Способ диагностики фазированной антенной решётки
DIAGNOSTIC METHOD OF PHASED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к области радиолокации, в частности к диагностике состояния фазированной антенной решетки (ФАР) в процессе работы радиолокационной станции (РЛС) и решения задачи определения неисправности ФАР РЛС.
Надежность работы РЛС во многом зависит от надежности ФАР, входящей в ее состав. Эта зависимость возрастает для активных ФАР, в которых в качестве приемо-передающих устройств используют активные электронные устройства. При этом важным становится вопрос диагностики состояния ФАР в процессе работы РЛС.
Качество работы РЛС определяется ее диаграммой направленности (ДН), измеренной в процессе работы РЛС. Иначе говоря, важным является контроль состояния ДН ФАР, определяющей не только дальность действия РЛС, угловые точности измерения координат цели, но и ее помехозащищенность, зависящую от уровня боковых лепестков ДН. ДН антенной решетки определяется амплитудами и фазами возбуждения излучателей. Качество управления ДН ФАР напрямую зависит от работоспособности элементов ФАР. Поэтому при выходе из строя хотя бы одного излучателя диаграмма направленности искажается.
Возникает задача определения работоспособности ФАР, определения момента ее неисправности и местоположения вышедшего из строя излучателя и получении информации об отказах излучателей в процессе работы РЛС. Признаком неисправности ФАР служит отклонение ее ДН от ДН при исправной ФАР, при этом неисправность особенно сильно влияет на уровень боковых лепестков.
При решении проблемы измерения ДН ФАР возникает задача определения степени отклонения и уровня боковых лепестков ДН от расчетной или измеренной при заведомо исправной ФАР.
Известные способы измерения ДН основаны на использовании дополнительных устройств, таких как поворотный стенд, либо механический зонд (Восстановление распределения поля в раскрыве решетки модуляционным способом А.А.Леманский, В.С.Рабинович, В.Г.Соколов Радиотехника и электроника, 1976, т.21, вып.3, с. 616-620). Способ основан на измерениии амплитуды и фазы возбуждении элементов ФАР с помощью неподвижного зонда.
Недостатком этого способа является необходимость наличия специального стенда с зондовой антенной и невозможность использования данного метода во время работы РЛС.
Кроме того, существуют способы определения ДН в дальней зоне на основе измерений ДН в ближней зоне (Курочкин А.П. Теория и техника антенных измерений, №7, 2009 г, с. 39-45).
Суть способа состоит в прямых измерениях амплитудно-фазового распределения антенны в непосредственной близости от нее и восстановлении расчетным путем поля в дальней зоне.
Недостатком данного способа является необходимость наличия безэховой камеры и сложность математических вычислений, а также невозможность использования во время работы РЛС.
i
i
Наиболее близким к заявленному способу является способ измерения ДН, основанный на сканировании луча антенны с помощью механического поворота антенны и использовании вынесенного источника сигнала. (Вестник Концерна ВКО Алмаз-Антей №4 2016, с. 30-34). В качестве источника сигнала используют вспомогательный источник и антенну, которая формирует падающее на раскрыв ФАР электромагнитное поле с плоским фазовым фронтом. При измерениях методом поворота антенны амплитудно-фазовое распределение в раскрыве не изменяется, а раскрыв антенны поворачивается на некоторый угол Q, который изменяют в процессе измерений. При этом в направлении приема сигнала от вспомогательной антенны оказывается уровень ДН, расположенный в исходной ДН на угле - Q, который фиксируют при измерениях.
Недостатком этого способа является необходимость наличия поворотного стенда и применения дополнительного источника сигнала и невозможность его использования в процессе работы РЛС.
Таким образом, решаемой технической проблемой (техническим результатом) является устранение указанного недостатка, именно - обеспечение измерения ДН ФАР в процессе работы РЛС без использования специального стенда и дополнительного сигнала.
Техническая проблема решается на основе использования сканирования луча ФАР в процессе обзора пространства и зондирующего сигнала РЛС.
Техническая проблема решается тем, что в способе диагностики фазированной антенной решетки(ФАР), основанном на измерения диаграммы направленности (ДН), осуществляемым путем сканирования луча и измерения уровня сигнала на выходе ФАР от вынесенного источника при различных угловых положениях луча, согласно изобретению сканирование луча осуществляют в процессе обзора пространства с помощью радиолокационной станции (РЛС), а в качестве сигнала используют зондирующий сигнал РЛС, отраженный от одиночного отражателя, полученную ДН сравнивают с эталонными, принимают решение об исправности ФАР, если она соответствует эталонной, полученной для исправной ФАР, или о неисправности элемента ФАР, если она совпадает с эталонной, полученной при неисправности этого элемента.
Техническая проблема решается также тем, что в качестве эталонных берут диаграммы направленности, полученные расчетным путем.
Техническая проблема решается также тем, что в качестве эталонной берут ДН, измеренную при установке РЛС на позиции при заведомо исправной ФАР.
Техническая проблема решается также тем, что в качестве эталонных ДН при неисправных элементах ФАР берут ДН, измеренные при установке РЛС на позиции, при последовательном выключении элементов ФАР.
Техническая проблема решается также тем, что в качестве отражателя используют одиночный местник или отражатель, установленный за пределами мертвой зоны РЛС.
0
i
0
i
Суть заявляемого технического решения состоит в том, что в процессе работы РЛС получают диаграмму направленности путем измерения уровня отраженного зондирующего сигнала РЛС от отражателя с известными координатами, расположенного за пределами мертвой зоны РЛС (определяемой интервалом излучения зондирующего сигнала), за счет приема сигнала в стробе, вырабатываемым на дальности, соответствующей дальности до местника, и сравнивают ее с набором эталонных ДН, сформированных на основе исправной ФАР ДН, а также ДH построенных при i=l…Ν, где N - число излучателей в решетке, i - номер излучателя, поочередно исключенный из работы ФАР, при совпадении с ДН принимают решение об исправности ФАР, а с ДН - о неисправности i - го излучателя. В качестве местника - местного предмета, отражающего зондирующий сигнал РЛС, может быть возвышенность, сооружения (здания) или специально установленный отражатель, направленный на РЛС. При этом местник должен быть одиночным, чтобы исключить возможность приема сигнала, принимаемого в стробе боковыми лепестками, кроме одного, направленного на одиночный местник.
Работу способа можно проиллюстрировать на примере станции 9С15 (История отечественной радиолокации под редакцией А.С.Якунина, изд. Москва ИД Столичная Энциклопедия, 2011 год, стр. 297). В радиолокационной станции 9С15 применяется одностороняя плоская волноводная ФАР на основе Ш-волноводов. Применяемый Ш-волновод представляет собой линейку, на одном конце которого установлено устройство возбуждения, а на другом - согласованная нагрузка. Элементы излучающей структуры выполнены в виде металлических брусков (вкладышей), установленных в волноводе. Амплитудное распределение по азимуту задается за счет разной высоты вкладышей. Ш-волновод можно рассматривать как систему точечных излучателей с постоянным расстоянием между ними. ФАР состоит из 83 Ш-волноводов. Амплитудно-фазовое распределение по углу места задается распределителем. С помощью изменения фазового распределения осуществляют сканирование луча по углу места, а сканирование по азимуту - за счет механического вращения ФАР в горизонтальной плоскости. Неисправность ФАР возникает при выходе из строя хотя бы одной линейки, что приводит к отсутствию энергии на ее выходе. При этом изменяется общее амплитудно-фазовое распределение. Выход из строя одной линейки слабо влияет на параметры главного лепестка, но оказывает сильное влияние на положения и величину боковых лепестков, что приводит к ухудшению помехозащищенности РЛС. (Справочник по радиолокации, т.2 под ред. М. Сколник, стр. 81, таблица 3).
Возможно два варианта получения эталонных ДН.
i
Эталонные ДН рассчитывают заранее. Рассчитывают ДН при последовательно исключенных из расчета линеек (принимают уровень сигнала на входе равным 0). Эталонная диаграмма направленности со всеми работающими излучателями вычисляют по формуле
(Антенные решетки под ред. Бененсона Л.С., изд. Москва "Советское радио", 1966 год, стр. 8).
Где F - уровень диаграммы направленности
n
J - амплитудное распределение
N - количество линеек в решетке
n - номер линейки в решетке
kd - расстояние между линейками
q - угол по азимуту
peз
2
Современные РЛС используют одну ФАР как на прием так и на передачу сигнала, поэтому для получения результирующей ДН необходимо брать F в квадрат (F=F).
Изобретение иллюстрируется диаграммами.
На фиг. 1 изображена расчетная результирующая объемная ДН со всеми работающими линейками. По оси x отложен угол места ФАР, по оси у - угол по азимуту ФАР, по оси z - уровень диаграммы направленности (в децибеллах).
0
На фиг. 2 изображен график ДН со всеми исправными линейками - эталонная ДН.
На всех фиг. 2…10 обозначено - ось x - угол по азимуту ФАР, ось у - уровень ДН в децибеллах.
40
На фиг. 3 изображен график ДН при выходе из строя 40 линейки (J=0) из формулы 1).
0
На фиг. 4 изображен график разности между измеренной ДН в процессе работы РЛС в сечении φ и эталонной ДН в том же сечении.
10
На фиг. 5 изображен график ДН при выходе из строя 10 линейки (J=0 формулы 1),
40
10
На фиг. 6 изображен график разности между измеренной ДН при неисправной 40 линейки (J=0) РЛС в сечении φ и измеренной ДН при неисправной 10 линейке (J=0) в том же сечении.
На фиг. 7 изображен график ДН, измеренный в процессе работы.
0
На фиг. 8 изображен график разности между полученной ДН и эталонной ДН.
15
На фиг. 9 изображен график эталонной ДН с неисправной 15 линейкой ДН.
15
На фиг. 10 изображен график разности полученной ДН и эталонной ДН с неисправной 15 линейкой.
Заявленный способ работает следующим образом.
В процессе работы станции РЛС, получаем сигнал, отраженный от одиночного отражателя, который находится вне мертвой зоны РЛС на расстоянии L и на высоте H. Угол места положения отражателя (местника) по отношению к РЛС равен φ=arcsin(H/L). Следовательно, результирующая ДН, соответствующая сигналу от отражателя при работе РЛС, находится в сечении объемной диаграммы, изображенной на фиг. 1, φ градусов по углу места и при изменении азимута от 0 до 360°. Диаграмма формируется под углом φ и и вращается по азимуту. Уровень полученного сигнала нормируется к максимуму величины сигнала (к уровню бокового лепестка при положении главного луча, совпадающего с азимутом β).
Анализируя график, изображенный на фиг. 4 можно сделать вывод, что при выходе из строя одной линейки диаграмма сильно искажается, причем в области главного лепестка разность незначительна (от 0 в главном лепестке до 8-10 децибелл в области первого бокового лепестка), зато в области последующих боковых лепестков разница большая до 70 децибелл от 80 градусов до 70 градусов по азимуту.
Из графика на фиг. 6 следует, что при различных неисправностях (в случае выхода из строя разных линеек ФАР) разница между графиками ДН очевидна, поэтому при диагностике неисправности РЛС возможность ошибки (неправильно определен номер вышедшей из строя линейки) маловероятна.
Допустим при измерении получена ДН, приведенная на фиг. 7.
0
Сравниваем с эталонной ДН со всеми работающими линейками - график разности изображен на фиг. 8. Делаем вывод об неисправности ФАР.
i
Далее начинаем сравнивать измеренную ДН с эталонными ДН. При их совпадении (разность=0) делаем вывод об неисправности i-й линейки.
15
В данном случае совпадение произошло с ДН (график изображен на фиг. 9) - следовательно неисправна 15 линейка (график разности изображен на фиг. 10).
Таким образом диагностику исправности РЛС можно проводить во время работы станции, сравнивая измеренную ДН с эталонными и делая вывод об исправности или о неисправности конкретной линейки.
Этим достигается заявленный технический результат.
Причинно-следственная связь между поставленной проблемой, состоящей в обеспечении измерения ДН ФАР в процессе работы РЛС без использования дополнительного сигнала и признаками изобретения состоит в том, что в формулу изобретения включен признак "сканирование луча осуществляют в процессе работы РЛС, а в качестве сигнала используют зондирующий сигнал РЛС, отраженный от одиночного отражателя".