数字相控阵列的校正方法研究

发布时间：2020-03-24 17:03

【摘要】：数字相控阵列的发射波束和接收波束都采用数字波束形成技术,是当今雷达发展的重要方向。数字相控阵列在基带利用数字信号处理技术合成所需波束,具有高精度、多波束和低功耗等特点,能够提供远超传统雷达的空间探测性能。但是数字相控阵列包含数量庞大的有源收发通道,每个收发通道集成许多复杂的有源器件,目前的技术无法保证相同类型的有源器件之间的性能一致,最终导致收发通道之间的电性能差异,严重恶化数字相控阵列的探测性能。此外,数字相控阵列的所有子阵需要共享同一个参考时钟以实现精确的波束控制。参考时钟往往通过同轴线或者光纤传输到不同子阵上,在传输过程中会引入额外的相位不一致性,导致阵列波束指向偏差。因此,数字相控阵列高度依赖高效率、高精度的校正技术以保证优越的系统性能。本文针对数字相控阵列校正技术的三个关键科学问题展开研究,包括通道间幅相一致性的高精度校正、全阵列的快速校正以及子阵级参考时钟的相位同步,主要研究内容如下:针对数字相控阵列的收发通道间幅相不一致性问题,本文提出了一种基于数控振荡器(Numerically controlled oscillator,NCO)相位步进的通道幅相一致性校正算法。利用天线后端添加的射频开关器件,将校正信号输入待校通道。通过在后端数字信号处理器(Digital signal processor,DSP)内设置高精度的NCO模块,从0°到360°逐渐调节NCO的相位,将通道信号和NCO信号相乘,得到通道幅相误差。本文利用计算机仿真平台把本算法和其他几种常用的校正算法进行对比,验证了本算法在低信噪比条件下的有效性。本文搭建了实验平台,在8通道的线性阵列上对算法进行了实验验证,实现了 0.15 dB的幅度校正精度和1°的相位校正精度。该算法的缺点在于依然需要在每个天线后端添加射频开关,并且天线和射频开关的幅相误差无法校正。其次,针对大型数字相控阵列需要消耗大量时间完成全部天线校正的问题,本文进行了前沿性探索研究,提出了一种基于图着色理论的阵列天线快速校正算法。本文建立了阵列天线的图论模型,通过将阵列天线抽象为图论顶点,相邻天线之间的互耦效应抽象为边,从而利用图着色理论来解决校正时隙在阵列天线中的分配问题。在阵列天线全局拓扑结构未知的情况下,利用计算机仿真平台在时间维和空间维上对校正算法进行了性能验证。仿真证明,对于常见的六边形拓扑阵列、正方形拓扑阵列和三角形拓扑阵列,本算法能够实现总校正时隙数依次不大于8、9和16,性能明显优于其他校正算法。该算法的缺点在于需要繁琐的步骤获取每个天线的邻居寄存器和时隙分配表。最后,针对大型数字相控阵列的子阵级参考时钟相位不一致问题,本文提出了基于光纤的时钟相位同步算法。该算法包含基于光纤的锁相环电路和时钟周期性模糊消除电路。基于光纤的锁相环电路通过级联移相器的锁相环电路来解决光纤分发时钟的相位周期内同步问题。针对锁相环无法解决的时钟周期性模糊效应,本文设计了时钟周期性模糊消除电路,通过分发脉冲信号,并测量脉冲来回所需要的时钟周期数,补偿分发时钟的周期误差。最后,本文搭建了相应的实验平台,对10MHz参考时钟的光纤传输进行了算法验证,实现了 0.4°的校正误差,满足数字相控阵列对于子阵级参考时钟相位一致性的要求。该算法的缺点在于前向链路和反馈链路上的移相器的电性能一致性会影响算法的同步精度。总之,数字相控阵列需要采用高效、精确的校正算法来保证优异的探测性能。本文对数字相控阵列校正技术进行了深入的研究,针对关键科学问题,提出了相应的算法并从仿真和实验两方面进行了详细验证,有效提高了数字相控阵列校正的精度和速度,改善了系统性能。同时,未来在以下方面也有望进行更深入的研究:(1)宽带相控阵列的通道间幅相误差校正问题。未来需要考虑对通道幅相校正算法进行优化,使之能够更加快速地完成宽带阵列系统的校正,提升校正效率;(2)更加快速的大型阵列校正算法。基于图着色理论的阵列快速校正算法需要耗费大量时间来得到每个天线的邻居寄存器和时隙分配表。未来需要考虑更加高效率的算法来得到相关信息,从而降低算法的整体执行时间;(3)时钟同步算法的芯片化和小型化。目前集成电路和半导体工艺日益成为学术界和工业界的研究热点,因此未来有必要采用集成电路来实现时钟同步算法,做到小型化、低成本和大规模应用。
【图文】：

围课，开期解决一些关键问题，对数字相控阵列发挥其潜在的高性能起到究现状逡逑阵列通道间幅相一致性校正的研究现状逡逑控阵列雷达的通道幅相一致性校正研究开始于上世纪８０年代。有多种分类方法，按照阵列系统是否包含专门的校正电路可正和现场校正。工厂校正在微波暗室内完成，可以高精度地完通道的幅相校正。但是由于工厂校正通常由平面近场天线测量要逐一对收发通道进行精确的测量，工作繁琐，耗时长，而且行时的动态误差进行校正。采用工厂校正的相控阵列雷达有ＴＨ３０＞１等［２３；２４］。图１．１是典型的相控阵列雷达的工厂级校正实物图［２５］控阵列、高精度校正信号源、机械传动装置等。机械传动装置用正信号源的位置，逐一对被校相控阵列的通道进行校正。逡逑

果［２６；２７］。学者以＾业＾设计了一款工作在３0ＧＨｚ频段的相控阵列，包含６４根圆逡逑极化天线，并分别在阵列的４个角落放置校正接收机，采用近场校正方法来校逡逑正所有天线的幅相不一致性，如图１．２，校正后的幅度误差为０．２１邋ｄＢ，相位误逡逑差为２．２°。近场校正的另一个例子是旋转矢量法（Ｒｏｔａｔｉｎｇ－ｅｌｅｍｅｎｔ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃ－ｆｉｅｌｄ逡逑ｖｅｃｔｏｒ，邋ＲＥＶ）。ＲＥＶ方法仅仅通过测量合成信号的幅度就可以完成通道间的幅逡逑度和相位测量［２８￣３（）］。通过从０°到３６０°逐渐旋转每一个通道的相位，ＲＥＶ方法测逡逑量整个阵列的合成电场幅度，，然后计算得到每一个通道的幅度和相位值。然逡逑而ＲＥＶ方法的总校正时间和通道数目、相位旋转的分辨率成正比，对于通道数逡逑目众多的阵列需要消耗大量的校正时间。逡逑通逡逑图１．２邋Ｐａｗｌａｋ设计的８ｘ８相控阵列，包含４个近场校正接收机逡逑内部校正法为每一路通道设计专门的校正回路，并放置于每一个天线的附逡逑近，用于测量天线发射信号的输出功率。随后校正回路把测量信号传输给专门逡逑的处理单元
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U675.7;TN820

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 龚文斌;;星载DBF多波束发射有源阵列天线[J];电子学报;2010年12期

2 吴剑坤;俞小鼎;;强冰雹天气的多普勒天气雷达探测与预警技术综述[J];干旱气象;2009年03期

本文编号：2598602