Способ формирования диаграммы направленности антенны рлс

 

Использование: радиолокационные системы обзора земной поверхности. Сущность изобретения: способ формирования диаграммы направленности антенны РЛС заключается в том, что формируют диаграмму направленности антенны при приеме, смещенной относительно диаграммы направленности, сформированной при излучении, при этом диаграмму направленности антенны при приеме формируют с фиксированным угловым смещением ее максимума относительно максимума диаграммы направленности при излучении в пределах половины ширины диаграммы направленности, обеспечивающим прием отраженного от цели сигнала с необходимым минимальным уровнем мощности, что позволяет подавить помехи, приходящие по боковым лепесткам диаграммы направленности. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технической физике, а именно к первичным радиолокационным системам, и может быть использовано в радиолокационных системах обзора земной поверхности, определения координат метеорологических, воздушных целей для повышения разрешающей способности.

Известен способ радиолокации, включающий излучение радиоволн, прием отраженных сигналов и индикацию принятых сигналов. При этом на приемный и передающей антеннах формируют определенную диаграмму направленности (ДН) (см. А. П. Сиверс и др. Основы радиолокации. ГСИ судостроительной промышленности, 1959, с. 9-11, 1988-189).

Разрешающая способность такого способа определяется шириной ДН.

Считается, что две одинаковые цели могут быть разрешены по углу, если они смещены одна относительно другой на величину, равную ширине ДН. Ширина ДН пропорциональна отношению λ к линейному размеру апертуры (т.е. λ /D) с коэффициентом пропорциональности, зависящим от распределения поля по апертуре (Справочник по радиолокации. /Под М.Сколника. Перевод с английского. М.: Советское радио, 1977, т. 2, с. 57).

Таким образом, достигнутая в технике минимальная ширина ДН определяет и предельную разрешающую способность современных радиолокационных станций (РЛС). Кроме того, разрешающая способность РЛС ухудшается за счет наличия боковых лепестков в ДН.

Известен способ радиолокации, включающий в процессе излучения-приема и индикации изменение частоты и поляризации сигналов, что позволяет классифицировать сложные цели (цель одиночная или групповая, бомбардировщик или ракета) (см. патент США N 3772689, кл. 243/5, 1973).

Известен также способ радиолокации со спектральной обработкой сигналов (см. патент СССР N 792183, кл. G 01 S 13/02, 1980), который решает аналогичную задачу.

Однако и в этом случае предельная угловая разрешающая способность РЛС остается недостаточно высокой, так как определяется достигнутыми параметрами ДН.

Наиболее близким к предложенному является способ радиолокации, реализованный в устройстве подавления наземных помех в воздушных локаторах (см. патент США N 3781878, кл. 343/5, 1973). Способ включает формирование ДН антенны, излучение сигнала, прием, обработку и индикацию сигналов. При этом принимаемый сигнал обрабатывают, формируя суммарный и разностный сигналы, которые проходят по двум раздельным каналам, подвергаются ослаблению и сдвигу фазы, после чего сигналы суммируются и индицируются на экране.

В результате такой обработки ДН антенны при приеме смещается в течение определенного времени из одного положения луча в другое, а приемный сигнал получается как результат взаимодействия отраженного от цели сигнала с перемещающейся по времени ДН антенны на приеме.

Это позволяет, изменяя наклон электрической оси приемной антенны в вертикальной плоскости, избегать приема шумовых сигналов от земли при выделении ближней (по дальности) грозовой цели и принимать отраженные сигналы от дальних грозовых целей в то время, как мешающий сигнал от земли уже значительно ослаб со временем (дальностью).

Предложенный способ заключается в формировании ДН излучении сигнала, приеме сигнала и его обработке, при приеме сигнала ДН формируют смещенной своим максимумом относительно максимума ДН при излучении сигнала. При этом смещение выполняют фиксированным, обеспечивающим прием сигнала от цели с необходимым минимальным уровнем мощности.

Это позволяет повысить угловую разрешающую способность при достигнутых параметрах ДН.

Кроме того, смещение выполняют таким, чтобы пики главных боковых лепестков одной из ДН совпадали с впадинами главных боковых лепестков другой ДН, а ширина ДН при приеме должна быть больше, чем при излучении. В этом случае помехи, создаваемыми боковыми лепестками с одной стороны ДН, будут минимальными, и в целом разрешающая способность повысится за счет увеличения соотношения сигнал/шум.

Более того, целесообразно в одном цикле излучение-прием сигнала формировать ДН при приеме смещенную в одну сторону от максимума ДН при излучении, полученный первый сигнал фиксировать, после чего на следующем цикле излучение-прием сигнала формировать ДН смещенной в противоположную сторону от максимума ДН при излучении, а полученный при этом второй сигнал перемножить с первым сигналом.

В этом случае достигается подавление помех, приходящих по боковым лепесткам ДН с обеих сторон.

На фиг. 1 приведена зависимость амплитуды принимаемого сигнала по углу сканирования антенны при способе радиолокации в соответствии с предложенным способом на фиг. 2 - зависимость амплитуды принимаемого сигнала по углу сканирования антенны (усеченную сверху) при другом способе, реализующем изобретение; на фиг. 3 - структурная схема РЛС, осуществляющий предложенный способ радиолокации.

П р и м е р 1. РЛС с фазированной решеткой.

При передаче на передающей антенне формируют одностороннюю ДН-1 (см. фиг.1). ДН-1 формирую с направлением максимума 2 смещенным от оси симметрии 3 антенны.

Диаграмму формируют по следующим формулам: Z₁ = (x + q), Y₁= · (1+A) где Y₁ - амплитуда сигнала; q - угловое смещение ДН относительно нулевого направления антенны; Z₁ - угол поворота электрической оси приемной (передающей) антенны; Х - пеленг цели.

Ар₁ = 0,9999; Ар₂ = 0,0083; Ар₃ = 0,0126; К_а = 0,76; Р₁ = 1; Р₂ = 2; Р₃ = 3; Р_i = 3,141592 - коэффициенты = Промежуточные вычисления Излучают сигнал с амплитудой Y₁.

После переключения антенны на прием формируют ДН-4 с направлением максимума 5 смещенным относительно оси симметрии 3 антенны на величину q.

Форма ДН определяется по следующим формулам: Z₂ = x + q - угол поворота электрической оси передающей (приемной антенны);
Y₂= - амплитуда сигнала для односторонней ДН;
х - пеленг цели;
q - угловое смещение ДН относительно нулевого направления антенны.

Принимают отраженный от цели сигнал.

Излученный с антенны с ДН-1 сигнал после отражения от цели поступает на антенну с ДН-4. В результате смещения ДН на прием и передачу на входе приемника оказывается сигнал, пропорциональный произведению амплитуды переданного сигнала на амплитуду сигнала, принятого антенной, благодаря модуляции принимаемого сигнала зондирующим импульсом.

Формируется результирующая ДН-6 шириной меньшей, чем у исходной ДН, так как она строится по формуле
Y₆ = Y₁ ˙ Y₄
Таким образом ширина ДН-6 получается уже самой узкой исходной диаграммы направленности. Уменьшение ширины ДН приводит к улучшению угловой разрешающей способности РЛС.

Смещение выбирают так, чтобы на максимальной заданной дальности обзора обеспечивался необходимый минимальный уровень мощности сигнала для получения отклика от цели. Чем больше смещение направления приема относительно направления передачи сигнала, тем уже получается результирующая ДН, но тем меньше будет и амплитуда принятого сигнала. Для выбранного (по критерию минимального уровня боковых лепестков результирующей ДН) смещения q = 0,676 (см.фиг.1) результирующая ДН между первыми нулями получается на 29% уже исходной ДН, что эквивалентно соответствующему улучшению угловой разрешающей способности прибора.

Формирование смещенных ДН обеспечивают соответствующей запиткой излучателей по заданной программе.

Антенны с механическим сканированием проектируются с двумя облучателями формирующими смещенные (на величину 2q) относительно друг друга ДН. Установка двух облучателей вместо одного приводит к тому, что каждый облучатель оказывается смещенным из фокуса антенны перпендикулярно электрической оси на некоторую величину, что приводит к смещению максимума ДН относительно оси в направлении, противоположном направлению смещения облучателя.

Если угловое смещение 2q односторонних ДН на прием и передачу выбрано так, что максимум главных боковых лепестков одной ДН совпадают с нулями другой ДН, то происходит максимальное подавление боковых лепестков в результирующей ДН. На фиг. 1 боковые лепестки 7 и 8 соответственно ДН-1 и ДН-4 оказываются смещенными, что приводит к подавлению боковых лепестков у результирующей ДН-6, соответственно улучшается качество принимаемых сигналов.

П р и м е р 2. Сигнал излучается с антенны, имеющей ДН-9 (см.фиг.2), а прием производится с диаграммой направленности ДН-10. При этом ДН-10 формируется шириной большей шины ДН-9. В этом случае уровень боковых лепестков у ДН-10 меньше, чем у ДН-9. Кроме того, ДН-9 своим максимумом 11 смещена относительного нулевого направления 12 антенны на величину q, а ДН-10 смещена соответственно своим максимумом 13 в другую сторону от нулевого направления 12 на величину q.

Общая величина смещения q₁ + q₂ выбрана такой, чтобы максимум главного бокового лепестка 14 ДН-9 совпадал с нулем ДН-10.

В результате взаимодействия отраженного от цели сигнала с ДН-10 на приеме принимаемый сигнал формируется в соответствии с результирующей диаграммой направленности (ДН-15, имеющей ширину, близкую к ширине ДН-9 при излучении, но низким уровнем боковых лепестков 16 с одной стороны (слева) от нулевого направления антенны 12).

Таким образом результирующая ДН-15 имеет ширину меньшую, чем каждая из исходных ДН и с низким уровнем боковых лепестков, что позволяет улучшить характеристики способа радиолокации за счет подавления помех, попадающих слева от нулевого направления антенны.

П р и м е р 3. Сигнал излучается и принимается в одном цикле излучение-прием в соответствии с описанным в примере 2 способом. Полученный первый сигнал запоминают. В следующем цикле излучение-прием излучение сигнала проводят с ДН2-9, а прием - с ДН-10, сдвинутых в противоположные от нулевого направления антенны 12 соответственно на величину - q₁ и -q₂. В этом цикле результирующая диаграмма направленности ДН-ДН-15 справа от нулевого направления будет симметрична левой ветви (см.фиг.2), т.е. в этом цикле помехи, приходящие справа по главному боковому лепестку, будут подавлены. Приходящий в этом цикле второй сигнал, отраженный от цели, перемножают с первым сигналом, после чего полученный результат индицируется на экране, а циклы излучение-прием повторяются в указанной последовательности, т.е. в каждом цикле обзора (запрос-ответ) формируются зеркально отраженные результирующие ДН, перемножение которых позволяет уменьшить ширину "синтезированной" таким образом ДН и получить дополнительное подавление боковых лепестков на выходе прибора. Благодаря этому обеспечивается повышенная разрешающая способность способа при максимальном уровне боковых помех.

Устройство РЛС содержит антенну 1 с двумя излучателями 2, 3, связанными через схему переключения 4 с передатчиком 5 и приемником 6. Приемник 6 своими выходами связан с запоминающим устройством 7 и устройством умножения 8, которое через согласующее устройство 9 подключено к индикатору 10.

Устройство работает следующим образом.

В первом цикле обзора сигнал излучается излучателем 2 и принимается отраженный сигнал излучателем 3, усиливается и обрабатывается приемником 6 и для каждой дальности его амплитуда запоминается в запоминающем устройстве 7.

Во втором цикле обзора сигнал излучается излучателем 3 и принимается излучателем 2. Переключение излучателей обеспечивается схемой переключения по заданной программе.

Принимаемый сигнал усиливается и обрабатывается приемником, полученная для каждой дальности амплитуды в устройстве умножения 8 перемножается с амплитудой заполненного предыдущего сигнала. Новые амплитуды сигнала поступают в запоминающее устройство 7 для использования в последующих циклах обзора, а произведения сигналов через согласующее устройство 9 поступает на индикатор 10. Таким образом, устройство обеспечивает прием сигнал с обуженной результирующей ДН и низким уровнем боковых лепестков.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННЫ РЛС, заключающийся в том, что формируют диаграмму направленности антенны при приеме, смещенной относительно диаграммы направленности, сформированной при излучении, отличающийся тем, что диаграмму направленности антенны при приеме формируют с фиксированным угловым смещением ее максимума относительно максимума диаграммы направленности при излучении в пределах половины ширины диаграммы направленности, обеспечивающим прием отраженного от цели сигнала с необходимым минимальным уровнем мощности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что диаграмму направленности антенны на приеме формируют со смещением, при котором пики главных боковых лепестков диаграммы направленности антенны на приеме совпадают с впадинами диаграммы направленности антенны на излучении.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в одном цикле излучение - прием сигнала формируют диаграмму направленности антенны на приеме, смещенную в одну сторону от максимума диаграммы направленности антенны при излучении, полученный первый сигнал запоминают, после чего на следующем цикле излучение - прием сигнала формируют диаграмму направленности антенны на приеме, смещенной в противоположную сторону относительно смещения в предыдущем цикле излучение - прием от максимума диаграммы направленности антенны при излучении, а полученный при этом второй сигнал перемножают с первым запомненным сигналом, перемноженные сигналы для каждой дальности анализируют и на основании анализа принимают решение об индикации цели.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3