ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЕЛЕНГАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ АНТЕННА - ОБТЕКАТЕЛЬ
INSTRUMENT FOR MEASURING DIRECTION-FINDING PERFORMANCE FOR ANTENNA-FAIRING SYSTEMS

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при радиотехнических испытаниях систем антенна-обтекатель (А-О).
Известно устройство для измерения пеленгационных характеристик систем А-О, содержащее поворотный стенд с антенной и обтекателем, измеритель отношения разностного сигнала к суммарному сигналу, содержащий СВЧ детекторы, на выходе которого формируется отношение разностного сигнала к суммарному сигналу [Столбовой В.С., Крицын В.А. Устройство для измерения радиотехнических характеристик систем антенна-обтекатель. Описание к патенту RU 2133478 C1, 23.10.1997].
Известен также измеритель пеленгационных характеристик систем А-О, содержащий поворотный стенд с установленными на нем пеленгационной антенной, обтекателем и датчиком угла поворота обтекателя, причем выход датчика угла поворота обтекателя подключен к угломерному входу регистрирующего прибора, последовательно соединенные СВЧ генератор и СВЧ переключатель, измерительные каналы, каждый из которых содержит вспомогательную антенну, вход которой подключен к выходу СВЧ переключателя, и устройство выборки и хранения, измеритель отношения разностного сигнала к суммарному сигналу, содержащий СВЧ детекторы, причем выход измерителя отношения разностного сигнала к суммарному сигналу подключен к входам устройств выборки и хранения, а также управитель, выходы которого подключены к управляющему входу СВЧ переключателя и к управляющим входам устройств выборки и хранения, блок решения системы n-линейных уравнений для пеленгационной характеристики (где n - количество измерительных каналов, при этом n>2), выходы которого соединены с входами регистрирующего прибора и блок вычисления корня уравнения n-1 степени для пеленгационной характеристики, входы которого подключены ко вторым выходам блока решения системы n-линейных уравнений пеленгационной характеристики, а выход к входу пеленгационной ошибки регистрирующего прибора [Столбовой В.С. Измеритель пеленгационных характеристик системы антенна-обтекатель. Описание к патенту RU 2287834 C1, 14.06.2005] - прототип.
Недостатками известных устройств являются: во-первых, низкая точность измерений, обусловленная погрешностями, вносимыми амплитудно-фазовыми нестабильностями СВЧ элементов, включаемых между выходами пеленгационной антенны и входами СВЧ детекторов, и, во вторых, техническая сложность и громоздкость конструкции измерителя отношения разностного сигнала к суммарному сигналу, обусловленная необходимостью применения большого количества СВЧ элементов.
Основным источником амплитудно-фазовых нестабильностей являются гибкие СВЧ кабели, соединяющие выходы пеленгационной антенны с входами измерителя отношения разностного сигнала к суммарному сигналу, так как при изгибах СВЧ кабелей в процессе прокачки испытуемого обтекателя, установленного на поворотном устройстве, меняется амплитуда и фаза коэффициента прохождения каждого СВЧ кабеля. Другим источником амплитудно-фазовых нестабильностей являются СВЧ элементы, включаемые между выходами пеленгационной антенны и входами СВЧ детекторов измерителя отношения разностного сигнала к суммарному сигналу, так как стабильность амплитуды и фазы, проходящих через них сигналов зависит от воздействия окружающей среды, питающих напряжений и других факторов. Наличие упомянутых СВЧ элементов приводит к технической сложности и громоздкости конструкции измерителя отношения разностного сигнала к суммарному сигналу, следствием чего является невозможность его подключения непосредственно к выходам пеленгационной антенны, ввиду невозможности размещения измерителя отношения разностного сигнала к суммарному сигналу на корпусе пеленгационной антенны. Именно этим фактором обусловлена необходимость применения в известных устройствах гибких СВЧ кабелей, соединяющих выходы пеленгационной антенны с входами измерителя отношения разностного сигнала к суммарному сигналу.
Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения за счет устранения погрешностей, вносимых амплитудно-фазовыми нестабильностями гибких СВЧ кабелей и СВЧ элементов с одновременным упрощением конструкции измерителя отношения разностного сигнала к суммарному сигналу.
Указанная цель достигается за счет того, что в известный измеритель пеленгационных характеристик систем А-О, содержащий поворотный стенд с установленными на нем пеленгационной антенной, обтекателем и датчиком угла поворота обтекателя, причем выход датчика угла поворота обтекателя подключен к угломерному входу регистрирующего прибора, последовательно соединенные СВЧ генератор и СВЧ переключатель, измерительные каналы, каждый из которых содержит вспомогательную антенну, вход которой подключен к выходу СВЧ переключателя, и устройство выборки и хранения, измеритель отношения разностного сигнала к суммарному сигналу, содержащий СВЧ детекторы, причем выход измерителя отношения разностного сигнала к суммарному сигналу подключен к входам устройств выборки и хранения измерительных каналов, а также управитель, выходы которого подключены к управляющему входу СВЧ переключателя и к управляющим входам устройств выборки и хранения, блок решения системы n-линейных уравнений для пеленгационной характеристики (где n - количество измерительных каналов, при этом n>2), выходы которого соединены с входами регистрирующего прибора, и блок вычисления корня уравнения n-1 степени для пеленгационной характеристики, входы которого подключены ко вторым выходам блока решения системы n-линейных уравнений пеленгационной характеристики, а выход к входу пеленгационной ошибки регистрирующего прибора, дополнительно введены последовательно соединенные блок формирования вариантов, входы которого подключены к выходам устройств выборки и хранения, блок определения коэффициентов разложения пеленгационной характеристики для различных вариантов и блок выбора оптимального варианта, выходы которого соединены с входами блока решений системы n-линейных уравнений для пеленгационной характеристики, при этом СВЧ детекторы измерителя отношения разностного сигнала к суммарному сигналу подключены непосредственно к выходам пеленгационной антенны.
На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемого устройства, где
1 - пеленгационная антенна;
2 - обтекатель;
3 - поворотный стенд;
4 - датчик угла поворота обтекателя;
5 - измеритель отношения разностного сигнала к суммарному сигналу;
6, 7, 8, 9, 10 - устройства выборки и хранения;
11 - блок формирования вариантов;
12 - блок определения коэффициентов разложения пеленгационной характеристики для различных вариантов;
13 - блок выбора оптимального варианта;
14 - блок решения системы n-линейных уравнений для пеленгационной характеристики;
15 - блок вычисления корня уравнения n-1 степени для пеленгационной характеристики;
16 - регистрирующий прибор;
17, 18, 19, 20, 21 - вспомогательные антенны;
22 - СВЧ переключатель;
23 - СВЧ генератор;
24 - управитель.
Пеленгационная антенна 1, имеющая выходы разностных сигналов Δ и суммарного сигнала Σ, а также радиопрозрачный обтекатель 2 установлены на поворотном стенде 3, снабженном датчиком угла поворота обтекателя 4. Выходы пеленгационной антенны 1 подключены к СВЧ детекторам измерителя отношения разностного сигнала к суммарному сигналу 5. Выход Δ/Σ измерителя отношения разностного сигнала к суммарному сигналу 5 подключен к входам устройств выборки и хранения 6, 7, 8, 9, 10. Выходы устройств выборки и хранения 6, 7, 8, 9, 10 подключены к входам блока формирования вариантов 11. Выходы блока формирования вариантов 11 подключены к входам блока определения коэффициентов разложения пеленгационной характеристики для различных вариантов 12. Выходы блока определения коэффициентов разложения пеленгационной характеристики для различных вариантов 12 подключены к входам блока выбора оптимального варианта 13. Выходы блока выбора оптимального варианта 13 подключены к входам блока решения системы n-линейных уравнений для пеленгационной характеристики 14, первые выходы которого подключены к входам коэффициентов пеленгационной характеристики регистрирующего прибора 16, а вторые выходы подключены к входам блока вычисления корня уравнения n-1 степени для пеленгационной характеристики 15. Выход блока вычисления корня уравнения n-1 степени для пеленгационной характеристики 15 подключен к входу пеленгационной ошибки регистрирующего прибора 16.
i
Вспомогательные антенны 17, 18, 19, 20, 21, количество которых должно быть более двух, разнесены в плоскости измерения пеленгационных ошибок на угловые расстояния Δα (фиг.1) относительно оптической оси пеленгационной антенны в пределах рабочей зоны пеленгационной характеристики. Входы вспомогательных антенн 17, 18, 19, 20, 21 подключены к выходам СВЧ переключателя 22, вход которого подключен к выходу СВЧ генератора 23. Выходы управителя 24 подключены к управляющему входу СВЧ переключателя 22 и к управляющим входам устройств выборки и хранения 6, 7, 8, 9, 10.
Работает устройство следующим образом.
1
1
2
2
3
3
i
i
n
Управитель 24 управляет СВЧ переключателем 22 таким образом, что выход СВЧ генератора 23 поочередно подключается сначала к вспомогательной антенне 17, затем 18 и так далее, причем в конце цикла он подключается к вспомогательной антенне, имеющей порядковый номер n. После этого цикл переключения повторяется: то есть выход СВЧ генератора 23 через СВЧ переключатель 22 подключается к вспомогательной антенне 17, затем к вспомогательной антенне 18 и так далее. Синхронно с подключением вспомогательных антенн 17, 18, 19, 20, 21 через СВЧ переключатель к выходу СВЧ генератора 23, к выходу измерителя отношения разностного сигнала к суммарному сигналу 5, содержащему информацию об отношении разностного сигнала к суммарному сигналу, последовательно подключаются соответствующие входы устройств выборки и хранения 6, 7, 8, 9, 10, управляемые по управляющим входам управителем 24. В результате такой логики переключения СВЧ переключателя 22 и подключения входов устройств выборки и хранения 6, 7, 8, 9, 10 на выходе устройства выборки и хранения 6 имеется текущая информация о значении Δ/Σ, полученная от излучения первой вспомогательной антенны 17; на выходе устройства выборки и хранения 7 информация о значении Δ/Σ от излучения второй вспомогательной антенны 18; на выходе устройства выборки и хранения 8 информация о значении Δ/Σ от излучения третьей вспомогательной антенны 19; на выходе устройства выборки и хранения 9 информация о значении Δ/Σ от излучения i-той вспомогательной антенны и, наконец, на выходе устройства выборки и хранения 10 информация о значении Δn/Σ от излучения n-й вспомогательной антенны.
Одним из наиболее важных параметров, характеризующих в радиолокации пеленгационную характеристику системы А-О с точки зрения точности сопровождения, является пеленгационная ошибка системы А-О, то есть смещение электрической оси пеленгационной антенны 1 относительно ее оптической оси, выражающееся в сдвиге нуля пеленгационной характеристики, вызванный влиянием обтекателя 2 в системе А-О по сравнению со случаем отсутствия обтекателя 2.
В предлагаемом измерителе пеленгационных характеристик систем А-О для исключения погрешностей, вносимых амплитудно-фазовыми нестабильностями СВЧ кабелей и СВЧ элементами, включаемых между выходами СВЧ антенны и входами СВЧ детекторов, СВЧ детекторы измерителя отношения разностного к суммарному сигналу 5 подключаются непосредственно к выходам пеленгационной антенны 1. Поскольку при таком подключении СВЧ детекторы измерителя отношения разностного к суммарному сигналу 5 реагируют только на амплитудные значения детектируемых сигналов без учета фазовых соотношений между разностными и суммарными сигналами, пеленгационная характеристика, характерная для известных устройств и имеющая вид нечетной функции, преобразуется в четную функцию. На фиг.2,а пунктирной кривой изображена пеленгационная характеристика, формируемая на выходе известного измерителя отношения разностного сигнала к суммарному сигналу, которая имеет вид нечетной функции, а сплошной кривой на фиг.2,б изображена пеленгационная характеристика, формируемая на выходе измерителя отношения разностного сигнала к суммарному сигналу 5 при подключении СВЧ детекторов измерителя отношения разностного к суммарному сигналу 5 непосредственно к выходам пеленгационной антенны 1, что применено в предлагаемом изобретении.
Как видно из фиг.2,б, при подключении СВЧ детекторов непосредственно к выходу пеленгационной антенны 1 теряется информация о знаке пеленгационной характеристики относительно направления электрической оси системы А-О, соответствующего нулю пеленгационной характеристики. Для восстановления полной информации о пеленгационной характеристике, включая ее знак и фазовые соотношения между разностными и суммарным сигналами, в предлагаемом изобретении дополнительно введены последовательно соединенные блок формирования вариантов 11, входы которого подключены к выходам устройств выборки и хранения 6, 7, 8, 9, 10, блок определения коэффициентов разложения пеленгационной характеристики для различных вариантов 12 и блок выбора оптимального варианта 13, выходы которого соединены с входами блока решений системы n-линейных уравнений 14.
0
Рассмотрим работу устройства на примере использования трех вспомогательных антенн 18, 19, 20, две из которых разнесены на углы ±Δα относительно направления электрической оси пеленгационной антенны 1 в отсутствии обтекателя 2, а центральная вспомогательная антенна 19 расположена в направлении электрической оси пеленгационной антенны 1 в отсутствии обтекателя 2.
Назначение блока формирования вариантов 11 состоит в определении возможных случаев размещения направления электрической оси испытуемой системы А-О относительно направлений на вспомогательные антенны. В рассматриваемом случае для трех вспомогательных антенн 18, 19, 20 имеют место четыре возможных варианта размещения направления электрической оси, испытуемой системы А-О (фиг.3). При этом полагается, что знак крутизны пеленгационной характеристики системы А-О известен, в данном случае он выбран положительным для всех измерительных каналов.
0
0
0
0
В первом варианте направление электрической оси системы А-О (фиг.3) соответствует пеленгационным ошибкам Δα, расположенным в зоне -∞≤Δα≤-Δα; второй вариант (фиг.3) соответствует случаю размещения пеленгационных ошибок Δα в диапазоне - Δα<Δα≤0; третий вариант (фиг.3) соответствует случаю размещения пеленгационных ошибок Δα в диапазоне 0≤Δα<Δα; четвертый вариант (рисунок 3) соответствует случаю размещения пеленгационных ошибок Δα в диапазоне Δα≤Δα≤∞.
В блоке определения коэффициентов разложения пеленгационной характеристики для различных вариантов 12 для последующего определения оптимального варианта предварительно вычисляются коэффициенты разложения пеленгационной характеристики, представляемой в виде полинома. При этом для каждого из вариантов коэффициенты полинома могут быть определены, например, методом наименьших квадратов. При количестве вспомогательных антенн равных n, после обработки сигналов, принятых от каждой вспомогательной антенны, можно определить коэффициенты полинома n-1 степени.
-1
0
1
0
1
-1
1
-1
0
-1
0
1
В частности, при наличии трех вспомогательных антенн для первого варианта (фиг.3) знаки напряжений Р, Р, Р на выходе измерителя отношения разностного сигнала к суммарному сигналу 5, соответствующих сигналам, принятым от вспомогательных антенн 18, 19, 20, не меняются. Для второго варианта (фиг.3) знаки напряжений Р, Р на выходе измерителя отношения разностного сигнала к суммарному сигналу 5, соответствующих сигналам, принятым от вспомогательных антенн 19, 20, не меняются, а знак напряжения Р, принятого от вспомогательной антенны 18, меняется на противоположный. Для третьего варианта (фиг.3) знак напряжения Р на выходе измерителя отношения разностного сигнала к суммарному сигналу 5, соответствующий сигналу принятого от вспомогательной антенны 20, не меняется, а знаки напряжений Р, Р, соответствующие сигналам, принятым от вспомогательных антенн 18, 19, меняются на противоположные. Для четвертого варианта (фиг.3) знаки напряжений Р, Р, Р на выходе измерителя отношения разностного сигнала к суммарному сигналу 5, соответствующих сигналам, принятым от вспомогательных антенн 18, 19, 20, меняются на противоположные.
-1
0
1
0А-O
1A-O
2А-О
0А-О
1А-O
2А-O
По сигналам Р, Р, Р от трех вспомогательных антенн можно предварительно вычислить три коэффициента разложения пеленгационной характеристики систем А-О: С; С; С. При этом коэффициент С характеризует смещение нуля пеленгационной характеристики; коэффициент С характеризует крутизну пеленгационной характеристики; коэффициент С характеризует искажения пеленгационной характеристики второго и более высокого порядка.
2А-O
2А-O
В блоке выбора оптимального варианта 13 осуществляется анализ значений коэффициента С для различных вариантов. Из анализа различных вариантов на фиг.3 следует, что оптимальному варианту должен соответствовать вариант, при котором абсолютное значение коэффициента С минимально, а пеленгационная характеристика системы А-О для оптимального варианта в наилучшей степени приближается к линейной зависимости.
0
-1
0
1
-1
0
1
0
2А-O
Для пояснения принципа работы предлагаемого устройства рассмотрим частный случай, соответствующий третьему варианту (фиг.3), при котором ноль пеленгационной характеристики находится в пределах 0≤Δα<Δα, а уровни сигналов Р, Р, Р регистрируемых на выходах соответствующих устройств выборки и хранения помечены точками т.А, т.В, т.С. Ввиду того, что входы СВЧ детекторов в предлагаемом устройстве подключены непосредственно к выходам пеленгационной антенны и вид пеленгационной характеристики соответствует фиг.2,б) каждый из сигналов Р, Р, Р имеет положительное значение. В соответствии с описанными выше алгоритмами обработки в устройстве выбора оптимального варианта 13 будет выбран случай, при котором пеленгационная характеристика проходит через точки т.А', т.В', т.С (фиг.3), то есть представляет собой функциональную зависимость, в наилучшей степени приближающуюся к линейной, аналогичную пеленгационной характеристике, формируемой в известных измерителях. Как видно из фиг.3, оптимальному варианту соответствуют отрицательные знаки сигналов, принятых от вспомогательных антенн, расположенных в направлениях -Δα и 0, так как анализ всех других вариантов, осуществляемый в блоке выбора оптимальных вариантов 13, покажет, что в других случаях образуются нелинейные зависимости, характеризуемые существенно большими абсолютными значениями коэффициента С по сравнению с оптимальным вариантом.
-1
0
1
На фиг.4 в качестве примера для упомянутого выше случая трех вспомогательных антенн 18, 19, 20 приведены алгоритмы обработки сигналов Р, Р, Р, реализованные в блоке формирования вариантов 11, в блоке определения коэффициентов разложения пеленгационной характеристики для различных вариантов 12 и в блоке выбора оптимального варианта 13.
Таким образом, введение новых блоков и новых связей в предлагаемом измерителе пеленгационных характеристик систем А-О, а именно введение последовательно соединенных блока формирования вариантов 11, входы которого соединены с выходами устройств выборки и хранения 10, блока определения коэффициентов разложения пеленгационной характеристики для различных вариантов 12 и блока выбора оптимального варианта 13, выходы которого соединены с входами блока решений системы n-линейных уравнений для пеленгационной характеристики 14, а также подключение СВЧ детекторов измерителя отношения разностного сигнала к суммарному сигналу 5 непосредственно к выходам пеленгационной антенны 1, позволяет получить в предлагаемом изобретении качественно новый эффект в виде повышения точности измерений с одновременным упрощением конструкции измерителя отношения разностного сигнала к суммарному сигналу 5.