一种基于内/外校准结合的相控阵收/发校准方法

蒋鑫 刘永刚 陈伟

（四川九洲空管科技有限责任公司 四川省绵阳市 621000）

针对相控阵二次雷达，完成生产后可以在暗室测试对系统的收/发幅相特性进行标定，但由于出厂后的安装使用以及日常维护和检修（含收/发通道更换），都可能造成系统的收/发幅相特性发生变化，最终导致合成的数字波束形状发生畸变，影响相控阵二次雷达的探测性能。

为了使相控阵二次雷达在外场安装使用和维护检修以后依然能保证探测性能，本文提出一种基于内/外校准结合的相控阵收/发校准方法，可以在外场使用过程中对天线阵列及收/发通道的幅相特性进行校准，得到接收外校准补偿系数、发射外校准补偿系数等，并将系数补偿到收/发通道中，提高二次雷达的探测性能。

1 相控阵二次雷达的波束形成原理

1.1 相控阵二次雷达信号收发链路

相控阵二次雷达收发链路，包含天线阵列、数字TR 组件、校准源、波束形成模块和信号处理模块等。

天线阵列：包含N 个全向天线振子用于接收/发射空间无线电信号；

数字TR 组件：包含N 个独立的收/发通道，接收天线振子接收或者校准源发射的射频信号并解调为基带数字I/Q 信号，并传输给波束形成模块；将收到来自波束形成模块的基带数字I/Q 信号调制为射频信号传输给天线振子发射出去；

波束形成模块：收/发波束合成，实现接收和/差/控制加权算法，将N 路接收I/Q 信号合成为和/差/控制三个数字接收波束I/Q 信号输出给信号处理模块；实现发射和/控制加权算法，产生N 路发射I/Q 信号传输给数字TR 组件；

校准源：收/发内校准，接收TR 各发射通道输出的校准信号并完成解调、采样，传输给波束形成模块；完成校准信号的调制输出；

信号处理模块：信号处理FPGA 用于编码、数字信号的接收和转换、和/差/控制通道接收信号的校准补偿等；信号处理CPU 用于系统控制、校准补偿值的运算、与外部控制界面通信等；译码器用于目标数据的译码得到目标原始点迹。

1.2 相控阵二次雷达的波束形成原理

二次雷达天线为均匀直线阵列天线，并且采用和/差/控制三个波束进行应答信号的接收、采用和/控制两个波束进行询问信号的发射，其中和/差两个波束的接收/发射信号与目标的探测距离、方位精度直接相关。

其中ai为幅相加权系数，bi为幅相补偿系数，为相邻单元之间的馈电相位差，λ 为波长、d 为振子间距。

如图1所示，均匀直线阵列天线理论上的法向和/差波束方向图。

图1：理论上的天线法向-60°～+60°方向图

图2：外场校准环境搭建示意图

2 一种基于内/外校准结合的相控阵收/发校准方法

为了实现在外场使用环境下对天线阵列及各接收通道的幅相特性进行标定，本文提出一种基于内/外校准结合的相控阵收/发校准方法，需要进行接收外校准、接收内校准、发射内校准，最后运算得到接收外校准补偿系数、发射外校准补偿系数等，并将系数补偿到二次雷达收/发通道中，提高二次雷达的探测性能。

其中接收外校准需要搭建外部校准环境，如图2所示。

本文所提出校准方法包含以下4 个步骤：

2.1 完成接收外校准

按如图2所示搭建外校准环境，定向天线需要标定在阵列天线的法向轴上，由于阵列天线长度3～6m，依据天线测试远场要求，信号源距离阵列天线距离不小于400m。

将信号源设置到雷达主机当前设定的接收频率，打开信号源发射连续方波信号，周期4us，占空比50%。

控制雷达主机对阵列天线对应的N 个接收通道的接收信号进行采样，选择通道1 作为参考通道，计算得到其余通道的相对参考通道的相对补偿系数这里称为接收外校准补偿系数。

图3：接收通道未校准的天线法向-60°～+60°方向图

图4：接收通道校准补偿后的天线法向-60°～+60°方向图

2.2 完成接收内校准

控制内部校准源发射脉冲，数字TR 组件各通道同时接收，选择通道1 作为参考通道，计算得到其余通道的相对参考通道的相对补偿系数这里称为接收内校准补偿系数。

2.3 完成发射内校准

控制数字TR 组件各通道（1～N）依次发射脉冲，内部校准源接收，选择通道1 作为参考通道，计算得到其余通道的相对参考通道的相对补偿系数这里称为发射内校准补偿系数。

2.4 计算发射外校准补偿系数

得到校准通道耦合系数和天线补偿系数的固定关系：

采用上述方法，首次安装或者更换天线阵列后进行校准需开展步骤（1）～步骤（4）的校准工作，将作为收/发校准补偿系数实际使用，天线校准耦合系数作为常量保存，完成上述校准过程后，二次雷达便可以正常使用。

日常维护或更换数字TR 组件通道，更换完成后只需要再重新进行步骤（2）和步骤（3），得到新的接收内校准补偿系数和发射内校准补偿系数利用保存的天线校准耦合系数再计算新的接收外校准补偿系数和发射外校准补偿系数为

3 校准方法的实现和效果分析

由于在实际生产和安装过程中，不同天线振子和TR 收/发通道的幅相特性都存在差异，这种差异性将导致数字波束合成的效果与理论上存在较大的偏差，接收/发射通道未校准形成接收方向图如图3所示，可能造成形成的波束指向不准、辐射能量不集中，增益变小等问题，导致二次雷达测角精度变差、作用距离变短，影响正常使用。

所以在二次雷达的使用前需要对天线振子和TR 收/发通道的幅相特性进行校准，按照本文提出的方法完成校准后，得到一组接收通道校准系数和发射通道补偿系数。

在系统中完成接收/发射校准系数补偿后，测试形成的方向图如图4所示，和图1理论上的数字波束合成的效果比较，波束指向和波束增益得到了校准，可以很好地保证二次雷达的测角精度和作用距离等探测性能。

4 结论

本文中参与实验的相控阵二次雷达系统是基于FPGA 控制并由光纤通信传输控制命令，后端由powerPC 进行处理的高度自动化数字化相控阵天线系统。能实现精准控制幅相，精准控频并能实现多频点跳频测试。

本文为阵面结构较为复杂、覆盖介质不均匀的大型相控阵天线系统，如地面阵地、大型飞机、舰艇等返场测试成本非常高的项目提供了外场校准的工程实现可行性和经济性的解决方案。在保证测试有效性的条件下，解决了大型相控阵天线系统在安装后的校准、维护检修后状态恢复等问题，该方法经过不同频点，多个阵面的反复验证，以及在几年的使用中取得了良好的效果。文中所提及的相控阵二次雷达使用的均匀直线阵是相控阵天线系统中比较简单的一种，此方法还可以推广到各种平面阵列的校准上。但由于项目所限，未对平面阵列作验证。