基于光纖延遲系統(tǒng)的數(shù)字陣列雷達(dá)幅相監(jiān)測與校準(zhǔn)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于光纖延遲系統(tǒng)的數(shù)字陣列雷達(dá)幅相監(jiān)測及校準(zhǔn)方法。該方法主要利用雷達(dá)陣面陣元與陣面監(jiān)測耦合陣元通過互相耦合的方式采集雷達(dá)陣面陣元所有上、下行通道的幅相數(shù)據(jù)，完成雷達(dá)陣面所有通道上、下行的幅相監(jiān)測，當(dāng)需要對陣面進行幅相修正校準(zhǔn)時，通過幅相監(jiān)測得到與出廠數(shù)據(jù)的差值，然后將差值修正后完成陣面上、下行的幅相校準(zhǔn)。該方法引入了光纖延遲系統(tǒng)將發(fā)射和接收從時間上分開，在發(fā)射監(jiān)測工作時序內(nèi)，被測通道工作在“深消隱”狀態(tài)，并完成光纖幅相漂移自校準(zhǔn)，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。該方法具有實時性好、操作便捷、良好的性價比特點，它的提出及工程實現(xiàn)在數(shù)字陣列雷達(dá)監(jiān)測校準(zhǔn)領(lǐng)域具有很高的實際應(yīng)用價值。
【專利說明】基于光纖延遲系統(tǒng)的數(shù)字陣列雷達(dá)幅相監(jiān)測與校準(zhǔn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于數(shù)字陣列雷達(dá)監(jiān)測與校準(zhǔn)方法，應(yīng)用于數(shù)字陣列雷達(dá)陣面的幅度相位監(jiān)測和校準(zhǔn)，提高數(shù)字陣列雷達(dá)幅相監(jiān)測與校準(zhǔn)的精度和可操作性。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，數(shù)字陣列雷達(dá)監(jiān)測校準(zhǔn)方法主要包括:平面近場校準(zhǔn)法、中場直接測量法、換相測量法、遠(yuǎn)場監(jiān)測法和內(nèi)監(jiān)測法。平面近場校準(zhǔn)法測試精確，但是需要笨重而精密的機械掃描架系統(tǒng)，效率很低；中場直接測量法和遠(yuǎn)場監(jiān)測法設(shè)備量小，但是需要在中場和遠(yuǎn)場假設(shè)輔助天線；內(nèi)監(jiān)測法由于其設(shè)備量大，導(dǎo)致可靠性降低，主要適用于小規(guī)模系統(tǒng)。
[0003]數(shù)字陣列雷達(dá)由許多個輻射單元組成，通過精心控制成千上萬輻射單元的幅度相位關(guān)系來形成所需要的波束形狀和指向。數(shù)字陣列雷達(dá)之所以優(yōu)于其他體制雷達(dá)，主要是靠天線波束掃描的靈活性、信號波形的捷變性及數(shù)字波束形成技術(shù)。然而雷達(dá)在實際應(yīng)用中生命周期比較長，在長期的使用過程中，相控陣天線各個通道之間不一致性會逐漸積累，系統(tǒng)誤差會不斷增大，當(dāng)誤差大到一定程度時，天線性能會明顯下降，對雷達(dá)整體性能有影響。因此需要能夠?qū)崟r的監(jiān)測每個通道的狀態(tài)，但是如果每次校準(zhǔn)都采用假設(shè)輔助天線的方式會增加校準(zhǔn)的難度且在艦上不易操作及實現(xiàn)。
[0004]該方法是一種光纖延遲系統(tǒng)的數(shù)字陣列雷達(dá)幅相監(jiān)測與校準(zhǔn)方法，需要設(shè)備量非常小，且對陣面基本不做改變，能夠滿足測試精度要求，故障診斷和隔離要求，具有良好的性價比。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種便捷的、可操作性強的數(shù)字陣列雷達(dá)的監(jiān)測與校準(zhǔn)技術(shù)，其具體是通過雷達(dá)陣面陣元與陣面監(jiān)測耦合陣元通過互相耦合的方式采集各個有源通道上、下行幅相數(shù)據(jù)，完成陣面所有通道上、下行的幅相監(jiān)測，并依據(jù)出廠數(shù)據(jù)實時完成陣面所有通道上、下行的幅相校準(zhǔn)。
[0006]架設(shè)遠(yuǎn)場監(jiān)測天線按照固定順序測試天線面陣所有上行通道已修正、未修正幅相數(shù)據(jù)；所有下行通道已修正、未修正幅相數(shù)據(jù)；同時，在外場路徑無干擾的情況下，利用陣面監(jiān)測耦合陣元按照固定順序測試天線面陣所有上行通道已修正、未修正幅相數(shù)據(jù)和所有下行通道已修正、未修正幅相數(shù)據(jù)；然后利用陣面監(jiān)測耦合陣元實時監(jiān)測陣面上、下行通道幅相數(shù)據(jù)，得到幅相變化值，通過幅相監(jiān)測得到與出廠數(shù)據(jù)的差值，然后將差值修正后完成陣面上、下行的幅相校準(zhǔn)。
[0007]本發(fā)明引入了光纖延遲系統(tǒng)，將發(fā)射信號和接收從時間上分開，保證發(fā)射監(jiān)測工作時序內(nèi)，被測通道工作在“深消隱”狀態(tài)，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。并且采用光纖自校準(zhǔn)方式將光纖自身的相位漂移引入的誤差校準(zhǔn)，保證采到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及有效性。
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為:
對陣面基本不做改變，設(shè)備量小，提高了數(shù)字陣列雷達(dá)在艦上監(jiān)測與校準(zhǔn)的可操作性；具有實時性好、操作便捷效果好的特點，便捷的實時實現(xiàn)雷達(dá)陣面的上、下行幅相監(jiān)測和校準(zhǔn)；滿足測試精度要求，故障診斷和隔離要求，具有良好的性價比。它的提出及工程實現(xiàn)在相控陣?yán)走_(dá)監(jiān)測校準(zhǔn)領(lǐng)域具有很高的實際應(yīng)用價值。
[0009]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]附圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)框架圖。
[0011]附圖2是本發(fā)明的雷達(dá)陣面上、下行相位校準(zhǔn)流程圖。
[0012]附圖3是本發(fā)明利用光纖延遲系統(tǒng)發(fā)射監(jiān)測時序圖。
[0013]附圖4是本發(fā)明實現(xiàn)光纖幅相漂移自校準(zhǔn)流程圖。
【具體實施方式】
[0014]本發(fā)明基于當(dāng)天線陣面加工好以后，其散射矩陣為恒定值，天線陣面的相互耦合特性就是恒定的，利用雷達(dá)陣面陣元與陣面監(jiān)測耦合陣元互相耦合的方式實現(xiàn)雷達(dá)陣面的上、下行幅相監(jiān)測。
[0015]上、下行幅相監(jiān)測實施具體步驟，系統(tǒng)框架參見附圖1:
上行幅相監(jiān)測步驟:
當(dāng)需要對天線面陣某路發(fā)射通道進行監(jiān)測時，由綜合控制及波束合成分系統(tǒng)通過光纖控制T/R組件其中一個發(fā)射單元工作，單刀雙擲開關(guān)切換至延遲系統(tǒng)，射頻信號經(jīng)天線面陣空間耦合至陣面監(jiān)測耦合陣元，經(jīng)過延遲系統(tǒng)物理延遲一段時間，然后進入監(jiān)測組件的接收通道，將射頻信號解調(diào)到零中頻，最后將I/Q數(shù)據(jù)通過千兆網(wǎng)絡(luò)交換機送給監(jiān)測計算機進行數(shù)據(jù)處理；
下行幅相監(jiān)測步驟:
當(dāng)需要對天線面陣某路接收通道進行監(jiān)測時，由綜合控制分系統(tǒng)通過光纖控制監(jiān)測組件發(fā)射支路工作，單刀雙擲開關(guān)切換至直通通道，經(jīng)過監(jiān)測陣元耦合天線輻射，微波信號經(jīng)一定空間耦合至天線面陣，面陣所有T/R組件的接收通道同時接收，再經(jīng)過下變頻至零中頻信號，最后將I/Q數(shù)據(jù)通過千兆交換機送給監(jiān)測計算機進行數(shù)據(jù)處理。
[0016]雷達(dá)陣面上、下行相位校準(zhǔn)流程圖實施具體步驟為，參見附圖2:
①通過架設(shè)遠(yuǎn)場監(jiān)測天線按照固定順序測試天線面陣上行數(shù)據(jù):天線面陣上行原始未修正數(shù)據(jù)9 、已修正數(shù)據(jù)9 ;得到天線面陣上行修正與未修正差值A(chǔ) 0 ；
②通過架設(shè)遠(yuǎn)場監(jiān)測天線按照固定順序測試天線面陣下行數(shù)據(jù):天線面陣下行原始未修正數(shù)據(jù)$ 已修正數(shù)據(jù)辛得到天線面陣下行修正與未修正差值A(chǔ)多；
③在外場路徑?jīng)]有回波干擾的情況下，利用陣面耦合陣元按照固定順序測試上行幅相原始未修正數(shù)據(jù)0 ；
④在外場路徑?jīng)]有回波干擾的情況下，利用陣面耦合陣元按照固定順序測試下行幅相原始未修正數(shù)據(jù)(①、②、③、④四步需要在天線面陣同樣的狀態(tài)下采集完成)
⑤可以推導(dǎo)出利用陣面耦合陣元按固定程序測試到的
上行輻射已修正數(shù)據(jù)為:9己修正I未修正+ "未修正；
下行接收已修正數(shù)據(jù)為 己修正_ ^未修正+ 未修正；⑥由⑤推導(dǎo)出的兩組數(shù)據(jù)為天線面陣的出廠數(shù)據(jù)，當(dāng)天線面陣經(jīng)過一段時間的使用后，通道間的相位不一致性會逐漸累積，可以通過利用陣面耦合陣元完成上、下行幅相監(jiān)測，當(dāng)不一致性達(dá)到一定程度時，需要進行校準(zhǔn)；
假設(shè)0未修正—°未修正、以未修正未修正；
TR組件上行通道相位修正補償系數(shù)為
9己修正_ 9未修正_ ( o 未修正_<7未修正)；
TR組件下行通道相位修正補償系數(shù)為
礦己修正_ ?未修正_ (a 1未r?正-w未修正)；
⑦將上、下行通道相位修正補償系數(shù)寫入FPGA中。
[0017]由于發(fā)射鏈路功率很大，監(jiān)測發(fā)射信號時，受到電纜空間輻射泄露及被測通道自身收發(fā)隔離的影響，監(jiān)測組件通道信噪比無法保證，為了保證發(fā)射測試有效、準(zhǔn)確地實施，引入光纖延遲系統(tǒng)，將發(fā)射信號和接收從時間上分開，保證發(fā)射監(jiān)測工作時序內(nèi)，被測通道工作在“深消隱”狀態(tài)，參見附圖3 ；
通過實驗室測試發(fā)現(xiàn)光纖自身的幅相隨溫度變化有漂移現(xiàn)象，光纖越長漂移量越大，且通過外場測試發(fā)現(xiàn)，光纖相位漂移完全受到外界環(huán)境溫度的影響，且沒有固定規(guī)律，因此如果使用光纖采集接收數(shù)據(jù)，必須將光纖自身的相位漂移引入的誤差校準(zhǔn)，才能保證采到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及有效性。
[0018]光纖幅相漂移自校準(zhǔn)方法實施具體步驟為，參見附圖4:
首先，假設(shè)相鄰兩次利用光纖采集的數(shù)據(jù)是沒有幅相漂移誤差的；當(dāng)完成一次采集陣面陣元數(shù)據(jù)后，就采集一次參考通道`陣元的數(shù)據(jù)，接著再采集下個陣面陣元數(shù)據(jù)；通過連續(xù)采集參考通道的幅相值，得到第N次采集與第一次采集的參考通道幅相差值，反應(yīng)出陣面采集第N個通道因為光纖引入的誤差值，然后將第N個通道的采集數(shù)據(jù)減去誤差值即完成校準(zhǔn)；
基于傳統(tǒng)的數(shù)字陣列雷達(dá)幅相監(jiān)測校準(zhǔn)方法，該方法能便捷的實時實現(xiàn)雷達(dá)陣面的上、下行幅相監(jiān)測和校準(zhǔn)，并且引入光纖延遲系統(tǒng)和完成了光纖幅相漂移自校準(zhǔn)，該方法能夠滿足測試精度要求，故障診斷和隔離要求，具有良好的性價比。有效地排查TR組件工作異常現(xiàn)象，保證數(shù)字陣列雷達(dá)工作的穩(wěn)定度與可靠性。
【權(quán)利要求】
1.基于光纖延遲系統(tǒng)的數(shù)字陣列雷達(dá)幅相監(jiān)測及校準(zhǔn)方法，其主要特征在于: (1)利用雷達(dá)陣面陣元與陣面監(jiān)測耦合陣元通過互相耦合的方式采集雷達(dá)陣面陣元所有上、下行通道的幅相數(shù)據(jù)，完成雷達(dá)陣面所有通道上、下行的幅相監(jiān)測；架設(shè)遠(yuǎn)場監(jiān)測天線按照固定順序測試天線面陣所有上行通道已修正、未修正幅相數(shù)據(jù)和所有下行通道已修正、未修正幅相數(shù)據(jù)；同時，在外場路徑無干擾的情況下，利用陣面監(jiān)測耦合陣元按照固定順序測試天線面陣所有上行通道已修正、未修正幅相數(shù)據(jù)和所有下行通道已修正、未修正幅相數(shù)據(jù)；然后利用陣面監(jiān)測耦合陣元實時監(jiān)測陣面上、下行通道幅相數(shù)據(jù)，得到幅相變化值，通過幅相監(jiān)測得到與出廠數(shù)據(jù)的差值，然后將差值修正后完成陣面上、下行的幅相校準(zhǔn)； (2)引入了光纖延遲系統(tǒng)，將發(fā)射信號和接收從時間上分開，保證發(fā)射監(jiān)測工作時序內(nèi)，被測通道工作在“深消隱”狀態(tài)，并且采用光纖自校準(zhǔn)方式將光纖自身的相位漂移引入的誤差校準(zhǔn)，保證采到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及有效性。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖延遲系統(tǒng)的數(shù)字陣列雷達(dá)幅相監(jiān)測及校準(zhǔn)方法，其特征在于: (1)雷達(dá)陣面每個陣元與陣面監(jiān)測耦合陣元間的耦合系數(shù)能夠保證所有下行接收通道工作在動態(tài)范圍內(nèi)，且信噪比≥20dB ； (2)光纖幅相漂移自校準(zhǔn)方法是在假設(shè)相鄰兩次利用光纖采集的數(shù)據(jù)是沒有幅相漂移誤差的基礎(chǔ)上完成的。
【文檔編號】G01S7/40GK103592639SQ201310585013
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月20日
【發(fā)明者】田曉英, 張金良, 陳文鋒 申請人:中國船舶重工集團公司第七二四研究所