АДАПТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКО-КОРРЕЛЯЦИОННАЯ СИСТЕМА ПОДАВЛЕНИЯ БОКОВЫХ ЛЕПЕСТКОВ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННЫ Российский патент 1998 года по МПК H04B1/10 

Изобретение относится к радиолокации, в частности к пеленгации поставщиков активных шумовых помех на фоне помех аналогичной структуры. При этом сигнал источника помехи, находящегося в главном лепестке диаграммы направленности антенны, считается полезным, а сигналы помехопостановщиков, воздействующих по боковым лепесткам диаграммы направленности (ДН), - помеховыми. Если в пространстве имеется один источник помеховых колебаний относительно большой интенсивности, то он будет обнаруживаться пеленгатором и при воздействии по боковым лепесткам, что приводит к невозможности определения его истинного углового положения (пеленга). Задача может быть решена за счет увеличения порогового сигнала обнаружителя. Однако это неизбежно ведет к энергетическим потерям [1].

Известно устройство, позволяющее однозначно определять пеленг на постановщик [2]. Такой пеленгатор содержит две антенны: основную и дополнительную слабонаправленную, перекрывающую уровень боковых лепестков основной антенны примерно на 3дБ (фиг. 1). Энергии сигналов, принятые основной и дополнительной антеннами, сравниваются в вычитающем устройстве, выходной сигнал которого управляет ключом, расположенным в приемном канале основной антенны. Однако при наличии в пространстве второго постановщика помех меньшей интенсивности пеленгатор с такой энергетической системой подавления боковых лепестков (ПБЛ) ДН может его не обнаружить.

Известен также корреляционный автокомпенсатор помех [1], осуществляющий компенсацию помехового сигнала, воздействующего по боковым лепесткам ДН антенны. Однако, если количество помехопостановщиков превышает число каналов автокомпенсатора, его эффективность резко снижается, что, в конечном итоге, приводит либо к "пропуску" более слабого помехопостановщика, либо к появлению ложных пеленгов (обнаружений).

Наиболее близким техническим решением, совпадающим с заявляемым по большинству существенных признаков, является устройство [3], содержащее основную и N дополнительных (компенсационных) антенн, выходы которых соединены с основным и компенсационным входами корреляционного автокомпенсатора соответственно, два квадратичных детектора, вычитающее устройство, пороговое устройство и ключ. Причем вход первого квадратичного детектора соединен с выходом автокомпенсатора, а вход второго квадратичного детектора - с выходами дополнительных антенн, объединенных в сумматоре, при этом выходы детекторов соединены с входами вычитающего устройства, выход которого через пороговое устройство соединен с управляющим входом ключа, вход которого соединен с выходом корреляционного автокомпенсатора, а выход является выходом устройства.

Структурная схема прототипа приведена на фиг. 2. Здесь введены следующие обозначения: 1 - основная антенна, 2 - корреляционный многоканальный автокомпенсатор, 3 - ключ, 4 - дополнительные (компенсационные) антенны, 5 - квадратичные детекторы, 6 - вычитающее устройство, 7 - пороговое устройство, 9 - сумматор.

Устройство работает следующим образом. Сигналы, принимаемые основной антенной, поступают на основной вход многоканального автокомпенсатора, а сигналы, принимаемые дополнительными антеннами, на N компенсационных входов многоканального автокомпенсатора, а также (объединенные в сумматоре) - на вход квадратичного детектора. Диаграммы направленностей дополнительных антенн в направлении главного лепестка ДН основной антенны имеют провал с целью не допустить компенсации полезного сигнала (фиг. 4а). Здесь сплошной линией обозначена ДН основной антенны, штриховой - дополнительных, стрелками указаны угловые положения помехопостановщиков с относительными интенсивностями h (мощность сигнала источника помехи, пронормированная к мощности шумов приемных трактов), уровень первых боковых лепестков составляет 20 дБ.

с выхода основной антенны на вход автокомпенсатора поступает аддитивная смесь полезного и помеховых сигналов:
,
где
G02

и Gбi - коэффициенты усиления основной антенны в направлении сигнала и i-го постановщика помех по основному и боковым лепесткам соответственно;
σ2c и σ2пi - мощности сигнала и i-ой помехи соответственно;
σ2ш - внутренние шумы приемных каналов;
m - число постановщиков помех.

С выхода дополнительных антенн на компенсационные входы многоканального автокомпенсатора (МАК) поступает смесь помеховых колебаний:
,
где
Gпблji

- коэффициент усиления j-ой дополнительной антенны в направлении на i-й постановщик помех.

Сумматор 9 обеспечивает сложение сигналов с выходов дополнительных антенн 4.

Средняя мощность остатков помех после компенсации определяется, исходя из выражения [1]:
P_ср= 1/X*c

(α)R_сп(α) (3) ,
где
X_c(α) - комплексный вектор-столбец амплитудно-фазового распределения сигнала на раскрыве основной антенны;
R_сп - весовой вектор адаптивной обработки [ R_сп= Ф-1спX_c(α) ];
^* - знак сопряжения и транспонирования.

Мощность помех на выходе канала ПБЛ после сумматора 9:
,
где
n -количество компенсационных каналов.

Мощность помех на выходе энергетической системы ПБЛ с учетом работы МАК (P_ср - Z_пбл) сравнивается с порогом и при превышении последнего открывает ключ. При этом вероятность правильного обнаружения для прототипа будет определяться по формуле [1]:
D = 0,5{1 + Ψ[(P_ср- Z_пбл) - ζ2пор

]} (5) ,
где
- Ψ[.] - интеграл вероятности;
ζ2пор - мощность порогового сигнала.

Оценим возможности прототипа по обнаружению сигнала источника излучения для ситуации, когда в главном лепестке находится помехопостановщик с относительной интенсивностью 5, а по первому боковому лепестку воздействует помехопостановщик интенсивностью 400. Коэффициент подавления автокомпенсатора составляет 10 дБ и пороговый уровень установлен 2 дБ. Расчеты, проведенные в соответствии с выражениями (3 - 5) показывают, что обнаружение постановщика, находящегося в главном лепестке, не происходит. Разница между пороговым и управляющим сигналом составляет 4 дБ.

Таким образом, недостатком прототипа являются низкие возможности обнаружения слабых помехопостановщиков на фоне более сильных.

Задачей предлагаемой адаптивной энергетико-корреляционной системы подавления боковых лепестков ДН является повышение пеленгационных возможностей обнаружителя по обнаружению слабых постановщиков АШП на фоне более сильных.

Поставленная задача решается устройством подавления боковых лепестков ДН, содержащим основную и N дополнительных антенн, выходы которых являются входами устройства. При этом выход основной антенны соединен с основным входом корреляционного автокомпенсатора, а выходы N дополнительных антенн соединены с компенсационными входами автокомпенсатора и с N входами сумматора, выход которого соединен с основным входом регулируемого усилителя и через первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП) соединен с первым входом вычислителя, при этом выход автокомпенсатора соединен с входами ключевого элемента, первого квадратичного детектора и через второй АЦП соединен с вторым входом вычислителя, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого усилителя, выход которого, в свою очередь, соединен с входом второго квадратичного детектора, а выходы первого и второго квадратичных детекторов соединены с входами вычитающего устройства, выход которого через пороговое устройство соединен с управляющим входом ключевого элемента, выход которого и является выходом устройства.

Предлагаемое устройство представляет собой последовательное соединение двух известных технических решений: многоканального автокомпенсатора помех и энергетической системы ПБЛ (первый и второй квадратичные детекторы и схема вычитания). Новое же качество устройство приобретает за счет введения в него регулируемого усилителя, коэффициент усиления которого уменьшается на величину коэффициента подавления МАК, измеряемого в вычислителе. Эта идея и отражена в названии устройства "Адаптивная энергетико-корреляционная система подавления боковых лепестков диаграммы направленности антенны".

Анализ научно-технической, патентной и конъюнктурно-экономической информации показал, что предлагаемая система является новой и соответствует критерию "изобретательский уровень". Необходимость включения в заявляемое устройство дополнительных элементов и связей состоит в стремлении обеспечить более высокое качество пеленгации слабых помехопостановщиков на фоне более интенсивных.

Вычислитель, вычисляющий отношение входных сигналов, может быть реализован на микропроцессоре или (в аналоговом виде) может быть построен на двух логарифмических усилителях и вычитающем устройстве. Он осуществляет оценку коэффициента подавления помех корреляционным автокомпенсатором путем вычисления отношения:
,
где - мощность помех на выходе N-канального сумматора.

Выражение (6) может быть получено из соотношения (7) между уровнем помех в дополнительных антеннах и уровнем помех на выходе МАК при включенном автокомпенсаторе с коэффициентом подавления Кп:
.

Учитывая, что (первое выражение) справедливо, т.к. дополнительные антенны имеют провал в направлении главного лепестка, а второе выражение справедливо, т.к. рассматривается случай слабого сигнала на фоне сильных помех, динамический диапазон которых может составлять 100 - 120 дБ, а коэффициент подавления МАК ограничен (20 - 40) дБ. Из (7) несложно получить выражение (6). Выражение (6) позволяет получить приближенное значение коэффициента подавления, однако, другим способом вычислить его практически не представляется возможным, т.к. нельзя попросить противника выключить один из помехопостановщиков.

При уменьшении коэффициента усиления регулируемого усилителя на оценочное значение K_и в энергетическом канале ПБЛ уменьшаются потери в пороге обнаружения, что приводит к повышению вероятности обнаружения слабого постановщика помех на фоне сильного.

Таким образом, рассмотренный признак обеспечивает соответствие технического решения критериям: техническое решение задач и положительный эффект.

Сравнение заявляемого устройства с другими техническими решениями показывает, что аналого-цифровые преобразователи, вычислитель и регулируемый усилитель широко известны. Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемое устройство вышеуказанные блоки проявляют новые свойства, что приводит к улучшению качества пеленгации слабых постановщиков АШП на фоне более сильных. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 3 приведена схема заявляемой адаптивной энергетико-корреляционной системы подавления боковых лепестков ДН, где введены следующие обозначения: 1 - основная антенна, 2 - многоканальный корреляционный автокомпенсатор, 3 - ключ, 4 - дополнительные (компенсационные) антенны, 5 - аналого-цифровые преобразователи, 6 - квадратичные детекторы, 7 вычислитель, 8 - вычитающее устройство, 9 - пороговое устройство, 10 - сумматор, 11 - регулируемый усилитель.

Выходы основной и дополнительных антенн 1 и 4 соединены с основным и компенсационным входами автокомпенсатора 2 соответственно, выход которого соединен с входом ключа 3, первого аналого-цифрового преобразователя 5 и первого квадратичного детектора 6, при этом выходы дополнительных антенн 4 соединены с компенсационными входами автокомпенсатора 2 и входами сумматора 10, выход которого соединен с входом второго аналого-цифрового преобразователя 5 и через регулируемый усилитель 11 с входом второго квадратичного детектора 6, выходы аналого-цифровых преобразователей 5 соединены с входами вычислителя 7, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого усилителя 11, а выходы квадратичных детекторов 6 соединены с входами вычитающего устройства 8, выход которого через пороговое устройство 9 соединен с управляющим входом ключа 3, выход которого и является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом. Сигналы помехопостановщиков, принимаемые основной и дополнительными антеннами, поступают на основной и компенсационные входы МАК. В многоканальном автокомпенсаторе осуществляется корреляционная компенсация помех, действующих по боковым лепесткам ДН основной антенны. При этом уровень боковых лепестков основной антенны понижается на величину коэффициента подавления МАК с данного направления (фиг. 4б), что приводит к нарушению условия о трехдецибельном превышении уровня дополнительной антенны. Если уровень дополнительной антенны с данного направления оставить неизменным, то это приведет к большим потерям в энергии порогового сигнала. Поэтому с помощью регулируемого усилителя с комплексным коэффициентом передачи (K) уровень усиления канала ПБЛ с данного направления уменьшится (фиг. 4в) на величину измеренного коэффициента подавления (К_и). Для определения коэффициента подавления используется вычислитель, который определяет его из соотношения (6).

При большом количестве источников помех наиболее интенсивные из них будут компенсироваться в МАК, а по остальным будет работать энергетическая ПБЛ с адаптивным управлением коэффициентом усиления канала ПБЛ. Мощность помех на выходе управляемого канала ПБЛ в данном случае будет равна:
.

Вероятность правильного обнаружения для предлагаемого устройства можно оценить по формуле:
D = 0,5{1 + Ψ[(P_ср- Z_апбл) - ζ2пор

]} (9) .

Величина ζ_пор определяется по известной формуле [1]:
,
где F - заданное значение вероятности ложных тревог.

Оценим возможности заявляемого устройства по обнаружению сигнала источника излучения для ситуации, когда в главном лепестке находится помехопостановщик относительной интенсивностью 5, а по первому боковому лепестку воздействует помехопостановщик интенсивностью 400. Коэффициент подавления автокомпенсатора составляет 10 дБ и пороговый уровень установлен 2 дБ. Расчеты, проведенные в соответствии с выражениями (3 - 9), показывают, что обнаружение постановщика, находящегося в главном лепестке, происходит с вероятностью D = 0,85. При этом разница между управляющим и пороговым сигналом составляет 6 дБ.

Для проверки расчетных данных было проведено математическое моделирование на ЭВМ для той же помеховой ситуации, только дополнительно по второму и третьему боковым лепесткам действовали 4 постановщика активных шумовых помех относительной интенсивностью 30 дБ каждый, а по остальным боковым лепесткам - суммарной мощностью 50 дБ. Расчет производился для двух и четырехканального автокомпенсатора помех. Номинальный уровень боковых лепестков: первых 20 дБ, вторых 30 дБ, третьих 40 дБ, по остальным 50 дБ. Реальный уровень боковых лепестков выбирался с помощью датчика случайных чисел с учетом 30% разброса относительно номинального значения.

Значения выходного отношения сигнал/шум усреднялись по 100 выборочным значениям вектора входных воздействий, после чего по формулам (5 и 9) рассчитывалась вероятность правильного обнаружения. Заданное значение F = 10^-3. Результаты моделирования показали, что выигрыш в энергии порогового сигнала для двухканального автокомпенсатора помех составляет 4 дБ, а для четырехканального 7,5 дБ, что примерно совпадает с расчетными значениями. Расхождение в 2,5 дБ объясняется более сложной помеховой ситуацией, принятой при моделировании.

Возможно и дальнейшее улучшение характеристик пеленгатора за счет повышения качества адаптации параметров канала энергетической системы ПБЛ.

Источники информации
1. Ширман Я. Д. теоретические основы радиолокации. - М.: Сов. радио, 1970. - 560 с.

2. Марков Л. Н. , Астистов Г.Г., Лысенко В.И. и Фошкин А.С. Антенные системы радиоэлектронной техники. - М.: Воениздат, 1993. - 366 с.

3. Охрименко А.Е. Основы радиолокации и радиоэлектронная борьба. Ч. 2. - М.: Воениздат, 1983. - 234 с.

4. Алмазов В. Б. и Манжос В.Н. Получение и обработка радиолокационной информации. - Харьков: ВИРТА, 1985. - 427 с.

Изобретение позволяет повысить вероятность обнаружения слабых постановщиков активных шумовых помех на фоне более сильных, действующих по боковым лепесткам диаграммы направленности основной антенны пеленгатора. В системе выходы основной и N дополнительных антенн подключены к основному и компенсационному входам автокомпенсатора, к выходу которого подключен ключ. К выходу сумматора, суммирующего выходные сигналы дополнительных антенн, подключен регулируемый усилитель. Коэффициент усиления регулируемого усилителя устанавливается сигналом с выхода вычислителя, определяющего коэффициент подавления автокомпенсатора, сигналы на который поступают с выходов аналого-цифровых преобразователей, подключенных соответственно к выходам сумматора и автокомпенсатора. Сигналы с выхода автокомпенсатора и регулируемого усилителя детектируются и сравниваются по мощности в вычитающем устройстве, а полученное значение разности сравнивается с пороговым уровнем и в случае его превышения открывает ключ, выход которого является выходом системы. 4 ил.

Адаптивная энергетико-корреляционная система подавления боковых лепестков диаграммы направленности антенны, содержащая основную и N дополнительных антенн, выходы которых соединены с основным и компенсационным входами корреляционного автокомпенсатора соответственно, выход которого соединен с входом первого квадратичного детектора и сигнальным входом ключа, второй квадратичный детектор, вход которого соединен с выходом сумматора, объединяющего выходы дополнительных антенн, а выход - с вторым входом вычитающего устройства, первый вход которого соединен с выходом первого квадратичного детектора, а выход - с входом порогового устройства, выход которого соединен с управляющим входом ключа, выход которого является выходом системы, отличающаяся тем, что между выходом сумматора и входом второго квадратичного детектора введен регулируемый усилитель, сигнальный вход которого соединен с выходом сумматора, а выход - с входом второго квадратичного детектора, а к выходам автокомпенсатора и сумматора подключаются входы дополнительно вводимых первого и второго аналого-цифровых преобразователей соответственно, выходы которых соединяются с входами дополнительно вводимого вычислителя, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого усилителя.