基于通道合成的数字阵列通道校准方法

丁 坚，薛 坚

(南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

数字阵雷达具有损耗低、接收波束副瓣低等优点［1］，因数字阵列各通道有一定的差异性，故通道间存在幅度、相位不一致性［2］。通道不一致性的存在会影响数字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)后波束的质量，特别对波束指向、主瓣宽度、副瓣电平和波束形状有着较大的影响［3-8］，进而影响雷达整体性能。通道校准通过测试得到通道之间的幅相不一致性，对通道进行补偿，可得到较好的波束方向图。为了保证通道校准的质量，阵面测试一般采用近场测试方式，利用稳定基准源逐个对天线单元测试。

传统的模拟阵列雷达通道校准采用模拟馈线网络，下行数据通过网络进行合成，采样数据量小，处理方便。大型数字阵列雷达的规模大，一般达到几千甚至上万个通道，各通道独立、通道数据通过光纤下行，近场测试时每次需要将所有通道采样数据进行记录，事后解析出同一时刻所有通道的数据进行累加，记录的数据量大，处理复杂，分析时间长。本文提出了一种基于通道合成的数字阵列通道校准方法，该方法利用现场可编程门阵列(Field Programm-able Gate Array，FPGA)实现通道合成，将所有被测通道数据进行累加合成，在保证信噪比满足测试要求的情况下快速得到当前测试通道数据的近似值，有效实现了数据压缩，大大减少了数据记录量和处理时间，提高了测试效率。根据暗室测试系统架构，提出了一种通道校准计算方法，通过FPGA实现计算功能。在实际测量中，与原有校准方法比较，事实证明该方法测试时间少，精度高，对波束保形有较好的效果。

1 基于通道合成的数字阵列通道校准方法

1.1 原通道校准方法

为保证通道校准测量精度，雷达天线阵面测试一般在电磁环境较好的天线暗室内进行，受限于测试空间等因素，阵面测试一般采用近场测试方法［6］。数字阵雷达通道数据直接进入数字接收机，各通道独立。近场测试时原有的通道校准测试方法，如图1所示。测试系统由频率源、待测试的N个阵元、记录仪和校准计算机组成。

图1 原有的窄带通道校准测试方法

频率源能产生稳定的信号作为基准通道，用于测试的参考，频率源信号通过扫描探头依次在N个单元组件上切换，探头移动到某个单元时，对该单元进行校准测试。该方法阵面测试任务多，时间长，测试过程中探头在不停变换位置，对测试结果分析时，需要通过指令解析得到本次测试的通道号，并将同一时刻所有通道的数据进行累加，得到该通道的校准采样值。测试过程中需要将N个通道和基准通道全部记录下来，记录量大、且各通道数据对齐工作繁琐。当阵面规模较大时，全阵面测试数据记录量大，分析时间长，处理效率低。

1.2 基于通道合成的数字阵列通道校准方法

针对原有测试方法在大型数字阵列测试中效率低的问题，本文提出了一种基于通道合成的数字阵列通道校准方法。将所有通道进行通道合成，通道合成不进行移相和幅度加权，合成的结果是所有被测通道的累加，融合了所有通道的信息，由此可以得到被测通道采样数据的近似值。

在近场测试过程中，当探头移动到某个组件上时，只有该通道能够收到基准通道发射的信号，其他N-1个通道接收到为噪声，被测通道与其他通道的信噪比非常高。

测试时，下行数据由信号和白噪声相加而成，单个通道信号可以表示为

当信噪比很大时

将N个通道信号进行通道合成，通道合成过程不进行移相和幅度加权，合成后的结果是将所有通道进行累加，累加后结果可以表示为

当信噪比很大时，

由此可见，当信噪比很大时，x'(i)≈x(i)，即单通道信号可以近似为所有通道合成后的结果。

通过上述方法，利用FPGA实现通道合成能迅速得到被测通道采样信息。在不影响测试结果的前提下，减少了数据量。

另外，在原有的测试方法中，有效通道采样数据需要通过记录和分析后得到;然后将解析出的数据与基准进行配对，得到同一时刻的基准与被测通道数据。该处理方法复杂，且配对时间长，容易造成配对错误或失配导致校准错误。

为了提高测试速度和稳定性，采用一块专用硬件模块，将被测通道和基准通道的数据同时接收，并利用FPGA计算通道不一致性，将校准结果直接送出。这样做不需要后期进行解数和匹配操作，保留了系统原有同步性，增强了实时性和稳定性。

通过上述两个手段，可以实现自动化通道校准实时测试系统，测试系统构架如图2所示。

图2 基于通道合成的数字阵列通道校准方法

2 通道校准算法

通道校准是指测试出各个通道之间的幅度和相位不一致性，以便对各通道进行幅相补偿，实现波束方向图的保形。校准算法是通道校准系统的核心，需要与校准系统相结合。如图2所示，基准通道信号由频率源提供，信号幅相特性稳定，可作为固定参考。探头通过空间辐射依次向各个被测通道发送监校信号。

设基准通道信号为X(i)，被测通道信号为Y(i)，i=1，2，…，n。其中，n为采样点数，为了防止采样点数过少，校准结果有一定误差，一般取n为128点。

由于校准测试依赖于扫描架、探头和测试网络等设备，测试过程中难免会有一些测试系统引起的误差信息，为了将误差消除，对n个采样点幅相差结果做快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)处理，并对FFT结果求最大值，可以将误差信息滤除，以得到更准确的幅相测量值。

经过滤波后的通道校准结果可表示为

3 性能分析

3.1 采样点信噪比比较

原校准采样方法，不引入通道合成。设信号为16位，单通道噪声为白噪声，噪声功率为8，则单个通道的信噪比为

结合实际测试情况，假设N为3072通道，则N通道合成后的信噪比为

在实际测试中对3 072个通道分别逐个测试，图3是两种方法的原始信号与噪声叠加前后的比较，可以看出，两种方法的噪声相对于信号本身的幅度和相位影响都很小。

将两种方法测试结果做定量比较，两种方法的幅度和相位标准差都相差非常小，不影响通道校准的效果。基于通道合成的通道校准方法后信噪比有52.4 dB，能够满足测试精度需求。

图3 单通道和通道合成信噪比比较

3.2 校准记录数据量比较

假设测试3 072个通道的阵面，每次测试50个频点。每次测试所需的单通道采样点数是128点，所需的通道号、频点、控制等扫描控制信息有50点。

原有测试系统，每次需要记录3 072个被测通道和1个基准通道信号，则单通道、单频点的数据记录量为

3 073(128×2×16 bit+50×16 bit)=1.88 MB

全阵面所有3072通道，所有频点做一次测试，总的数据记录量为

1.88 MB×3 072×50=288.77 GB

采用通道合成提速的测试系统，每一帧只需记录基本控制信息和修正后的通道校准结果，单通道单频点的记录量为

2×32 bit+2×50×32 bit=408 Byte

整个阵面所有波位和频点做一遍，总的数据记录量为

408 Byte×3 072×50=62.67 MB

由此可见，基于通道合成方法的记录量是原有测试方法的0.022%。

3.3 校准测试时间比较

数据记录量的减少和通道校准数据的实时计算，大大减少了通道校准的测试时间。在实际测试中，原有测试方法做一次测试所需时间约为120 h，而基于通道合成的方法测试时间为4 h。另外，本方法省去了数据配对的步骤，减小了出错概率，增加了稳定性。

3.4 通道校准对波束方向图的影响比较

3 072个通道阵面为64×48排布，图4给出了采用基于通道合成的通道校准方法修正前后的等幅权的水平方向波束图比较。由图可见通道修正后，波束方向图形状有了明显的改善。

图4 通道校准前后波束图比较

在实际测试中，以测试3 072个通道、单通道50个频点为例，将基于通道合成的校准方法与原有校准方法性能比较，结果如表1所示。

表1 本方法与原校准方法性能比较

综上所述，基于通道合成的校准方法与原方法相比性能相当，可以满足测试要求。同时，数据记录量和测试时间有了显著减少，大大缩短了通道测试的时间。

4 结束语

本文介绍了基于通道合成的数字阵列通道校准方法原理和组成，给出了基于这种测试方法的通道校准算法。工程实践证明，校准后形成的波束方向图性能良好，能满足阵面测试要求。与传统数字阵列通道校准方法比较，本方法在保证通道校准性能的前提下大大降低了通道校准测试的测试量和测试时间，增加了测试稳定性，可为大型数字阵列阵面快速测试提供系统方案支撑。

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