脈沖雷達幅相一致性快速標定方法研究

（大連91550部隊92分隊，116023）

脈沖雷達幅相一致性快速標定方法研究

盧長海

（大連91550部隊92分隊，116023）

脈沖雷達對幅相一致性要求較高，在任務前需要對雷達幅相一致性進行標定。本文介紹了幅相特性不平衡的影響，給出了幅相不平衡標定原理及方法。由于相位一致性標定均需要標校塔和信號源的支持，分析了常用的無塔校相方法，提出了在無塔條件下利用模擬器進行幅相一致性的快速標定。

單脈沖；幅相一致性；模擬器

0 引言

單脈沖雷達因其測角精度高，適用于反射式工作方式，因而得到廣泛的應用。但是，單脈沖雷達要求在動態范圍內幅相特性要一致，和差通道幅相特性的不一致性對測角精度會產生影響，嚴重時甚至會無法實現角度跟蹤，導致目標丟失。我們通常所講的幅相特性一致性，主要是對接收機的和、差通道而言的，一般要求幅度差不大于±1.5dB，相位差不大于±15°,因此任務前需要對脈沖雷達進行幅相一致性標定，以減小和改善幅相特性的不一致。

1 幅相特性不平衡的影響

1.1 對測角的影響

振幅和差式單脈沖系統中，若和差通道存在幅度不平衡，將引起電軸漂移，影響測角靈敏度和測角精度。比較器前出現相移，將會使零值“抬高”，減小零值深度，使相位檢波器中電軸的相位階躍反轉變成緩慢反轉，使得測角特性曲線斜率變小，降低了單脈沖雷達系統測角靈敏度，但對測角精度沒有影響。

1.2 對改善因子的影響

理想情況下，相干接收機中的I、Q兩路相干檢波器在相位上嚴格相差900正交，在幅度上它們是相等的，但在實際接收機中，由于各種原因是難以達到的，因此在幅度和相位上會有誤差，分別以ΔA，Δθ表示。兩路正交信號表示為

式中：EI，EQ為兩路正交輸出直流分量；A為理想情況下的信號幅度；θ為信號的初始相位；fd為多普勒頻率；ΔA為幅度不一致百分比；Δθ為相位不一致因子。I、Q幅相不一致對改善因子IdB的限制，如圖1所示。由于在技術上控制相干檢波器的相位誤差比控制其幅度誤差更困難，因此對改善因子限制在-30dB時，Δθ=3%，ΔA≤3%。

2 幅度相位補償原理

圖1 幅相不一致對改善因子影響

在振幅和差式單脈沖體制中，和差比較器Δ端輸出的高頻角誤差信號還不能控制天線跟蹤目標，必須變換成直流誤差電壓，其大小與高頻角誤差的振幅成比例，極性應由高頻角誤差的相位決定，和信號為基準信號，輸出誤差電壓為：

式中：AΔ位差信號幅度，AΣ為和信號幅度，φ為和差信號之間的相位差。

當φ=0時為正極性，φ=π時為負極性，電壓幅度與目標誤差角ε成比例，正負極性反應了目標偏離天線軸線的方向，相位檢波器輸出視頻脈沖幅度u與目標誤差角ε關系曲線，稱為角鑒別特性（S曲線）。幅相一致性標定就是要把這個相位差控制到0°或180° 。

文獻[3]中利用脈沖雷達和通道、方位差通道、俯仰差通道I、Q數據，數據處理計算機根據計算出系統幅相一致性的相位補償量和幅度補償量，計算結果送信號處理系統，根據補償量對和通道、方位差通道、俯仰差進行修正補償，如圖2所示。

圖2 通道幅相一致性補償

I：和支路I通道數值

Q：和支路Q通道數值

IA：方位支路I通道數值

QA：方位支路Q通道數值

IE：俯仰支路I通道數值

QE：俯仰支路Q通道數值

即：方位差通道幅度相對于和通道的補償量為復數S/SA的實部，其相位補償量為復數S/SA的虛部。俯仰差通道補償原理同方位差通道，只需將方位、俯仰差兩通道信號復乘各自對應的補償量，即可完成系統幅相一致性標定。

該方法幅相一致性標定需要借助塔信源，讓方位、俯仰通道利用雷達命令位置功能分別偏置1mil（密位）來統計幅度和相位的補償量，最后將左右、上下多次測試結果取平均值，最終取得方位、俯仰通道的補償值。

針對幅度的標定，統計噪聲發也是常用的標定方法，操作步驟原理如下：

三路幅度一致性測試補償量的計算如下：

將AGC/MGC置為0dB，將距離波門置于遠區噪聲處，通過統計和∑、方位ΔA、俯仰ΔE三路噪聲信號I、Q值，計算三路幅度補償值（dΣ，dΔA，dΔE）

相位一致性的標定，需要偏開塔信源一定角度，通過統計方位、俯仰與和路間的相位差，計算方位相位補償值Ac與俯仰相位補償值Ec，可通過多次計算確認相位補償值的準確性。

以上方法均能實現幅相一致性的標定，在實際應用中均得到滿意的結果，兩種標定原理都需要塔信源的支持，第二種方法幅度一致性標定可以單獨完成，但相位一致性標定需要標校塔和信號源的支持。對于雷達應急保障來講，建塔及維護成本較高，有些測量站點選址困難，因此無塔校相的研究是雷達應急標定的研究方向。在文獻[4]中提出了釋放標定球利用微光電視加偏跟蹤的方法；文獻[5]中分析校相過程引入誤差的原理，再利用合適的濾波方法，將不穩定因素濾除，進而得到不穩定條件下的穩定正確相位；文獻[6]中提出了利用射電星校相得解決思路。對于我們雷達來講，由于天線口徑小，射電星信號微弱，所以不適用。釋放標定球的確能解決無塔校相的問題，但操作過程費時費力，也不滿足快速標定的目的；文獻[5]中也需要校相信號源的支持，對于配備目標模擬器的雷達來說也不是備選方案，因此利用目標模擬器實現快速標定是最佳選擇。

3 利用模擬器進行快速標定

單脈沖雷達有激勵源工作模式和模擬器工作模式，在模擬器工作模式下可以完成距離搜索、跟蹤、信號幅度提取，用于調整雷達狀態和跟蹤捕獲訓練。模擬器提供射頻模擬信號直接在天線及饋線單元后端定向耦合器輸入，如圖3所示。采用模擬器模擬電軸置偏量可以完成接收通道幅相一致性參數標定，標定原理如公式（6）。由于天線與饋線單位是無源器件，長時間使用幅相參數變化微小，因此通過完整通道的幅相補償參數和模擬器標定的幅相補償參數可以確定出天線及饋線單元的幅相補償參數，將天線饋線的幅相補償參數作為一個固定值，在用模擬器自動補償過程中進行二次修正，最終可以實現利用模擬器對雷達進行幅相一致性標定。在文獻[7]中實際驗證，在相同的情況下，對塔標定與利用模擬器無塔標定，輸出的誤差電壓差值很小，通過試驗驗證了利用模擬器無塔標定能確保雷達設備正常工作。采用模擬器快速進行幅相一致性標定后，雷達進行跟蹤國際空間站試驗，在理論彈道引導條件下，雷達捕獲跟蹤正常，試驗結果滿足雷達技術指標要求。

4 結論

本文介紹了脈沖雷達幅相一致性標定的原理及流程，并提出兩種脈沖雷達幅相一致性標定的方法。經試驗驗證，兩種方法所標定出的接收通道幅相補償參數可以滿足脈沖雷達跟蹤快速目標的需要。兩種方法的相位一致性標定均需要標校塔和信號源的支持，針對無塔情況下快速標定現實需求，結合雷達自身特點，研究了利用模擬器進行快速幅相一致性標定的方法，其原理與方法一相同，經過實際標定驗證，滿足雷達快速幅相一致性標定的要求，下一步針對標定精度進行深入研究。

[1] 袁永根.單脈沖測量雷達培訓教材[M].南京：南京十四所.1994.

[2] 楊萬海。雷達系統建模與仿真[M].北京：西安電子科技大學出版社.2007.

[3] 程鈞,鐘嵐.單脈沖雷達系統幅相一致性自動化標定的實現[J].現代雷達.2007.4

[4] 毛南平,徐昌慶,張忠華.船載測控雷達海上無塔校相技術[J].成都：電訊技術.2004

[5] 劉童嶺,邵長寶,周成剛.船載雷達無塔動態相位標校方法研究[J].科學技術與工程. 2011.8

[6] 仇三山,汪遠玲,楊洪軍.深空測控系統跟蹤接收機射電星校相的可行性分析.電訊技術.2010.8

[7] 陳大慶等.基于模擬器的單脈沖雷達幅相修正方法研究[J].飛行器測控學報 2012.4

盧長海.1977年10月.工程師.從事無線電測量相關工作.碩士研究生

Study on amplitued-phase consistency fast calibration method of Pulse radar

Lu Changhai
(Unit 91550 of PLA,Dalian,116023,Chian)

Pulse radar for amplitued-phase consistency demand is higher,before the task needs to be calibrated radar’s amplitued-phase consistency.This paper introduces the influence of unbalanced amplitude phase characteristics,gives the principle and method of amplitude-phase imbalance calibration.Due to phase consistency calibration all need the support of the calibration tower and signal source,Introduced no tower phase consistency calibration analysis commonly used methods,proposed under the condition of no tower by simulators for fast calibration of amplitued-phase consistency.

monopulse;amplitued-phase consistency;simulator

圖3 激勵信號和模擬信號信息流程