張周賢，趙先紅，王 彧，孫志敏，陽治平

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 成都 610091)

0 引 言

數(shù)字陣列測(cè)向和數(shù)字干涉儀測(cè)向作為高精度的測(cè)向方法，主要通過比較射頻信道到達(dá)天線陣的相位差進(jìn)行測(cè)向，經(jīng)過信號(hào)處理，得到來波的方向，是電子對(duì)抗偵察領(lǐng)域的重要技術(shù)，目前已得到了廣泛的應(yīng)用。由于采用寬頻帶多通道接收機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，難以保證各通道幅度相位的一致性，各通道之間幅度和相位不匹配，因此引入測(cè)向誤差。測(cè)向精度不僅與系統(tǒng)測(cè)向算法、各天線性能響應(yīng)、各通道幅度相位有關(guān)，在電纜、天線等安裝、使用和維護(hù)過程中也會(huì)引入測(cè)向誤差。如某雷達(dá)偵察型無人機(jī)，其天線罩和無人機(jī)蒙皮共形，任務(wù)載荷天線單元內(nèi)埋在機(jī)身內(nèi)部，由于任務(wù)載荷偵察天線都是寬波束天線，天線內(nèi)埋后對(duì)電磁信號(hào)幅度和相位特性影響較大，因此必須采用一定的校準(zhǔn)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁特征影響的評(píng)估，對(duì)初始相位誤差進(jìn)行精確估計(jì)與校正補(bǔ)償。如何對(duì)某雷達(dá)偵察型無人機(jī)任務(wù)載荷進(jìn)行校準(zhǔn)，從而減少甚至消除所引入的誤差，提供系統(tǒng)的測(cè)向精度，是本文研究的出發(fā)點(diǎn)。本文基于某雷達(dá)偵察型無人機(jī)任務(wù)載荷，研究其校準(zhǔn)技術(shù)和方法，并完成地面校準(zhǔn)和測(cè)向驗(yàn)證，效果良好，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 測(cè)向原理分析

射頻信號(hào)相位測(cè)向是根據(jù)電磁波從不同的方向到達(dá)天線陣時(shí)，各天線陣元接收到的信號(hào)相位不同，通過測(cè)量各陣元輸出的信號(hào)相位差就可以確定來波方向。圖1所示是一個(gè)簡(jiǎn)單的單基線數(shù)字測(cè)向系統(tǒng)。通過對(duì)圖1的分析可以了解數(shù)字測(cè)向的基本原理。

圖1 數(shù)字測(cè)向系統(tǒng)基本原理框圖

假設(shè)射頻信號(hào)入射方向與天線法向方向偏離角度為

θ

，根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)條件，可認(rèn)為電磁波為平行波入射，波平面到達(dá)兩天線的信號(hào)相位差為

φ

，則有：

(1)

式中:

c

為光速；

λ

為電磁信號(hào)波長(zhǎng)，

λ

=

c/f

；

f

為信號(hào)載頻；

L

為兩天線相位中心距離，即基線長(zhǎng)度。一般情況下，由于制造工藝等原因，天線相位中心和幾何中心嚴(yán)格意義上并不重合。由上式可以看出，在天線陣設(shè)計(jì)布局和信號(hào)載頻確定時(shí)，可以由通道相位差得出射頻信號(hào)的到達(dá)角

θ

，最終得到來波的方向。同理，對(duì)于多基線線陣或二維面陣(圓陣列)，可以以其中某一天線的接收通道值作為參考基準(zhǔn)。當(dāng)天線陣接收到來自外界來波信號(hào)時(shí)，通過射頻通道完成對(duì)多路信號(hào)的變頻處理，將射頻信號(hào)變頻為中頻信號(hào)，送至數(shù)字采集及處理單元，完成對(duì)中頻信號(hào)的數(shù)字采集、信號(hào)檢測(cè)和參數(shù)測(cè)量，再經(jīng)過信號(hào)處理單元進(jìn)行相關(guān)處理后，最終得到PDW(脈沖描述字)的分選結(jié)果、測(cè)向信息、定位信息等。

2 測(cè)向精度分析

測(cè)向精度即指到達(dá)任務(wù)載荷天線陣的輻射源電磁波的來波方向，經(jīng)過任務(wù)載荷處理后得到的測(cè)向結(jié)果(均方根統(tǒng)計(jì)值)，是任務(wù)載荷測(cè)向性能的重要指標(biāo)之一。為了研究對(duì)測(cè)向精度影響的因素，即對(duì)測(cè)向誤差來源進(jìn)行分析，對(duì)式(1)求偏導(dǎo)數(shù)，可得：

(2)

將微分改為增量形式，得到：

(3)

由上式可以看出，測(cè)向誤差主要來源為相位差測(cè)量誤差、信號(hào)頻率誤差和基線測(cè)量誤差等。而當(dāng)天線陣安裝布局固定后，基線長(zhǎng)度也就相對(duì)確定，即使相位中心與幾何中心不一致，也可通過一定手段進(jìn)行補(bǔ)償校正，而任務(wù)載荷頻率測(cè)量精度基本能夠消除信號(hào)頻率誤差的影響，因此主要影響因素為相位測(cè)量誤差。

各接收通道幅度相位不一致性是引起相位測(cè)量誤差的主要原因，而各接收通道幅度相位的不一致性主要由信道中各個(gè)元器件相位特性所確定。圖2為對(duì)數(shù)字接收機(jī)通道的基本原理模型，一般來說，從天線端(包括天線罩)到接收前端部分為外通道，從前端到信號(hào)處理部分為內(nèi)通道。

圖2 數(shù)字接收機(jī)通道基本原理模型框圖

來自天線陣的射頻信號(hào)經(jīng)過射頻前端，完成頻段選擇、信號(hào)限幅、放大、陷波、濾波等處理后，再由變頻模塊完成從射頻信號(hào)至中頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換，經(jīng)過濾波后，送至數(shù)字接收模塊，將相關(guān)中頻信號(hào)進(jìn)行模數(shù)(AD)量化、信號(hào)檢測(cè)和參數(shù)測(cè)量，生成中頻數(shù)字信號(hào)，再送至后端進(jìn)行處理。

由于任務(wù)載荷天線陣每個(gè)陣元到數(shù)字處理端都有一個(gè)獨(dú)立而完整的通道，盡管各個(gè)通道由相同電路、相同型號(hào)的元器件組成，但是由模擬器件組成的電路不可能完全相同，從而導(dǎo)致各個(gè)通道電參數(shù)會(huì)有一定的差異，其頻相、幅相特性一致性有限。而在實(shí)際工作中，幅度相位不一致性還會(huì)隨著接收機(jī)工作頻率、電壓、環(huán)境溫度、濕度、器件老化、設(shè)備安裝等因素的變化而產(chǎn)生相位漂移。

綜上所述，信號(hào)測(cè)向誤差主要來源為各通道幅度相位的不一致性、天線陣元位置誤差、陣元間電磁耦合、陣元本身響應(yīng)和近場(chǎng)信號(hào)源入射等，而天線陣元和射頻電纜的安裝也會(huì)帶來不同程度的影響，在保證安裝精度、電纜轉(zhuǎn)彎半徑等要求的情況下，在長(zhǎng)期的使用維護(hù)過程中，各接收通道性能參數(shù)亦會(huì)由于人為或自然性質(zhì)變化從而導(dǎo)致信號(hào)通道性能傳輸?shù)淖兓?。根?jù)數(shù)字陣列測(cè)向和數(shù)字干涉儀測(cè)向技術(shù)原理，其測(cè)向方法已弱化了天線陣本身所帶來的不利影響，從天線陣元輸出端到接收機(jī)輸出端的通道并不會(huì)改變各天線陣元間信號(hào)相位的相對(duì)關(guān)系，通道間信號(hào)的相位差完全由電磁波到達(dá)天線陣各天線的波程差決定。因此，保證各接收通道的幅度和相位特性一致是確保完成對(duì)輻射源信號(hào)精確測(cè)向的前提，是無人機(jī)完成電子對(duì)抗偵察任務(wù)的基礎(chǔ)，否則通道間的幅度相位失衡會(huì)引入附加相位，導(dǎo)致測(cè)向誤差。因此，需要研究某雷達(dá)偵察型無人機(jī)任務(wù)載荷校準(zhǔn)技術(shù)，采用有效措施和技術(shù)消除各接收通道幅度和相位偏差，確保各接收通道的一致性。

3 校準(zhǔn)原理分析

在任務(wù)載荷天線陣元及電纜裝機(jī)前，需要對(duì)射頻電纜和天線陣單元的安裝環(huán)境進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際裝機(jī)位置，合理布局射頻電纜和天線的安裝。其一，電纜要保證良好接觸，盡量減少?gòu)澱郏欢ㄒ獜澱蹠r(shí)，必須要保證電纜最小的轉(zhuǎn)彎半徑；同時(shí)，在使用過程中需要盡量減少電纜插頭的插拔次數(shù)，如果插拔超過一定次數(shù)后，需要對(duì)電纜插頭進(jìn)線檢查，以確保電纜的電性能。其二，天線陣元安裝時(shí)，同一頻段的天線陣單元中心應(yīng)保證在同一直線上，天線安裝板與天線罩內(nèi)表面之間使用吸波材料填充；對(duì)天線陣元的安裝階差和縫隙使用導(dǎo)電膠條進(jìn)行平滑處理，確保天線陣良好的工作環(huán)境，保證響應(yīng)性能；同時(shí)，基于機(jī)體坐標(biāo)系，需要對(duì)天線陣的安裝角度偏差精度進(jìn)行校準(zhǔn)，保證安裝位置的精度要求，并將相應(yīng)的校準(zhǔn)修正值寫入系統(tǒng)的配置軟件中，通過系統(tǒng)軟件補(bǔ)償?shù)姆绞阶詣?dòng)對(duì)測(cè)向結(jié)果進(jìn)行修正。主要采用外輻射信號(hào)源的方法進(jìn)行校準(zhǔn)和測(cè)向驗(yàn)證，保證各接收通道的一致性。

圖3為外輻射信號(hào)校準(zhǔn)的簡(jiǎn)單原理框圖。選擇任務(wù)載荷需要校準(zhǔn)的頻段，設(shè)置輻射信號(hào)源的頻率、脈寬、脈沖重復(fù)周期等參數(shù)，并保證與偵察的雷達(dá)信號(hào)同頻同調(diào)制。通過標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線向機(jī)載任務(wù)載荷天線陣輻射，輻射源信號(hào)脈沖到達(dá)天線陣時(shí)，以其中某個(gè)通帶內(nèi)較平坦、畸變較小的通道作為參考通道，其余各個(gè)通道與參考通道做比較，得到包含通道幅度相位失衡引入的相位誤差的相位差，得到具有良好一致性的頻率傳遞函數(shù)，形成初始校準(zhǔn)表，同時(shí)可以適當(dāng)調(diào)整頻率的步進(jìn)，對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正更新，并根據(jù)幅度和相位的校準(zhǔn)判據(jù)，確認(rèn)天線陣法向校正值。完成所有頻率的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)后，將校準(zhǔn)表下發(fā)至系統(tǒng)的軟件配置中，系統(tǒng)在工作時(shí)自動(dòng)完成測(cè)向方位修正，以滿足系統(tǒng)測(cè)向精度要求。

圖3 外輻射通道幅相一致性校準(zhǔn)原理框圖

在完成校準(zhǔn)值更新后，需要進(jìn)行外輻射測(cè)向推車驗(yàn)證，如果不同角度下各通道幅度值差異較小，基本保持平穩(wěn)，無明顯凹坑，測(cè)向值相位差連續(xù)，變化趨勢(shì)基本一致，無明顯突變，則完成校準(zhǔn)的測(cè)向驗(yàn)證。

一般情況下，任務(wù)載荷校準(zhǔn)要求載機(jī)處于空曠場(chǎng)地，地面平整，周圍無反射、無遮擋，校準(zhǔn)輻射源距離載機(jī)50 m以上。進(jìn)行信號(hào)源輻射時(shí)，由于地面雜波反射等影響比較嚴(yán)重，因此需要在輻射信號(hào)源與載機(jī)天線陣之間鋪設(shè)吸波材料，以減少地面反射帶來的影響，并且吸波材料的鋪設(shè)方式對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果都有一定影響。

4 校準(zhǔn)應(yīng)用及測(cè)向驗(yàn)證

4.1 校準(zhǔn)應(yīng)用過程

在某雷達(dá)偵察型無人機(jī)任務(wù)載荷實(shí)際校準(zhǔn)和測(cè)向驗(yàn)證的過程中，首先，根據(jù)天線陣的安裝方式和位置，確定地面基準(zhǔn)點(diǎn)，標(biāo)定天線陣的法線方向，作為校準(zhǔn)參考基準(zhǔn)方向。其次，完成校準(zhǔn)后，需要對(duì)測(cè)向性能進(jìn)行確認(rèn)驗(yàn)證，因此需要標(biāo)定測(cè)向方位點(diǎn)，確定測(cè)向驗(yàn)證點(diǎn)的位置，一般選擇20°，30°,45°的位置，然后再進(jìn)行輻射信號(hào)源推車驗(yàn)證。同時(shí)，根據(jù)地面雜波反射情況，鋪設(shè)吸波材料，以消除多徑反射影響。

首先要確定地面基準(zhǔn)點(diǎn)。如圖4所示，根據(jù)地面基準(zhǔn)點(diǎn)，使用激光水平儀完成天線陣基準(zhǔn)線和輻射源信號(hào)基準(zhǔn)線的標(biāo)記，并在基準(zhǔn)線上確認(rèn)天線陣中心點(diǎn)和輻射信號(hào)源中心點(diǎn)。在信號(hào)源基準(zhǔn)線的基礎(chǔ)上，進(jìn)行測(cè)向驗(yàn)證點(diǎn)的標(biāo)記，由于信號(hào)源基準(zhǔn)線到天線陣基準(zhǔn)線距離一般超過50 m，為了精確標(biāo)記驗(yàn)證點(diǎn)，可先找輔助標(biāo)記點(diǎn)，再用卷尺等測(cè)量完成標(biāo)記。對(duì)于地面雜波發(fā)射、多徑反射等的影響，根據(jù)輻射信號(hào)源與載機(jī)天線陣離地高度，可以嘗試通過更換吸波材料的位置觀察各通道幅度和相位差，來確定反射影響的方向。選取各通道幅度最高的吸波材料鋪設(shè)方式以消除反射影響，并且吸波材料的輻射范圍以天線陣法向±45°為宜。以低波段為例，典型的吸波材料的鋪設(shè)方式如圖5所示。

圖4 任務(wù)載荷天線陣法線標(biāo)記示意圖

圖5 吸波材料典型的鋪設(shè)示意圖

在實(shí)際的裝機(jī)環(huán)境情況下，

B

中心和

B

中心只相隔5 mm，由于輻射源放置距離天線陣中心點(diǎn)一般為50 m，因此可以將

B

信號(hào)源和

B

信號(hào)源合成為一個(gè)點(diǎn)，不影響對(duì)2個(gè)波段的校準(zhǔn)。

校準(zhǔn)時(shí)，先進(jìn)行通道內(nèi)校準(zhǔn)，通過通道內(nèi)校準(zhǔn)得到各通道的幅度、相位初始差值；完成通道內(nèi)校準(zhǔn)后，再進(jìn)行通道外校準(zhǔn)，得到包括天線罩以內(nèi)的接收通道的校準(zhǔn)值。將校準(zhǔn)表下發(fā)后，對(duì)法線方位點(diǎn)進(jìn)行全頻段測(cè)向，觀察測(cè)向結(jié)果，若測(cè)向結(jié)果和預(yù)期的基本一致，則認(rèn)為校準(zhǔn)正確，更新校準(zhǔn)值并下發(fā)至系統(tǒng)軟件配置中；若發(fā)現(xiàn)某頻點(diǎn)測(cè)向值不正確，則需要對(duì)出錯(cuò)頻點(diǎn)重新校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完成后下發(fā)校準(zhǔn)表并重新測(cè)試，直到測(cè)向正確為止。

4.2 校準(zhǔn)值測(cè)向驗(yàn)證

在完成各天線陣通道校準(zhǔn)后，需要對(duì)得到的校準(zhǔn)值進(jìn)行測(cè)向驗(yàn)證。以某個(gè)偵收支路為例，其校準(zhǔn)值數(shù)據(jù)及驗(yàn)證過程如圖6所示。設(shè)置信號(hào)源中心頻率為2.8 GHz，信噪比為10 dB，對(duì)某支路進(jìn)行2～18 GHz全頻段驗(yàn)證。在驗(yàn)證過程中，要確保發(fā)射天線指向天線陣，并盡量保持勻速。整理數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)測(cè)向精度值，在天線陣法線方向±45°以內(nèi)無測(cè)向跳點(diǎn)，測(cè)向精度值(rms)在0.6°左右。

圖6 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證

一般情況下，雷達(dá)任務(wù)載荷首次裝機(jī)，或者更換相關(guān)天線和電纜后，需要進(jìn)行全面的校準(zhǔn)工作。完成校準(zhǔn)后，后續(xù)只需周期性進(jìn)行通道內(nèi)校準(zhǔn)，通過軟件修正方式來保證各接收通道的幅相一致性。

5 結(jié)束語

本文基于測(cè)向原理，分析了影響測(cè)向精度的主要因素，針對(duì)某雷達(dá)偵察型無人機(jī)任務(wù)載荷各接收通道幅度相位不一致性，分析了其校準(zhǔn)技術(shù)原理和方法，并將校準(zhǔn)方法應(yīng)用在某型無人機(jī)任務(wù)載荷校準(zhǔn)過程中。對(duì)校準(zhǔn)方法分析和實(shí)際外場(chǎng)驗(yàn)證表明，可以對(duì)任務(wù)載荷各接收通道幅度相位進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了通道間的幅相一致性，有效提高了校準(zhǔn)工作效率，保證了系統(tǒng)測(cè)向精度。經(jīng)過試飛驗(yàn)證，對(duì)雷達(dá)輻射源目標(biāo)測(cè)向精確，定位精度高，滿足功能要求，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。