CN109901125A - 一种机载二维有源相控阵雷达天线校正装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机载二维有源相控阵雷达天线校正装置及方法,包括二维有源相控阵天线、接收机、信号处理机和显控。利用雷达自身硬件架构,实现了对复杂二维有源相控阵天线TR通道幅度、相位误差的校正,不需额外增加硬件资源;采用自动化校正功能,对于含有大量TR通道的机载SAR/MTI雷达,大幅度提高了校正效率;采用高效的校正算法,减少校正迭代次数,提高了校正精度增加了***校正可靠性;对校正各个环节进行了详细的功能划分,对各功能模块提供了可量化的指标要求,有利于在工程实践中测试验证及应用。提高了有源相控阵雷达可靠工作性能,可适应现代战场侦察监视装备的高速发展态势,以满足SAR/MTI雷达对地/海面多种模式、多方式综合侦察监视的应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及机载雷达技术领域,尤其涉及的是一种机载二维有源相控阵雷达天线校正装置及方法。
背景技术
随着现代战场侦察监视装备的高速发展,SAR/MTI雷达应满足对地/海面综合侦察监视的需求,具备SAR、GMTI、MMTI等多种工作模式,且具有边扫描边跟踪、跟踪、搜索加跟踪等多种工作方式,并能进行各种模式下通道数量灵活配置。传统的机械扫描天线体制灵活度不能满足现代作战实时性要求,而二维有源相控阵天线在辐射单元布满了T/R组件,孔径辐射效率更高,辐射功率更大,二维方向上的波束扫描更灵活,二维有源相控阵天线体制是SAR/MTI雷达必然选择。
二维有源相控阵SAR/MTI雷达天线主要有源器件包括延迟放大组件、TR组件,通过对延迟放大组件、TR组件的布相实现天线在二维方向上的波束扫描。天线因受阵面机械、热变形等引起的天线性能下降,延迟放大组件和TR组件等有源微波器件由于所处工作环境变化、长时间工作器件老化或更换组件后组件间性能差异等因素造成天线辐射阵元激励信号幅度、相位变化,引起天线副瓣、波束指向精度等指标下降,导致SAR/MTI雷达对监视目标的检测能力及探测精度降低,影响作战使用。TR组件的幅度、相位校正补偿是有源相控阵雷达能否有效、可靠工作的关键,而天线校正技术是其必不可少的维护手段。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于:补偿各因素造成的天线辐射阵元激励信号幅度、相位的变化,实现对含有大量TR通道的机载SAR/MTI雷达自动校准,提出了一种机载二维有源相控阵雷达天线校正装置及方法。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的,本发明的一种机载二维有源相控阵雷达***天线校正装置包括:二维有源相控阵天线、接收机、信号处理机和显控;
所述二维有源相控阵天线与所述接收机连接,用于接收雷达发射机以雷达工作频点分时发送的校正信号,实现天线不同校正支路信号流控制;
所述接收机分别与所述二维有源相控阵天线、所述信号处理机连接,用于接收发射、接收校正信号,并将信号变频、解调及AD采集,实现模拟信号变化为数字信号;
所述信号处理机分别与所述接收机、所述显控连接,用于对各TR通道的幅度、相位值与标准值进行对比运算,得到下一轮校正所需打码值;
所述显控与所述信号处理机连接,用于显示校正结果,供操作者判断天线健康状态,以及校正天线方向图性能是否达标。
所述二维有源相控阵天线包括TR通道、耦合通道、校正网络、延迟放大组件/和差波束网络、差波束网络、和波束网络和开关组;其中所述TR通道通过所述耦合通道与所述校正网络连接到所述开关组;所述TR通道经所述延迟放大组件/和差波束网络连接到所述差波束网络和所述和波束网络,后与所述开关组连接;所述开关组与所述发射、接收机连接;
发射校正时,校正信号经所述开关组切换,通过所述和波束网络经所述延迟放大组件/和差波束网络送至所述TR通道,然后经耦合通道进入所述校正网络后又送到所述开关组,所述开关组控制信号通道将发射校正信号送至所述发射校正接收机;
接收校正时,校正信号经所述开关组切换,通过所述校正网络经所述耦合通道送至所述TR组件,然后经所述延迟放大组件/和差波束网络通过所述和波束网络/差波束网络进入所述校正网络后到所述开关组将接收校正信号送至接所述收校正接收机。使用该进行校正的方法,包括以下步骤:
(1)获取标准值
天线暗室测试得到雷达各工作模式所需的标准发射/接收方向图,反演换算出各工作模式对应各TR通道发射/接收的幅度、相位标准值MB;
(2)获取测试值
天线校正开始后,由波控模块将初始零码WS0依次发送给M个TR通道,完成天线校正第一轮打码,得到每个TR通道的校正回波,对校正回波进行傅里叶变换处理后,取最大点的幅度、相位值即为对应TR通道幅度相位的测试值CS;
(3)补偿值计算
用标准值减去测试值即MB-CS,得到各TR通道补偿值BC;
(4)参考值位置选取
取各TR通道补偿值BC-5后得到的差值的绝对值的为最小值位置NUM;
(5)补偿值归一化
将M个通道的补偿值BC同时减去幅度归一化参考值CK,得到各个TR通道的相对补偿值delta_BC;
(6)计算工作值
将各个TR通道本次工作打码值与相对补偿值相加,得到下一轮校正的工作值WS1=delta_BC+WS0;
(7)下一轮校正打码
将得到的工作值变换为工作码后由波控模块其依次发送给M个TR通道,进行下一轮天线校正打码;
(8)按(2)至(7)依次循环多次结束校正,得到最终需要校正工作值。
接收差波束校正在完成接收和通道校正后进行,具体步骤如下:
(1-1)差通道校正标准值获取
各个TR通道依次打入TR通道接收和校正后的工作码,延迟放大组件/和差波束网络差通道控制幅度/相位打码值均为0,采集M个TR通道差波束接收标准值;
(1-2)校正打码
差通道校正只进行一轮,波控模块将接收和校正后的工作码依次送给M个TR通道,延迟放大组件/和差波束网络差通道幅度/相位码值为0,完成差通道校正打码;
(1-3)测试值选取
每个延迟放大组件/和差波束网络的差通道对应的若干TR通道,选择每个中心位置N个单元的最大值作为对应差通道的测量值;
(1-4)补偿值计算
用标准值减去幅度测试值得到各差通道补偿值;
(1-5)计算工作值
将暗室测试的延迟放大组件/和差波束网络差波束标准值与差通道补偿值相加,得到差通道校正的工作值。
天线校正结果判断方法为:将测试值与标准值的幅度、相位进行求差,若差值超过一定门限判断TR通道故障;
同时将测量幅度、相位差值对的标准方向图幅度、相位值进行误差补偿后,仿真得出校正后的天线方向图,对校正后天线性能进行量化评估。
本发明的有益效果如下:
(1)利用雷达自身硬件架构,实现了对复杂二维有源相控阵天线TR通道幅度、相位误差的校正,不需额外增加硬件资源;
(2)采用自动化校正功能,对于含有大量TR通道的机载SAR/MTI雷达,大幅度提高了其校正效率;
(3)采用高效的校正算法,减少校正迭代次数,在提高了校正精度的同时增加了***校正的可靠性,高效稳定地逼近标准值,避免不稳定因素对校正性能的影响;对校正各个环节进行了详细的功能划分,对各功能模块提供了可量化的指标要求,有利于在工程实践中实现测试验证及应用。
附图说明
图1是本发明的二维有源相控阵SAR/MTI雷达***构架框图;
图2是本发明的天线校正发射/接收支路信号流程图;
图3是本发明的校正处理流程图;
图4是本发明的天线校正后天线方向图测试结果与标准结果对比图,
其中,图4-1为校正后天线方向图,图4-2为标准结果图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示,为本发明的二维有源相控阵SAR/MTI雷达***构架框图,SAR/MTI雷达***主要包括二维有源相控阵天线、接收机、处理机、显控,结合图2天线校正发射/接收支路信号流程图做进一步说明:
如图2所示,二维有源相控阵天线主要包括TR组件、耦合通道、校正网络、延迟放大组件/和差波束网络、差波束网络、和波束网络、开关组等模块组成,主要用于实现天线不同校正支路信号流控制。
天线发射校正时,发射机产生校正所需的校正信号,开关组切换信号通道,将校正信号通过和波束网络经延迟放大组件/和差波束网络送至TR通道,波控单元根据脉冲重复周期逐一打开各个TR发射通道,所有TR接收通道均置为负载态,发射校正信号分时经过各TR发射通道后经耦合通道进入校正网络后到开关组,开关组控制信号通道将发射校正信号送至发射校正接收机,经发射校正接收机完成下变频、解调、模数转换(AD变换)后生成各个TR发射通道的校正回波数据,校正回波数据送至处理机进行校正计算,生成下一轮控制TR组件校正打码值,处理机并将计算的各TR发射通道幅度、相位值送至显控用于校正结果显示;
天线接收校正时,发射机产生校正所需的校正信号,开关组切换信号通道,将校正信号通过校正网络经耦合通道送至TR组件接收前端,波控单元根据脉冲重复周期逐一打开各个TR接收通道,所有TR发射通道均置为负载态,接收校正信号分时经过各TR接收后通过延迟放大组件/和差波束网络经和波束网络(接收和通道校正)/差波束网络(接收差通道校正)进入校正网络后到开关组,开关组控制信号通道将接收校正信号送至接收校正接收机,经接收校正接收机完成下变频、解调、模数转换(AD变换)后生成各个TR接收通道的校正回波数据,校正回波数据送至处理机进行校正计算,生成下一轮控制TR组件校正打码值,处理机并将计算的各TR接收通道幅度、相位值送至显控用于校正结果显示;
结合图3所示,对校正算法处理流程进行详细说明,步骤如下:
(1)获取标准值,天线暗室测试得到雷达各工作模式所需的标准发射/接收方向图,反演换算出各工作模式对应各TR通道发射/接收的幅度、相位标准值MB;
(2)获取测试值,天线校正开始后,由波控模块将初始零码WS0依次发送给M个TR通道,完成天线校正第一轮打码,得到每个TR通道的校正回波,对校正回波进行傅里叶变换(fft)处理后,取最大点的幅度、相位值即为对应TR通道幅度相位的测试值CS;
(3)补偿值计算,用标准值减去测试值即MB-CS(各对应通道的幅度/相位值相减),得到各TR通道补偿值BC;
(4)参考值位置选取,取各TR通道补偿值BC-5后得到的差值的绝对值的最小值位置(min(abs(BC-5)))NUM,第NUM个TR通道的补偿值记作归一化参考值CK;5可适当放宽,主要考虑环境变化引起的耦合通道性能变化及TR通道故障引起的奇异值等,每一轮校正参考值位置重新计算;
(5)补偿值归一化,将M个通道的补偿值BC同时减去幅度归一化参考值CK,得到各个TR通道的相对补偿值delta_BC;
(6)计算工作值,将各个TR通道本次工作打码值与相对补偿值相加,得到下一轮校正的工作值WS1=delta_BC+WS0(若工作值超过TR通道控制码值上限/下限,则将该TR通道的控制码值置为相应的上限或下限值);
(7)下一轮校正打码,将得到的工作值变换为工作码后由波控模块其依次发送给M个TR通道,进行下一轮天线校正打码;
(8)按(2)至(7)依次循环4次结束校正,得到最终需要校正工作值。
本实施例中,接收差波束校正是在完成接收和通道校正后进行,具体如下:
(1)差通道校正标准值获取,TR通道依次打入TR通道接收和校正后的工作码,延迟放大组件/和差波束网络差通道控制幅度/相位打码值均为0,采集M个TR通道差波束接收标准值;
(2)校正打码,差通道校正只进行一轮,波控模块将接收和校正后的工作码依次送给M个TR通道,延迟放大组件/和差波束网络差通道幅度/相位码值为0,完成差通道校正打码;
(3)测试值选取:每个延迟放大组件/和差波束网络的差通道对应的若干TR通道,选择每个中心位置4个单元的最大值作为对应差通道的测量值;
(4)补偿值计算,用标准值减去幅度测试值得到各差通道补偿值;
(5)计算工作值:将暗室测试的延迟放大组件/和差波束网络差波束标准值与差通道补偿值相加,得到差通道校正的工作值。
校正完成后,将最后的校正测试值与标准值由处理机送给显控用于天线校正结果判断,主要方法为将测试值与标准值的幅度、相位进行求差,若差值超过一定门限则判断对应的TR通道故障,同时可将幅度、相位差值代入暗室测试的标准方向图幅度、相位值进行误差补偿后,仿真得出校正后的天线方向图,进行量化评估天线性能。
如图4所示,为实施例中按照本发明天线校正后天线方向图与标准结果对比图,校正后天线方向图除远区副瓣稍有抬高外,波束宽度、主副瓣比、方向性系数等指标均接近校正前。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种机载二维有源相控阵雷达***天线校正装置,其特征在于,包括:二维有源相控阵天线、接收机、信号处理机和显控;
所述二维有源相控阵天线与所述接收机连接,用于接收雷达发射机以雷达工作频点分时发送的校正信号,实现天线不同校正支路信号流控制;
所述接收机分别与所述二维有源相控阵天线、所述信号处理机连接,用于接收发射、接收校正信号,并将信号变频、解调及AD采集,实现模拟信号变化为数字信号;
所述信号处理机分别与所述接收机、所述显控连接,用于对各TR通道的幅度、相位值与标准值进行对比运算,得到下一轮校正所需打码值;
所述显控与所述信号处理机连接,用于显示校正结果,供操作者判断天线健康状态,以及校正天线方向图性能是否达标。
2.如权利要求1所述的一种机载二维有源相控阵雷达***天线校正装置,其特征在于:所述二维有源相控阵天线包括TR通道、耦合通道、校正网络、延迟放大组件/和差波束网络、差波束网络、和波束网络和开关组;其中,所述TR通道通过所述耦合通道与所述校正网络连接到所述开关组;所述TR通道经所述延迟放大组件/和差波束网络连接到所述差波束网络或所述和波束网络,然后再与所述开关组连接;所述开关组与所述发射、接收机连接;
发射校正时,校正信号经所述开关组切换,通过所述和波束网络经所述延迟放大组件/和差波束网络送至所述TR通道,然后经耦合通道进入所述校正网络后又送到所述开关组,所述开关组控制信号通道将发射校正信号送至所述发射校正接收机;
接收校正时,校正信号经所述开关组切换,通过所述校正网络经所述耦合通道送至所述TR组件,然后经所述延迟放大组件/和差波束网络通过所述和波束网络或差波束网络进入所述校正网络后到所述开关组将接收校正信号送至接所述收校正接收机。
3.使用如权利要求1所述的一种机载二维有源相控阵雷达***天线校正装置进行校正的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)获取标准值
天线暗室测试得到雷达各工作模式所需的标准发射/接收方向图,反演换算出各工作模式对应各TR通道发射/接收的幅度、相位标准值MB;
(2)获取测试值
天线校正开始后,由波控模块将初始零码WS0依次发送给M个TR通道,完成天线校正第一轮打码,得到每个TR通道的校正回波,对校正回波进行傅里叶变换处理后,取最大点的幅度、相位值即为对应TR通道幅度相位的测试值CS;
(3)补偿值计算
用标准值减去测试值即MB-CS,得到各TR通道补偿值BC;
(4)参考值位置选取
取各TR通道补偿值BC-5后得到的差值的绝对值的为最小值位置NUM;
(5)补偿值归一化
将M个通道的补偿值BC同时减去幅度归一化参考值CK,得到各个TR通道的相对补偿值delta_BC;
(6)计算工作值
将各个TR通道本次工作打码值与相对补偿值相加,得到下一轮校正的工作值WS1=delta_BC+WS0;
(7)下一轮校正打码
将得到的工作值变换为工作码后由波控模块其依次发送给M个TR通道,进行下一轮天线校正打码;
(8)按(2)至(7)依次循环多次结束校正,得到最终需要校正工作值。
4.如权利要求1所述的一种机载二维有源相控阵雷达天线校正装置及方法,其特征在于,接收差波束校正在完成接收和通道校正后进行,具体步骤如下:
(1-1)差通道校正标准值获取
各个TR通道依次打入TR通道接收和校正后的工作码,延迟放大组件/和差波束网络差通道控制幅度/相位打码值均为0,采集M个TR通道差波束接收标准值;
(1-2)校正打码
差通道校正只进行一轮,波控模块将接收和校正后的工作码依次送给M个TR通道,延迟放大组件/和差波束网络差通道幅度/相位码值为0,完成差通道校正打码;
(1-3)测试值选取
每个延迟放大组件/和差波束网络的差通道对应的若干TR通道,选择每个中心位置N个单元的最大值作为对应差通道的测量值;
(1-4)补偿值计算
用标准值减去幅度测试值得到各差通道补偿值;
(1-5)计算工作值
将暗室测试的延迟放大组件/和差波束网络差波束标准值与差通道补偿值相加,得到差通道校正的工作值。
5.如权利要求1所述的一种机载二维有源相控阵雷达天线校正装置及方法,其特征在于,天线校正结果判断方法为:
将测试值与标准值的幅度、相位进行求差,若差值超过一定门限判断TR通道故障;
同时将测量幅度、相位差值对的标准方向图幅度、相位值进行误差补偿后,仿真得出校正后的天线方向图,对校正后天线性能进行量化评估。
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