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基于光纖延遲系統(tǒng)的數(shù)字陣列雷達(dá)幅相監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)耦合陣元通過(guò)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(cè)，當(dāng)需要對(duì)陣面進(jìn)行幅相修正校準(zhǔn)時(shí)，通過(guò)幅相監(jiān)測(cè)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(shí)間上分開(kāi)，在發(fā)射監(jiān)測(cè)工作時(shí)序內(nèi)，被測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。該方法具有實(shí)時(shí)性好、操作便捷、良好的性價(jià)比特點(diǎn)，它的提出及工程實(shí)現(xiàn)在數(shù)字陣列雷達(dá)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)領(lǐng)域具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
【專利說(shuō)明】基于光纖延遲系統(tǒng)的數(shù)字陣列雷達(dá)幅相監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)和校準(zhǔn)，提高數(shù)字陣列雷達(dá)幅相監(jiān)測(cè)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(cè)校準(zhǔn)方法主要包括:平面近場(chǎng)校準(zhǔn)法、中場(chǎng)直接測(cè)量法、換相測(cè)量法、遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法和內(nèi)監(jiān)測(cè)法。平面近場(chǎng)校準(zhǔn)法測(cè)試精確，但是需要笨重而精密的機(jī)械掃描架系統(tǒng)，效率很低；中場(chǎng)直接測(cè)量法和遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法設(shè)備量小，但是需要在中場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)假設(shè)輔助天線；內(nèi)監(jiān)測(cè)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(gè)輻射單元組成，通過(guò)精心控制成千上萬(wàn)輻射單元的幅度相位關(guān)系來(lái)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(hào)波形的捷變性及數(shù)字波束形成技術(shù)。然而雷達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中生命周期比較長(zhǎng)，在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，相控陣天線各個(gè)通道之間不一致性會(huì)逐漸積累，系統(tǒng)誤差會(huì)不斷增大，當(dāng)誤差大到一定程度時(shí)，天線性能會(huì)明顯下降，對(duì)雷達(dá)整體性能有影響。因此需要能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)測(cè)每個(gè)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(huì)增加校準(zhǔn)的難度且在艦上不易操作及實(shí)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(cè)與校準(zhǔn)方法，需要設(shè)備量非常小，且對(duì)陣面基本不做改變，能夠滿足測(cè)試精度要求，故障診斷和隔離要求，具有良好的性價(jià)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(qiáng)的數(shù)字陣列雷達(dá)的監(jiān)測(cè)與校準(zhǔn)技術(shù)，其具體是通過(guò)雷達(dá)陣面陣元與陣面監(jiān)測(cè)耦合陣元通過(guò)互相耦合的方式采集各個(gè)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(cè)，并依據(jù)出廠數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)完成陣面所有通道上、下行的幅相校準(zhǔn)。
[0006]架設(shè)遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)天線按照固定順序測(cè)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(shí)，在外場(chǎng)路徑無(wú)干擾的情況下，利用陣面監(jiān)測(cè)耦合陣元按照固定順序測(cè)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(cè)耦合陣元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)陣面上、下行通道幅相數(shù)據(jù)，得到幅相變化值，通過(guò)幅相監(jiān)測(cè)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(hào)和接收從時(shí)間上分開(kāi)，保證發(fā)射監(jiān)測(cè)工作時(shí)序內(nèi)，被測(cè)通道工作在“深消隱”狀態(tài)，保證監(jiān)測(cè)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(diǎn)為:
對(duì)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(cè)與校準(zhǔn)的可操作性；具有實(shí)時(shí)性好、操作便捷效果好的特點(diǎn)，便捷的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)陣面的上、下行幅相監(jiān)測(cè)和校準(zhǔn)；滿足測(cè)試精度要求，故障診斷和隔離要求，具有良好的性價(jià)比。它的提出及工程實(shí)現(xiàn)在相控陣?yán)走_(dá)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)領(lǐng)域具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
[0009]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)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(cè)時(shí)序圖。
[0013]附圖4是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)光纖幅相漂移自校準(zhǔn)流程圖。
【具體實(shí)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(cè)耦合陣元互相耦合的方式實(shí)現(xiàn)雷達(dá)陣面的上、下行幅相監(jiān)測(cè)。
[0015]上、下行幅相監(jiān)測(cè)實(shí)施具體步驟，系統(tǒng)框架參見(jiàn)附圖1:
上行幅相監(jiān)測(cè)步驟:
當(dāng)需要對(duì)天線面陣某路發(fā)射通道進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，由綜合控制及波束合成分系統(tǒng)通過(guò)光纖控制T/R組件其中一個(gè)發(fā)射單元工作，單刀雙擲開(kāi)關(guān)切換至延遲系統(tǒng)，射頻信號(hào)經(jīng)天線面陣空間耦合至陣面監(jiān)測(cè)耦合陣元，經(jīng)過(guò)延遲系統(tǒng)物理延遲一段時(shí)間，然后進(jìn)入監(jiān)測(cè)組件的接收通道，將射頻信號(hào)解調(diào)到零中頻，最后將I/Q數(shù)據(jù)通過(guò)千兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)送給監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；
下行幅相監(jiān)測(cè)步驟:
當(dāng)需要對(duì)天線面陣某路接收通道進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，由綜合控制分系統(tǒng)通過(guò)光纖控制監(jiān)測(cè)組件發(fā)射支路工作，單刀雙擲開(kāi)關(guān)切換至直通通道，經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)陣元耦合天線輻射，微波信號(hào)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(shí)接收，再經(jīng)過(guò)下變頻至零中頻信號(hào)，最后將I/Q數(shù)據(jù)通過(guò)千兆交換機(jī)送給監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)進(jìn)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(shí)施具體步驟為，參見(jiàn)附圖2:
①通過(guò)架設(shè)遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)天線按照固定順序測(cè)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(guò)架設(shè)遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)天線按照固定順序測(cè)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(chǎng)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(cè)試上行幅相原始未修正數(shù)據(jù)0 ；
④在外場(chǎng)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(cè)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(cè)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(guò)一段時(shí)間的使用后，通道間的相位不一致性會(huì)逐漸累積，可以通過(guò)利用陣面耦合陣元完成上、下行幅相監(jiān)測(cè)，當(dāng)不一致性達(dá)到一定程度時(shí)，需要進(jìn)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償系數(shù)寫入FPGA中。
[0017]由于發(fā)射鏈路功率很大，監(jiān)測(cè)發(fā)射信號(hào)時(shí)，受到電纜空間輻射泄露及被測(cè)通道自身收發(fā)隔離的影響，監(jiān)測(cè)組件通道信噪比無(wú)法保證，為了保證發(fā)射測(cè)試有效、準(zhǔn)確地實(shí)施，引入光纖延遲系統(tǒng)，將發(fā)射信號(hào)和接收從時(shí)間上分開(kāi)，保證發(fā)射監(jiān)測(cè)工作時(shí)序內(nèi)，被測(cè)通道工作在“深消隱”狀態(tài)，參見(jiàn)附圖3 ；
通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(zhǎng)漂移量越大，且通過(guò)外場(chǎng)測(cè)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(méi)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(shí)施具體步驟為，參見(jiàn)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(méi)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(gè)陣面陣元數(shù)據(jù)；通過(guò)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(gè)通道因?yàn)楣饫w引入的誤差值，然后將第N個(gè)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(cè)校準(zhǔn)方法，該方法能便捷的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)陣面的上、下行幅相監(jiān)測(cè)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(cè)試精度要求，故障診斷和隔離要求，具有良好的性價(jià)比。有效地排查TR組件工作異?，F(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(cè)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(cè)耦合陣元通過(guò)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(cè)；架設(shè)遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)天線按照固定順序測(cè)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(shí)，在外場(chǎng)路徑無(wú)干擾的情況下，利用陣面監(jiān)測(cè)耦合陣元按照固定順序測(cè)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(cè)耦合陣元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)陣面上、下行通道幅相數(shù)據(jù)，得到幅相變化值，通過(guò)幅相監(jiān)測(cè)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(hào)和接收從時(shí)間上分開(kāi)，保證發(fā)射監(jiān)測(cè)工作時(shí)序內(nèi)，被測(cè)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(cè)及校準(zhǔn)方法，其特征在于: (1)雷達(dá)陣面每個(gè)陣元與陣面監(jiān)測(cè)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(dòng)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(méi)有幅相漂移誤差的基礎(chǔ)上完成的。
【文檔編號(hào)】G01S7/40GK103592639SQ201310585013
【公開(kāi)日】2014年2月19日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所