Способ раздельного формирования нулей в суммарной и разностной диаграммах направленности моноимпульсной фазированной антенной решетки
Владельцы патента RU 2269846:
Мануилов Борис Дмитриевич (RU)
Башлы Петр Николаевич (RU)
Климухин Денис Владимирович (RU)
Изобретение относится к антенной технике. Техническим результатом является повышение точности определения угловых координат объектов. Способ раздельного формирования нулей в суммарной и разностной диаграммах направленности моноимульсной фазированной антенной решетки (ФАР) заключается в выделении в исходной ФАР адаптивной подрешетки, содержащей адаптируемые излучатели, разделении сигналов, принятых каждым излучателем, на два канала, взвешивании сигналов с помощью комплексных взвешивающих устройств, суммировании сигналов с одноименных выходов с фазами, обеспечивающими формирование двух лучей моноимпульсной группы, отклоненных от равносигнального направления по обобщенной координате и в последующем образовании суммарной и разностной диаграмм направленности, при этом адаптивную подрешетку выделяют на одном из краев исходной ФАР, при этом адаптивная подрешетка состоит из 2Р адаптируемых излучателей. 3 ил.
Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для повышения точности определения угловых координат объектов радиолокаторами с моноимпульсными антенными решетками (MAP).
Известен способ раздельного формирования нулей в суммарных и разностных диаграммах направленности (ДН) моноимпульсных антенных решеток [1], основанный на разделении сигналов, принятых каждым излучателем, на два канала, суммировании сигналов с одноименных выходов делителей со своими весовыми коэффициентами, обеспечивающими формирование пары лучей, отклоненных от равносигнального направления (РСН) на угол ±ΔΘ, и в последующем формировании суммарной и разностной диаграмм направленности. В известном способе формирование нулей в суммарной и разностной ДН осуществляется выделением в исходной N-элементной MAP двух, расположенных симметрично относительно центра, адаптивных подрешеток, выходные сигналы которых взвешивают с помощью комплексных взвешивающих устройств, причем комплексные весовые коэффициенты адаптивных подрешеток выбирают из условия равенства нулю первого и второго лучей моноимпульсной группы в Р направлениях помех и в Р симметричных им по обобщенной координате относительно равносигнального направлениях 
. Значения комплексных весовых коэффициентов сигналов, принятых адаптируемыми излучателями, находят из решения системы линейных алгебраических уравнений
где [F] квадратная матрица, порядок которой определяется числом формируемых нулей:
мерные векторы с элементами
fn(u) - парциальная ДН излучающей системы при возбуждении n-го элемента (n=1, 2, ..., N) волной единичной амплитуды и нулевой фазы.
Недостатком этого способа-прототипа является сильная зависимость среднеквадратической ошибки измерения угловых координат от направления помехи. Указанная характеристика пропорциональна величине ε=(μD)-1, где μ - крутизна пеленгационной характеристики MAP, D - КНД по суммарному каналу. На фиг.1 представлена зависимость ε(Θп) для амплитудной суммарно-разностной 20-элементной MAP изотропных излучателей, расположенных с шагом 0,5λ, в которой реализован известный способ, причем луч отклонен от нормали к раскрыву на 10°. Видно, что при некоторых направлениях помехи ε увеличивается в 20-30 раз по сравнению со значением в отсутствие помех, которому на фиг.1 и 3 соответствует горизонтальная пунктирная линия.
Описанное явление обусловлено особенностями известного способа. При некоторых сочетаниях положений РСН и помехи определитель матрицы F системы линейных алгебраических уравнений обращается в нуль. Например, в случае подавления одной помехи:
Полагая в (4), что
получим выражение для определителя матрицы F:
где n, n'=1, 2, ..., N номера произвольных адаптируемых излучателей.
Из выражения (5) видно, что определитель матрицы F равен нулю при
Обращение в нуль определителя матрицы F при определенных сочетаниях положений РСН и помехи приводит к тому, что в окрестности этих направлений система уравнений становится неустойчивой и решением задачи синтеза для этих направлений являются токи в адаптивных элементах, амплитуда которых в несколько раз превосходит амплитуды токов в остальных элементах. Поэтому максимумы компенсирующих диаграмм сравнимы с величиной главного максимума основной ДН, что приводит к разрушению последней.
Из (6) следует, что количество всплесков ε в области реальных углов тем больше, чем дальше отстоят друг от друга адаптивные элементы.
Предлагаемый способ направлен на устранение выявленного недостатка известного способа-прототипа и позволяет при формировании нулей в суммарных и разностных ДН MAP корректировкой токов в части излучателей достичь более высокой точности измерения угловых координат объектов.
Структурная схема устройства, функционирующего по предлагаемому способу, представлена на фиг.2.
Рассмотрим существо предлагаемого способа. Для подавления Р помех, в отличие от прототипа, на одном из краев MAP выделяют одну адаптивную подрешетку, состоящую из 2Р элементов. Далее, как и в прототипе, сигналы, принятые каждым излучателем, разделяют на два канала, суммируют сигналы с одноименных выходов делителей, со своими весовыми коэффициентами, и формируют суммарную и разностную ДН, причем весовые коэффициенты сигналов, принятых 2Р элементами адаптивной подрешетки, выбирают из условия равенства нулю суммарной и разностной ДН в Р направлениях помех 
и в Р симметричных им по обобщенной координате относительно РСН направлениях 
a весовые коэффициенты (т.е. фазы, т.к. рассматривается фазированная моноимпульсная АР) сигналов в N-2P элементных выбирают равными их значениям, соответствующим заданному или исходному распределению.
Приведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа [1] показывает - заявленный отличается тем, что изменены условия выполнения операции взвешивания: адаптивные элементы выбирают на одном из краев MAP.
Рассмотрим предлагаемый способ на примере формирования одного нуля.
Первый и второй лучи моноимпульсной группы могут быть представлены в следующем виде
где
fn(u) - парциальная ДН излучающей системы при возбуждении n-го элемента (n=1, 2, ..., N) волной единичной амплитуды и нулевой фазы;
J(1,2) - комплексные весовые коэффициенты в каналах формирования лучей;
- обобщенная угловая координата;
N и x0 - число излучателей и шаг решетки;
λ и Θ - длина волны и угол, отсчитываемый от нормали к раскрыву.
В направлении uп эти ДН имеют значения
и
где uп=u при Θ=Θп, Θп - направление формируемого нуля.
Для исключения смещения РСН при формировании нулей необходимо сформировать дополнительный нуль ДН, который симметричен первому по обобщенной координате относительно РСН, т.е. в направлении 2uп-uп. Тогда в этом направлении ДН первого и второго лучей имеют значения
и
где u0=u при Θ=Θ0, Θ0 - равносигнальное направление.
Для формирования в каждом из лучей (f(1)(u) и f(2)(u)) двух нулей выделяют на краю MAP два элемента, 1-й и 2-й. Тогда, с учетом (9-12) и условий f(1)(uп), f(1)(uп)=0, а также f(1)(2u0-uп), f(2)(2u0-uп)=0, для первого и второго лучей моноимпульсной группы получим две системы линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных комплексных весовых коэффициентов
и
В (13) и (14) учтено, что амплитудное распределение в неадаптируемых элементах ФАР может быть неравномерным, в связи с чем в правые части (13) и (14) введены 
.
В матричной форме (13) и (14) принимает вид
где [F] квадратная матрица, порядок которой определяется числом формируемых нулей
мерные векторы с элементами
Неизвестные комплексные весовые коэффициенты 
, 
, 
, 
, обеспечивающие формирование нулей в каждом из лучей моноимпульсной группы в направлениях uп и 2u0-uп, определяются из решения систем линейных уравнений (15), т.е.
Необходимо отметить, что порядок систем линейных алгебраических уравнений ограничивается числом формируемых нулей, что является достоинством предлагаемого способа.
Аналогичным образом могут быть сформированы несколько нулей.
Работа устройства, функционирующего по предложенному способу, может быть проиллюстрирована с помощью фиг.2. Принятые каждым излучателем 1 сигналы поступают на входы делителей 2 на два направления. Сигналы с одноименных выходов делителей поступают на входы устройств комплексного взвешивания 3 и 4 соответственно, обеспечивающих умножение сигналов, принятых элементами подрешеток на весовые коэффициенты (18). Сигналы, принятые остальными N-2P элементами, фазируются с помощью фазовращателей 5 и 6 соответственно по линейному либо по более сложному закону. С выходов устройств комплексного взвешивания сигналы поступают в соответствующие высокочастотные сумматоры 7 и 8. Результатом суммирования в устройствах 7 и 8 являются два луча моноимпульсной группы, сдвинутые от РСН на величину ±Δu соответственно, имеющие нули в направлении на помеху uп, а также в зеркально симметричном ему направлении относительно РСН (2u0-uп). С выходов сумматоров 7 и 8 сигналы, соответствующие лучам моноимпульсной группы, поступают на входы суммарно-разностного преобразователя (например, двойного Т-моста), на выходах 10 и 11 которого формируются разностная fΔ(u) и суммарная fΣ(u) ДН. Поскольку каждый луч моноимпульсной группы имеет нули в направлении на помеху, то нули в этом направлении формируются как в суммарной, так и в разностной ДН.
На фиг.3 представлена зависимость ε(Θп) для рассмотренной ранее MAP, в которой реализован предложенный способ. Видно, что применение предложенного способа устраняет недостаток прототипа, проиллюстрированный на фиг.1, причем значительный всплеск ε имеет место только в случае, когда помеха принимается главным лепестком ДН.
Таким образом, предложенный способ формирования нулей позволяет сформировать нули в направлениях помех как в суммарной, так и в разностной ДН MAP с раздельным формированием лучей путем корректировки комплексных амплитуд токов в элементах адаптивной подрешетки, выделенной на краю MAP, и при этом исключить смещение РСН, причем расположение адаптивной части элементов на одном из краев MAP позволяет существенно повысить точность пеленгования объектов.
Источник информации
1. Патент №2195054 РФ. Способ раздельного формирования нулей в суммарной и разностной ДН моноимпульсной фазированной антенной решетки. / Мануилов Б.Д., Башлы П.Н., Климухин Д.В. // БИ 2002. №35.
Способ раздельного формирования нулей в суммарной и разностной диаграммах направленности моноимульсной фазированной антенной решетки, заключающийся в выделении в исходной фазированной антенной решетке адаптивной подрешетки, содержащей адаптируемые излучатели, разделении сигналов, принятых каждым излучателем, на два канала, взвешивании сигналов с помощью комплексных взвешивающих устройств, причем комплексные весовые коэффициенты адаптируемых излучателей выбирают из условия равенства нулю первого и второго лучей моноимпульсной группы в Р направлениях помех 
и в Р симметричных им по обобщенной координате относительно равносигнального направления Uo направлениях 
, суммировании сигналов с одноименных выходов с фазами, обеспечивающими формирование двух лучей моноимпульсной группы, отклоненных от равносигнального направления по обобщенной координате на ±ΔU, где ΔU - расстояние максимумов лучей до равносигнального направления, и в последующем образовании суммарной и разностной диаграмм направленности, отличающийся тем, что адаптивную подрешетку выделяют на одном из краев исходной фазированной антенной решетки, при этом адаптивная подрешетка состоит из 2Р адаптируемых излучателей.
