Способ пеленгации источников излучения в радиолокационной станции с фазированной антенной решеткой с пространственным возбуждением Российский патент 2025 года по МПК G01S3/14 G01S3/74 G01S13/68 

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиолокационных системах (РЛС) с фазированной антенной решеткой (ФАР) с пространственным возбуждением для высокоточной пеленгации источников излучения (ИИ).

Известен способ [1] определения пеленга источника излучения, который заключается в измерении мощности сигнала на выходе ФАР при сканировании диаграммой направленности антенны (ДНА) сектора обзора и определении направления на источники излучения по направлениям оси ДНА, соответствующим максимумам значений измеренной мощности.

Недостатком данного способа является то, что разрешающая способность и точность пеленгации источника излучения определяется шириной ДНА, и для достижения высокой точности требуется просканировать весь сектор обзора узконаправленным лучом, что требует значительных временных затрат, обусловленных необходимостью перефазировки элементов ФАР для отклонения луча.

Известны способы пеленгации ИИ со сверхразрешением в цифровых ФАР, обладающие высокой точностью и требующие временных затрат, определяемых вычислительными возможностями техники. Например, алгоритм Кейпона [2], который включает выполнение следующих операций:

1. прием P-элементной цифровой ФАР сигнала электромагнитного излучения и формирование сигнальной матрицы Y.

2. расчет корреляционной матрицы (КМ) R на основе сигнальной матрицы Y;

3. формирование пространственного спектра (ПС) Q(θ) с помощью алгоритма Кейпона вида:

где V(θ) - вектор ожидаемого амплитудно-фазового распределения (АФР), j - мнимая единица, k - волновое число, D - вектор координат облучателей;

4. получение итоговой оценки пеленгов ИИ θ_s по положениям максимумов ПС.

Подобный ему алгоритм, обладающий потенциально еще более высокой точностью и разрешающей способностью [3] подразумевает выполнение дополнительных операций и включает следующую последовательность действий:

1. прием Р-элементной цифровой ФАР сигнала электромагнитного излучения и формирование сигнальной матрицы Y.

2. расчет КМ R на основе сигнальной матрицы Y;

3. определение всех собственных чисел (СЧ) λ КМ;

4. выделение сигнальных СЧ λ_s, путем нахождения СЧ превысивших порог;

5. вычисление на основе сигнальных СЧ μ_s сигнальных собственных векторов (СВ) U_s;

6. формирование матрицы проектора (МП) на шумовое подпространство вида:

7. построение ПС Q_MUSIC(θ) с помощью выражения:

8. получение итоговой оценки пеленгов ИИ θ_s, по положениям максимумов ПС.

К недостаткам обоих способов относится то, что они чувствительны к наличию амплитудно-фазовых ошибок в каналах обработки, которые существенно снижают точность пеленгации ИИ и разрешающую способность, а также их применимость только к цифровым ФАР.

В условиях использования системы из дополнительных облучателей с аналого-цифровой обработкой сигналов, расположенных в плоскости раскрыва основного облучателя ФАР с пространственным возбуждением (фиг. 1), такие способы применимы, однако вносимые ФАР амплитудно-фазовые искажения в каналах приема приводят к низкой точности пеленгации ИИ. В РЛС с ФАР с пространственным возбуждением и системой облучателей с цифровыми выходами известен способ пеленгации ИИ [4] в рамках которого частично устраняются фазовые искажения.

Способ-прототип включает выполнение следующих операций:

1. прием Р-элементной цифровой ФАР сигнала электромагнитного излучения и формирование сигнальной матрицы Y;

2. введение фазовой поправки μ;

3. расчет КМ R на основе сигнальной матрицы Y;

4. формирование ПС Q(θ) по (1) или (4);

5. получение итоговой оценки пеленгов ИИ θ_s по положениям максимумов ПС.

Данный способ был принят в качестве прототипа и отличается от предыдущих наличием дополнительной операции, выполняемой между пунктами 1 и 2 способов [2, 3], заключающейся в проведении фазовой корректировки каналов приема путем введения фазовой поправки μ.

Недостатком способа-прототипа является наличие систематической ошибки в определении пеленга ИИ, которая возникает при отклонении углового положения ИИ от нормального к раскрыву ФАР (фиг. 2), что приводит к низкой точности пеленгации ИИ.

Целью, разрабатываемого изобретения, является устранение систематической ошибки в определении пеленга ИИ при отклонении его положения от нормали.

Для достижения цели необходимо рассмотреть физическую сущность процесса пеленгации ИИ, который вне зависимости от алгоритма функционирования представляет собой решение задачи отыскания вектора АФР, формируемого электромагнитным полем ИИ на приемных элементах. В рассматриваемой системе такими элементами выступают облучатели с цифровыми выходами на формирование АФР, в которых оказывает влияние полотно ФАР, расположенное перед ними.

Это влияние можно описать через комплексную характеристику направленности р-го канала «р-й облучатель с цифровым выходом - ФАР»:

где G_max - значение максимального коэффициента усиления антенны, F_эл(θ) - значение нормированной диаграммы направленности элемента ФАР, в рассматриваемой задаче его влиянием можно пренебречь, так как значение фазовой ДНА в пределах главного максимума равно нулю, A₀=[A_{0 1},…, A_{0 i},…, A_{0 I}]^T - вектор-столбец, характеризующий амплитудное распределение, формируемое 0-м облучателем на ФАР, i - номер элемента ФАР, I - количество элементов ФАР, - ненормированный множитель канала «облучатель - ФАР».

Множитель канала представляет собой прямое преобразование Фурье от АФР на элементах ФАР для каждого канала:

где κ - волновое число, d=[d₀,…, d_i,…, d_I]^T - вектор-столбец, характеризующий положение элементов ФАР, - вектор-столбец, характеризующий амплитудное (А_p) и фазовое (ϑ_p) распределения, формируемые р-м облучателем на ФАР, а также фазовое распределение (ϕ), задаваемое на элементах антенной решетки фазовращателями.

Рупорный облучатель формирует спадающее к краям амплитудное распределение и квадратичное фазовое распределение, модель которых описывается выражениями:

где D_p - координата р-го облучателя, z₀ - расстояние от облучателя до ФАР.

Поскольку обычно, электромагнитная волна, возбуждающая приемные элементы, представляется в качестве плоской, а значит, формирует линейное АФР, то разность между сформированным вектором АФР (4) на элементах системы облучателей и ожидаемым линейным вектором АФР (2) даст величину фазовых искажений фронта волны в сечении облучателей, вносимых ФАР:

где - вектор-столбец характеристик направленности каналов «облучатель с цифровым выходом - ФАР», D=[D₀, …, D_p, …, D_P]^T - вектор-столбец, характеризующий положение облучателей.

В соответствии с выражением (9) была рассчитана зависимость влияния углового положения ИИ на величину фазовых искажений фронта волны в сечении облучателей при нулевом фазовом распределении на элементах ФАР (фиг. 3).

Исходя из зависимости можно заметить наличие квадратичной фазовой составляющей, которая не зависит от углового положения ИИ, а также наличие линейной компоненты, величина которой изменяется при отклонении пеленга на ИИ от нормального к раскрыву.

В способе-прототипе для повышения точности пеленгования и повышения разрешающей способности вводится фазовая корректировка каналов, устраняющая квадратичную составляющую (фиг. 4), однако эта корректировка не устраняет линейную составляющую, что приводит к возникновению систематической ошибки пеленгования ИИ.

Технической задачей, на решение которой направленно предлагаемое изобретение, является повышение точности пеленгации ИИ в РЛС с ФАР с пространственным возбуждением и системой облучателей с цифровыми выходами за счет учета влияния углового положения ИИ на величину фазовых искажений фронта волны в сечении облучателей.

Поскольку наличие этих фазовых искажений приводит к низкой точности пеленгования, а их характеристики и величина могут быть предварительно рассчитаны согласно (5-9), то возникает возможность их устранения. Для этого необходимо при формировании пространственного спектра, ожидаемое АФР на решетке облучателей представлять не виде линейного, как в векторе (2), а с учетом фазовых ошибок АФР при приеме с данного направления. То есть представлять вектор ожидаемого АФР в виде суммы линейного АФР V(θ) и фазовых ошибок с ожидаемого углового направления δF(θ):

где V_кор(θ) - скорректированный вектор ожидаемого АФР, учитывающий предварительно рассчитанную поправку в фазовых искажениях фронта волны в сечении облучателей от углового положения ИИ δF(θ).

Если подставить (9) с учетом условия нормировки в (10), то оно упростится до:

Таким образом, скорректированный вектор ожидаемого АФР учитывает влияние углового положения ИИ на величину фазовых искажений фронта волны в сечении облучателей, в том числе квадратичную компоненту, а использование ее при формировании ПС должно повысить точность пеленгования вне зависимости от углового положения ИИ.

На основании выявленных закономерностей был разработан способ пеленгации ИИ в РЛС с ФАР с пространственным возбуждением, позволяющий решить поставленную техническую задачу. Разработанный способ включает операции:

1. расчет нормированной характеристики направленности каналов «облучатель с цифровым выходом - ФАР»

2. прием ФАР проходного типа и системой облучателей с цифровыми выходами сигнала электромагнитного излучения и формирование сигнальной матрицы Y;

3. расчет КМ R на основе сигнальной матрицы Y;

4. построение ПС Q(θ) по (1) или (4), с учетом того, что вектор ожидаемого АФР задается выражением (11)

5. получение итоговой оценки пеленгов ИИ θ_s, по положениям максимумов ПС.

Отличительной особенностью способа, позволяющей добиться повышения точности пеленгования, является выполнение операции по расчету нормированной характеристики направленности каналов «облучатель с цифровым выходом - ФАР» и использование ее в качестве вектора ожидаемого АФР при построении пространственного спектра.

Для оценки эффективности разработанного способа и степени достижения технического результата был проведен численный эксперимент по определению ошибки пеленгования ИИ в РЛС с ФАР с пространственным возбуждением и системой из 10 облучателей с цифровыми выходами при пеленгации в секторе углов [0°…25°] (фиг. 5). Результаты эксперимента показывают снижение ошибки пеленгации ИИ на краю до 0.01°, что позволяет сделать вывод о достижении технического результата по повышению точности пеленгации ИИ.

Проведенный сравнительный анализ заявленного способа, способа-прототипа, а также схожих способов пеленгования со «сверхразрешением» показал, что заявленный способ отличается наличием дополнительной операции по вычислению нормированной характеристики направленности каналов «облучатель с цифровым выходом - ФАР». Эта характеристика учитывается в векторе-гипотезе при построении ПС, что позволяет устранить систематическую ошибку пеленгования и повысить точность определения пеленга ИИ.

Техническим результатом является повышение точности пеленгации ИИ в РЛС с ФАР с пространственным возбуждением и системой облучателей с цифровыми выходами.

Таким образом, заявляемое изобретение не известно из уровня техники, а также отсутствуют источники, в которых были бы представлены способы, имеющие признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое изобретение от способа-прототипа, а также свойства, совпадающие со свойствами заявляемого изобретения, в связи с чем можно считать, что оно обладает существенными отличиями.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:

Фиг. 1 - ФАР с пространственным возбуждением и системой облучателей с цифровыми выходами.

Фиг. 2 - ошибка пеленгования ИИ в РЛС с ФАР с пространственным возбуждением и системой из 10 облучателей с цифровыми выходами способом-прототипом.

Фиг. 3 - зависимость влияния углового положения ИИ на величину фазовых искажений фронта волны в сечении облучателей при нулевом фазовом распределении на элементах ФАР.

Фиг. 4 - зависимость влияния углового положения ИИ на величину фазовых искажений фронта волны в сечении облучателей при нулевом фазовом распределении на элементах ФАР с учетом фазовой поправки μ.

Фиг. 5 - ошибки пеленгования ИИ в РЛС с ФАР с пространственным возбуждением и системой из 10 облучателей с цифровыми выходами разработанным способом и способом-прототипом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. Пер. с англ. - М., Сов. Радио, 1978. Т. 1, с. 17.

2. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках / Ратынский М.В. - М.: ЛЕНАНД. 2022. - 240 с.

3. Digital beamforming radar system and method with super-resolution multiple jammer location US 2003/0085832 A1.

4. Пат. №2 791 285 Российская Федерация, МПК G01S 3/00,. Способ пеленгации источников излучения, основанный на анализе корреляционной матрицы сигналов, в радиолокационных станциях с фазированной антенной решеткой с пространственным возбуждением и системой облучателей с цифровым выходом / Е.А. Бабушкин, A.M. Лаврентьев, Р.В. Калашников; заявитель и патентообладатель Е.А. Бабушкин, A.M. Лаврентьев, Р.В. Калашников - №2022118100; заявл. 04.07.2022; опубл. 07.03.2023.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиолокационных системах (РЛС) с фазированной антенной решеткой (ФАР) с пространственным возбуждением для высокоточной пеленгации источников излучения (ИИ). Техническим результатом является повышение точности пеленгации ИИ в РЛС с ФАР с пространственным возбуждением и системой облучателей с цифровыми выходами. Заявленный способ заключается в использовании в качестве ожидаемого вектора амплитудно-фазового распределения (АФР) на решетке облучателей предварительно рассчитанной нормированной характеристики направленности каналов «облучатель с цифровым выходом - ФАР», которая учитывает влияние углового положения ИИ на величину фазовых искажений фронта волны в сечении облучателей. Далее полученные реализации сигналов в каналах применяются для расчета корреляционной матрицы и построения пространственного спектра с учетом предварительно рассчитанного вектора ожидаемого АФР при различных углах прихода волны. Положениям максимумов пространственного спектра соответствуют пеленги ИИ. 5 ил.

Способ пеленгации источников излучения в радиолокационных станциях с фазированной антенной решеткой (ФАР) с пространственным возбуждением и системой облучателей с цифровым выходом, заключающийся в том, что принимают сигналы системой облучателей с цифровым выходом ФАР, которые представляются в виде матрицы сигналов, по которой рассчитывается корреляционная матрица и формируется пространственный спектр, по положениям максимумов пространственного спектра получают итоговые оценки пеленгов источников излучения (ИИ), отличающийся тем, что учет влияния углового положения ИИ на величину фазовых искажений фронта волны в сечении облучателей обеспечивают за счет того, что при формировании пространственного спектра ожидаемое амплитудно-фазовое распределение (АФР) на системе облучателей представляют с учетом фазовых ошибок АФР при приеме с данного направления путем выполнения предварительной операции по расчету нормированной характеристики направленности каналов «облучатель с цифровым выходом – ФАР» и использования ее при построении пространственного спектра в качестве вектора ожидаемого АФР, представляемого в виде

где – вектор-столбец характеристик направленности каналов «облучатель с цифровым выходом – ФАР»,

– комплексная характеристика направленности p-го канала «p-й облучатель с цифровым выходом – ФАР»,

– значение максимального коэффициента усиления антенны,

– значение нормированной диаграммы направленности элемента ФАР,

– вектор-столбец, характеризующий амплитудное распределение, формируемое 0-м облучателем на ФАР,

i – номер элемента ФАР,

I – количество элементов ФАР,

– ненормированный множитель канала «облучатель – ФАР».