СПОСОБ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА И СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННЫ Российский патент 1998 года по МПК G01S13/00 

Изобретения относятся к области радиолокации и могут быть использованы в радиолокационных станциях для оптимизации их параметров в процессе обзора пространства и сопровождения объектов.

Наиболее простой вид пространственной обработки сигнала осуществляют путем пространственной селекции колебания антенной, параметры которой характеризуются диаграммой направленности антенны (ДНА), и измерения уровня отселектированного колебания (или сравнения его с порогом) (см. В.М. Максимов и др. Защита от радиопомех. М., "Сов. радио", 1976, с. 273. Справочник по основам радиолокационной техники, под ред. В.В.Дружинина. Военное издательство, 1967, с. 40 - 55).

Известные способы пространственной обработки сигнала различаются способами формирования одной или нескольких ДНА и связанными с ними способами использования информации о параметрах колебания, в частности, об его уровне, полученной в результате пространственной селекции. Как правило, при формировании одного вида ДНА используют сравнение уровня колебания лишь с порогом, если формируют n > 1 видов ДНА, то еще дополнительно сравнивают между собой уровни n отселектированных колебаний (см. Справочник по основам радиолокационной техники... с. 40 - 55).

Известен способ формирования ДНА, оптимальный с точки зрения отношения сигнал/шум, заключающийся в равномерном суммировании энергии колебания, падающей на любой участок раскрыва антенны. Способ основан на использовании закона равномерного амплитудного распределения поля в раскрыве вида f(x) = 1 (Справочник по радиоэлектронным системам, под ред. Б.Х. Кривицкого, т. 2. М. , "Энергия", 1979, с. 85, табл. 7-2).

Графически этот закон представлен на фиг. 1а, а вид ДНА для этого амплитудного распределения поля - на фиг. 2, кривая А, где по оси ординат - уровень ДНА в дб, нормированный относительно уровня ДНА пеленгового направления, по оси абсцисс нормированное значение углового отклонения направления приема от пеленга (d - размер апертуры антенны; λ - длина волны РЛС; θ - угловое отклонение в градусах).

Наибольший уровень бокового лепестка (УБЛ) этой ДНА (при y ≈ 1,75) лишь на 13,2 дб ниже уровня основного. Это означает, что при использовании известного способа пространственной обработки сигнала, основанного на оптимальной пространственной фильтрации и сравнении уровня принятого колебания с порогом, при превышении уровня колебания порогового значения сигнала на 13,2 дб нельзя будет отличить сигнал бокового направления от сигнала пеленга, т. е. произойдет ложное обнаружение двух объектов, смещенных по углу относительно истинного на величину y =± 1,75.

В этом состоит недостаток рассмотренного способа пространственной обработки сигнала.

Известна другая разновидность этого способа пространственной обработки сигнала с использованием ДНА с пониженным УБЛ, основанная на использовании закона амплитудного распределения поля в раскрыве антенны вида f(x) ≠ 1, т. е. отличного от оптимального или равномерного (см. там же, Справочник по радиоэлектронным системам...).

Отличие состоит в том, что суммируют энергию колебания, падающую на участки раскрыва антенны, с различным весом, как правило, уменьшающимся от центра к краю раскрыва. Существует больше число законов изменения веса, описываемых функцией f(x).

Чаще всего используют функцию f(x) с пьедесталом-величиной Δ (там же, Справочник по радиоэлектронным системам...):
F(x) = Δ + (1-Δ)f(x) (1).
На фиг. 1б изображен график закона (1) при а на фиг. 2 приведен вид ДНА для этого закона при Δ₁ = 1, Δ₂ = 0,33, Δ₃ = 0,88, Δ₄ = 0, соответственно кривые A, B, C, D (там же Справочник по радиоэлектронным системам...).

При Δ = 1 из (1) получим F(x)=1, т.е. закон (1) преобразуется в равномерный, независимо от вида f(x).

Значения основных параметров ДНА для Δ₁÷Δ₄ приведены в таблице (там же, Справочник по радиоэлектронным системам...)
Из приведенных графиков и таблицы видна сильная зависимость формы ДНА от закона амплитудного распределения поля в раскрыве антенны, в частности от величины пьедестала Δ. Так, за счет изменения Δ от 1 до 0,08 можно уменьшить УБЛ на 30 дб. Но это достигается ценой расширения главного лепестка в 1,5 раза и ухудшения отношения сигнал/шум на 1,34 дб.

Таким образом, изменяя один параметр Δ в амплитудном распределении вида (1), можно в широких пределах изменять УБЛ при значительно меньших колебаниях уровня главного лепестка ДНА (соответствующему пеленгу, Y=0), смещая в большом угловом диапазоне нуль ДНА, т.е. можно в широких пределах управлять формой ДНА. Это свойство будет использовано ниже в обосновании изобретений.

Недостатки этой разновидности способа пространственной обработки сигнала состоят в следующем.

1. Ложное обнаружение объектов за счет действия боковых лепестков по-прежнему не может быть исключено для больших уровней отраженного сигнала, хотя оно возникает при уровне, превышающем пороговый, более чем на 13,2 дб.

2. Ухудшается отношение сигнал/шум и расширяется главный лепесток ДНА (т. е. условия получения оптимальных значений сигнал/шум, ширины главного лепестка и низкого УБЛ несовместимы).

Наиболее близким техническим решением является способ пространственной обработки сигнала, основанный на сравнении уровней колебаний, принятых антенной с различными формами диаграммы направленности (ДН) (Теоретические основы радиокации под ред. Я.Д. Ширмана. М., "Сов. радио", 1970, с. 296).

Суть этого способа, называемого моноимпульсным, состоит в том, что в антенне формируют несколько ДН с несовпадающими направлениями максимумов, а при приеме сравнивают уровни колебаний. Соотношение этих уровней и несет информацию о направлении приема. Существует несколько способов формирования таких ДН в одной апертуре. Один из способов иллюстрируется фиг. 3 (Справочник по радиолокации, т. 2 под ред. М. Сколника. М., "Сов. радио", 1977, с. 188, рис. 40). Здесь показана схема формирования 3-х лучей за счет различного фазового распределения и суммирования энергии колебания в трех фидерных трактах.

В результате получают три луча одинаковой формы, но сдвинутых по углу.

На практике чаще используют одну из разновидностей моноимпульсного способа - суммарно-разностный способ (см. Теоретические основы радиолокации... с. 301).

При этом способе на одной и той же апертуре образуют два раздельных амплитудных распределения ( см., например, Справочник по радиолокации..., с. 185, рис. 37в, с. 186, 1-й абзац сверху). В результате получают две ДН, у которых максимальное значение одной - суммарной ДН (Σ -ДН) совпадает с нулевым значением другой - разностной ДН (Δ -ДН). Вид этих ДН приведен на фиг. 4. При этом суммарную ДНА формируют так же, как описано выше с использованием функции f(x) ≠ 1, поскольку, как это будет видно ниже, проблема различения сигнала пеленга и сигнала бокового направления остается. А это означает, что недостатки способа формирования Σ -ДНА остаются прежними.

Суммарно-разностный вариант эквивалентен трехлучевому варианту моноимпульсного способа, но реализуется он проще, поскольку требуется два фидерных тракта вместо трех, а это в свою очередь делает необязатальным наличие усилителей на выходе излучателей. Суть суммарно-разностного способа состоит, как и ранее, в сравнении сигнала Σ -ДНА с порогом и в дополнении к этому в сравнении уровней колебаний, принятых Σ -ДН (U_Σ) и Δ -ДН (U_Δ).
При этом наибольшая величина отношения соответствует пеленгу (см. фиг. 4), а с увеличением отклонения направления приема от пеленга эта величина уменьшается. В этом способе для определения направления используют независимость уровня колебания, как ранее, а зависимость отношения от направления приема.

Таким образом, для обнаружения сигнала, как и ранее, используют только Σ -ДНА, а для уточнения пеленга - еще и Δ -ДНА.
Достоинством этого способа является увеличение точности определения направления приема в пределах ширины главного лепестка за счет использования Δ -ДНА, что может компенсировать ее ухудшение за счет расширения луча из-за использования функции f(x) ≠ 1. Но поскольку Δ -ДНА так же, как и Σ -ДНА имеет боковые лепестки, то в боковых направлениях вблизи нулей Δ -ДНА соотношение соответствует пеленговому (см. на фиг. 4 точки 1, 2, 3...), что приведет к неоднозначности определения пеленга, т.е. так же, как и ранее возникнет ложное обнаружение объектов. В этом главный недостаток всех вариантов моноимпульсного способа пространственной обработки сигнала (см. Теоретические основы радиолокации..., с. 299, 1-й абзац сверху). Для снижения его воздействия так же, как и ранее необходимо принимать меры к снижению УБЛ, т. е. по-прежнему использовать функцию f(x) ≠ 1 с вытекающими отсюда недостатками.

Таким образом, прототипу свойственны недостатки, указанные для способа-аналога, хотя, как уже отмечалось, частично устраняется недостаток расширения главного лепестка ДНА при использовании функции f(x) ≠ 1.

Попутно следует отметить недостаток способа выполнения операции формирования ДНА, входящей в способ пространственной обработки сигнала.

Из приведенных выше примеров видно, что формируют n видов ДНА за счет введения в состав РЛС конструкции n каналов фидерного тракта.

Наиболее сложная конструкция получается для коротковолновых РЛС, фидерный тракт которых выполняют из волноводов. Отсюда недостаток известного способа выполнения операции формирования ДНА - выбирать форму ДНА можно либо при конструировании РЛС, т.е. управлять формой ДНА в процессе работы не представляется возможным. Поэтому при конструировании и для аналога и для прототипа (для Σ -ДНА) закладывают закон распределения поля исходя из компромисса между требованиями получения минимально возможных УБЛ, ширины главного лепестка с минимально возможной потерей отношения сигнал/шум.

Решаемой задачей изобретений является устранение отмеченных недостатков, а именно исключение ложного обнаружения объекта за счет приема сигнала с боковых направлений при обеспечении оптимального отношения сигнал/шум и минимальной ширины главного лепестка ДНА, а также обеспечение возможности управлять формой ДНА в процессе работы РЛС.

Эта задача решается на основе использования различной зависимости уровня главного и боковых лепестков, т.е. ее формы от вида амплитудного распределения поля в раскрыве антенны, в частности, от величины пьедестала, если используется закон (1).

Указанный результат достигается тем, что в известном способе пространственной обработки сигнала, основанном на сравнении уровней колебаний, принятых антенной при различных формах диаграммы направленности (ДН), согласно изобретению образуют n > 1 форм ДН с совпадающими положениями максимумов, получают n колебаний и принимают решение об обнаружении сигнала с пеленгового направления, если хотя бы одно из них превысит порог, а различия их уровней будет не выше допустимых пределов, при необходимости по этим различиям определяют величину отклонения направления приема от пеленга путем сравнения с расчетными значениями, соответствующими величине отклонения, а также тем, что n форм ДН образуют путем использования двух функций амплитудного поля в раскрыве вида f(x) ≠ и 1-f(x) и путем получения сумм энергии за счет суммирования с различными весами двух созданных полей или тем, что n сумм получают последовательно путем изменения веса суммирования в процессе приема колебаний с частотой, превышающей ширину спектра сигнала.

Указанный технический результат достигается также тем, что в известном способе формирования ДНА, основанном на применении двух функций распределения поля в раскрыве, согласно изобретению используют функции амплитудного распределения f(x) ≠ и 1-f(x) образуют результирующую ДНА путем весового суммирования энергии двух созданных полей и управляют ее формой путем изменения веса суммирования, а так же тем, что при воздействии внешней помехи уменьшают ее уровень путем изменения веса суммирования.

Объединение двух технических решений в одну заявку, одно из которых предназначено для использования другого (способ и его часть) связано с тем, что эти способы подчинены решению одной общей задачи.

Первый способ может быть реализован совместно со вторым способом, а второй - может быть использован самостоятельно для управления формой ДНА за счет изменения веса суммирования. Это возможно, например, в следующих случаях. Выше отмечалось, что форма ДНА закладывается при конструировании антенны и в дальнейшем не изменяется. При этом она выбирается из условий компромисса с учетом допустимого ухудшения отношения сигнал/шум, расширения главного лепестка и УБЛ.

В то же время существует необходимость изменять форму ДНА в зависимости, например, от стадии развития процесса обнаружения и сопровождения объекта. Так, когда осуществляется обнаружение объекта на максимальной дальности, то важно было бы обеспечить максимальное отношение сигнал/шум, допуская больший УБЛ; после обнаружения объекта по мере его приближения уровень сигнала возрастает и требование к обеспечению наибольшего отношения сигнал/шум ослабевает, но возрастают требования к УБЛ, потому важно было бы уменьшить УБЛ в ущерб отношения сигнал/шум и т.д.

Кроме того, эти же операции могут быть использованы и для уменьшения воздействия источника помех за счет изменения весового коэффициента K и тем самым перемещения положения нуля ДНА в направлении на источник помех.

Для реализации только способа формирования ДНА необходимо использовать операции, изображенные на фиг. 6.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1а, 1б изображен вид функций, определяющих закон распределения поля в раскрыве
На фиг. 2 приведены графики 4-х видов ДНА, формируемых с использованием функции для четырех значений Δ: кривая А для Δ = 1, B-Δ = 0,33, C-Δ = 0,08, Д-Δ = 0.
На фиг. 3 показана возможность формирования 3-х видов ДНА с применением трех функций распределения поля в раскрыве антенны.

На фиг. 4 показан вид двух форм ДНА: Σ -ДНА и Δ -ДНА, формируемых в раскрыве антенны.

На фиг. 5 показана последовательность операций предлагаемого способа пространственной обработки сигнала при одновременном образовании n форм ДНА, а на фиг. 6 - последовательность части операций, отличных от операций на фиг. 5, при последовательном во времени образовании N форм ДНА.

Фиг. 6 кроме того иллюстрирует последовательность операций для способа формирования ДНА, который может быть использован самостоятельно (при замене операции "модулирование" на "управление ДНА").

Поясним последовательность операций с использованием представленных чертежей.

Вначале рассмотрим операции сравнения уровней колебаний и принятия решения на примере использования 4-х форм ДНА, приведенных на фиг. 2 (см. также таблицу).

Если принято колебание с пеленгового направления (y=0), то разброс уровней 4-х образованных колебаний составит 1,76 дб. При этом наибольший уровень сигнал/шум будет получен для ДНА вида А, соответствующего равномерному амплитудному распределению, если отсутствует внешний источник помех. При действии источника помех, например, с направления, соответствующего y= 1,4, наибольший уровень сигнал/шум будет получен в канале с ДНА вида В. Поэтому решение о приеме сигнала принимают, если любое из 4-х колебаний превысит порог, а если при этом различия в уровнях колебаний не превышает 1,76, то принимают решение о том, что сигнал принят с пеленгового направления. Из графиков видно, что каждому направлению приема будет соответствовать свое отношение уровней.

При отклонении от пеленга более чем y=0,5 различия в уровнях колебаний резко возрастают. Таким образом, отношение уровней 4-х колебаний несет информацию о степени отклонения направления приема от пеленга.

Теперь поясним последовательность операций способа образования форм ДН и способа управления формой ДНА, который может быть использован самостоятельно.

В общем виде сформировать n форм ДНА можно так же, как показано на фиг. 2, заменив фазовые сдвиги амплитудного множителя. При этом, например, для n= 4 потребуется четыре амплитудных распределения (вместо 3-х на фиг. 2) и четыре фидерных тракта, что для волноводного их исполнения сильно усложнит конструкцию РЛС.

Можно сформировать n форм существенно проще, чем следует из анализа выражения (1). Для этого в раскрыве антенны формируют лишь два амплитудных распределения вида f(x)≠1 и 1-f(x), а затем образуют результирующее распределение за счет весового суммирования с весом K:
F(x) = f(x) + k[1 - f(x)] (2)
Операция (2) выполняется над сигналами, являющимися суммой сигналов со всей апертуры антенны, поэтому может быть выполнена в приемных трактах на промежуточной частоте, в этом случае величина K реализуется в виде коэффициента усиления. Преобразуя (2), получим:
F(x) = k + (1 - k)f(x) (3)
Таким образом, получают закон (1). Изменяя коэффициент усиления K плавно или ступенчато, можно управлять формой ДНА. При этом реализовать способ пространственной обработки можно либо одновременно, получая n колебаний, либо поочередно. Последовательность операций способа при получении одновременно n форм ДНА поясняется на фиг. 5. С помощью делителей с коэффициентами a_i и (1-a_i)) и I-го и II-го суммирования формируются два амплитудных распределения поля в раскрыве антенны.

Далее осуществляют 1 - n весовое суммирование энергии двух полей с использованием весовых коэффициентов (коэффициентов усиления) K₁ - K_n ,в результате чего формируют n различных ДНА с совпадающими по направлению максимумами. Ряд из этих операций можно выполнить последовательно, если изменять (модулировать) весовой коэффициент во времени с частотой, превышающей ширину спектра сигнала, устанавливая последовательно его значения K₁...K_i...K_n.

При этом после суммирования (см. фиг. 6) будет получено колебание, уровень которого изменяется во времени, причем уровни частей колебания будут соответствовать уровням колебания после 1...i...n суммирования при выполнении операций на фиг. 5. Далее выполняются операции, аналогичные операциям на фиг. 5.

Способ пространственной обработки сигнала основан на сравнении уровней колебаний, принятых антенной при различных формах диаграммы направленности (ДН), при этом образуют n > 1 форм ДН с совпадающими положениями максимумов, получают n колебаний и принимают решение об обнаружении сигнала с пеленгового направления, если хотя бы одно из них превысит порог, а различия их уровней будут не выше допустимых пределов, при необходимости по этим различиям определяют величину отклонения направления приема от пеленга путем сравнения с расчетными значениями, соответствующими величине отклонения. Кроме того, n форм ДН могут быть образованы путем использования двух функций амплитудного распределения поля в раскрыве вида f(x) ≠ 1 и 1 - f(x) и получения сумм энергии за счет суммирования с различными весами двух созданных полей, при этом n сумм могут получать и последовательно, путем изменения веса суммирования в процессе приема колебания с частотой, превышающей ширину спектра сигнала. Способ формирования ДНА основан на применении двух функций распределения поля в раскрыве, при этом используют функции амплитудного распределения f(x) ≠ 1 и 1 - f(x), образуют результирующую ДНА путем суммирования энергии двух созданных полей и управляют ее формой путем изменения веса суммирования, а при воздействии внешней помехи уменьшают ее уровень путем изменения веса суммирования. Технический результат заключается в исключении ложного обнаружения объектов за счет приема сигнала с боковых направлений при обеспечении оптимального соотношения сигнал/шум и минимальной ширины главного лепестка диаграммы направленности антенны (ДНА), а также по обеспечению возможности управлять формой ДНА в процессе работы РЛС. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.

1. Способ пространственной обработки сигнала, основанный на сравнении уровней колебаний, принятых антенной при различных формах диаграммы направленности (ДН), отличающийся тем, что образуют n > 1 форм ДН с совпадающими положениями максимумов, получают n колебаний и принимают решение об обнаружении сигнала с пеленгового направления, если любое из них превысит порог, а различия их уровней окажутся не выше допустимых пределов, при необходимости по этих различиям определяют величину отклонения направления приема от пеленга путем сравнения их с расчетными значениями, соответствующими величине отклонения. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что n форм ДН образуют путем использования двух функций амплитудного распределения поля в раскрыве вида f(x) ≠ 1 и 1 - f(x) и получения n сумм за счет суммирования с различными весами энергии двух созданных полей. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что n сумм получают последовательно путем изменения веса суммирования с частотой, превышающей ширину спектра сигнала. 4. Способ формирования диаграммы направленности антенны (ДНА), основанный на применении двух функций распределения поля в раскрыве, отличающийся тем, что используют функции амплитудного распределения вида f(x) ≠ 1 и 1 - f(x), образуют результирующую ДНА путем весового суммирования энергии двух созданных полей и управляют ее формой путем изменения веса суммирования. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что при воздействии внешней помехи уменьшают ее уровень путем изменения веса суммирования.