利用雷达发射信号对接收阵列实时校正的方法

李春林 赵怀坤 吴琳拥

（四川九洲防控科技有限责任公司 四川省绵阳市 621000）

数字化阵列雷达的核心是DBF(数字波束形成)技术，利用数字方式同时产生多个独立可控的波束并使其同相叠加，在特定方向上能量最大并且形成天线方向图主瓣的技术[1]。其具有低副瓣、高信噪比、波束特征灵活可变、天线有较好的自校正能等特点[2]。

DBF雷达因为体制灵活而得到广泛应用，但DBF的性能直接受数字阵列校正结果的影响，因为数字阵列的发射通道和各个接收通道间相互独立，不可避免的存在幅相误差，利用DBF技术进行雷达目标检测，就必须对雷达的天馈系统中每个通道的幅度和相位进行校准，相控阵天线的快速测量和校准一直是相控阵天线研究的热门问题。目前主流的校准方法有近场测量法、旋转矢量法、互耦校准法、换相测量法等，以上测量方法的测量速度都不够快，一般用于相控阵天线研制阶段的验证校准工作，不能满足大量工程需求的测量校准[3-6]。而且为了使雷达在工作期间处于规定的技术范围内。还需要相应的手段定期和不定期的进行校正，确保在全寿命周期内的性能[7-8]。

本文主要结合雷达设计的实际应用，通过合理的通道设计和软件处理，直接利用雷达发射信号对接收阵列实时校正。

1 实时校正原理

实时校准的工作原理是采集外校正数据和内校正数据，计算出校正修正基准值，校正时，通过实时采集内校正数据，结合修正基准值完成接收通道校正。

1.1 内校正相位测量

为实现实时校正，在雷达每个正常探测目标的帧处理时间结束后，增加一个脉冲时序，作为校正时序，控制频综组件产生校正信号。校正信号由频综组件产生，校正信号经过功分后通过耦合电路，耦合到每个接收通道的最前端，实现对每个接收通道整个链路幅度和相位的实时监测，假如每个接收通道解算出的内校正幅度和相位信息分别为A1n(n=1:N)、θ1n(n=1:N)。

1.2 外校正相位测量

应在开阔、无干扰且满足远场条件的场地测量外校正相位，如图1所示。

外置信号源产生与雷达相同工作频点的点频连续波信号，采集每个接收通道的信号，计算每个通道的幅度和相位。

假如每个接收通道解算出外校正幅度和相位信息分别为A2n(n= 1:N)、θ2n(n=1:N)。

1.3 校正修正基准值

内校正能够测得从频综组件产生校正信号到DBF组件AD采样整个链路的幅度和相位信息，包含：频综组件到接收组件链路、接收组件内部链路、接收组件到AD采样链路。

外校正能够测得从天线组件到DBF组件AD采样整个链路的幅度和相位信息，包含：天线组件到接收组件链路、接收组件内部链路、接收组件到AD采样链路。

内校正与外校正的相位差为内外校正的路径差，可以得到频综组件到接收组件链路与天线组件到接收组件链路之间的相位差，由于这两个链路为无源器件，这个相位差为固定值。校正原理框图如图2所示。

图1：外校正原理框图

图2：校正原理框图

校正修正基准值是用于通道实时校正的基准数值，由幅度基准值An和相位基准值θn组成，其值计算公式为：

1.4 算法步骤

利用雷达发射信号对接收阵列实时校正方法的步骤为：

（1）利用外置信号源，采集外校正数据；

（2）计算每个外校正通道的幅度和相位；

（3）利用内校正信号，计算每个内校正通道的幅度和相位；

（4）一一对应，分别计算每个通道内校相位和外校正相位差值，该值为固定值修正基准值；

（5）在进行通道校正时，实时采集内校正信号的幅度和相位，然后与步骤（4）计算得到的修正基准值进行比较；

（6）步骤（5）计算出来的每个通道的幅度比值和相位差为该通道的校正值；

（7）将步骤（6）计算出的校正值发送到AD采样前端，完成每个通道的幅度和相位校正。

图3：理想方向图

2 算法仿真分析

下面通过仿真分析验证本实时校正算法的有效性和可靠性。仿真时，随机产生天线到接收机前端、接收机内部、接收机到DBF组件、校正信号的相位和幅度，其中接收机不同通道间的相位差是固定不变的。

假设某天线由32个接收阵元组成，阵元间距为半波长，则指向0°的单波束加窗后的理想方向图如图3所示。

从图3中可知，理想方向图的主副瓣比为40dB，波束宽度为4°。

图4：仅用内校正信号校正后的方向图

2.1 仅用内校正信号进行幅相校正

在仅用内校正信号进行校正时，对校正通道的幅度和相位进行校正，图4为仿真效果图。

从图4中可知，仅用内校正信号进行校正，副瓣只有10dB，波束指向也存在不确定的偏差，不但不能完成校正，还引入了校正通道本身幅度和相位误差，校正效果甚至会变差。

图5：采用本算法后的方向图

2.2 本算法的方法进行幅相校正

图5为采用本算法进行幅相校正后的方向图。

从图5中可知，采用本算法进行通道校正后，副瓣只有35dB，波束指向不存在偏差，能够完成实时校正。

3 结束语

在DBF体制的雷达中，通过外校正数据采集结合实时内校正的方式，在无需其他的资源耗费的情况下，可以快速、实时的对接收天线阵面进行校准，保证DBF的高质量形成理想的波束，并能克服随着温度、器件的个性差异导致的波束质量变换的情况。在某雷达的调试和实验过程中，实测结果表明，该校正方法具有测试过程简单、便于实现和操作、结果精度高等特点，实现了一种低成本的实时波束校准方法，对设备的全工作周期的精度保证、全寿命的周期维护十分有利。