Способ определения угловых координат источника вертикальной наземной фар

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиолокации, радиоастрономии, радиосвязи и в измерительной технике и предназначено, в частности, для нахождения угловой координаты источника радиоизлучения. Технический результат заключается в улучшении точности измерения угловой координаты, помехозащищенности от активных и пассивных помех и увеличении диапазона измеряемых углов места в области нижней кромки зоны обнаружения. Для этого в способе, основанный на образовании последовательности временных выборок сигналов из приемных каналов элементов ФАР по вертикали, измерении положения максимума спектра этой последовательности, по значению которого определяют угловую координату, формируют дополнительную последовательность временных выборок сигналов из приемных каналов ФАР по вертикали, причем обе последовательности выборок разделяют друг относительно друга временным интервалом, длительность которого пропорциональна расстоянию между нижним элементом ФАР и поверхностью земли, а угловую координату измеряют по положению максимума спектра сигнала, разделенных временным интервалом 5 ил.

Предложение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиолокации, радиоастрономии, радиосвязи и в измерительной технике и предназначено, в частности, для нахождения угловой координаты источника радиоизлучения.

Известный способ обработки сигналов в фазированных антенных решетках (ФАР) заключается в введении специальных фазовых сдвигов в сигналы, принимаемые отдельными элементами ФАР, и суммировании их [1].

Известный способ обработки сигналов ФАР заключается в том, что в канале каждого из М элементов ФАР сигналы сдвигают по фазе и затем суммируют. При этом после суммирования возможна селекция сигналов по направлению.

Действительно, пусть элементы ФАР образуют линейную структуру с расстояниями между ними, равными α, а угол между нормалью к плоскости падающей волны (направление прихода сигнала) и нормалью к линии расположения элементов ФАР составляет ε (фиг.1).

Тогда разность начальных фаз сигналов соседних элементов ФАР составляет .

Если начальная фаза сигнала первого элемента ФАР (фиг.1) ϕ₁, то сигнал m-ого элемента имеет начальную фазу

Если подобрать дополнительные сдвиги фаз (δϕ_фm) в элементах, например, с помощью длинных линий (фиг.1) в соответствии со следующим выражением:

то после сумматора (СУ) можно получить синфазное сложение всех М сигналов, поскольку начальные фазы сигналов в элементах ФАР будут:

Сигналы, принимаемые с иного направления, имеют зависимость ϕ_m, соответствующую другому значению ε=ε₁, и поэтому синфазного сложения их на выходе этого сумматора не произойдет.

В качестве примера устройств, реализующих рассматриваемый способ, можно привести суммирующую схему матричного типа [1], одноканальное устройство гетеродинного типа [2] и устройство с анализатором спектра и специальным пространственно-временным преобразованием сигналов ФАР. Способ, реализуемый последним из перечисленных устройств, целесообразно рассматривать как прототип предлагаемого способа.

На фиг.2a в качестве примера реализации этого способа изображена схема устройства, где 1, 2,..., ...М антенные элементы ФАР, ЛЗ-линии задержки с временем задержки Т_п, 2Т_п,......(M-1)T_п, знаком "+" обозначен сумматор, а Ф, Ф₁, Ф₂ ...Ф_к - избирательные фильтры.

Сущность способа заключается в следующем: эхо-сигналы, принимаемые элементами ФАР, имеют начальные фазы, определяемые (I). Следовательно, сигнал в m-ом канале ФАР будет:

Здесь 0≤t≤Т_п (Т_п - длительность сигнала).

Все эти сигналы (m=1, 2, ...М) существуют на элементах ФАР практически одновременно. Далее осуществляется пространственно-временное преобразование, в результате которого сигналы оказываются следующими один за другим, например, в порядке возрастания их номеров и объединенными в один канал (фиг.2а). При этом сигнал S_o (t) можно представить следующим выражением:

Здесь (m-1)Т_п≤t≤mT_п; m=1, 2, ...М.

Полученный сигнал представляет собой радиосигнал с фазовой модуляцией. При этом закон фазовой модуляции определяется углом ε, т.е. характеризует направление приема сигнала ФАР.

Система избирательных фильтров Ф₁÷Ф_м (фиг.1), действуя как анализатор спектра, позволяет проявиться всем особенностям спектра сигнала (4). Можно показать, что спектр его определяется следующим выражением:

Здесь S₁(ω) - спектр одиночного импульса в последовательности (4).

На фиг.3 изображен спектр этого сигнала.

Положение главного максимума в спектре определяется углом ε, а ширина основного "лепестка" по нулевому уровню составляет δε=2λ/мd.

Как и следовало ожидать, ширина "лепестка" определяется аппаратурой ФАР, т.е. величиной мd (фиг.3).

Фильтры Ф₁÷Ф_м имеют полосу пропускания, соответствующую именно такой величине угла места, и поэтому посредством анализа распределения сигналов на их выходах можно определить положение максимума в спектре сигнала (ω_о), которое связано с углом ε.

Обычно элементы ФАР вместе с сигналом, приходящим по кратчайшему расстоянию ("небесному" лучу), принимают еще сигнал, переотраженный земной поверхностью (фиг.4). Такая ситуация особенно вероятна в диапазоне метровых волн, где свойства земной поверхности очень близки к свойствам идеального проводника [3].

Целью настоящего предложения является существенное улучшение точности измерения угловой координаты, помехозащищенности от активных и пассивных помех и увеличение диапазона измеряемых углов места в области нижней кромки зоны обнаружения.

Улучшение перечисленных выше параметров РЛС в предлагаемом способе приводит и к новой возможности, в результате которой можно сократить практически в два раза вертикальный размер ФАР без ухудшения точности измерения угловой координаты, помехозащищенности и диапазона измеряемых углов места.

Поставленная цель достигнута тем, что формируют дополнительную последовательность временных выборок сигналов из приемных каналов ФАР по вертикали, при этом одна из последовательностей временных выборок образована в порядке возрастания номеров каналов ФАР по вертикали, а другая - в порядке убывания, причем обе последовательности выборок разделяют друг относительно друга временным интервалом, длительность которого пропорциональна расстоянию между нижним элементов ФАР и поверхностью земли, а угловую координату измеряют по положению максимума спектра сигнала, состоящего из сформированных последовательностей выборок, разделенных временным интервалом.

Эти особенности результирующего сигнала приводят к тому, что спектр его становится уже и соответствует двойной аппаратуре ФАР.

Изложенная сущность предложения поясняется приведенным графическим материалом. На фиг.1 показано устройство, реализующее известный способ, на нем обозначены: 1, 2,..., ...М-1, М - элементы ФАР, расположенные по вертикали; СУ - суммирующие устройства; Л - длинные линии; ρ - согласующие сопротивления. На фиг.2а изображено устройство, реализующее способ, взятый за прототип. Устройство состоит из сумматора, к которому через линии задержки (ЛЗ) раздельно подключены 1, 2, 3,..., ...М-1, М элементов ФАР, а к выходу - избирательные фильтры Ф₁, Ф₂, ...Ф_н, ...Ф _м, соединенные параллельно. На фиг.2б показаны эпюры временных выборок длительностью Т_п. Нумерация их соответствует элементам ФАР. δϕ - последовательность начальных фаз временных выборок. На фи.3 изображена зависимость модуля спектра выборок от частоты (сплошная линия) и модуля спектра отдельной выборки от частоты (пунктирная линия). На фиг.4 схематично показана реализация предложенного способа. Через точку 0 горизонтально проходит линия, изображая поверхность земли, а вертикально проходит линия, на которой расположены элементы ФАР (1, 2, 3,..., ...М-1, М), и их зеркальные отображения относительно земли (1, 2, 3,..., ...М-1, М). ε - угол между горизонталью и направлением на источник радиоизлучения, d - расстояние между элементами ФАР, a d₁ - расстояние между поверхностью земли и первым элементом ФАР со стороны земли. Н и З соответственно "небесный" и "земной" лучи от источника радиоизлучения.

На фиг.5 изображены эпюры последовательностей выборок для "земного" луча (слева от оси 00₁) и "небесного" (справа от оси 00₁). δt₁ - интервал, разделяющий выборки от первых со стороны земли элементов ФАР. ϕ_m - последовательность начальных фаз выборок земного и небесного лучей.

В каждом элементе ФАР принято два сигнала: по "небесному" лучу Н и по "земному" З. Известно, что начальная фаза сигнала, принятого по "небесному" лучу, может быть представлена выражением (I), т.е.

Начальная фаза сигнала, принятого по "земному" лучу, отличается на δϕ, определяемую разностью хода лучей mB (фиг.4) и изменением фазы при отражении от земной поверхности δϕ_отр. Поэтому для этого сигнала начальная фаза может быть записана в следующем виде:

Если принять начальную фазу сигнала в точке 0 (фиг.4) в качестве опорной ϕ_о, то можно написать выражения для начальных фаз сигналов следующим образом:

Результирующий сигнал в соответствии с предлагаемым способом следует образовать так, чтобы, например, сначала взять последовательно выборки из сигнала "небесного" луча, а затем из "земного", но в обратном порядке. На фиг.5 показан полученный в результате этого сигнал и изменения начальной фазы в нем. Видим, что изменения начальной фазы при переходе от одного канала ФАР к соседнему одинаковая для выборок "земного" и "небесного" лучей и составляет согласно (6)

Если выборки следуют через интервал времени δt₁, то скорость изменения фазы составит:

Для того, чтобы при переходе от первого элемента "земного" луча к первому элементу "небесного" луча сохранить имеющуюся скорость изменения фазы ω= ω₁, необходимо изменить соответствующим образом длительность интервала.

Можно показать, что величина требуемого интервала δt_o должна выбираться из уравнения:

, или

Следовательно, величина временного интервала между частями в результирующем чигнале должна быть пропорциональна расстоянию нижнего элемента ФАР от земной поверхности.

В этом случае резильтирующий сигнал имеет одинаковую скорость изменения начальных фаз по всем выборкам для любых направлений приема (ε).

Изменение фазы при отражении от поверхности земли является постоянным и может быть устранено специальным фазовращателем, включаемым при взятии выборок из "земного" сигнала.

Таким образом, в соответствии с предлагаемым способом выборки из каждого канала ФАР берутся дважды, и это позволяет образовать результирующий сигнал большей (примерно в два раза) длительности, в котором изменение начальной фазы определяется направлением прихода луча, а за счет введения интервала между частями сохраняется присущая ему скорость изменения начальной фазы для всего результирующего сигнала.

Вследствие этого спектр результирующего сигнала оказывается уже, чем в известных устройствах. Поскольку между спектром и диаграммой направленности существует однозначная связь, то ясно, что предлагаемым способом оказывается возможным сужение угломестной диаграммы ФАР. При этом получаемые результаты соответствуют случаю, когда используется как бы двойная аппаратура ФАР. Такое удвоение аппаратуры объясняется тем, что используется, кроме основной ФАР и ее зеркальное отражение, симметричное поверхности земли. Реализация способа не может вызвать затруднений, т.к. основана на реализуемых операциях взятия выборок,(см. например, [4]), в любой известной ФАР.

Таким образом, в результате обработки сигнала в ФАР в соответствии с предлагаемым способом оказывается возможным повышение точности измерения угловой координаты источника радиоизлучения, помехозащищенности от активных и пассивных помех и увеличение диапазона измеряемых угловых величин в области малых углов места. Поскольку эти преимущества реализуются за счет увеличения действующей аппаратуры ФАР, то существует и иная возможность, при которой сохраняется точность и другие параметры, но уменьшается вертикальный размер ФАР.

ЛИТЕРАТУРА

1. М.Сколник. Введение в технику радиолокационных систем., М.: "Мир", 1965.

2. Р.Бенджамен. Анализ радио и гидролокационных сигналов, 1985, г.Москва.

3. Г.З.Айзенберг, В.Г.Ямпольский, О.Н.Терешин. Антенны УКВ. М.: "Связь", 1977.

Формула изобретения

Способ определения угловых координат источника вертикальной наземной ФАР преимущественно метрового диапазона волн, основанный на формировании последовательности временных выборок сигнала приемных каналов ФАР, измерении спектра этой последовательности и определению по положению максимума спектра координаты источника, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности по угловой координате, формируют дополнительную последовательность временных выборок сигналов из приемных каналов, при этом дополнительную последовательность образуют в порядке убывания номера канала, а обе последовательности разделяют временным интервалом, пропорциональным расстоянию между нижним элементом ФАР и земной поверхностью.

РИСУНКИ