СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ ЦИФРОВОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ Российский патент 2023 года по МПК G01R29/10 

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано для исследования диаграмм направленности (ДН) в дальней зоне цифровых фазированных антенных решеток (ЦФАР) (в частности цифровых активных фазированных антенных решеток) средств наблюдения космических объектов.

Известен способ измерения характеристик приемной и передающей диаграмм направленности антенны в дальней зоне методом облета исследуемой антенны, основанный на применении беспилотного летательного аппарата, на котором расположены приемное и передающее устройства и система приема и обработки сигналов глобальной навигационной спутниковой системы с целью определения положения беспилотного летательного аппарата (см. патент RU 2626561, опубл. 28.07.2017).

Недостатком известного способа является его сложность, связанная с использованием дополнительной аппаратуры (беспилотного летательного аппарата и средств управления им), а также зависимость от метеоусловий при применении беспилотного летательного аппарата.

Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является создание способа измерения характеристик ДН ЦФАР, лишенного указанных недостатков.

При применении способа достигается технический результат, состоящий в упрощении процесса измерения характеристик ДН ЦФАР и уменьшении набора технических средств, необходимых для этого.

Конкретно, осуществление способа включает в себя последовательное выполнение следующих этапов:

- выбор искусственного спутника Земли (ИСЗ), пролетающего в зоне действия передающей и приемной ЦФАР;

- зондирование выбранного ИСЗ передающей ЦФАР во время прохождения им зоны действия с регистрацией направления на выбранный ИСЗ и дальности до него;

- прием на всем интервале зондирования отраженного от выбранного ИСЗ сигнала приемной ЦФАР, смещенной относительно направления на ИСЗ в пределах размера приемной ДН и оценка параметров движения, выбранного ИСЗ;

- расчет характеристик приемной ДН в форме зависимости нормированных амплитуд от рассогласования направления центра приемной ДН и направления на ИСЗ,

- зондирование выбранного ИСЗ передающей ЦФАР во время прохождения им зоны действия ЦФАР с изменением режима формирования передающей ЦФАР, обеспечивающим сканирование передающей ЦФАР окрестности направления на выбранный ИЗС в пределах размера передающей ДН с регистрацией направления на ИСЗ и дальности до него;

- прием для каждого зондирования отраженного от выбранного ИСЗ сигнала приемной ЦФАР, направленной на выбранный ИСЗ;

- расчет характеристик передающей ДН в форме зависимости нормированных амплитуд от рассогласования направления центра передающей ДН и направления на ИСЗ.

На фиг. 1 показан общий вид устройства для реализации заявленного способа.

На фиг. 2 схематически изображено положение приемных ДН относительно направления на выбранный ИСЗ.

На фиг. 3 показана измеренная заявляемым способом зависимость нормированных амплитуд приемной ДН от рассогласования направления центра приемной ДН и направления на ИСЗ.

На фиг. 4 показана измеренная заявляемым способом зависимость нормированных амплитуд передающей ДН от рассогласования направления центра передающей ДН и направления на ИСЗ.

Устройство для реализации заявленного способа, схематично показанное на фиг. 1, включает в себя только радиолокационную станцию (РЛС) с исследуемыми передающей ЦФАР 1 и приемной ЦФАР 2, без использования каких-либо дополнительных устройств. Заявляемый способ применим как для разнесенных (бистатических) систем (фиг. 1), так и для совмещенных приемопередающих ЦФАР (на фигурах не показано).

В одном из возможных частных вариантов заявленный способ реализуют следующим образом.

На первом этапе в зоне действия РЛС, состоящей из исследуемых передающей ЦФАР 1 и приемной ЦФАР 2, выбирают ИСЗ 3, с помощью которого будут измеряться характеристики приемной ДН 4 ФАР 2. Например, ИСЗ 3 представляет собой металлическую сферу.

Далее во время прохождения выбранным ИСЗ зоны действия передающей и приемной ЦФАР с помощью передающей ЦФАР 1 зондируют выбранный ИСЗ 3 с регистрацией направления на выбранный ИСЗ 3 и дальности до него и с помощью приемной ЦФАР 2 принимают на всем интервале зондирования отраженный сигнал приемными ДН 4, смещенными относительно направления на ИСЗ 3 в пределах размера ДН 4.

На следующем этапе выполняют расчет характеристик приемной ДН 4, реализуя следующие действия:

- для каждого i-ого зондирования выбранного ИСЗ 3 вычисляют его угловое положение ε_i0 и β_i0, используя методы моноимпульсной радиолокации (Справочник по радиолокации / Под ред. М.И. Сколника. В 2 книгах. Книга 1. - М.: Техносфера, 2014. - С. 439-466), либо используя экстраполяцию оцениваемых параметров движения ИСЗ на время измерения;

- для каждой A_ij - амплитуды сигнала, полученного при приеме i-ого зондирования ИСЗ 3 j-ой приемной ДН (j-ого узла сетки приемных ДН), вычисляют приведенные к одинаковым условиям наблюдения отклонения направления измерения от направления на ИСЗ 3 (между 4а и 3а на фиг. 1) по углу места δ_εij и азимуту δ_βij и приведенную к дальности R₀ = 1000 км амплитуду с учетом отклонений измерения от нормали 1n к полотну передающей ЦФАР 1 и от нормали 2n к полотну приемной ЦФАР 2 и

δ_εij=(ε_ij-ε_i0)⋅cos(ε_ij-ε₂)

δ_βij=(β_ij-β_i0)⋅cos(β_ij-β₂)

,

где

R_i - дальность от приемной ЦФАР до ИСЗ при i-ом зондировании, м

R₀ - дальность для приведения к одинаковым условиям наблюдения (10⁶), м

ε_ij - направление по углу места j-ой приемной ДН 4 при приеме сигнала при i-ом зондировании,

β_ij - направление по азимуту j-ой приемной ДН при приеме сигнала при i-ом зондировании;

ε₁ - направление по углу места нормали 1n приемной ЦФАР 1;

β₁ - направление по азимуту нормали 1n приемной ЦФАР 1;

ε₂ - направление по углу места нормали 2n приемной ЦФАР 2;

β₂ - направление по азимуту нормали 2n приемной ЦФАР 2.

Характеристики приемной ДН 3 вычисляются как значения функции F_mn в узлах сетки с фиксированным шагом по углу места и азимуту путем усреднения нормированных амплитуд измерений, полученных в окрестности узла сетки по следующей формуле:

для всех i и j таких, что δ_m-1<δ_εij<δ_m и δ_n-1<δ_βij<δ_n,

где N_mn - число пар i, j таких, что δ_m-1<δ_εij<δ_m и δ_n-1<δ_βij<δ_n,

δ_m=δ_ε(m+0.5), -М<m<М,

δ_ε - шаг сетки по углу места,

М - половина количества узлов сетки по углу места,

δ_n=δ_β(n+0.5), -N<n<N,

δ_β - шаг сетки по азимуту,

N - половина количества узлов сетки по азимуту,

A_i - максимальная приведенная амплитуда сигнала при приеме i-ого выбранного ИСЗ 3:

Далее (для измерения характеристик передающей ДН 5) зондируют выбранный ИСЗ 3 передающей ЦФАР 1 во время прохождения им зоны действия приемной и передающей ЦФАР с изменением режима формирования передающей ДН 5, обеспечивая сканирование передающей ДН 5 окрестности направления на выбранный ИЗС 3 в пределах размера передающей ДН 5 с регистрацией направления на ИСЗ 3 и дальности до него.

Для каждого зондирования и приема отраженного от выбранного ИСЗ сигнала приемной ДН 4, направленной на выбранный ИСЗ, с учетом характеристик приемной ДН 4 вычисляются амплитуды отраженного сигнала

где R_i - дальность от передающей ЦФАР до ИСЗ при i-ом зондировании, м;

где R₀ - дальность для приведения к одинаковым условиям наблюдения (10⁶), м

F_mn - значение таблично заданной функции полученной на этапе 4, а индексы m и n вычисляются по следующим формулам:

m=]δ_εij/δ_ε[,

n=]δ_βij/δ_β[,

где оператор ]Х[ обозначает округление X до ближайшего целого.

После этого выполняют расчет характеристик передающей ДН 5 в форме зависимостей нормированных амплитуд от рассогласования направления центра передающей ДН 5 и направления на выбранный ИСЗ 3, реализуя следующие действия:

- для каждого i-ого зондирования вычисляют угловое положение ε_i0 и β_i0 выбранного ИСЗ 3 и расстояния до него, используя методы моноимпульсной радиолокации;

- для каждого i-ого зондирования вычисляют приведенные к одинаковым условиям наблюдения отклонения направления излучения 5а от направления на ИСЗ 3 (по углу места δ_εi и азимуту δ_βi) и приведенную к дальности 1000 км амплитуду с учетом отклонений измерения от нормали 1n к полотну передающей ЦФАР 1, от нормали 2n к полотну приемной ЦФАР 2 и отклонения измерения от центра приемной ДН 4:

δ_εi=(ε_i-ε_i0)⋅cos(ε_i-ε₁)

δ_βi=(β_i-β_i0)⋅cos(β_i-β₁)

где N_i - число измерений в различных приемных ДН при i-ом зондировании;

ε_i - направление 5а передающей ДН 5 по углу места при i-ом зондировании;

β_i - направление 5а передающей ДН 5 по азимуту при i-ом зондировании.

Характеристики передающей ДН 5 вычисляются как значения функции U_kl в узлах сетки с фиксированным шагом по углу места и азимуту путем усреднения нормированных амплитуд измерений, полученных в окрестности узла сетки по следующей формуле:

, для всех i таких, что ρ_k-1<ρ_εi<ρ_k и ρ_l-1<ρ_βi<ρ_l,

где N_k1 - число значений i таких, что ρ_k-1<ρ_εi<ρ_k и ρ_l-1<ρ_βi<ρ_l,

ρ_m=ρ_ε(k+0.5), -K<k<K,

ρ_ε - шаг сетки по углу места,

K - половина количества узлов сетки по углу места,

ρ_l=ρ_β(l+0.5), -L<l<L,

ρ_β - шаг сетки по азимуту,

L - половина количества узлов сетки по азимуту,

A_max - максимальная приведенная амплитуда сигнала.

В результате проведенных измерений получаются диаграммы направленности приемной 2 и передающей 1 ЦФАР, представленные на фигурах 3 и 4. По осям абсцисс и ординат отложены угловые координаты в безразмерных величинах, а значение амплитуды нормировано так, что максимум равен 1.

Использование: изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано для исследования диаграмм направленности (ДН) в дальней зоне цифровых фазированных антенных решеток (ЦФАР) (в частности цифровых активных фазированных антенных решеток) средств наблюдения космических объектов. Сущность: Способ измерения характеристик диаграммы направленности цифровой фазированной антенной решетки (ЦФАР), включающий в себя следующие этапы:

- выбор искусственного спутника Земли (ИСЗ), пролетающего в зонах действия передающей и приемной ЦФАР;

- зондирование выбранного ИСЗ передающей ЦФАР во время прохождения им зоны действия ЦФАР с регистрацией направления на ИСЗ и дальности до него;

- прием на всем интервале зондирования отраженного от выбранного ИСЗ сигнала приемной ЦФАР, смещенной относительно направления на ИСЗ в пределах размера приемной ДН;

- расчет характеристик приемной ДН в форме зависимости нормированных амплитуд от рассогласования направления центра приемной ДН и направления на ИСЗ;

- зондирование выбранного ИСЗ передающей ЦФАР во время прохождения им зоны действия ЦФАР с изменением режима формирования передающей ЦФАР, обеспечивающей сканирование передающей ЦФАР окрестности направления на выбранный ИЗС в пределах размера передающей ДН с регистрацией направления на ИСЗ и дальности до него;

- прием для каждого зондирования отраженного от выбранного ИСЗ сигнала приемной ЦФАР, направленной на выбранный ИЗС;

- расчет характеристик передающей ДН в форме зависимости нормированных амплитуд от рассогласования направления центра передающей ДН и направления на ИСЗ.

Технический результат: упрощение процесса измерения характеристик диаграммы направленности ЦФАР и уменьшение технических средств, необходимых для этого. 4 ил.

Способ измерения характеристик диаграммы направленности цифровой фазированной антенной решетки (ЦФАР), включающий в себя следующие этапы:

- выбор искусственного спутника Земли (ИСЗ), пролетающего в зонах действия передающей и приемной ЦФАР;

- зондирование выбранного ИСЗ передающей ЦФАР во время прохождения им зоны действия ЦФАР с регистрацией направления на ИСЗ и дальности до него;

- прием на всем интервале зондирования отраженного от выбранного ИСЗ сигнала приемной ЦФАР, смещенной относительно направления на ИСЗ в пределах размера приемной ДН;

- расчет характеристик приемной ДН в форме зависимости нормированных амплитуд от рассогласования направления центра приемной ДН и направления на ИСЗ;

- зондирование выбранного ИСЗ передающей ЦФАР во время прохождения им зоны действия ЦФАР с изменением режима формирования передающей ЦФАР, обеспечивающей сканирование передающей ЦФАР окрестности направления на выбранный ИЗС в пределах размера передающей ДН с регистрацией направления на ИСЗ и дальности до него;

- прием для каждого зондирования отраженного от выбранного ИСЗ сигнала приемной ЦФАР, направленной на выбранный ИЗС;

- расчет характеристик передающей ДН в форме зависимости нормированных амплитуд от рассогласования направления центра передающей ДН и направления на ИСЗ.