Способ адаптации отражающих поверхностей антенны



Способ адаптации отражающих поверхностей антенны
Способ адаптации отражающих поверхностей антенны
Способ адаптации отражающих поверхностей антенны

 


Владельцы патента RU 2518398:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем машиноведения Российской академии наук (ИПМаш РАН) (RU)

Изобретение относится к космическим радиотелескопам и может быть использовано для адаптации отражающих поверхностей антенны. Технический результат заключается в повышении коэффициента использования поверхности многодиапазонных двухзеркальных антенн. Для этого по значениям положений щитов для каждого щита строят аппроксимирующий параболоид так, чтобы фокусное расстояние и положение основания каждого параболоида минимально отличалось от соседнего и при этом разности между их фокусными расстояниями были кратны длине волны принимаемого радиоизлучения, и вычисляют отклонения каждого щита от соответствующего параболоида, после окончания перемещений щитов главного зеркала измеряют положения каждого щита второго зеркала (контррефлектора), строят модель хода лучей, отраженных от щитов главного зеркала в сторону контррефлектора, и положения отражающих поверхностей щитов контррефлектора и вычисляют рассогласования крайних лучей с положениями соответствующих краев отражающих поверхностей щитов контррефлектора, и с помощью системы автоматического управления перемещают каждый щит контррефлектора в сторону уменьшения рассогласований так, чтобы положения их фокусов минимально расходились между собой и с положением вторичного фокуса зеркальной системы и (или) с положением приемника излучения при условии, что длины лучей от первичного фокуса до отражающих поверхностей щитов контррефлектора, а также длины лучей от отражающих поверхностей щитов контррефлектора до вторичного фокуса, и расхождения в обоих случаях были кратны длине волны принимаемого излучения. 3 ил.

 

Изобретение относится к космическим радиотелескопам, а именно к антенным системам, и предназначено для адаптации отражающих поверхностей антенны к изменению их профиля из-за ветровых и весовых деформаций и (или) к изменению длины принимаемых антенной радиоволн.

Известен способ адаптации отражающей поверхности основного зеркала многодиапазонных двухзеркальных антенн (ДЗА), образуемой параболическими щитами, расположенными в N ярусов, при котором для каждого яруса вычисляют оптимальный теоретический параболоид, обеспечивающий максимальное значение апертурного коэффициента использования поверхности (КИП), определяют максимально допустимое отклонение положения щитов каждого яруса и перемещают щиты таким образом, чтобы минимизировать максимальное отклонение профиля результирующей зеркальной поверхности основного зеркала от вычисленного теоретического (Раздоркин Д.Я., Романенко М.В. Алгоритм оптимизации двухзеркальной антенны с рефлектором из параболических щитов. Журнал радиоэлектроники, №4, 2000) [1].

Недостатком такого способа является снижение КИП из-за отсутствия адаптации поверхности к ветровым и весовым деформациям, что может вызывать существенное снижение КИП у антенн с большой площадью поверхностей.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ адаптации отражающих поверхностей антенн больших радиотелескопов миллиметровых волн, при которых измеряют положение щитов, образующих отражающую поверхность главного зеркала антенны, строят в компьютере по измеренным значениям, например методом наименьших квадратов, поверхность аппроксимирующего параболоида, вычисляют отклонения каждого щита от упомянутого аппроксимирующего параболоида и по вычисленным отклонениям с помощью системы автоматического управления перемещают каждый щит в сторону минимизации этих отклонений, затем измеряют положение второго зеркала (контррефлектора), вычисляют отклонение его измеренного положения от оптимального, согласованного с построенной ранее поверхностью аппроксимирующего параболоида, и с помощью системы автоматического управления перемещают контррефлектор в сторону минимизации указанного отклонения (Система автоматического наведения радиотелескопа, RU Патент №2319171, G01S, от 17.07.2006 г., бюл. №7, 2008 г.) [2].

Недостатком такого способа является отсутствие адаптации зеркальных поверхностей к изменению длины принимаемых антенной радиоволн и большой диапазон перемещений верхних щитов главного зеркала при адаптации к весовым деформациям, что приводит к снижению КИП.

Задачей изобретения является повышение коэффициента использования поверхности (КИП) многодиапазонных двухзеркальных антенн (ДЗА).

Технический результат от повышения КИП ДЗА состоит в достижении высоких значений апертурного коэффициента полезного действия при значительном разбросе рабочих диапазонов частот и больших весовых и ветровых деформаций элементов конструкции антенн.

Указанная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе, как и в способе, принятом за прототип, измеряют положение щитов, образующих отражающую поверхность главного зеркала антенны, строят в компьютере по измеренным значениям положения щитов, например методом наименьших квадратов, поверхность аппроксимирующего параболоида, вычисляют отклонения каждого щита от упомянутого аппроксимирующего параболоида и по вычисленным отклонениям с помощью системы автоматического управления перемещают каждый щит в сторону минимизации этих отклонений.

В отличие от известного в предлагаемом способе по измеренным значениям положений щитов для каждого щита строят в компьютере свой аппроксимирующий параболоид таким образом, чтобы фокусное расстояние и положение основания каждого параболоида минимально отличалось от соседнего и, при этом, разности между их фокусными расстояниями были кратны длине волны принимаемого антенной радиоизлучения, и вычисляют отклонения каждого щита от соответствующего ему аппроксимирующего параболоида, после окончания перемещений щитов главного зеркала измеряют положения каждого щита второго зеркала (контррефлектора), строят в компьютере модель хода лучей, отраженных от щитов главного зеркала в сторону контррефлектора, и положения отражающих поверхностей щитов контррефлектора и вычисляют рассогласования крайних лучей, отраженных от щитов главного зеркала, с положениями соответствующих краев отражающих поверхностей щитов контррефлектора, и с помощью системы автоматического управления перемещают каждый щит контррефлектора в сторону уменьшения указанных рассогласований таким образом, чтобы положения их фокусов минимально расходились между собой и с положением вторичного фокуса зеркальной системы и (или) с положением приемника излучения при условии, что длины лучей (оптических путей) от первичного фокуса до отражающих поверхностей щитов контррефлектора и расхождения между ними, а также длины лучей (оптических путей) от отражающих поверхностей щитов контррефлектра до вторичного фокуса и расхождения между ними, были кратны длине волны принимаемого излучения.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема зеркальной системы антенны, на фиг.2 - оптическая схема хода лучей двух сопряженных щитов главного зеркала и контррефлектора, а на фиг.3 - блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Схема зеркальной системы антенны (фиг.1) содержит плоскость 1 фронта принимаемого антенной радиоизлучения, лучи 2-5 принимаемого антенной радиоизлучения, падающего на главное зеркало, отражающую поверхность 6 главного зеркала, лучи 7-10, отраженные от щитов главного зеркала до первичного фокуса F1 (l7-l10 - их длины), отражающую поверхность 11 контррефлектора, лучи 12-15 от первичного фокуса F1 до отражающей поверхности контррефлектора (l12-l15 - их длины), лучи 16-19 от отражающей поверхности контррефлектора до вторичного фокуса F2 (l16-l19 - их длины) и радиоприемник 20.

Оптическая схема (фиг.2) содержит щит 21 главного зеркала, лучи 22 и 23, отраженные от щита главного зеркала, щит 24 контррефлектора, согласованный с положением щита 21 главного зеркала, лучи 25 и 26, отраженные от щита 24, щит 27 контррефлектора, несогласованный с положением щита 21, лучи 28 и 29, отраженные от щита 27. Кроме того, фиг.2 содержит следующие буквенные обозначения: буквами A и B обозначены края щита 21 главного зеркала, С и Д - края щита 24, Е и К - края щита 27, F1 - первичный фокус, F2 - вторичный фокус, F3 - фокус лучей, отраженных от щита 27.

Блок-схема (фиг.3) системы адаптации зеркальной поверхности, реализующей предлагаемый способ, содержит блок 30 управления, один выход которого связан с первыми входами блока 32 вычисления отклонений щитов 21 и с первым входом блока 38 вычисления отклонений щитов 24, а второй выход связан с входом системы 31 измерения положения щитов 21 главного зеркала, второй вход которой связан со щитами 21, а выход с входом блока 32 вычисления отклонений положений щитов 21, выход блока 32 связан с входом группового регулятора 33 актуаторов, выходы которого связаны с входами контроллеров 34 актуаторов, одни выходы которых связаны с входом группового регулятора 33, а другие - с входами электросиловых приводов 35 актуаторов, выходы которых связаны с подвижными щитами 21 главного зеркала и датчиками 36 обратной связи, выходы которых связаны со вторыми входами контроллеров 34, и систему 37 измерения положения щитов 24 контррефлектора, один вход которой связан с выходом группового регулятора 33, а другой - со щитами 24, а выход с входом блока 38 вычисления отклонений положений щитов 24, выход блока 38 связан с входом группового регулятора 39 актуаторов, выходы которого связаны с входами контроллеров 40 актуаторов, одни выходы которых связаны с входом группового регулятора 39, а другие - с входами электросиловых приводов 41 актуаторов, выходы которых связаны с подвижными щитами 24 главного зеркала и датчиками 42 обратной связи, выходы которых связаны со вторыми входами контроллеров 40.

Описание способа.

При монтаже антенны щиты главного зеркала устанавливают таким образом (см. фиг.1), чтобы лучи 2-4, идущие от плоскости 1 фронта принимаемого антенной радиоизлучения и падающие на поверхность 6 главного зеркала, собирались в первичном фокусе F1 антенны и затем все в виде лучей 12-15 падали на щиты контррефлектора 11. При этом щиты контррефлектора 11 устанавливают таким образом, чтобы все отраженные от них лучи 16-19 собирались во вторичном фокусе F2 и попадали на чувствительную поверхность радиоприемника 20 с равными фазами. В этом случае КИП антенны будет максимальным. В частности, как показано на фиг.2, луч 22 от края А щита 21 главного зеркала, проходя через первичный фокус F1 антенны, попадает в край Д щита 24 контррефлектора, согласованный с положением щита 21 главного зеркала, а луч 23 от края В щита 21 главного зеркала, проходя через первичный фокус F1 антенны, попадает в край С щита 24 контррефлектора. При этом отраженные от щита 24 лучи 25 и 26 собираются во вторичном фокусе F2 антенны и, таким образом, попадают на чувствительную поверхность радиоприемника равными фазами.

В процессе наведения антенны на тот или иной источник радиоизлучения производится поворот по углу места главного зеркала и контррефлектора. При этом происходит деформация элементов конструкции антенны из-за изменения весовых и ветровых нагрузок. В результате происходит рассогласование положения щитов 21 главного зеркала с положениями щитов 27 контррефлектора (см. фиг.2). В частности, лучи 22 и 23 от края A и B щита 21 не попадают на края Д и C соответственно щита 27 контррефлектора, положение которого оказывается несогласованным с положением щита 21 главного зеркала. Следовательно, не все лучи от щитов главного зеркала попадают на щиты контррефлектора и, кроме того, как показано на фиг.2, отраженные от щита 27 лучи 28 и 29 собираются в фокусе F3, положение которого не совпадает с положением вторичного фокуса F2 антенны. В результате они могут либо вообще не попасть на чувствительную поверхность радиоприемника, либо прийти на нее в несогласованной фазе с лучами от других щитов контррефлектора. Таким образом, при повороте антенны по углу места происходит уменьшение КИП антенны. Причем настройка антенны с помощью перемещения только щитов главного зеркала не устраняет рассогласование фаз при изменении длины волны излучения, так как условие согласованности фаз зависит от длины волны λ.

L i L j = n λ ( 1 )

где Li=l7+l12+l16, Lj=l10+l15+l19, n - целое число, λ - длина волны принимаемого радиоизлучения.

При повороте антенны по углу места блок управления 30 подает в систему 31 сигнал на начало измерений. Система 31 измеряет положения щитов 21 главного зеркала и передает измеренную информацию в блок 32 вычисления отклонений положений щитов 21. Блок 32 для каждого щита 21 главного зеркала строит в компьютере по измеренным значениям, например методом наименьших квадратов, поверхности аппроксимирующих параболоидов таким образом, чтобы фокусное расстояние и положение основания каждого параболоида минимально отличалось от соседнего и, при этом, разности между их фокусными расстояниями были кратны длине волны принимаемого антенной радиоизлучения. Затем блок 32 вычисляет отклонения каждого щита от соответствующего ему аппроксимирующего параболоида и передает в групповой регулятор 33 соответствующие коррекции положения щитов 21 главного зеркала. Групповой регулятор 33 по полученным корректирующим сигналам вырабатывает задания для каждого из контроллеров 34, которые, получив задание на перемещение, вычитают из них перемещения, полученные от датчиков 36 обратной связи положения актуаторов, по полученным разностям сигналов вырабатывают в соответствии с установленным законом управления, например пропорционально интегрально-дифференциальным (ПИД), управляющие воздействия и передают их в электросиловые приводы 35 актуаторов, которые будут перемещать актуаторы и соответственно подвижные щиты 21 до тех пор, пока сигналы от датчиков 36 обратной связи не сравняются с сигналами задания от группового регулятора 33. При достижении равенства контроллеры 34 передают соответствующие сообщения в групповой регулятор 33, который после поступления сообщений от всех контроллеров 34 передаст в систему 37 сообщение на начало измерения положений щитов 24 контррефлектора.

Система 37 после поступления сигнала от группового регулятора 33 измеряет положения щитов 24 контррефлектора и передает измеренную информацию в блок 38 вычисления отклонений положений щитов 24 от согласованного с положениями соответствующих щитов 21 главного зеркала. Блок 38 для каждого щита 24 контррефлектора строит в компьютере модель хода лучей, отраженных от щитов главного зеркала в сторону контррефлектора, и положения отражающих поверхностей щитов контррефлектора и вычисляет рассогласования крайних лучей, отраженных от щитов главного зеркала, с положениями соответствующих краев отражающих поверхностей щитов контррефлектора. Затем блок 38 по вычисленным рассогласованиям вырабатывает сигналы, соответствующие коррекции положения щитов 24 контррефлектора, и передает их в групповой регулятор 39, который по полученным корректирующим сигналам вырабатывает задания для каждого из контроллеров 40, которые, получив задание на перемещение, вычитают из них перемещения, полученные от датчиков 42 обратной связи положения актуаторов, по полученным разностям сигналов вырабатывают в соответствии с установленным законом управления (например, ПИД) управляющие воздействия и передают их в электросиловые приводы 41 актуаторов, которые будут перемещать актуаторы и соответственно подвижные щиты 24 до тех пор, пока сигналы от датчиков 42 обратной связи не сравняются с сигналами задания от группового регулятора 39. При достижении равенства контроллеры 40 передают соответствующие сообщения в групповой регулятор 39, который после поступления сообщений от всех контроллеров 40 передаст сообщение об окончании процесса адаптации в блок управления 30.

При изменении частоты или длины волны принимаемого антенной радиоизлучения достигнутое ранее системой адаптации соотношение длин оптических путей (1) перестает выполняться. Поэтому блок 30 управления передает в блоки 32 и 38 новое значение длины волны, которые производят новые вычисления и вырабатывают сигналы коррекции положения щитов 21, 24, поступающие в групповые регуляторы 33 и 39 для отработки.

Таким образом, предложенный способ реализуется рассмотренной системой адаптации, обеспечивая повышение КИП многодиапазонных ДЗА при значительном разбросе рабочих диапазонов частот и больших весовых и ветровых деформаций элементов конструкции антенн.

Использованная литература

1. Раздоркин Д.Я., Романенко М.В. Алгоритм оптимизации двухзеркальной антенны с рефлектором из параболических щитов. // Журнал радиоэлектроники, №4, 2000.

2. RU Патент №2319171. Система автоматического наведения радиотелескопа, G01S, от 17.07.2006 г., бюл. №7, 2008 г.

Способ адаптации отражающих поверхностей антенны, заключающийся в измерении положения щитов, образующих отражающую поверхность главного зеркала антенны, построении в компьютере по измеренным значениям положения щитов, например методом наименьших квадратов, поверхности аппроксимирующего параболоида, вычислении отклонения каждого щита от упомянутого аппроксимирующего параболоида и по вычисленным отклонениям с помощью системы автоматического управления перемещении каждого щита в сторону минимизации этих отклонений, отличающийся тем, что по измеренным значениям положений щитов для каждого щита строят в компьютере свой аппроксимирующий параболоид таким образом, чтобы фокусное расстояние и положение основания каждого параболоида минимально отличалось от соседнего и при этом разности между их фокусными расстояниями были кратны длине волны принимаемого антенной радиоизлучения, и вычисляют отклонения каждого щита от соответствующего своего аппроксимирующего параболоида, после окончания перемещений щитов главного зеркала измеряют положения каждого щита второго зеркала (контррефлектора), строят в компьютере модель хода лучей, отраженных от щитов главного зеркала в сторону контррефлектора, и положения отражающих поверхностей щитов контррефлектора и вычисляют рассогласования крайних лучей, отраженных от щитов главного зеркала, с положениями соответствующих краев отражающих поверхностей щитов контррефлектора, и с помощью системы автоматического управления перемещают каждый щит контррефлектора в сторону уменьшения указанных рассогласований таким образом, чтобы положения их фокусов минимально расходились между собой и с положением вторичного фокуса зеркальной системы и (или) с положением приемника излучения при условии, что длины лучей (оптических путей) от первичного фокуса до отражающих поверхностей щитов контррефлектора и расхождения между ними, а также длины лучей (оптических путей) от отражающих поверхностей щитов контррефлектора до вторичного фокуса и расхождения между ними, были кратны длине волны принимаемого антенной излучения.



 

Похожие патенты:

Изобретение предназначено для систем автоматического наблюдения и сопровождения за подвижными объектами в пространстве преимущественно с качающегося основания и может быть использовано для управления воздушным движением и уничтожения маневрирующих подвижных целей.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в телевизионных, радиотехнических и радиолокационных системах измерения параметров траекторий летательных аппаратов и других системах аналогичного назначения, в которых информация о непосредственно измеряемых координатах объекта сопровождения (дальности, угловых положениях) формируется с помощью соответствующих дискриминаторов.

Изобретение относится к области радиолокации, в частности к области сопровождения траекторий целей в обзорных радиолокационных станциях (РЛС). .

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиотехнических и радиолокационных системах измерения параметров траекторий летательных аппаратов и других системах аналогичного назначения, в которых информация о непосредственно измеряемых координатах (дальности, угловых положениях) формируется с помощью соответствующих дискриминаторов.

Изобретение относится к обнаружителям маневра воздушной цели радиолокационными системами сопровождения. .

Изобретение относится к автоматическому регулированию, предназначено для систем автоматического наблюдения и сопровождения за подвижными объектами в пространстве преимущественно с качающегося основания и может быть использовано для управления воздушным движением.

Изобретение относится к автоматическому регулированию, предназначено для систем автоматического наблюдения и сопровождения за подвижными объектами в пространстве преимущественно с качающегося основания и может быть использовано для управления воздушным движением.

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиолокационным системам наблюдения за объектами на базе многоканальной бортовой импульсно-доплеровской РЛС. .

Изобретение относится к области систем сопровождения и наблюдения за подвижными объектами, в том числе с качающегося основания, и может быть использовано для управления воздушным движением.

Изобретение относится к технике пространственного наведения и сопровождения подвижных точечных объектов. Технический результат - повышение надежности захвата цели в случае редких посылок зондирующих импульсов и точности слежения за быстро летящей точечной целью. Способ управления инерционным приводом антенны, в котором формируют сигнал ошибки сопровождения по пеленгу цели вычитанием из значения оцененного сигнала пеленга цели значения оцененного сигнала угла поворота антенны и усиливают его с зависящим от свойств привода антенны, коэффициентом усиления, формируют сигналы ошибок сопровождения по всем оцениваемым в фильтре угломера производным пеленга цели вычитанием из значения оцененного сигнала каждой производной пеленга цели значения оцененного сигнала каждой производной угла поворота антенны, усиливают каждый из упомянутых сигналов ошибок сопровождения по производным пеленга цели с различными, зависящими от свойств привода антенны коэффициентами усиления и складывают их с усиленным сигналом ошибки сопровождения по пеленгу цели, образуя сигнал управления приводом антенны, при этом для образования сигнала управления приводом антенны на каждом зондирующем импульсе коэффициенты усиления меняют синхронно с посылками зондирующих импульсов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиолокационным станциям (РЛС) наблюдения за воздушной обстановкой, работающим в режиме узкополосной доплеровской фильтрации. Технический результат направлен на однозначное измерение угловых координат обнаруженных воздушных целей в зоне видимости движущейся доплеровской РЛС. Указанный результат достигается за счет того, что способ измерения угловых координат воздушных целей с помощью доплеровской РЛС заключается в вычислении угловых координат обнаруженных в элементах разрешения дальности целей на основе доплеровских частот, измеренных в каждой паре приемных элементов, расположенных определенным образом на антенне.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для обнаружения траекторий скоростных и интенсивно маневрирующих целей с помощью мобильных радиолокационных станций (РЛС) кругового обзора. Достигаемый технический результат - обнаружение и сопровождение траекторий скоростных и интенсивно маневрирующих целей с достаточно малым периодом обновления информации в заданном секторе по азимуту с помощью РЛС кругового обзора с антенной, выполненной в виде ФАР с электронным управлением лучом по углу места и механическим вращением по азимуту, имеющей значительную массу. Указанный результат обеспечивается за счет прохождения лучом антенны области вне этого сектора с максимальными допустимыми ускорением и скоростью вращения антенны, определяемыми возможностями привода антенны и ее механической прочностью. 5 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронным системам сопровождения, в частности к следящим системам по направлению (измерителям углов и угловых скоростей линии визирования), в которых используется инерционный привод антенны, и может быть использовано для эффективного управления инерционными следящими системами по направлению в режиме сопровождения различных воздушных объектов, включая интенсивно маневрирующие. Технический результат - повышение точности и устойчивости сопровождения по направлению интенсивно маневрирующих объектов (ИМО). Для этого способ учитывает в законе управления угловую скорость линии визирования, ее первую и вторую производные, а также инерционные свойства привода антенны, при этом в способе в сигнале управления дополнительно учитываются скорость линии визирования, ее первая и вторая производные. 6 ил.

Способ наведения на удаленный объект электромагнитного излучения, основанный на формировании в материальной среде излучения с заданной в направлении объекта диаграммой направленности с длиной волны λ0 длительностью импульса τ0 и одновременным пропусканием в пределах сформированной диаграммы направленности в направлении объекта когерентного излучения с длиной волны λ1 и длительностью τ1<τ0. При этом когерентное элетромагнитное излучение с коэффициентом поглощения α1<α0 направляют относительно оси диаграммы направленности под углом полного внутреннего отражения, а часть отраженного от объекта когерентного электромагнитного излучения длиной волны λ1<λ0 перехватывают диаграммой направленности, подвергают усилению и комплексному сопряжению. Технический результат - увеличение точности измерений и увеличение дальности обнаружения с одновременным уменьшением энергозатрат. 2 ил.
Наверх