Способ пространственной селекции приходящих сигналов в измерительной антенне моноимпульсного радиолокатора

Изобретение относится к области антенной техники, а именно к способам пространственной селекции приходящих радиосигналов. Предлагаемый способ пространственной селекции приходящих сигналов основан на измерении фаз сигналов на выходах четырех антенн, образующих антенную систему моноимпульсной радиолокационной станции (РЛС) и формирующих крестообразную структуру с последующей математической обработкой этих фаз по предложенному алгоритму, состоящему в формировании двенадцати комплексных функций, и анализом соотношений между сформированными функциями. Эта процедура может быть повторена на нескольких частотах рабочего диапазона. Достигаемый технический результат - обеспечение пространственной селекции приходящих сигналов при отсутствии ограничения на коэффициент усиления антенны. 4 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области антенной техники, а именно к способам пространственной селекции приходящих радиосигналов.

Уровень техники

Известно большое число способов определения координат источников радиосигналов (Radar Handbook, ed. by M. Skolnik, 1990). Однако известные методы используют, как правило, многоэлементные антенны в качестве измерительных инструментов и комплексные значения измеряемых сигналов в качестве входных данных. При этом определению подлежат либо абсолютные координаты источника сигнала, либо координаты источника в системе координат измерительной антенны. В то же время часто возникает ситуация, когда необходимо лишь определить, находится ли принимаемый сигнал в зоне максимума главного лепестка диаграммы направленности антенной системы или нет, без необходимости точного определения координат этого источника. Такая постановка задачи позволяет уменьшить объем информации, необходимой для решения задачи, и существенно упростить конструкцию антенной системы, в частности, позволяет использовать для этой цели измерительную антенну моноимпульсной радиолокационной станции (РЛС). В этом случае простое решение задачи может состоять в использовании антенной системы с чрезвычайно низким уровнем боковых лепестков суммарной диаграммы направленности (ДН). Однако такой подход отрицательно влияет на энергетические и массогабаритные характеристики РЛС. Кроме того, применение такого способа часто оказывается невозможным при наличии очень мощных источников помех, расположенных в области боковых лепестков ДН.

В то же время известно (Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. - М.: Советское радио, 1984. - 312 с.), что для построения антенной системы моноимпульсной РЛС с фазовым методом пеленгации достаточно иметь четыре элемента, используемые для формирования суммарной ДН и двух разностных ДН (в угломестной и азимутальной плоскостях). Такие элементы можно рассматривать как самостоятельные антенны и использовать их для построения измерительной антенны, позволяющей определить нахождение сигнала в заданной зоне максимума главного лепестка ДН.

Схема построения измерительной антенны такого типа приведена на фиг.1.

Ближайшим аналогом настоящего изобретения является способ пространственной селекции приходящих сигналов амплитудным селектором (Защита от радиопомех./ Под ред. М. В. Максимова: - Советское радио, 1976, стр.214-220, 344-346), в котором для решения задачи используется опорный сигнал, который берется со входа ненаправленной антенны (компенсатора) и поступает в ограничитель снизу. Принцип действия углового амплитудного селектора показан на фиг.2, где на фиг.2а приведены необходимые соотношения между ДН основной антенны и компенсатора соответственно, а на фиг.26 - необходимая передаточная характеристика ограничителя снизу. Если выполняется неравенство , где u_вх - входной сигнал, u_вых - выходной сигнал, - сигнал ограничителя, c - константа, F_к(θ) - ДН компенсатора, θ - полярный угол, принимается решение, что цель находится в зоне главного максимума основной антенны. Такой способ неудобен тем, что потенциал радиолокационной системы определяется слабонаправленной антенной, т.к. коэффициент усиления (КУ) основной антенны в направлении боковых лепестков, а следовательно, и в главном максимуме ограничен коэффициентом усиления слабонаправленной антенны.

Отличительной особенностью заявляемого способа является отсутствие ограничения на КУ антенны.

Сущность изобретения

В ближайшем аналоге пространственная селекция основана на пространственной селекции приходящих сигналов амплитудным селектором. Такой способ неудобен тем, что в этом случае потенциал радиолокационной системы определяется слабонаправленной антенной.

Предлагаемый способ пространственной селекции приходящих сигналов свободен от этого недостатка. Он основан на использовании фаз сигналов с выходов четырех антенн 1-4, расположенных в одной плоскости и формирующих крестообразную структуру, и последующей математической обработке этих фаз по следующему алгоритму:

1. Измеряются фазы φ_i (i=1-4) сигналов на одной из рабочих частот на выходах антенн 1-4.

2. Вычисляется опорная фаза

φ_ОП=(φ₁+φ₂+φ₃+φ₄)/4.

3. Полученное значение опорной фазы вычитается из значений фаз φ_i. В результате получаем новые фазы

Ψ_i=φ_i-φ_оп.

4. Полученные новые фазы используются для расчета следующих комплексных функций фаз Ψ_i:

F1k=[exp(i*α_k*Ψ₁)+exp(i*α_k*Ψ₂)+exp(i*α_k*Ψ₃)+exp(i*α_k*Ψ₄)]*0.25,

F2k=sqrt{[exp(i*α_k*Ψ₁)+exp(i*α_k*Ψ₂))*(exp(i*α_k*Ψ₃)+exp(i*α_k*Ψ₄))]*0.25},

F3k=sqrt{[exp(i*α_k*Ψ₁)+exp(i*α_k*Ψ₃))*(exp(i*α_k*Ψ₂)+exp(i*α_k*Ψ₄))]*0.25},

F4k=sqrt{[(exp(i*α_k*Ψ₁)+exp(i*α_k*Ψ₄))*(exp(i*α_k*Ψ₂)+exp(i*α_k*Ψ₃))] *0.25},

где i - мнимая единица;

α₁=1.0;

α₂ - заданная константа;

k=1 и 2.

F13=[exp(i*α₃*Ψ₁)+ехр(i*α₃*Ψ₂)+ехр(i*α₃*Ψ₃)+ехр(i*α₃*Ψ₄)]*0.25,

F23={[(exp(i*α₃*Ψ₁)+exp(i*α₃*Ψ₂))*(exp(i*α₃*Ψ₃)+ехр(i*α₃*Ψ₄))]*0.25}**0.13,

F33={[(ехр(i*α₃*Ψ₁)+ехр(i*α₃*Ψ₃))*(exp(i*α₃*Ψ₂)+ехр(i*α₃*Ψ₄))]*0.25}**0.13,

F43={[(ехр(i*α₃*Ψ₁))+ехр(i*α₃*Ψ₄))*(ехр(i*α₃*Ψ₂)+ехр(i*α₃*Ψ₃))]*0.25}**0.13,

где α₃ - заданная константа;

символы * и ** обозначают операции умножения и возведения в степень соответственно.

5. Значения модулей функций Fij (i=1-4, j=1-3) переводятся в децибелы и используются для проверки выполнения следующей системы неравенств:

abs(abs(F11) - abs(Flk))≤А для k ≠ 1;

abs(abs(F11) - abs(F2k))≤A;

abs(abs(F11) - abs(F3k))≤A;

abs(abs(F11) - abs(F4k))≤A;

abs(arg(F1k))≤B;

abs(arg(F2k))≤B;

abs(arg(F3k))≤B;

abs(arg(F4k))≤B,

где k= 1, 2, 3;

А и В - заданные константы.

6. В общем случае система неравенств, приведенная в п.5, может выполняться как в заданной угловой зоне в области главного лепестка суммарной ДН измерительной антенной системы РЛС (рабочей зоне, границы которой определяются по заданному уровню L), так и некотором числе паразитных зон, располагающихся вне рабочей зоны.

Константы α₂, α₃ выбираются для заданной геометрии из условия отсутствия или минимальной ширины паразитных зон, в которых выполняется система неравенств по п.5, при заданной ширине рабочей зоны на выбранной частоте. Константы А и В определяются заданным уровнем L, задающим ширину рабочей зоны в области главного максимума.

7. Если система неравенств по п.5 выполняется на выбранной частоте, принимается решение о возможном наличии источника сигнала в зоне максимума главного лепестка суммарной ДН измерительной антенной системы РЛС. Если все неравенства по п.5 выполняются как в рабочей зоне, так и в одной или нескольких паразитных зонах (что возможно в случае использования антенной системы с регулярным расположением отдельных антенн в крестообразной структуре), то пункты 1-5 следует повторить на нескольких частотах рабочего диапазона антенной системы РЛС до достижения пространственного разделения наборов паразитных зон, соответствующих отдельным выбранным частотам, при сохранении углового положения рабочей зоны. Это требование означает, что наборы паразитных зон, соответствующие отдельным частотам, не должны перекрываться. Это свойство позволяет отфильтровать источники сигналов, располагающихся в паразитных зонах от источников сигналов, располагающихся в рабочей зоне путем сравнения результатов, полученных на разных частотах. В случае выполнения системы неравенств на всех выбранных частотах принимается решение о наличии источника сигнала в зоне максимума главного лепестка суммарной ДН измерительной антенной системы РЛС. Необходимость использования данных, полученных на нескольких частотах, а также значения частот могут определяться на этапе проектирования антенной системы.

Перечень фигур

Фиг.1 - схема построения измерительной антенны.

Фиг.2 - принцип действия углового амплитудного селектора.

Фиг.3 - значения модулей и фаз функций F11, F21, F31, F41 в зависимости от угла наблюдения θ в горизонтальной плоскости (кривые 1-4 соответственно). Кривая 5 - условный график значения признака.

Фиг.4 - распределения угловых зон, в которых выполняется система неравенств по п.6, на разных частотах рабочего диапазона антенной системы РЛС.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Приводится описание предпочтительной реализации, но при этом необходимо иметь в виду, что возможно внесение незначительных изменений без отклонения от рамок и духа настоящего изобретения.

Рассматриваемая реализация описанного выше способа построена на основе антенной системы моноимпульсной РЛС, содержащей четыре идентичных антенных модуля, расположенных согласно конфигурации, изображенной на фиг.1, таким образом, что антенные модули (1, 2) и (3, 4) расположены симметрично относительно центра антенной системы, пары модулей (1, 2) и (3, 4) ортогональны друг другу. Расстояния между центрами модулей в вертикальной и горизонтальной плоскостях равны 24.8 и 14.3 длин волн соответственно. В рассматриваемом примере выбраны следующие значения констант: α₂=1,177777, α₃=1,3666; L=-3 дБ; А=1,75 дБ; В=1°.

В качестве входных данных использовались фазы сигналов на выходах модулей антенной системы, которые определялись экспериментально при сканировании антенной системы в горизонтальной плоскости с шагом 10' в пределах ±10°. Результаты были получены на центральной рабочей частоте РЛС.

На фиг.3 изображены значения модулей (фиг.3а) и фаз (фиг.3б) функций F11, F21, F31, F41 в зависимости от угла наблюдения θ в горизонтальной плоскости (кривые 1-4). Кривая 5 условно изображает результат анализа выполнения системы неравенств, приведенной выше в п.5. Если эта система неравенств не выполняется, кривая 5 проходит по уровню 0 дБ, а если выполняется - по уровню -3 дБ. Для наглядности фазы функций F11, F21, F31, F41 смещены относительно друг друга на 10°.

Анализ полученных результатов показал, что система неравенств по п.5 выполняется в заданном угловом диапазоне 2,4°, совпадающем с угловой шириной главного лепестка суммарной ДН антенной системы РЛС в горизонтальной плоскости по уровню -3 дБ. Однако, кроме указанного углового диапазона, на фиг.3 наблюдаются две паразитные угловые зоны, располагающиеся вне главного лепестка ДН, в которых система неравенств по п.5 также выполняется. Паразитные угловые зоны можно отфильтровать путем проведения дополнительных измерений фаз сигналов и выполнения операций алгоритма по п.п.1-6 на нескольких частотах. В рассматриваемом примере было проведено моделирование двух дополнительных измерений на частотах, отличающихся на ±5% от центральной частоты рабочего диапазона. Результаты приведены на фиг.4. Как следует из фиг.4, изменение рабочей частоты смещает паразитные зоны выполнения неравенств по п.5, но не изменяет положения основной угловой зоны. При этом смещение по частоте на ±5% от центральной частоты приводит к отсутствию перекрытия угловых координат паразитных зон, возникающих на разных частотах, но практически не влияет на положение и ширину основной (рабочей) угловой зоны. Это обстоятельство позволяет отфильтровать источники сигналов, располагающиеся в паразитных зонах выполнения неравенств по п.5, и обеспечить однозначность принятия решения о нахождении источника сигнала в области максимума главного лепестка ДН антенной системы РЛС.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ селекции приходящих сигналов в измерительной антенне моноимпульсного радиолокатора обеспечивает пространственную селекцию приходящих сигналов при отсутствии ограничения на КУ антенны.

Способ пространственной селекции приходящих сигналов, отличающийся тем, что
измеряются фазы φ (i=1-4) сигналов на одной из рабочих частот на выходах четырех антенн 1-4, формирующих крестообразную структуру, вычисляется опорная фаза
φ_оп=(φ₁+φ₂+φ₃+φ₄)/4,
полученное значение опорной фазы вычитается из значений фаз φ_i (i=1-4) и определяются новые фазы
Ψ_i=φ_i-φ_оп,
полученные новые фазы используются для расчета комплексных функций фаз Ψ_i,
F1k=[exp(i*α_k*Ψ₁)+exp(i*α_k*Ψ₂)+exp(i*α_k*Ψ₃)+exp(i*α_k*Ψ₄)]*0,25,
F2k=sqrt{[exp(i*α_k*Ψ₁)+exp(i*α_k*Ψ₂))*(exp(i*α_k*Ψ₃)+exp(i*α_k*Ψ₄))]*0,25},
F3k=sqrt{[exp(i*α_k*Ψ₁)+exp(i*α_k*Ψ₃))*(exp(i*α_k*Ψ₂)+exp(i*α_k*Ψ₄))]*0,25},
F4k=sqrt{[(exp(i*α_k*Ψ₁)+exp(i*α_k*Ψ₄))*(exp(i*α_k*Ψ₂)+exp(i*α_k*Ψ₃))] *0,25},
где i - мнимая единица;
α₁ = 1,0;
α₂ - заданная константа, для k=1 и 2 соответственно,
F13=[exp(i*α₃*Ψ₁)+ехр(i*α₃*Ψ₂)+ехр(i*α₃*Ψ₃)+ехр(i*α₃*Ψ₄)]*0,25,
F23={[(exp(i*α₃*Ψ₁)+exp(i*α₃*Ψ₂))*(exp(i*α₃*Ψ₃)+ехр(i*α₃*Ψ₄))]*0,25}**0,13,
F33={[(ехр(i*α₃*Ψ₁)+ехр(i*α₃*Ψ₃))*(exp(i*α₃*Ψ₂)+ехр(i*α₃*Ψ₄))]*0,25}**0,13,
F43={[(ехр(i*α₃*Ψ₁))+ехр(i*α₃*Ψ₄))*(ехр(i*α₃*Ψ₂)+ехр(i*α₃*Ψ₃))]*0,25}**0,13,
где α₃ - заданная константа;
символы * и ** обозначают операции умножения и возведения в степень соответственно; значения модулей функций Fij, где i=1-4, j=1-3, переводятся в децибелы и используются для проверки выполнения системы неравенств:
abs(abs(F11) - abs(Flk))≤А для k ≠ 1;
abs(abs(F11) - abs(F2k))≤A;
abs(abs(F11) - abs(F3k))≤A;
abs(abs(F11) - abs(F4k))≤A;
abs(arg(F1k))≤B;
abs(arg(F2k))≤B;
abs(arg(F3k))≤B;
abs(arg(F4k))≤B,
где k=1, 2, 3,
причем константы А и В определяются заданным уровнем L, определяющим ширину рабочей зоны в области главного максимума, константы α₂, α₃ выбираются для заданной геометрии из условия отсутствия или минимальной ширины паразитных зон, в которых выполняются приведенные выше неравенства, при заданной ширине рабочей зоны на выбранной частоте, при этом операции, описанные выше, повторяются на других частотах рабочего диапазона антенной системы радиолокационной станции (РЛС), выбранных для обеспечения пространственного разделения паразитных зон, в которых выполняется система неравенств и в случае выполнения системы неравенств на всех выбранных частотах принимается решение о наличии источника сигнала в зоне максимума главного лепестка суммарной диаграммы направленности (ДН) измерительной антенной системы РЛС.