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一种高精度宽带干涉仪相位校准方法

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  摘要:为了提高宽带干涉仪测向系统的测向精度,提出了一种动静结合的干涉仪通道相位校准方法。将干涉仪测向系统划分为校准电路单元和测向电路单元,采用事先对校准电路单元相位参数静态测量获取各通道准确的相位参数表,再结合该参数表完成测向电路单元中多路接收通道动态校准。通过样机测试验证,相对传统校准方法,该方法校准精度高,提升了系统测向精度,能随系统进行在线动态校准,在干涉仪测向、相控阵雷达收发通道相位校准方面具有很好的推广意义。
  关键词:干涉仪;测向;校准;高精度;多通道;宽带
  中图分类号:TH744.3 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2019)03-0210-03
  0 引言
  相位干涉仪测向技术具有测向精度高、瞬时测向范围宽、测向速度快、能被动测向等优点[1],被广泛应用于电子侦察和无线电监测领域。由于各接收通道输出信号的相位差直接对应目标辐射源方位,因此为了保证测向精度,相位干涉仪测向系统必须控制相位差测量误差。通过减小接收通道之间的相位失配误差可减小相位差测量误差,对接收通道进行相位校准通常是减小相位适配误差的一种简单有效的手段[2-3]。
  按校准时机不同,相位校准方法可分为静态校准和动态校准。工程上测向系统会面临环境变化、电缆更换等各种原因带来的通道相位参数变化,因此几乎都采用动态校准方案。动态校准电路通常由校准电路单元、测向电路单元构成,校准电路单元通过精心设计,并认为在带内各通道间一致性非常好,其误差不会影响系统校准误差。但在宽带条件下,整个带内通道间的相位一致性误差就不可忽略。本文提出了一种动静结合的相位校准方法,可实现宽频带内的高精度相位校准。
  1 干涉仪测向原理及误差
  1.1 测向原理
  相位法测向主要是利用多个天线所接收辐射源信号之间的相位差进行测向,干涉仪测向技术就是一种基于相位法的测向技术,水平面内单基线一维相位干涉仪测向原理见图1。
  天线1和天线2之间距离即基线长为D,入射信号与视轴夹角为θ,入射信号波长为λ,则鉴相器输出端接收通道1与接收通道2之间的相位差φ,与入射角θ满足如下关系[4-5]:
  通过对相位差φ的测量可间接得到得入射角θ:
  1.2 测向误差分析
  鉴相器无模糊相位检测范围为[-π,π],所以单基线相位干涉仪最大的无模糊测角范围为[-θmax,+θmax],其中θmax为:
  可见,当D小于等于半个信号波长时,在视轴±90度范围内都能无模糊测向,而大于半个波长其测向无模糊范围会减小。基线长度D一旦确定(D为常量),针对工作在某一频率的信号,在频率保持不变的时间内(λ为常量),对(1)式中的变量φ、θ微分[6-7]:
  用增量表示,可得到相位误差Δφ对测向误差Δθ的影响如下[8]:
  可见测向误差除了与入射角θ有关外,还与相位误差Δφ有关,减小相位误差Δφ可直接减小测向误差Δθ。相位误差Δφ由接收信道间的相位失配误差Δφc、相位测量误差Δφq、系统噪声引起的相位误差Δφn构成[5],即:
  因此控制接收通道间的相位失配误差Δφc,可减小相位误差Δφ,进而减小测向误差Δθ。在系统设计、材料选择、生产装配等环节可对各通道间相位适配误差进行控制,比如将所有接收通道集成在一个模块内,以便于实现各通道采用相同长度、相同路径走线布局;选择器件个体之间参数一致性非常好的放大器、滤波器等器件;通过边装配、边测试、边调整等生产工艺控制相位适配误差等。这些措施在实际工程实现时会受到空间限制、器件成本限制、可生产性及装配成本限制等,特别是当某一通道出现故障,须对该通道器件、线缆等进行更换维修时,更难以保证维修前后的参数一致性。所以工程上通常采用相位校准措施来消除通道之间固有的相位适配误差,以提高系统各通道间的相位一致性[9-10]。
  2 传统校准方法
  以常用的4通道测向接收机为例,将干涉仪测向系统主要功能单元划分为校准电路单元、测向电路单元,传统校准方法原理见图2。
  传统相位校准方法,认为校准信号经功分器,到达各耦合器输入端处的相位一致性非常好,相位差异可忽略,φa、φb、φc、φd大小相同,同时认为各耦合器的一致性也很好,因此在执行校准处理时,只需将各接收通道输出端口处的相位φ1、φ2、φ3、φ4修正到相同值即可,比如以φ1为参考通道,则通道2、3、4的相位适配误差如下:
  在测向精度要求不高、工作频率不宽时,传统的相位校准方法已能满足多数应用需求。但在一些测向精度高,特别是针对需宽频带测向的应用系统,在整个频带内,校准信号经功分器、耦合器、传输线等链路后的一致性误差也不能忽略,即φa、φb、φc、φd的差异需要考虑,需对传统相位校准方法进行改进。
  3 高精度校准方法
  还是以4通道测向接收机为例,将测向系统主要功能单元划分为校准电路单元、测向电路单元,并对各功能单元电路进行调整,对校准处理方法进行改进,改进后的高精度传统校准方法原理見图3。
  图3中校准电路单元主要包括功分器和多路耦合器,完成校准信号输入、功率分配,并通过多路耦合器进入各接收通道,同时提供多路射频输入接口,对接各测向天线单元。测向电路单元由多路并行接收通道组成,完成多路信号并行接收和相位校准处理。整个校准过程包括如下两个步骤:
  3.1 校准电路相位误差静态测量
  将校准电路单元各天线端口接上匹配负载,校准输出端口除待测端口外其余端口也全部接上匹配负载,用矢量网络分析仪按图4框图完成对应通道相位数据静态测量,依次获取带内各工作频率处校准电路单元各校准通道固有的相移值(可理解为校准电路带人的误差)φa、φb、φc、φd。
  3.2 动态校准   获取校准电路单元固有相位误差φa、φb、φc、φd后,生成相位参数表,在执行系统校准前需加装该参数表,具体校准原理参照图3,测向电路单元各接收通道输出端口处实际由接收通道产生的相移(扣除校准通道带人的相移),即各通道耦合器输出端到接收通道输出端口的相移φ1’、φ2’、φ3’、φ4’,须根据相位参数表按下式进行修正处理:
   (8)
  其中φ1、φ2、φ3、φ4为执行校准处理时,各接收通道实际测量得到的相位值,则通道2、3、4的实际相位适配误差如下:
   (9)
  由公式(9)可知,改进后的校准方法对应的通道相位适配误差Δφ21'、Δφ31'、Δφ41'由两部分组成:一部分为传统校准方法通道适配误差Δφ21、Δφ31、Δφ41,另外一部分为校准电路带来的通道间相位适配误差。通过消除校准电路带来的相位不一致性误差,进一步提升了干涉仪通道相位校准精度,图5为采用高精度校准方法前、后某两通道间相位一致性的实测校准效果对比图,采用本方法后,该两通道间的相位一致性误差由±10°压缩到±4°以内。
  4 结语
  本校准方法利用了耦合器、功分器等无源器件对温度变化不敏感,但宽频带内幅相参数存在一定差异的特点,采用动静结合的方法,巧妙地解决了宽带干涉仪相位校准精度不高的难题,已成功应用于某宽带干涉仪测向系统,极大地提高了整个频带内的信号测向精度。该方法原理简单,易于工程实现,也可推广应用于宽带相控阵系统收发通道的幅相校准。
  参考文献
  [1] 崔玉鑫.多通道数字式干涉仪测向接收机相位校准系统设计[J].舰船电子对抗,2010,33(1):44-46.
  [2] 文富忠,李波,陈嘟,等.多通道干涉仪测向的相位一致性校正方法[J].电子信息对抗技术,2012(2):18-21.
  [3] 何民.一种低系统误差的干涉仪相位校正方案[J].电讯技术,2010,50(5):114-116.
  [4] 赵国庆.雷达对抗原理[M].西安:西安电子科技大学出版社,1999:54-55.
  [5] 刘聪峰.无源定位与跟踪[M].西安:西安电子科技大学出版社,2011:84-85.
  [6] 胡来招.雷达侦察接收机设计[M].北京:国防工业出版社,2000:127-128.
  [7] 李华龙.干涉仪测向系统误差分析[J].通信技术,2011(07):21-22.
  [8] 文富忠,李晓军,李波.改进的干涉仪测向相位一致性校正技术[J].电讯技术,2009,49(9):75-79.
  [9] 张伟华,张文明,肖顺平.通道不一致对干涉仪测向的影响和解决方法[J].航天电子对抗,2006,22(2):58-61.
  [10] 李川.干涉仪测向体制误差性能分析[J].電子测量技术,2011,34(6):114-117.
  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 radars’TR channel because of dynamic calibration ability.
  Key words:interferometer;direction-finding;calibration;high-accuracy;multichannel;broadband
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