СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ ЦИФРОВАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ЦЕЛИ
ULTRA-WIDEBAND DIGITAL ANTENNA ARRAY FOR DETERMINING COORDINATES OF A RADAR TARGET

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиолокационных станциях, предназначенных для обнаружения целей, определения дальности до цели и определения координат цели.
Известны многодиапазонные антенны [см. «Зарубежная радиоэлектроника» №3, 1978, с. 38-62]. Двухчастотные антенные решетки - частный случай таких антенн [Л.И. Пономарев, В.И. Степаненко. «Сканирующие многочастотные антенные решетки» / Под. ред. Л.И. Понамарева. - М.: Радиотехника, 2009. - 328 с., ил]. Известно устройство с использованием четырех типов волноводных излучателей, предназначенное для формирования с одного раскрыва электрически управляемого излучения в диапазоне 1-10 ГГц [Boyns J. Е., Provencher J.Н. Experimental Results of a Multifrequency Array Antenna. - IEEE Trans. AP, 1972, 20, no. 1, pp. 106-107].
Недостатком известных устройств является то, что в них сканирование пространства осуществляется за счет фазового сдвига сигнала на каждом антенном элементе посредством фазовращателей, при этом информация о радиолокационной обстановке в рабочей зоне получается за счет многократного зондирования пространства, что приводит к значительным временным затратам при сканировании всей рабочей зоны, а также то, что эхосигналы, полученные при зондировании пространства на различных частотах, обрабатываются независимо, тем самым не обеспечивается точность определения координат цели по дальности за счет когерентного сложения сигналов различных частот.
Известна сканирующая антенна [заявка 2153076, Франция. Опубликовано: 01.06.1973], недостатком которой является низкая точность определения угловых координат, что связано с особенностью формирования максимума интенсивности суммарного сигнала, а также достаточно большой интервал времени, необходимый для обзора всей рабочей зоны, из-за необходимости многократного зондирования пространства, что обусловлено отсутствием возможности апостериорной обработки сигналов. Особенность заключается в том, что максимум интенсивности суммарного сигнала при расположении частот по элементам решетки в порядке возрастания или убывания имеет характерную форму в виде дуги окружности. Такая форма максимума интенсивности позволяет определить дальность до цели, но не позволяет с высокой точностью определить угловые координаты цели.
Наиболее близким по технической сущности устройством является многочастотная антенная решетка с цифровой обработкой сигналов [патент RU 2567214 С1, МПК H01Q 21/00. Опубликовано: 10.11.2015 Бюл. №31], содержащая систему формирования когерентной сетки эквидистантно расстроенных частот, N излучающих элементов, параллельно соединенных с этой системой, N аналоговых приемников, N аналогово-цифровых преобразователей, устройство хранения результатов измерений, суммирующее устройство, N умножителей, вычислительное устройство, устройство отображения результатов измерений и устройство управления. Расстояние между соседними излучающими элементами выбирают равным половине длины волны, соответствующей минимальной частоте, формируемой системой формирования когерентной сетки эквидистантно расстроенных частот, излучающие элементы располагают так, чтобы сигналы с различными частотами были распределены по номерам излучающих элементов от 1-го до N-ого по случайному закону.
Недостатком данного устройства является использование относительно небольшого числа независимых частот, что ограничивает его информационные возможности.
Технический результат изобретения - расширение информационных возможностей радиолокационной системы при сохранении того же числа излучающих элементов антенной решетки за счет использования большего числа независимых частот и расширения частотного диапазона.
1
2
N
ij
nl
1
2
N
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве, содержащем N излучающих элементов 4.1-4.N, где N - число используемых частотных поддиапазонов, причем расстояние между смежными излучающими элементами выбирают равным половине длины волны, соответствующей максимальной частоте диапазона используемых частот, излучающие элементы располагают так, чтобы сигналы различных частотных поддиапазонов были распределены по номерам излучающих элементов от 1-го до N-ого по некоторому закону, N аналоговых приемников 5.1-5.N, N аналогово-цифровых преобразователей 6.1-6.N, устройство хранения результатов измерений 7, имеющее N+1 входов и Q=N×P выходов, где Р - число частот в одном поддиапазоне, вычислительное устройство 8, имеющее Q выходов, Q умножителей 9.1-9.N, имеющих по два входа, суммирующее устройство 10, имеющее Q входов, устройство управления 11, имеющее 4 выхода и устройство отображения результатов измерений 12, система формирования когерентной сетки эквидистантно расстроенных частот заменена на формирователь 1 такой сетки частотных поддиапазонов ΔF, ΔF,…,ΔF, что каждая частота ƒ ≠ kƒ, k ∈ Z; i, ; j, , имеющий N выходов, введены N широкополосных цифро-аналоговых преобразователей 2.1-2.N, входы которых соединены с соответствующими выходами формирователя 1, введены N устройств 3.1-3.N, осуществляющих переключение каналов передачи и приема сигналов, соединенных с соответствующими выходами цифро-аналоговых преобразователей 2.1-2.N, выходы которых соединены с соответствующими N излучающими элементами 4.1-4.N, другие выходы которых подключены к соответствующим входам N аналоговых приемников 5.1-5.N, выходы которых соединены с соответствующими входами N аналогово-цифровых преобразователей 6.1-6.N, выходы каждого из которых подключены к соответствующим N входам устройства хранения результатов измерений 7, Q выходов которого подключены к соответствующим входам Q умножителей 9.1-9.N, выходы которых подключены к соответствующим Q входам суммирующего устройства 10, выход которого подсоединен к устройству управления 11, один из выходов которого соединен с устройством отображения результатов измерений 12, другие выходы устройства управления 11 подключены к соответствующим входам устройства хранения результатов измерений 7, вычислительного устройства 8, Q выходов которого подсоединены к Q умножителям, и формирователя 1 сетки частотных поддиапазонов ΔF, ΔF,…,ΔF, N выходов которого соединены с соответствующими входами N цифро-аналоговых преобразователей 2.1-2.N.
1
2
N
ij
nl
Таким образом, предлагаемое устройство «Сверхширокополосная цифровая антенная решетка для определения координат радиолокационной цели» отличается от известного тем, что вместо эквидистантной сетки частот в нем используется такой набор интервалов дискретных частот ΔF, ΔF,…,ΔF, что каждая частота набора ƒ ≠ kƒ, k ∈ Z; i, ; j, , где N - число используемых частотных поддиапазонов, Р - число частот в одном поддиапазоне, то есть частоты не должны быть кратны друг другу. Данное условие необходимо для исключения возможного взаимодействия сигналов с кратными частотами и образования нежелательных продуктов такого взаимодействия при приеме сигналов - комбинационных частот. Таким образом, импульс, излучаемый отдельным элементом антенной решетки, представляет собой широкополосный дискретно-частотный сигнал.
1
2
N
ij
nl
На фиг. 1 представлена структурная схема заявляемого устройства, где: 1 - формирователь сетки частотных поддиапазонов ΔF, ΔF,…,ΔF, причем ƒ ≠ kƒ, k ∈ Z; i, ; j, , где N - число используемых частотных поддиапазонов, Р - число частот в одном поддиапазоне; 2.1-2.N - цифро-аналоговые преобразователи; 3.1-3.N - устройства, осуществляющие переключение каналов передачи и приема сигналов; 4.1-4.N - излучающие элементы; 5.1-5.N - аналоговые приемники; 6.1-6.N - аналого-цифровые преобразователи; 7 - устройство хранения результатов измерений параметров входных сигналов; 8 - вычислительное устройство; 9.1-9.Q - умножители; 10 - суммирующее устройство; 11 - устройство управления; 12 - устройство отображения результатов измерений.
На фиг. 2 представлена схема алгоритма работы заявляемого устройства, где ,  - сигнальная функция,  - вектор, определяющий положение центра j-го элемента разрешения, М - число элементов разрешения.
1
2
N
ij
nl
Сверхширокополосная цифровая антенная решетка для определения координат радиолокационной цели содержит: формирователь 1 сетки частотных поддиапазонов ΔF, ΔF,…,ΔF, где каждая частота ƒ ≠ kƒ, k ∈ Z; i, ; j, , где N - число используемых частотных поддиапазонов, Р - число частот в одном поддиапазоне, широкополосных цифро-аналоговых преобразователей 2.1-2.N, N устройств 3.1-3.N, осуществляющих переключение каналов передачи и приема сигналов, N излучающих элементов 4.1-4.N, N аналоговых приемников 5.1-5.N, N аналого-цифровых преобразователей 6.1-6.N, устройство хранения результатов измерений параметров входных сигналов 7, вычислительное устройство 8, Q умножителей 9.1-9.Q, суммирующее устройство 10, устройство управления 11, устройство отображения результатов измерений 12.
1
2
N
ij
nl
1
2
N
Алгоритм работы сверхширокополосной цифровой антенной решетки для определения координат радиолокационной цели (фиг. 2) следующий. Из устройства управления 11 подаются управляющие сигналы на формирователь 1 сетки частотных поддиапазонов ΔF, ΔF,…,ΔF, где каждая частота ƒ ≠ kƒ, k ∈ Z; i, ; j, , где N - число используемых частотных поддиапазонов, Р - число частот в одном поддиапазоне, на устройство хранения результатов измерений параметров входных сигналов 7 и на вычислительное устройство 8. При поступлении управляющего сигнала на устройство хранения результатов измерений параметров входных сигналов 7 оно переходит в режим записи. При поступлении управляющего сигнала формирователем 1 сетки частотных поддиапазонов ΔF, ΔF,…,ΔF передаются сигналы на N широкополосных цифро-аналоговых преобразователя 2.1-2.N, аналоговые сигналы через устройства 3.1-3.N, осуществляющие переключение каналов передачи и приема, поступают на излучающие элементы 4.1-4.N. При этом в пространстве формируется Q зондирующих сигналов одинаковой длительности вида ,  - вектор координат i-ого излучающего элемента, ,. Эхосигналы  поступают на N излучающих элементов 4.1-4.N и через устройства 3.1-3.N, осуществляющие переключение каналов передачи и приема, проходят в аналоговые приемники 5.1-5.N, преобразуются N широкополосными аналого-цифровыми преобразователями 6.1-6.N в цифровую форму и записываются в устройство хранения результатов измерений параметров входных сигналов 7.
ip
ip
В результате в устройстве хранения результатов измерений 7 сохраняется набор значений амплитуд и фаз эхосигналов  где S - амплитуда эхосигнала,  - волновое число, ϕ - мгновенное значение фазы эхосигнала, с - скорость света. После поступления сигналов устройство хранения результатов измерений 7 переходит в режим хранения и передачи сигналов на умножители 9.1-9.Q. При поступлении управляющего сигнала на вычислительное устройство 8 в нем происходит вычисление Q комплексных весовых коэффициентов для j = 1 по формуле:
ip
где  - вектор, определяющий положение центра j -го элемента разрешения (фиг. 4), ;;; γ - начальная фаза излучаемого сигнала на частоте .
Рассчитанные комплексные весовые коэффициенты поступают на соответствующие умножители 9.1-9.Q. Значения, полученные перемножением соответствующих комплексных весовых коэффициентов  и комплексных сигналов  поступают на суммирующее устройство 10, где они когерентно суммируются. Модуль полученного комплексного значения  поступает на устройство управления 11 и сохраняется. После сохранения на вычислительное устройство 8 поступает управляющий сигнал и происходит расчет комплексных весовых коэффициентов для j=2. Рассчитанные комплексные весовые коэффициенты поступают на соответствующие умножители 9.1-9.Q. Значения с выходов умножителей поступают на суммирующее устройство 10, а результат сложения с его выхода - на устройство управления 11, где сохраняется модуль полученного комплексного значения . Таким образом вычисляют сигнальную функцию (апостериорное когерентное сложение эхосигналов, полученных при зондировании пространства):
Когда j=M, устройство управления 11 передает последнюю сигнальную функцию на устройство отображения результатов измерений 12, на котором в той или иной форме отображаются рассчитанные значения .