一種和差單脈沖雷達幅相自動補償技術(shù)

賈玉琳 李春娟

（南京恩瑞特實業(yè)有限公司,江蘇 南京 211106）

單脈沖技術(shù)是雷達提高測角精度的一種方法,通過和、差信號比幅或比相來獲得更加精確測角,從而實現(xiàn)對目標更加精確的定位與跟蹤[1]。單脈沖技術(shù)的主要原理,首先由天線對所接收的信號分別進行和差加權(quán)得到的對應的兩個信號,然后這兩個信號分別由兩個一致性較好的接收通道實現(xiàn)信號放大,最后這個兩個放大過的信號進行鑒相處理,得出偏軸指示,和差比值,從而完成一次單脈沖處理。然而放大鏈路中,模擬器件曲線差異和溫度變化都會引起和差通道幅相的不一致,影響測角精度,嚴重時測角精度反而低于不采用單脈沖技術(shù)同類設備,因此對單脈沖接收機的和差一致性必須進行監(jiān)測,當不一致時及時補償。

目前補償方式主要分為模擬方式和數(shù)字方式兩類。模擬方式是在射頻端插入衰減器和移相器,從而分別調(diào)節(jié)通道的衰減和相位[2-3]。移相器是通過在通道內(nèi)并聯(lián)或串聯(lián)電抗器件來引入相移,然而移相器內(nèi)部的電抗器件和傳輸線也會帶來信號的部分衰減；同理,衰減器通常是電阻元件組成的,然而插入衰減器同時也會影響信號的相位。因此,如果同時補償通道間的幅度和相位,需要不斷優(yōu)化衰減器和移相器的設置值,以達到一個期望的平衡,對硬件電路調(diào)試提出了很高的要求。而數(shù)字方式可分為基帶補償、中頻補償和射頻補償三類,實現(xiàn)方式相對靈活,且保證了幅相補償精度。目前數(shù)字補償大多是在中頻或基帶實現(xiàn),中頻補償是數(shù)字接收機根據(jù)角誤差計算值得到校準信號,反饋到接收通道的處理前端,由數(shù)字本振IP 核（Intellectual Property Core）根據(jù)校準相位值和幅度值調(diào)整相應參數(shù),從而消除通道內(nèi)的幅相不平衡[4]；而基帶補償是由計算機或DSP（Digital Signal Processing,數(shù)字信號處理）計算補償值,然后根據(jù)計算值在正交基帶信號上進行補償,以保持通道間幅相一致性[5-6]。

然而,目前的補償方式都需要在系統(tǒng)運行前,先用測試信號求得不同環(huán)境下的各通道間補償值并存儲下來,然后在實際運行中根據(jù)實際使用情況（例如接收信號的頻率、帶寬和溫度等）讀取補償值進行相應補償,此方法增加了操作復雜度,且隨著模擬器件老化,之前存儲的補償值不再完全適用,調(diào)節(jié)精度會進一步下降。針對上述情況,本文提出一種基于數(shù)字化接收機平臺的和差單脈沖雷達幅相自動補償技術(shù),這種方式可根據(jù)不同使用環(huán)境進行實時補償,簡單易行,同時具有高補償精度,為提高單脈沖雷達的處理性能提供良好的技術(shù)支持。

1 單脈沖工作原理

然而,在雷達實際工作中,多種原因會對和差通道信號的幅度和相位值產(chǎn)生影響。主要包括：雖然和差通道接收電路的組成框架相同,但通道內(nèi)各個組件本身存在性能差異以及加工差異,導致和差通道信號的幅頻響應產(chǎn)生有差別；雷達工作頻率和帶寬發(fā)生改變后,元器件對接收信號的幅相頻響應發(fā)生改變；當外界溫度變化時,接收通道模擬響應特性隨之漂移等。

和差通道間幅相失配會引起天線方向圖零點偏移,零值深度減小,從而產(chǎn)生測角誤差[6]：和3π 2附近時,微小的偏移會導致較大的測角誤差,因此必須進行幅相校正。

2 幅相補償技術(shù)

2.1 實現(xiàn)框圖

傳統(tǒng)的幅相補償方式是脫機進行的,即先確定雷達運行的環(huán)境,例如接收信號的頻率和帶寬、接收通道的硬件電路組成、接收通道的溫度等,在此特定情況下,將相應校準信號輸入到和差通道,信號處理端計算并存儲補償值,然后運行雷達,根據(jù)對應情況讀取補償值進行相應補償。

然而,這種方式只能補償實際中穩(wěn)定且可測的系統(tǒng)誤差,例如由于元器件的性能差異、加工差異產(chǎn)生的幅相頻響應差異,以及接收通道對不同工作頻率帶寬的響應差異等。而例如外界溫度變化導致的模擬器件性能漂移等隨機誤差沒有穩(wěn)定狀態(tài),很難在校準初期進行模擬和預判斷。另外,模擬器件隨著雷達運行時長的增加發(fā)生老化,之前存儲的補償值無法適配此時的工作狀態(tài),調(diào)節(jié)精度會進一步下降。如若更換接收通道內(nèi)的組件模塊,理論上需重新使用測試設備進行校準,操作繁瑣。本文提出的一種和差單脈沖雷達中幅相自動補償技術(shù),通過在雷達系統(tǒng)內(nèi)部增加實時校準電路,可在線進行幅相的實時補償。

圖1 是本文自動幅相補償技術(shù)的原理框圖,在雷達數(shù)字處理模塊根據(jù)雷達工作狀態(tài)生成相應的測試信號,在每個幀周期的空閑時期輸出該信號,經(jīng)上行模塊的模擬測試通道進行放大濾波,得到幅相校準信號。將校準信號經(jīng)過定向耦合器分別輸入到和差兩路下行通道,經(jīng)過限幅、低噪放大以及模擬混頻等處理到達數(shù)字處理模塊,處理模塊對兩路信號分別進行數(shù)字下變頻得到校準信號的基帶IQ 數(shù)據(jù),并根據(jù)該數(shù)據(jù)求得實時幅相補償值。然后在此幀周期內(nèi)發(fā)射實際激勵信號,利用該幅相補償值對從天線接收的回波信號進行幅相補償。該方法能夠?qū)走_系統(tǒng)進行實時補償,補償精度高,對系統(tǒng)內(nèi)運行期間產(chǎn)生的隨機誤差也能較好的補償。

圖1 幅相補償原理框圖

2.2 補償模塊

本文采用基帶補償方式,在FPGA（Field-programmable Gate Array,現(xiàn)場可編程門陣列）上對解調(diào)后的基帶正交信號采用對應算法實現(xiàn)補償。具體補償如下：

假設和差通道信號正交解調(diào)輸出分別是：

圖2 補償模塊框圖

本技術(shù)可在差通道上進行補償,也可在和通道上進行補償,處理方式類似。以在差通道補償為例,將差通道的基帶正交信號IΔ和QΔ與幅相補償值Iδ和Qδ進行復數(shù)相乘,得到補償后的差通道信號；同時,和通道的正交信號IΣ和QΣ需要在FPGA 內(nèi)部進行相應的延遲,延遲值等于差通道補償算法產(chǎn)生的延遲時間。將補償后的和差通道進行鑒相處理,得出偏軸指示以及和差比值,結(jié)合天線的角碼器方位值,綜合獲得目標的方位。

2.3 補償值計算模塊

該模塊幅相自動補償算法由處理模塊自動進行,無需人工干預,當雷達在空閑期間發(fā)送校準信號時,在數(shù)字處理模塊在FPGA 內(nèi)對校準信號完成正交解調(diào)和幅度相位補償均值實時計算,然后在雷達實際收發(fā)期間,根據(jù)該補償值對差通道數(shù)據(jù)進行補償,以保證和差兩個通道的幅相一致性。

3 應用實例

為驗證本文的幅相自動補償算法性能,本文采用Xilinx公司開發(fā)的Kintex-7 系列芯片實現(xiàn)上述幅相補償功能模塊。該系列芯片邏輯資源豐富,處理能力強大,能滿足數(shù)字處理模塊處理資源的需求。首先在Vivado 軟件端驗證本文中幅相補償算法的可行性,從和差通道輸入端輸入不同幅度不同相位的1091MHz 正弦波脈沖信號,在數(shù)字處理端進行1090MHz 本振下變頻后得到基帶正交信號,sigmai_org、sigmaq_org 為和通道的IQ 值,deltai_org、deltaq_org 為差通道的IQ 值,從圖3 可以看出,原始和通道信號幅度比差通道大,相位比差通道超前,因此原始的和差通道信號幅度和相位都不一致。

圖3 Vivado 中幅相補償波形圖

圖4 是民航單脈沖二次雷達探測飛機時是否進行本文幅相補償?shù)膶Ρ葓D,淺色點表示目標回波信號來自于天線瞄準軸左測,黑色點表示目標回波信號來自于天線瞄準軸右側(cè)。由數(shù)字處理模塊產(chǎn)生1090MHz 的校準脈沖信號,經(jīng)定向耦合器輸入到和差兩個通道,為了更加方便對比測試,在差通道串入與和通道不等相的電纜來模擬和差通道幅度相位的不平衡。由上圖中可以看出,不進行補償時,由于和差相位偏離,PPI 顯示器上的回波點所對應的單脈沖偏軸指示不以目標位置對稱,嚴重時甚至會只出現(xiàn)淺色。而進行自動幅相補償后,可以直觀看到回波眉毛以目標真實位置左右對稱,表明進行本文幅相補償?shù)挠行浴?/p>

圖4 目標探測結(jié)果圖

結(jié)束語

本文介紹了一種單脈沖雷達中的幅相自動補償技術(shù),該技術(shù)可自動補償和差通道的幅度和相位不平衡,確保實現(xiàn)單脈沖測角功能。在數(shù)字處理端采用在雷達空閑期間發(fā)送校準信號并計算補償值,在收發(fā)期間使用復數(shù)乘法算法進行補償,提高實現(xiàn)的靈活性與可擴展性。目前本文幅相自動補償技術(shù)已成功運用到民航二次雷達設備中,能夠?qū)δ繕嗣窈斤w機的角度測量進行修正,滿足對飛機測角高精度的要求。