СПОСОБ АДАПТИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ Российский патент 2001 года по МПК G01S13/66 G01S7/36 G01S7/40 

Изобретение относится к области радиотехники, конкретно к радиолокационным измерениям, и может использоваться в радиолокации для определения угловых координат объектов наблюдения в условиях воздействия на антенну в виде фазированной антенной решетки (ФАР) дестабилизирующих факторов, приводящих к выходу элементов ФАР из строя и влияющих на форму пеленгационной характеристики.

Известен способ измерения угловых координат, заключающийся в получении информации об угловом положении объекта наблюдения по одному импульсу или по одной пачке импульсов с одного углового направления (Леонов А.И., Фомичев К. И. Моноимпульсная радиолокация. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1984. - 312 с.).

Недостатком данного способа является то, что он не учитывает изменение пеленгационной характеристики в условиях воздействия дестабилизирующих факторов, к которым можно отнести технические отказы и механические повреждения элементов ФАР, а также мешающие излучения.

Известен способ адаптивного измерения угловых координат, заключающийся в настройке каналов ФАР к активным помехам согласно заданному критерию, проведении компенсации воздействия активных помех в отсутствии полезного сигнала, оценивании весовых коэффициентов, максимизирующих отношение правдоподобия в канале обнаружения и коррекции вычисления угловой координаты по откорректированной пеленгационной характеристике (Адаптивные радиотехнические системы с антенными решетками / Журавлев А.К., Хлебников В.А., Родимов А.П. и др. - Л.: Издательство ленинградского университета, 1991, с. 99-100).

Недостатком данного способа является то, что в данном способе не учитывается выход из строя элементов ФАР, который, наряду с уменьшением крутизны пеленгационной характеристики, вызывает сужение диапазона однозначного отсчета измерителя угловых координат и может привести к потере объекта наблюдения при его сопровождении. Способ требует большого времени на оценку весовых коэффициентов, что неприемлемо при обслуживании высокоскоростных объектов наблюдения.

Наиболее близким по сущности и достигаемому результату является способ адаптивного измерения угловых координат, заключающийся в том, что при выходе из строя элементов ФАР проводится юстировка антенны и определяемая при этом скорректированная пеленгационная характеристика измерителя в виде таблицы хранится в запоминающем устройстве (Адаптивные радиотехнические системы с антенными решетками / Журавлев А.К., Хлебников В.А., Родимов А.П. и др. - Л. : Издательство ленинградского университета, 1991, с. 89).

Недостатком известного способа является то, что юстировка антенны является самостоятельным режимом и требует выведения станции из штатного режима функционирования для ее проведения. Низкая оперативность делает этот способ неадекватно реагирующим на воздействия дестабилизирующих факторов.

Целью предлагаемого изобретения является расширение области применения.

Поставленная цель достигается тем, что определяемая при юстировке антенны скорректированная пеленгационная характеристика измерителя в виде таблицы хранится в запоминающем устройстве, кроме того, с учетом данных системы встроенного контроля о техническом состоянии элементов ФАР рассчитывается пеленгационная характеристика для каждого углового положения луча антенны, заносится в запоминающее устройство в виде таблицы, обновляемой при изменении технического состояния элементов ФАР, и используется при очередном зондировании данного углового направления, если техническое состояние элементов ФАР не изменилось.

Для каждого углового положения луча антенны по пеленгационной характеристике измерителя определяется диапазон однозначного отсчета угловых координат, который хранится в запоминающем устройстве и учитывается при определении направления очередного зондирования.

Таким образом, предлагаемый способ характеризуется следующими отличительными признаками по сравнению с прототипом: с учетом данных системы встроенного контроля рассчитывается пеленгационная характеристика для каждого углового положения луча антенны, заносится в запоминающее устройство в виде таблицы, обновляемой при изменении технического состояния элементов ФАР, и используется при очередном зондировании данного углового направления, если техническое состояние элементов фазированной антенной решетки не изменилось, а также для каждого углового положения луча антенны по пеленгационной характеристике измерителя определяется диапазон однозначного отсчета угловых координат, который хранится в запоминающем устройстве и учитывается при определении направления очередного зондирования.

Выполнение указанных операций позволяет осуществить измерение угловых координат высокоскоростных объектов наблюдения и расширить тем самым область применения способа-прототипа.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 - пеленгационная характеристика измерителя угловых координат.

Вышедшие из строя элементы антенной решетки распределены по ее полотну случайным образом. В результате этого нарушается амплитудно-фазовое распределение токов возбуждения излучающих элементов ФАР, появляются искажения диаграммы направленности и пеленгационной характеристики, влекущие за собой погрешности измерения угловых координат объекта наблюдения.

Измерение угловых координат объекта наблюдения по предлагаемому способу осуществляется следующим образом.

На основе данных от системы встроенного контроля о техническом состоянии элементов ФАР в заданном направлении θ формируются две перекрещивающиеся диаграммы направленности антенны F₁(θ) и F₂(θ), разнесенные на углы ±θ₀ от равносигнального направления. По суммарной и разностной диаграммам направленности (F_с и F_р) строится пеленгационная характеристика U(θ) :
U(θ) = F_p(θ)/F_c(θ), (1)
где F_с и F_р определяются как F_c= F₁(θ)+F₂(θ) и F_p= F₁(θ)+F₂(θ). Пеленгационная характеристика заносится в запоминающее устройство. По пеленгационной характеристике определяется отклонение объекта наблюдения от равносигнального направления α. С выхода измерителя угловых координат снимается угловая координата объекта наблюдения θ_он определяемая как
θ_он = θ+α. (2)
Одновременно определяется диапазон однозначного отсчета измерителя угловых координат D(k_н) = |α(U_min)-α(U_max)| где k_н - количество неисправных элементов ФАР, и заносится в запоминающее устройство. При изменении технического состояния элементов ФАР по данным от системы встроенного контроля строится новая пеленгационная характеристика, которая заменяет в запоминающем устройстве старую пеленгационную характеристику.

Построение пеленгационной характеристики осуществляется в следующей последовательности.

Рассчитывается диаграмма направленности антенны на основе известного выражения:

где M, N - количество строк и столбцов ФАР соответственно;
m, n - номер строки и столбца антенной решетки соответственно (m = 1,М; n = 1,N);
A (m, n) - амплитуда тока возбуждения mn-го излучателя антенной решетки;
Ф (m, n) - фаза тока возбуждения mn-го излучателя антенной решетки (для выбранного направления излучения);
θ_x,y-θ_x и θ_y - угловые координаты равносигнального направления (определяемые относительно нормали к плоскости антенной решетки, установленной из ее геометрического центра);
Q_xi,yi, - Q_xi и Q_yi - угловые координаты точки диаграммы направленности, в которой рассчитывается нормированное значение уровня сигнала, излучаемого антенной решеткой.

Значения Q_xi и Q_yi рассчитываются как

где Δθ_п - интервал значений угловых координат, в пределах которого строится диаграмма направленности (Δθ_п= θ₁-θ₂) ;
Δθ - дискрет квантования диаграммы направленности. Дискрет квантования диаграммы направленности Δθ определяется по известному выражению:

где δB - допустимый относительный перепад амплитуды сигнала за счет квантования диаграммы направленности;
F'_max - максимальная крутизна диаграммы направленности в области ее значений, в которых существенно выполнение заданного требования на величину δB;
F - значение диаграммы направленности в точке, в которой крутизна ее равна F'_max.

Подставляемое в выражение (3) при расчетах F_1,2(θ_x,y±θ₀,Q_x,y) значение амплитуды тока возбуждения mn-го излучателя A (m, n) определяется законом распределения амплитуд, принятым в используемой ФАР. Для этой цели может быть использован один из известных способов дифференциального СВЧ-контроля характеристик ФАР (пат. 332323 (ФРГ), МКИ H 01 Q 3/38), описанных в статье Ю. А. Шишова, А. М. Голика и др. "Адаптация управления ФАР по результатам встроенного контроля" (Зарубеж. радиоэлектроника, 1990, N 9, с. 69-75).

Значение фазы тока возбуждения mn-го излучателя ФАР Ф (m,n), подставляемое в выражение (3), представляет собой следующую сумму:
Ф (m,n) = Ф_упр(m,n) + Ф_нач(m,n) + Ф_p ^(S)(m,n) + Ф_погр ^(S)(m,n), (6)
где Ф_упр(m,n) - фазовое состояние исправного фазовращателя ФАР, в которое он устанавливается в соответствии с заданным направлением излучения θ_x,y±θ₀;
Ф_упр(m,n) = ΔΦ Ent{[Ф_тр(m,n) - Ф_нач(m,n)]/ ΔΦ + 0,5}, (7)
где Ф_нач(m,n) - начальное фазовое распределение, которое может быть нелинейной или случайной функцией координат излучателей;
ΔΦ - дискрет управления фазой;
Ent {а} - определение целой части числа а;
Ф_тр(m, n) - требуемая фаза тока возбуждения m,n - излучателя ФАР для заданного положения луча, определяемая в соответствии с выражением:
Ф_тр(m,n) = k(nd_xcosθ_x+md_ycosθ_y), (8)
где d_x и d_y - расстояния между излучателями ФАР по оси X и Y соответственно;
k = 2π/λ - волновое число;
λ - рабочая длина волны радиолокационной станции;
{.} = S(m,n) - номер дискретного состояния mn-го фазовращателя
(Sij = 0, 1, 2, ... ... 2^P-1).

Ф_р ^(S)(m,n) и Ф_погр ^(S)(m,n) - разброс характеристик mn-го фазовращателя и погрешность установки его состояния, обусловленная отказами переключающих элементов, определяемые путем контроля характеристик ФАР.

По полученным значениям F₁(θ) и F₂(θ) (3) строится пеленгационная характеристика (1), которая представляет собой таблицу зависимости выходного параметра измерителя угловых координат (U) от углового отклонения объекта наблюдения α относительно равносигнального направления θ₀:
U(θ₀+α) = U_p(θ₀+α)/U_c(θ₀+α), (9)
где U_p(θ₀+α) и U_c(θ₀+α) - сигналы на выходах разностного и суммарного каналов приемной системы соответственно.

При выходе из строя k_н элементов ФАР вследствие нарушения амплитудно-фазового распределения на ее раскрыве происходит искажение диаграммы направленности и, как следствие, искажение пеленгационной характеристики. Одному и тому же значению измерения углового отклонения на выходе измерителя угловых координат, до и после выхода из строя элементов ФАР, будут соответствовать разные значения параметра U. При этом значению U при выходе из строя k_н элементов антенной решетки будет соответствовать не значение α , а другое - α_k .

В запоминающем устройстве пеленгационная характеристика в виде таблицы обновляется при каждом изменении технического состояния элементов ФАР.

При большом количестве вышедших из строя элементов ФАР сужение диапазона однозначного отсчета измерителя угловых координат может привести к потере объекта наблюдения, поэтому в вычислительном устройстве одновременно с вычислением пеленгационной характеристики рассчитывается значение диапазона однозначного отсчета измерителя угловых координат D(k_н).

Данные о сужении диапазона однозначного отсчета измерителя угловых координат учитываются при очередном обращении к объекту наблюдения при его сопровождении.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит в своем составе блок встроенного контроля (фиг. 1), на вход которого подаются сигналы от каналов управления ФАР, а выход связан с входом цифрового вычислительного устройства, на другой вход цифрового вычислительного устройства подаются сигналы и U_c(θ₀+α) , которые одновременно подаются на вход вычислителя угловых координат.

Выход цифрового вычислительного устройства связан с входом запоминающего устройства. Один выход запоминающего устройства связан с входом вычислителя угловых координат, а второй - с входом центральной вычислительной машины. С выхода вычислителя угловых координат снимается информация об угловом положении объекта наблюдения.

В штатном режиме работы радиолокационной станции в блок встроенного контроля поступают сигналы от каналов управления ФАР. В блоке встроенного контроля производится идентификация технического состояния отдельных элементов ФАР. Блок может быть реализован на основе одного из известных устройств (пат. 4926186 (США), МКИ G 01 R 29/08; а.с. 1781641 A1 (СССР) МКИ G 01 R 29/10), позволяющих за требуемое время оценить техническое состояние элементов ФАР. Информация о состоянии элементов ФАР от блока встроенного контроля поступает в цифровое вычислительное устройство, которое, на основании полученной информации и данных о U_p(θ₀+α) и U_c(θ₀+α) , поступающих из приемной системы, производит расчет пеленгационной характеристики и диапазона однозначного отсчета измерителя угловых координат. Новые параметры пеленгационной характеристики одновременно с данными о диапазоне однозначного измерения D(k_н) (фиг. 2) измерителя угловых координат передаются в центральную вычислительную машину для дальнейшей обработки.

Применение предложенного способа позволит значительно расширить область применения способа-прототипа, так как построение пеленгационной характеристики, учитывающей снижение технического состояния элементов ФАР, без вывода радиолокационной станции из штатного режима, дает возможность использовать его при определении угловых координат высокоскоростных объектов наблюдения.

Для оценки реализуемости предлагаемого способа определим требуемое быстродействие цифрового вычислительного устройства, реализующего расчет пеленгационной характеристики в соответствии с алгоритмом, описываемым (9).

Требуемое число операций для расчета диаграммы направленности с учетом величины Δθ можно определить как

где θ_0.5α,ε - ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности по азимуту и углу места соответственно.

Требуемое быстродействие вычислительного устройства, реализующего алгоритм расчета пеленгационной характеристики, составит
B= 5Q/T, (11)
где T - минимальное время пребывания луча в заданном направлении.

Коэффициент 5 в числителе (11) определяет требуемое количество расчетов, проводимых на основании (10) в соответствии с (9):
расчет двух диаграмм направленности, разнесенных на углы ±θ₀ от равносигнального направления;
расчет суммарной и разностной диаграмм направленности;
расчет пеленгационной характеристики.

Для ФАР, состоящей из 100 строк (М=100) и 50 столбцов (N=50), с шириной луча θ_0.5α= θ_0.5ε= 2^° и точности построения диаграммы направленности Δθ = 0.01^o при T=10^-3 с, требуемое быстродействие вычислительного устройства составит B=4•10¹⁰ операций в секунду.

Предлагаемый способ позволит осуществлять измерение угловых координат высокоскоростных объектов наблюдения в условиях воздействия дестабилизирующих факторов.

Изобретение относится к радиолокационным измерения и может быть использовано в радиолокации для определения угловых координат объектов наблюдения в условиях воздействия на антенну - фразированную антенную решетку - дестабилизирующих факторов. Достигаемым техническим результатом при использовании изобретения является расширение области применения за счет того, что определяемая при юстировке антенны скорректированная пеленгационная характеристика измерителя угловых координат в виде таблицы хранится в запоминающем устройстве, с учетом данных системы встроенного контроля о техническом состоянии элементов ФАР, рассчитывается пеленгационная характеристика для каждого углового положения луча антенны, заносится в запоминающее устройство в виде таблицы, обновляемой при изменении технического состояния элементов ФАР, используется при очередном зондировании данного углового направления, если техническое состояние элементов ФАР не изменилось, для каждого углового положения луча антенны по пеленгационной характеристике определяется диапазон однозначного отсчета угловых координат, который хранится в запоминающем устройстве и учитывается при определении очередного зондирования. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ адаптивного измерения угловых координат объекта наблюдения при зондировании данного углового направления, при котором угловые координаты объекта наблюдении определят по пеленгационной характеристике измерителя угловых координат, хранящейся в запоминающем устройстве в виде таблицы, отличающийся тем, что с учетом данных от системы встроенного контроля о техническом состоянии элементов фазированной антенной решетки (ФАР) измерителя угловых координат, пеленгационную характеристику измерителя угловых координат рассчитывают для каждого углового положения луча ФАР, заносят в запоминающее устройство в виде таблицы, обновляемой при изменении технического состояния элементов ФАР, и используют при очередном зондировании данного углового направления, если техническое состояние элементов ФАР не изменилось. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для каждого углового положения луча ФАР по пеленгационной характеристике измерителя угловых координат определяют диапазон однозначного отсчета угловых координат, который хранят в запоминающем устройстве и учитывают при определении направления очередного зондирования.