Способ обзора воздушного пространства импульсно-доплеровской радиолокационной станцией с активной фазированной антенной решеткой
METHOD FOR SURVEYING AIRSPACE BY A PULSE-DOPPLER RADAR STATION WITH AN ACTIVE PHASED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС), в которых в качестве антенны используется активная фазированная антенная решетка (АФАР).
Область пространства, в пределах которой РЛС обнаруживает отражающий объект, называют зоной обнаружения. Эта область бывает различной формы. В частности, для систем наблюдения за воздушными объектами характерно наличие минимальной и максимальной дальности обнаружения при полете цели на определенной высоте [1 - Мищенко Ю.А. Зоны обнаружения. М.: Воениздат, 1963. 96 с.; с. 4-5].
Границы зоны обнаружения определяются превышением мощности сигнала, отраженного от цели, над мощностью шумов приемника, обеспечивающего заданные вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги.
Известен способ последовательного обзора пространства [2 - Теоретические основы радиолокации / Под ред. Я.Д. Ширмана. М.: Советское радио. 1970. 560 с.], при котором зону обнаружения разбивают на множество элементов разрешения по угловым координатам, которые последовательно подсвечивают передающим лучом и принимают сигналы от целей, расположенных в соответствующих элементах разрешения.
Недостаток этого способа состоит в низкой скорости обзора пространства.
Известен способ обзора пространства с неравномерной по дальности зоной обнаружения в вертикальной плоскости [3 - Пат. 2708371, RU. Способ обзора воздушного пространства радиолокационной станцией с активной фазированной антенной решеткой / А.Ю. Ларин, А.В. Литвинов, С.Е. Мищенко, Л.В. Винник, В.В. Шацкий. МПК G01S 13/04. Заявка 2019111781, 18.04.2019. Опубл. 09.12.2019 Бюл. №34], состоящий в том, что при помощи передающей антенны с диаграммой направленности (ДН) специальной формы обеспечивают равномерную «подсветку» зондирующим импульсом всей зоны обнаружения в угломестной плоскости, а по азимуту зону обнаружения подсвечивают в пределах ширины луча передающей антенны. Распределяют приемные лучи антенны вдоль подсвечиваемой области зоны обнаружения и осуществляют прием отраженных сигналов до тех пор, пока из-за различных значений дальности до границы зоны обнаружения в вертикальной плоскости по части приемных лучей не «освободится» значительная часть приемных лучей. После этого на время излучения антенной зондирующего импульса прекращают прием, переносят передающий луч в другую часть зоны обнаружения по азимуту и излучают зондирующий импульс. Далее возобновляют прием сигналов в области пространства, соответствующей максимальной дальности обнаружения в вертикальной плоскости и подсвеченной первым импульсом, а также осуществляют прием отраженных сигналов в области пространства, подсвеченной вторым зондирующим импульсом.
Недостатком способа являются высокие требования к системе управления лучами приемо-передающей антенны. Кроме того, при формировании ДН специальной формы из-за нелинейного фазового распределения и быстро спадающего к краям раскрыва амплитудного распределения в раскрыве передающей антенны значительно снижается ее энергетический потенциал при излучении каждого зондирующего импульса. Это приводит к дополнительному снижению отношения сигнал/шум на выходе приемной антенны и, следовательно, к снижению вероятности обнаружения цели и повышению вероятности ложной тревоги.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является способ обзора воздушного пространства [4 - Пат. №2666763, RU. Способ обзора пространства / В.В. Задорожный, А.Ю. Ларин, А.В. Литвинов, И.С. Омельчук, А.С. Помысов. МПК G01S 13/00. Заявка №2017131811, 11.09.2017. Опубл. 12.09.2018 Бюл. №26], при котором при помощи передающей антенны с ДН специальной формы обеспечивают равномерную «подсветку» зондирующим импульсом всей зоны обнаружения в вертикальной плоскости, а по азимуту зону обнаружения подсвечивают в пределах ширины луча передающей антенны. Распределяют приемные лучи антенны вдоль подсвечиваемой области зоны обнаружения и осуществляют прием отраженных сигналов.
Данный способ существенно проще при реализации, чем [3], однако, ему также присущ недостаток, связанный со снижением энергетического потенциала передающей антенны при формировании передающей ДН специальной формы.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является сокращение времени обзора пространства.
Для решения указанной технической проблемы предлагается способ обзора воздушного пространства импульсно-доплеровской
радиолокационной станцией с активной фазированной антенной решеткой, при котором выбирают форму передающей диаграммы направленности, соответствующую зоне обнаружения по углу места, ориентируют антенну и устанавливают передающую диаграмму направленности по азимуту для обзора области пространства по углу места в заданном азимутальном направлении, излучение зондирующих импульсов выполняют передающей активной фазированной антенной решеткой, распределяют приемные лучи, принимают и накапливают энергию отраженных сигналов, переходят к обзору пространства в следующем азимутальном направлении путем механического или электрического сканирования по азимуту.
Согласно изобретению, находят коэффициенты, при которых взвешенная сумма передающих парциальных лучей, распределенных по углу места, представляет собой передающую диаграмму направленности, соответствующую форме зоны обнаружения по углу места, излучение зондирующих импульсов выполняют передающей активной фазированной антенной решеткой поочередно каждым передающим парциальным лучом, а амплитуды передающих парциальных лучей, пропорциональные найденным коэффициентам, задают путем отключения части передающих каналов активной фазированной антенной решетки при сохранении ширины передающих парциальных лучей по углу места, распределяют приемные лучи вдоль каждого из передающих парциальных лучей, изменяя число приемных лучей в зависимости от ширины соответствующего передающего парциального луча в азимутальной плоскости, принимают и накапливают энергию отраженных сигналов последовательно всеми приемными лучами, распределенными вдоль каждого из передающих парциальных лучей.
Техническим результатом при реализации способа является увеличение плотности потока мощности у цели в каждом передающем луче при двукратном сокращении времени обзора пространства.
Таким образом, предлагаемый способ имеет следующие отличительные признаки и последовательность его реализации от способа-прототипа, которые приведены в таблице 1.
Из представленной таблицы 1 сравнения последовательностей реализации способа-прототипа и предлагаемого способа видно, что введены следующие новые операции:
- находят коэффициенты, при которых взвешенная сумма передающих парциальных лучей, распределенных по углу места, представляет собой передающую диаграмму направленности, соответствующую форме зоны обнаружения по углу места;
и изменены режимы трех операций:
- излучение зондирующих импульсов выполняют передающей активной фазированной антенной решеткой поочередно каждым передающим парциальным лучом, а амплитуды передающих парциальных лучей, пропорциональные найденным коэффициентам, задают путем отключения части передающих каналов активной фазированной антенной решетки при сохранении ширины передающих парциальных лучей по углу места;
- распределяют приемные лучи вдоль каждого из передающих парциальных лучей, изменяя число приемных лучей в зависимости от ширины соответствующего передающего парциального луча в азимутальной плоскости;
- принимают и накапливают энергию отраженных сигналов последовательно всеми приемными лучами, распределенными вдоль каждого из передающих парциальных лучей.
Введение одной новой операции и изменение режимов трех операций позволяет, по сравнению со способом-прототипом, обеспечить достижение следующего технического результата, заключающегося в увеличении плотности потока мощности у цели в каждом передающем луче при двукратном сокращении времени обзора зоны обнаружения.
Проведенный анализ технических решений позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявляемого технического решения, отсутствуют в известных источниках из уровня техники, что указывает на соответствие заявляемого способа условию патентоспособности "новизна".
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Сущность предлагаемого способа раскрывается фигурами 1-6.
На фигуре 1 приведена структурная схема АФАР, позволяющей реализовать предлагаемый способ.
На фигуре 2 приведено сечение зоны обнаружения РЛС в декартовых координатах.
На фигуре 3 показана зависимость амплитудного распределения в раскрыве АФАР для формирования ДН специальной формы.
На фигуре 4 изображены заданная ДН, веер лучей и сечение формируемой ДН специальной формы.
На фигуре 5 приведены оценки энергетического потенциала каждого из лучей.
На фигуре 6 представлены сечения ДН лучей в азимутальной плоскости при отключении каналов для различных положений зондирующих лучей по углу места.
При реализации предлагаемого способа обзора воздушного пространства импульсно-доплеровской радиолокационной станцией с активной фазированной антенной решеткой выполняется следующая последовательность действий:
- выбирают форму передающей диаграммы направленности, соответствующую зоне обнаружения по углу места - 1;
- находят коэффициенты, при которых взвешенная сумма передающих парциальных лучей, распределенных по углу места, представляет собой передающую диаграмму направленности, соответствующую форме зоны обнаружения по углу места - 2;
- ориентируют антенну и устанавливают передающую диаграмму направленности по азимуту для обзора области пространства по углу места в заданном азимутальном направлении - 3;
- излучение зондирующих импульсов выполняют передающей активной фазированной антенной решеткой поочередно каждым передающим парциальным лучом, а амплитуды передающих парциальных лучей, пропорциональные найденным коэффициентам, задают путем отключения части передающих каналов активной фазированной антенной решетки при сохранении ширины передающих парциальных лучей по углу места - 4;
- распределяют приемные лучи вдоль каждого из передающих парциальных лучей, изменяя число приемных лучей в зависимости от ширины соответствующего передающего парциального луча в азимутальной плоскости - 5;
- принимают и накапливают энергию отраженных сигналов последовательно всеми приемными лучами, распределенными вдоль каждого из передающих парциальных лучей, последовательно - 6;
- переходят к обзору пространства в следующем азимутальном направлении путем механического или электрического сканирования по азимуту - 7.
Предлагаемый способ предназначен для использования в импульсно-доплеровской радиолокационной станции с активной фазированной антенной решеткой, имеющей цифровое диаграммообразование в приемном тракте.
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
АФАР радиолокационной станции (АФАР РЛС), приведенная на фиг. 1, включает N антенных элементов 1 (АЭ…АЭ), с которыми соединены соответствующие входы 1 N циркуляторов 2 (Ц…Ц). Вход 3 каждого из циркуляторов 2 (Ц…Ц) соединен с выходом соответствующего СВЧ-усилителя мощности 3 (УМ…УМ). Входы N СВЧ-усилителей мощности 3 (УМ…УМ) подключены к выходам N электронных ключей 4 (КЛ…КЛ), входы которых электрически соединены через N фазовращателей 5 (ФВ…ФВ) с соответствующими выходами N-канального устройства формирования зондирующих сигналов 6 (УФЗС).
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
Соответствующие выходы 2 N циркуляторов 2 (Ц…Ц) посредством N электронных ключей 7 (КЛ…КЛ) подключены к входам N малошумящих усилителей 8 (МШУ… МШУ). Выходы (МШУ… МШУ) 8 электрически связаны с входами N преобразователей частоты 9 (ПЧ…ПЧ). Выходы TV преобразователей частоты 9 (ПЧ…ПЧ) подключены к соответствующим входам N аналого-цифровых преобразователей 10 (АЦП…АЦП). Выходы N аналого-цифровых преобразователей 10 (АЦП…АЦП) подключены к шине 1 цифрового устройства обработки и управления (УОУ) 11.
1
N
1
N
1
N
1
N
Управление КЛ…КЛ 7, МШУ…МШУ 8, ПЧ…ПЧ 9, АЦП…АЦП 10 выполняют с выхода 2 УОУ 11.
1
N
1
N
1
N
Управление УМ…УМ 3, КЛ…КЛ 4, ФВ…ФВ 5 и УФЗС 6 производят по цепям управления с выхода 3 УОУ 11.
Обмен информацией с УФЗС 6 осуществляют посредством шины 4 УОУ 11.
На фиг. 1 также приведен источник питания 12 (ИП), к выходам которого подключены цепи питания активных элементов АФАР, показанные на фиг. 1 штриховыми линиями. На структурной схеме (фиг. 1) синхронизацию и гетеродинирование осуществляют цифровым устройством обработки и управления 11 (УОУ).
Передачу данных потребителю для дальнейшей обработки осуществляют с выходов УОУ 11.
Функционирование АФАР в составе импульсно-доплеровской РЛС производят следующим образом.
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
Перед излучением каждого зондирующего сигнала в заданном направлении области пространства, в которую должен быть направлен луч АФАР в режиме передачи, по командам УОУ 11 выбирают форму передающей ДН с учетом заданной зоны обзора пространства по углу места и ограничивают ширину луча передающей ДН в азимутальном направлении. Представляют исходную передающую диаграмму направленности в виде суммы парциальных лучей одинаковой ширины, распределенных по углу места, для этого находят коэффициенты, при суммировании с которыми ДН суммы парциальных лучей наилучшим образом приближается к форме исходной передающей ДН по углу места. Осуществляют последовательное зондирование пространства по углу места, устанавливая передающие парциальные лучи в направлениях, определенных по методу парциальных лучей [5 - Зелкин Е.Г., Соколов В.Г. Методы синтеза антенн: Фазированные антенные решетки и антенны с непрерывным раскрывом. - М.: Сов. радио, 1980, 296 с.], а с помощью N электронных ключей 4 (КЛ…КЛ) устанавливают амплитуды передающих лучей с учетом найденных коэффициентов таким образом, чтобы сохранялась ширина передающих лучей по углу места. Ориентируют антенну в пространстве и устанавливают максимум по углу места и азимуту для обзора области пространства в заданном азимутальном направлении, для чего вводят соответствующие фазовые состояния в ФВ…ФВ 5, рассчитанные либо извлеченные из памяти УОУ 11. Сформированные в УФЗС 6 последовательности зондирующих импульсов для каждого передающего луча усиливают в СВЧ-усилителях мощности 3 (УМ…УМ) и посредством N циркуляторов 2 (Ц…Ц) передают на АЭ…АЭ 1. С помощью АЭ…АЭ 1 обеспечивают преобразование энергии токов высокой частоты последовательности в энергию электромагнитных колебаний, излучаемых в зондируемую область пространства в течение длительности излучения последовательностей когерентных зондирующих импульсов.
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
Перед приемом отраженных от объектов сигналов по командам из УОУ 11 распределяют приемные лучи вдоль каждого из соответствующих передающих лучей, изменяя их число в зависимости от ширины передающего луча в азимутальной плоскости. Принимают отраженные сигналы приемными лучами, распределенными вдоль каждого из передающих лучей, антенными элементами 1 (АЭ…АЭ), при этом энергию электромагнитных колебаний преобразуют в энергию токов высокой частоты (далее - сигналы). Посредством N циркуляторов 2 (Ц…Ц) сигналы передают через N КЛ…КЛ 7 на входы МШУ…МШУ 8. Усиленные на СВЧ сигналы поступают на входы ПЧ…ПЧ 9, где осуществляют перенос сигналов на промежуточную частоту и формируют квадратурные составляющие сигналов каналов. Затем с помощью АЦП…АЦП 10 производят дискретизацию квадратурных составляющих сигналов каналов, записывают последовательности квадратурных составляющих сигналов каналов. По сигнальной шине последовательности квадратурных составляющих сигналов каналов передают в УОУ 11, где их последовательно принимают и накапливают энергию отраженных сигналов одновременно всеми приемными лучами, распределенными вдоль каждого из передающих лучей.
После излучения всех последовательностей зондирующих импульсов и приема отраженных сигналов данные с выходов УОУ 11 передают потребителю для дальнейшей обработки, которая состоит в поиске отметок от целей по результатам пороговой обработки и формирования векторов наблюдений для каждой из обнаруженных целей.
Для обзора пространства в следующем азимутальном направлении поворачивают антенну механически или путем электрического сканирования.
Проведем теоретическое обоснование предлагаемого способа обзора воздушного пространства импульсно-доплеровской радиолокационной станцией с активной фазированной антенной решеткой.
Идея предлагаемого способа состоит в том, что зону обнаружения в вертикальной плоскости можно последовательно подсвечивать лучами, амплитуды которых устанавливаются с учетом требований к дальности обнаружения в направлении отдельного луча. Управление амплитудой лучей может достигаться за счет расширения лучей в азимутальной плоскости при сохранении их ширины в вертикальной плоскости.
Предлагаемый способ, как и способ последовательного обзора зоны обнаружения [2], свободен от недостатка, связанного со снижением энергетического потенциала передающей антенны при формировании ДН специальной формы.
В свою очередь, предлагаемый способ содержит операцию распределения приемных лучей вдоль расширенного по азимутальной координате передающего луча. Это позволяет, по сравнению со способом [2], увеличить скорость обзора зоны обнаружения. Следует отметить, что последовательный обзор зоны обнаружения позволяет также сократить время обзора за счет того, что время приема отраженных сигналов в каждом луче может быть связано с дальностью до границы зоны обнаружения по вертикальной координате, а расстояние до границы зоны обнаружения в азимутальной плоскости при фиксированной вертикальной координате обычно является неизменным.
Техническая реализация предлагаемого способа зависит от технологии формирования одномерно расширенных лучей. Существующая теория и техника антенн с этой точки зрения позволяет использовать один из следующих способов:
- управление амплитудой в раскрыве (при равномерном возбуждении коэффициент использования поверхности (КИП) антенны максимален, а ширина луча меньше, при неравномерном распределении - КИП снижается, а ширина луча увеличивается [6 - Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток: Учеб. Пособие для вузов / Д.И. Воскресенский, В.И. Степаненко, B.C. Филиппов и др. Под ред. Д.И. Воскресенского. 3-е изд., доп. и перераб. - М.: Радиотехника, 2003. - 632 с.];
- использование неравномерного фазового распределения [7 - Пат. №2742287, RU. Способ формирования расширенных лучей фазированной антенной решетки / А.Н. Грибанов, О.В. Павлович, С.Е. Гаврилова, Г.В. Мосейчук. МПК H01Q 3/26. Заявка №2020124237, 14.07.2020. Опубл. 04.02.2021 Бюл. №4];
- изменение формы и линейных размеров раскрыва.
Управление амплитудой в раскрыве антенны реализуют при помощи аттенюаторов, а в активных фазированных антенных решетках - при помощи регулировки коэффициентов передачи усилителей мощности. Недостаток управления амплитудой заключается в снижении коэффициента полезного действия передатчика при использовании аттенюаторов или снижении коэффициента передачи усилителя относительно номинальной мощности. Кроме того, устройства управления амплитудой СВЧ сигнала обычно считаются достаточно инерционными, т.е. имеют низкое быстродействие.
Использование нелинейных фазовых подставок приводит к тому, что сложение сигналов каналов у поверхности цели происходит некогерентно. В этом случае снижение КПД антенны проявляется не в раскрыве антенны, а в дальней зоне.
Изменение формы и размеров раскрыва для управления энергией излучения антенны стало возможным в АФАР за счет того, что в каждом передающем канале устанавливают электронные ключи. Электронные ключи физически необходимы в АФАР для отключения неисправных каналов и являются безынерционными устройствами, которыми можно управлять на каждый такт синхронизации блока управления АФАР. Использование электронных ключей для реализации заданного энергетического потенциала было предложено в [8 - Пат. №2760409, RU. Способ обработки радиолокационных сигналов в импульсно-доплеровской радиолокационной станции с активной фазированной антенной решеткой / А.Ю. Ларин, А.В. Литвинов, С.Е. Мищенко, А.С. Помысов, В.В. Шацкий МПК G01S 13/02. Заявка №2021106420, 11.03.2021. Опубл. 24.11.2021 Бюл. №33], а в патенте [4] - для расширения лучей.
В отличие от способа [9 - Радиолокационные системы: учебн. / под общ. ред. В.П. Бердышева. - Красноярск: СФУ, 2012. С. 143] в предлагаемом способе однозначно обосновывается необходимое значение энергетического потенциала в зависимости от вычисленного распределения амплитуд парциальных передающих лучей в вертикальной плоскости.
Отсутствие потерь КИП при формировании передающей ДН АФАР вследствие совмещения передатчика с раскрывом в антеннах данного класса наилучшим образом сказывается на коэффициенте направленного действия (КНД) и излучаемой мощности.
Рассмотрим более строгое обоснование изложенной идеи способа.
Зона обнаружения РЛС по вертикальной координате (углу места) определяется ее назначением. Например, в РЛС наблюдения за воздушными объектами зона обзора определяется дальностью действия вдоль горизонта и максимальной высотой полета целей. Аналогично в бортовых РЛС бокового обзора, в том числе и РЛС с синтезированной апертурой, требуемая дальность действия РЛС зависит от направления по углу места и сферичности Земли. В теории антенн ДН таких РЛС соответствуют ДН специальной формы вида «косеканс» или «косеканс в квадрате» [6], [9]. Эта ДН обеспечивает равномерное «подсвечивание» просматриваемой области пространства передающим лучом. Параллельный обзор подсвечиваемой области пространства по углу места достигается распределением приемных лучей вдоль передающего луча.
В обзорных РЛС наземного базирования обзор в азимутальной плоскости осуществляют путем механического вращения опорно-поворотного устройства, а в бортовых РЛС бокового обзора - путем электрического отклонения луча в горизонтальной плоскости.
В соответствии с уравнением радиолокации максимальная дальность действия РЛС определяется выражением
Σ
где Р - импульсная мощность передающей антенны;
N - число зондирующих импульсов;
τ - длительность импульса;
tr
G - коэффициент усиления (КУ) передающей антенны;
r
G - КУ приемной антенны;
tr
r
F(θ), F(θ) - нормированные ДН по мощности передающей и приемной антенны в направлении на цель;
σ - эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) цели;
λ - длина волны;
0
k - постоянная Больцмана;
0
Т - средняя температура;
n
ƒ - коэффициент шума приемника;
L - потери, например в среде при распространении сигнала;
2
q - пороговое отношение сигнал/шум (ОСШ), учитывающее требования к вероятностям правильного обнаружения и ложной тревоги.
max
n
r
2
Предположим, зона действия РЛС по углу места описывается функцией R(θ). Также заданы параметры λ, σ, q, ƒ, L, N, τ. Если приемные лучи распределяются вдоль подсвечиваемой области, то можно считать, что , а для всех приемных лучей G зависит от вертикальной координаты по закону cosθ (угол θ отсчитывается от нормали к раскрыву антенны).
В этом случае с точностью до постоянного множителя заданная ДН АФАР и ее энергетический потенциал удовлетворяют равенству
где С - постоянный коэффициент.
Отсюда следует, что при проектировании передающей АФАР необходимо не только сформировать заданную ДН, но при этом обеспечить наилучшее значение КНД и максимальную излучаемую мощность.
tr
Предположим, что функция F(θ) соответствует ДН М - элементной линейной АР с длиной раскрыва L=d(М-1). Здесь d - межэлементное расстояние.
В соответствии с теоремой Котельникова
n
где A - коэффициент ряда;
k - волновое число;
u
Δ - шаг между соседними функциями Котельникова.
u
n
u
Известно, что функция Котельникова S(sinθ-nΔ) соответствует ДН идеальной линейной антенны (с равномерным возбуждением и сфазированной в направлении θ=arcsin(nΔ)). В связи с этим выражение (3) демонстрирует возможность формирования заданной ДН при помощи веера лучей.
u
n
Если рассматривать Δ как интервал Найквиста, то данный параметр следует выбирать по формуле . В этом случае можно оценить число парциальных лучей, которые следует использовать для формирования главного луча ДН. Ряд функций Котельникова характеризуется тем, что максимум каждой следующей функции Котельникова ориентирован в направлении первого нуля предыдущей. Поскольку мощность лепестков функции Котельникова довольно быстро уменьшается по мере удаления от главного максимума, то достаточно, чтобы главный луч заданной ДН и первые боковые лепестки формируемой ДН полностью перекрывались веером лучей. Коэффициенты A, относящиеся к функциям Котельникова, максимумы которых ориентированы за пределы главного луча, будут быстро убывать.
В силу ортогональности функций Котельникова на бесконечном интервале коэффициенты ряда с точностью до постоянного множителя могут быть вычислены по формуле
Здесь ξ - полупериод множителя направленности АР; u=0,5kLsinθ.
Выражение (4) является основным для метода парциальных диаграмм [10 - Зелкин Е.Г., Соколов В.Г. Методы синтеза антенн: Фазированные антенные решетки и антенны с непрерывным раскрывом. - М.: Сов. радио, 1980, 296 с.]. Следует отметить, что метод парциальных ДН справедлив и при использовании вместо функций Котельникова других функций. Например, в теории антенн известны аналитические представления для ДН линейной антенны, возбуждаемой распределением вида «косинус на пьедестале» или «косинус в квадрате не пьедестале» [6], [9]. Естественно, что эти функции вдоль обобщенной координаты имеют постоянную ширину луча и для формирования веера лучей достаточно соблюдать принцип, который имеет место в ряде Котельникова: максимум следующего луча ориентирован на первый ноль ДН предыдущего луча. Также для формирования заданной ДН может использоваться веер атомарных функций, которые применялись для синтеза косекансного луча в монографии [3], или метод [11 - Литвинов А.В., Мищенко С.Е., Шацкий В.В. Модифицированный метод веерных парциальных диаграмм для синтеза плоской антенной решетки с произвольным раскрывом // Труды международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн». - Таганрог, Дивноморское. - ТТИ ЮФУ. - 24-28 июня 2013. - С. 105-110].
B
n
n
B
Итак, в соответствии с методом парциальных диаграмм исходная ДН АФАР может быть представлена в виде конечного набора из N лучей, для которых известны комплексные амплитуды A и ориентация максимумов θ, где n=1, 2, …, N.
О каждом из лучей также известно, что он может быть сформирован при единичном коэффициенте использования поверхности линейной антенны для лучей в виде функций Котельникова или с некоторым снижением КИП, которое является известным заранее при использовании спадающего распределения в раскрыве.
n
Пусть коэффициенты A нормированы к максимальному значению.
В этом случае для формирования луча с единичной амплитудой достаточно использовать все элементы раскрыва.
n
Для реализации уменьшенных значений остальных коэффициентов A будем отключать каналы АР на излучение. При этом выбирать отключаемые каналы будем таким образом, чтобы ширина луча вдоль координаты θ не изменялась. Наиболее просто это реализовать в прямоугольном раскрыве. В этом случае ДН АФАР представляется в виде произведения двух ортогональных функций. Уменьшение амплитуды луча по сравнению с полным раскрывом может быть получено без изменения формы луча вдоль вертикальной координаты за счет отключения вертикальных линеек по краям раскрыва. При этом будет происходить расширение луча в горизонтальной плоскости (т.е. уменьшаться КИП передающей антенны). Также с отключением каналов будет происходить снижение излучаемой мощности АФАР.
1
Примем для определенности, что A=1, а .
Для первого луча имеем
При этом для всех лучей .
Поскольку формирование амплитуд известных коэффициентов  при n>1 достигается отключением передающих каналов, то найти требуемое число активных каналов в каждом луче можно из условия
n
В случае необходимости фазы коэффициентов A могут быть получены путем выбора соответствующих фазовых задержек сигналов различных парциальных ДН. Установка фазы может понадобиться для когерентной обработки сигналов, лучей, распределенных вдоль вертикальной плоскости.
В результате для каждого из формируемых лучей может быть определена поканальная конфигурация излучающего раскрыва, при которой обеспечивается равномерная засветка лучами зоны ответственности РЛС по углу места.
Техническим результатом при последовательном формировании передающих лучей является повышение плотности потока мощности зондирующего сигнала у цели.
В качестве примера рассмотрим АФАР с прямоугольным раскрывом, состоящим из 64×32 элементов, размещенных в узлах прямоугольной сетки с шагом 0,5λ по углу места. Будем считать, что раскрыв антенны наклонен к плоскости горизонта под углом 110°. Максимальную дальность действия РЛС в направлении горизонта ограничим значением 300 км. Пусть РЛС предназначена для обнаружения целей на высотах менее 25 км.
С учетом заданных требований и ориентации раскрыва на фиг. 2 приведено сечение зоны обнаружения РЛС в декартовых координатах.
B
n
В качестве парциальных ДН использовались функции Котельникова. Всего для реализации предлагаемого способа обзора в качестве примера считали N=15. Для каждого из лучей по формуле (4) были рассчитаны значения коэффициентов A, которые сведены в таблицу 2. Первые строки данных в таблице соответствуют лучам (1-8), вторые строки - лучам (9-15).
После сложения лучей с найденными коэффициентами будет сформирована ДН специальной формы. Амплитудное распределение, необходимое для формирования ДН специальной формы, описывает выражение
m
m
где (x, y) - координата фазового центра антенного элемента m-го канала АФАР.
На фиг. 3 представлена зависимость амплитудного распределения в раскрыве АФАР вдоль раскрыва, полученная по формуле (7).
Очевидно, что неравномерное возбуждение раскрыва АФАР существенно снижает коэффициент направленного действия (КНД) антенны. В случае передающей АФАР подобное амплитудно-фазовое распределение (АФР) означает снижение излучаемой мощности. Это распределение также достаточно трудно реализовать, поскольку для снижения уровня излучаемой мощности необходимо либо использовать аттенюаторы, либо уменьшать коэффициенты передачи усилителей. В первом случае на раскрыве увеличивается тепловыделение, а во втором - приходится существенно ухудшать КПД усилителей.
cos ec
cos ес
Отметим, что распределению, представленному на фиг. 3, соответствует КНД D=3176 (35 дБ) при том, что максимальный КНД раскрыва равен 6160 (37,9 дБ), а также излучаемая мощность P=286 Вт при максимальной излучаемой мощности 2048 Вт (будем считать, что номинальные мощности усилителей в каждом канале передающей АФАР равны 1 Вт).
На фиг. 4 изображены сечение требуемой ДН, соответствующей зависимости зоны обнаружения от направления, веер парциальных лучей с амплитудами согласно данным таблицы 2 (штриховые кривые) и сечение ДН специальной формы, полученной при использовании амплитудно-фазового распределения, рассчитанного по формуле (7).
После формирования ДН специальной формы были получены оценки энергетического потенциала каждого из лучей. Эти оценки были получены по формуле
Результаты расчетов представлены на фиг. 5 (нижняя кривая). Для удобства восприятия оценки, полученные в дискретных точках, соединены прямыми отрезками. Энергетические потенциалы каждого из парциальных лучей с учетом их амплитуд на этом же рисунке отражает штриховая кривая. Узловые значения этой кривой для каждого из лучей получены по формуле
где М - число каналов АФАР (в рассматриваемом примере М=2048).
После этого были получены оценки числа активных вертикальных линейных подрешеток в составе АФАР, которые при равномерном возбуждении активной части АФАР обеспечивают энергетический потенциал, соответствующий оценкам, полученным по формуле (9). В таблице 2 приведены оценки числа активных линеек, соответствующие этим линейкам значения КНД и излучаемой мощности. По результатам полученных оценок на фиг. 5 получена сплошная кривая, аппроксимирующая штриховую кривую.
В зависимости от числа активных линеек в раскрыве изменяется ширина лучей в азимутальной плоскости (таблица 2). С учетом ширины луча можно изменять число приемных лучей, используемых для приема эхо-сигналов с определенного угломестного направления, и изменять число передающих лучей при постоянном значении угла места в процессе обзора зоны обнаружения по азимуту. Эти оценки также сведены в таблицу 2.
Сечения ДН передающих лучей в азимутальной плоскости приведены на фиг. 6. Каждое сечение соответствует определенному положению луча в угломестной плоскости. Поскольку при формировании передающих лучей отключается часть вертикальных линейных антенных решеток, то ширина луча меняется. Это означает, что лучу с минимальной шириной соответствует передающий луч, в формировании которого участвуют все 64 вертикальные линейные антенные решетки, а самому широкому - пять активных линейных антенных решеток. Сравнивая число активных линейных антенных решеток в таблице 2 с шириной луча на фиг. 6, несложно установить соответствие этих параметров.
Оценим сначала время обзора всей зоны обнаружения в режиме с ДН специальной формы. Пусть инструментальная дальность действия РЛС 300 км. Следовательно при параллельном обзоре время приема эхо-сигналов с одного азимутального направления равно 2 мс. Сектор по азимуту ограничим ±45°, т.е. необходимо просматривать 56 направлений по азимуту. Общее время обзора при параллельном обзоре пространства - 112 мс для режима с одним зондирующим импульсом. Пусть необходимо просмотреть сектор пространства за 1 с. В этом случае получим, что максимальная длина пачки при наблюдении - 1000/112 порядка 9 импульсов.
Теперь рассмотрим предлагаемый способ. При использовании предлагаемого способа за счет увеличения энергетического потенциала передающей антенны в каждом передающем луче увеличивается плотность потока мощности у цели почти в 14 раз. Это означает, что цель, обнаруживаемая РЛС с косекансной ДН при когерентном накоплении энергии девяти эхо-сигналов, может быть обнаружена при использовании предлагаемого способа за один импульс. В данном случае только один луч из 15 имеет узкую ДН по азимуту с шириной 1,6°. В связи с этим для обзора азимутального сектора этим лучом необходимо просмотреть 56 азимутальных направлений по 2 мс на каждое направление - 112 мс. В остальных направлениях число просматриваемых азимутальных направлений будет меньше (см. таблицу 2).
Для простоты предположим, что при просмотре зоны обнаружения время ожидания эхо сигналов не зависит от угла места луча и всегда равно 2 мс. В этом случае время обзора зоны обнаружения предлагаемым способом будет равно произведению времени ожидания эхо сигналов на суммарное число просматриваемых азимутальных направлений. В соответствии с таблицей 2 суммарное число просматриваемых направлений по азимуту равно 248. В этом случае время обзора зоны обнаружения составляет около 0,5 с. Дальнейшее сокращение времени обзора связано с требуемой инструментальной дальностью действия РЛС по каждому лучу.
Это означает, что предлагаемый способ обеспечивает увеличение плотности потока мощности у цели в каждом передающем луче при двукратном сокращении времени обзора пространства.
Реализация заявляемого способа не встречает затруднений при современном уровне развития радиотехники и устройств цифровой обработки сигналов с использованием известного в радиоэлектронной промышленности технологического оборудования. Возможность реализации предложенного способа обеспечивает ему критерий патентоспособности «промышленная применимость».