射频光纤时延补偿技术在数字阵列雷达上行外监测中的应用

田晓英,李云飞,袁昌成,高留安

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153)



射频光纤时延补偿技术在数字阵列雷达上行外监测中的应用

田晓英,李云飞,袁昌成,高留安

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153)

在阐述外监测原理的基础上详细介绍了射频光纤时延补偿系统在数字阵列雷达上行外监测的应用。实验表明射频光纤时延补偿系统对光纤引入的幅相漂移量进行了很好的修正补偿,满足了数字阵列雷达的外监测需要。

数字阵列雷达;光纤时延;补偿;深消隐

0 引 言

外监测是一种常用的数字阵列雷达通道校准方法。但在实际上行监测应用中,由于T/R组件的发射功率较大,且相距监测组件较近,其泄露到监测组件的功率信号往往造成监测组件接收正常路径信号的干扰,影响其监测数据的准确性。本文在上行外监测中引入射频光纤时延补偿系统,在时间上屏蔽近端泄露信号,修正监测采集到的数据。该方法对阵面基本不作改变,能够满足上行通道的通道幅相测试要求,具有很好的应用性[1-2]。

1 上行外监测系统概述

上行监测时,T/R组件各通道依次发射大功率脉冲信号,经主天线阵元辐射,一部分通过监测阵元进入监测组件,而另一部分通过线缆和空间辐射泄露进入监测组件,从而成为监测组件的干扰信号,降低了监测组件对各通道幅相监测的准确性。常规监测系统框图如图1所示(不包含虚线部分)。

试验中,T/R组件上行通道辐射功率为47 dBm,主天线阵元与监测阵元的空间耦合度为51～87 dB,监测阵元接收到耦合信号范围在-40～-4 dBm。监测组件接收通道单次检测信噪比要求20 dB,因此要求外界干扰电平不得大于-60 dBm。由于辐射功率为47 dBm,所以T/R组件上行通道与监测通道接收端的隔离度要求达到107 dB。监测组件和T/R组件通过电源组件、时钟、本振、光纤等线缆间接相连,隔离度很难达到所需要的指标要求。经过测试,当T/R组件上行通道辐射时,监测组件收到的辐射干扰约-37～-74 dBm。干扰辐射值如图2所示。为了保证监测的准确性,在常规外监测系统引入射频光纤时延补偿模块(图1虚线部分所示),从而能够在时间上分开干扰信号与实际监测信号。

图1 监测系统框图

图2 监测组件受到的干扰幅度

2 射频光纤时延补偿技术

2.1 典型的射频光纤时延系统

光纤时延是指光信号经过一定长度的光纤传输后所产生的时间延迟。光纤时延系统主要包括光源、光电调制器、光电探测器和传输光纤等具有信号延迟功能的组合器件。光源LD发出的光信号受到射频信号RFin的调制,然后耦合到具有时间延迟功能的光纤媒介中,经由光电探测器PD检测后再转换成与调制信号频谱相同的射频信号RFout输出[3]。

图3 射频光纤时延系统组成框图

光信号延迟的时间与光纤长度成正比,假设光纤长度为L,光速为C,折射率为n,延迟时间为t,则t=n×L/C。由此可见,改变光纤长度能够调节延迟时间,其最长可延迟时间主要取决于光纤的衰减。对于普通的通用光纤,当光纤的衰减满足使用要求时,其最大可延迟时间可达200～300 μs。

经过射频信号调制后的输出光信号表达式为

I=I0[(1+Acos(ωft)]·cosω0t

(1)

式中,I为光强,A为幅度调制系数,ωf为RFin角频率,ω0为LD角频率。

其电场可表示为

(2)

式中c为激光器系数。

上式的复数表达式为

(3)

经过长度为L的光纤链路后,电场表达式为

(4)

其中

(5)

入射到光探测器内的功率为

经过光探测器后的输出电流为i=ηP,η为探测器的灵敏度。

当m比较小时,激光器光载波的c=0；A较小时,Km只考虑前3项,即K-1、K0、K+1,可推导出如下简化公式:

(7)

2.2 射频光纤时延特性

从公式(7)可以看出,光纤传输射频信号时,信号的幅度与相位都会发生变化,其中相位与延时成正比。此外,由于色散、环境温度、入射波长的变化也会带来信号幅度和相位的变化,尤其当光纤外部温度环境变化或自身散热条件不好时,光纤折射率变化较大,信号的相位发生很大漂移,造成监测时幅相数据不准确,降低了监测修正系数的准确度,造成雷达相参性能和波束合成性能下降,降低了雷达的灵敏度和EIRP。

实验中,射频光纤时延模块的相位随温度变化发生漂移,光纤越长漂移量越大。通过连续采集4个通道的相位,光纤相位漂移没有固定规律,具有较强随机性,如图4所示。

图4 射频光纤时延模块引入的相位漂移

2.3 光纤时延补偿原理

从图4可以看出,光纤传输射频信号时引入的相位漂移有较强随机性。这会造成解调信号相位失真。因此,需要采用必要的校准技术来补偿光纤的相位漂移,以减小光纤时延模块引入的随机误差对雷达系统的影响。引入光纤时延系统后,监测组件采集到的相位值是真值和光纤漂移引入误差值的叠加。通过一个固定的参考通道来进行标定校准,将参考通道相位变化值补偿给被测通道。

假设数字阵列雷达有512个通道,当进行上行监测时,T/R组件上行通道按顺序依次辐射,监测组件得到的相位Φi(i:1～512)。当第i个通道辐射后,参考通道辐射一次,监测组件得到相位θi(i:1～512)。射频光纤延时补偿系统工作原理框图如图5所示。

第i个通道光纤引入相位漂移量△i:

△i=θi-θ1

(9)

第i个通道相位真值Ψi为

Ψi=Φi-△i

(10)

图5 射频光纤时延补偿工作原理框图

2.4 光纤时延系统采集时序

射频光纤时延模块对监测信号进行延迟,保证T/R组件上行通道发射工作时序内被测通道工作在“深消隐”状态[4],将发射信号和接收从时间上分开,空间辐射及其他串扰信号不被采集。时序图如图6所示。

图6 采用射频光纤时延模块监测系统采集时序图

3 测试结果

控制某个通道连续单独发射,一段时间内,使用监测组件连续采集相位。试验结果表明相位跳变比较大,约±15°。使用光纤时延系统后,发射和接收时序分开,跳变变小,约±3°,在经过补偿修正后,通道值基本保持恒定,结果如图7所示。在远场上行外监测中,使用射频光纤时延补偿系统,修正前后数据比较结果如图8所示。

图7 比较结果

图8 远场上行监测相位结果比较

4 结束语

数字阵列雷达外监测通过射频光纤时延补偿模块将发射波形和接收波形从时间上分开,在发射监测工作时序内,被测通道工作在“深消隐”状态,并完成光纤幅相漂移自校准,保证监测数据的准确性。该方法具有实时性好、操作便捷、性价比高的特点,其工程实现可以很好地应用在在数字阵列雷达监测校准领域,具有很高的实际应用价值。

[1] 束咸荣.何炳发.相控阵雷达天线[M].北京:国防工业出版社,2007:317-340.

[2] 李迪.相控阵天线监测技术研究[D].南京理工大学硕士论文,2008.

[3] 黄波.射频信号光纤传输的幅相特性研究[J].现代雷达,2014,36(8).

[4] 夏琛海. 利用雷达自身设备实现有源相控阵天线监测与校准[D]. 南京理工大学硕士论文,2008.

Application of RF optical fiber delay compensation technology in uplink external monitoring of digital array radar

TIAN Xiao-ying, LI Yun-fei, YUAN Chang-cheng, GAO Liu-an

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Based on the theory of the external monitoring, the application of the RF optical fiber delay compensation system in the uplink external monitoring of the digital array radar is introduced in detail. The test results show that the amplitude-phase drift introduced by the optical fiber can be well corrected and compensated for the RF optical fiber delay compensation system, satisfying the requirements of the external monitoring of the digital array radar.

digital array radar; optical fiber delay; compensation; deep blanking

2016-09-10;

2016-10-08

田晓英(1984-)，女，工程师，硕士，研究方向：射频微波；李云飞(1982-)，男，工程师，硕士，研究方向：雷达信号处理；袁昌成(1983-)，工程师，硕士，研究方向：射频电路设计；高留安(1981-)，男，工程师，硕士，研究方向：有源面阵设计。

TN958.52

A

1009-0401(2016)04-0037-04