相控阵雷达波控系统研究

相控阵雷达波控系统研究 高云珠，王晟达 （空军工程大学 工程学院，陕西·西安 邮编:710038） 摘要：基于相控阵天线波束控制的基本原理和波控系统的任务，讨论了相控阵雷达波控系 统的相关问题。通过 MATLAB 仿真可知,依据相控阵天线雷达的方向图的可分离性,实现了对 雷达波束的控制，本文采用分布式查表和程序运算相结合的，提高了波控运算速度。 关键词：相控阵天线; 波束控制; 仿真 中图分类号：TN958.92 文献标识码：A Research of Beam Steering for Phased Array Radar GAO Yun-zhu WANG Sheng-da （Air Force Engineering University Engineering College, Xi’an 710038, China） Abstract: Based on the theory of beam steering of phase array antenna and the task of beam steering system, discussed the interrelated problems of beam steering system of phase array antenna. Simulated by MATLAB, it carried out controlling to radars’ beam according to the pattern’s separation of the phase array radar. The method of this paper is the combination of distributed seeking table and procedure operation, enhancing the speed of beam-control operation. Keyword: Phased array antenna; Beam steering; Simulation 1 引言 随着雷达技术的不断发展，相控阵雷达天线阵面技术的发展可谓日新月异。从无源相控 阵雷达到有源相控阵雷达，从几十个单元的阵面天线到由数万个单元组成的多阵面天线，雷 达新技术的发展对波控系统提出了很多新的要求和新的挑战，用于专门控制雷达波束扫描的 波控系统被赋予了越来越多的工作任务。相控阵雷达天线波束具有扫描快捷、灵活的特点， 而天线波束的扫描是由波束控制系统来实现的,波束控制系统是相控阵天线所特有部分。 2 波控系统基本原理 在相控阵雷达中，波束扫描过程是这样的：根据天线波束所应指向的空间位置，波控计 算机计算出相应的方位及仰角初始相位值，然后再计算出阵列天线中每个单元移相器所需的 相位值，通过驱动器使移相器移相，从而使天线波束指向的方向。 图1 矩形平面阵示意图 以M×N矩形平面阵（如图1）为例。在(x，y)平面上，各相邻单元的间距在x, y方向分别 为dx与dy。当采用数字式移相器时，由于阵面第(m，n)单元相对于第(O，0)单元的阵内相位 波控数码值为 ),( nmϕ 。 00),( yx nmnm ϕϕϕ += （1） X Z d d (n, n) (m, n) (x,y,z) Y 其中： ) 2 2/()sin2(0 Kx x x d πϕλ πϕ = , ) 2 2/()sin 2 (0 Kx y y d πϕλ πϕ = K22π 为阵内最小相移量,（ 0xϕ ， 0yϕ ）为初始相量，( xϕ ， yϕ ）为阵内相邻单元 间相位差（相移量），K 为移相器位数。式(1)就是平面阵列中通常采用的一种行列分离计 算、单元集中配相的算法。所谓行列分离计算，就是按照初始相量（ 0xϕ ， 0yϕ ）分别计算 出 X、Y 轴上各对应点的相位值；所谓单元集中配相就是将第(m，n)单元所在的行和列的相 位值相加所得到的相位值。 3 波束控制的任务 波控计算机通过控制固态发射机组件前级的低功率数字移相器实现发射波束的形成和扫 描，因此，对天线波束定位是波控系统的基本任务，同时根据不同的波束指向计算并形成天 线阵列中每个移相器所需的移相量表。 波控系统接收由雷达主控制计算机提供的同步编码信息，根据编码信息查找波束形状／ 指向——移相量表，得到每个移相器在某个方位波束宽度内的所有重复周期内的移相量，再 按照相应的时序关系，通过控制接口将移相量送至各移相器；同时，可接收主控制计算机的 校正，重新计算各指向的移相量，并对波束形状／指向——移相量表进行修改；移相量 表的数据也能够通过通信接口回送至主控制计算机。 BITE技术是雷达系统中广泛应用的一种自动化监测与维修手段。波控系统自身必须具备 完善的BITE功能，能检测波控计算机和控制接口插件是否工作正常，能快速准确地将故障定 位到现场可更换单元，由监控系统来显示或完成系统的故障定位。 4 建模、仿真与结果分析 4.1 硬件流程与软件流程 一般而言，从雷达主控计算机到波控执行机，再到阵面的移相器，整个波控系统的各个 组成是一个串联环节，其中的波控执行机将完成对天线阵列中所有移相器的布相，在按照相 应的时间关系通过驱动器使移相器移相，从而使天线波束指向规定的方向。 目前，相控阵的波控有很多种，基于流程的波控方案有集中式、半分布式和分布式， 基于运算方法可分为查表法和程序运算法等等。本文采用的方法是分布式查表和程序运算相 结合的方法。软件与硬件流程图如下： 图 4 波控软件流程图 图 5 分布式波控方案原理图 4.2 MATLAB 仿真与结果分析 矩形平面阵的归一化方向性函数为: ),,(),,(),,( 000 yyxx FFF ϕφθϕφθϕφθ = (2) 差分驱动 主波控机 … … … 波控子阵 差分驱动 差分驱动 波控子阵 波控子阵 波控子阵 波控子阵 波控子阵 波控子阵 波控子阵波控子阵 … … 波控数码 初始相位移相器位数 波束扫描 方向图 增益 波束宽度 波束指向角变化空间相位差变化阵内相位差变化 式中： )]sin2( 2 1sin[ )]sin2( 2 sin[1),,( 0 xxx xxx xx d dM M F ϕθλ π ϕθλ π ϕφθ − − = )]sin2( 2 1sin[ )]sin2( 2 sin[1),,( 0 yyy yyy yy d dN N F ϕθλ π ϕθλ π ϕφθ − − = 近似简化运算如下: )sin2( 2 )]sin2( 2 sin[ )]sin2( 2 1sin[ )]sin2( 2 sin[1),,( xxx xxx xxx xxx xx dM dM d dM M F ϕθλ π ϕθλ π ϕθλ π ϕθλ π ϕφθ − − ≈ − − = (3) )sin2( 2 )]sin2( 2 sin[ )]sin2( 2 1sin[ )]sin2( 2 sin[1),,( yyy yyy yyy yyy yy dN dN d dN N F ϕθλ π ϕθλ π ϕθλ π ϕθλ π ϕφθ − − ≈ − − = (4) 移相量ϕ应满足: 0sin2 xxx d θλ πϕ = , 0sin2 yyy d θλ πϕ = 其中 0xθ , 0yθ 分别为波束指向角在 xoz 平面的投影和 yoz 平面的投影与 z 轴的夹角。由 式(3)和(4)可以看出，通过移相器改变移相量可以改变波束指向角，从而改变天线方向图， 以达到波束扫描的目的。 取 md x 1.0= , md y 15.0= , m3.0=λ , D60max ±=θ ,M=N=50,K=6,当移相器输入波控数 码后,可得一确定的波束指向角,从而得到相控阵天线的方向图。 (1)取 00 == xx θθ ,则此时相控阵雷达天线波束在yoz平面上扫描,即通常我们所指的 俯仰扫描,此时雷达方向图 yFF = ,取不同的 yϕ ,可得阵面正弦空间中相控阵天线雷达的俯仰 扫描方向图(如图 6)。 (2)取 00 == xy θθ ,则此时相控阵雷达天线波束在 xoz 平面上扫描,即通常我们所指的方 位扫描,此时雷达方向图 xFF= ,取不同的 xϕ ,可得阵面正弦空间中相控阵天线雷达的方位扫 描方向图(如图 7)。 图 6 俯仰扫描方向图 图 7 方位扫描方向图 (3)当 xθ , yθ 不同时为 0 时,相控阵雷达天线波束在全空间内相扫, 此时雷达方向图 yx FFF = ,代入具体参数,可得阵面正弦空间中相控阵天线雷达的全相扫描方向图。 首先,当 xϕ 为某一定值时(不为 0),移相器输入不同的 yϕ ,即可得到相控阵雷达天线波束 在阵面正弦空间中任一位置做俯仰扫描,如图 6。同理,当 yϕ 为某一定值时(不为 0),移相器 输入不同的 xϕ ,可得到相控阵雷达天线波束在阵面正弦空间中任一位置做方位俯仰扫描,如 图 7。 图 6 xϕ 为一不为 0定值时俯仰扫描方向图 图 7 yϕ 为一不为 0定值时方位扫描方向图 同理,当 )0,0(),( ≠yx ϕϕ 时,移相器输入不同的波控数码,可以产生不同的 ),( yx ϕϕ ,从而可 以得到在阵面正弦空间中任意一点的相控阵天线雷达的全相扫描方向图(如图 10)。 图 10 )0,0(),( ≠yx ϕϕ 时全相扫方向图 通过比较图6～图10,我们可以看出, 经过MATLAB仿真,依据相控阵天线雷达的方向图的 可分离性,实现了对雷达波束的控制。在阵面正弦空间中,相控阵天线雷达方向图的形状是不 随扫描角的变化而变化的,仅仅是方向图的平移,这与理论相符。而针对阵内具体阵元输入不 同的波控数码可以产生多波束,通过改变输入波控数码的速率可以改变波束的扫描速度,通 过改变不同波控数码所对应的激励电流的幅度可以改变具体阵元的增益和幅度,从而达到实 际所需的搜索、扫描、跟踪或边扫描边跟踪等多种状态和不同的技术指标。 另外,需要指出的是,通过运算,阵面正弦空间与阵面直角坐标空间(x,y,z)的转换关系如 下: 222 zyxR ++= 222 sin zyx x x ++ =θ 222 sin zyx y y ++ =θ 通过以上的坐标转换可以得到阵面直角坐标空间中相控阵天线雷达相扫方向图。 5 结 论 本文以可分离性等间距天线相控阵雷达波控系统为例, 采用分布式查表和程序运算相结 合的方法, 通过以上分析和仿真可以看出，采用此方法提高了波控运算速度。 参考文献: [1] 张光义．相控阵雷达系统[M]．北京：国防工业出版社，1994． [2] 郑清，张健．相控阵雷达分布式波控系统设计［J］．现代雷达，2001，23卷,49—51． [3] R C Hansen. 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London: Artech House Boston, 1991. 作者简介：高云珠，（1981-），女(汉族), 河南许昌, 空军工程大学工程学院,硕士研究生, 研究方向为雷达信号与信息处理。 Biography: GAO Yunzhu (1981-), Female(the Han nationality),Xuchang Henan, The Engineer Institute, Air Force Engineering University, Master, Radar signals and information processing. 导师简介：王晟达，（1964－），男（汉族），河北石家庄人，空军工程大学工程学院教授， 博士，主要从事雷达信号与信息处理研究。 Biography: WANG Shengda (1964-), Male(the Han nationality),Shijiazhuang Hebei, The Engineer Institute, Air Force Engineering University, Professor, Doctor, Radar signals and information processing. 详细地址:空军工程大学工程学院学员十二队, 邮编:710038 本文作者的创新点为：在波束控制的基本原理的基础上，提出了采用分布式查表和 程序运算相结合的方法，提高了波控运算速度。通过 MATLAB 仿真可知,依据相控阵天线 雷达的方向图的可分离性,实现了对雷达波束的控制，验证了此方法的可行性。