多模馈源跟踪雷达幅相一致性标定研究

陈凤友，石一鸣

(解放军91550部队， 辽宁 大连 116023)



·天馈伺系统·

多模馈源跟踪雷达幅相一致性标定研究

陈凤友，石一鸣

(解放军91550部队， 辽宁 大连 116023)

以前的脉冲跟踪雷达幅相一致性标定过程繁琐、标定环境受限。多模自跟踪雷达建立了天线偏离角与输出角偏差信号大小关系的数学模型，通过获取被跟踪目标相对天线角度变化值以及角偏差电压变化值，形成了幅相一致性标定的新方法，对提高幅相标定效率、克服标定环境局限性等具有重要的应用价值。

多模自跟踪；幅相一致性；S曲线

0 引 言

在脉冲跟踪测量雷达中，为实现和保证伺服系统完成对目标角度的稳定跟踪，跟踪接收机的和差差三通道必须满足幅相一致性标定的要求[1]。对于靶场雷达，之前使用的幅相一致性标定方法首先需要在跟踪点目标标定时通过对方位和俯仰分别拉偏来实现，操作干预多、过程繁琐；其次，作为放球试验来讲受天气等因素的制约，如若天气条件不好，放球试验的效果将不能标定和验证，甚至无法进行跟踪点目标标定试验。对于多模馈源的脉冲跟踪测量雷达，建立偏离角与跟踪角偏差信号提取关系的数学模型，研究幅相一致性标定的新方法，对缩短幅相标定时间、提高效率、克服标定天气等环境局限影响等具有重要的使用价值[2]。

1 三通道接收机幅相一致性标定原理

在卡式天线结构中，多模馈源作为高增益聚集天线的初级辐射器，为主天线提供有效的照射，因而被看成天线的心脏。典型三通道靶场单脉冲跟踪测量雷达的接收机三个通道分别为和通道、方位差通道、俯仰差通道，为保证接收机三个接收通道的幅度及相位的一致性要求，通常的做法是对接收通道进行幅/相补偿，基本方法是把和通道作为比较基准，将方位差通道和俯仰差通道的幅度及相位数值分别补偿到与和通道一致[3-5]。因两个差通道一样，以一个差通道为例，设和通道数据为ΣI+jΣQ，差通道数据为ΔI+jΔQ，差通道信号经过幅相补偿后数据分别为ΔI补偿+jΔQ补偿，差通道的幅度补偿和相位补偿分别为K补、φ补，其补偿系数分别为KI+jKQ，所以，差通道幅相补偿量就可表示成

Δ补=K补exp(jφ补)=KI+jKQ

(1)

补偿后的信号可表示为

Δ补后=(ΔI+jΔQ)KI+jKQ

(2)

根据幅相补偿原则，补偿后的差通道信号应当等于和通道信号，而和通道信号正交采样IQ数据分别为ΣI、ΣQ，即

Δ补后=ΣI+jΣQ

(3)

向和、差通道输入等幅等相信号，计算幅相补偿系数。根据幅相补偿的概念，可得到如下公式

(4)

可求解得到差通道的幅相补偿系数为

(5)

(6)

2 脉冲雷达传统幅相标定流程

在传统幅相标定工作过程中，雷达天线对准目标后，在方位或俯仰方向对目标进行拉偏，进行二次采样平均计算以减少误差，一般正偏、负偏各1 mil(1 mil=0.025 4 mm)。拉偏时，雷达信号处理将模/数转换后的三通道IQ支路数据通过CPCI总线传至测量计算机，测量计算机幅相一致性标定软件采用平均统计法对这些数据进行处理，并按照上式的计算方法标定幅相补偿系数，其标定流程如图1所示。

图1 幅相一致性标定流程

由于伺服系统是通过偏置电压的设置量来实现对目标电轴的角度拉偏，其实际拉偏角度数值上不能严格地对应1 mil，需要结合微光电视的脱靶量来判断定向灵敏度是否满足1 V/mil 的指标要求。若不满足指标要求，则需根据定向灵敏度变化量计算定向灵敏度系数并手动输入。

3 多模馈源跟踪雷达幅相一致性标定

3.1 多模馈源跟踪雷达

单脉冲体制跟踪测量雷达是利用差模电磁场的天线接收方向图以轴向为零值、偏轴有幅度、相位极性的规律变化来实现角度的自动闭合跟踪，馈源能够同时获取用于保证稳定跟踪的方位和俯仰的角偏差信息，且对运动较快目标的跟踪具有实时性强、动态滞后小的特点。

高频接收机使用三个下行接收信道,分别传送和(Σ)信号、方位差(A)信号和俯仰差(E)信号。其中，和信号由和模(TE11)产生，差信号由差模(TE21、TM01、TE01)组合产生。采用上述模式的馈源由多模喇叭、圆极化器、和差网络等组成。根据和、方位、俯仰三路信号之间的比值，可实时解调出方位角与俯仰角偏离轴向角度，形成误差电压驱动天线运动保证雷达电轴对准目标，从而保持对目标的连续稳定跟踪。

3.2 跟踪角偏差信号的形成过程

该脉冲雷达接收右旋圆极化信号，目标在空间偏离轴向时产生偏差信号的原理如图2所示。其中，天线的辐射中心为O点，目标位置为P点，目标视轴方向为OP，天线电轴方向为OO′。OO′与OP的空间夹角θ，θ即为目标偏离天线电轴方向的空间角，φ为天线电轴与目标P点构成的平面与方位差波束的夹角。

图2 雷达角偏差信号的形成原理

当P点目标的信标信号为Us=Ue-jωt，与θ、φ无关。P点信号在馈源(正交模耦合器)激励起基模TE11，经过馈源和口输出，这是因为在圆波导中TE11模具有对天线轴向偶对称的方向性图。TE11模在馈源和端输出口为

UΣ(t)=Ucosωt

(7)

式中：ω为信号角频率。

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

式中：ka，ke分别为方位、俯仰通道的天线方向图差斜率。可根据天线方向图由下式计算得到

(15)

式中：k为方位或俯仰通道的归一化差斜率；θ0.5为和波束半功率波束宽度；Gm为和波束最大电平值；θ为方位面或俯仰面的角度值；GΔ为θ对应的差方向图电平值。

理想左旋圆极化来波可用下式来表示

(16)

根据天线互易原理，分别得到和、方位和俯仰的电压为

Us=Es·Ec=ej(rc-φ)

(17)

(18)

(19)

于是，可以分别得到方位和俯仰的角偏差电压为

(20)

(21)

式中：φa、φe分别为方位通道、俯仰通道相对和通道的相位差。

3.3 多模角偏差信号的形成原理

对于不同时刻雷达天线电轴相对目标的不同位置，可用坐标(θ,φ)表示。其中，方位方向偏开角度为θcosφ，俯仰方向偏开角度为θsinφ。设t1时刻雷达天线电轴相对目标位置为(θ1,φ1)，对应角偏差电压为(Va1,Ve1)；t2时刻雷达天线电轴相对目标位置为(θ2,φ2)，对应角偏差电压为(Va2,Ve2)。

t1～t2时刻，目标相对天线的移动角度为

(22)

当天线偏转一定角度后，由上式可得方位、俯仰角偏差电压为

(23)

通过差分，可以得到目标偏离天线的角偏差电压变化值为

(24)

将上式代入得

(25)

通过式(25)可求出方位及俯仰通道相对和通道的相位差φa和φe。

根据相位差关系及幅相补偿系数修正前后模不变的原则，可得

(26)

(27)

同理可得修正后的俯仰支路定向灵敏度系数LE′。

4 结束语

脉冲雷达的优势就是具有较高的测角精度，但这必须建立在实时校准的基础上，经过幅相一致性校准，测角精度基本能达到1%的波束宽度。而基于多模自跟踪体制，通过建立天线偏离角与角偏差信号关系的数学模型，获取目标相对天线角度变化值以及角偏差电压变化值，确定了幅相补偿系数新的计算方法。该方法应用于靶场实际工作中，可有效提高单脉冲跟踪测量雷达幅相一致性标定的精度和效率。

[2] 斯科尼克. 雷达系统导论[M]．3版．南京电子技术研究所, 译．北京: 电子工业出版社，2006． SKOLNIK M I. Introduction to radar system[M]. 3rd ed. Nanjing Research Institute of Electronics Technology, translate. Beijiing: Publishing House of Electronics Industry, 2006.

[3] 程 钧, 钟 岚. 单脉冲雷达系统幅相一致性自动化标定的实现[J]. 现代雷达, 2007, 29(4): 28-30. CHENG Jun, ZHONG Lan. Realization of automated calibration of indentity of amplitude and phase in mono-pulse radar[J]. Modern Radar, 2007, 29(4): 28-30.

[4] 宋石玉, 刘 咏. 单脉冲雷达海上幅相一致性标定方法初探[J]. 科学技术与工程, 2011, 11(9): 2114-2116. SONG Shiyu, LIU Yong. The primary measure of monopulse radar offshore amplitude-phase calibration[J]. Science Technology and Engineering, 2011, 11(9): 2114-2116.

[5] 梁士龙, 郝祖全. 单脉冲雷达的一种角误差提取方法[J]. 系统工程与电子技术, 2003, 25(1): 18-20. LIANG Shilong, HAO Zuquan. A method of angle error extraction for monopulse radar[J]. System Engineering and Electronics, 2003, 25(1): 18-20.

陈凤友 男，1975年生，高级工程师。研究方向为脉冲雷达总体技术。

石一鸣 女，1985年生，工程师。研究方向为脉冲雷达信号和数据处理技术。

A Study on the Calibration of Amplitude and Phase Consistency Based on the System of Multi-mode Tracking

CHEN Fengyou，SHI Yiming

( The Unit 91550 of PLA, Dalian 116023, China)

The previous calibration method of the amplitude and phase consistency, which is used on the monopluse radar, has some weak points, such as the performable process being complex and the calibrating environment being limited. Multi-mode tracking established a mathematical model of the relation between deviation angle and error voltage, through obtaining the variational value of deviation angle and error voltage, a new method is determined, which is used to calibrate the amplitude and phase consistency. It has important application value for improving the efficiency of the amplitude and phase calibration, as well as overcoming the limitation of the calibrating environment.

multi-mode tracking; amplitude and phase consistency; S curve

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.11.015

陈凤友 Email：dlchfy@sina.com

2016-08-17

2016-10-19

TN958

A

1004-7859(2016)11-0071-04