Способ измерения угла места радиолокационных целей цилиндрической фазированной антенной решеткой
METHOD OF MEASURING ELEVATION ANGLE OF RADAR TARGETS BY CYLINDRICAL PHASED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях.
В настоящее время большое распространение получают РЛС с фазированной антенной решеткой (ФАР), которые позволяют осуществлять быстрый обзор пространства, адаптацию к конкретной радиообстановке, обеспечение электромагнитной совместимости и т.д. Из РЛС с фазированной антенной решеткой особый интерес вызывают цилиндрическая и кольцевая (кольцевая - частный случай цилиндрических решеток) фазированная антенная решетка. Цилиндрическая фазированная антенная решетка обеспечивает возможность широкоугольного (до 360°) сканирования лучом неизменной ширины и формы в азимутальной плоскости (Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток: Учеб. пособие для вузов, B.C. Филиппов, Л.И. Пономарев, А.Ю. Гринев и др. под ред. Д.И. Воскресенского 2-е изд. М. Радио и связь, 1994, стр. 126) в отличие от плоских, в которых предельные значения угла сканирования составляют величины порядка 60-70° (Справочник по радиолокации, редактор М. Сколник пер. с английского, изд. «Советское Радио» М. 1977 т. 2, стр. 135.). Кроме того, в цилиндрической фазированной антенной решетке слабая по сравнению с плоскими взаимная связь между излучателями (Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток: Учеб. пособие для вузов, B.C. Филиппов, Л.И. Пономарев, А.Ю. Гринев и др. под ред. Д.И. Воскресенского 2-е изд. М. Радио и связь, 1994, стр. 126), что уменьшает зависимость диаграммы направленности от частоты и от положения луча в пространстве (Антенны с электрическим сканированием, О.Г. Вендик, М.Д. Парнес под ред. Л.Д. Бахраха. - Москва: Сайнс-Пресс, 2002, с 154-155).
Цилиндрическая фазированная антенная решетка представляет собой систему излучателей, расположенных по окружности. Пространственная ориентация излучателей такова, что направление максимума диаграммы направленности каждого из них совпадает с направлением радиуса соответствующей антенной решетки в месте расположения излучателя. Под излучателем следует понимать, как одиночный излучатель, так и систему из нескольких излучателей (Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток: Учеб. пособие для вузов, B.C. Филиппов, Л.И. Пономарев, А.Ю. Гринев и др. под ред. Д.И. Воскресенского 2-е изд. М. Радио и связь, 1994, стр. 126). При разработке радиолокационной станции (РЛС) с цилиндрической фазированной антенной решетки возникает задача создания РЛС, способной определять не только азимут и дальность но и высоту радиолокационных целей.
Существуют различные способы определения высоты за счет сканирования диаграммы направленности в угломестной плоскости (способы электронного сканирования, фазовый и проч.), которые могут быть реализованы для кольцевых фазированных антенных решеток.
Рассмотрим некоторые из этих способов. 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.) Таким образом, для получения узкой в вертикальной плоскости диаграммы направленности такая антенна должна обязательно иметь большое количество вертикально расположенных строк, с помощью которых создается узкая в вертикальной плоскости диаграмма направленности. Кроме того, для получения сканирования диаграммы направленности в вертикальной плоскости необходимо изменять амплитудно-фазовое или фазовое распределение вертикально расположенных строк.
Известен еще способ измерения углов места - метод парциальных диаграмм. Сущность этого метода заключается в том, что диаграмма направленности антенны на передачу имеет косекансную форму, а на прием антенна РЛС имеет диаграмму направленности 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 т стр. 129). Метод парциальных диаграмм позволяет достаточно точно определять угол места (высоту). Однако для получения диаграммы направленности в виде нескольких узких лепестков, расходящихся веером в угломестной плоскости антенна должна обязательно иметь большое количество вертикально расположенных строк (излучателей), с помощью которых создается диаграмма направленности с набором из нескольких узких лепестков в вертикальной плоскости. Так в РЛС 22Ж6 используется эквидистантная 55-элементная рупорная линейная решетка излучателей (Основы построения радиолокационных станций радиотехнических войск учебник под общей редакцией В.Н. Тяпкина г. Красноярск 2011 т стр. 142).
Другим способом измерения угла места, выбранным в качестве прототипа в связи со сходством выполняемой технической задачи, является фазовый метод, (также гониометрический, как разновидность фазового). Фазовый метод измерения угла базируется на измерении разности фаз электромагнитных колебаний, принимаемых различными приемными каналами РЛС (Основы построения радиолокационных станций радиотехнических войск учебник под общей редакцией В.Н. Тяпкина г. Красноярск 2011 т стр. 123-125). При использовании гониометрического (разновидность фазового) способа для измерения угла места не обязательно иметь большое количество вертикально расположенных строк (излучателей), достаточно антенной решетки, состоящей только из двух подрешеток с разнесенными по высоте фазовыми центрами (пат. №2317566, МПК G01S 13/06, опубликовано 20.02.2008). Однако, для измерения угла антенная решетка должна содержать, как минимум, две горизонтальные подрешетки с разнесенными по высоте фазовыми центрами.
Технический результат предлагаемого изобретения - измерение угла места радиолокационных целей радиолокационной станцией с цилиндрической фазированной антенной решеткой, т.е. антенной решеткой, которая представляет собой систему излучателей, расположенных по окружности в горизонтальной плоскости, причем система из нескольких излучателей (либо одиночный излучатель) соединена с передающей и приемной системой излучателей, системы из нескольких излучателей (либо одиночный излучатель) формируют одинаковые диаграммы направленности, и направление максимума диаграммы направленности каждой системы излучателей (либо одиночного излучателя) совпадает с направлением радиуса соответствующей антенной решетки в месте расположения системы излучателей.
Другой технический результат предлагаемого изобретения - увеличение зоны обнаружения на разных углах места.
Указанный технический результат достигается тем, что в радиолокационной станции с цилиндрической фазированной антенной решеткой, содержащей излучатели, расположенные по окружности в горизонтальной пллоскости, соединенные с передающей и приемной системами, и обеспечивающей необходимую диаграмму направленности за счет формирования фазовых сдвигов сигналов на каждом излучателе, в приемных сигналах измеряют разность фаз на различных излучателях антенной решетки, расположенных по окружности в горизонтальной плоскости, затем сравнивают полученные разности фаз и по полученным значениям разности фаз определяют значение угла места.
Другой технический результат достигается тем, что в радиолокационной станции с цилиндрической фазированной антенной решеткой, содержащей излучатели, расположенные по окружности в горизонтальной плоскости, соединенные с передающей и приемной системами, имеющие одинаковые диаграммы направленности используются, по крайней мере, два СВЧ-сигнала разной частоты, формирующие различные фазовые сдвиги сигналов на каждом излучателе для обеспечения нужной диаграммы направленности (излучения плоского поля) при различных углах места.
В предложенном способе имеются существенные отличия от рассмотренных выше способов определения угла места.
Во всех известных способах определения угла места необходимо: во-первых, несколько, (как минимум две, при использовании гониометрического способа) разнесенных по высоте (вертикально) систем излучателей (строк с несколькими излучателями);
во-вторых, измерение и изменение фаз осуществляется в излучателях (строках), расположенных вертикально, т.е. происходит измерение (изменение) вертикального амплитудно-фазового (фазового) распределения в антенне РЛС.
Это все относится также и к способу определения угла места цилиндрической антенной решеткой, в которой необходимо создавать на излучателях, расположенных по образующим цилиндра, линейное управляемое фазовое распределение (Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток: Учеб. пособие для вузов, B.C. Филиппов, Л.И. Пономарев, А.Ю. Гринев и др. под ред. Д.И. Воскресенского 2-е изд. М. Радио и связь, 1994, стр. 128).
В предложенном способе для определения угла места может использоваться одна строка излучателей, а измерение и изменение фаз СВЧ-сигналов осуществляется в излучателях строки, т.е. в излучателях, расположенных горизонтально, а не вертикально, как во всех рассмотренных способах.
Таким образом, во всех рассмотренных известных способах измерения угла места радиолокационных целей используется антенны с несколькими вертикально расположенными горизонтальными строками (в методе электронного сканирования, в котором используется остронаправленная в вертикальной плоскости антенна, кроме того, необходимо большое количество вертикально расположенных горизонтальных строк), либо несколько независимых разнесенных по вертикали антенн.
Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Сущность изобретения будет более понятна из приведенного описания и прилагаемых к нему графических материалов.
На фиг. 1 показана цилиндрическая (кольцевая) фазированная антенная решетка, с излучателями (вид «сверху»), где введены следующие обозначения:
R - радиус цилиндра;
0
φ - направление луча;
0
1
i
N/2
φ, φ, φ, φ - угловые положения 0-ого, 1-ого, i-ого N/2 излучателей в азимутальной плоскости;
0
L - плоскость, ортогональная направлению луча (совпадает с направление луча φ).
На фиг. 2 приведена таблица, в которой показаны разности фаз СВЧ-сигналов, приходящих от излучателей цилиндрической (кольцевой) решетки при двух значениях (20° и 40°) угловой координаты цели
На фиг. 3 показаны:
0
1
1 - диаграмма направленности ФАР под углом θ к плоскости антенной решетки на частоте f;
0
2
2 - диаграмма направленности ФАР под углом θ к плоскости антенной решетки на частоте f.
Поясним принцип определения высоты радиолокационных целей цилиндрической (кольцевой) фазированной антенной решеткой.
Рассмотрим в качестве примера кольцевую фазированную антенную решетку, в которой угол падения СВЧ-сигнала (угол места) равен нулю (нормальное падение СВЧ-сигнала, волновой фронт перпендикулярен плоскости, в которой расположены излучатели) (см. Фиг. 1). Для цилиндрической антенной решетки рассуждения аналогичны.
Для заданного направления, в котором находится цель, формируется ДН, главный луч ДН имеет направление на цель. Для формирования этой ДН, в принимаемом от каждого излучателя СВЧ-сигнале изменяют фазу на некоторое значение. Это необходимо для компенсации разности хода между центральным излучателем и другими излучателями. Разность хода между центральным излучателем и i- излучателем равна:
где:
i - номер излучателя;
N - общее количество излучателей;
R - радиус круга.
Из приведенного выражения (1) видно, что разность хода между центральным излучателем и другими излучателями различна, т.е. у каждого излучателя своя разность хода. Следовательно, значение фазы для компенсации разности хода между центральным излучателем и i-излучателем строго определенно, т.е. СВЧ-сигнал, подводимый к каждому излучателю, имеет свой сдвиг по фазе, который равен:
0
При падении СВЧ-сигнала под некоторым углом θ (волновой фронт не перпендикулярен плоскости, в которой расположены излучатели) значение сдвига по фазе отлично от значения фазового сдвига при нормальном падении. И СВЧ-сигнал, подводимый к каждому излучателю, имеет также свое значение сдвига по фазе, отличное от значения фазового сдвига при нормальном падении. Из этого следует, что, зная величину фазового сдвига для нескольких (каждого) СВЧ-сигналов, приходящих от соответствующих излучателей можно, анализируя эти значения, однозначно определить угловую координату цели.
В табл. 1 показаны разности фаз СВЧ-сигналов, приходящих от излучателей цилиндрической (кольцевой) решетки при двух значениях (20° и 40°) угловой координаты цели. Расчет выполнен для цилиндрической (кольцевой) решетки (R=10λ), содержащей 31 излучатель. Из приведенных значений видно, что для каждой угловой координаты цели существует свой набор разности фаз СВЧ-сигналов, приходящих от излучателей, и это позволяет однозначное определить угловую координату цели.
0
0
1
Очевидно, что из-за изменения разности хода между центральным излучателем и другими излучателями вследствие падения СВЧ-сигнала под некоторым углом θ, для кольцевой фазированной антенной решетки можно сформировать в азимутальной плоскости ДН с узким главным лучом только в ограниченном диапазоне углов. Это иллюстрируется ДН, изображенной на Фиг. 3, (1 - диаграмма направленности ФАР в случае, падения СВЧ-сигнала под углом θ к плоскости антенной решетки на частоте f). Диаграмма направленности рассчитана, для случая, когда угол падения СВЧ-сигнала равен 40 град при первоначальном фазовом распределении (синфазное распределение при угле падения СВЧ-сигнала, равном 0 град.). Из приведенной на Фиг. 3 - диаграммы направленности 1 видно, что диаграмма (угол падения СВЧ-сигнала равном 40 град.) не имеет ярко выраженного главного луча.
Использование антенны (на прием и на передачу, или только на передачу) без узкого главного луча ДН приводит к значительному снижению эффективности антенной системы, прежде всего, к снижению зоны (дальности) обнаружения, точности измерения азимутальных и угломестных координат цели и проч.
0
2
Устранить этот недостаток можно, создав необходимый для данного (определенного) угла места фазовый сдвиг СВЧ-сигнала (на передачу и на прием), подводимого к каждому излучателю. Как видно из приведенных выше выражений добиться необходимого распределения возможно за счет изменения частоты СВЧ-сигнала. При изменении частоты СВЧ-сигнала изменяется и фазовый набег. Таким образом, для получения фазового распределения, при котором диаграмма направленности будет иметь узкий главный луч в заданном угле места необходимо выбрать частоту СВЧ-сигнала таким образом, чтобы обеспечить необходимое для получения нужной диаграммы направленности, фазовое распределение (см. Фиг. 3, диаграмма направленности 2, диаграмма направленности ФАР в случае, падения СВЧ-сигнала под углом θ к плоскости антенной решетки на частоте f). Следовательно, для увеличения зоны обнаружения на разных углах места в радиолокационной станции с кольцевой фазированной антенной решетки на передачу и на прием необходимо использовать, по крайней мере, два СВЧ-сигнала разной частоты, каждый из которых обеспечивал необходимое фазовое распределение для различных углах места и, как следствие, необходимые азимутальные диаграммы направленности при различных углах места. Так как значение сдвига по фазе СВЧ-сигнала при падении под углом, подводимого к каждому излучателю, меньшее, чем значение фазового сдвига при нормальном падении, то и частота в этом случае должна быть выше.
В случае если цель, расположена под большим углом места, то она, как правило, имеет небольшую наклонную дальность, и кроме того, ЭПР цели облучаемой под большими углами, больше, чем ЭПР цели, облучаемой под малыми углами, следовательно, мощность СВЧ-сигнала подводимого к каждому излучателю, для получения требуемой диаграммы направленности под большими углами, может быть меньше, чем мощность СВЧ-сигнала для цели, облучаемой под малыми углами. Это позволит уменьшать общую мощность, потребляемую РЛС, снизить заметность РЛС на больших углах места.
Таким образом, использование двух СВЧ-сигналов разной частоты позволит получить диаграммы направленности для различных углов места нужной формы, тем самым обеспечить требуемую зону обнаружения при различных углах места, а также обеспечить необходимые точности измерения азимутальных угловых координат цели и проч. Возможно использование более двух СВЧ-сигналов разной частоты для получения диаграммы направленности нужной формы в более широком диапазоне углов места.
Использование данного изобретения позволяет создать РЛС с кольцевой фазированной антенной решеткой, способную определять высоту радиолокационных целей в широком диапазоне углов места при сохранении зоны обнаружения на разных углах места.