CC BY
141Шацкий 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.
