双通道跟踪接收机的动态极化校相*

李增有，刘嗣勤

(解放军91550部队，辽宁 大连 116023)

双通道跟踪接收机的动态极化校相*

李增有*，刘嗣勤

(解放军91550部队，辽宁 大连 116023)

传统校相方法无法检测双通道单脉冲体制雷达极化失配问题。采用基于静态目标的动态极化校相方法，即在静态条件下，增加一个信标天线正交极化角校相环节，用于完成跟踪接收机和差信道的校相工作。数学模型的构建、仿真计算以及实测结果均表明，采用该方法可以准确识别双通道单脉冲体制雷达双通道极化失配问题，弥补了传统校相方法在检测跟踪接收机和差信道极化失配问题上的缺陷。

跟踪接收机；校相；极化失配；极化角

1 引 言

角跟踪是测控设备完成跟踪功能的基本前提，参试前系统标校的重点工作之一就是雷达系统的跟踪接收机校相。对于双通道比幅单脉冲跟踪体制雷达，接收信道相位的准确校正与稳定性是保证跟踪接收机在方位、俯仰两个轴向上定向灵敏度与线性度的基础。因此，如何确保准确校准该体制雷达系统下行信道相位，并确保其保持稳定，是雷达系统标校的关键[1]。无论船载雷达、车载雷达、固定式雷达，跟踪接收机校相工作通常都需要借助一个稳定的信号源，并需要满足远场条件。对于某些特殊的标校需求，如船载雷达的无塔标校问题，也都是遵循双通道幅值的模拟，从而完成所需的信道校相工作[1-2]。但是上述过程都是建立在整个雷达系统正常工作的前提下，并未考虑在信道和差路出现极化失配条件下的校相问题，而一旦出现失配问题，常规标校方法及相关文献所提出的特殊方法是无法完成准确校相的，在需要进行大姿态合作目标跟踪时，必然会发生雷达系统无法跟踪甚至飞车等严重故障。本文针对某典型双通道比幅单脉冲体制雷达在接收信道极化失配条件下所出现的跟踪飞车现象，从数学模型的构建、仿真计算、实测三个方面进行了详细阐述，并提出了基于静态合作目标动态极化的校相方法，实现了静态标校过程中发现并解决双信道极化失配功能。

2 常规校相方法及基本原理

跟踪接收机的校相过程就是对雷达系统接收和、差信道相位及增益进行调整和标定,使接收机和、差路的传输相位差为零,且链路增益为一合适值。双通道单脉冲跟踪体制天线跟踪原理如图1所示，天线电轴偏离目标A角时,天线馈源将产生差模信号，经跟踪接收机解调出方位、俯仰误差电压,并将误差电压送伺服跟踪位置环完成对空间目标的闭环跟踪[3]。图1中，d点为天线电轴指向点，c点为目标点，对应的误差电压分别为

(1)

(2)

式中:UA为方位误差电压,UE为俯仰误差电压,k为下行链路增益系数,A为天线电轴与天线到空间目标连线之间的夹角(偏离角度),θ为目标与方位轴夹角,Δφ为接收机和差链路相位差[1]。

图1 目标跟踪误差电压形成原理图

如公式(1)和公式(2)，跟踪接收机的校相过程就是调整和路的相位，并将Δ=φ归零的过程。如图1所示，常规校相[4]过程如下：

(1)根据雷达天线方向图和差波束特点，利用频谱分析仪，确定天线的电轴零点，即和路最大值(差路最小值)角度位置。此时，天线电轴应严格指向目标c点。在未完成跟踪接收机校相条件下，接收机输出误差电压应不为零。

(2)将天线电轴偏离目标一定角度A，对应的方位、俯仰误差电压如式(1)和式(2)，应分别为UA、UE。为便于说明，取特例θ角为零，即单方位轴标定，此时，方位、俯仰误差电压表达式为

(3)调整和路相位值(计算机自动移相)，取方位误差电压最大、俯仰误差电压为零的相位值，由第2步所述，此时，Δφ应为零。

(4)为保证校相结果的稳定性，可在俯仰轴上重复第2～3步，进行俯仰轴的标定。

(5)更换旋向(视雷达系统设计)，重复上述第2～3步。

(6)调整两个轴向的增益系数，以满足特定的定向灵敏度、交叉耦合需求。

上述方法是在线极化接收，左右旋和差路信道极化完全匹配条件下完成的。对于车载雷达或固定站/船载站，在转场或设备检修等环节，不可避免地要多次拆装馈线，期间如发生跟踪接收机线缆配置错误，将导致极化失配问题，如果仍按照上述方法进行常规标校，将无法及时发现问题，为试验任务的执行埋下重大隐患。

3 校相方法数学模型构建与仿真测试

动态极化校相方法的根本目的就是要在静态标校环节及时发现并排除双通道跟踪接收机的极化失配问题。

3.1 数学模型构建

依据无线电波极化原理，任一圆极化波可分解为两个正交的等幅线极化波，任一线极化波可分解为两个等幅极性相反的圆极化波。假定对于一特定旋向的圆极化波，结合图1，可分别设定和路水平分量、和路垂直分量、差路方位水平分量、差路方位垂直分量、差路俯仰水平分量、差路俯仰垂直分量分别为

Σh=AΣcos(wt+φ1h),

(3)

Σv=AΣcos(wt+φ1v),

(4)

Δah=kAcos(θ)cos(wt+φ2h),

(5)

Δav=kAcos(θ)cos(wt+φ2v),

(6)

Δeh=kAsin(θ)cos(wt+φ3h),

(7)

Δev=kAsin(θ)cos(wt+φ3v)。

(8)

式中:φ1h为和路水平分量初相，AΣ为分量幅值，φ1v为和路垂直分量初相，φ2h为差路方位水平分量初相，A为分量幅值，k为增益系数，φ2v为差路方位垂直分量初相，φ3h为差路俯仰水平分量初相，φ3v为差路俯仰垂直分量初相。

图2 圆极化波相位关系示意图

误差解调过程为

U=Σ·Δ=(Σh+Σv)·(Δah+Δav+Δeh+Δev)。

(9)

将式(3)～(8)代入式(9)，并滤除高频分量后可得到

(10)

双通道误差解调分为4种匹配状态，即和左差左、和右差右、和左差右、和右差左。根据前述左右旋极化波水平分量与垂直分量的相对相位关系，各项组合条件下的误差电压表达式可由式(10)得到：

和左差左U1=AΣAk[cos(θ)cos(φ1h-φ2h)+sin(θ)cos(φ1h-φ3h)]，

(11)

和右差右U2=AΣAk[cos(θ)cos(φ1h-φ2h)+ sin(θ)cos(φ1h-φ3h)]，

(12)

和左差右U3=AΣAk[cos(θ)sin(φ2h-φ1h)+ sin(θ)sin(φ3h-φ1h)]，

(13)

和右差左U4=AΣAk[cos(θ)sin(φ1h-φ2h)+ sin(θ)sin(φ1h-φ3h)]。

(14)

将上述关系式代入式(11)～(14)，可得到水平线极化条件下的误差电压表达式：

(15)

(16)

(17)

(18)

图3 误差电压解调示意图

依据上述推论，在雷达系统高频信道和差路信号出现极化失配时，常规标校方法仍可以完成正常标校，且标校结果并无异常。跟踪动态目标时，尤其是大姿态飞行目标时，由于极化角度变化显著(大于45°)，将导致跟踪接收机误差电压出现严重的交叉耦合甚至反相现象，严重影响雷达系统跟踪能力。

3.2 动态校相过程

基于合作目标的动态极化进行跟踪接收机的校相，基本过程如下：

(1)将合作目标发射天线(线极化)置于垂直极化状态；

(2)利用频谱分析仪校准跟踪天线的电轴零点，和路最大值(差路最小值)角度位置；

(3)方位或俯仰方向上单轴拉偏一定角度，调整和路相位值，使得方位或俯仰轴向误差电压取最大、对应俯仰或方位轴向误差电压取零；

(4)重复第3步，完成另一轴向标定；

(5)更换旋向，重复上述第3～4步；

(6)调整两个轴向的增益系数，以满足特定的定向灵敏度、交叉耦合需求；

(7)合作目标发射天线(线极化)置于水平极化状态；

(8)复核跟踪接收机4个象限定向灵敏度、交叉耦合。

上述方法与常规校相方法的区别在于进行了线极化合作目标的变极化复核过程。

3.3 仿真计算

选取和路右旋、差路左旋组合与和路右旋、差路右旋组合，进行仿真计算。由式(12)和式(14)，可分别将方位、俯仰误差电压解算公式表述如下：

URR_A=AΣAk[cos(θ)cos(φ1h+φ-φ2h-φ)+sin(θ)cos(φ1h+φ-φ3h-φ)],

(19)

(20)

URL_A=AΣAk[cos(θ)sin(φ1h+φ-φ2h+φ)+ sin(θ)sin(φ1h+φ-φ3h+φ)],

(21)

(22)

仿真结果如图4所示。设定θ角为45°，极化角在±200°范围内以5°步进。和差路同旋时，方位、俯仰误差电压保持恒定;和差路反旋时，方位、俯仰误差电压为正旋变化，极化角变化90°，方位、俯仰误差电压同时出现幅值反相现象，方位、俯仰定向灵敏度在极化角变化45°时，幅值在0与峰值间转换。以和左差右组合俯仰定向灵敏度为例，极化角为22.5°时，俯仰误差电压为0 V，极化角为67.5°时，俯仰误差电压为4 V，极化角为-22.5°时，俯仰误差电压为-4 V。

图4 动态极化误差电压仿真结果

3.4 实测结果

采用某线极化接收雷达、线极化信标构成实测环境。分别完成了信标天线在垂直线极化、水平线极化条件下的定向灵敏度标校工作。实测数据如表1所示，跟踪接收机在和差极化匹配条件下，极化角由0°～90°变化，定向灵敏度保持恒定500 mV；在和差极化失配条件下，水平极化(极化方向0°)，定向灵敏度为-500 mV，垂直极化(极化方向90°)，定向灵敏度为500 mV，即垂直极化与水平极化条件下，误差电压等幅反相。由此可见，实测数据与仿真结果一致。

表1 动态极化定向灵敏度测试数据

4 工程应用

本文所论述的校相方法，较传统的校相方法仅增加了变极化角的校相环节，但在工程应用中却具有显著的实用意义。尤其是以活动站为主的测控系统，采用该方法进行标校，往往可以发现测控装备潜在的极化失配隐患。以某大型测量雷达为例，在某次测试后，由于操管人员的失误，将高频接收机输出的双旋向和路信号反接。在后续的常规测试甚至校飞试验中，由于常规标校正常，而校飞试验合作天线为垂直线极化，飞机俯仰姿态角变化较小(小于±10°)，设备跟踪正常，极化失配问题也仍未得到及时发现和解决。试验任务中，由于大姿态跟踪(俯仰角大于45°)，雷达系统发生飞车故障。依据笔者调研情况，该问题在国内多个测控系统甚至厂家均发生过，而导致该问题的本质原因就是常规标校及校飞试验的正常结果掩盖了故障隐患。

5 结 论

飞行器试验往往是不可重复的，而雷达系统是保证飞行器测控任务的关键，简易、完善的校相方法是保证雷达系统跟踪能力的基础。本文所论述的基于合作目标的动态极化校相方法是对过往试验失败经验的总结，对于以活动站为主或者需要频繁拆装的测控系统，采用该方法可以有效避免人为失误所导致的雷达设备极化失配故障隐患，具有较高的推广应用价值。

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李增有(1976—) ，男，吉林白山人，1999年于东北大学获工学学士学位，2006 年于大连理工大学获工学硕士学位，现为高级工程师，主要研究方向为无线电测控技术;

Email:li_zeng_you@163.com

刘嗣勤(1984—)，男，辽宁大连人，2007年于海军航空工程学院获工学学士学位，现为工程师，主要研究方向为无线电测控技术。

Dynamic Polarization Phase Calibration of Dual-channel Tracking Receiver

LI Zengyou,LIU Siqin

(Unit 91550 of PLA,Dalian 116023,China)

The traditional phase calibration method cannot detect the double-channel monopulse radar polarization mismatch problem. The dynamic polarization phase calibration method based on the static target,which is under the static condition,adds a beacon antenna orthogonal polarization angle phase correction link to complete the sum and difference channel’s synchronous phase calibration of dual-channel tracking receiver.Construction of mathematical model,simulation and experimental results show that this method can accurately identify dual-channel monopulse radar's dual-channel polarization mismatch problem,make up defect of the traditional method phase calibration for detecting tracking receiver’s sum and difference channel’s polarization mismatch problem.

tracking receiver;phase calibration;polarization mismatch;polarization angle

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.04.017

李增有，刘嗣勤.双通道跟踪接收机的动态极化校相[J].电讯技术，2017,57(4):469-473.[LI Zengyou,LIU Siqin.Dynamic polarization phase calibration of dual-channel tracking receiver[J].Telecommunication Engineering,2017,57(4):469-473.]

2016-09-21；

2017-01-17 Received date:2016-09-21；Revised date：2017-01-17

TN95

A

1001-893X(2017)04-0469-05

*通信作者：li_zeng_you@163.com Corresponding author：li_zeng_you@163.com