СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПРИЕМНЫХ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ МОНОИМПУЛЬСНОЙ АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ И МОНОИМПУЛЬСНАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2008 года по МПК H01Q25/02 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к радиолокационным системам с моноимпульсным методом определения координат цели, и может быть использовано в антенных системах с фазированными антенными решетками (ФАР).

Все моноимпульсные антенные системы основаны на том, что создаются две или больше парциальные диаграммы направленности, при попарном вычитании которых образуются разностные диаграммы направленности. Ориентация нулевого направления разностной диаграммы на цель позволяет по одному импульсу, принятому от цели, определить точное направление на цель. Наиболее часто в моноимпульсной антенной системе формируют четыре игольчатые парциальные диаграммы направленности, направления максимумов которых либо отклонены попарно в азимутальной и угломестной плоскостях на одинаковые углы, равные ширине диаграммы направленности на уровне половинной мощности - в случае амплитудного метода формирования разностных диаграмм, либо максимумы парциальных диаграмм направленности направлены в одну точку пространства, а фазовые центры парциальных диаграмм разнесены по плоскости апертуры антенной системы приблизительно на половину максимального размера апертуры - в случае фазового метода формирования разностных диаграмм. И в том, и в другом случае максимумы разностных диаграмм формируют на угловом расстоянии, равном ширине суммарной диаграммы направленности антенной системы на уровне половинной мощности, которая является суммой всех парциальных диаграмм.

Угловое отклонение цели от направления нуля разностной диаграммы направленности пропорционально отношению амплитуды сигнала, принятого разностной диаграммой направленности, к амплитуде сигнала, принятого суммарной диаграммой направленности.

Известный способ формирования приемных диаграмм направленности моноимпульсной антенной системы [см. Сканирующие антенные системы / Перевод с английского под ред. Г.Т.Маркова и А.Ф.Чаплина, т.I, М.: Советское радио, - 1966 г., стр.211-220] состоит в том, что апертура ФАР разделяется на четыре идентичные отдельные апертуры, фазовые центры которых располагаются в вершинах четырехугольника, стороны которого равны приблизительно половине максимального размера апертуры и параллельны соответственно азимутальной и угломестной плоскостям. Все четыре апертуры формируют в пространстве идентичные парциальные диаграммы направленности, фазовые центры которых располагаются в фазовых центрах каждой из отдельных четырех апертур.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ формирования приемных диаграмм направленности моноимпульсной антенной системы [см. Сканирующие антенные системы / Перевод с английского под ред. Г.Т.Маркова и А.Ф.Чаплина, т.I, М.: Советское радио, - 1966 г., стр.221-229, рис.38], заключающийся в формировании на выходах отдельных апертур ФАР парциальных диаграмм направленности, из которых формируют разностные диаграммы направленности. В известном способе используют только три из четырех парциальных диаграмм направленности, так как четвертая диаграмма является избыточной. Например, первая и вторая парциальные диаграммы направленности формируют после вычитания равносигнальное направление в азимутальной плоскости, а вторая и третья парциальные диаграммы направленности формируют после вычитания равносигнальное направление в угломестной плоскости. Четвертая парциальная диаграмма после вычитания из третьей парциальной диаграммы формирует равносигнальное направление в азимутальной плоскости. Четвертая парциальная диаграмма после вычитания из первой парциальной диаграммы формирует равносигнальное направление в угломестной плоскости. Таким образом, эти третья и четвертая разностные диаграммы направленности дублируют разностные диаграммы направленности, сформированные из первой и второй парциальных диаграмм направленности, а также второй и третьей парциальных диаграмм направленности.

Одним из основных параметров моноимпульсной антенной системы является статическая погрешность определения направления на цель. Статическая погрешность направления на цель определяется как отклонение равносигнального направления разностной диаграммы направленности от строительной оси пеленгатора, когда равносигнальное направление совмещается с направлением строительной оси пеленгатора в процессе юстировки антенной системы.

Недостатком известного способа формирования приемных диаграмм направленности моноимпульсной антенной системы является то, что парциальные диаграммы направленности образуют равносигнальные направления в двух взаимно ортогональных плоскостях (азимутальной и угломестной) независимо друг от друга, при этом статические погрешности пеленгования в двух взаимно ортогональных плоскостях оказываются независимыми друг от друга. В этом случае статические погрешности в процессе пеленгования не могут быть уменьшены, например, многократными измерениями пеленга.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка способа формирования приемных диаграмм направленности моноимпульсной антенной системы, обеспечивающего уменьшение статической погрешности определения пеленгов в двух взаимно ортогональных плоскостях пеленгования: азимута α и угла места β относительно строительной оси пеленгатора.

Технический результат достигается за счет изменения геометрии антенной системы и пространственного расположения фазовых центров идентичных отдельных апертур раскрыва ФАР, формирующих парциальные диаграммы направленности, и соответствующей обработкой сигналов.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе формирования приемных диаграмм направленности моноимпульсной антенной системы, заключающемся в формировании на выходах диаграммообразующих схем отдельных апертур ФАР парциальных диаграмм направленности, из которых формируют разностные диаграммы направленности, в отличие от прототипа, формируют парциальные диаграммы направленности за счет размещения фазовых центров отдельных апертур ФАР в вершинах равностороннего треугольника так, что из трех парциальных диаграмм направленности формируют три разностные диаграммы направленности путем попарного вычитания трех парциальных диаграмм направленности друг из друга. При этом первую разностную диаграмму направленности формируют в азимутальной плоскости, равносигнальная плоскость этой разностной диаграммы направленности совпадает с угломестной плоскостью, а вторая и третья разностные диаграммы направленности развернуты вокруг центра апертуры ФАР относительно первой разностной диаграммы направленности на углы в шестьдесят градусов. При этом равносигнальные плоскости трех разностных диаграмм направленности при взаимном пересечении образуют три орта направления на цель: первый - с азимутом α₁, и углом места β₁, второй - с азимутом α₂ и углом места β₂, третий - с азимутом α₃ и углом места β₃, при этом направление на цель азимут α₀ и угол места β₀ вычисляют по формулам:

и β₀=β₃.

Суммарная диаграмма направленности формируется путем сложения трех парциальных диаграмм направленности.

Достигаемый технический результат от использования предлагаемого технического решения заключается в том, что обеспечивается определение трех независимых неортогональных пеленгов цели, которые позволяют путем их соответствующей обработки уменьшить статическую погрешность определения пеленгов в двух взаимно ортогональных плоскостях пеленгования.

В предлагаемой моноимпульсной антенной системе, содержащей, так же, как и в прототипе, отдельные апертуры ФАР и компаратор, в отличие от прототипа, фазовые центры отдельных апертур ФАР помещены в вершинах равностороннего треугольника, а выходы диаграммообразующих схем отдельных апертур ФАР подключены к входам трех кольцевых делителей компаратора. При этом первые выходы первого и второго кольцевых делителей подключены к соответствующим входам первого кольцевого моста, второй выход второго кольцевого делителя и первый выход третьего кольцевого делителя подключены к соответствующим входам второго кольцевого моста, вторые выходы первого и третьего кольцевых делителей подключены к соответствующим входам третьего кольцевого моста, суммарные выходы кольцевых мостов подключены к соответствующим входам лучевого сумматора.

В предлагаемом техническом решении по сравнению с прототипом достигается изменение пространственного расположения парциальных диаграмм направленности за счет изменения геометрии антенной системы.

В предлагаемом способе, как и в прототипе, формируют три парциальные диаграммы направленности. В отличие от прототипа в предлагаемом техническом решении пространственное расположение в пространстве парциальных диаграмм направленности изменяется.

Изменение осуществляется тем, что апертура ФАР разделяется на три отдельные идентичные апертуры, фазовые центры которых располагаются в вершинах равностороннего треугольника, стороны которого равны приблизительно половине максимального размера апертуры, причем одна из сторон параллельна азимутальной плоскости.

Далее парциальные диаграммы направленности попарно вычитаются, так что нулевые направления разностных диаграмм направленности формируют три пересекающиеся равносигнальные плоскости, одна из которых совпадает с угломестной плоскостью, а две другие образуют с угломестной плоскостью двугранный угол, равный шестидесяти градусам, и повернуты симметрично относительно угломестной плоскости.

Три равносигнальные плоскости при пересечении образуют в общем случае три равносигнальных направления, орты которых , , образуют ребра правильной треугольной пирамиды. Орт, показывающий направление на цель , является усреднением трех указанных ортов и образует одинаковые углы с каждым из трех ортов. Таким образом, направление на цель определяется усреднением угловых координат трех направлений. В случае, когда одна из равносигнальных плоскостей совпадает с угломестной плоскостью, то азимут и угол места цели определяются по формулам:

и β₀≅β₃.

где α₁ - азимут первой равносигнальной плоскости, совпадающей с угломестной плоскостью; α₃ и β₃ - азимут и угол места орта , образующегося пересечением второй и третьей равносигнальных плоскостей.

Сущность изобретения поясняется чертежами и таблицей.

На фиг.1 представлена структурная схема ФАР, где

1, 2, 3 - фазовые центры отдельных идентичных апертур раскрыва ФАР,

d - расстояние между каждой парой фазовых центров 1 и 2; 2 и 3; 1 и 3,

вых.1, вых.2, вых.3 - выходы диаграммообразующих схем соответствующих отдельных апертур ФАР,

А, В, С - линии пересечения соответственно I, II и III равносигнальных плоскостей с плоскостью апертуры ФАР.

На фиг.2 - показан график формирования разностной диаграммы направленности F_Δ(1-2)(α) при фазовом методе формирования, где

О - направление строительной оси пеленгатора,

α₁ - азимут равносигнальной плоскости I, совпадающей с угломестной плоскостью,

δ₁ - угол отклонения равносигнальной плоскости I от строительной оси пеленгатора.

На фиг.3 показаны A₁, B₁ и С₁ - линии пересечения сферы единичного радиуса соответственно с равносигнальными плоскостями I, II и III, где

α, β - координаты азимута и угла места соответственно,

δ₁, δ₂, δ₃ - углы отклонения равносигнальных плоскостей I, II и III от строительной оси пеленгатора О,

О - направление строительной оси пеленгатора,

M₁, M₂, M₃ - точки пересечения ортов направления на цель , - c поверхностью сферы единичного радиуса,

α₁, β₁; α₂, β₂; α₃, β₃ - соответственно азимуты и углы места трех направлений на цель,

М₀ - точка пересечения орта расчетного направления на цель с^{поверхностью сферы единичного радиуса,}

α₀, β₀ - расчетный азимут и угол места цели.

На фиг.4 показана структурная схема компаратора формирования суммарной и трех разностных диаграмм направленности, где

вх.1, вх.2, вх.3 - входы первого 4, второго 5 и третьего 6 кольцевых делителей соответственно,

7, 8, 9 - первый, второй и третий кольцевые мосты,

10 - лучевой сумматор,

Δ(1-2), Δ(2-3), Δ(1-3) - первый, второй и третий выходы, на которых формируются соответственно первая, вторая и третья разностные диаграммы направленности по входам 1 и 2, 2 и 3, 1 и 3,

∑ - выход, на котором формируется суммарная диаграмма направленности.

В таблице приведены основные соотношения для вычисления сферических координат ϕ - широты и θ - долготы, а также α - азимута и β - угла места для трех ортов , , - ϕ₁, θ₁, α₁, β₁; ϕ₂, θ₂, α₂, β₂; ϕ₃, θ₃, α₃, β₃ соответственно.

В случае фазового метода формирования разностных диаграмм направленности, как это происходит в ФАР (Фиг.1), апертура ФАР разделяется на три идентичные отдельные апертуры, каждая из которых будучи повернутой вокруг центра апертуры ФАР на угол ±120 градусов геометрически точно совпадает с той отдельной апертурой, на которую накладывается. Фазовые центры этих трех идентичных отдельных апертур ФАР 1, 2 и 3 помещаются в вершины равностороннего треугольника, при этом расстояние между фазовыми центрами попарно равно d, приблизительно равное половине диаметра полотна ФАР. Расстояние d выбирается так, чтобы угловое расстояние между двумя максимумами разностной диаграммы направленности равнялось ширине суммарной диаграммы по уровню половинной мощности. Геометрическая форма отдельных апертур может меняться в зависимости от требований к уровню боковых лепестков диаграммы направленности. При таком разделении апертуры ФАР на три идентичные отдельные апертуры амплитудные парциальные диаграммы направленности ФАР также идентичны, а принимаемые сигналы имеют одинаковые амплитуды, в то время как фазы сигналов из-за разнесения фазовых центров отдельных апертур ФАР на расстояние d различаются тем больше, чем больше угол отклонения направления прихода сигналов от направления, в котором фазы сигналов, принимаемых отдельными апертурами ФАР, выравниваются. Это направление принято называть равносигнальным.

Так, в случае формирования разностной диаграммы из парциальных диаграмм направленности F₁(α) и F₂(α) (фиг.2) разностная диаграмма направленности F_Δ(1-2)(α) в азимутальной плоскости определяется формулой

F_Δ(1-2)(α)=sin(χ-χ₁)F_1,2(α)

где - обобщенная угловая координата;

- обобщенная угловая координата равносигнального направления первой разностной диаграммы направленности,

λ - длина волны электромагнитного колебания.

Нулевые направления разностной диаграммы формируют равносигнальную плоскость I (линия пересечения А с поверхностью апертуры ФАР на фиг.1).

Аналогично формируют разностные диаграммы направленности F_Δ(2-3)(δ₂) с равносигнальной плоскостью II (линия пересечения В с поверхностью апертуры ФАР на фиг.1) и F_Δ(1-3)(δ₃) с равносигнальной плоскостью III (линия пересечения С с поверхностью апертуры ФАР на фиг.1).

Равносигнальные плоскости располагают в пространстве так, что плоскость I совпадает с угломестной плоскостью, а плоскости II и III повернуты относительно этой плоскости I на углы 60 градусов симметрично вокруг направления максимума суммарной диаграммы направленности в пространстве азимутальных углов α и углов места β, как показано на фиг.3 (линии пересечения A₁, В₁, С₁ соответственно плоскостей I, II и III со сферой единичного радиуса).

Определение направления на цель по одному импульсу производится следующим образом.

Суммарная диаграмма наводится на цель по азимуту α_∑ и углу места β_∑ по максимуму сигнала. По значениям азимута α_∑ и угла места β_∑ максимума суммарной диаграммы направленности определяем начальные угловые положения равносигнальных плоскостей I, II и III соответственно δ₁₀, δ₂₀, δ₃₀ по формулам:

δ₁₀=α_∑;

При этом в разностных диаграммах направленности формируются сигналы ошибки F_Δ(1-2), F_Δ(2-3), F_Δ(1-3). Зная крутизну каждой разностной диаграммы направленности S_1-2; S_2-3; S_1-3, определяем окончательные направления равносигнальных плоскостей I, II и III по формулам:

Три равносигнальные плоскости I, II и III при попарном пересечении, в отличие от прототипа, образуют в общем случае три несовпадающие направления на цель вследствие статической погрешности юстировки равносигнального направления. Эти направления задают единичными ортами

где ϕ₁, θ₁; ϕ₂, θ₂; ϕ₃, θ₃ - сферические угловые координаты цели;

α₁, β₁; α₂, β₂; α₃, β₃ - азимут и угол места соответствующего направления на цель.

Эти орты пересекают единичную сферу в точках M₁, М₂, М₃ (фиг.3).

Если δ₁, δ₂, δ₃ соответственно - углы отклонения равносигнальных плоскостей I, II и III относительно строительной оси О пеленгатора, то угловые координаты трех направлений на цель могут быть сведены в таблицу.

Истинное направление на цель определяется как среднее арифметическое трех значений углов места и азимута. Как нетрудно видеть, при малом отличии углов α₁, α₃ и β₁, β₂, β₃ координаты цели, которая на единичной сфере изображается точкой М₀ (фиг.3), равны

β₀≅β₃.

Очевидно, что максимальная разница между угловыми координатами трех направлений образованных пересечением плоскостей I и II, I и III, a также II и III не превосходит статической погрешности юстировки равносигнального направления Δ. Другими словами стороны треугольника М₁М₂М₃ на единичной сфере имеют стороны

М₁М₂=М₂М₃=М₁М₃≤Δ

Поскольку точка М₀ является точкой пересечения медиан, то она находится в геометрическом центре треугольника М₁М₂М₃, а следовательно, ее расстояние по любой угловой координате от точек М₁, М₂, М₃ не превосходит половины стороны треугольника. Следовательно, при статической погрешности юстировки равносигнального направления равной Δ статическая погрешность измеренного положения цели не превосходит , т.е. уменьшается в два раза по сравнению с прототипом.

Для формирования разностных и суммарных диаграмм направленности необходимо, как и в прототипе, прохождение сигналов парциальных диаграмм направленности через компаратор, схема которого представлена на фиг.4. В отличие от прототипа, где формируются только две ортогональные разностные диаграммы направленности, в предлагаемом способе необходимо сформировать три разностные диаграммы направленности, равносигнальные плоскости которых I, II и III развернуты друг относительно друга на 60 градусов вокруг центра раскрыва антенной системы.

Формирование диаграмм направленности происходит следующим образом. Сигналы трех парциальных диаграмм направленности F₁(θ,ϕ), F₂(θ,ϕ), F₃(θ,ϕ) с выходов диаграммообразующих схем трех отдельных апертур 1, 2, 3 ФАР (фиг.1) поступают на три входа компаратора вх.1, вх.2, вх.3. К трем входам компаратора вх.1, вх.2, вх.3 подключены кольцевые делители мощности 4, 5, 6 на два канала, в которых сигналы, пропорциональные парциальным диаграммам направленности, делятся поровну на два канала каждый.

Сигналы первой парциальной диаграммы F₁(θ,ϕ) с первого выхода кольцевого делителя 4 и второй парциальной диаграммы направленности F₂(θ,ϕ) с первого выхода кольцевого делителя 5 поступают на противоположные входы кольцевого моста 7. На разностном выходе Δ_(1-2) кольцевого моста 7 формируется разностная диаграмма F_Δ(1-2)(θ,ϕ).

Сигналы второй парциальной диаграммы F₂(θ,ϕ) co второго выхода кольцевого делителя 5 и третьей парциальной диаграммы направленности F₃(θ,ϕ) с первого выхода кольцевого делителя 6 поступают на противоположные входы кольцевого моста 8. На разностном выходе Δ_(2-3) кольцевого моста 8 формируется разностная диаграмма направленности F_Δ(2-3)(θ,ϕ).

Сигналы первой парциальной диаграммы направленности F₁(θ,ϕ) со второго выхода кольцевого делителя 4 и третьей парциальной диаграммы направленности F₃(θ,ϕ) со второго выхода кольцевого делителя 6 поступают на противоположные входы кольцевого моста 9. На разностном выходе Δ_(1-3) кольцевого моста 9 формируется разностная диаграмма направленности F_Δ(1-3)(θ,ϕ).

На суммарных выходах кольцевых мостов 7, 8, 9 соответственно формируются сигналы частных суммарных диаграмм направленности F_∑(1+2)(θ,ϕ), F_∑(2+3)(θ,ϕ), F_∑(1+3)(θ,ϕ) которые поступают на три входа лучевого сумматора 10 на три канала. На выходе лучевого сумматора 10 на три канала формируется сигнал суммарной диаграммы направленности F_∑(θ,ϕ)=F_∑(1+2)(θ,ϕ)+F_∑(2+3)(θ,ϕ)+F_∑(1+3)(θ,ϕ).

Таблица 1
Способ формирования приемных диаграмм направленности моноимпульсной антенной системы и моноимпульсная антенная системаОрт направленияУгловые координаты целиСферические ϕ и θАзимут α и угол места β
α₁=δ₁

α₂=δ₁

tgα₃=tgδ₃-tgδ₂

Таблица 2
Способ формирования приемных диаграмм направленности моноимпульсной антенной системы и моноимпульсная антенная системаОрт направленияУгловые координаты целиСферические ϕ и θАзимут α и угол места β
α₁=δ₁

α₂=δ₁

tgα₃=tgδ₃-tgδ₂

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к радиолокационным системам с моноимпульсным методом определения координат цели, и может быть использовано в антенных системах с фазированными антенными решетками (ФАР). Техническим результатом является уменьшение статической погрешности определения пеленгов в двух взаимно ортогональных плоскостях пеленгования: азимута и угла места относительно строительной оси пеленгатора. Моноимпульсная антенная система для реализации способа содержит ФАР, состоящую из трех идентичных отдельных апертур, и компаратор, при этом фазовые центры идентичных отдельных апертур ФАР помещены в вершинах равностороннего треугольника, помещенного в плоскость раскрыва ФАР, а выходы диаграммообразующих схем отдельных апертур подключены к входам трех кольцевых делителей компаратора, при этом первые выходы первого и второго кольцевых делителей подключены к соответствующим входам первого кольцевого моста, второй выход второго кольцевого делителя и первый выход третьего кольцевого делителя подключены к соответствующим входам второго кольцевого моста, вторые выходы первого и третьего кольцевых делителей подключены к соответствующим входам третьего кольцевого моста, суммарные выходы кольцевых мостов подключены к соответствующим входам лучевого сумматора. 2 н.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

1. Способ формирования приемных диаграмм направленности моноимпульсной антенной системы, заключающийся в формировании на выходах диаграммообразующих схем трех идентичных апертур фазированной антенной решетки (ФАР) парциальных диаграмм направленности, из которых формируют разностные диаграммы направленности, отличающийся тем, что формируют парциальные диаграммы направленности за счет размещения фазовых центров идентичных отдельных апертур ФАР в вершинах равностороннего треугольника так, что из трех парциальных диаграмм направленности формируют три разностные диаграммы направленности путем попарного вычитания трех парциальных диаграмм направленности друг из друга, при этом первую разностную диаграмму направленности формируют в азимутальной плоскости, равносигнальная плоскость этой разностной диаграммы направленности совпадает с угломестной плоскостью, а вторая и третья разностные диаграммы направленности развернуты относительно первой разностной диаграммы направленности на углы в 60° относительно центра раскрыва ФАР, при этом равносигнальные плоскости трех разностных диаграмм направленности при взаимном пересечении образуют три орта направления на цель: первый - с азимутом α₁ и углом места β₁, второй - с азимутом α₂ и углом места β₂, третий - с азимутом α₃ и углом места β₃, при этом направление на цель азимут α₀ и угол места β₀ вычисляют по формулам:

и β₀=β₃.