一種艦載一維相控陣?yán)走_(dá)陣面控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

陳彥來，劉文政，高 星

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

一維相控陣?yán)走_(dá)是當(dāng)今世界海軍廣泛應(yīng)用的一種三坐標(biāo)艦載雷達(dá)，該體制雷達(dá)方位角采用機(jī)械掃描，俯仰角采用相控電子掃描，具備海空探測能力，可為艦船防御武器提供高質(zhì)量的三維目標(biāo)信息。隨著電子技術(shù)和軟件無線電的發(fā)展，艦載一維相控陣?yán)走_(dá)的陣面集成度越來越高，通常包含了雷達(dá)天線陣列、收發(fā)射頻和中頻通道、數(shù)字波束形成、混合數(shù)據(jù)光纖傳輸?shù)饶K，其陣面控制系統(tǒng)通常需要完成波束指向控制、收發(fā)通道幅相一致性校準(zhǔn)、陣面工作時(shí)序控制和工作參數(shù)配置等功能，同時(shí)為了減輕天線陣面重量，陣面控制系統(tǒng)通常還需集成電子穩(wěn)定平臺(tái)解算功能，用以取代傳統(tǒng)雷達(dá)的機(jī)械穩(wěn)定平臺(tái)。本文介紹了一種艦載一維相控陣?yán)走_(dá)陣面控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，針對電子穩(wěn)定平臺(tái)解算方法、收發(fā)波束指向控制，收發(fā)通道自動(dòng)校準(zhǔn)方法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)描述。

1 雷達(dá)陣面的組成

艦載一維相控陣?yán)走_(dá)的天線陣面主要由雷達(dá)天線陣列、接收組件陣列、發(fā)射組件陣列、收發(fā)開關(guān)陣列、頻率合成分機(jī)、波形產(chǎn)生模塊、功分網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字波束形成模塊、陣面控制系統(tǒng)等組成，其它還包括電源系統(tǒng)，環(huán)境控制系統(tǒng)、混合數(shù)據(jù)光纖傳輸系統(tǒng)等。陣面控制系統(tǒng)與陣面其它系統(tǒng)的連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 雷達(dá)陣面組成部分及其連接關(guān)系

陣面控制系統(tǒng)需要完成天線陣列的電子穩(wěn)定平臺(tái)解算、收發(fā)波束指向控制、收發(fā)通道自動(dòng)校準(zhǔn)以及各種觸發(fā)信號的產(chǎn)生等。收發(fā)波束指向控制包括發(fā)射組件移相碼、接收組件移相碼和衰減值的計(jì)算；電子穩(wěn)定平臺(tái)主要解決艦船在縱橫搖的情況下，發(fā)射波束和接收波束仍然可以按照預(yù)定空域進(jìn)行掃描；同時(shí)，由于各個(gè)收發(fā)通道存在幅相不一致性，陣面控制系統(tǒng)還需控制其它模塊完成收發(fā)通道的一致性校準(zhǔn)。

2 雷達(dá)陣面控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 雷達(dá)陣面控制系統(tǒng)的組成及其工作流程

雷達(dá)陣面控制系統(tǒng)由定時(shí)觸發(fā)模塊、發(fā)射波束波位解算模塊、接收波束波位解算模塊、發(fā)射組件控制碼計(jì)算模塊、接收組件控制碼計(jì)算模塊組成。整個(gè)陣面控制系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2 雷達(dá)陣面控制系統(tǒng)的工作流程

2.2 電子穩(wěn)定平臺(tái)的解算方法

艦船在風(fēng)浪和浪涌的作用下，甲板坐標(biāo)系坐標(biāo)軸發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，假設(shè)橫搖為β，縱搖為α，則：

oR=TRα·TRβ·oE

(1)

(2)

式(1)、式(2)給出了在縱橫搖存在的條件下，甲板坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。假設(shè)某個(gè)重頻周期，按照雷達(dá)預(yù)定的工作方式，在大地坐標(biāo)系下，發(fā)射波束或接收波束的俯仰角為ε，而此時(shí)方位角為φ，根據(jù)極坐標(biāo)系和直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系式(3)，可得在大地坐標(biāo)系下，其單位方向向量oE為：

(3)

假設(shè)此時(shí)橫搖為β，縱搖為α，根據(jù)式(1)，可以得到甲板坐標(biāo)系下的方向向量oR的計(jì)算公式為：

(4)

根據(jù)式(5)，即可得到在甲板坐標(biāo)系的俯仰角：

(5)

重復(fù)式(3)、式(4)、式(5)，即可計(jì)算出同一重頻周期內(nèi)，所有發(fā)射波束和接收波束在甲板坐標(biāo)系的俯仰角。

2.3 收發(fā)通道幅度和相位的自動(dòng)校準(zhǔn)

為了滿足相控陣?yán)走_(dá)天線的低副瓣、高增益指標(biāo)，對天線收發(fā)通道幅度和相位一致性有很高要求，同時(shí)對于校準(zhǔn)好的天線陣面，收發(fā)組件的更換都有可能造成天線方向圖的變化，因而需要尋求一種對天線陣面收發(fā)通道進(jìn)行校準(zhǔn)的有效方法。根據(jù)測量信號注入或獲取點(diǎn)的不同，有源相控陣天線監(jiān)測的方法分為2種：遠(yuǎn)場監(jiān)測和近場監(jiān)測。遠(yuǎn)場監(jiān)測是指在距離陣列天線滿足遠(yuǎn)場條件的地方放置監(jiān)測裝置(一般含輻射源和接收通道)，利用該監(jiān)測裝置完成陣列天線發(fā)射通道和接收通道的校準(zhǔn)。近場檢測需要微波暗室的配合。在艦載雷達(dá)安裝完成后，一般很難找到滿足遠(yuǎn)場條件和近場條件的監(jiān)測裝置安裝位置來進(jìn)行遠(yuǎn)場監(jiān)測和近場監(jiān)測，所以研究利用雷達(dá)自身設(shè)備或少量輔助設(shè)備實(shí)時(shí)進(jìn)行接收和發(fā)射通道的自動(dòng)校準(zhǔn)具有重要意義。下面以發(fā)射通道為例來介紹收發(fā)通道幅度和相位的自動(dòng)校準(zhǔn)流程[5]。

同時(shí)，為了給予幼兒潛移默化的影響，教師要積極引導(dǎo)和督促家長養(yǎng)成良好的閱讀習(xí)慣，給幼兒做好榜樣。還可以充分利用班級微信群、家園共育欄、家校共建活動(dòng)等方法指導(dǎo)家長教給幼兒閱讀的方法，如聽讀啟蒙法、講述故事法、提問回答法、角色扮演法，游戲比賽法等等。還可以通過各種活動(dòng)，組織家長與幼兒一起進(jìn)行親子閱讀，定期在幼兒園開展家庭故事會(huì)、親子閱讀活動(dòng)展示等活動(dòng)，評選書香家庭，讓幼兒切實(shí)感受到閱讀的快樂和魅力，進(jìn)而引發(fā)他們對閱讀活動(dòng)的興趣，培養(yǎng)幼兒愛讀書，好讀書，會(huì)讀書的好習(xí)慣。

當(dāng)雷達(dá)工作于校準(zhǔn)模式下時(shí)，雷達(dá)陣面控制系統(tǒng)觸發(fā)波形產(chǎn)生模塊產(chǎn)生基帶校準(zhǔn)信號，該校準(zhǔn)信號和頻率合成器輸出的射頻信號進(jìn)行混頻，通過功分網(wǎng)絡(luò)輸出到待校準(zhǔn)的發(fā)射通道，發(fā)射通道的輸出在校正耦合網(wǎng)絡(luò)的作用下，輸出到標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)接收組件，該接收組件完成對射頻發(fā)射波形(和陣列天線的相位相同，幅度作固定衰減)的下變頻，然后輸出中頻信號到陣面控制系統(tǒng)的模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換電路，陣面控制系統(tǒng)完成A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字下變頻、正交接收后得到此發(fā)射通道的IQ支路輸出，通過計(jì)算得到該發(fā)射通道的幅度值和相位值；在一個(gè)發(fā)射通道校準(zhǔn)完成后，切換到下一個(gè)待校準(zhǔn)的發(fā)射通道，依次完成所有發(fā)射通道的校準(zhǔn)工作。完成一個(gè)發(fā)射通道的校準(zhǔn)流程僅需幾個(gè)毫秒，對于規(guī)模不大的艦載一維相控陣?yán)走_(dá)，完成整個(gè)陣面所有發(fā)射通道的校準(zhǔn)工作僅需數(shù)秒，可以認(rèn)為在該段時(shí)間內(nèi)，所有發(fā)射通道和標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)接收組件的外部工作溫度條件相同，因而利用此方法得到的發(fā)射通道幅度值和相位值即可作為發(fā)射陣面的校準(zhǔn)值。

圖3 發(fā)射通道幅度和相位的自動(dòng)校準(zhǔn)原理

接收通道與發(fā)射通道的校準(zhǔn)原理基本相同，區(qū)別僅在于用同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)發(fā)射組件發(fā)射射頻波形，然后利用校準(zhǔn)耦合網(wǎng)絡(luò)依次耦合到待校準(zhǔn)的接收通道，最后完成A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字下變頻、正交接收等一系列處理，從而得到接收通道的校準(zhǔn)值。

2.4 收發(fā)波束控制方法[6-7]

假設(shè)艦載一維相控陣?yán)走_(dá)天線陣列如圖4所示，在YOZ平面內(nèi)，各相鄰單元在Z方向上的間距為d，根據(jù)相鄰單元之間信號的“空間相位差”與“陣內(nèi)相位差”相等的原理，算出陣列中第k行天線單元(k=0,1,2,…，m-1) 波控碼Ck相對于第0列天線單元的波控碼C0:

(6)

Ck=(k+1)C0

(7)

式中：k=0,1,2,…，m-1；N為數(shù)字式移相器的計(jì)數(shù)位數(shù)；λ為發(fā)射波長；εR為雷達(dá)在仰角上的掃描角度，其范圍是-π/2<θB<π/2。

圖4 艦載一維相控陣?yán)走_(dá)天線分布

進(jìn)一步考慮到組件的初始相位的不一致性和非線性溫度補(bǔ)償，將式(7)修改為：

Ck=(k+1)C0+δ(k)

(8)

式中：δ(k)為第k行的校準(zhǔn)值。

收發(fā)波束的布相方法主要有查表法和計(jì)算法2種。考慮到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)計(jì)算的便利性，在本控制系統(tǒng)中采用查表法和計(jì)算法相結(jié)合的方法進(jìn)行波控碼的計(jì)算，具體計(jì)算流程如下：

(1) 由電子穩(wěn)定平臺(tái)解算得到的雷達(dá)天線陣面波束俯仰角εR，發(fā)射頻點(diǎn)查表得到第0列天線單元的波控碼C0；

(2) 查表得到第k行組件的校準(zhǔn)值δ(k);

(3) 根據(jù)式(8)，利用FPGA計(jì)算得到第k行的波控碼Ck；

(4) 在定時(shí)脈沖的驅(qū)動(dòng)下，將組件的控制碼加載到所對應(yīng)的控制組件。

3 結(jié)束語

本文論述了一種艦載一維相控陣?yán)走_(dá)陣面控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，對陣面控制系統(tǒng)需要解決的電子

穩(wěn)定平臺(tái)、收發(fā)通道幅相的自動(dòng)校準(zhǔn)和收發(fā)波束控制方法進(jìn)行了詳細(xì)的論述，同時(shí)該控制系統(tǒng)具有集成度高、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有一定理論價(jià)值和工程價(jià)值。

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