Способ измерения угла места радиолокационных целей, находящихся на больших углах места
LOCATED AT BIG ELEVATION ANGLES RADAR TARGETS ELEVATION ANGLE MEASURING METHOD

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС) с фазированной антенной решеткой.
При разработке радиолокационной станции (РЛС) возникает задача создания трехкоординатной РЛС, способной определять высоту радиолокационных целей во всем диапазоне углов места, не только на малых, но и на больших углах (более 30°) места.
Существуют несколько способов определения высоты.
Известен способ определения высоты с помощью сканирования диаграммы направленности в угломестной плоскости за счет механического перемещения антенны. Перемещение антенны по углу места осуществляется механическим качанием зеркала антенны вместе с облучателем. При этом характеристика направленности антенны качается в вертикальной плоскости в заданных пределах, что дает возможность осуществить пеленг цели по углу места (Авиационная радиолокация, Давыдов П.С., Сосновский А.А., Хаймович И.А., Справочник, М., Транспорт, 1984, стр. 125-128).
Данный метод позволяет определять угол места (высоту) радиолокационных целей в широком диапазоне углов, однако этому методу присущи следующие недостатки:
- малая скорость обзора пространства, например, частота качания антенны для посадочного радиолокатора РП-3Г составляет в зависимости от типа двигателя привода антенн 0,763 или 0.56 Гц. (Авиационная радиолокация, Давыдов П.С., Сосновский А.А., Хаймович И.А., Справочник, М., Транспорт, 1984, стр. 127). При увеличении размеров антенны (например, для увеличения точности, при уменьшении рабочей частоты) скорость обзора, как правило, становится еще меньше. При увеличении диапазоне углов, в котором необходимо определять угол места (высоту) радиолокационных целей, скорость обзора значительно уменьшается;
- сложность конструктивного исполнения и, как следствие, высокая трудоемкость при изготовлении привода антенн и СВЧ-узлов, обеспечивающих передачу (прием) СВЧ-сигнала при механическом перемещении антенны;
- высокое энергопотребление, вызванное высоким энергопотреблением двигателя привода антенн;
- низкая надежность, вызванная наличием большого количества сложных узлов и механизмов, обеспечивающих механическое перемещение антенны.
Существуют также способы определения высоты, не использующие сканирование диаграммы направленности в угломестной плоскости за счет механического перемещения антенны (способы электронного сканирования, фазовый и проч.), которые лишены некоторых недостатков, таких как, низкая скорость обзора пространства, сложность конструктивного исполнения и низкая надежность привода антенн и СВЧ-узлов, высокое энергопотребление двигателя привода антенн и т.д.
Рассмотрим некоторые из этих способов.
Например, известен такой способ измерения углов места как фазовый метод. Фазовый метод измерения угла базируется на измерении разности фаз электромагнитных колебаний, принимаемых различными приемными каналами РЛС. Точность измерения зависит от величины крутизны пеленгационной кривой (Основы построения радиолокационных станций радиотехнических войск учебник под общей редакцией В.Н. Тяпкина, г. Красноярск, 2011, стр. 124, 125). При увеличении угла места крутизна пеленгационной кривой уменьшается, что приводит к уменьшению точности измерения угла места (высоты). Таким образом, фазовый метод не позволяет точно определять угол места (высоту) на больших углах.
Широкое распространение получил метод электронного сканирования, в котором используется остронаправленная в вертикальной плоскости антенна. Такая антенна имеет большой эффективный раскрыв антенны (большое количество строк). Так высотомер в РЛС 55Ж6 имеет 16 строк, с помощью которых осуществляет последовательное электронное сканирование в угломестной плоскости. (Зачепицкий А.А. Путь к трем координатам, журнал ВОЗДУШНО-КОСМИЧЕСКАЯ ОБОРОНА, вып. 4, 2007 г.). Однако и в этом случае зона обзора по углу места составляет всего 16 град. (http://militaryrussia.ru/blog/topic-645.html), т.е. невозможно с достаточной точностью определять высоту радиолокационных целей на больших углах места.
Известен еще способ измерения углов места - метод парциальных диаграмм. Сущность этого метода заключается в том, что приемная антенна РЛС имеет ДНА в виде нескольких узких лепестков, расходящихся веером в угломестной плоскости. При этом каждому лепестку соответствует отдельный приемный канал. Данный метод используется в РЛС 22Ж6 (Основы построения радиолокационных станций радиотехнических войск учебник под общей редакцией В.Н. Тяпкина, г. Красноярск, 2011, стр. 129). Метод парциальных диаграмм позволяет достаточно точно определять угол места (высоту) на малых углах, так РЛС 22Ж6 определяет высоту цели в диапазоне углов от -2° до +27° (http://www.mil.by/ru/forces/vvspvo/equipment/456/7796), но не позволяет с достаточной точностью определять угол места (высоту) на больших углах.
Невозможность с достаточной точностью определять угол места (высоту) на больших углах методом электронного сканирования и методом парциальных диаграмм вызвано тем, что при больших углах места эффективный раскрыв антенны (эквивалентной длины) значительно меньше, чем при малых, следовательно, ширина диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости (метод электронного сканирования, в котором используется остронаправленная в вертикальной плоскости антенна) и ширина диаграммы направленности каждой из парциальных диаграмм, на больших углах увеличивается (Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток: Учеб. пособие для вузов, B.C. Филипов, Л.И. Пономарев, А.Ю. Гринев и др. под ред. Д.И. Воскресенского 2-е изд. М., Радио и связь, 1994, стр. 38), что и не позволяет с достаточной точностью определять угол места цели.
Другим способом измерения угла места, выбранным в качестве прототипа в связи со сходством выполняемой технической задачи, является способ измерения угла места радиолокационных целей радиолокационной станцией с антенной решеткой, состоящей из двух подрешеток с разнесенными по высоте фазовыми центрами, основанный на измерении отношения амплитуд сигналов в подрешетках антенны, по которому с учетом известной формы диаграмм направленности подрешеток определяют набор возможных значений углов места цели, при этом для однозначного определения угла места измерение отношения амплитуд сигналов и определение наборов возможных значений углов места производят на нескольких частотах, сравнивают полученные на разных частотах значения и принимают за истинное совпадающее на всех частотах значение угла места (пат. №2317566, МПК G01S 13/06, опубл. 20.02.2008). Данный способ имеет высокую скорость обзора пространства, высокую надежность и малое энергопотребление ввиду отсутствия дополнительных устройств, обеспечивающих механическое перемещение антенны и прохождение СВЧ-сигнала при механическом перемещении антенны. Однако этому устройству присущи следующие недостатки:
- невозможность с достаточной точностью определять высоту радиолокационных целей на больших углах места (малая зона обзора по углу места, примерно 30° (Основы радиотехники и радиолокации, В.В. Слуцкий, Б.И. Фогельсон, В.Г. Левичев, О.Г. Погодин. М., Воениздат, 1961, стр. 158);
- необходимость иметь широкую полосу рабочих частот для однозначного определения угла места.
Технический результат предлагаемого изобретения - однозначное измерение угла места радиолокационных целей, находящихся на больших углах места при малой ширине полосы рабочих частот.
Другой технический результат предлагаемого изобретения - уменьшение времени обработки СВЧ-сигналов для определения угла места радиолокационных целей.
Указанный технический результат достигается тем, что в радиолокационной станции с антенной решеткой, состоящей из подрешеток, измеряют соотношения амплитуд сигналов и определяют наборы возможных значений углов места при различных диаграммах направленности, задаваемых различными амплитудными и фазовыми распределениями в подрешетках, затем сравнивают полученные при различных диаграммах направленности значения и принимают за истинное совпадающее на всех диаграммах направленности значение угла места.
Другой технический результат достигается тем, что, например, с помощью метода электронного сканирования, в котором используется остронаправленная в вертикальной плоскости антенна или с помощью метода парциальных диаграмм «грубо» определяется диапазон углов места, в котором находится цель, а затем в этом диапазоне углов измеряют соотношения амплитуд сигналов в антенне при различных диаграммах направленности, и по измеренному соотношению с учетом известных форм диаграмм направленности антенны, определяют точное значение угла места цели.
В предложенном способе имеются существенные отличия от рассмотренных выше способов определения угла места.
В отличие от прототипа, в котором используется антенна, состоящая из двух подрешеток, у каждой из которых используется одна диаграмма направленности известной формы, в предложенном способе используется антенна, состоящая из нескольких подрешеток, синтезирующая с помощью них различные диаграммы направленности. В прототипе используются две независимые подрешетки с разнесенными по высоте фазовыми центрами, в предложенном способе фазовый центр используемых диаграмм направленности может находиться на одной высоте. Кроме того, в прототипе необходимо использовать сигналы различной частоты, в предложенном устройстве используется сигнал на одной частоте.
В отличие от метода электронного сканирования в предложенном методе антенна не имеет узких лепестков диаграммы направленности в вертикальной плоскости в направлении цели, и обзор пространства может осуществляться, не последовательно остронаправленной в вертикальной плоскости антенной (Зачепицкий А.А. Путь к трем координатам, журнал ВОЗДУШНО-КОСМИЧЕСКАЯ ОБОРОНА, вып. 4, 2007 г.), а параллельно.
В отличие от метода парциальных диаграмм используется не диаграмма направленности в виде нескольких узких лепестков, расходящихся веером в угломестной плоскости, а несколько диаграмм направленности, причем, используемые диаграммы направленности могут не иметь узких лепестков в нужном угломестном направлении, и определение угла места происходит не по определению номера узкого лепестка (канала), в котором находится цель, а по соотношению амплитуд сигналов в различных диаграммах направленности.
Таким образом, в рассмотренных известных способах измерения угла места радиолокационных целей либо используются иные методы обзора пространства, либо используются несколько независимых антенн с разнесенными фазовыми центрами.
Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Сущность изобретения будет более понятна из приведенного описания и прилагаемых к нему графиков диаграмм направленности.
На фиг. 1 показаны:
1 - диаграмма направленности №1;
2 - диаграмма направленности №2;
3 - диаграмма направленности №3;
На фиг. 2 показаны:
4 - фрагмент диаграммы направленности №4 в диапазоне углов места, в котором находится цель;
5 - фрагмент диаграммы направленности №5 в диапазоне углов места, в котором находится цель.
Поясним принцип определения высоты радиолокационных целей на больших углах места на примере работы радиолокационной станции с антенной решеткой, состоящей из подрешеток, причем определение высоты (определение значения угла места) производится при приеме отраженных от цели эхо-сигналов.
Отраженный от цели, находящейся на определенной высоте, эхо-сигнал поступает в антенную решетку, состоящую из подрешеток. В антенной решетке, имеющей несколько независимых приемных каналов, формируется несколько различных диаграмм направленности. Сигнал, принятый антенной, имеющей несколько независимых приемных каналов и, соответственно, несколько различных диаграмм направленности имеет разный уровень в зависимости от диаграммы направленности. На Фиг. 1а, б показаны различные диаграммы направленности одной антенной решетки, состоящей из 16 подрешеток, каждая из которых соединена с приемным каналом. Диаграммы направленности получены при использовании различных амплитудно-фазовых распределений.
0
0
1
N
Пусть цель расположена на некотором произвольном угле θ, показанном на графиках стрелкой. Измеряется соотношение амплитуд эхо-сигналов и по известной форме диаграмм направленности 1 и 2 определяется набор углов места θ, θ, …θ, для которых отношение сигналов имеет такое же значение, как и измеренное.
0
1
N
На фиг. 1б представлены другой набор диаграмм направленности (1 и 3). На этих диаграммах также измерено отношение амплитуд сигналов и определен другой набор углов места θ', θ', …θ'. Из сравнения графиков видно, что совпадение найденных углов места наблюдается только в точке истинного положения цели.
Все диаграммы направленности (1, 2, 3) сформированы на одной частоте.
Таким образом, для устранения неоднозначности необходимо измерение нескольких различных соотношений амплитуд эхо-сигналов, то есть необходимо иметь несколько (крайней мере, более 2-х) различных наборов диаграмм направленности, сформированными подрешетками антенной решетки.
В реальности измеренное соотношение амплитуд сигналов имеет шумовое размытие тем большее, чем меньше отношение сигнал/шум на трассе полета цели. Это уменьшает точность определения углов места и может привести к совпадению ложных измерений. В этом случае для однозначного определения угла места возможно возникнет необходимость проведения измерения амплитуд сигналов еще на одном дополнительном наборе диаграмм направленности. В некоторых случаях, это может быть определение соотношения амплитуд сигналов между другими комбинациями диаграмм направленности, в данном случае между 2 и 3.
8
Использование эхо-сигналов со значительной разницей в уровнях также снижает негативное влияние шумового размытия. Значительную разницу можно получить, используя диаграммы направленности с большой разницей в уровнях, например, в одной из диаграмм направленности в этом направлении получить, например, минимумом или максимум, или две диаграммы направленности, одну с минимумом, другую с максимумом (см фиг. 1б в районе угла θ'). Кроме того, использование диаграммы направленности, например, с глубоким, узким минимумом (крутыми фронтами) позволяет достаточно точно определять угол места.
Как видно из описания определение угла места (высоты) и устранение неоднозначности осуществляется на одной частоте, это значит, что для однозначного измерения угла места радиолокационных целей, находящихся на больших углах места не требуется широкая полоса рабочих частот.
0
Чтобы уменьшить время обработки сигналов с целью уменьшения времени определения угла места радиолокационных целей, а также с целью уменьшения нагрузки на вычислительный комплекс, необходимо, например, с помощью метода электронного сканирования или с помощью метода парциальных диаграмм «грубо» (ширина главного лепестка диаграммы направленности при 45° составляет 6° и точность определения угломестной координаты цели, в данном случае, является недостаточной) определить диапазон углов места. После приблизительного определения диапазона углов места, в котором находится цель, измеряется соотношение амплитуд эхо-сигналов в полученном диапазоне и по известной форме диаграмм направленности 4,5 в этом диапазоне углов, определяется угол места θ. Для каждого диапазона углов может быть заранее подобран набор диаграмм направленности, позволяющий точно и однозначно определять угломестную координату цели. Для определения угла места и устранения неоднозначности необходимо измерение меньшего, чем в предложенном п. 1 способе, количества различных соотношений амплитуд эхо-сигналов. Например (см. Фиг. 2), для однозначного определения угла места достаточно произвести измерение соотношения амплитуд сигналов с меньшим число наборов диаграмм направленности, в данном случае между двумя диаграммами направленности 4 и 5. Возможно также использование измерений, полученных при построении парциальных диаграмм.
Использование сначала метода электронного сканирования, или метода парциальных диаграмм для определения диапазона углов места, в котором находится цель, а затем в этом диапазоне углов измерение соотношения амплитуд сигналов в антенне при различных диаграммах направленности, и по измеренному соотношению с учетом известных форм диаграмм направленности антенны, определение точного значения угла места цели позволяет уменьшить время обработки за счет формирования меньшего количества различных диаграмм направленности и измерения соотношения амплитуд сигналов. Уменьшение времени обработки позволяет увеличить время наблюдения цели, что в свою очередь, приводит к увеличению точности определения координат.
Реализующая предложенный способ РЛС содержит антенную решетку радиолокационной станции, которая состоит из подрешеток. Количество подрешеток может быть различным и определяется количеством независимых приемных (приемо-передающих) каналов. Увеличение независимых каналов позволяет увеличивать количество диаграмм направленности, что, в конечном счете, позволяет точнее определять значения угла места цели. Антенная решетка может представлять собой антенную решетку со «сплошным» заполнением апертуры, например, как в антенне высотомера РЛС 55Ж6 (Основы построения радиолокационных станций радиотехнических войск учебник под общей редакцией В.Н. Тяпкина, г. Красноярск, 2011, стр. 144), а также может состоять из отдельных подрешеток, разнесенных в пространстве и не образующих единую антенную решетку со «сплошным» заполнением апертуры.
Предложенный метод определения высоты радиолокационных целей позволяет определять угломестные координаты на любых углах места, однако, сформированные дополнительные диаграммы направленности в некоторых случаях не позволяют получить достаточно мощный приемный сигнал от целей, которые расположены под малыми углами, т.к. цели находится, как правило, на большом удалении от РЛС. Кроме того, диаграмма направленности антенны в этом случае сильно зависит от подстилающей поверхности. Это ограничивает использование данного метода для определения угломестных координат на малых углах местности. Определение же высоты радиолокационных целей на больших углах (более 30°) места предложенным методом не зависит от подстилающей поверхности. Что касается мощности приемного сигнала, то следует отметить, что цель, расположенная под большим углом имеет, как правило, небольшую наклонную дальность, и кроме того, ЭПР цели облучаемой под большими углами, больше, чем ЭПР цели, облучаемой под малыми углами.
В случае подключения подрешеток антенной решетки радиолокационной станции к приемо-передающим модулям возможно для уточнения местоположения цели использовать различные диаграммы направленности на передачу, например, использование диаграммы направленности, главный лепесток которой имеет направление в диапазон углов, где находится цель. Это позволяет, например, уменьшить ширину диапазона углов при «грубом» определении угломестной координаты цели.
Использование данного изобретения позволяет создать трехкоординатную РЛС, способную точно определять высоту радиолокационных целей на больших углах места, не используя при этом широкую полосу рабочих частот.