相控阵雷达中相位误差分析及补偿方法

第 2期 2010年 4月 雷达科学与技术 Radar Science and Techno1ogY VoI_8 NO．2 April 2010 相控阵雷达中相位误差分析及补偿方法 张祖 伦 (中航工业雷达与 电子设 备研 究院 ，江苏无锡 214063) 摘 要 ：无论在有 源还是 无源相控阵 雷达 中，微 波在 传输路 径上 ，以及 通过 移相 器和 衰减器 的量化控 制过程 中都存 在一定的幅度和相位 的误 差。大部 分误差可以通过 多次迭代 配相配 幅的方 法得 到消除 ，但 由 于温度变化、移相器的线性误差和量化精度等带来的误差无法在配相和配幅中解决，该误差对波束指向精 度、旁瓣、波束赋形等相控阵的关键指标存在较大影响。因此对机载相控阵雷达研究中获得的扫描和控制 数据进行 分析 ，找 出误 差来源并提 出了有效的解决方 法。 关键 词 ：相控 阵雷达 ；移相 器；温度补偿 ；频 率补偿 ；随机馈相 ；方 向图 中图分类 号 ：TN958．92；TN957 文献标 识码 ：A 文章编号 ：1672—2337(2010)02 0095 06 1 引 言 相控阵雷达天线的波束扫描与传统的机 械扫 描天线相比具有极大的优越性。天线的电子波束 扫描不需要克服机械扫描 天线的扫描惯性 和扫描 运动系统的阻尼等不利 因素 ，因此 简化 了雷 达跟 踪算法，极 大地 提高了雷达 的跟踪 稳定性和灵 活 性。相控阵雷达天线能灵 活地实现单 行扫描 、多 行扫描、垂直扫描 、边扫描 边跟踪 以及 单 目标 、多 目标跟踪、空域稳定等多种扫描方式以及波束捷 变等功能。 我们在对 相控 阵雷 达 电子 扫描 的研 究过 程 收稿 日期 ：2009—11一l 7；修回El期 ：2OlO 03 1 9 中，通过无源、有源的多项实验和试飞获得 了一些 宝贵数据 ，供将来 进一步研究 和发展借鉴 。本文 对实验和试飞所获得 的相控阵扫描和波束控制数 据进行了 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 和分析，找出了理论值和实际数据 之间的误差 ，提出了补偿和消除办法，以提高电扫 精度和性能 。 2 相控阵雷达波束形成及扫描量化 效应 天线激励函数的随机误差对增益和辐射波瓣 都有影响，由于相位量化所产生的相控阵的特有 误差 ，以及 当这些 误差周期性 的出现时所产生 的 一 一一一一～～一 一 一 一一一一一一 ．一 ．暑r 一 咄 一 一 ～ ～一～一一一一 一 一 一～～～～一一 ～一 — P ～一一一一一一一一一 96 雷达科学与技术 第 8卷第 2期 波瓣对天线性能的影响，因此我们希望尽量减小 量化误差。为了使增益、副瓣和波束指向精度等 方面的性能最佳 ，要求移相器 的位数越高越好。一 个 k位移相器 ，其相位可以控制在所需要 的相位 值而剩余的误差为l_1] 最大相位误差 a一±7c／2 (1) 均方根相位误差 一7c／(√3×2 ) (2) 增益损耗 AG一 ===(1／3)丌 ／2。 (3) 从式(1)和(2)可知 ，一个 k位 的移相器产生 的理 论误差，其中 k越大理论误差越小 ，但 当移相器位 数和精度越高时其损耗也越大，目前相控阵系统 中大量使用的移相器一般为 6位。 2．1 量化误差 量化误差 在无源相控 阵中 由以下几个 方面 决定 ： ① 激励器的设计位数和精度 ； ② 铁氧体移相器的相移特性曲线的线性。 量化误差在有源相控阵中由以下几个方面 决定 ： ① 数字移相器和数字衰减器的位数 ； ② 数字移相器和数字衰减器的线性。 2．2 量化误差比较 对于一个 k位的移相器，最小步进 ． 一2 ／2 ， 其相位调整到所希望 的数值，最大误差a一4-丌／2 ， 移相器位数不同的误差比较如表 1所示 。 表 1 量化位数最大误差 比较表 目前无源相控阵系统中激励精度最高达 8位 的情况下，相移跨度 360。的波控总点数不满 256 点，在此采用高分辨率采码技术用 10位或 8位激 励脉宽去激励移相器，以获得最大限度逼近铁氧 体移相器特性的特性曲线，而在实际运用时降位 使用 ，这种运用 叫虚位技术 。而在有源系统 中移 相器是数字的，数字移相器 的位数就决定 了相移 精度 。因此它比无源铁氧体移相器减少了一次采 码误差。 2．3 温度效应 首先对移相器 的插入相移随温度的变化进行 观察 ，表 2为 4个移相器从一40~80℃温度变化时 所获得的插入相移实验数据。 表 2 不同温度下插入相移的比较 移相器 4O℃ 一2O 0℃ 20 C 4OC 6O℃ 8O℃ 1 128．7 64．0 — 7．7 — 51．8 — 103．3 — 148．9 165．1 2 143．5 83．4 25．9 — 34．1 — 82．3 — 133．2 — 176．5 3 139．4 82．4 18．3 — 39．6 — 86．0 — 138．3 176．7 4 135．1 78．7 22．9 31．0 — 82．0 — 131．7 178．9 从表 2可以看出，移相器的插入相移受温度变 化影响较大，但不同的被测件在同一温度变化情 况下，插入相移的变化量基本一致 ，这样为波控机 的温度补偿提供 了有利条件。 2．4 无源移相器相移量的温度特性 我们对铁氧体移相器做过大量的温度试验，温 度范围从一55～125℃。根据获得的实验数据分析， 温度对移相器的影响较大，在实际使用中需要波控 系统在对移相器进行一定的实验基础上进行补偿。 补偿算法可以根据部分被测件的温度变化规律拟 合出一条温度 曲线来补偿所有 的移相器 ，此种方 法的优点是比较简便，占据数据空间小；缺点是补 偿相位精度低。如果每一个移相器都选择 自己独 立的相移温度 曲线采集数据，每一温度点采集一 条相移曲线并存人数据空间，波控计算机在进行 温度补偿时直接采用查表法，此种方法 既节 约运 算时间又提高相位精度，缺点是采集数据工作量 大，增加了存储空间 ，增加了硬件开销。 2．5 有源系统中子阵的温度特性数据比较 图 1为某一有源 T／R阵列的相位随温度变化 的数据图 ，温度分别为 2O。C、50℃时的温度变化 曲 线图，其中横坐标为组件单元位号，纵坐标为相移 量。从图中可以看 出，温度在 20℃时平均相移量 在一49。左右，温度在 5O℃时相移量漂移到一64。附 近，平均相移漂移约为 l5。。因此 ，有源系统在 目 前的技术条件下要完全克服温度效应困难还 比较 大。所幸的是，该温度误差 可以通 过波控系统采 用温度补偿 的办法获得较好 的解决 ，当然这 同样 会增加波控计算机的硬件开销。 2010年第2期 张祖伦：相控阵雷达中相位误差分析及补偿方法 97 — 39．4 — 44．4 宣。9。 - 54 4 - 59．4 - 54．7 - 59．7 一 64 7 辈 - 69．7 - 74．7 ' ／1 ^^ ^一√、^八^ ^^^．厂 - _ j’ ￥ ；W 1iii『 l j I ’ I (a) 20℃时的相移曲线图 通道 (b) 50。C时的相移 曲线 图 图 l 同一子阵列在不 同温度下 的曲线 图 通道 3 频率特性 根据移相器在扫描过程中相移量的计算方法 可看 出频率对 相移量 的影 响。以下 为某阵元 ( ， )的相移量算法。 3．1 根据阵元相移量算法找出频率关 系 第 (IT／， )阵元相对阵面中心 0，波束指向 ( ， )的相位差 ： △ ( ， )一2~f／c×( ( )cos0}{sin B+ ( )sin0H) (4) 式中，_厂为频率 ；C为光速。 移相器最小相移量 △ ===27／2 (走为移相器 位数)。 (Ⅲ， )阵元 的波控码 ： c( ， )一 一厂(”) + (Ⅲ)卢 (5) 式中， a—dx× J ×2 cos0B singB (6) 口一 dy× J × 2 sin0H (7) 3．2 理论上的补偿算法 频率补偿 频率的变化只对(a， )有影响，a， 的增量如下 ： △a===d × × 2kCOS si“ (8) △ 一 dy× × 2 sin0B (9) L 式 中，△厂为频率增量。 频率补偿、温度补偿、随机馈相和天馈误差补 偿的总和用下式表示 ： C(m， )一Ef( )(a+△a)+f(m)(p+△ )+ (m， )+y( ， )+ (Ⅲ，”)] (10) 4 减少误差 的办法 目前我们通过大量 的实验数据 表明，改进 相 位和幅度的计算及控制精度，在设计加工完成后， 可以通过调试、补偿算法等方法减小误差，提高控 制精度和指向精度。 4．1 减小 △厂，增加频点数 从以上频率特性算法考虑 △厂越小算法越 准 ，但是相控 阵雷达 的工 作带 宽通 常都较 宽 ，减 小 af增加频点数将会增大波控系统的运算和 存储复杂程度，同时带来大量的调试工作量。例 如 ，l厂。--+-600 MHz的 工 作 带 宽 时 我 们 选 择 △-厂一 100MHz，此时的频点数设置为 13个点，相 应地每一个移相器对应每一个频点有一条相移特 性曲线 ，如图 2所示 ：通过增加频点数的频率补偿 方法可以有效地解决相控阵雷达高带宽的关键性 能，充分显示相控阵雷达的优越性。 波控码 图 2 移相器相 位随频率变化 曲线 图 4．2 采用数据抽取的方法 在 目前 的无 源相控 阵系统 中，当移 相器 的激 励精度为8位时相移量为360。，若波控算法按 7位 运算和 控制 ，则 波控 码 0～ 127对应 相移 量 0～ 357．1875。内，以 2．8152。为间隔的 128个相位点。 为提高精度，减小误差 ，需将这 128个波控码 与 8 98 雷达科学与技术 第8卷第2期 位的移相器激励码对应上。也就是在移相器特性 曲线上 ，截取线性较 好的一段，相位跨度 为 360。， 以截取的起始点相位为起始相位，按 2．8152。的步 进在曲线上选取最相近的 128个点与波控码 0～ 127对应且相移量满足 360。。图 3是抽取点的相 位与理想相位之间的误差，由图中可看出误差为 ±2。。这只是某个移相器的个例数据，这一误差 因 移相器个体的不同也会有所变化。数据抽取的方 法实际上是一种保证相移精度减小误差的虚位技 术的一种方法。 ： ／ _／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ．／ 20 40 60 80 100 120 140 渡控码 图 3 数据抽取的理想值 在数据抽取过程中采用误差门限设定值的算 法进行抽取，抽取 门限的设定要根据激励器 的激 励位数或激励脉宽决定，例如，使用7位波控算法， 但用 8位采集相移曲线数据，则抽取 门限应为 2．812。，如果满足 门限则抽取 ，否则丢掉 。当移相 器抽不出门限内的 360。，则该移相器不能使用，在 该方式下抽取数据的误差门限范围如图4所示。 2．0 1．5 I．0 0．5 0 蛔 -o· 簿 一1 ． 0 一 1．5 — 2．0 - 2．5 ： 《 i 。t0 i 醐 ⋯ l_』】 。 1 ：： ‘f Jr ．I ’⋯ I ： ： O 20 40 60 舳 100 120 140 波控码 图 4 抽取点的相位与理想相位之间的误差 4．3 采用虚位技术 不管是有源 T／R组件 的数字移相器还是无源 相控阵的铁氧体移相器，其对提高相移精度所带 来的设计和制造成本都是巨大的，在 目前的技术 条件下数字移相器 的位数一般为 6位。如果希望 继续提高移相器 的相移精度必 须增加量化位数 ， 增加量化位数除了会增加设计和制造成本外还会 增加信号的损耗。因此我们引入了虚位技术，在 进行波控码计算时采用 8位或 16位计算，在获得 最终计算结果后保留前6位，虚掉后面的位数。该 方法是提高波束指向精度和相移精度的最优途 径，目前的波控系统实现该功能是较为容易的，只 是增加了波控系统的计算量和存储容量。 4．4 引入随机馈相技术 在有随机馈相的情况下，第( ， )单元波控 码为 ， c 一 。 a+ 』9+y (11) ^ A A J 式中，)， 一丁／．AcP一．．I，且 △ 为第( ， )单元的相位 ra in 误差，取决于随机馈相值。 波控计算机在完成波束扫描的幅度相位等加 权的理论计算后，再引入随机馈相值迭代到理论 值上。图5为某一模型的实测数值在引人随机馈 相值后的一40。扫描角度的方向图，从图中可以看 出可以较好地改善方向图的特性(虚线为引人随 机馈相后的方向图)。 ／ ＼ ／ _ ' _ f n ● ● ● _ 『 。 厂、 ¨l { L¨ 计 ． }： ‘__ 一 - 80 —60 —40 —20 0 20 40 60 80 角度，(。) 图 5 方位一4O。时引入随机馈相后方向图的改善情况 4．5 在全工作温度范围内的温度补偿 在无源相控阵系统中功分网络采用的是波 导，它的相移量几乎不受温度的影响，但铁氧体移 相器材料对环境温度的变化比较敏感，相位将随 温度的变化而改变，在以上的温度效应的数据中 不难看出温度 的改变对相移 的影 响程度 ，因此在 无源系统中有必要对系统进行温度补偿。在有源 相控阵系统中，虽然数字移相器已解决了无源中 的铁氧体的材料随温度变化的不足，但功分网络 2010年第2期 张祖伦：相控阵雷达中相位误差分析及补偿方法 99 采用了微带，同样会受温度影响(如图 1所示)，但 影响程度不如铁氧体移相器的严重。因此在不能 保持整个阵列温度不变的情况下，常用的技术是 在阵列的不同位置放置温度传感器检测温度，然 后根据不同的温度修正移相器的相位数据。 设第 (m， )阵元的温度修正相位为 (z)， 一 40℃≤ t≤60。C，其归一化相位为 ： (￡)／ ⋯ (12) 5 波束指向精度分析 众所周知，目标的方向主要是通过单脉冲差 波束的零点来确定的，因此差波束的零点位置的 精确度是非常重要的。无论是有源相控阵的有限 位数字移相器 ，还是无源 相控 阵 的具 有一定精度 的激励函数所激励的铁氧体移相器，都存在量化 精度和量化误差的问题，所以差波束的零点位置 是移相器位数的函数 。设 N个单元等幅激励时，单 元间距为 d，则差波束的方向函数为 D( )一2j{sin[挈sin0一 ]+sin[ 丝sin0一I】f， ]+⋯+ inS1n[ Sl—nu— ]) (13) l————■——一 一 N／2 l 7 1．) ^ 对 于 零 点 在 的 差 波 瓣，则 方 程 简 化 为 ． N／2 sin 一 n，其中 为单元相位差，如 果相位增量等于最小相移步进量 2n／2 ，则零点位 移量为 弧度，即 d COSOo— a A 7c ／ ／』 厶 从这一函数中可以看出波束零点的位移量与 k有 关，k越大精度越高。根据这一理论，我们再比较一 下实际的指向精度变化情况。 角误差性能改善的实测数据分析 在实验室环境下雷达能稳定地搜索和跟踪 目 标，相控阵天线在不同角度下的指向误差极为重 要。跟踪方式时，将 目标固定在±1．2。内改变波束 指 ，采集雷达处理机解算的跟踪角误差数据， 再用 MATLAB作出图 6和图 7角误差 随波束指 向角的改变而变化的情况 。 从图 6可 以看 出，当 目标在 方位和俯仰均 为 0。时波束指向角的俯仰角度在一1．5。～+1。内变 化，方位和俯仰的角误差都在改变。按理论值，跟 踪俯仰角误差是不会改变的，这说明波束指向精 度不理想。 30 20 0 10 j{l1i 0 躲一1O 一 20 — 30 10一- 波束俯仰变化(目标方位0 俯仰0。) ＼ I： 嚣碧羹耋I ＼ ／ ＼ ／ 一／ 一 、==： — — ∥ 一 — ／ ＼ ＼ 、 波束角，(o) 图6 波束俯仰变化时跟踪角的误差变化图 f二 斋籀霜餐羹l ＼ 、 k ／ ＼ 。 ＼ ／ 一 — — — r一 一 ＼ — — — — — — ＼ ＼ 波束角，(。) 图 7 波束方位 变化时跟踪角 的误差 变化 图 从 图 7可 以看出，波束方位角变化时角误差的 俯仰也改变 。根据 以上 数据 的图示 分析 ：在 目标 固定的情况下，单独改变波束指向的方位或俯仰 角引起的跟踪角误差的俯仰或方位的改变，是由 于波束指向精度误差造成的。在无源相控阵雷达 系统中主要是移 相器 的基础相 位算法 的处理 ，以 及迭代配相次数不够无法使相位收敛等原 因造 成。同时以上实验数据是在采用 5位的波控算法， 移相器选取统一固定初始相移等情况下获得的， 这也是产生波束指向误差的主要因数。 在对波控系统 的硬件 、软件、算法等进行大 量改进的同时，采用了虚位技术、频率补偿、温度 补偿等综合因素后，获得跟踪方式下角误差数据 如图 8和图 9所示 。 jI{】{ ＼ I二蓦==名嚣碧囊耋l ＼ i＼ ＼ ＼ ＼ 盈＼ ＼ 、 波束角，(。) 图8 波束方位变化时跟踪角的误差变化图 1OO 雷达科学与技术 第 8卷第2期 {1{ij 媸 l— 位角误差 l 、 I——E ● 聍仰角误差 i ＼ 、 ＼ ‘ ＼ ＼ 波束角，(。) 图 9 波束俯仰变化时跟踪角的误差变化图 从图8可以看出，当目标在方位 30。、俯仰 0。 时波束的方位角在 3O。±1。内变化，方位角误差随 着变化 ，而俯仰角误差基 本不变。这可满足我们 的理论要求。 从图 9可以看出，当目标在方位 30。、俯仰 0。 时波束的俯仰角在±l。内变化，俯仰角误差随着变 化，而方位角误差基本不变。这符合我们以上论 述的理论要求 。 6 光技术在相控阵中的应用 随着各种新技术在相控阵中的使用，使得相 控阵技术不断得到发展，例如与波导、同轴电缆相 比，使用光纤的优点有很多。一是传输性能好，可 实现多信号的多路传输；二是光功率分配网络可 以很好地避免电磁干扰及各路信号之问的串扰； 三是光纤对温度变化的敏感较之同轴电缆与微带 线低一个数量级；四是光纤的传输速率高、损耗 低、带宽大、重量轻、体积小、可重置和便于远程控 制。如果将光纤的这些优点广泛应用到我们的机 载相控阵雷达上 ，就可以克服上述由温度 、频率等 效应带来的误差，使机载雷达的性能得到较大改 善。目前，国外光电技术在相控阵雷达系统中较 成熟的应用主要有：相控阵天线中的应用，波束形 成网络中的应用，采用光纤传输相控阵雷达的数 据和控制信号l4』，信号处理和数据处理中的应用， 相控阵校准系统中的应用 以及互连线和光学延迟 线的应用等 。在相控阵雷达系统天线方面正在发 展 的技术有微 波准光学有源阵列 天线、光控可重 置天线和未来理想的光子天线技术 。 7 数字波束形成及自适应技术 近几年来，数字波束形成的应用和实时 自适 应处理 的发展使机载相控 阵雷达的 自适应能力提 高到一个新水平。未来的信息化战场环境要求机 载相控阵雷达能在各种条件下 自适应工作，使雷 达与战场环境始终处于最佳的匹配状态。目前机 载相控阵雷达开始研究和应用下列几种技术 ：自 适应波束形成和调零、自适应波束控制、自适应旁 瓣对消、自适应波形和极化自适应。此外，在机载 相控阵雷达中，还采用 自适应频率捷变、自适应动 目标显示l5]、自适应工作方式选择、自适应恒虚警 接收和自适应航迹相关等技术，以提高机载雷达 发现／跟踪目标能力、抗干扰、可靠性等综合性能。 8 结束语 通过以上对相控阵雷达的温度特性、频率特 性以及量化理论分析计算所得结论与实测数据的 比较 ，找出了相控阵雷达波束形成与 电扫 的数据 误差原因，并通过数据抽取、虚位技术、随机馈相、 温度补偿和频率补偿等技术有效地提高了波束指 向精度等相控阵雷达的关键技术指标。随着有源 阵列、数字波束形成、超低旁瓣天线、大容量实时 处理、光电技术和微波单片集成电路(MMIC)等高 技术的迅速发展，机载相控阵雷达将会向一个崭 新的阶段发展 。 参考文献： [1]Skolnik M I．雷达手册(第 2版)[M]．北京：电子工业 出版社 ，2003． [23 HayKin S．信号与系统[M]．北京：电子工业出版社， 2004． [3]苏奎峰 ，吕强，耿庆峰，等．TMS320F2812原理与开发 [M]．北京 ：电子工业 出版社 ，2005． [4]支超有．机载数据总线技术及其应用[M]．北京：国防 工业 出版社 ，2009． [5]贺治华．毫米波雷达直升机旋翼回波匹配滤波研究 lJ]．雷达科学与技术，2008，6(3)：195—201． HE Zhi-hua． Research on Matched-Filtering of MMW Radar Echoes from Helicopter BladesEJ]．Radar Science and Technology，2008，6(3)：195—201．(in Chinese) 作者简介： _ 张祖伦 男，1965年9月出生，重庆 人，1989年于沈阳航空工业学院获学 士学位，现为中航工业雷达与电子设 备研究院高级 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师，主要从事雷达 波控和信号处理研究，曾多次获省部 级和国家级科技成果奖。 E—mail：lizhi607@ 126．corn