一种低系统误差的干涉仪相位校正方案

(海军装备部重庆局，成都 610036)

1 引 言

干涉仪测向是一种高精度的测向体制，是电子对抗的一项重要技术，它通过比较到达天线阵射频信号间的相位差来获得方向信息[1-2]。近年来，随着数字信号处理技术的飞速发展，各种新的测向算法层出不穷[3-5]。但由于宽频带多通道接收机各通道间的模拟器件难以保证相位和幅度的良好一致特性，因此，一般采用数字相位校正的方式来消除系统中的固有相位误差。

典型的相位校正方案在消除接收通道间固定相位差的同时，受校正源信号器件特性限制，校正通道支路各通道间的相位同样不平衡，也会引入新的系统误差，从而影响系统测向精度。

本文提出了一种简单的低失真校正方案，能够在一定程度上消除校正源支路各通道的不平衡，改善系统性能，具有较高的工程应用价值。

2 干涉仪的工作原理

图1所示为一个简单的单基线干涉仪系统[1]，设当信号的入射方向与天线视轴偏离角度为θ时，波平面到达两天线的相位差为Δφ。

(1)

式中，D为干涉仪基线长度，θ为射频信号到达角，λ为波长。

图1 干涉仪测向原理框图Fig.1 Schematic diagram of interferometer DF

(2)

式中，C为光速，f为信号载频。

由式(2)可以看出，在天线阵和信号载频固定时，可以由通道相位差Δφ直接得出射频信号的到达角θ，从而测出射频信号到达的方向。

3 典型相位校正方案

为方便起见，以两通道干涉仪接收机方案为例，介绍典型的相位误差校正方案。

图2给出了典型两通道干涉仪的相位校正示意图。可以看出，校正时，两个接收通道分别通过单刀双掷开关馈入从同一个校正源产生的校正信号，记录此时两通道间的相位差Δφ(即φa-φb)，以此作为两接收通道间的固有相差。干涉仪正常工作时，接收射频信号，记录通道间的相差Δφ′，用Δφ′-Δφ，即得到了实际的相差，进而求出信号的到达方向角θ。

图2 典型相位校正方案示意图Fig.2 Schematic diagram of a typical phase correction method

4 典型相位校正方案的缺陷

典型相位校正方案虽然简单，但它在消除通道1和通道2间相位差的同时，又引入了新的系统误差。该系统误差主要是由于校正源信号支路中的功分器、单刀双掷开关等关联器件各通道相位不平衡造成的。如图3所示，送入接收通道1校正信号相移Δa，送入接收通道2校正信号相移Δb，系统误差为Δa-Δb，从而降低了整个系统的测向精度。

图3 两通道相位校正方案误差分析图Fig.3 Error analysis diagram of two-channel phase correction method

同时，典型相位校正方案也没有涉及单刀双掷开关前引入的相位φ1和φ2，φ1和φ2间的不平衡同样会降低系统测向精度。

5 低系统误差相位校正方案

如何用简便方法消除掉校正源信号支路各通道间相位不平衡带来的系统误差，实现低系统误差的相位校正方案？我们可以借鉴网络分析仪中采用标准校正件的方法来消除系统误差Δa-Δb。

图4 低系统误差相位校正方案示意图Fig.4 Schematic diagram of low system error phase correction method

标准校正件就是用特殊处理方法实现具有特殊指标参数性能的器件，用于系统校正过程。它的成本往往很高，不能在一般设备中装配。在这里标准校正件就是图4中所示的标准功分器以及用于连接标准功分器和干涉仪的校准射频电缆。经特殊处理后，必须保证校正件各通道间在全频段具有高度的相位和幅度一致性，不平衡性可以忽略。考虑到标准校正件所需数量很少，能够采用更新的设计手段、更好的工艺保障或者直接生产多件实物挑选等提高成本的方法来实现。

6 低系统误差相位校正理论分析

首先设定接收通道1和接收通道2在单刀双掷开关前器件(如电缆、限幅器、滤波器等)的相移分别为φ1和φ2。当标准功分器两个输出端口分别置于通道1和内置功分器时，单刀双掷开关1选择左支路，单刀双掷开关2也选择左支路，则可以得到此时的相位差：

Δ1=(φ1+φa)-(Δb+φb)

(3)

当标准功分器两个输出端口分别置于通道2和内置功分器时，单刀双掷开关1选择右支路，单刀双掷开关2也选择右支路，则可以得到此时的相位差：

Δ2=(φ2+φb)-(Δa+φa)

(4)

将Δ1和Δ2作为系统误差因子存储起来。

后面的校正过程与典型的相位校正方案一致。取下外置标准功分器，将校正信号接在干涉仪内置功分器上，单刀双掷开关1置于右支路，单刀双掷开关2置于左支路，则可以得到此时相位差：

Δ3=(Δa+φa)-(Δb+φb)

(5)

经过3次校正后，以Δ1、Δ2和Δ3为系统误差因子计算出两通道间相位误差。

由式(3)和式(4)可以得出：

Δ1-(φ1+φa)+(Δb+φb)=Δ2-(φ2+φb)+

(Δa+φa)

两通道间的固定系统相位差为

(φ1+φa)-(φ2+φb)=(Δ1-Δ2)-(Δa+φa)+

(Δb+φb)=Δ1-Δ2-Δ3

(6)

由此可以看出，经过3次校正，可以消除校正源信号支路中各端口的不平衡。由3次校正结果Δ1、Δ2和Δ3表示两个接收通道间的固定相位误差，从而能够方便地测出后续测试到达射频信号的相位差，准确测量射频信号的方向角度。

7 结束语

干涉仪测向需要对接收通道的幅度相位一致性进行校正，但往往难以消除校正信号通路自身引入的系统误差。本文通过对标准校正件的合理应用，给出了一种简单的低系统误差多通道相位校正方案，可以消除校正信号支路器件各通道不平衡性带来的固有相差，并对实现方法进行了定性分析，从而有效提高了相位测量系统的精度，具有较高的工程应用价值。

参考文献：

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