学术：电子侦察系统实时相位校准技术的研究，更好实现战场监视与远程精准打击
今日荐文的作者为西安电子工程研究所专家乔宏乐，余建宇，王超 。本篇节选自论文《电子侦察系统实时相位校准技术的研究》，发表于《中国电子科学研究院学报》第11卷第6期。下面和小编一起开始学习吧~
引 言
电子对抗系统通常包括电子侦察和电子干扰两个主要方向。电子侦察系统中使用快速高精度、高识别率的无源被动定位技术进行战场监视和远程精确打击已成为一种重要的技术和发展趋势。所有的电子战和信号情报系统都需要具备对敌信号源进行定位测向的能力。
干涉仪测向系统精度高、灵敏度高、抗干扰性强、数据处理时间短、工作频率范围宽等特点而被广泛使用，其作为电子侦察系统重要组成部分，主要作用为：
1.辐射源的分选、识别提供可靠依据（辐射源空间位置无法捷变）；
2.为电子干扰和摧毁攻击提供引导；
3.为武器系统提供威胁告警；
4.实现对辐射源无源定位。
干涉仪测向系统通过检测电磁波到达测向天线阵各天线间信号的相位差来确定来波方向。因此，干涉仪测向系统相位稳定性是保证测向精度的关键。
近几年，世界各国大力发展毫米波技术在军事领域的应用，其主要优点是系统体积小、重量轻、频带宽、分辨率高和抗干扰性好，主要应用于目标跟踪、导引头的末端精确制导等军事领域。目前，由于毫米波器件的性能有待提高，选择毫米波干涉仪测向测频体制的电子侦察方案，技术较成熟，实现难度较大，毫米波信号要经过系统两级本振混频到中频进行信号处理，系统相位稳定性及各接收通道相位不平衡性会直接影响侦察系统的测向精度。传统的干涉仪测向技术应用于毫米波领域需考虑采用一种实时校准方法保证系统的相位稳定性，以达到系统设计要求的测向精度。
1.相位校准原理
根据干涉仪测向原理，无论何种工作频率、由何种数量天线构成的干涉仪电子侦察测频测向系统，其测向精度都和相位测量精度有直接关系。干涉仪系统的所观测到的相位信息可由式（1）表示：
Φsysetm=Φsignal+Φantenna+Φreceiver+ΔΦT (1)
上式中：
Φsysetm 系统所观测到的相位信息；
Φsignal 不同频率信号由不同来波方向的相位量；
Φantenna 各天线的初始相位量；
Φreceiver 接收机不同通道的相位量；
ΔΦT 系统各微波器件、本振信号及接收机内部由温度引起的相位变化量总和。
干涉仪实际应用是通过测量Φsysetm值获取Φsignal来计算不同频率的信号来波方向，这就要求干涉仪系统首先确定系统相位特性参数Φantenna和Φreceiver。确定Φantenna和Φreceiver真实值的过程就称为干涉仪系统的初始相位校准。
不具备实时相位校准功能的干涉仪无源侦察系统存在两方面缺陷：
[1] 由于忽略了实际存在的相位随温度变化的因素，因此系统测向结果总会随着温度的变化存在误差，不能满足高精度的应用需求；
[2] 在工程应用中，系统需要进行维修或更换射频电缆或模块，干涉仪接收系统各通道初始相位量（包含通道间不平衡性）Φreceiver并非恒定不变，接收系统相位信息会随着温度发生漂移或随着射频电缆或某一模块更换发生改变，即初始相位校准结果并不能长期保持精确有效，超出测向算法的容差范围需要人工反复进行系统初始相位校准。初始相位校准工作要求在微波暗室远场条件下进行，且要求将系统工作范围内所有频点的相位信息进行记录存储，反复初始相位校准使干涉仪电子侦察系统难以满足长期使用和可维修性要求，限制了干涉仪的应用。
2.解决方法
通过对干涉仪侦察系统的相位信息进行分析，为了克服干涉仪电子侦察系统相位校准方法的不足，设计了一种干涉仪电子侦察系统的实时相位校准方法，不仅可以克服干涉仪系统相位信息随温度变化对系统测向精度的影响，还可以通过对实时相位信息和初始相位信息进行矩阵运算，获取修正的系统相位信息，以补偿系统射频接收模块更换后造成初始相位变化量，无需重复进行初始相位的校准，提高干涉仪测向精度的同时，增强了干涉仪的可维修性。该方法处理实时性高、应用灵活、工程可实现性强，实现了自动校准流程。
图1 实时校准系统组成框图
根据图1所示，本方法解决技术问题的具体实施方式是在干涉仪电子侦察系统设计中，增加自检校准信号产生模块，自检校准信号通过接收天线耦合器进入干涉仪四通道接收系统，信号处理软件对四通道中频信号进行数字信道化处理，以第一通道信号相位为基准，形成包含频率和相位差信息的脉冲描述字，信号处理软件对系统工作频带内各频点的相位信息进行记录，形成系统相位信息数据。
干涉仪系统在微波暗室进行系统初始相位校准工作就是获取干涉仪系统测量得到的阵面法线方向各频率微波信号的相位差信息数据，系统在不同温度条件下各微波器件、本振信号及接收机内部由温度引起的相位特性由ΔΦ’T1表示，干涉仪系统的初始相位信息可由式（2）表示：
Φ初始相位信息=Φsignal+Φantenna+Φreceiver+ΔΦ’T1（2）
在相同温度条件下，系统利用实时相位校准方法获取系统初始实时相位信息数据，初始实时相位信息可由式（3）表示：
Φ初始实时相位信息=Φreceiver+ΔΦ’T1 （3）
系统设计中，对相位信息随温度变化敏感的分系统增加温度传感器，如前端射频模块、接收机分系统、信号处理器分系统，干涉仪系统在正常工作时周期对分系统温度进行监测，当温度超过一定范围时，利用实时相位校准方法得到系统实时相位信息，实时相位信息可由式（4）表示。
Φ实时相位信息=Φreceiver+ΔΦ’T2（4）
干涉仪系统可以通过对实时相位信息与初始实时相位信息的矩阵运算得到系统随温度变化所引起的系统实时相位变化量ΔΦT，可由式（5）表示：
ΔΦT=Φ实时相位信息-Φ初始实时相位信息=ΔΦ’T2 -ΔΦ’T1 （5）
这样，系统可以实时监测系统的相位变化，当系统相位随温度产生的变化量ΔΦT超过干涉仪测向算法对相位抖动的容忍门限时，系统自动对初始相位Φ初始相位信息进行修正，修正初始相位信息可由式（6）得到，这样实时相位校准方法可以获取实时的修正初始相位信息，保证了系统相位的实时稳定性，使毫米波干涉仪电子侦察系统测向精度进一步提高。
Φ修正初始相位信息=Φ初始相位信息-ΔΦT （6）
干涉仪系统的初始相位信息及相位的稳定性是决定系统测向基准和精度的主要因素，利用实时相位校准方法提高了系统的测向精度，但如果系统某一模块发生故障进行维修或替换，系统的初始相位信息就无法使用，需要在符合远场条件的微波暗室重新对系统做初始相位校准，工作量大，要求高，影响了系统的维修性。干涉仪系统在工程应用中，最容易出现故障的是接收机分系统，利用实时相位校准方法，通过对维修前后实时相位信息数据进行矩阵运算，可以获取维修后修正的系统初始相位信息，避免了再次进行人工初始系统相位校准，提高了干涉仪技术体制的实用性和灵活性。维修后实时相位信息Φ维修后实时相位信息包含维修更换后接收系统的相位信息和温度引起的相位特性△Φ’T1 ，式（7）。
Φ维修后实时相位信息=Φ’receiver+△Φ’T1（7）
维修后实时相位信息Φ维修后实时相位信息与系统维修前初始相位信息Φ初始实时相位信息经矩阵运算, 由式（8）可得到系统相位修正量△Φ修正量。
△Φ修正量=Φ维修后实时相位信息-Φ初始实时相位信息=Φ’receiver-Φreceiver(8)
由式（9）将初始相位信息用相位修正量△Φ修正量进行修正计算得到Φ维修后修正初始相位信息,这样维修后的干涉仪系统不必再进行复杂的初始相位信息校准工作，提高了系统的可维修性。
Φ维修后修正初始相位信息=Φ初始相位信息-△Φ修正量(9)
3.结论
具有实时相位校准功能的干涉仪侦察系统与相同技术体制侦察系统相比较具有有益效果：
1、系统实时相位信息的提取和记录方法，保证了系统相位的稳定性，工程可实现性强，应用灵活，速度快，对相位信息敏感的系统和设备都可以借鉴。
2、提高了干涉仪电子侦察系统的工程可实现性。目前，干涉仪电子侦察测频测向技术体制多应用于2-18GHz频段，毫米波电子侦察系统则采用比幅测向体制，测向精度较低。随着毫米波精确制导武器装备的发展，电子战中对毫米波电子侦察系统的测向精度要求不断提高。在工程设计中，采用实时相位校准方法可以解决毫米波干涉仪电子侦察系统相位稳定性与测向精度之间的矛盾，提高了工程可实现性。
3、干涉仪电子侦察技术体制中增加实时相位校准方法，不仅可以保证系统的相位稳定性，还可以使干涉仪技术体制设计模块化，同时提高了系统的维修性。干涉仪测向技术体制的系统，往往对相位信息稳定性要求高，初始相位信息要在微波暗室进行精确校准，一旦系统某一模块发生故障，则要重新对系统做初始相位校准，工作量大，难度大，环境要求苛刻，在某些应用条件下根本不允许，只能更换整个系统，即耗时代价又大。系统设计如增加实时相位校准功能，可对维修或更换模块前后系统相位信息进行对比，根据实时相位信息对初始相位信息进行修正，避免了只要相位发生变化就要重新进行初始相位校准的工作，提高了干涉仪技术体制的实用性和灵活性。
参考文献略
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