Адаптивная антенная решетка для бистатической радиолокационной системы
ADAPTIVE ANTENNA ARRAY FOR BISTATIC RADAR SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для создания бистатической радиолокационной системы (РЛС), использующей в качестве сигнала подсвета воздушных целей зондирующий радиосигнал наземного передатчика.
При радиолокации малоразмерных подвижных воздушных целей бистатической РЛС, приемник РЛС принимает отраженный сигнал от воздушной цели, зондирующий сигнал радиопередатчика РЛС и сигналы, отраженные от крупноразмерных объектов, находящихся в зоне действия (работы) бистатической РЛС. При этом уровень зондирующего сигнала от радиопередатчика и сигналов, отраженных от крупногабаритных объектов, значительно превышают уровень сигнала, отраженного от воздушной цели. Фактически эти сигналы являются помехами, которые маскируют слабый сигнал, отраженный от цели, что не позволяет обнаружить факт наличия воздушной цели и определить параметры ее движения. Таким образом, в бистатической РЛС возникает актуальная задача компенсации зондирующего сигнала от радиопередатчика и сигналов, отраженных от крупноразмерных объектов.
Известна бистатическая РЛС [1], состоящая из передатчика и приемника. Работа РЛС заключается в излучении передатчиком зондирующего радиосигнала, измерении расстояния до воздушной цели и направления на воздушную цель. Но в этой бистатической РЛС отсутствует возможность компенсации зондирующего радиосигнала от радиопередатчика, который может поступать от передатчика напрямую в приемник, и сигналов, отраженных крупногабаритных объектов.
Известна адаптивная антенная решетка [2], содержащая N антенных элементов, соединенных через комплексные весовые умножители с входами общего сумматора, N адаптивных контуров, первые входы которых соединены с выходами соответствующих антенных элементов, а вторые входы - с выходом общего сумматора. Первые выходы адаптивных контуров подключены к соответствующим входам комплексных весовых умножителей. Первые и вторые входы блока максимизации выходной мощности соединены соответственно с первыми и вторыми выходами адаптивных контуров, а его выходы - с соответствующими входами адаптивных контуров. Адаптивная антенная решетка (ААР) обладает большей помехозащищенностью по отношению к помеховым сигналам независимо от их полосы частот.
Недостатком данной ААР является то, что она не обеспечивает компенсацию зондирующего сигнала от радиопередатчика и сигналов, отраженных от крупногабаритных объектов в бистатической РЛС.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является адаптивная антенная решетка [3, с. 13, рис. 1.1], в состав которой входят N антенных элементов, диаграммообразующая схема, состоящая из N блоков комплексного взвешивания сигналов и сумматора, и адаптивный процессор. Комплексное взвешивание производится с помощью устройств с квадратурными каналами. Один из выходов каждого антенного элемента соединен с входом соответствующего блока комплексного взвешивания сигналов, выходы блоков комплексного взвешивания сигналов подключены к входам сумматора, выход которого является выходом адаптивной антенной решетки. Вторые выходы излучателей соединены с входами адаптивного процессора, вход управления которого подключен к выходу адаптивной антенной решетки. Сигнальные выходы адаптивного процессора соединены с управляющими входами блоков комплексного взвешивания сигналов. В адаптивном процессоре происходит формирование вектора весовых коэффициентов
W(t)=W(t-1)+ks(t)[X*(t)-W(t) s*(t)],
н
где  - оператор транспонирования и комплексного сопряжения,
t=1, 2, … - дискретные отсчеты времени,
* - оператор комплексного сопряжения
k - скалярный коэффициент усиления,
s(t) - сигнал на выходе антенной решетки,
1
2
N
- вектор весовых коэффициентов w(t), w(t), …, w(t),
1
2
N
- вектор входных сигналов x(t), x(t), …, x(t).
Константа k, характеризует коэффициент усиления контура адаптации, влияющий на устойчивость и скорость оптимизации. Очевидно, что при фиксированном значении k невозможно обеспечить одновременно высокую скорость адаптации и малую дисперсию остаточных помех. Для того чтобы удовлетворить этим двум противоречивым условиям, необходимо иметь большой коэффициент k в переходном режиме и относительно малый - в установившемся процессе адаптации.
Технической задачей изобретения является обеспечение высокой скорости адаптации и малой дисперсии остаточных помех при малых отношениях амплитуды сигнала, отраженного от воздушной цели, к амплитудам зондирующего сигнала от радиопередатчика и сигналов, отраженных от крупногабаритных объектов.
1
2
3
ц
1
2
3
ц
Сущность изобретения адаптивной антенной решетки для бистатической радиолокационной системы поясняется следующими рисунками. На фиг. 1 показана структурная схема ААР, на фиг. 2 показаны результаты до компенсации: а) отклики согласованного фильтра, подключенного к выходу сумматора, на зондирующий сигнал u от радиопередатчика, на сигналы u и u, отраженные от крупногабаритных объектов, и на сигнал u, отраженный от воздушной цели, в отсутствии компенсации мощных сигналов; b) диаграмма направленности ААР; на фиг. 3 показаны результаты после компенсации: а) отклики согласованного фильтра, подключенного к выходу сумматора, на зондирующий сигнал u от радиопередатчика, на сигналы u и u, отраженные от крупногабаритных объектов, и на сигнал u, отраженный от воздушной цели после компенсации мощных сигналов; b) диаграмма направленности ААР.
Адаптивная антенная решетка для бистатической радиолокационной системы состоит из антенной решетки 1, состоящей из N антенных элементов l.n (n=1, 2, …, N), диаграммообразующей схемы 2, состоящей из N блоков весовых коэффициентов 2.n, сумматора 3, адаптивного процессора 4, состоящего из блока формирования градиента 4.1, блока нормирования градиента 4.2, блока расчета коэффициента усиления 4.3, блока формирования весовых коэффициентов 4.4, блока нормирования весовых коэффициентов 4.5, блока задержки 4.6.
Выходы элементов 1.n антенной решетки 1 соединены с входами блоков весовых коэффициентов 2.n диаграммообразующей схемы 2 и с входами блока формирования градиента 4.1.
Выходы блока формирования градиента 4.1 соединены с входами блока нормирования градиента 4.2.
Выходы блока нормирования градиента 4.2 соединены с входами блока формирования весовых коэффициентов 4.4. и с блоком расчета коэффициента усиления 4.3.
Выход блока расчета коэффициента усиления 4.3 соединен с входом блока формирования весовых коэффициентов 4.4.
Одни выходы блока формирования весовых коэффициентов 4.4 соединены с блоком нормирования весовых коэффициентов 4.5, другие выходы соединены с блоком задержки 4.6, выходы которого соединены с другими входами блока формирования градиента 4.1.
Выходы блока нормирования весовых коэффициентов 4.5 соединены с входами блоков весовых коэффициентов 2.n, выходы которых соединены с сумматором 3.
Выход сумматора 3 является выходом ААР и соединен с одним из входов блока формирования градиента 4.1.
n
м
Адаптивная антенная решетка для бистатической радиолокационной системы работает следующим образом. На каждый элемент l.n антенной решетки 1 поступают входные сигналы x(t), n=l, 2, …, N, где N - число элементов антенной решетки 1, в виде аддитивной смеси из М сигналов uот источников радиоизлучения и сигналов, отраженных от различных объектов, которые далее поступают в блоки весовых коэффициентов 2.n диаграммообразующей схемы 2 и в блок формирования градиента 4.1 адаптивного процессора 4.
n
n
H
Поступив в блоки весовых коэффициентов 2.n диаграммообразующей схемы 2, входные сигналы x(t) умножаются на весовые коэффициенты w(t), n=1, 2, …, N и передаются в сумматор 3 где формируется выходной сигнал s(t)=W(t)X(t).
2
В блок формирования градиента 4.1 поступает вектор входных сигналов Х(t), выходной сигнал s(t), а также вектор весовых коэффициентов W(t-1) с выхода блока 4.4, задержанный на один временной отсчет в блоке задержки 4.6, на основе которых формируется градиент G(t)=s(t)[X*(t)+W(t-1)s*(t)] среднего квадрата E{s(t)} выходного сигнала s(t).
H
Сформированный градиент G(t) из блока формирования градиента 4.1 поступает в блок нормирования градиента 4.2. В блоке нормирования градиента 4.2 производится нормирование градиента , где  - норма градиента, после чего нормированный градиент G(t) передается в блок расчета коэффициента усиления 4.3 и в блок формирования весовых коэффициентов 4.4.
Н
Н
На основании поступившего в блок 4.3 нормированного градиента G(t) в текущий временной отсчет t, и хранящихся в блоке 4.3 значения нормированного градиента G(t-1) и значения коэффициента усиления k(t-1) в предыдущий временной отсчет t-1, рассчитывается текущее значение коэффициента усиления
где 0<α<1 - константа, обеспечивающая скорость изменения коэффициента усиления k(t), Re - вещественная часть от комплексного числа, которое передается в блок формирования весовых коэффициентов 4.4.
H
H
Блок формирования весовых коэффициентов 4.4, получив нормированный градиент G(t) и коэффициент усиления k(t), на основании хранящегося в нем предыдущего значения вектора весовых коэффициентов W(t-1) производит текущую оценку вектора весовых коэффициентов W(t)=W(t-1)+k(t)G(t), которую передает в блок нормирования весовых коэффициентов 4.5. и в блок задержки 4.6.
Блок задержки 4.6 обеспечивает задержку вектора весовых коэффициентов W(t) на один временной отсчет и выдачу задержанного вектора весовых коэффициентов W(t-1) в блок формирования градиента 4.1.
n
n
n
В блоке нормирования весовых коэффициентов 4.5 производится нормирование вектора весовых коэффициентов  где  - норма вектора весовых коэффициентов, после чего весовые коэффициенты w(t) (n=1, 2, …, N) передаются в блоки 2.n весовых коэффициентов диаграммообразующей схемы 2, где происходит умножение входных сигналов x(t) на соответствующие весовые коэффициенты w(t), после чего они передаются в сумматор 3 для формирования выходного сигнала
1
2
n
Таким образом, для функционирования адаптивного процессора 4 необходимы только вектор входных сигналов x(t), x(t), …, x(t) с каналов антенной решетки 1 и выходной сигнал s(t).
1
2
3
ц
При моделировании работы адаптивной антенной решетки для бистатической радиолокационной системы задавались зондирующий сигнал u от радиопередатчика, сигналы u, u, отраженные от крупногабаритных объектов, и сигнал u, отраженный от воздушной цели.
Антенная решетка 1 - кольцевая, радиусом 0,6 м, содержит 7 антенных элементов с круговой диаграммой направленности, расположенных равномерно на окружности.
1
1
2
3
ц
1
2
3
В качестве зондирующего сигнала u используется фазоманипулированный сигнал с расширением спектра М-последовательностью длиной 1023 дискрета с 10 цифровыми отсчетами на дискрете. Несущая частота сигнала составляет 300 МГц. Амплитуда зондирующего сигнала u прямого распространения на входе антенной решетки 1 равна 1000. Амплитуды двух сигналов u и u, отраженных от крупногабаритных объектов, равны 500 и 150. Амплитуда сигнала u, отраженного от воздушной цели, равна 20, что в 50 раз меньше амплитуды зондирующего сигнала u прямого распространения и в 25 и в 7.5 раз соответственно меньше амплитуд сигналов u и u, отраженных от окружающих объектов. Среднеквадратическое значение аддитивного шума в каналах антенной решетки равно 20, т.е. уровень шума сравним с уровнем сигнала, отраженного от воздушной цели.
Направления прихода радиосигналов составляют: 30° - направление прихода прямого зондирующего радиосигнала, 60° и 90° - направления прихода радиосигналов, отраженных от окружающих объектов, 120° - направление прихода сигнала, отраженного от воздушной цели.
Отраженный от воздушной цели радиолокационный сигнал задержан относительно радиолокационного сигнала прямого распространения на 5870 отсчетов, отраженные от объектов радиосигналы задержаны относительно прямого зондирующего сигнала на 1170 и 3130 отсчетов.
1
2
3
ц
На фиг. 2а приведены отклики согласованного фильтра, подключенного к выходу сумматора 3 адаптивной антенной решетки, на зондирующий сигнал u, на сигналы u, u, отраженные от крупногабаритных объектов, и на сигнал u, отраженный от воздушной цели, в отсутствии их компенсации. На фиг. 2b приведена диаграмма направленности антенной решетки 1 в исходном состоянии (весовые коэффициенты равны 1), выраженная в децибелах. Эта диаграмма имеет круговую форму на уровне около 9 дБ.
ц
На фиг. 3а приведены результаты компенсации зондирующего сигнала и отраженных сигналов от крупногабаритных объектов на выходе согласованного фильтра, а также результат выделения сигнала, отраженного от воздушной цели u. На фиг. 3b приведена диаграмма направленности ААР после компенсации, выраженная в децибелах. При этом константа α, обеспечивающая скорость изменения коэффициента k(t), была равна α=0.15.
ц
Из фиг. 3b видно, что в диаграмме направленности в направлениях на зондирующий сигнал, а также на сигналы, отраженные от крупногабаритных объектов, сформировались глубокие, около 50 дБ, провалы. В направлении на сигнал, отраженный от воздушной цели u(120°), уровень диаграммы направленности уменьшился незначительно относительно уровня для случая без компенсации. При этом процесс адаптации завершается в течение времени приема первой М-последовательности сигнала.
Таким образом, предлагаемая адаптивная антенная решетка для бистатической радиолокационной системы позволяет:
- компенсировать прямой зондирующий сигнал и сигналы, отраженные от стационарных объектов, значительно превышающие уровень сигнала, отраженного от цели;
- выделить полезный, отраженный от цели, сигнал.
Источник информации.
1. Ковалев Ф.Н. Кондратьев В.В. Особенности угломерно-дальномерного метода определения местоположения цели в просветных бистатических радиолокаторах. Журнал Радиоэлектроники: электронный журнал. №4, 2014.
2. Патент 2099838 РФ, МПК H01Q 21/00. Адаптивная антенная решетка / А.В. Колинько и др. (РФ); Военная академия связи (РФ) - №9595114216; Заявлено 08.08.1995; Опубл. 20.12.1997 г. - 14 с.: 12 ил.
3. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1986. - 448 с.