗中心 洛陽 471003)(電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室 洛陽 471003)

針對傳統的相控陣雷達定標算法無法適用于超大陣面分布式相控陣雷達的問題，該文提出了自定標、交叉定標相結合的相位定標算法。分析了超大陣面分布式相控陣雷達的誤差來源；建立了超大陣面分布式天線陣列在工程約束下的誤差模型，詳細闡述了自定標和交叉定標的原理和方法，并將該方法從相位單元推廣到雷達陣列。最后，對自-相交相位定標算法進行了仿真實驗和工程應用。結果表明該算法能大幅提高超大陣面分布式相控陣雷達的主旁瓣電平比。

超大陣面分布式雷達；自定標；交叉定標；誤差模型

1 引言

超大陣面分布式相控陣雷達是相控陣雷達中的一個重要分支，其特點是陣面大，陣列單元數量多，載頻頻率較低(如：VHF)。超大陣面分布式相控陣雷達可以有效地探測大氣的電離層，因此對氣候環境研究、災害預測、航空航天等具有非常重要的作用。同時，超大陣面分布式相控陣雷達信號的反隱身潛力也使其在軍事領域的價值日漸增長。

超大陣面分布式相控陣雷達需要各個收發單元信號波束精確合成，因此減小陣面各單元相位誤差控制成了需要解決的關鍵問題。為了獲得分布式雷達系統的精確波束指向和超低副瓣性能，雷達天線單元的相位定標是其研制過程中一個重要環節。在實際的工程項目研究中發現，由于大陣面和分布式的影響，一些傳統的相控陣雷達定標技術，包括典型的外定標法和內定標法，單通道校準和多通道校準，都無法有效實施。這些障礙使得實際超大陣面分布式相控陣雷達系統難以依靠進一步擴大天線陣面積和增加單元數量來提高性能指標。

本文分析了超大陣面相控陣雷達相位誤差的來源，提出自-交叉定標方法，并給出了雷達陣面定標方法模型。最后，本文通過仿真分析，對波束形成和主旁瓣電平比進行了比較，并根據實際測試數據，給出該算法在工程實際中的應用和取得的效果。

2 相位誤差分析

在場地建設符合規定標準的情況下，影響超大陣面分布式相控陣雷達相位誤差主要包括時鐘和同步信號的傳輸誤差、單元個體差異等。

超大陣面分布式相控陣雷達的各個收發單元需要在統一的時鐘和同步信號推動下相參工作。時鐘同步信號需要從一個固定的分發設備以點對點的形式分發到各個收發單元。由于陣面面積大，因此時鐘和同步信號需要經過很長的傳輸線。信號在這些傳輸線上的延遲誤差直接導致各個單元的相位誤差。由于傳輸線長度很長，每條傳輸線的布線路徑也不同，因而時鐘和同步信號的傳輸誤差很難消除。

超大陣面分布式相控陣雷達的收發單元需要用到千瓦級功率放大器和低噪聲放大器。放大器件工作在較低的頻率且帶寬不大的情況下，放大器的相位特性和幅度特性是一條非平坦的、起伏比較大的曲線。當發射機和接收機采用了諸多存在個體差異的放大器單元時，發射機和接收機的相位難以保證嚴格的一致性。

因此，時鐘和同步信號的傳輸誤差、單元個體差異導致了超大陣面分布式相控陣雷達各陣元的相位差異，造成波束指向性差和主瓣增益小。

3 自-交叉定標法原理

根據超大陣面分布式相控陣雷達誤差分析原因，本文提出了一種自-交叉相位定標方法，通過計算時延來補償相位誤差，進而對相位進行校正。該方法在實現上分為兩步：自定標和交叉定標。

首先通過自定標測算出各收發單元內部發射機、接收機產生的時間延遲，然后通過公式換算得到相位差；再通過交叉定標測算出同步時鐘延遲。最后，在雷達工作之前將該延遲預先加到時鐘源上即可實現數字單元的同步相參工作。

3.1 自定標

通過自定標模式可以測算出1個單元的發射機校準量和接收機校準量。具體實現過程如下：連通A/D 和D/A通道，測出時鐘延遲, A/D通道產生的時延, D/A通道產生的時延3種延遲的總延遲；通過射頻單元發射信號經D/A通道，再經發射通道直接傳遞給A/D通道采樣，測算出發射通道總延遲；最后采用相同方法測算出接收通道總延遲。自定標模式的實現框圖如圖1所示。

由雷達發送、接收信號的工作原理可知，導致每個天線單元相位不一致的因素主要有：時鐘源傳遞時鐘信號時產生的時延，即同步時鐘傳輸延遲, D/A通道產生的時延，發射通道中功率放大器產生的時延，即發射機校準量, A/D通道產生的時延以及接收通道中低噪聲放大器等產生的時延，即接收機校準量。

圖1 VHF有源相控陣雷達自定標實現框圖

3.1.1發射機定標 發射機定標時，信號傳遞流程如圖1中線路1所示，前端數字單元將發射的射頻信號送入D/A通道，經發射通道直接傳遞給A/D通道采樣，進而由前端數字單元進行相應的信號處理。可見，此過程產生的時延為：

3.1.2接收機定標 接收機定標時，信號傳遞流程如圖中線路2所示，前端數字單元將發射的射頻信號傳送給D/A，不經發射通道，而是利用耦合器直接耦合至接收通道，并進行A/D采樣，最后由前端數字單元進行相應的信號處理。可見，此過程產生的時延為：

(2)

3.2 交叉定標

首先，單元1發射信號，單元2進行接收，由時鐘源下達時鐘信號至兩個數字單元，此過程產生的時鐘同步傳輸延遲分別為和，發射鏈路中，D/A和發射機產生的時延分別為和；接收鏈路中，A/D和接收機產生的時延分別為和，信號從天線單元1輻射出去到天線單元2接收到輻射信號的時延為。因此，單元1發射信號，單元2接收信號，測得的總時延為：

反過來，單元2發射信號，單元1接收信號，此時測得的總時延為：

(5)

4 雷達陣列定標

以上是針對某兩個單元做的分析，下面將其推廣至整個雷達陣列，以×個天線單元為例，記第行第列單元為，其中。

為了求出系統中每個收發單元的自身相位特性，即對各單元的發射機和接收機進行定標測算，首先按圖1中線路1連接，測量延遲結果記為，然后按線路2連接，同樣測量延遲結果，記為，其中

(10)

最后將各單元的A/D與D/A連通，測得時延記為，

(12)

下面開始討論雷達陣列中各單元間的同步時鐘傳輸延遲，將單元作為基準進行測量，首先由發射信號，其它單元接收信號，測得的總延時為；接下來，其它單元發射信號，單元接收信號，測得的總延時為，其中

(14)

根據式(8)可得，其它單元與a的時鐘差為：

2.4.4 提取回收率試驗 按“2.4.3”項下方法配制ATV低、中、高質量濃度（1.25、6.25、25.00 ng/mL）的血漿樣本，每個濃度平行配制6份，同法預處理后進樣，測得ATV與內標的峰面積比值（Y1）；另取空白血漿，同法預處理后加入適量ATV對照品溶液，進樣，測得ATV與內標的峰面積比值（Y空白）。按公式Y1/Y空白×100%計算提取回收率。結果顯示，ATV低、中、高質量濃度血漿樣本的平均提取回收率分別為88.30%、91.46%、87.64%，RSD均小于11%（n＝6）。

(16)

5 仿真及工程應用分析

5.1 仿真分析

為了驗證本文方法的效果，分別在天線主波束指向固定角度60°，120°和天線主波束指向隨機角度進行仿真分析。

由以上的仿真結果可以看出，定標后雷達天線陣方向圖在主瓣精確指向信號來波方向的同時，能夠使旁瓣電平抑制在左右，達到了有效地抑制旁瓣電平的效果。

5.2 工程應用

本文的定標方法已經應用到國家某重點項目VHF有源相控陣雷達。該雷達是我國自主研制的第1套專用于電離層不規則體探測的雷達設備，共有4×18個陣元，陣元間距3.19 m。

根據文中方法分別對雷達72個陣元進行自定標和交叉定標。下面給出真實數據支撐下的應用結果。為便于觀察，選擇有目標的情況下對天線增益和旁瓣抑制比進行比較，圖5和圖6給出了某時刻定標前后整個雷達系統某波位的數據處理結果。

該時刻雷達系統的相應參數為：觀測起始高度為80 km，波門寬度為530 km，觀測時間為5 s，發射波形為13位巴克碼，子脈沖寬度為8 us，脈沖重復頻率為200 Hz，駐留脈沖數為128。

由圖5和圖6比較可得，定標前和定標后整個雷達系統都能在信號來波方向(高度約為370 km)得到很高的天線增益，提高了旁瓣抑制比。

圖3 主波束指向固定角度時定標前后雷達天線方向圖

圖4 主波束指向隨機角度時定標前后雷達天線方向圖

圖5 定標前雷達系統某波位的高度-強度圖

圖6 定標后雷達系統某波位的高度-強度圖

表1 定標前后雷達性能指標對比

Tab. 1 The comparison of radar performance indicators before and after calibration

由表1知，該定標算法能有效地抑制旁瓣電平，同時在來波方向上對信號主瓣的增益也有一定的提高，優化了整個系統的性能。

6 總結

本文針對超大陣面分布式相控陣雷達所具有的分布式系統結構、工作頻率較低、前端數字單元直接實現射頻收發、大陣面引起的安裝和布線精度較低等特性，提出采用自-交叉定標法對其進行相位校準，并詳細闡述了該方法的實現原理，仿真結果驗證了該方法的有效性。同時，將該方法實際應用到超大陣面分布式相控陣雷達工程中，收到了很好的效果。本文提出的自-相交相位定標方法對大陣面雷達相位定標方法的研究具有一定的參考和借鑒意義。

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Self-cross Phase Calibration Method of Oversized FrontDistributed Phased Array Radar

Yan Zhou-jieWang Hua-bingChen Yuan-zhengZhao Yan-li

(Luoyang Electronic Equipment Test Center, Luoyang 471003, China)(State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environmental Effects on Electronics & Information System, Luoyang 471003, China)

For an oversized front distributed phased-array radar, the conventional phased-array radar calibration algorithm cannot be applied. Hence, this paper presents a combination of self- and cross-calibration algorithms. For the oversized front distributed phased-array radar, the error sources are analyzed, and the error model is established. Then,the self- and cross-calibration techniques and their principles are presented. In addition, this method is extended to the phased-array radar from units. Finally, we conducted self-intersecting phase calibration simulation experiments, and the results show that the algorithm can significantly improve the sidelobe level of the oversized front distributed phased-array radar.

Oversized front distributed phased array radar; Self-calibration; Cross-calibration; Error model

TN958.92

A

2095-283X(2013)04-0439-06

10.3724/SP.J.1300.2013.13054

2013-07-01收到，2013-09-25改回；2013-10-09網絡優先出版

國家部委基金資助課題

閆州杰 yanzj20032007@163.com

閆州杰(1984-)，男，河南平輿人，北京理工大學獲碩士學位，現為中國洛陽電子裝備試驗中心工程師，主要研究方向為信號處理。

E-mail: yanzj20032007@163.com

王華兵(1979-)，男，云南陸良人，電子科技大學獲碩士學位，現為電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室工程師，主要研究方向為雷達對抗。

陳遠征(1979-)，男，河南新蔡人，國防科技大學獲博士學位，現為中國洛陽電子裝備試驗中心工程師，主要研究方向為雷達綜合對抗。

趙艷麗(1977-)，女，河南南陽人，國防科技大學獲博士學位，現為中國洛陽電子裝備試驗中心高級工程師，主要研究方向為數據融合和雷達對抗。