Научная статья на тему 'Научно-методический аппарат системы контроля и управления фазированных антенных решеток радиолокационных станций'

Научно-методический аппарат системы контроля и управления фазированных антенных решеток радиолокационных станций Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
320
140
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЁТКА / МОНОИМПУЛЬСНАЯ РАДИОЛОКАЦИЯ / ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ / ОТКАЗЫ / КООРДИНАТЫ ОБЪЕКТА / ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ / ПЕЛЕНГ ЦЕЛИ / МЕТОД КОНТРОЛЯ / СИНХРОННОЕ ИЗМЕНЕНИЕ ФАЗЫ / A PHASED ARRAY ANTENNA / MONOPULSE RADIOLOCATION / ANGULAR PATTERN / BREAK-DOWNS / OBJECT COORDINATES / RANGE / TARGET LOCATION / METHOD OF CONTROL / SYNCHRONOUS PHASE CHANGE

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Шацкий Н. В., Шацкий В. Н.

В статье на основе оригинального подхода и технических решений предлагаются методические основы подхода к построению систем оперативного контроля малоэлементной ФАР радиопеленгатора при пеленгации цели, как с известными, так и неизвестными координатами, обеспечивающего независимость от режима работы самого пеленгатора. Предлагаемый метод контроля наиболее эффективен для оценки работоспособности фазированной антенной решетки с небольшим числом каналов (при увеличении числа элементов растет погрешность определения искомых параметров). Метод не имеет ограничений и может быть без особых затруднений реализован в существующих радиотехнических системах с современными системами когерентного распределения сигналов дискретизации, синхронизации, гетеродина и контрольного сигнала, а также системой цифровой обработки радиолокационных сигналов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Шацкий Н. В., Шацкий В. Н.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Scholarly methodological apparatus of the control and management system for phased antenna arrays in radio-locating stations

Basing on the original approach and engineering solutions the article offers methodical basis for a new approach how to build an operational control system of a simple phased-array antenna location finder at locating the target, both with known and unknown coordinates, providing independence from the operating mode of the finder. The suggested control method is mostly effective to evaluate the phased antenna array operability with a small number of channels (as the elements number grows the inaccuracy in the determination of required parameters increases). This method has no restrictions and can be easily implemented in existing radio systems with modern systems of coherent signal distribution in discretization, synchronization, heterodyne, control signal and radar signals digital processing system.

Текст научной работы на тему «Научно-методический аппарат системы контроля и управления фазированных антенных решеток радиолокационных станций»

Шацкий Н.В.

научно-методический аппарат системы контроля и управления фазированных антенных решеток радиолокационных станций

Использование фазированных антенных решеток (ФАР) определяет дополнительные технические возможности радиотехнических систем (РТС) в сложной, меняющейся во времени помеховой обстановке и реализации усложняющихся требований к ее характеристикам. Однако это обстоятельство обуславливает и ряд негативных моментов. С одной стороны, ФАР - достаточно сложная система, одной из проблем которой является обеспечение надежности. С другой стороны, использование в составе ФАР активных элементов в условиях массированного применения средств радиоэлектронной борьбы приводит не только к ухудшению электромагнитной совместимости РТС (в частности, к снижению помехоустойчивости), но и к появлению отказов в каналах ФАР. Рассмотрим лишь влияние ошибок (отказов) в распределении поля по раскрыву ФАР на точность пеленгования. Как показано в известной литературе, в частности в [1], при возникновении ошибок в возбуждении ФАР наблюдается как смещение равносигнального направления, приводящее к погрешностям пеленгования, так и изменение пеленгационной чувствительности. Если для ФАР с большим числом элементов возбуждение можно представить в виде непрерывных функций и использовать нормальный закон распределения для фазовых и амплитудных ошибок поля возбуждения, то для малоэлементных ФАР это не всегда справедливо.

Определяющими параметрами для моноимпульсной радиолокации являются жесткие требования к крутизне формируемой диаграммы направленности (ДН) антенны в равносигнальном направлении, которая существенным образом влияет на точность измерения координат объекта и дальность действия. Крутизна (или связанный с ней наклон касательной к функции ДН) характеризуется производной

ДН по полю (Р0 (в, <р))в . Во время функционирования ФАР, вследствие появления амплитудных или фазовых ошибок (вызванных процессами различной природы), крутизна, как и сама, диаграмма направленности изменяется и принимает вид

Ч а= (в,<% +Аат \Мт (в,<) еХР *(<т + АУт )]в 0)

где Аат (Ащ^) - ошибка реализации амплитуды (фазы) возбуждения в

т-ом канале ФАР;

^т (в, (р) - диаграмма направленности т-го излучателя; (рт - фаза тока возбуждения в т-м излучателе.

Для ошибки реализации амплитуды в т-ом канале выражение (1) может быть записано следующим образом:

# аА = (fo (в <р% + Аат (ßm (в, р% exp(/^m ) (2)

Отказы секций фазовращателей (ФВ) также оказывают влияние на крутизну ДН ФАР. При их учете выражение (1) изменяется на

Ч аО = (р0 (в(% + Ат (Мт (в,(()в ехр(/(т )еХР(А ^ ) (3)

Используя основные соотношения теории вероятности и выражения (2) и (3), были получены выражения для статистических характеристик крутизны ДН при наличии ошибок реализации амплитуды и фазы в каналах ФАР при произвольном законе распределения и ошибках, соизмеримых по величине с управляющим воздействием.

Выражения для статистических характеристик крутизны позволяют исследовать изменения пеленгационной чувствительности на примере ФАР 8-8 излучателей. Необходимо отметить, что формирование амплитудно-фазового распределения (АФР) в каналах решетки реализовано с помощью дискретных (че-тырехсекционных) аттенюаторов и фазовращателей бинарного типа. Исследования охватывают оценку отклонения луча и крутизну пеленгационной характеристики ФАР при рассеянных отказах амплитудного и фазового трактов управления в ее каналах. При этом выявлено, что наибольший вклад в среднеквадратическое отклонение луча и крутизну вносят крайние элементы раскрыва антенной решетки. При этом применение различных законов амплитудного и фазового распределения вносят коррективы в перераспределение весов элементов раскрыва антенны. При оценке отказов аттенюаторов (на основе выражения (2)) в каналах квадратной ФАР (по дисперсии отклонения луча D{Д0} от ширины 200.5) максимально

Г ^АвП

определяется уровнем 0,121 —-—- I а при оценке фазовых отказов (на основе

в.5

f В{АвУ выражения (3)) - 0,1341 —*—

2в0.5

Исследования рассеянных отказов шестидесятичетырехэлементной ФАР на крутизну оценивалась как отношение дисперсии крутизны при отказах (р^а})

к крутизне ДН исправной антенной решетки ^а0). При этом амплитудные отказы приводят к максимальному изменению крутизны, равному примерно

514• 10-3íа}1 ; а фазовые характеризуются - 8,4 • 10-31 —11 .

I tqao ) \ íqao )

Также необходимо отметить, что приведенные максимальные отклонения луча ФАР и ее крутизны при фазовых отказах приведены для равномерного амплитудного распределения, а использование в каналах различных спадающих распределений уменьшает эту величину незначительно (примерно на 5^10 %). Таким образом, даже поверхностная оценка только двух показателей при рассеянных отказах, выявила необходимость оперативного устранения ошибок реализации амплитуды и фазы в каналах ФАР, вызванных различными причинами.

Сказанное выше обусловило потребность разработки методов оперативного контроля ФАР в составе РТС независимо от основного режима последней, т.е. в дежурном режиме [1,2]. Анализ существующих методов контроля ФАР, включая и контроль ФАР в составе РТС, показывает, что ни один из основных известных классов систем контроля ФАР: вынесенного, встроенного и модуляционного контроля, а также контроля на основе низкочастотной модуляционной фильтрации - не отвечает в полной мере требованию оперативности диагностирования РТС с ФАР при функционировании в дежурном режиме. Широко применяемый для проверки РТС корреляционный метод, основанный на использовании случайных испытательных сигналов, например М-последовательностей, описании динамики объекта контроля через уравнение Винера-Хопфа и последующей оценке состояния объекта по отклику автокорреляционной функции в рабочей полосе частот [2,5], не в полной мере отвечает поставленным условиям, так как при использовании данного метода для контроля ФАР возникают трудности, обусловленные, в первую очередь, снижением помехоустойчивости РТС, в которой функционирует ФАР.

В [6,7] применительно к РТС информационного и метрического классов, рассмотрен метод контроля ФАР РТС в дежурном режиме. Метод основан на синхронном изменении фазы проходящих через каналы излучателей сигналов на одинаковую величину, равную дискрету каждого разряда ФВ, в промежутках между измерениями основного параметра, характеризующего данную РТС, сравнении результатов измерений, полученных в разных циклах, с эталонным значением основного параметра или между собой и определении исправности (неисправности) ФАР на основе сравнения результатов измерений.

Рассмотрим реализацию метода на примере ФАР радиопеленгатора. Основными параметрами, характеризующими радиопеленгатор, являются время и точность пеленгования. Время определяется временем накопления сигнала в каждой точке, т.е. числом измерений, а точность пеленгования - при наличии цели с заранее заданными параметрами - оценкой пеленга данной цели.

Как показано, например, в [1,8], для антенной решетки из М излучателей, диаграммы каждого из которых описываются функцией вида

цт(О,п) = Оцв1П(О,п) + ПмПП(О,п) , где jue,]Un - соответственно Q и ф

компоненты диаграммы направленности (ДН) одиночного излучателя ( О, П - орты и отсчет углов Q и ф в сферической системе координат соответствуют общепринятым), ДН может быть представлена в виде выражения

M

F(0, n) = X A exp(/nm)Mm(0, n) (4)

m=1

где Am,nm- соответственно, амплитуда и фаза тока возбуждения в m-м излучателе.

С учетом возможных отказов устройств управления в каналах ФАР (например, одного или нескольких разрядов в одном или в группе К-разрядных фазовращателей) выражение для ДН ФАР можно представить следующим образом [8]:

M

Щ = X(Am + Ч,) exp[i(n0m + A fm)]Ân(0,n) (5)

m=1

где Ат,Пот - номинальные значения амплитуды и фазы в m-ом канале

ФАР; Aam (A^m) - ошибка реализации (установки) амплитуды (фазы) возбуждения в m-м канале.

При замене линейного фазового распределения ф0 ступенчатым распределением вида [1]

ПмОт = АПЕп{Пот1АП + 0-5] (6)

в котором Ent[a] - целая часть числа а; An - дискрет младшего разряда К-разрядного ФВ; выражение (2) преобразуется в следующее соотношение:

M

(7)

M

= £( Am + eXP {<Pcim

m=\

где А^СТ = Ащт + 8(рт; 8(рт- погрешность, обусловленная ступенчатым фазированием.

Если фазу проходящих через М каналов излучателей сигналов изменить на

постоянную величину А(к , где к= (1, к) , а А(к = 2п/2к , то, судя по выражению (7), направление главного максимума ДН (О0, (0) не изменится, так как

величину ехр(М^) можно вынести за знак суммирования. Описанное выше графически подтверждается рисунком, где схематично представлен излучающий раскрыв из М элементов, фазовый фронт при отклонении главного максимума ДН от нормали (оси антенны) на угол 0 и положения фазового фронта при синхронном изменении фазы проходящих через каналы излучателей сигналов на величину

Ар = ^ , 2 Ар = ^ и так далее до величины 1 Ар = ^^^ = л

для полностью исправной ФАР.

Рисунок

Считаем, что в к-ом разряде ФВ возможны два вида отказа: отказ, когда т-ный ФВ не пропускает сигнал, то есть коэффициент передачи т-го канала Ттк=0, и случай, когда к-ый дискрет т-го фазовращателя не устанавливается, то есть Ттк=1. Исправное состояние этого разряда ФВ характеризуется выражением

вида Тткехр{2ж^2к) .

Обычно для получения пеленга цели радиолокационная станция обеспечивает к измерений в моменты времени и, 12,..., tk . Считаем, что для контроля РЛС с ФАР используется цель с известными координатами, а априорная информация о положении цели (пеленг цели vэт) введена в память ЭВМ управления и обработки данных. В момент времени 11 определяется пеленг цели с координатами

(в0, р0) при ориентации ДН ФАР в ее направлении, измеряется мощность сигнала на выходе ФАР, пропорциональная величине (4) и характеризующая пеленг цели. Полученный результат оценки v0 сравнивается с эталонным vэт, хранящимся в памяти ЭВМ, и также запоминается. Затем производится синхронное изменение фазы проходящих сигналов на величину дискрета младшего разряда ФВ, то есть на Дф (выражение (3)), и вновь повторяется совокупность операций, обеспечивающая получение оценки пеленга VI. Сравнение VI с vэт позволяет сделать вывод о ис-правности младших разрядов ФВ в каналах ФАР. Затем осуществляется синхронное изменение фазы сигналов в каналах излучателей на величину (2П ¡2(к 1)

где 1= (о, К- 1) , и вновь производится оценка пеленга VI . Сравнение полученных оценок VI пеленга цели с эталонным значением vэт позволяет оценить состояние ФАР в составе радиолокационной станции.

Подобный контроль ФАР возможен и при пеленгации цели с неизвестными координатами. Только в отличие от вышеописанного сравнение полученных оценок пеленга VI производится между собой, а усреднение полученных результатов

позволяет повысить точность измерений при признании ФАР исправной в 4к раз.

При использовании ФАР в составе системы радиосвязи ее пригодность к дальнейшей работе оценивают по паразитной амплитудной модуляции суммарного сигнала на выходе приемника системы при синхронном изменении фазы проходящих через каналы излучателей сигналов на одинаковую величину, равную дис-крету каждого разряда фазовращателя.

Предложенный метод оперативного контроля может быть использован в основном для оценки работоспособности ФАР РТС с небольшим числом каналов (100.1000), так как с увеличением числа элементов растет погрешность определения искомых параметров. Метод не имеет ограничений и может быть без особых затруднений реализован в существующих РТС.

литература

1. Самойленко В.И., Шишов Ю.А. Управление фазированными антенными решетками. - М.: Радио и связь, 1983. - 240с.

2. Грановский В.А. Динамические измерения: Основы метрологического обеспечения. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1984. - 224с.

3. Коммутационный метод измерения характеристик ФАР/Г.Г. Бубнов, С.М. Никулин, Ю.Н. Серяков, С.А. Фурсов. - М.: Радио и связь, 1988. - 120с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.