先登飛

摘要：為了提高寬帶干涉儀測(cè)向系統(tǒng)的測(cè)向精度，提出了一種動(dòng)靜結(jié)合的干涉儀通道相位校準(zhǔn)方法。將干涉儀測(cè)向系統(tǒng)劃分為校準(zhǔn)電路單元和測(cè)向電路單元，采用事先對(duì)校準(zhǔn)電路單元相位參數(shù)靜態(tài)測(cè)量獲取各通道準(zhǔn)確的相位參數(shù)表，再結(jié)合該參數(shù)表完成測(cè)向電路單元中多路接收通道動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。通過(guò)樣機(jī)測(cè)試驗(yàn)證，相對(duì)傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法，該方法校準(zhǔn)精度高，提升了系統(tǒng)測(cè)向精度，能隨系統(tǒng)進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，在干涉儀測(cè)向、相控陣?yán)走_(dá)收發(fā)通道相位校準(zhǔn)方面具有很好的推廣意義。

關(guān)鍵詞：干涉儀;測(cè)向;校準(zhǔn);高精度;多通道;寬帶

中圖分類號(hào)：TH744.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）03-0210-03

0 引言

相位干涉儀測(cè)向技術(shù)具有測(cè)向精度高、瞬時(shí)測(cè)向范圍寬、測(cè)向速度快、能被動(dòng)測(cè)向等優(yōu)點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用于電子偵察和無(wú)線電監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。由于各接收通道輸出信號(hào)的相位差直接對(duì)應(yīng)目標(biāo)輻射源方位，因此為了保證測(cè)向精度，相位干涉儀測(cè)向系統(tǒng)必須控制相位差測(cè)量誤差。通過(guò)減小接收通道之間的相位失配誤差可減小相位差測(cè)量誤差，對(duì)接收通道進(jìn)行相位校準(zhǔn)通常是減小相位適配誤差的一種簡(jiǎn)單有效的手段[2-3]。

按校準(zhǔn)時(shí)機(jī)不同，相位校準(zhǔn)方法可分為靜態(tài)校準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。工程上測(cè)向系統(tǒng)會(huì)面臨環(huán)境變化、電纜更換等各種原因帶來(lái)的通道相位參數(shù)變化，因此幾乎都采用動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方案。動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)電路通常由校準(zhǔn)電路單元、測(cè)向電路單元構(gòu)成，校準(zhǔn)電路單元通過(guò)精心設(shè)計(jì)，并認(rèn)為在帶內(nèi)各通道間一致性非常好，其誤差不會(huì)影響系統(tǒng)校準(zhǔn)誤差。但在寬帶條件下，整個(gè)帶內(nèi)通道間的相位一致性誤差就不可忽略。本文提出了一種動(dòng)靜結(jié)合的相位校準(zhǔn)方法，可實(shí)現(xiàn)寬頻帶內(nèi)的高精度相位校準(zhǔn)。

1 干涉儀測(cè)向原理及誤差

1.1 測(cè)向原理

相位法測(cè)向主要是利用多個(gè)天線所接收輻射源信號(hào)之間的相位差進(jìn)行測(cè)向，干涉儀測(cè)向技術(shù)就是一種基于相位法的測(cè)向技術(shù)，水平面內(nèi)單基線一維相位干涉儀測(cè)向原理見(jiàn)圖1。

天線1和天線2之間距離即基線長(zhǎng)為D，入射信號(hào)與視軸夾角為θ，入射信號(hào)波長(zhǎng)為λ，則鑒相器輸出端接收通道1與接收通道2之間的相位差φ，與入射角θ滿足如下關(guān)系[4-5]：

通過(guò)對(duì)相位差φ的測(cè)量可間接得到得入射角θ：

1.2 測(cè)向誤差分析

鑒相器無(wú)模糊相位檢測(cè)范圍為[-π，π]，所以單基線相位干涉儀最大的無(wú)模糊測(cè)角范圍為[-θmax，+θmax]，其中θmax為：

可見(jiàn)，當(dāng)D小于等于半個(gè)信號(hào)波長(zhǎng)時(shí)，在視軸±90度范圍內(nèi)都能無(wú)模糊測(cè)向，而大于半個(gè)波長(zhǎng)其測(cè)向無(wú)模糊范圍會(huì)減小?；€長(zhǎng)度D一旦確定（D為常量），針對(duì)工作在某一頻率的信號(hào)，在頻率保持不變的時(shí)間內(nèi)（λ為常量），對(duì)（1）式中的變量φ、θ微分[6-7]：

用增量表示，可得到相位誤差Δφ對(duì)測(cè)向誤差Δθ的影響如下[8]：

可見(jiàn)測(cè)向誤差除了與入射角θ有關(guān)外，還與相位誤差Δφ有關(guān)，減小相位誤差Δφ可直接減小測(cè)向誤差Δθ。相位誤差Δφ由接收信道間的相位失配誤差Δφc、相位測(cè)量誤差Δφq、系統(tǒng)噪聲引起的相位誤差Δφn構(gòu)成[5]，即：

因此控制接收通道間的相位失配誤差Δφc，可減小相位誤差Δφ，進(jìn)而減小測(cè)向誤差Δθ。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、材料選擇、生產(chǎn)裝配等環(huán)節(jié)可對(duì)各通道間相位適配誤差進(jìn)行控制，比如將所有接收通道集成在一個(gè)模塊內(nèi)，以便于實(shí)現(xiàn)各通道采用相同長(zhǎng)度、相同路徑走線布局;選擇器件個(gè)體之間參數(shù)一致性非常好的放大器、濾波器等器件;通過(guò)邊裝配、邊測(cè)試、邊調(diào)整等生產(chǎn)工藝控制相位適配誤差等。這些措施在實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)時(shí)會(huì)受到空間限制、器件成本限制、可生產(chǎn)性及裝配成本限制等，特別是當(dāng)某一通道出現(xiàn)故障，須對(duì)該通道器件、線纜等進(jìn)行更換維修時(shí)，更難以保證維修前后的參數(shù)一致性。所以工程上通常采用相位校準(zhǔn)措施來(lái)消除通道之間固有的相位適配誤差，以提高系統(tǒng)各通道間的相位一致性[9-10]。

2 傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法

以常用的4通道測(cè)向接收機(jī)為例，將干涉儀測(cè)向系統(tǒng)主要功能單元?jiǎng)澐譃樾?zhǔn)電路單元、測(cè)向電路單元，傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法原理見(jiàn)圖2。

傳統(tǒng)相位校準(zhǔn)方法，認(rèn)為校準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)功分器，到達(dá)各耦合器輸入端處的相位一致性非常好，相位差異可忽略，φa、φb、φc、φd大小相同，同時(shí)認(rèn)為各耦合器的一致性也很好，因此在執(zhí)行校準(zhǔn)處理時(shí)，只需將各接收通道輸出端口處的相位φ1、φ2、φ3、φ4修正到相同值即可，比如以φ1為參考通道，則通道2、3、4的相位適配誤差如下：

在測(cè)向精度要求不高、工作頻率不寬時(shí)，傳統(tǒng)的相位校準(zhǔn)方法已能滿足多數(shù)應(yīng)用需求。但在一些測(cè)向精度高，特別是針對(duì)需寬頻帶測(cè)向的應(yīng)用系統(tǒng)，在整個(gè)頻帶內(nèi)，校準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)功分器、耦合器、傳輸線等鏈路后的一致性誤差也不能忽略，即φa、φb、φc、φd的差異需要考慮，需對(duì)傳統(tǒng)相位校準(zhǔn)方法進(jìn)行改進(jìn)。

3 高精度校準(zhǔn)方法

還是以4通道測(cè)向接收機(jī)為例，將測(cè)向系統(tǒng)主要功能單元?jiǎng)澐譃樾?zhǔn)電路單元、測(cè)向電路單元，并對(duì)各功能單元電路進(jìn)行調(diào)整，對(duì)校準(zhǔn)處理方法進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的高精度傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法原理見(jiàn)圖3。

圖3中校準(zhǔn)電路單元主要包括功分器和多路耦合器，完成校準(zhǔn)信號(hào)輸入、功率分配，并通過(guò)多路耦合器進(jìn)入各接收通道，同時(shí)提供多路射頻輸入接口，對(duì)接各測(cè)向天線單元。測(cè)向電路單元由多路并行接收通道組成，完成多路信號(hào)并行接收和相位校準(zhǔn)處理。整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程包括如下兩個(gè)步驟：

3.1 校準(zhǔn)電路相位誤差靜態(tài)測(cè)量

將校準(zhǔn)電路單元各天線端口接上匹配負(fù)載，校準(zhǔn)輸出端口除待測(cè)端口外其余端口也全部接上匹配負(fù)載，用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀按圖4框圖完成對(duì)應(yīng)通道相位數(shù)據(jù)靜態(tài)測(cè)量，依次獲取帶內(nèi)各工作頻率處校準(zhǔn)電路單元各校準(zhǔn)通道固有的相移值（可理解為校準(zhǔn)電路帶人的誤差）φa、φb、φc、φd。

3.2 動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)

獲取校準(zhǔn)電路單元固有相位誤差φa、φb、φc、φd后，生成相位參數(shù)表，在執(zhí)行系統(tǒng)校準(zhǔn)前需加裝該參數(shù)表，具體校準(zhǔn)原理參照?qǐng)D3，測(cè)向電路單元各接收通道輸出端口處實(shí)際由接收通道產(chǎn)生的相移（扣除校準(zhǔn)通道帶人的相移），即各通道耦合器輸出端到接收通道輸出端口的相移φ1、φ2、φ3、φ4，須根據(jù)相位參數(shù)表按下式進(jìn)行修正處理：

（8）

其中φ1、φ2、φ3、φ4為執(zhí)行校準(zhǔn)處理時(shí)，各接收通道實(shí)際測(cè)量得到的相位值，則通道2、3、4的實(shí)際相位適配誤差如下：

（9）

由公式（9）可知，改進(jìn)后的校準(zhǔn)方法對(duì)應(yīng)的通道相位適配誤差Δφ21'、Δφ31'、Δφ41'由兩部分組成：一部分為傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法通道適配誤差Δφ21、Δφ31、Δφ41，另外一部分為校準(zhǔn)電路帶來(lái)的通道間相位適配誤差。通過(guò)消除校準(zhǔn)電路帶來(lái)的相位不一致性誤差，進(jìn)一步提升了干涉儀通道相位校準(zhǔn)精度，圖5為采用高精度校準(zhǔn)方法前、后某兩通道間相位一致性的實(shí)測(cè)校準(zhǔn)效果對(duì)比圖，采用本方法后，該兩通道間的相位一致性誤差由±10°壓縮到±4°以內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

本校準(zhǔn)方法利用了耦合器、功分器等無(wú)源器件對(duì)溫度變化不敏感，但寬頻帶內(nèi)幅相參數(shù)存在一定差異的特點(diǎn)，采用動(dòng)靜結(jié)合的方法，巧妙地解決了寬帶干涉儀相位校準(zhǔn)精度不高的難題，已成功應(yīng)用于某寬帶干涉儀測(cè)向系統(tǒng)，極大地提高了整個(gè)頻帶內(nèi)的信號(hào)測(cè)向精度。該方法原理簡(jiǎn)單，易于工程實(shí)現(xiàn)，也可推廣應(yīng)用于寬帶相控陣系統(tǒng)收發(fā)通道的幅相校準(zhǔn)。

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A High-accuracy Broadband Interferometer Phase Calibration Method

XIAN Deng-fei

（Sichuan Jiuzhou Electric Group Co.， Ltd.， Mianyang Sichuan? 621000）

Abstract：In order to increase direction-finding accuracy of direction-finding system， an interferometer phase calibration method based on association of static measure and dynamic calibration is projected. Interferometer direction-finding system is divided into calibration circuit unit and direction-finding circuit unit. Calibration circuit unit completes static measure of phase differences among channels of calibration circuit unit，at the same time generates a parameter sheet. Then direction-finding circuit unit calibrates phase of all direction-find channels based on the parameter sheet. The method was proved to be effective by actual measure， and has increased system direction-finding accuracy. The method has greate extended worth in calibration of interferometer direction-finding and phased array radarsTR channel because of dynamic calibration ability.

Key words：interferometer;direction-finding;calibration;high-accuracy;multichannel;broadband