СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОБЗОРНОЙ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ С ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКОЙ ОТ ПОМЕХ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF PROTECTING SURVEILLANCE RADAR STATION WITH PHASED ANTENNA ARRAY FROM INTERFERENCE (VERSIONS)

Изобретение относится к области радиолокации, в частности к защите мобильных обзорных радиолокационных станций (РЛС) с фазированной антенной решеткой (ФАР) с электронным сканированием от пассивных и активных помех.
Как известно, в зоне обзора РЛС всегда существуют помехи: пассивные помехи - в виде радиолокационных сигналов, отраженных от земной поверхности, различных наземных объектов, метеообразований, и активные помехи - в виде радиоизлучений от различных радиоэлектронных средств (Теоретические основы радиолокации. Под ред. В.Е. Дулевича. - М., 1978, с. 415-416). В боевых условиях на РЛС воздействуют еще и специально организованные пассивные и активные помехи. Помехи затрудняют обнаружение целей, приводят к перегрузке системы обработки радиолокационной информации (РЛИ).
Известным способом защиты РЛС с ФАР от помех (пассивных и активных) является снижение уровня боковых лепестков диаграммы направленности антенны (ДНА) (Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника, т. 1. - М., 1976, с. 91-94). Однако поскольку уровень боковых лепестков ДНА связан с другими параметрами антенны (с шириной главного лепестка ДНА (луча антенны), с коэффициентом направленного действия (КНД)), то произвольное снижение уровня боковых лепестков ДНА недопустимо. Следствием такого снижения может оказаться значительное ухудшение таких технических характеристик РЛС, как точность измерения угловых координат, разрешающая способность по угловым координатам, дальность обнаружения, что, как правило, неприемлемо.
Наиболее близкий способ защиты обзорной РЛС с ФАР от помех включает формирование ДНА с положением луча антенны в текущем направлении зоны обзора и с положениями узких областей низкого уровня ДНА в направлениях на источники помех (в области боковых лепестков) путем последовательной адаптации ФАР к помехам (Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. - М., 1986, с. 45-60).
Такая адаптация ФАР осуществляется в виде многократного циклического изменения параметров ФАР (значений фаз токов в элементах ФАР) по заданному алгоритму с анализом сигналов на ее выходе. По окончании процесса адаптации в ФАР устанавливаются значения фаз токов по элементам ФАР, обеспечивающие в текущем направлении зоны обзора формирование луча, а в направлениях на источники помех (в области боковых лепестков) - узких областей с низким уровнем ДНА.
Поскольку процесс адаптации ФАР занимает значительно больше времени, чем может быть выделено для этого в мобильных обзорных РЛС, то подавление помех в таких РЛС в достаточной мере не обеспечивается.
Решаемой задачей (техническим результатом) является увеличение защищенности мобильных обзорных РЛС с ФАР от помех при допустимых затратах временных ресурсов.
Технический результат по первому варианту достигается тем, что в способе защиты обзорной РЛС с ФАР с электронным сканированием от помех, включающем осмотр зоны обзора РЛС, формирование ДНА за счет установки значений фаз токов в элементах ФАР, снижение уровня боковых лепестков ДНА в направлении на помехи, согласно изобретению в процессе осмотра зоны обзора определяют, задают на основании априорной информации или получают от внешних источников информации угловые координаты границ областей, содержащих источники помех, если по мере перемещения луча антенны за счет электронного сканирования источники помех оказываются в пределах заданной области ближних боковых лепестков ДНА, то при формировании ДНА при таком положении луча в заранее определенных элементах ФАР в установленные значения фаз токов вводят заранее рассчитанные поправки, обеспечивающие снижение уровня ближних боковых лепестков в упомянутой области ДНА.
Технический результат достигается также тем, что:
- значения упомянутых поправок определяют на основании критерия: максимальные значения уровней ближних боковых лепестков ДНА в заданной области не превышают допустимое значение;
- упомянутые поправки вводят в наиболее удаленных от фазового центра ФАР элементах, количество и положение которых определяют исходя из допустимого уменьшения коэффициента направленного действия антенны;
- упомянутые поправки для всех положений луча антенны в области электронного сканирования устанавливают одинаковыми и равными их значениям при положении луча на нормали к плоскости антенны.
Технический результат по второму варианту достигается тем, что в способе защиты обзорной РЛС с ФАР с электронным сканированием от помех, включающем осмотр зоны обзора РЛС, формирование ДНА за счет установки значений фаз токов в элементах ФАР, снижение уровня боковых лепестков ДНА в направлении на помехи, согласно изобретению при формировании ДНА в каждом положении луча антенны в заранее определенных элементах ФАР в установленные значения фаз токов вводят заранее рассчитанные поправки, обеспечивающие снижение уровня ближних боковых лепестков ДНА во всей области электронного сканирования.
Технический результат достигается также тем, что:
- значения упомянутых поправок определяют на основании критерия: максимальные значения уровней ближних боковых лепестков ДНА в заданной области не превышают допустимое значение;
- упомянутые поправки вводят в наиболее удаленных от фазового центра ФАР элементах, количество и положение которых определяют исходя из допустимого уменьшения коэффициента направленного действия антенны;
- упомянутые поправки для всех положений луча антенны в области электронного сканирования устанавливают одинаковыми и равными их значениям при положении луча на нормали к плоскости антенны.
Суть заявляемого способа заключается в следующем.
Поясним некоторые понятия, используемые в описании:
- заданная область ближних боковых лепестков ДНА - область заданных размеров по координате электронного сканирования, содержащая боковые лепестки ДНА, примыкающая к главному лепестку ДНА (лучу антенны); в изобретении в каждом положении луча заданная область ближних боковых лепестков ДНА может задаваться по одну из сторон луча;
- область электронного сканирования - область электронного управления лучом антенны, при сканировании по углу места равна зоне обзора РЛС по углу места.
В заявляемом способе по первому варианту технический результат достигается за счет снижения уровня ближних боковых лепестков ДНА в заданной области, когда источники помех при сканировании оказываются в пределах этой области. В каждом положении луча антенны указанная область может быть выбрана по любую сторону от луча.
К моменту перехода луча в текущее положение в зоне обзора угловые координаты границ областей источников помех должны быть определены, заданы на основании априорной информации или получены от внешних источников информации.
Угловые координаты источников пассивных помех определяются в течение одного или нескольких предыдущих обзоров. Так, например, положения областей подрывов ракет, для которых характерно большое количество отражений, могут быть определены в течение одного обзора способом, описанным в патенте РФ 2536182.
Угловые координаты источников пассивных помех могут задаваться заранее на основании априорной информации. Так, например, в нижних положениях луча антенны в зоне обзора всегда существуют помехи в виде отражений от подстилающей поверхности и местных предметов, поэтому в этой части зоны обзора уровень боковых лепестков по углу места требуется снижать постоянно.
Угловые координаты источников пассивных помех могут быть получены от внешних источников информации, например от метеорологических станций, обнаруживающих области облаков, дождей. Такая информация может быть получена как на предыдущих, так и на текущем обзоре.
Угловые координаты источников активных помех могут быть определены на текущем обзоре, например, с помощью пассивной РЛС.
Значения упомянутых поправок и номера элементов, в которые они вводятся, определяются исходя из критерия: максимальные значения уровней ближних боковых лепестков ДНА в заданной области не превышают допустимое значение. Значения поправок определяются заранее для конкретной ФАР расчетным путем или с помощью моделирования ФАР и хранятся в памяти бортовой ЭВМ.
Для уменьшения влияния упомянутых поправок на КНД антенны поправки вводятся в наиболее удаленных от фазового центра ФАР элементах, количество которых, как правило, не должно превышать 20% от общего количества элементов ФАР. Приведенная цифра ориентировочная, она зависит от типа ФАР, вида распределения токов по элементам ФАР, допустимого уменьшения коэффициента направленного действия антенны.
Для упрощения процесса управления ДНА упомянутые поправки для всех положений луча в области электронного сканирования могут устанавливаться одинаковыми и равными их значениям при положении луча на нормали к плоскости антенны.
Во втором варианте способа область ближних боковых лепестков ДНА, в которой осуществляется уменьшение их уровня, задается равной всей области электронного сканирования, то есть зоне обзора РЛС (обычно не менее 60° с учетом сканирования в обе стороны от положения нормали к плоскости антенны). Анализ наличия и положения источников помех при этом не проводится.
Как и в первом варианте способа, поправки в значения фаз в различных положениях луча могут устанавливаться как разными, так и одинаковыми. Разные значения поправок в этом варианте устанавливаются, например, в зависимости от угла места луча в зоне обзора. Изменяется при этом и степень уменьшения уровня ближайших боковых лепестков.
Одинаковые поправки для всех положений луча антенны в области электронного сканирования, как и в первом варианте способа, используются для упрощения процесса управления ДНА. Указанные поправки равны их значениям при положении луча на нормали к плоскости антенны.
Поскольку величина заданной области боковых лепестков ДНА во втором варианте способа (равна всей зоне обзора по координате электронного сканирования) больше, чем в первом, то обеспечиваемое снижение уровня боковых лепестков, а значит, и степень защищенности от помех несколько меньше. Однако в связи со значительным упрощением процесса управления ДНА применение второго варианта может оказаться предпочтительным.
В качестве примера рассмотрим применение способа по первому варианту в РЛС с одномерной ФАР с электронным сканированием по углу места. ФАР выполнена на основе 84 элементов - линейных Ш-волноводных излучателей с фазовращателями на их входах (Лиманский В.Н. Разработка и исследование Ш-волноводных излучателей). Плоскость антенны наклонена на 15° к вертикали к касательной плоскости, проведенной к поверхности земли в точке стояния РЛС.
Пусть в процессе осмотра зоны обзора РЛС в какой-то момент времени луч антенны отклонен электронным способом на 10° по углу места от нормали к плоскости антенны в сторону поверхности земли, как показано на фиг. 1. С учетом наклона антенны угол места луча, отсчитываемый от горизонтальной плоскости в точке стояния РЛС, составляет 5°, поэтому нижние ближние боковые лепестки ДНА оказываются в области помех от местных предметов и подстилающей поверхности. В связи с этим область, в которой требуются уменьшить влияние этих помех, целесообразно задать в интервале -12,5÷-22,5° (отсчитываемом по углу места от положения нормали к плоскости ФАР, как показано на фиг. 1). Заявляемый способ позволяет уменьшить уровень ближайших боковых лепестков ДНА и уменьшить таким образом влияние помех.
Для формирования в заданной области ближних боковых лепестков пониженного уровня в элементы ФАР вводятся поправки значений фаз токов, приведенные в таблице 1.
Поправки вводятся в двух группах элементов ФАР, каждая из которых состоит из 6 элементов. 1-я группа элементов расположена в нижней части плоскости ФАР, 2-я группа - в верхней. Номера элементов отсчитываются от нижнего края плоскости ФАР.
Усредненная (по 50 реализациям, отличающимся за счет влияния ошибок установки фаз токов в элементах ФАР) ДНА без введения поправок (исходная ДНА) показана на фиг. 1 сплошной тонкой линией. Относительный уровень ближайших боковых лепестков этой ДНА в области -12,5÷-22,5° находится в пределах -36÷42 дБ.
На том же чертеже сплошной толстой линией показана усредненная ДНА с пониженным в области -12,5÷-22,5° уровнем ближайших боковых лепестков по углу места. Отметим, что вне заданной области наблюдается некоторое увеличение ДНА и уменьшение КДН. Средний уровень ближайших боковых лепестков в заданной области составляет величину -44÷-51 дБ, то есть снижение уровня ближайших боковых лепестков в заданной области, а значит, и увеличение защищенности от активных помех в ней обеспечивается в среднем на 8÷9 дБ, а защищенность от пассивных помех  в два раза больше.
На фиг. 1 показаны также усредненные предельные границы, в которых с вероятностью 0,9973 (по правилу трех сигм) находятся значения исходной ДНА (тонкая штриховая линия) и ДНА с пониженным (в области -12,5÷-22,5°) уровнем ближайших боковых лепестков (толстая штриховая линия. Из зависимостей следует, что снижение уровня ближайших боковых лепестков в заданной области, а значит, и увеличение защищенности от помех в ней практически всегда будет не хуже 3÷5 дБ - для активных помех и 6÷10 дБ - для пассивных помех.
Поскольку в обоих вариантах заявляемого способа значения поправок фаз токов рассчитываются заранее, например, на этапе настройки программного обеспечения, а координаты источников помех определяются, задаются на основании априорной информации или поступают от внешних источников информации, то есть без дополнительных затрат времени, то дополнительного времени для увеличения защищенности РЛС от помех на требуется.
Таким образом в заявляемом способе обеспечивается увеличение защищенности мобильных обзорных РЛС с ФАР от помех при допустимых затратах временных ресурсов, то есть достигается заявляемый технический результат.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами и таблицей.
Фиг. 1 - пример ДНА без снижения уровня боковых лепестков (исходная ДНА) и эта же ДНА с пониженным уровнем ближних боковых лепестков в заданной области. Показаны усредненные значения этих ДНА (сплошные тонкая и толстая линии соответственно) и усредненные максимальные их значения (штриховые тонкая и толстая линии соответственно).
Фиг. 2 - функциональная схема РЛС, реализующей заявляемый способ.
Таблица 1 - поправки значений фаз токов и номера элементов, в которые они вводятся, для описываемого примера.
РЛС, реализующая заявляемый способ, содержит (фиг. 2) антенну 1, устройство управления ДНА 2, выходы которого соединены с управляющими входами элементов антенны 1, последовательно соединенные передатчик 3, антенный переключатель 4, приемник 5 и вычислитель 6, а также синхронизатор 7, при этом сигнальный вход/выход антенны 1 соединен со входом/выходом антенного переключателя 4, а координатный ее выход - со вторым входом вычислителя 6, первый выход вычислителя 6 является выходом РЛС, второй его выход соединен с первым входом устройства управления ДНА 2, выходы с первого по четвертый синхронизатора 7 соединены соответственно со вторым входом устройства управления ДНА 2, входом передатчика 3, вторым входом приемника 5 и с третьим входом вычислителя 6 (Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. Пер. с англ. - М., 1986, с. 19).
Радиолокационная станция, реализующая заявляемый способ, может быть выполнена с использованием следующих функциональных элементов.
Антенна 1 - плоская одномерная волноводная ФАР с электронным управлением лучом по углу места и механическим вращением по азимуту (Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника, т. 2. - М., 1977, с. 138).
Устройство управления ДНА 2 - устройство для преобразования цифровых значений фаз токов элементов ФАР в сигналы, управляющие фазой токов элементов ФАР (Интегральные микросхемы. Справочник под ред. Б.В. Тарабрина. - М., 1984).
Передатчик 3 - многокаскадный импульсный передатчик на клистроне (A.M. Педак и др. Справочник по основам радиолокационной техники. Под редакцией В.В. Дружинина. - М., 1967, с. 278-279, рис. 7.2).
Антенный переключатель 4 - балансный антенный переключатель на базе циркулятора (A.M. Педак и др. Справочник по основам радиолокационной техники. Под редакцией В.В. Дружинина. - М., 1967, с. 166-168).
Приемник 5 - супергетеродинный приемник (A.M. Педак и др. Справочник по основам радиолокационной техники. Под редакцией В.В.Дружинина. -М., 1967, с. 343-344, рис. 8.1).
Вычислитель 6 - цифровой вычислитель (ЭВМ), выполняющий операции вычисления фаз токов заранее заданных элементов ФАР с учетом поправок (Интегральные микросхемы. Справочник под ред. Б.В. Тарабрина. - М., 1984).
Синхронизатор 7 выполнен на основе задающего генератора и последовательно соединенной с ним цепочки делителей частоты (Радиолокационные устройства (теория и принципы построения). Под ред. В.В. Григорина-Рябова. - М., 1970, с. 602-603).
Рассмотрим работу радиолокационной станции (фиг .2), реализующей заявляемый способ по первому варианту, на примере упомянутой ранее РЛС с одномерной ФАР с электронным сканированием по углу места. ФАР выполнена на основе 84 элементов - линейных Ш-волноводных излучателей.
Заданной областью ближних боковых лепестков ДНА, в которой осуществляется снижение их уровня по углу места 8, примем область ДНА -12,5÷-22,5° (фиг. 1). Такая область ДНА позволяет уменьшить влияние помех в виде отражений от подстилающей поверхности и местных предметов.
Заранее рассчитанные значения поправок фаз токов и элементы ФАР, в которые эти поправки вводятся (в соответствии с таблицей 1) при положениях луча антенны 1 по углу места в зоне обзора, при которых область помех оказывается в заданной области ближних боковых лепестков ДНА (5° и ниже), хранятся в памяти вычислителя 6.
В процессе осмотра зоны обзора по команде от синхронизатора 7 передатчиком 3 формируется высокочастотный зондирующий сигнал, который через антенный переключатель 4 подается в антенну 1 и излучается. Отраженный сигнал, принятый антенной 1, через антенный переключатель 4 поступает в приемник 5, преобразуется на видеочастоту и подается на первый вход вычислителя 6, где сравнивается с порогом обнаружения, при превышении которого принимается решение об обнаружении цели. Угловые координаты луча с координатного выхода антенны 1 поступают на второй вход вычислителя 6.
Одновременно с излучением зондирующего сигнала с четвертого выхода синхронизатора 7 на третий вход вычислителя 6 подается сигнал, от которого отсчитывается величина задержки зондирующего сигнала, отраженного от цели, и по известным формулам (Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д. Ширмана. - М., 1970, с. 221) определяется дальность до цели. С первого выхода вычислителя 6 информация об обнаруженных целях выдается потребителю РЛИ.
При достижении лучом антенны положения по s в зоне обзора, при котором заданная область ближних боковых лепестков ДНА оказывается в заданной части зоны обзора (5° и ниже), соответствующей отражениям от подстилающей поверхности и местных предметов, из памяти вычислителя 6 извлекаются поправки фаз токов (таблица 1), которые добавляются к установленным значениям фаз токов в заранее заданных элементах ФАР. Суммарные значения фаз токов поступают на вход устройства управления ДНА 2, где преобразуются в управляющие сигналы, которые по команде с синхронизатора 7 подаются на входы элементов антенны 1. В результате формируется ДНА с пониженными ближними боковыми лепестками в заданной области зоны обзора, чем обеспечивается увеличение защищенности РЛС от помех.
Поскольку значения упомянутых поправок рассчитываются заранее, а координаты источников помех определяются в процессе осмотра зоны обзора без дополнительных затрат времени, то дополнительного времени для снижения уровня боковых лепестков в заданной области ближних боковых лепестков ДНА, а значит, и для увеличения защищенности РЛС от помех не требуется.
Таким образом в РЛС, реализующей заявляемый способ, достигается заявляемый технический результат.