УСТРОЙСТВО АДАПТИВНОЙ ПЕРЕСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ С ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СЕЛЕКЦИЕЙ

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована для повышения помехозащищенности РЛС, в которых в качестве антенной системы применяется антенная решетка со сканированием диаграммы направленности антенны (ДНА) с помощью управляемых фазовращателей, и имеющих устройство адаптивной перестройки частоты (АПЧ).
Устройство адаптивной перестройки рабочей частоты, выше указанных РЛС, используется для борьбы с прицельными узкополосными помехами. Однако современные постановщики прицельной помехи, отслеживая переход РЛС на другую рабочую точку, способны быстро перестраивать свою частоту. В этих условиях снижается эффективность устройств АПЧ. АПЧ не помогает также в случае применения противником заградительной широкополосной помехи. В этих условиях устройство АПЧ заставляет РЛС часто переходить с одной рабочей точки на другую, что затрудняет работу устройства селекции движущихся целей (СДЦ) и приводит, в конце концов, к необходимости отключения устройства АПЧ.
Подобное устройство АПЧ применяется в радиотехническом комплексе Э-801Э (Руководство по технической эксплуатации РТК Э-801Э, Жг 1.000.072). В этом устройстве адаптивной перестройки частоты производится анализ уровня мощности активных помех на различных рабочих точках, определяется рабочая частота с минимальным уровнем помех и соответствующий 4-разрядный код этой рабочей частоты выдается в систему управления рабочей частотой РЛС.
Схема выше указанного устройства представлена на фиг.1. Устройство содержит последовательно включенные устройство установки цифровых кодов управления фазовращателями для сканирования ДНА, диаграммообразующее устройство с управляемыми фазовращателями, блок усилителей высокой частоты (УВЧ), содержащий гетеродин приемного устройства, и блок усилителей промежуточной частоты (УПЧ), содержащий детектор. Выход 1 блока усилителей промежуточной частоты (выход детектора) соединен с входом анализатора уровня шумовой активной помехи, выход которого соединен с входом устройства управления частотой гетеродина приемного устройства и рабочей частотой РЛС, а выход последнего - с входом 2 блока усилителей высокой частоты. Выход 2 блока усилителей промежуточной частоты является выходом всего устройства (сигнал подается на дальнейшую обработку).
Для обеспечения помехозащищенности РЛС от заградительных (широкополосных) и следящих (прицельных) помех необходимо понизить уровень боковых лепестков ДНА в направлении действия помехи.
Повысить помехозащищенность (защиту от прицельных и заградительных помех) РЛС, использующих в качестве антенной системы антенную решетку со сканированием ДНА с помощью управляемых фазовращателей и имеющих устройство АПЧ, возможно путем модернизации устройства АПЧ, применяя дополнительную пространственную селекцию, которая заключается в предварительном формировании на каждой из рабочих частот РЛС своей азимутальной зоны режекции в области боковых лепестков ДНА в виде достаточно широкого и глубокого провала, смещающегося по азимуту в соответствии с номерами рабочей частоты и очередного бокового лепестка. Провалы формируются с помощью предварительно рассчитанных весовых коэффициентов - фазовых добавок к фазовращателям, обеспечивающим сканирование ДНА.
В соответствии с предлагаемым техническим решением модернизируется принятое за прототип устройство АПЧ, используемое в радиотехническом комплексе Э-801Э.
Технический результат предлагаемой полезной модели - возможность осуществления защиты РЛС, в которых в качестве антенной системы используется антенная решетка, а управление ДНА осуществляется с помощью цифровых фазовращателей, от прицельных и широкополосных помех, действующих по боковым лепесткам ДНА, без существенного изменения уже имеющегося устройства АПЧ и алгоритма выбора рабочей точки радиолокационной системы.
На фиг.2 изображена функциональная схема полезной модели. Заявляемое устройство содержит последовательно включенные устройство установки цифровых кодов управления фазовращателями для сканирования ДНА 1, диаграммообразующее устройство с управляемыми фазовращателями 2, блок усилителей высокой частоты с гетеродином приемного устройства 3, блок усилителей промежуточной частоты 4, выход 1 которого, выход детектора, входящего в состав блока, соединен с входом анализатора уровня шумовой активной помехи 6. Выход анализатора уровня шумовой активной помехи 6 соединен с входом устройства управления частотой гетеродина приемного устройства и рабочей частотой РЛС 5, а выход 1 последнего - с входом 2 блока усилителей высокой частоты 3. Выход 2 блока усилителей промежуточной частоты 4 является выходом заявляемого устройства. Выход 2 устройства управления частотой гетеродина приемного устройства и рабочей частотой РЛС 5 соединен с входом устройства выработки признака появления помехи 8, выполненного, например, в виде счетчика переключений, выход которого через устройство хранения цифровых добавочных кодов 7, например, в виде постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), соединен с устройством установки цифровых кодов управления фазовращателями для сканирования ДНА 1.
Устройство работает следующим образом. В служебной зоне (вне рабочей дистанции) выполняется последовательное кратковременное переключение частоты гетеродина, расположенного в блоке УВЧ 3, в соответствии с номером рабочей точки РЛС. Принятая шумовая активная помеха (ШАЛ), после ее усиления и детектирования в УПЧ 4, преобразуется в ряд последовательно расположенных шумовых импульсов, амплитуда которых зависит от номера рабочей точки изделия. Эти импульсы поступают на анализатор уровня ШАП 6, где после оцифровки происходит отбор кода минимального значения, отбирается точка с минимальной амплитудой шумового импульса, в соответствии с которой устройство управления частотой гетеродина приемного устройства и рабочей частотой РЛС 5 переводит РЛС на рабочую частоту с минимальным уровнем ШАП. При наличии следящей (много переключений частоты подряд) или широкополосной (мощность помехи практически одинакова на всех частотах) помехи включается пространственная селекция, при которой на каждой из рабочих частот формируется своя азимутальная зона режекции в виде достаточно широкого и глубокого провала в области бокового лепестка ДНА. Провалы формируются с помощью заранее вычисленных весовых коэффициентов, добавляемых к фазовращателям, обеспечивающим сканирование ДНА. Таким образом, мощность воздействующей помехи будет достаточно быстро снижена. В ходе обзора устройство адаптивной перестройки частоты будет переключать частоты так, чтобы постановщик ШАП всегда оказывался в зоне режекции.
Весовые коэффициенты, с помощью которых формируются азимутальные зоны режекции в виде достаточно широких и глубоких провалов, для помех, действующих по боковым лепесткам ДНА, вычисляются заранее. Эти коэффициенты могут быть вычислены с помощью различных адаптивных алгоритмов. В нашем случае весовые коэффициенты были рассчитаны с помощью уравнения Винера-Хопфа, наиболее подходящего с точки зрения минимального искажения ДНА. Так как расчет весовых коэффициентов производится заранее, проблема быстродействия алгоритма в данном случае решающей роли не играет.
Для моделирования рассматривалась система с 256-элементной ФАР. Пределы требуемой зоны режекции от минус 15 до минус 1,5 градусов и от 1,5 до 15 градусов азимута (ближние боковые лепестки ДНА). Формула Винера-Хопфа (Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1986), позволяющая получить оптимальные веса (весовые коэффициенты), имеет вид:
,
опт
где W - оптимальный весовой вектор;
-1
R - обратная корреляционная матрица принимаемых сигналов;
r - корреляционный вектор сигналов, в данном случае, он единичный, так как считается, что антенная решетка (АР) настроена на сигнал.
Полученные таким образом оптимальные веса являются комплексными и, следовательно, содержат амплитудную составляющую. Такие веса в исходной форме невозможно применять в решетках с исключительно фазовым управлением, однако, их можно преобразовать к фазовой форме (Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника, №7, 1991, с.103).
В общем виде вектор амплитудно-фазового распределения (АФР) U по поверхности АР можно представить в виде произведения
, где
k
А=diag(a) - диагональная матрица амплитудного распределения;
k
f=exp(j·φ) - K-мерный вектор фазового распределения;
k=1, …, K; K - число элементов АР.
k
k
Каждая компонента вектора U представляет некоторый комплексный вектор, имеющий модуль a и аргумент φ. Не теряя общности рассуждений, на эти величины можно наложить ограничение с учетом отбрасывания целого числа длин волн, т.е. определить фазу сигналов с точностью до 2π:
k
k
k
k
Учитывая (3), можно представить любую компоненту вектора U как сумму двух векторов единичной длины, имеющих аргументы, отличающиеся от φ на ν, причем ν=arccos(a).
Таким образом, если бы канал каждого антенного элемента можно было бы разделить на два подканала и в каждый из них включить по фазовращателю с последующим суммированием проходящих через них сигналов, то, устанавливая в них фазы
можно было бы, используя лишь фазовое управление, реализовать любое АФР U по поверхности АР, в том числе и оптимальные весовые коэффициенты, вычисленные по формуле Винера-Хопфа (1).
Однако подобного разбиения каналов на подканалы в нашем случае (в разработанных ранее системах) нет, в каждом канале имеется только один фазовращатель. При достаточно большом числе элементов решетки (K), фаза конкретного антенного элемента () может быть вычислена по формуле:
,
где k=1, …, K/2.
Знак добавочной фазы изменяется в соответствии с порядком нумерации элементов в АР.
Таким образом, весовые коэффициенты для антенных решеток с исключительно фазовым управлением можно вычислить по формуле Винера-Хопфа, применяя ограничения (3) и (4).
Как показало моделирование, подобный подход позволяет формировать на каждой из рабочих частот свою азимутальную зону режекции в виде достаточно глубокого и широкого провала в области боковых лепестков ДНА с минимальными искажениями основного лепестка.
На фиг.3, 4 показаны зоны режекции на двух частотных точках, формируемых вычисленными по формуле Винера-Хопфа весовыми коэффициентами, преобразованными к фазовой форме. Для сравнения на этих же фигурах представлены исходные диаграммы направленности на данных частотных точках.
На фиг.5 - результирующая ДНА по 12 рабочим точкам при использовании весовых коэффициентов и без их использования. Средний выигрыш составил 26,5 дБ.