王李民,鄭啟寧,楊俊東

(1.海軍92493部隊(duì),遼寧葫蘆島125001;2.海軍航空兵學(xué)院,遼寧葫蘆島125001)

0 引言

單脈沖雷達(dá)由于測(cè)角精度高而得到廣泛應(yīng)用,其對(duì)和差通道中的相位一致性要求較高,因?yàn)槠渲苯佑绊憸y(cè)量精度,相位不平衡有可能造成測(cè)角靈敏度降低甚至測(cè)量結(jié)果完全失真。在設(shè)備交驗(yàn)過(guò)程中及重大任務(wù)前,都應(yīng)對(duì)和差通道相位的一致性進(jìn)行檢查,對(duì)于由于種種內(nèi)部和外部因素導(dǎo)致的一致性超差,應(yīng)及時(shí)分析誤差產(chǎn)生原因,并采用信號(hào)處理等方式加以補(bǔ)償,以保證測(cè)角精度。本文對(duì)某型火控雷達(dá)在工作中出現(xiàn)的相位跳變問(wèn)題進(jìn)行分析,闡述了影響雷達(dá)相位一致性的因素,并通過(guò)仿真分析了相關(guān)參數(shù)對(duì)雷達(dá)測(cè)角特性的影響。

1 振幅和差式單脈沖測(cè)角理論

單脈沖測(cè)角技術(shù)是通過(guò)比較兩個(gè)或多個(gè)同時(shí)天線波束的接收信號(hào)來(lái)獲得精確的角位置信息[1]。在跟蹤雷達(dá)中,單脈沖處理器輸出的角偏差誤差信號(hào)送入雷達(dá)天線的隨動(dòng)角伺服系統(tǒng),以驅(qū)動(dòng)天線向角誤差減小的方向運(yùn)動(dòng),從而使天線波束連續(xù)追隨目標(biāo)前進(jìn)[2]。

在振幅和差單脈沖雷達(dá)系統(tǒng)中,如圖1所示,為了確定一個(gè)平面內(nèi)的角坐標(biāo),就要形成兩個(gè)互相迭交的天線方向圖,并設(shè)它們的中心線對(duì)等強(qiáng)信號(hào)方向偏離的角度分別為±θs。在零軸上,兩波束圖幅度相等,當(dāng)目標(biāo)在A點(diǎn),并且從零偏離θ角時(shí),則低波束接收信號(hào)大于高波束接收信號(hào),兩個(gè)信號(hào)的幅度差即表示等強(qiáng)方向的偏移量,而兩個(gè)幅度之差的符號(hào)則表示等強(qiáng)方向相對(duì)于目標(biāo)的偏離方向。典型的單脈沖雷達(dá)接收機(jī)通常有和、方位差、俯仰差三個(gè)接收支路,并對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行歸一化處理。因?yàn)榛鹂乩走_(dá)在跟蹤目標(biāo)時(shí),目標(biāo)始終處于天線電軸附近,所以和信號(hào)的幅度近似地與目標(biāo)的偏差角無(wú)關(guān),僅隨目標(biāo)回波的大小而變,而且這種變化和、差信號(hào)都是一致的。通過(guò)對(duì)和、差信號(hào)進(jìn)行歸一化,差信號(hào)中回波幅度變化的影響便能較好地消除。和差方向圖如圖2所示。

圖1 振幅定向法中角坐標(biāo)的確定

圖2 和差方向圖

下面簡(jiǎn)要敘述單脈沖系統(tǒng)工作流程與原理。

設(shè)兩個(gè)分別與零軸方向偏離±θs的天線波束方向圖F1(θ)與F2(θ),當(dāng)目標(biāo)偏離等強(qiáng)信號(hào)方向的偏移量很小時(shí),天線第一支路和第二支路輸出的信號(hào)由以下兩式確定：

式中,Em為θ方向的目標(biāo)回波信號(hào)。

假定波導(dǎo)橋?qū)β势骄峙?則波導(dǎo)橋輸出的和信號(hào)及差信號(hào)分別為

現(xiàn)假定目標(biāo)的誤差角為ε,在跟蹤狀態(tài),ε很小,將Δ展開(kāi)成Talor級(jí)數(shù)并忽略高次項(xiàng),則

2 通道不一致影響

比幅單脈沖雷達(dá)的角度提取一般采用和差支路相位檢波,圖3給出了雙平面內(nèi)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行單脈沖定向的幅度和、差單脈沖系統(tǒng)原理框圖。

圖3 幅度和差單脈沖系統(tǒng)原理框圖

單脈沖天饋線形成的和、差信號(hào)通常要經(jīng)過(guò)高頻放大器、混頻放大器及中頻放大器再送到差路相位檢波器進(jìn)行處理,最終差支路鑒相器輸出可表示為(取實(shí)部)

式中,Σ及φΣ分別為輸入接收機(jī)和支路的模及相角;Δ及φΔ分別為輸入接收機(jī)差支路的模及相角;E為AGC的比較電平;KΣ1,KΔ1分別為和、差支路高頻放大器、混頻放大器及中頻放大器部分總增益的模,其總相移分別為φKΣ,φKΔ。從式(6)可以看出,相位差的存在會(huì)使測(cè)角靈敏度降低。

為了得到較高的測(cè)角精度,設(shè)計(jì)中一般盡量采用數(shù)字補(bǔ)相方法使φKΣ與φKΔ之間的相位差為0。由于種種內(nèi)部和外部因素,通道間的一致性很難得到保證,引起接收機(jī)相位不一致的原因有：

(1)零件很難嚴(yán)格按照給定的公差制造;

(2)零件在使用過(guò)程中不可避免地會(huì)老化,因而引起一些參數(shù)的變化;

(3)在設(shè)備的使用過(guò)程中,因個(gè)別元件的溫升使某些電路失調(diào)及失配;

(4)雷達(dá)可能會(huì)受到外界雜波的作用。

3 和、差通道相位不一致對(duì)測(cè)角精度的影響

為了分析通道相位差對(duì)雷達(dá)測(cè)角精度的影響,進(jìn)行如下仿真。仿真研究中天線方向圖用高斯函數(shù)近似：

從圖4可以看出,60°相位不平衡會(huì)引起定向曲線斜率變小,測(cè)角靈敏度明顯降低,同時(shí)從圖5還可以看出,10°相位不平衡對(duì)定向特性曲線幾乎沒(méi)有影響。

圖4 相位差為60°對(duì)測(cè)向曲線的影響

圖5 相位差為10°對(duì)測(cè)向曲線的影響

4 通道相位一致性改進(jìn)方法

雷達(dá)通道相位不一致對(duì)測(cè)角精度、跟蹤質(zhì)量都有直接的影響[3],因此一定要在必要的環(huán)節(jié)按一定的要求去控制相位差別。除了在設(shè)計(jì)時(shí)盡量保證各支路相位一致性外[4],還應(yīng)在使用過(guò)程中采用相應(yīng)的改進(jìn)方法[5],以保證系統(tǒng)的測(cè)量精度,改進(jìn)方法很多[6],本文主要從信號(hào)注入法和標(biāo)定法兩個(gè)方面作介紹。

4.1 信號(hào)注入法

將合成信號(hào)源的射頻輸出接天線方位(俯仰)測(cè)試信號(hào)注入口,用示波器接中頻接收機(jī)相干檢波和路信號(hào)與方位(俯仰)差路信號(hào)。改變射頻點(diǎn),在示波器上讀出每一點(diǎn)頻方位差(俯仰差)信號(hào)相對(duì)于和信號(hào)的相位延遲時(shí)間和信號(hào)周期,計(jì)算出每一點(diǎn)頻的相位差,利用信號(hào)處理方法對(duì)接收機(jī)三路通道進(jìn)行相位修正。

4.2 標(biāo)定法

在距離雷達(dá)站適當(dāng)距離處架設(shè)高度滿足要求的信號(hào)源(或用氣球托起反射體),以形成孤立的點(diǎn)目標(biāo),以標(biāo)定的電軸中心為參考點(diǎn),將天線方位和俯仰各拉偏1 mrad,讀取方位(俯仰)誤差,改變頻點(diǎn),記錄每一頻點(diǎn)的誤差,利用信號(hào)處理方法對(duì)接收機(jī)三路通道相位一致性進(jìn)行補(bǔ)償。

通過(guò)補(bǔ)償和修正,接收通道相位誤差都能控制在10°之內(nèi),能夠滿足雷達(dá)測(cè)角精度要求。

5 改進(jìn)方法效能分析

如果和通道與差通道之間存在相位不平衡,有相位差Δφ2,其影響主要反映在測(cè)角靈敏度的降低和天線電軸的漂移上。以某型雷達(dá)為例,由于微波接收機(jī)和路場(chǎng)放組件老化造成了相位差不穩(wěn)定,通過(guò)信號(hào)注入法對(duì)相位進(jìn)行校正。表1和表2分別是在和路場(chǎng)放更換前和更換后和路與俯仰支路相位差的變化情況。

表1 和路場(chǎng)放更換前數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 和路場(chǎng)放更換后數(shù)據(jù)對(duì)比

從表1可以看出,由于微波組件老化造成通道相位差變化最大達(dá)到45°,在更換相關(guān)組件并經(jīng)過(guò)相位調(diào)整后,通道相位差在10°之內(nèi),如表2所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了實(shí)際中應(yīng)用比較廣泛的振幅和差式單脈沖雷達(dá)測(cè)角特性,分析了通道相位不一致的影響因素,結(jié)合實(shí)例介紹了高頻器件老化造成和差通道相位差的變化情況。最后通過(guò)仿真模擬了誤差大小對(duì)定向曲線的影響,仿真結(jié)果表明,相位不平衡會(huì)極大地影響單脈沖雷達(dá)測(cè)角靈敏度,進(jìn)一步說(shuō)明了驗(yàn)前相位檢查的重要性。

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