Способ измерения угловых координат целей радиолокационной станцией с цифровой антенной решеткой
METHOD OF MEASURING ANGULAR COORDINATES OF TARGETS BY A RADAR STATION WITH A DIGITAL ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к радиолокации, а именно к способам измерения угловых координат целей при обзоре воздушного пространства и земной поверхности, и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС) с цифровыми антенными решетками (ЦАР).
Задача обзора воздушного пространства для обнаружения целей наиболее просто решается посылкой определенной части энергии радиоволн широким лучом диаграммы направленности антенны (ДНА) в пределах заданного пространственного угла. Однако, в этом случае потребуется большая мощность передатчика РЛС при ограниченном времени на обнаружение целей и, кроме того, будет затруднено разрешение целей в пространстве по угловым координатам. В большинстве случаев применяются различные способы обзора узкими лучами ДНА РЛС. При построчном обзоре луч ДНА перемещается в горизонтальной плоскости. На границе зоны обзора луч смещается на величину, достаточную, чтобы при дальнейшем движении по горизонтали по другой строке обеспечить обзор без пропуска целей. Обзор в этом случае характеризуется равномерным распределением энергии по всем направлениям в пределах зоны обзора, а перемещение луча определяется шагом обзора. При спирально-поступательном обзоре луч ДНА совершает коническое сканирование, при этом ось вращения медленно перемещается по горизонтали. Возможны комбинации указанных способов. [Радиолокационные системы многофункциональных самолетов. Т. 1. РЛС - информационная основа боевых действий многофункциональных самолетов. Системы и алгоритмы первичной обработки радиолокационных сигналов. / Под ред. А.И. Канащенкова и В.И. Меркулова. М.: «Радиотехника», 2006 г., стр. 182-188].
Недостатками указанных способов является большое время обзора пространства.
Для сокращения времени обзора пространства на малых дальностях в РЛС используются диаграммы направленности с расширенным главным лучом, перекрывающим по ширине необходимую зону обзора. Недостатком данного способа является низкая разрешающая способность определения угловых координат обнаруженной цели, а также измерение с большими ошибками и даже невозможностью разрешения нескольких целей попавших в один широкий луч ДНА. Применение широкого луча так же приводит к снижению дальности обнаружения за счет снижения коэффициента усиления антенны.
2
2
Известен «Способ формирования диаграммы направленности цифровой антенной решеткой» [RU 2627958, опубликовано 14.08.2017, МПК H01Q 21/00, G01S 13/00]. Способ заключается в том, что формируют подрешетками цифровой антенной решетки передающую диаграмму направленности антенны вида cosec по углу места и игольчатую по азимуту и излучают зондирующий сигнал. Прием отраженного сигнала осуществляют каждой подрешеткой ЦАР, формируют приемную многолучевую ДНА по углу места и игольчатую по азимуту посредством цифрового диаграммообразования таким образом, что ее лучи по углу места перекрывают по ширине передающую ДНА cosec, формируют массив комплексных амплитуд отраженных сигналов, принятых по каждому лучу ДНА.
Недостатком указанного технического решения является недостаточная точность измерения угловых координат целей.
Технической проблемой, решаемой предлагаемым изобретением, является расширение функциональных возможностей РЛС.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности измерения угловых координат целей при высокой скорости обзора пространства.
Сущность изобретения заключается в том, что формируют подрешетками цифровой антенной решетки радиолокационной станции диаграмму направленности антенны на передачу, излучают зондирующий сигнал, осуществляют прием отраженного сигнала каждой подрешеткой ЦАР, формируют многолучевую ДНА на прием посредством цифрового диаграммообразования.
Новым в предлагаемом способе является то, что ДНА на передачу формируют перекрывающей по ширине заданную зону обзора, а многолучевую ДНА по принятым сигналам формируют суммарно-разностной таким образом, чтобы ее лучи перекрывали по ширине ДНА на передачу. Далее осуществляют обнаружение цели в каждом суммарном луче суммарно-разностной многолучевой ДНА, при обнаружении цели в суммарном луче суммарно-разностной многолучевой ДНА, осуществляют измерение угловой координаты цели в соответствующем разностном луче суммарно-разностной многолучевой ДНА.
На Фиг. 1 представлен вариант приемной части цифровой антенной решетки, осуществляющей способ.
На Фиг. 2 схематично изображен процесс обзора пространства.
На Фиг. 3 изображены формируемые диаграммы направленности антенны.
Приемная часть цифровой антенной решетки состоит из N групп излучателей (1), объединенных в подрешетки (2), выход каждой из N подрешеток (2) соединен с входом соответствующего из N аналого-цифрового преобразователя (3), выходы которых соединены с соответствующим из N сигнальным входом каждого из М блоков цифрового диаграммообразования (ЦДО) (4). Выход каждого блока ЦДО (4) соединен с входом соответствующего из М пороговых обнаружителей (7). Выход каждого порогового обнаружителя (7) соединен с входом соответствующего из М вычислителя угловых координат (8). Выход каждого из М запоминающего устройства (ЗУ) (9) соединен с информационным входом соответствующего блока ЦДО (4). Пороговые обнаружители (7), вычислители угловых координат (8) и ЗУ (9) могут быть объединены в устройство вторичной обработки сигнала (10). Блок ЦДО (4) состоит из умножителя (5), входы которого являются внешними входами блока ЦДО (4), и сумматора (6). N выходов умножителя (5) соединены с N входами сумматора (6). Выход сумматора (6) является внешним выходом блока ЦДО (4).
Способ обзора радиолокационной станцией с цифровой антенной решеткой (ЦАР) поясним на примере режима работы воздух-воздух. Бортовая радиолокационная станция (БРЛС) с цифровой антенной решеткой осуществляет сканирование воздушного пространства в заданной зоне обзора в азимутальной плоскости. Для перекрытия заданной зоны обзора в азимутальной плоскости БРЛС формирует ДНА на передачу шириной, равной ширине зоны обзора по азимуту (Фиг. 2). Диаграмма направленности на передачу может формироваться как аналоговым способом, используя устройства распределения и фазирования, как это осуществляется, например, в активной фазированной антенной решетке [RU 161794, опубликовано 10.05.2016, МПК H01Q 21/00 (2006.01)], так и цифровым способом. После формирования диаграммы направленности антенной излучается зондирующий сигнал для облучения возможных целей в зоне обзора.
Цифровая антенная решетка состоит из нескольких подрешеток (2), количество которых N определяется конкретными техническими требованиями, а именно требованиями к ширине суммарной диаграммы направленности одной подрешетки (2) в азимутальной плоскости, которая должна быть не менее ширины диаграммы направленности всей ЦАР на передачу в азимутальной плоскости. Излучатели антенны (1) принимают отраженный от целей сигнал, далее сигналы, принятые излучателями (1), объединяются в один сигнал в подрешетке (2) и он поступает с выхода каждой подрешетки (2) на вход АЦП (3). С выхода каждого АЦП (3) сигнал в цифровом виде поступает на вход каждого блока ЦДО (4).
0
Каждый блок ЦДО (4) формирует суммарно-разностную диаграмму направленности, образуя в итоге на выходе ЦАР М суммарно-разностных диаграмм направленности (лучей) на прием (Фиг. 2), с требуемым отклонением от ϕ (центра передающей диаграммы направленности). Формирование осуществляется в соответствии с алгоритмами ЦДО, например приведенными в книге [«Цифровое формирование диаграммы направленности в фазированных антенных решетках» Григорьев Л.Н., М.: «Радиотехника», 2010 г. стр. 13-22.]. Количество М блоков ЦДО (4) равняется количеству формируемых суммарно-разностных лучей ДНА на прием. Диаграмму направленности антенны формируют таким образом, что М лучей ДНА на прием в азимутальной плоскости по ширине перекрывают передающую ДНА в азимутальной плоскости. При этом ширина зоны обзора многолучевой ДНА в азимутальной плоскости определяется шириной ДНА подрешетки (2), уровень центрального луча многолучевой ДНА соответствует уровню суммарной ДНА ЦАР, а огибающая многолучевой ДНА повторяет форму ДНА подрешетки (2) (Фиг. 3).
Формирование лучей многолучевой ДНА на прием осуществляется следующим образом. Фазовые и амплитудные коэффициенты для формирования различных лучей, предварительно рассчитанные и хранящиеся в запоминающих устройствах (9) (библиотеки коэффициентов), поступают в информационный вход умножителя (5) в блоке ЦДО (4). Сигналы с выхода каждого АЦП (3) поступают в умножитель (5) блока ЦДО (4) через соответствующие N сигнальные входы. После домножения сигналов на фазовые и амплитудные коэффициенты, сигналы поступают в сумматор (6), где для формирования луча суммарной ДН, комплексные значения амплитуды и фазы сигналов, синфазно складываются и формируют требуемый отсчет суммарной ДНА, а для формирования луча разностной ДН комплексные значения амплитуды и фазы сигналов условно разбивают апертуру антенной решетки на две подрешетки и в виде потока данных сигналы, принятые левой подрешеткой, складываются в противофазе с сигналами, принятыми правой подрешеткой, и формируют требуемый отсчет разностной ДНА.
После формирования суммарно-разностной многолучевой диаграммы направленности, по сигналу принятому суммарными ДНА, БРЛС осуществляет обнаружение цели, например посредством пороговой обработки принятого сигнала, в пороговом обнаружителе (7), входящим в состав устройства вторичной обработки (10).
При обнаружении сигнала пороговым обнаружителем (7), БРЛС осуществляет измерение азимута цели амплитудным методом в вычислителе угловых координат (8) по сигналу разностной ДНА. Далее азимут цели поступает с выхода устройства вторичной обработки (10) в бортовую цифровую вычислительную машину для дальнейшей обработки.
Аналогичным образом возможно осуществить поиск, обнаружение и измерение угловой координаты цели в угломестной плоскости.
Таким образом, сформировав М приемных лучей ДНА перекрывающих передающую ДНА, осуществляется обнаружение и измерение угловой координаты цели лучами суммарно-разностной ДНА, что приводит к повышению точности измерения, при этом одновременное формирование М приемных суммарно-разностных лучей посредством цифрового диаграммообразования позволяет осуществлять мгновенный обзор зоны без сканирования, что позволяет сократить время обзора. Таким образом, достигаемый технический результат позволяет расширить функциональные возможности РЛС.