Антенная решетка для интегрированных локационных систем с цифровым пространственным диаграммообразованием Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 681.2.083; 621.375.826 (075.8)

АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ДЛЯ ИНТЕГРИРОВАННЫХ ЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ С ЦИФРОВЫМ ПРОСТРАНСТВЕННЫМ ДИАГРАММООБРАЗОВАНИЕМ

Мария Александровна Адушинова

Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, магистрант кафедры автономных информационных и управляющих систем, тел. (383)346-26-23, e-mail: mary14061994@gmail.com

Любовь Васильевна Шебалкова

АО «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, ведущий инженер-руководитель группы; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, старший преподаватель, тел. (383)216-05-48, e-mail: lvsheb@list.ru

Валерий Григорьевич Эдвабник

АО «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, заместитель генерального директора по развитию, чл.-корр. РАРАН, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)216-05-63, e-mail: niiep@oaoniiep.ru; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, профессор кафедры АИУС, тел. (383)346-26-23

Владимир Николаевич Легкий

Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, доктор технических наук, доцент, зав . кафедрой автономных информационных и управляющих систем, тел. (383)346-26-23, e-mail: sniios@mail.ru

Рассматриваются интегрированные локационные системы, использующие СВЧ и оптические каналы обнаружения и сопровождения объектов. Математически моделируется принцип формирования диаграммы направленности цифровой антенной решетки. На основе данных моделирования показаны преимущества цифрового диаграмообразования с точки зрения адаптации к помехам и оптимизации основных характеристик антенной решетки при обработке сигналов для последующего анализа трехмерных локационных изображений.

Ключевые слова: фазированная антенная решетка, интегрированные локационные системы, диаграмма направленности, компьютерная оптика, цифровое диаграммообразование, моделирование, фазовращатель.

INTEGRATED LOCATION SYSTEMS ANTENNA ARRAY WITH DIGITAL BEAMFORMING

Maria A. Adushinova

Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marksa Prospekt, undergraduate Department Autonomous Information and Control Systems, tel. (383)346-26-23, e-mail: mary14061994@gmail.com

Lyubov V. Shebalkova

Joint-Stock Company «Scientific Research Institute on Electronic Devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva St., leading engineer-team manager, Novosibirsk State Technical University,

630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marksa Prospekt, senior lecturer of AICS Department, tel. (383)216-05-48, e-mail: lvsheb@list.ru

Valery G. Edvabnik

Joint-Stock Company «Scientific Research Institute on Electronic Devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva St., Deputy General Director for development, Corresponding member of Russian Academy of Missile and Ammunition Sciences, Ph. D., Senior Researcher, tel. (383)216-05-63, e-mail: niiep@oaoniiep.ru; Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marksa Prospekt, Professor at the Department of AICS, tel. (383)346-26-23

Vladimir N. Legkiy

Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marksa Prospekt, D. Sc., associate Professor, Head of the Department Autonomous Information and Control Systems, tel. (383)346-26-23, e-mail: sniios@mail.ru

The article describes the integrated location systems with radar and lidar channels for target detection and tracking. Antenna array digital beamforming principles are formulated. The digital beamforming advantages in clutter and jamming adaptation and radiation pattern optimization with 3D imaging processing are described.

Key words: phased antenna array, integrated location systems, radiation pattern, computer optics digital beamforming, simulation, phase shifter.

Цифровое управление пространственными характеристиками лазерных локационных систем и адаптивная компьютерная обработка принимаемых сигналов, как раздел компьютерной оптики, интенсивно развивается, начиная с 1980-х годов [1]. Реализованы: адаптивный прием лазерных локационных сигналов, автоматическое измерение параметров объекта локации, оценка случайных условий работы и помеховых факторов. Разработаны методы коррекции волнового фронта (в т.ч. адаптивная фазовая коррекция атмосферных искажений), обработки траекторных измерений, способы получения некоординатной информации, включая голографическую, интерферометрическую и адаптивную.

Уровень задач, решаемых в радиоэлектронных системах (РЭС) для радиолокации, радиосвязи, радиоэлектронного противодействия таков, что в этих системах должна применяться цифровая обработка сигнала. Переход от аналоговых фазированных антенных решеток (ФАР) к цифровым (ЦАР) позволяет обеспечить многофункциональность, помехозащищенность, интегрирование радиолокационных и оптико-электронных средств контроля пространства и сопровождения обнаруживаемых объектов.

Интеграция возможностей компьютерной оптики в лазерных системах и принципов цифрового диаграмообразования и обработки сигналов в СВЧ диапазоне позволяет говорить о создании двухспектральных ИНТЕГРИРОВАН -НЫХ ЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ большой, средней и малой дальности на базе единой цифровой платформы управления.

В данной работе рассматривается радиолокационный сегмент интегрированной информационной системы (комплекса).

В настоящее время цифровые диаграммообразущие схемы становятся доступными благодаря достижениям в области СВЧ -электроники, многокристальной электроники АЦП и ЦАП, сверхбыстродействующей цифровой и компьютерной электроники. Их применение позволяет повысить быстродействие и эффективность перспективных систем, разрабатываемых для гражданской и оборонной отраслей.

Сложность реализации ФАР определяется необходимостью применения новейшей элементной базы. Первые разработки этого метода формирования диаграмм направленности (ДН) были проведены еще в 70х годах, тогда АЦП и ЦАП были достаточно редкими и дорогими элементами схем, поэтому ЦАР считалась эффективными, но дорогими по стоимости. В начале 2000-х годов ведутся работы по цифровому формированию луча для радиолокационных систем, в которых описываются математические данные и некоторые экспериментальные данные цифровому диаграммообразованию (ЦДО).

Ранее существовали также проблемы по реализации систем на частотах выше мегагерцового диапазона, связанные с элементной базой ЦАР [2-5]. Эта проблема была решена, в том числе и российскими разработчиками НИИ дальней радиосвязи. При этом сигнал преобразовывается на промежуточную частоту, а затем переводится в цифровой. Сейчас эта проблема решается с помощью гетеродинирования. Проблема межканального рассогласования решается несколькими способами, например, фокусировкой на специальную антенну.

Но если все же посмотреть на современные достижения в области СВЧ-техники, электроники, цифровой компьютерной техники и технологий их производства, то можно с уверенностью утверждать, что стоимость указанных элементов будет соизмерима со стоимостью аналоговых компонент.

Следует рассмотреть преимущества, которые дает ЦДО. У современных РЛС, работающих с ФАР, существует недостаток, связанный с управлением лучом. Фазовращатели, управляющие положением луча, имеют свою разрядную сетку - порядка 3-4 разрядов. Из-за этого заданные параметры ДН существенно искажаются. Для более четкого представления подобных явлений была создана математическая модель, в состав которой входят некоторые функции, которые позво лили наглядно представить поведение диаграммы направленности (ДН) в зависимости от выбранного разряда управления фазами. В основе расчета значений диаграммы направленности лежит сумма всех произведений амплитуд и фаз.

Фазы на каждом элементе высчитываются посредством направляющих косинусов, исходя из заданного нами направления главного луча, которое задается с округлением до ближайшего разряда фазовращателя.

В качестве примера на рис. 1 приведена ДН планарной ЦАР размером 10х10 элементов, с длиной волны 0,1 м и полуволновым расстоянием между элементами. При разных разрядностях фазовращателя в диаграмме направленности ЦАР возникают искажения, которые сказываются на точности управления лучом и адаптации РЛС к помеховой обстановке. В результате снижается помех озащи-щенность комплекса. Отсюда можно сделать вывод, что применение ЦДО позволит более точно определять направление помехи и максимально ослаблять ее [6,7].

Значение диаграммы направленности в заданном направлении

0.8 -0.6 -0.4 -0.2 О 0.2 0.4 0.6 0.8 Азимут (рад)

Рис. 1. ДН планарной ЦАР размером 10х10 элементов

Еще одно преимущество связано с гибкостью цифровой обработки информации. Как известно, импульс на антенную решетку подается не всегда равномерно. Амплитудное распределение позволяет формировать форму луча. В РЛС, как правило, стоит сумматор, который и определяет постоянное амплитудное распределение сигнала для пространственной диаграммы направленности. В принципе работы цифровой решетки заложено предположение, что сигнал после приемника проходит сначала через АЦП, затем вся обработка происходит уже в цифровом виде. Поэтому требуется задать амплитудное распределение подходящим математическим законом, а в результате получить диаграмму направленности антенны (рис. 2).

Рис. 2. Диаграмма направленности антенны

Исходя из вышесказанного, можно предположить, что сейчас ЦАР должны активно использоваться в оборонных и гражданских отраслях, системах спутниковой связи.

Выводы:

Рассмотрены перспективы развития двухспектральных интегрированных локационных измерительных комплексов с цифровой пространственной обработкой сигналов и компьютерным диаграммообразованием.

Базовым физическим принципом работы СВЧ и оптического систем являются дифракционные подходы к радиотехнике и оптике, цифровые информационные технологии.

Применение ЦАР обусловлено малым весом и габаритными размерами, повышением помехозащищенности и энергетического потенциала радиолокационной системы в целом. Описаны принципы построения и модель цифровой антенной решетки для оптимизации пространственных характеристик СВЧ радиолокационного сегмента интегрированного комплекса.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Лазерная локация / И. Н. Матвеев, В. В. Протопопов, И. Н. Троицкий, Н. Д. Устинов Под редакцией Н.Д. Устинова. - М. : Издательство «Машиностроение», 1984. - 272 с.

2. Активные фазированные антенные решетки. Под ред. Д. И. Воскресенского. М.: радио и связь. 2004, - 488 с.

3. Слюсар В. И. Цифровые антенные решетки: Аспекты развития // Специальная техника и вооружение. - 2002. - № 1,2. С. 17-23.

4. Григорьев Л. Н. Цифровое формирование диаграммы направленности в фазированных антенных решетках. Москва. Радиотехника. 2010, 144 с.

5. Кузьмин С. З. Цифровая радиолокация: Введение в теорию. Киев. Квщ. 2000, 428 с.

6. Адушинова М. А. Применение аналого-цифрового преобразования при формировании диаграммы направленности в фазированных антенных решетках. // XVI Всеросс. конференция «Наука. Промышленность. Оборона.» - Новосибирск, НГТУ 2015.- С. 5-9.

7. Анализ преимуществ цифрового диаграмообразования в фазированных антенных решетках /М.А. Адушинова, А.С. Коваленко, А.А. Слободяненко, В.С. Семенихин /XVII Всеросс. Конференция Наука. Промышленность. Оборона. - Новосибирск, НГТУ 2016. - С. 160 -

© М. А. Адушинова, Л. В. Шебалкова, В. Г. Эдвабник, В. Н. Легкий, 2017