Способ одновременного измерения двух угловых координат цели в обзорной амплитудной моноимпульсной радиолокационной системе с антенной решеткой и цифровой обработкой сигнала



Способ одновременного измерения двух угловых координат цели в обзорной амплитудной моноимпульсной радиолокационной системе с антенной решеткой и цифровой обработкой сигнала
Способ одновременного измерения двух угловых координат цели в обзорной амплитудной моноимпульсной радиолокационной системе с антенной решеткой и цифровой обработкой сигнала
Способ одновременного измерения двух угловых координат цели в обзорной амплитудной моноимпульсной радиолокационной системе с антенной решеткой и цифровой обработкой сигнала
Способ одновременного измерения двух угловых координат цели в обзорной амплитудной моноимпульсной радиолокационной системе с антенной решеткой и цифровой обработкой сигнала
Способ одновременного измерения двух угловых координат цели в обзорной амплитудной моноимпульсной радиолокационной системе с антенной решеткой и цифровой обработкой сигнала
Способ одновременного измерения двух угловых координат цели в обзорной амплитудной моноимпульсной радиолокационной системе с антенной решеткой и цифровой обработкой сигнала
Способ одновременного измерения двух угловых координат цели в обзорной амплитудной моноимпульсной радиолокационной системе с антенной решеткой и цифровой обработкой сигнала
Способ одновременного измерения двух угловых координат цели в обзорной амплитудной моноимпульсной радиолокационной системе с антенной решеткой и цифровой обработкой сигнала
Способ одновременного измерения двух угловых координат цели в обзорной амплитудной моноимпульсной радиолокационной системе с антенной решеткой и цифровой обработкой сигнала
Способ одновременного измерения двух угловых координат цели в обзорной амплитудной моноимпульсной радиолокационной системе с антенной решеткой и цифровой обработкой сигнала
Способ одновременного измерения двух угловых координат цели в обзорной амплитудной моноимпульсной радиолокационной системе с антенной решеткой и цифровой обработкой сигнала

 


Владельцы патента RU 2615491:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") (RU)

Изобретение относится к области радиотехники и может быть применено при одновременном измерении двух угловых координат (УК) цели в системах моноимпульсной радиолокации и радиопеленгации. Достигаемый технический результат - сокращение вычислений и времени одновременного измерения двух УК цели при высокой точности измерения, с ошибкой не более 1% ширины диаграммы направленности (ДН). Для достижения технического результата до приема сигналов осуществляют моделирование процесса приема и обработки с учетом использования антенной решетки с раскрывом прямоугольной формы, при котором осуществляют факторизацию двумерной весовой функции (ВФ) W(x,y)=Wx(x)Wy(y), исключающую при такой форме раскрыва влияние значения одной измеряемой координаты на процесс измерения другой координаты в азимутальной и угломестной плоскостях и обеспечивающую факторизацию двумерных ДН каналов Fm(ϑ,ϕ)=F(ϑ)F(ϕ), где - номер парциального канала приема, и зависимость двумерной пеленгационной характеристики (ПХ) только от измеряемой координаты Sϑ(ϑ,ϕ,ϑ0)=Sϑ(ϑ,ϑ0), Sϕ(ϑ,ϕ,ϕ0)=Sϕ(ϕ,ϕ0), причем одномерными ВФ являются функции Хэмминга Wx(x)=0,08+0,92cos2(πх/2), -1≤х≤1 и Wy(y)=0,08+0,92cos2(πy/2), -1≤y≤1, обеспечивающие уровень боковых лепестков не выше минус 40 дБ и ширину рабочей зоны по каждой УК не менее двукратной ширины ДН парциального канала по уровню половинной мощности, или другие ВФ, обеспечивающие не больший, чем функции Хэмминга, уровень боковых лепестков и не меньший размер рабочей зоны, в процессе моделирования с учетом весовых функций, параметров АР и упомянутой факторизации определяют конкретный вид функций F(ϑ), F(ϑ), F(ϕ), F(ϕ) и Sϑ(ϑ,ϑ0), Sϕ(ϕ,ϕ0), параметрически зависящих от углов смещения ϑ0 и ϕ0, разлагают нечетные функции Sϑ(ϑ,ϑ0) и Sϕ(ϕ,ϕ0), описывающие полученные в результате факторизации одномерные ПХ, по нечетным степеням углов ϑ и ϕ в ряды Маклорена. 4 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть применено при одновременном измерении двух угловых координат (УК) цели в системах моноимпульсной радиолокации и радиопеленгации, использующих цифровые антенные решетки (АР) или аналоговые АР с цифровой обработкой сигналов.

Определение направления на цель, как указывалось еще в работе [1 - Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1984. 312 с, стр. 5], является одной из основных задач радиолокации. Радиолокационные системы (РЛС) должны определять УК целей с высокой точностью и за малое время, так как современные цели могут перемещаться с большими (в том числе гиперзвуковыми) скоростями и двигаться по сложным непредсказуемым траекториям, причем закон движения целей может содержать знакопеременные производные высоких порядков.

Лучшей основой для достижения высокой точности определения УК считается широко применяемый в радиолокации и радиопеленгации моноимпульсный метод, совершенствование которого продолжается в настоящее время. Этот метод применяется и в обзорных РЛС, которые определяют УК всех целей, находящихся в пределах диаграммы направленности (ДН) и разрешаемых по дальности [1, стр. 6]; в них используется прямоотсчетный подход, обеспечивающий существенно большую, чем компенсационный подход, скорость измерений.

В то же время отмечалось [1, стр. 127], что «моноимпульсные РЛС не используют своих потенциальных возможностей в быстродействии и извлекают угловую информацию о цели из серии последовательных импульсов». Проблема быстродействия существует и в настоящее время, ее решением была бы реализация потенциально возможного измерения двух УК цели по единственному импульсу.

Пути достижения высоких точностей и быстродействия обзорного амплитудного моноимпульсного пеленгатора для случая измерения одной УК показаны в работе [2 - Джиоев А.Л., Яковленко В.В. Улучшение характеристик обзорного суммарно-разностного пеленгатора с ФАР на основе оптимизации пеленгационной характеристики // Общие вопросы радиоэлектроники. Ростов-на-Дону: ФГУП «РНИИРС» ФНПЦ. 2014. Вып. 1. С. 105-117], где с помощью выбора вида весовой функции (ВФ) и оптимизации угла разноса ДН получена пеленгационная характеристика (ПХ), практически линейная на всей ширине моноимпульсной группы лучей (МГЛ). Это позволяет использовать прямоотсчетный подход и обеспечить быстрый прямой (без использования итераций и повторных импульсов) и легко реализуемый (решение линейного уравнения) расчет одной УК с ошибкой не более 1/100 ширины ДН по уровню половинной мощности при низком уровне боковых лепестков (ниже минус 40 дБ) и приемлемом использовании поверхности антенны.

Естественно предположить, что при обеспечении линейности ПХ одновременно по обеим угловым координатам в РЛС может быть реализован истинно моноимпульсный метод измерения, обладающий упомянутыми положительными свойствами. Однако, как показано ниже, в двухкоординатном случае только линейности ПХ недостаточно для реализации измерения по единственному импульсу - приходится жертвовать либо точностью, либо скоростью измерений, поскольку процесс измерений одной УК в общем случае зависит от значения другой УК относительно общего равносигнального направления (РСН).

Таким образом, вопросы обеспечения высокой точности и быстродействия обзорных амплитудных моноимпульсных РЛС при измерении одновременно двух УК цели являются актуальными.

В работе [1, стр. 76] указано, что моноимпульсные системы для пеленгации цели в двух плоскостях создаются простой комбинацией двух моноимпульсных систем, одна из которых работает в азимутальной плоскости, а вторая - в угломестной. Поэтому сначала рассмотрим аналоги предлагаемого изобретения, обеспечивающие определение УК цели в одной из координатных плоскостей.

Известен способ измерения угловой координаты объекта [3 - патент 2274874, РФ. Способ измерения угловой координаты объекта и РЛС для его реализации / Кисляков В.И., Лужных C.H., Прудников С.Я.], являющийся аналогом заявляемого способа. В способе [3] используется излучение зондирующих сигналов, поступающих от передатчика через антенный переключатель в фазированную АР, прием отраженных от цели сигналов не менее чем при двух последовательных угловых положениях луча и дополнительное определение величины отклонения луча от нормали антенны. Затем с учетом изменения ширины луча вычисляют УК объекта.

Заметим, что учет изменения ширины ДН, предлагаемый в аналоге [3], не является предметом заявляемого изобретения, хотя он может быть реализован в нем путем замены значения угловой координаты на ее синус.

Недостатками аналога [3] являются низкие (из-за чувствительности к флюктуациям сигнала, поскольку метод не является моноимпульсным) скорость и точность определения УК, что делает невозможным, при использовании его для определения УК в двух плоскостях, одновременное измерение обеих УК цели с ошибкой не более 1% ширины ДН (по уровню половинной мощности) за один импульс.

Известен также способ измерения угловых координат в обзорной моноимпульсной РЛС [4 - патент 2270458, РФ. Способ измерения угловых координат целей в моноимпульсной обзорной РЛС и моноимпульсная обзорная РЛС / Адодин В.М., Валов C.B., Нестеров Ю.Г., Пономарев Л.И., Юрк В.И.], в котором сформированный в передатчике СВЧ сигнал подается через антенный коммутатор к антенне, содержащей зеркало с 2-рупорным облучателем. Для определения УК целей используется компенсационный подход, при котором последовательно изменяют угловое положение РСН, осуществляют пороговое обнаружение сигнала и, используя пеленгационные отсчеты, селектируют положение цели на ПХ. Затем оцифровывают амплитуды сигналов, записывают их в память, после достижения РСН конца сектора обзора по результатам записи итерациями находят сигналы целей и их УК, а также, как указано в [4], находят уравнение прямой, аппроксимирующей поведение пеленга в зависимости от ориентации РСН и вычисляют угол РСН, при котором пеленг цели равен нулю. Этот найденный угол считают УК цели, его записывают в выходной массив результатов измерений, следующее из которых получают путем вычисления новой реализации сглаженного суммарного сигнала, повторяют итерационную процедуру с новой реализацией, пока глобальные максимумы не окажутся ниже порога, после чего производится выдача потребителю массива найденных УК целей. При этом, однако, как указано и в описании [4], скорость определения УК целей с использованием компенсационного подхода меньше, чем при использовании прямоотсчетного подхода.

Недостатком аналога [4] является низкое быстродействие из-за необходимости предварительного последовательного обзора всего заданного углового сектора для получения множества реализаций сигнала, а также из-за использования зеркальной антенны, требующей применения механического привода. Хотя точность определения УК здесь выше, чем в аналоге [3], но она все же недостаточно высока из-за грубой аппроксимации нелинейной ПХ линейной функцией. Следовательно, применение его для двух плоскостей не позволит одновременно измерить две УК цели с ошибкой не более 1% ширины ДН (по уровню половинной мощности) за один импульс.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является амплитудный моноимпульсный способ обработки сигналов при двухканальной обзорной амплитудной пеленгации [5 - патент 2225990, РФ. Способ обработки сигналов при двухканальной амплитудной пеленгации / Аветисьянц В.А., Горовой А.В., Ларионов Б.А., Музыченко Н.Ю., Фоминченко Г.Л.], принятый за прототип. В нем угловым датчиком на базе фазированной антенной решетки формируют пару ДН, раздвинутых на ширину ДН по уровню минус 3 дБ для образования РСН, осуществляют в заданном угловом секторе поиск сигналов, принимают сигналы источников радиоизлучений и селектируют их по частоте. Затем формируют ПХ углового дискриминатора путем перемещения пары ДН в пределах сектора пеленгования, вычисления абсцисс центров тяжести полученных реализаций в моменты максимальных значений корреляционных интегралов, найденных по способу совпадения полярностей, и аппроксимации ее линейной функцией, и путем решения пеленгационного уравнения вычисляют угол прихода сигналов.

Недостатками прототипа являются пониженная точность определения УК из-за недостаточно точной аппроксимации нелинейной ПХ линейной функцией, пониженная скорость измерения УК из-за необходимости получения ряда реализаций сигнала для формирования ПХ углового дискриминатора и невозможность, при использовании его для определения УК в двух плоскостях, одновременного измерения обеих УК цели с высокой точностью (1% ширины ДН по уровню половинной мощности) по одному импульсу.

Недостатком, присущим и аналогам, и прототипу заявляемого способа, является необходимость использования для одного измерения УК серии последовательных зондирующих импульсов, излучаемых в немного отличающихся направлениях. В современных условиях, при больших угловых скоростях целей, в этом случае возникает значительная ошибка определения УК, связанная с движением цели за время упомянутой серии.

Изобретений, решающих проблему влияния значений одной из измеряемых координат на процесс измерения другой координаты, авторами заявляемого способа не обнаружено.

Задачей, на решение которой направлен предлагаемый способ, является сокращение времени одновременного измерения двух УК цели при обеспечении высокой точности такого измерения и уменьшение сложности вычислителя угловых координат в обзорной амплитудной суммарно-разностной РЛС с АР и цифровой обработкой сигнала.

Для решения этой задачи предлагается способ одновременного измерения двух угловых координат цели в обзорной амплитудной моноимпульсной РЛС с АР и цифровой обработкой сигнала, при котором формируют в передатчике зондирующие импульсы, излучают их в пространство с помощью АР, формируют в соответствии с весовой функцией W(x,y), описывающей распределение поля в раскрыве АР и обеспечивающей заданный уровень боковых лепестков, диаграммы направленности парциальных каналов приема углового датчика F1(ϑ,ϕ)≡F(ϑ-ϑ0,ϕ), F2(ϑ,ϕ)≡F(ϑ+ϑ0,ϕ), F3(ϑ,ϕ)≡F(ϑ,ϕ-ϕ0) и F4(ϑ,ϕ)≡F(ϑ,ϕ+ϕ0), где ϑ, ϕ - текущие углы, отсчитываемые от РСН соответственно в азимутальной и угломестной плоскостях, проходящих через оси х, у на раскрыве АР, а ϑ0, ϕ0 - углы смещения максимумов упомянутых ДН от РСН, а также формируют сопряженную с ними ДН компенсационного канала, обеспечивающую определенное превышение усиления этого канала над усилением по боковым лепесткам ДН парциальных каналов, принимают отраженные от цели сигналы, осуществляют аналого-цифровое преобразование этих сигналов, на выходах парциальных каналов обнаруживают сигналы с уровнями соответственно U1, U2, U3, U4, при одновременном превышении ими уровня сигнала компенсационного канала, вычисляют сигналы рассогласования и , являющиеся значениями ПХ и углового дискриминатора для каждого из измеряемых углов, и по значениям SCPθ, SCPϕ находят значения УК цели ϑЦ и ϕЦ.

Согласно изобретению, в заявленном способе до приема сигналов осуществляют моделирование процесса их приема и обработки с учетом использования антенной решетки с раскрывом прямоугольной формы, при котором осуществляют факторизацию1 (1Представление функции двух переменных в виде произведения двух функций, каждая из которых зависит от одной переменной; это также называется разделением переменных.) двумерной весовой функции W(x,y)=Wx(х)Wy(y), исключающую при такой форме раскрыва влияние значения одной измеряемой координаты на процесс измерения другой координаты в азимутальной и угломестной плоскостях и обеспечивающую факторизацию двумерных диаграмм направленности каналов Fm(ϑ,ϕ)=F(ϑ)F(ϕ), где - номер парциального канала приема, и зависимость двумерной пеленгационной характеристики только от измеряемой координаты , , причем одномерными весовыми функциями являются функции Хэмминга Wx(x)=0,08+0,92cos2(πx/2), -1≤х≤1 и Wy(y)=0,08+0,92cos2(πy/2), -1≤y≤1, обеспечивающие уровень боковых лепестков не выше минус 40 дБ и ширину рабочей зоны по каждой угловой координате не менее двукратной ширины ДН парциального канала по уровню половинной мощности, или другие ВФ, обеспечивающие не больший, чем функции Хэмминга, уровень боковых лепестков и не меньший размер рабочей зоны, в процессе моделирования с учетом выбранных ВФ, параметров АР и упомянутой факторизации определяют конкретный вид функций F(ϑ), F2ϑ(ϑ), F(ϕ), и F(ϕ) и Sϑ(ϑ,ϑ0), Sϕ(ϕ,ϕ0), параметрически зависящих от углов смещения ϑ0 и ϕ0, разлагают нечетные функции Sϑ(ϑ,ϑ0) и Sϕ(ϕ,ϕ0), описывающие полученные в результате факторизации одномерные ПХ, по нечетным степеням углов ϑ и ϕ в ряды Маклорена

, ,

коэффициенты aϑk0), aϕk0) которых являются функциями углов смещения ϑ0, ϕ0, определяют предварительные значения этих углов смещения как результат решения задач aϑ30)=0, aϕ30)=0, обеспечивающих линейность пеленгационных характеристик с точностью до членов разложения пятого и более высоких порядков, затем, задавая функции , , описывающие зависимость абсолютной ошибки пеленгования от значения соответствующей координаты и угла смещения, и задавая максимальную относительную ошибку пеленгования δϑmax, δϕmax равной, например, 0,01 ширины диаграммы направленности, определяют функции ϑРЗ0)≡ϑРЗ0ϑmax), ϕРЗ0)≡ϕРЗ0ϕmax), описывающие зависимость размера рабочей зоны при заданной ошибке пеленгования от угла смещения и вычисляемые как минимальный по абсолютной величине корень ϑ, ϕ уравнений , соответственно, где ϑ0.5, ϕ0.5 - полуширина ДН по уровню половинной мощности в направлении координат ϑ, ϕ и получают окончательные значения углов ϑ0, ϕ0 как результат решения задач ϑРЗ0)→max, ϕРЗ0)→max, обеспечивающих максимальное значение размера рабочей зоны ϑРЗ0), ϕРЗ0) по соответствующей координате, причем внутри этой зоны абсолютная ошибка измерения углов ϑ, ϕ не превышает величины, определяемой максимальной относительной ошибкой δϑmax, δϕmax, вычисляют по полученным значениям углов смещения значения коэффициентов aϑ10), aϕ10), затем, после излучения в пространство импульсов и приема отраженных от цели сигналов, осуществляют формирование диаграмм направленности антенной решетки с учетом использованных при упомянутом моделировании весовых функций и определенных в результате моделирования значений углов смещения ϑ0, ϕ0, что обеспечивает линейность пеленгационных характеристик и независимость измеренных сигналов рассогласования SCPϑ, SCPΦ по одной угловой координате от значения другой угловой координаты, а угловые координаты цели вычисляют по формулам и , не требующим итерационного уточнения при упомянутой точности в рабочей зоне, превышающей двойную ширину диаграммы направленности парциального канала по каждой координате.

Поскольку при одновременном измерении двух УК предлагаемым способом не требуются ни повторные зондирующие импульсы, ни итерационное решение системы нелинейных уравнений (т.к. ПХ линейна на всей ширине МГЛ и не зависит от второй координаты), то сокращается время, необходимое для выполнения упомянутого измерения. Линейность ПХ, достигаемая при используемом угле разноса ДН, обеспечивает высокую точность (1% ширины ДН) измерения УК. При этом упрощается аппаратная реализация вычислителя УК за счет:

- исключения обратной связи, управляющей режимом излучения повторного импульса по результатам обработки предыдущего импульса;

- простоты вычисления УК цели путем прямого (без итераций и т.п.) решения двух независимых линейных уравнений;

- возможности независимого измерения каждой УК отдельным, более простым, комплектом аппаратуры за счет исключения влияния значения одной измеряемой координаты на процесс измерения другой координаты.

Таким образом, техническим результатом предлагаемого изобретения является сокращение времени одновременного измерения двух УК цели при высокой точности измерения (с ошибкой не более 1% ширины ДН) и уменьшение сложности вычислителя угловых координат в обзорной амплитудной суммарно-разностной РЛС с АР и цифровой обработкой сигнала.

Предлагаемое изобретение реализуется на стыке радиотехники и вычислительной математики, что соответствует современной тенденции интеграции антенной и программно-аппаратной подсистем [6 - Лучин Д.В., Юдин В.В. Конвергенция антенной и программно-аппаратной компонент как тенденция развития радиосистем диапазонов ВЧ, ОВЧ и УВЧ. // Труды НИИР / Сборник научных статей. 2014. №3. С. 73-84]. В данном случае, в частности, выявляется влияние параметров АР на эффективность вычислительной подсистемы РЛС и используются конструкторские и радиотехнические решения, обеспечивающие применение наиболее эффективных вычислительных алгоритмов.

Предлагаемое изобретение не известно в современной радиотехнике, а также не известны источники информации, содержащие сведения об аналогичных технических решениях, имеющих признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, а также имеющих свойства, совпадающие со свойствами заявляемого решения, поэтому можно считать, что оно обладает существенными отличиями, вытекает из них неочевидным образом и, следовательно, соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:

фигура 1 - схема электрическая структурная системы, реализующей предлагаемый способ;

фигура 2 - а) семейство ПХ по азимуту для углов места 0°, 0.5°, 1.0°, 1.5° при ширине луча 3°, построенных для АР с круглым раскрывом (частным случаем эллиптического), б) возникновение ошибки измерения азимута при использовании ПХ для несоответствующего угла места;

фигура 3 - а) сечения ДН той же АР равноотстоящими плоскостями от максимума до угла половинной мощности, б) те же сечения после нормировки, в) увеличенный фрагмент фигуры 3б;

фигура 4 - азимутальные ПХ для сечений ДН с разными углами места относительно РСН при одинаковой ВФ: а) при эллиптическом раскрыве, б) при прямоугольном раскрыве (без обеспечения линейности ПХ).

При реализации предложенного способа выполняется следующая последовательность операций:

- до приема сигналов осуществляют моделирование процесса их приема и обработки с учетом использования АР с раскрывом прямоугольной формы и числом элементов Nx×Ny, расположенных с периодом dx, dy в направлении осей х, у соответственно, осуществляют факторизацию двумерной весовой функции W(x,y)=Wx(x)Wy(y), исключающую при такой форме раскрыва влияние значения одной измеряемой координаты на процесс измерения другой координаты в азимутальной и угломестной плоскостях и печивающую факторизацию двумерных ДН каналов Fm(ϑ,ϕ)=F(ϑ)F(ϕ), где - номер парциального канала приема, а ϑ, ϕ - текущие углы, отсчитываемые от РСН соответственно в азимутальной и угломестной плоскостях, проходящих через оси x, y на раскрыве, и зависимость двумерной ПХ только от измеряемой координаты: , , где ϑ0, ϕ0 - углы смещения максимумов ДН от РСН, причем одномерными весовыми функциями являются функции Хэмминга Wx(х)=0,08+0,92cos2(πx/2), -1≤x≤1 и Wy(y)=0,08+0,92cos2(πy/2), -1≤y≤1, обеспечивающие уровень боковых лепестков не выше минус 40 дБ и ширину рабочей зоны по каждой УК не менее двукратной ширины ДН парциального канала по уровню половинной мощности, или другие весовые функции, обеспечивающие не больший, чем функции Хэмминга, уровень боковых лепестков и не меньший размер рабочей зоны - 1;

- определяют в процессе моделирования, учитывая выбранные ВФ, параметры АР и упомянутую факторизацию, конкретный вид парциальных ДН каналов приема и их одномерных составляющих F(ϑ), F(ϑ), F(ϕ), F(ϕ), максимумы которых смещены на углы ±ϑ0, ±ϕ0 от РСН, а также строят по парциальным ДН, с учетом прямоугольности раскрыва и факторизованности ВФ, модельные ПХ, зависящие только от измеряемой координаты

и параметрически зависящие от углов смещения ϑ0 и ϕ0 - 2;

- разлагают нечетные функции Sϑ(ϑ,ϑ0) и Sϕ(ϕ,ϕ0), описывающие полученные в результате факторизации одномерные ПХ, по нечетным степеням углов ϑ и ϕ в ряды Маклорена

коэффициенты aϑk0), aϕk0) которых являются функциями углов смещения ϑ0, ϕ0 осей парциальных ДН от РСН по соответствующей координате - 3;

- определяют предварительные значения углов смещения ϑ0, ϕ0 осей парциальных ДН как результат решения задач аϑ30)=0, аϕ30)=0, обеспечивающие линейность пеленгационных характеристик с точностью до членов разложения пятого и более высоких порядков - 4;

- задают аналитические функции и , описывающие зависимость абсолютной ошибки пеленгования от значения соответствующей координаты и угла смещения, а также задают максимальные относительные ошибки пеленгования δϑmax, δϕmax, равные, например, 0,01 ширины ДН - 5;

- определяют функции ϑРЗ0)≡ϑРЗ0ϑmax), ϕРЗ0)≡ϕРЗ0ϕmax), описывающие зависимость размера рабочей зоны при заданной ошибке пеленгования от угла смещения и вычисляемые как минимальный по абсолютной величине корень ϑ, ϕ уравнений , соответственно, где ϑ0.5, ϕ0.5 - полуширина ДН по уровню половинной мощности в направлении координат ϑ, ϕ - 6;

- получают окончательные значения углов ϑ0, ϕ0 как результат решения задач ϑРЗ0)→max, ϕРЗ0)→max, обеспечивающих максимальное значение размера рабочей зоны ϑРЗ0), ϕРЗ0) по соответствующей координате, причем внутри этой зоны абсолютная ошибка измерения углов ϑ, ϕ не превышает величины, определяемой заданной ранее максимальной относительной ошибкой δϑmax, δϕmax - 7;

- вычисляют по полученным значениям углов смещения значения коэффициентов aϑ10), aϕ10), а по используемой ВФ - значения весовых коэффициентов Wij для каждого ij-го антенного элемента - 8;

- включают передающую и приемную части РЛС, излучают в пространство зондирующие импульсы и принимают отраженный от цели сигнал; оцифровывают принятые выходные сигналы каждого элемента АР и умножают сигнал каждого ij-го антенного элемента на коэффициент Wij; сдвигают (возможно, путем внесения задержки) фазу ϕij каждого ij-го элемента АР на величину (4 варианта), где λ - длина волны, с целью формирования четырех ДН F1(ϑ,ϕ)≡F(ϑ-ϑ0,ϕ), F2(ϑ,ϕ)≡F(ϑ+ϑ0,ϕ), F3(ϑ,ϕ)≡F(ϑ,ϕ-ϕ0) и F4(ϑ,ϕ)≡F(ϑ,ϕ+ϕ0), где ϑ, ϕ - текущие углы; суммируют сигналы элементов каналов для каждого варианта фазирования и измеряют уровень четырех сигналов U1, U2, U3, U4, принятых четырьмя парциальными ДН, оси которых разнесены на углы 2ϑ0, 2ϕ0 в направлении координат ϑ, ϕ соответственно; измеряют значение UKK принятого сигнала компенсационного канала и, если измеренные для парциальных каналов величины для всех , получают значения сигналов рассогласования как и ; в противном случае считают, что в данной рабочей зоне цели отсутствуют - 9;

- вычисляют угловые координаты цели по формулам и , не требующим итерационного уточнения при упомянутой точности в рабочей зоне, превышающей двойную ширину ДН парциального канала по каждой координате - 10.

Покажем, что при этом в обзорной амплитудной суммарно-разностной РЛС с АР и цифровой обработкой сигнала достигается сокращение времени измерения двух УК цели, высокая точность измерения и уменьшение сложности вычислителя угловых координат.

При использовании комбинации двух моноимпульсных систем с общей АР, одна из которых работает в азимутальной плоскости, а вторая - в угломестной, неявно предполагается возможность независимого измерения каждой из координат цели с точностью и скоростью, соответствующими измерениям в одной плоскости. Покажем, что на самом деле в полученной таким комбинированием обзорной РЛС при высокой точности измерений УК цели в общем случае:

- проявляется зависимость результата измерений одной координаты (собственной) от значения другой (ортогональной) координаты цели относительно РСН (термины уточнены ниже),

- наличие такой зависимости вносит в измерение собственной УК методическую ошибку, ухудшающую точность измерения,

- восстановление исходной точности приводит к удлинению процесса измерения.

Для выявления названной зависимости и указанных следствий из нее рассмотрим самый простой случай измерения, когда:

- АР имеет плоский раскрыв с двумя взаимно ортогональными осями симметрии,

- формируемые лучи узкие2 (2Это позволяет пренебречь различием синуса, тангенса и собственно значения угла в пределах МГЛ, а также краевыми эффектами в АР, и считать, что форма ДН не изменяется при небольших перемещениях оси ДН (в пределах двойной ширины ДН).),

- электронное сканирование (т.е. поворот МГЛ относительно раскрыва АР) не используется.

Учитывая, что время измерения в общем случае зависит от требуемой точности, максимально допустимую ошибку измерений будем считать заданной и достаточно малой (1/100 ширины ДН по уровню половинной мощности), и далее будем оценивать только время измерения, зависящее от числа зондирующих импульсов и объема вычислений.

Используем оси симметрии раскрыва как оси координат Хан, Y на его плоскости (ось Хан удобно считать горизонтальной). Пусть РСН совпадает с нормалью к плоскости раскрыва, проведенной из его центра, а точечная цель находится в дальней зоне антенны в пределах МГЛ, но в стороне от РСН в пределах ширины ДН по уровню половинной мощности. Проведем картинную плоскость через цель параллельно плоскости раскрыва. На картинной плоскости через точку ее пересечения с упомянутой нормалью проведем оси координат X и Y параллельно осям Хан и Y на раскрыве. Значение координаты точки, расположенной на оси координат, положим равным тангенсу ее углового расстояния от начала координат (при наблюдении из центра раскрыва): х=tgϑ, y=tgϕ, где ϑ=0, ϕ=0 соответствуют РСН.

Пусть оси горизонтальной (вертикальной) пары приемных лучей МГЛ разнесены на угол 2ϑ0 (2ϕ0) вдоль координаты х (у) и расположены в точках хДН=±ϑ0, уДН=0 (хДН=0, уДН=±ϕ0) картинной плоскости. Амплитуда Fпр сигнала, принятого от цели с координатами х, у, пропорциональна уровню ДН в этой точке при направлении оси ДН в точку хДН, уДН, т.е.

и зависит от обеих координат. Поэтому амплитудные суммарно-разностные ПХ, обобщенные на случай двух координат, имеют вид

и зависят от обеих координат цели и углов между осями ДН3 (3А также координат РСН, в данном случае нулевых.). Координату, вдоль которой разнесены оси пары ДН и для определения которой строится ПХ в одномерном случае, назовем собственной координатой (СК), символ этой координаты используем как нижний индекс в формулах (2) для ПХ; другую назовем ортогональной координатой (ОК).

Приравняв ПХ как известные аппаратные функции (2) и их измеренные значения SCPΘ, SCPϕ, получаем систему в общем случае нелинейных пеленгационных уравнений для определения координат x, y цели

где для ДН, разнесенных вдоль координаты х, соответствующей углу ϑ;

для ДН, разнесенных вдоль координаты у, соответствующей углу ϕ,

являются значениями ПХ, вычисленными по амплитудам FЛ, FП, FB, FH сигналов, принятых соответственно по левому, правому, верхнему и нижнему лучам МГЛ, причем зависимость ПХ от фиксированных углов разноса лучей опущена.

Для иллюстрации особенностей измерения собственной УК в двумерном случае на фигуре 2 а изображено семейство азимутальных ПХ для РЛС с плоской многоэлементной АР с круглым раскрывом (частный случай широко используемого эллиптического раскрыва), амплитудное распределение на котором взвешено покоординатным произведением функций Хэмминга. Поскольку координата х изменяется в направлении азимута ϑ, а координата у - в направлении угла места ϕ, будем называть эти координаты азимутом и углом места (УМ) соответственно. Сечения построены для четырех углов места - от максимума ДН (главное сечение) до угла половинной мощности. Видно, что:

- ПХ нелинейны;

- ПХ для различных ОК не совпадают (зависят от значения ОК цели);

- несовпадение ПХ с различными ОК возрастает с удалением от РСН.

В этом случае для определения одной из УК цели необходимо знать значение другой УК, чтобы выбрать нужную ПХ, соответствующую цели, и наоборот. Таким образом, измерения обеих координат взаимосвязаны, что математически выражается в виде системы уравнений (3), а не двух независимых уравнений.

На фигуре 2б показано определение азимута x цели по измеренному значению S0x=0,87 пеленгационной характеристики как графическое решение одномерного пеленгационного уравнения

Sx(x,y)=S0x,

где у - параметр (угол места) семейства азимутальных ПХ.

Начало координат совмещено с РСН. Верхняя ПХ, соответствующая истинному УМ цели у=1,5°, дает истинное значение азимута цели хА=1,5°. Традиционно используемая нижняя ПХ, построенная для нулевого УМ, дает ошибочное значение азимута xB=1,7°. Отклонение 0,2° составляет 1/15 ширины ДН и многократно (в 6-7 раз) превышает максимальную ошибку известного метода [2], равную 1/100 ширины ДН по уровню половинной мощности.

Таким образом, если не учитывать различия ПХ, считая их пренебрежимо малыми, мы ограничим точность определения УК (фигура 2б) указанным отклонением; в противном случае для исключения указанной ошибки придется увеличить время и объем вычислений - например, поочередно уточняя значения одной и другой УК до тех пор, пока обе координаты в результате этих итераций не будут определены с достаточной точностью.

Отметим, что возникающая ошибка, свойственная методу измерения, является систематической; она не может быть уменьшена путем усреднения, как случайная ошибка, вносимая шумом сигнала, хотя и маскируется последней. При измерении УК цели на средней дальности (1/2-1/4 максимальной дальности действия РЛС) указанная ошибка может многократно превысить случайную ошибку, вносимую шумом4 (4Учитывая, что на максимальной дальности ошибка измерения обычно не превышает 0,1 ширины ДН, а мощность принятого сигнала обратно пропорциональна четвёртой степени расстояния до цели).

Причиной появления методической ошибки является зависимость ПХ от положения цели относительно РСН по ортогональной координате5 (5Возможная зависимость ПХ от абсолютных значений углов (например, вследствие изменения формы ДН при сканировании) здесь не рассматривается.). Если избавиться от этой зависимости и дополнительно обеспечить линейность ПХ, используя метод [2], то решение системы уравнений (3) в системе координат с началом на РСН сведется к однократному вычислению координат цели по простым формулам

использующим измеренные величины S0x и S0y, а также аппаратные константы аϑ1 и aϕ1 (крутизну одномерных ПХ на РСН), что обеспечит высокую скорость и точность определения угловых координат цели.

Детальный анализ показывает, что причиной зависимости ПХ от ОК является несовпадение формы нормированных одномерных ДН на сечениях с разной ОК (фиг. 3), и такая зависимость характерна для непрямоугольного раскрыва. Этот эффект проявляется как квадратичная зависимость крутизны ПХ от ОК в окрестности РСН:

где ax=aϑ1, ay=aϕ1,.

Поскольку ДН есть преобразование Фурье весовой функции на раскрыве антенны, то для независимости ПХ от ОК, обеспечивающей при линейной ПХ быстрый расчет без итераций по простым формулам (4), требуются:

- прямоугольная форма раскрыва;

- факторизация двумерной ВФ.

Фигура 4 иллюстрирует наличие или отсутствие зависимости ПХ от ОК для, соответственно, эллиптического или прямоугольного раскрыва при одинаковой ВФ вида Wx(t)=Wy(t)=0,3+0,7cos2(πt/2), -1≤t≤1 по каждой координате f=х, у. Положительные ветви ПХ построены для четырех сечений ДН с УМ от максимума ДН (нулевое значение угла) до угла половинной мощности (УПМ).

На фигуре 4а (эллиптический раскрыв) ПХ по азимуту зависят от УМ сечения объемной ДН6 (6Поскольку ограничение области определения факторизованной функции непрямоугольной областью нарушает факторизацию функции, рассматриваемой в неограниченной области или хотя бы внутри прямоугольника, описанного вокруг раскрыва.).

На фигуре 4б (прямоугольный раскрыв) ПХ для всех сечений совпадают, т.к. не зависят от ОК (т.е. УМ).

Для получения практически линейной ПХ (с точностью не хуже 1% ширины ДН) можно использовать одномерную ВФ Хэмминга

и угол смещения оси ДН от РСН

где λ - длина волны;

d - размер раскрыва по соответствующей координате.

При замене итерационного расчета прямым (4) происходит не менее чем трехкратное сокращение времени измерения, т.к. для оценки сходимости любого итерационного процесса требуется не менее трех итераций, а объем прямых вычислений (4) существенно меньше объема вычислений на одной итерации при решении системы (3).

Если в МГЛ попадают несколько целей, то выигрыш по времени еще больше увеличивается. Так, при обычном подходе (компенсационном или прямоотсчетном с последующим уточнением) необходимо производить итерации последовательно для каждой из целей, обнаруженных и разрешенных по дальности первым импульсом. Прямые же вычисления (4) можно провести для всех разрешенных по дальности целей по результатам этого единственного импульса. Так как при приближении цели отношение сигнал/шум растет обратно пропорционально четвертой степени расстояния до нее, в значительном числе случаев можно пренебречь влиянием шума на точность быстрого измерения УК, а также уменьшать влияние шума стандартным методом - усреднением измерений.

Таким образом, показано, что при одновременном измерении двух УК цели пеленгационная характеристика, используемая для измерения одной УК цели, в общем случае зависит от значения другой (ортогональной) координаты этой цели относительно РСН. Наличие такой зависимости вносит в измерение угловой координаты методическую ошибку и требует дополнительного времени для восстановления точности. Путями устранения методической ошибки является использование раскрыва АР прямоугольной формы и факторизации ВФ на раскрыве АР. Дополнительное обеспечение линейности ПХ позволяет измерить УК с высокой точностью по результатам единственного импульса.

Шум вносит в измерение УК аддитивную ошибку, обратно пропорциональную квадрату расстояния до цели и не смещенную, если ПХ является линейной. При уровне шума, обеспечивающем ранее достигнутую точность измерения (1/10-1/20 ширины ДН) на максимальной дальности, преимущества предлагаемого способа проявляются на средней и меньшей дальности. Когда она составляет 1/3 максимальной дальности, указываемой в тактико-технических характеристиках, то шумовая составляющая ошибки уменьшается приблизительно до 1/100 ширины ДН. На такой дальности увеличивается угловая скорость цели и становится важным другое преимущество: существенно сокращается время измерения.

Рассмотрим реализацию предложенного способа с помощью системы, структурная схема которой приведена на фигуре 1, где приняты следующие обозначения:

1 - антенная решетка (АР);

2 - блок циркуляторов (БЦ);

3 - блок радиоприемных устройств (БРПУ);

4 - блок аналого-цифровых преобразователей (БАЦП);

5 - устройство диаграммообразующее (УДО);

6 - блок согласованных фильтров (БСФ);

7 - блок селекции (БС);

8 - измеритель сигналов угловых рассогласований (ИСУР);

9 - блок обнаружения и измерения уровней сигналов (БОНУС);

10 - синтезатор частот (СЧ);

11 - устройство управления (УУ);

12 - делитель мощности (ДМ);

13 - передатчик (ПРД);

14 - устройство запоминания значений весовой функции (УЗЗВФ);

15 - вычислитель видов функциональных зависимостей (ВВФЗ), описывающих ДН парциальных каналов и пеленгационные характеристики;

16 - вычислитель коэффициентов разложения функции, описывающей ПХ (ВКРПХ), в ряд Маклорена;

17 - вычислитель значений углов смещения (ВЗУС) максимумов ДН парциальных каналов от РСН;

18 - вычислитель окончательных значений коэффициентов разложения (ВОЗКР) функций, описывающих ПХ;

19 - вычислитель координат (ВК).

Обзорная моноимпульсная система, реализующая предложенный способ, содержит (фиг. 1) последовательно соединенные АР 1, БЦ 2, БРПУ 3, БАЦП 4, УДО 5, БСФ 6, БС 7, ИСУР 8 и УУ 11, причем первый, второй, третий и четвертый управляющие выходы УУ 11 подключены соответственно к входу управления БРПУ 3, входу управления СЧ 10, первому входу управления УДО 5 и входу управления БОНУС 9, гетеродинный выход СЧ 10 подключен к одноименному входу БРПУ 3, а выход дискретизации СЧ 10 - к одноименному входу БАЦП 4, при этом выход UKK компенсационного канала УДО 5 соединен с одноименным входом БСФ 6, а выходы U1, U2, U3, U4 парциальных каналов УДО 5 соединены с одноименными входами БСФ 6 и БОНУС 9, выход параметров которого подключен к одноименным входам БСФ 6 и УУ 11, а выход ПРД 13 через ДМ 12 подключен к входам зондирующего импульса БЦ 2. Командный выход УУ 11 подключен к одноименному входу ПРД 13.

Система также содержит последовательно соединенные УЗЗВФ 14, ВВФЗ 15, ВКРПХ 16, ВЗУС 17, ВОЗКР 18 и ВК 19, причем выходы УЗЗВФ 14 соединены через УУ 11 со вторым и третьим входами управления УДО 5, а вход управления УЗЗВФ 14 - с выходом управления ВВФЗ 15, выходы ВКРПХ 16 - с входами ВОЗКР 18, входы данных и управления ВВФЗ 15 подключены к пятому и шестому управляющим выходам УУ 11, а вход данных ВЗУС 17 - к седьмому управляющему выходу УУ 11, выходы ВЗУС 17 через УУ 11 соединены с четвертым и пятым входами управления УДО 5, входы данных ВК 19 через УУ 11 подключены к выходам ИСУР 8, а выходы ВК 19 являются выходами системы.

Обзорная моноимпульсная система работает следующим образом. После получения команды на проведение моделирования процесса приема и обработки, до излучения зондирующих импульсов, в УУ 11 формируются управляющие сигналы, которые через шестой управляющий выход УУ 11 передаются в ВВФЗ 15 и соединенные с ним ВКРПХ 16, ВЗУС 17 и ВОЗКР 18. В процессе моделирования осуществляют, с учетом использования АР с раскрывом прямоугольной формы, факторизацию двумерной ВФ W(x,y)=Wx(x)Wy(y), причем одномерными ВФ являются функции Хэмминга Wx(х)=0,08+0,92cos2(πx/2), -1≤х≤1 и Wy(y)=0,08+0,92cos2(πy/2), -1≤y≤1, обеспечивающие уровень боковых лепестков не выше минус 40 дБ и ширину рабочей зоны по каждой угловой координате не менее двукратной ширины диаграммы направленности парциального канала по уровню половинной мощности, или другие весовые функции, обеспечивающие не больший, чем функции Хэмминга, уровень боковых лепестков и не меньший размер рабочей зоны. Формируют в соответствии с весовой функцией W(x,y) диаграммы направленности парциальных каналов приема углового датчика F1(ϑ,ϕ)≡F(ϑ-ϑ0,ϕ), F2(ϑ,ϕ)≡F(ϑ+ϑ0,ϕ), F3(ϑ,ϕ)≡F(ϑ,ϕ-ϕ0) и F4(ϑ,ϕ)≡F(ϑ,ϕ+ϕ0),

где ϑ, ϕ - текущие углы, отсчитываемые соответственно в азимутальной и угло-местной плоскостях от равносигнального направления;

ϑ0, ϕ0 - углы смещения максимумов упомянутых ДН от РСН,

а также формируют сопряженную с ними диаграмму направленности компенсационного канала, обеспечивающую определенное превышение усиления этого канала над усилением по боковым лепесткам диаграмм направленности парциальных каналов.

Далее, используя значения выбранных ВФ для каждого антенного элемента, хранящиеся в УЗЗВФ 14, и данные о параметрах антенной решетки (числе элементов Nx×Ny, периоде решетки dx, dy и длине волны λ), в ВВФЗ 15 определяют вид функций, описывающих зависимости от углов ϑ и ϑ0, ϕ и ϕ0 диаграмм направленности пеленгационных каналов приема и их одномерных составляющих F(ϑ), F(ϑ), F(ϕ), F(ϕ), а также пеленгационных характеристик

,

,

углового дискриминатора для каждого из измеряемых углов, где ϑ, ϕ - текущие углы, отсчитываемые соответственно в азимутальной и угломестной плоскостях от равносигнального направления, а ϑ0, ϕ0 - углы смещения максимумов упомянутых диаграмм направленности от РСН.

После этого в ВКРПХ 16 разлагают одномерные нечетные функции Sϑ(ϑ,ϑ0) и Sϕ(ϕ,ϕ0), описывающие ПХ, по нечетным степеням углов ϑ и ϕ в ряды Маклорена

, ,

коэффициенты aϑk0), aϕk(ϕ) которых являются функциями углов смещения ϑ0, ϕ0. После этого в ВЗУС 17 вычисляют предварительные значения углов смещения ϑ0, ϕ0 как результат решения задач aϑ30)=0, aϕ30)=0, обеспечивающие линейность пеленгационных характеристик с точностью до членов разложения пятого и более высоких порядков, затем, задавая функции

,

описывающие зависимость абсолютной ошибки пеленгования от значения соответствующей координаты и угла смещения, и задавая максимальную относительную ошибку пеленгования δϑmax, δϕmax, равную, например, 0,01 ширины диаграммы направленности, определяют функции ϑРЗ0)≡ϑРЗ0ϑmax), ϕРЗ0)≡ϕРЗ0ϕmax), описывающие зависимость размера рабочей зоны при заданной ошибке пеленгования от угла смещения и вычисляемые как минимальный по абсолютной величине корень ϑ, ϕ соответственно уравнений

,

где ϑ0.5, ϕ0.5 - полуширина диаграмм направленности по уровню половинной мощности в направлении координаты ϑ, ϕ,

и получают окончательные значения углов ϑ0, ϕ0 как результат решения задач ϑРЗ0)→max, ϕРЗ0)→max, обеспечивающих максимальное значение размера рабочей зоны ϑРЗ0), ϕРЗ0) по соответствующей координате, причем внутри этой зоны абсолютная ошибка измерения углов ϑ, ϕ не превышает величины, определяемой максимальной относительной ошибкой δϑmax, δϕmax.

Вычисленные окончательные значения углов смещения ϑ0, ϕ0 передают в УУ 11 и ВОЗКР 18, где рассчитывают значения коэффициентов aϑ10), aϕ10), которые направляют в ВК 19. После завершения процесса моделирования осуществляют настройку РЛС, обеспечив с использованием вычисленных в процессе моделирования значений ВФ и углов смещения ϑ0, ϕ0 формирование диаграмм направленности антенной решетки.

После получения команды на начало работы передающей и приемной части РЛС в УУ 11 формируются команды К для ПРД 13, по которой зондирующие импульсы ПРД 13 через ДМ 12 и БЦ 2 подаются на АР 1 и излучаются в свободное пространство в заданном направлении. Для обнаружения отраженных от целей сигналов (в заданном частотном диапазоне и области углов, соответствующих МГЛ) с последующим определением УК в УУ 11 формируются:

- коды настройки гетеродина БРПУ 3 на заданные частоты, которые через второй управляющий выход УУ 11 передаются в СЧ 10;

- текущие УК равносигнального направления ϑPCH.

Далее с помощью АР 1 осуществляют прием отраженных от целей сигналов, их канализацию через БЦ 2, усиление и преобразование по частоте в БРПУ 3 с использованием сигнала гетеродина fГ, формируемого в СЧ 10, аналого-цифровое преобразование этих сигналов в БАЦП4 с использованием сигнала дискретизации fД, формируемого в СЧ 10, умножение в УДО 5 отсчетов сигнала на значения ВФ, поступающие из УЗЗВФ 14, после формирования в УДО 5 парциальных ДН с учетом значений ϑ0, ϕ0, поступающих из ВЗУС 17, получают на выходах УДО 5 (после суммирования) четыре сигнала с уровнями соответственно U1, U2, U3, U4, принятые по четырем парциальным ДН, оси которых разнесены на углы 2ϑ0 и 2ϕ0, и сигнал UKK компенсационного канала, осуществляют в БОНУС 9 обнаружение и измерение уровней сигналов. Затем в БС 7 селектируют те из них, уровни которых одновременно превышают уровень сигнала компенсационного канала. После этого, когда для всех , в ИСУР 8 вычисляют отношения

и ,

являющиеся значениями ПХ углового дискриминатора; в противном случае считают, что цель в данной области отсутствует.

После поступления в ВК 19 значений SCPϑ, SCPϕ используя вычисленные значения коэффициентов aϑk0), аϕk(ϕ), в ВК 19 вычисляют обе УК цели по формулам

и .

Отсутствие при прямом вычислении (по паре линейных независимых ПХ) обратной связи, присущей итерационным вычислениям, позволяют упростить вычислитель и обеспечить одновременное параллельное измерение обеих УК двумя одинаковыми комплектами аппаратуры меньшей сложности.

Взаимосвязь формы раскрыва антенны (прямоугольный/произвольный) и алгоритма измерения УК (прямой/итерационный) позволяет совместно оптимизировать антенную и вычислительную части РЛС и повысить скорость измерений УК за счет снижения необходимого числа импульсов до одного, обеспечив при этом высокую точность измерений и уменьшив сложность и стоимость аппаратуры, что актуально; это реализовано в заявленном изобретении.

В Ростовском-на-Дону НИИ радиосвязи проведено компьютерное моделирование РЛС с плоской многоэлементной АР, имеющей прямоугольный или круглый раскрыв, для двумерного случая применительно к предложенному способу. Показано, что при одновременном измерении двух угловых координат цели пеленгационная характеристика, используемая для измерения одной координаты, при непрямоугольном раскрыве АР и/или нефакторизованной ВФ зависит от значения другой (ортогональной) координаты цели относительно РСН. Наличие такой зависимости вносит в измерение угловой координаты методическую ошибку, ухудшающую точность измерения или увеличивающую время измерения. Для устранения этой методической ошибки требуются использование раскрыва прямоугольной формы и факторизация весовой функции на раскрыве АР. Для АР с прямоугольным раскрывом в качестве ВФ рекомендованы одномерные весовые функции Хэмминга, а также оптимальные углы разноса ДН, обеспечивающие линейность ПХ на всей ширине рабочей зоны (например, МГЛ) и, следовательно, измерение двух УК за одну итерацию (по одному принятому импульсу) при упрощении измерителя.

Отметим, что в предлагаемом способе расчетные формулы для определения угловых координат цели по сути не изменяются, но за счет использования рекомендованных формы раскрыва АР, факторизованной двумерной ВФ на раскрыве и оптимальных углов смещения осей парциальных ДН от РСН достигнуто существенно более точное определение местоположения цели по обеим координатам во всей рабочей зоне, перекрывающей всю ширину МГЛ, а время вычислений значительно сокращено за счет отказа от их итерационного уточнения. Реализация предложенного способа не встречает затруднений при современном уровне развития устройств цифровой обработки сигналов. Возможность реализации данного способа обеспечивает ему критерий «промышленная применимость».

По сравнению с прототипом (где угол разноса равен полуширине ДН, а форма раскрыва и весовые функции не оговорены) получен следующий технико-экономический эффект:

- достигнута возможность независимого одновременного измерения двух угловых координат цели по единственному импульсу и вычисления значений этих координат по известным простым формулам на всей ширине моноимпульсной группы лучей;

- время измерения сокращено как минимум в 3 раза по сравнению с общим случаем использования эллиптического раскрыва АР и/или нелинейной пеленгационной характеристики;

- собственная ошибка измерения УК предложенного способа не превышает 1% ширины диаграммы направленности по уровню половинной мощности.

Способ одновременного измерения двух угловых координат цели в обзорной амплитудной моноимпульсной радиолокационной системе с антенной решеткой и цифровой обработкой сигнала, при котором формируют в соответствии с весовой функцией W(x,y), описывающей распределение поля в раскрыве антенной решетки и обеспечивающей заданный уровень боковых лепестков, диаграммы направленности парциальных каналов приема углового датчика Fl(ϑ,ϕ)≡F(ϑ-ϑ0,ϕ), F2(ϑ,ϕ)≡F(ϑ+ϑ0,ϕ), F3(ϑ,ϕ)≡F(ϑ,ϕ-ϕ0) и F4(ϑ,ϕ)≡F(ϑ,ϕ+ϕ0), где ϑ, ϕ - текущие углы, отсчитываемые соответственно в азимутальной и угломестной плоскостях от равносигнального направления, а ϑ0, ϕ0 - углы смещения максимумов упомянутых диаграмм направленности от равносигнального направления, а также формируют сопряженную с ними диаграмму направленности компенсационного канала, обеспечивающую определенное превышение усиления этого канала над усилением по боковым лепесткам диаграмм направленности парциальных каналов, принимают отраженные от цели сигналы, осуществляют аналого-цифровое преобразование этих сигналов, на выходах парциальных каналов обнаруживают сигналы с уровнями соответственно U1, U2, U3, U4, при одновременном превышении ими уровня сигнала компенсационного канала вычисляют сигналы рассогласования и , являющиеся значениями пеленгационных характеристик и углового дискриминатора для каждого из измеряемых углов, и по значениям SCPθ, SCPϕ находят значения угловых координат цели ϑЦ и ϕЦ, отличающийся тем, что до приема сигналов осуществляют моделирование процесса их приема и обработки с учетом использования антенной решетки с раскрывом прямоугольной формы, при котором осуществляют факторизацию двумерной весовой функции W(x,y)=Wx(x)Wy(y), исключающую при такой форме раскрыва влияние значения одной измеряемой координаты на процесс измерения другой координаты в азимутальной и угломестной плоскостях и обеспечивающую факторизацию двумерных диаграмм направленности каналов Fm(ϑ,ϕ)=F(ϑ)F(ϕ), где - номер парциального канала приема, и зависимость двумерной пеленгационной характеристики только от измеряемой координаты

, , причем одномерными весовыми функциями являются функции Хэмминга Wx(x)=0,08+0,92cos2(πx/2), -1≤x≤1 и Wy(y)=0,08+0,92cos2(πy/2), -1≤y≤1, обеспечивающие уровень боковых лепестков не выше минус 40 дБ и ширину рабочей зоны по каждой угловой координате не менее двукратной ширины диаграммы направленности парциального канала по уровню половинной мощности, в процессе моделирования с учетом весовых функций, параметров антенной решетки и упомянутой факторизации определяют конкретный вид функций F(ϑ), F(ϑ), F(ϕ), F(ϕ) и Sϑ(ϑ,ϑ0), Sϕ(ϕ,ϕ0), параметрически зависящих от углов смещения ϑ0 и ϕ0, разлагают нечетные функции Sϑ(ϑ,ϑ0) и Sϕ(ϕ,ϕ0), описывающие полученные в результате факторизации одномерные пеленгационные характеристики, по нечетным степеням углов ϑ и ϕ в ряды Маклорена

, ,

коэффициенты аϑk0), aϕk0) которых являются функциями углов смещения ϑ0, ϕ0, определяют предварительные значения этих углов смещения как результат решения задач аϑ30)=0, aϕ30)=0, обеспечивающих линейность пеленгационных характеристик с точностью до членов разложения пятого и более высоких порядков, затем, задавая функции , , описывающие зависимость абсолютной ошибки пеленгования от значения соответствующей координаты и угла смещения, и задавая максимальную относительную ошибку пеленгования δϑmax, δϕmax равной, например, 0,01 ширины диаграммы направленности, определяют функции ϑРЗ0)≡ϑРЗ0ϑmax), ϕРЗ0)≡ϕРЗ0,δϕmax), описывающие зависимость размера рабочей зоны при заданной ошибке пеленгования от угла смещения и вычисляемые как минимальный по абсолютной величине корень ϑ, ϕ уравнений , соответственно, где ϑ0.5, ϕ0.5 - полуширина диаграмм направленности по уровню половинной мощности в направлении координат ϑ, ϕ, получают окончательные значения углов ϑ0, ϕ0 как результат решения задач ϑРЗ0)→max, ϕРЗ0)→max, обеспечивающих максимальное значение размера рабочей зоны ϑРЗ0), ϕРЗ0) по соответствующей координате, причем внутри этой зоны абсолютная ошибка измерения углов ϑ, ϕ не превышает величины, определяемой максимальной относительной ошибкой δϑmax, δϕmax, вычисляют по полученным значениям углов смещения значения коэффициентов aϑ10), aϕ10), затем, после излучения в пространство импульсов и приема отраженных от цели сигналов, осуществляют формирование диаграмм направленности антенной решетки с учетом использованных при моделировании весовых функций Хэмминга и определенных в результате моделирования значений углов смещения ϑ0, ϕ0, что обеспечивает линейность пеленгационных характеристик и независимость измеренных сигналов рассогласования SCPϑ, SCPϕ по одной угловой координате от значения другой угловой координаты, а угловые координаты цели вычисляют по формулам и , не требующим итерационного уточнения при упомянутой точности в рабочей зоне, превышающей двойную ширину диаграммы направленности парциального канала по каждой координате.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области антенной техники. Особенностью заявленной волноводно-щелевой антенной решетки резонансного типа является то, что распределительная система в подрешетке выполнена на развязанных неравновесных делителях мощности, представляющих собой модифицированные двойные Т-мосты с повернутыми носиками Г-образных элементов, а связь распределительной системы с излучающими волноводами осуществляется через гантельные щели в общей широкой стенке.

Изобретение относится к электронным средствам связи и радиолокационным системам. Заявлены фазированная антенная решетка и система связи, содержащая данную антенную решетку; причем особенностью указанной антенной решетки является то, что антенная подрешетка в горизонтальной проекции имеет треугольную форму, а излучающие элементы расположены в треугольной решетке на указанной основе из пеноматериала, причем антенная решетка содержит множество целых шестиугольных панелей, каждая из которых собрана из шести треугольных блоков подрешетки, и множество половинок шестиугольных панелей, причем целые шестиугольные панели и половинки шестиугольных панелей расположены так, что образуют плотно упакованный антенный блок.

Изобретение относится к сверхвысокочастотной радиотехнике. Особенностью заявленной антенной решетки с частотным сканированием является то, что антенная решетка выполнена в виде трех механически сочленяемых плит, в первой и с одной стороны второй плитах методом фрезерования на глубину в полширины волноводного канала выполнены каналы змейкового волновода, а с другой стороны второй и третьей плитах - каналы волноводно-щелевых линеек, электрическая связь змейкового волновода с волноводно-щелевыми линейками осуществляется через элементы связи волноводных каналов направленных ответвителей в общей узкой стенке двух волноводов, причем элементы связи в направленных ответвителях выполнены в виде наклонных щелей, а щелевые излучатели в линейках выполнены в виде прямых щелей, возбуждаемых U-образными проводниками полуволновой длины.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для приёма широкополосных сигналов, например, в системе сбора телеметрической информации от бортовой аппаратуры космических аппаратов.

Изобретение относится к вибраторным фазированным антенным решеткам. Особенностью заявленной антенной системы является то, что вторая линейка вибраторов, расположенных под первой линейкой на расстоянии d=λср/2 от нее, состоит из n отдельных симметричных направленных антенн, выполненных в виде полотен, параллельных поверхности земли, из комбинации плоскостных вибраторов, равнобедренной треугольной рамки с протяженностью периметра, равной λср/n, с размещением основания треугольника под первой линейкой, параллельно оси первой линейки, с проводниками боковых сторон, направленными в обратную сторону от направления приемопередачи, и размещенного под первым пассивным рефлектором шлейф-вибратора длиной λср/2n, повернутого точками питания в направлении основания треугольника, на расстоянии λср/4 от него и подключенного к нему перекрещенными при коммутации проводниками боковых сторон рамки.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в приемопередающих АФАР. Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение массы и увеличение вибропрочности антенной решетки.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в приемо-передающих АФАР. Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение массы и увеличение вибропрочности антенной решетки.

Изобретение относится к технике сверхвысокой частоты (СВЧ) и предназначено для использования в фазированной антенной решетке (ФАР) проходного типа с круговой поляризацией К-диапазона в качестве управляющего элемента.

Изобретение относится к области антенной техники, в частности к антенным решеткам и системам. Целью настоящего изобретения является улучшение параметров ДН двухдиапазонной антенной решетки с одновременным достижением большей простоты и компактности конструкции.

Изобретение относится преимущественно к спутниковым информационным системам. Способ включает формирование межспутниковой линии радиосвязи (МЛР) между космическими аппаратами (КА), расположенными в одной орбитальной плоскости.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть применено в системах моноимпульсной радиолокации и радиопеленгации, использующих антенную решетку и цифровую обработку сигналов.

Изобретение относится к антенной технике, а именно к антенным системам с электронным управлением лучом и применением кольцевых цифровых фазированных антенных решеток (ЦФАР) в мобильных и стационарных средствах связи.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пеленгаторам. Достигаемый технический результат - увеличение помехоустойчивости устройства.

Группа изобретений может быть использована для определения пространственных параметров радиоизлучений. Достигаемым техническим результатом является разработка малогабаритных амплитудных радиопеленгаторов (AP) при сохранении в значительной степени их высоких точностных характеристик.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к области пеленгации, и может быть использовано для пеленгации (измерения азимутов) и измерения углов места ионосферных сигналов в условиях приема как одного, так и двух лучей в широком частотном диапазоне.

Изобретения относятся к области радиотехники и могут быть использованы для определения местоположения объектов угломерно-дальномерным способом с летно-подъемного средства (ЛПС).

Изобретения предназначены для определения пеленга и угла места источника априорно неизвестного сигнала. Достигаемый технический результат - сокращение временных затрат на оценивание пространственных параметров сигналов - азимута и угла места.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопеленгации, и может быть использовано для совмещенного поиска и пеленгования по угловым координатам с высокой точностью множества работающих передатчиков, одновременно попадающих в текущую полосу приема.

Изобретение относится к области радиолокационных измерений. Особенностью заявленного способа адаптивного измерения угловых координат объекта наблюдения является то, что от системы встроенного контроля на вычислительное устройство поступают также данные о коэффициентах передачи малошумящих усилителей приемных каналов приемо-передающих модулей, многоступенчатых управляемых аттенюаторов приемо-передающих модулей, суммарного и разностного приемных каналов углового дискриминатора и о вносимых суммарным и разностным приемными каналами углового дискриминатора фазовых сдвигах, о допустимых значениях изменений коэффициентов передачи малошумящих усилителей приемных каналов приемо-передающих модулей, многоступенчатых управляемых аттенюаторов приемо-передающих модулей, суммарного и разностного приемных каналов углового дискриминатора и данные о допустимых значениях изменений, вносимых суммарным и разностным приемными каналами углового дискриминатора фазовых сдвигов, а также о допустимых значениях угловых смещений полотна активной фазированной антенной решетки, которые хранятся в блоке памяти системы встроенного контроля, а поступающие от блока навигации данные об угловых смещениях полотна активной фазированной антенной решетки во входящем в состав системы встроенного контроля преобразователе оцифровываются и поступают в вычислительное устройство.
Наверх