相控阵雷达及其收发通道校准电路、方法与流程

本发明属于雷达校准，尤其涉及一种相控阵雷达及其收发通道校准电路、方法。

背景技术：

1、相控阵雷达系统主要由天线、收/发组件、波束控制器、和差波束网络、频率综合器、数据采集器以及信号处理机等组成，如图1所示。相控阵雷达系统中的天线多为收发共用天线，作为发射天线时，其作用为将信号向空间辐射；作为接收天线时，其作用为接收空间信号，收发通常采用时间切换的方式。收发组件(即t/r组件)则为控制信号流，其内部结构如图2所示，发射端包含功率放大器，接收端包含低噪声放大器等，收/发信号选择采用射频开关控制，并均增加移相器。

2、和差波束网络则由功分器以及功分和差器组成。频率综合器则用于产生发射信号、接收和路信号以及差路信号，并将接收到的信号进行数字下变频到基带。数据采集器则用于采集接收信号，并发送给信号处理机进行信号处理，同时给波束控制器命令，以调节收/发组件中发射端或接收端的移相器，通常数据采集器由fpga和adc组成。

3、相控阵雷达系统的基本原理为调节各天线之间的相位，使得发射(或接收)在某一方向上形成最大增益。相位调节值可以表示为：

4、

5、其中，φ为相位调节值，dm为第m个天线相对于参考天线的距离，θ为相控阵天线的波束指向角度，λ为信号波长。相位调节值φ基于天线端计算，其基本假设为信号经过收/发组件、和差波束网络各通道的相位完全一致。但是，在实际应用中，由于器件的非理性因素，各通道的相位并不完全一致，甚至差异明显。因此，实际应用中相控阵雷达系统的相位调节值为：

6、

7、其中，δφm为相控阵雷达系统中各通道的幅相误差。对于一个相控阵雷达系统而言，通道数可能为16、32，甚至更多，需要快速准确并实时地估计出各通道的幅相误差，才能保证雷达性能，并提高雷达工作效率。

8、目前，相控阵雷达系统的通道校准方法主要采用如图3所示的结构：两个相同的雷达且相距r，首先利用高精度的定位仪器对两个雷达的经纬高进行测量，然后计算出两个雷达之间的准确距离，并以激光源作为参考，将雷达s1的0度方向指向雷达s2，将雷达s2的0度方向指向雷达s1。雷达s1的发射校准过程为：雷达s1的各天线依次发射信号，采集雷达s2的接收数据，计算雷达s1的各发射天线的相位误差。雷达s1的接收校准过程：雷达s2发射同一信号，采集雷达s1的各接收天线的信号，计算雷达s1的各接收天线相位误差。雷达s2的校准则以s2和s1互换即可。

9、由此可知，当前校准方法需要至少两个雷达，并且需要预先对齐方向。因此，无法随时进行校准操作，一旦需要进行雷达校准，难以实施。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种相控阵雷达及其收发通道校准电路、方法，以解决现有雷达通道校准方法需要至少两个雷达且需要预先对齐方向，导致无法随时进行校准操作的问题。

2、本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种相控阵雷达收发通道校准电路，包括天线阵列、收/发组件、波束控制器、和差波束网络、频率综合器以及信号处理器；所述收/发组件与所述天线阵列、波束控制器以及和差波束网络中的第一功分器连接，所述和差波束网络中的功分和差器与所述频率综合器连接，所述频率综合器与所述信号处理器连接，所述信号处理器与所述波束控制器连接；所述校准电路还包括：

3、天线耦合接口以及第二功分器，所述天线耦合接口设于所述天线阵列的第二端，所述第二功分器的一端与所述天线耦合接口连接，所述第二功分器的另一端通过射频开关与所述频率综合器连接；其中，所述天线阵列的第二端为远离收/发组件的天线阵列的一端；

4、所述频率综合器，用于在发射通道校准时产生发射校准信号，以及在接收通道校准时产生接收校准信号，所述发射校准信号由频率综合器的射频和端输出，所述接收校准信号由频率综合器的射频差端输出；

5、所述和差波束网络，用于将频率综合器输出的发射校准信号传输给收/发组件；以及在接收通道校准时将收/发组件传输的信号发送给频率综合器的射频和端；

6、所述收/发组件，用于在发射通道校准时将和差波束网络输出的信号传输给天线阵列；以及在接收通道校准时将天线阵列辐射的信号传输给和差波束网络；

7、所述天线耦合接口，用于在发射通道校准时将天线阵列的第二端的信号传输到第二功分器；以及在接收通道校准时将第二功分器输出的信号分配给天线阵列；

8、所述第二功分器，用于在发射通道校准时将天线耦合接口传输的信号进行合成后通过射频开关传输给频率综合器的射频差端；以及在接收通道校准时将接收校准信号功分后传输给天线耦合接口；

9、所述信号处理器，用于在发射通道校准时采集频率综合器输出的各信号，对各信号分别进行傅里叶变换，得到各信号的频谱；根据各信号的频谱计算出每个天线通道的平均幅度和平均相位；根据每个天线通道的平均幅度和平均相位计算出发射校准系数；根据所述发射校准系数和理想发射校准系数计算出实际发射校准系数，根据所述实际发射校准系数对各发射通道进行校准；以及在接收通道校准时采集频率综合器输出的各信号，对各信号分别进行傅里叶变换，得到各信号的频谱；根据各信号的频谱计算出每个天线通道的平均幅度和平均相位；根据每个天线通道的平均幅度和平均相位计算出接收校准系数；根据所述接收校准系数和理想接收校准系数计算出实际接收校准系数，根据所述实际接收校准系数对各接收通道进行校准。

10、基于同一构思，本发明还提供一种相控阵雷达收发通道校准方法，在所述相控阵雷达的天线阵列的第二端增设天线耦合接口，所述天线耦合接口依次通过第二功分器、射频开关与所述相控阵雷达的频率综合器的射频差端连接，其中所述天线阵列的第二端为远离收/发组件的天线阵列的一端；所述校准方法包括发射通道校准和接收通道校准；所述发射通道校准包括以下步骤：

11、利用所述频率综合器产生发射校准信号；

12、所述发射校准信号依次经过频率综合器的射频和端、和差波束网络、收/发组件、天线阵列、天线耦合接口、第二功分器、频率综合器的射频差端后，由相控阵雷达的信号处理器的adc采集、传输到信号处理器；

13、所述信号处理器对adc采集的各信号分别进行傅里叶变换，得到各信号的频谱；

14、根据各信号的频谱计算出每个天线通道的平均幅度和平均相位；

15、根据每个天线通道的平均幅度和平均相位计算出发射校准系数；

16、根据所述发射校准系数和理想发射校准系数计算出实际发射校准系数，根据所述实际发射校准系数对各发射通道进行校准；

17、所述接收通道校准包括以下步骤：

18、利用所述频率综合器产生接收校准信号；

19、所述接收校准信号依次经过频率综合器的射频差端、第二功分器、天线阵列、收/发组件、和差波束网络、频率综合器的射频和端后，由相控阵雷达的信号处理器的adc采集、传输到信号处理器；

20、所述信号处理器对adc采集的各信号分别进行傅里叶变换，得到各信号的频谱；

21、根据各信号的频谱计算出每个天线通道的平均幅度和平均相位；

22、根据每个天线通道的平均幅度和平均相位计算出接收校准系数；

23、根据所述接收校准系数和理想接收校准系数计算出实际接收校准系数，根据所述实际接收校准系数对各接收通道进行校准。

24、进一步地，针对具有k个阵元的天线阵列，所述发射校准信号和所述接收校准信号均为3*k个脉冲信号，对每个天线通道依次配置3个连续脉冲信号，且当进行某个天线通道的校准时，与该天线通道对应的收/发组件配置为开，其他收/发组件配置为关。

25、进一步地，在发射通道校准或接收通道校准时，每个天线通道的平均幅度的计算公式为：

26、

27、其中，表示第k个天线通道的平均幅度，am,k表示第k个天线通道的第m个脉冲信号经过傅里叶变换后的幅度，k表示天线通道的数量；

28、每个天线通道的平均相位的计算公式为：

29、

30、其中，表示第k个天线通道的平均相位，φm,k表示第k个天线通道的第m个脉冲信号经过傅里叶变换后的相位。

31、进一步地，所述发射校准系数和所述接收校准系数均包括幅度校准系数和相位校准系数，所述幅度校准系数的计算公式为：

32、

33、其中，a0(k)表示第k个天线通道的幅度校准系数，表示第1个天线通道的平均幅度，表示第k个天线通道的平均幅度，k表示天线通道的数量；

34、所述相位校准系数的计算公式为：

35、

36、其中，φ0(k)表示第k个天线通道的相位校准系数，表示第1个天线通道的平均相位，表示第k个天线通道的平均相位。

37、进一步地，所述实际发射校准系数和实际接收校准系数均包括实际幅度校准系数和实际相位校准系数，所述实际幅度校准系数的计算公式为：

38、af(k)＝a0(k)×ai(k),k＝1,2,...k

39、其中，af(k)表示第k个天线通道的实际幅度校准系数，a0(k)表示第k个天线通道的幅度校准系数，ai(k)表示第k个天线通道的理想幅度校准系数，k表示天线通道的数量；

40、所述实际相位校准系数的计算公式为：

41、φf(k)＝φi(k)+φ0(k),k＝1,2,...,k

42、其中，φf(k)表示第k个天线通道的实际相位校准系数，φ0(k)表示第k个天线通道的相位校准系数，φi(k)表示第k个天线通道的理想相位校准系数。

43、基于同一构思，本发明还提供一种相控阵雷达，包括如上所述的相控阵雷达收发通道校准电路。

44、有益效果

45、与现有技术相比，本发明的优点在于：

46、本发明在相控阵雷达接收到校准指令时，由频率综合器产生校准信号，能够实现收/发组件和射频开关的自动化配置，同时信号处理器自动进行信号处理和计算，实现了各收/发通道的快速、自动校准，提高了收发通道校准效率。本发明在校准时无需两个雷达，更加无需预先对齐方向，实现了相控阵雷达各收发通道的随时校准。