УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ УГЛОВ МЕСТА ЦЕЛЕЙ В РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЯХ

Полезная модель относится к области радиолокации и может быть использована в радиолокационных станциях (РЛС) с антенной решеткой.
Полезная модель предназначена для измерения малых углов места летающих объектов с помощью РЛС, расположенной на местности с изменяющимся наклоном подстилающей поверхности.
Одной из важнейших задач в современных РЛС является определение угловых координат низколетящих целей. При этом необходимо учитывать переотражение сигнала от подстилающей поверхности. Прямая (пришедшая непосредственно от объекта) и отраженная от подстилающей поверхности волна интерферируют между собой в точке приема. Это может приводить к взаимной компенсации интерферирующих волновых фронтов, что затрудняет обнаружение цели. Кроме того, при интерференции результирующий волновой фронт видоизменяет свою форму по сравнению с одиночным волновым фронтом, непосредственно пришедшим от цели. В результате возникают недопустимо большие ошибки в измерении угла места цели. Подобный недостаток характерен для всех существующих измерителей угловых координат, построенных на основе амплитудного или фазового алгоритмов. Эти обстоятельства привели к необходимости поиска новых методов, направленных на повышение точности измерения угла места целей, находящихся под малыми углами, когда ошибки измерения становятся недопустимо большими. В источниках информации можно найти ряд способов решения этой проблемы. Суть их сводится, в основном, к различным методам ослабления последствий многолучевого распространения радиоволн на малых углах места в зависимости от способа измерения угловой координаты и селекции по угловому положению отраженного от земной поверхности эхосигнала, незначительно отличающегося по амплитуде от эхосигнала, отраженного от цели, а также к учету влияния условий многолучевого распространения над земной поверхностью, на основе использования цифровых угломестных данных о местности, содержащих сведения о возможных мешающих отражениях [1]. При этом моноимпульсные способы измерения угла места целей имеют преимущества, как наиболее устойчивые к шумовым и динамическим ошибкам измерения. Кроме того, для них разработаны специальные методы повышения точности измерения при условии многолучевого распространения радиоволн, такие как увеличение разрешающей способности по углу места, перестройка частоты и работа на многих частотах одновременно, вне осевое моноимпульсное сопровождение симметричных разностно-суммарных и асимметричных диаграмм направленности (ДН), комплексных углов, экранирование позиций РЛС, использование круговой поляризации и данных о высоте, получаемых от других источников, применение парных антенн в угломестной плоскости и другие [2].
Сравнительный анализ этих методов дает основание сделать вывод об отсутствии универсального метода, позволяющего ослабить влияние многолучевого распространения радиоволн на точность измерения угла места в различных условиях работы РЛС по низколетящим целям. В наиболее эффективном из них, методе асимметричных ДН, исключаются погрешности измерений за счет зеркальных отражений и минимизируются эффекты рассеяния радиоволн в области горизонта, но за счет увеличения вертикальных размеров антенной решетки и усложнения конструкции, как и при реализации метода вне осевых моноимпульсных измерений. К моноимпульсным способам относится также известный способ определения угла места низколетящей цели при многолучевом распространении отраженного от цели сигнала, представляющий собой комплексный анализ измерения угла места цели путем квадратурной обработки отраженного от цели сигнала для выделения нулевого значения мнимой составляющей и позволяющий без сложных конструктивных изменений существующих РЛС оценивать угол места цели по отношению высоты центра антенны над подстилающей поверхностью к длине волны РЛС, для которых значение мнимой составляющей равно нулю [3]. Данный способ позволяет получить хороший результат только при зеркальном отражении эхосигнала цели от подстилающей поверхности, представляющей собой плоскую отражающую площадку. Известен также способ [4], учитывающий наклон подстилающей поверхности с помощью привлечения априорной информации о перепаде высот рельефа земной поверхности, содержащейся в цифровых картах местности, что также является большим неудобством для применения его в подвижных РЛС.
Достаточно близким к заявляемому устройству является устройство измерения угла места целей, основанное на способе компенсации переотраженного сигнала, в частности, посредством формирования в области отрицательных углов места зоны режекции, настроенной на ожидаемые углы прихода отраженного от земли эхосигнала [5]. Это устройство представляет собой модификацию моноимпульсной РЛС, где в дополнение к обычным суммарному и разностному лучам, созданным из диаграмм направленностей трех механически связанных между собой параболических антенн, формируется компенсирующий луч, используемый вместе с разностным лучем для создания нуля, ориентированного на направление прихода отраженного от земли луча. При этом в небольшой области малых углов с помощью сервомеханизма производится настройка антенной системы таким образом, чтобы в равносигнальном направлении принималась цель, а второй нуль, жестко связанный с ним, был ориентирован в направлении прихода отраженного от земли луча. Основным недостатком такой системы является сложное механическое медленное управление настройкой нулей, а также ограничение ее работы строго горизонтальной подстилающей поверхностью. В условиях реальной отражающей поверхности, отличающейся от плоской, углы прихода отраженных от земной поверхности эхосигналов не совпадают с расчетными. Это устройство можно считать аналогом заявляемой полезной модели, т.к. их объединяет идея компенсации земного луча.
1
N
В качестве же прототипа выбираем стандартный измеритель угла места целей фазовым методом [6],как наиболее близкое по построению устройство, использующее антенную решетку при работе на прием. Рассмотрим его работу на малых углах места. Его структурная схема показана на фиг. 1а, где N диполей Д…Д (1) антенной решетки подразделяются на две равные группы по М диполей в каждой группе. Решетка делится тем самым на две симметричные подрешетки со сдвинутыми фазовыми центрами. Характеристики направленности подрешеток ориентируют в заданных направлениях с помощью управляемых фазовращателей φ (2).
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
Принимаемые колебания в группах суммируются в сумматорах Σ (3) и Σ (4). После суммирования сигналы Y (1) и Y (1) подаются, соответственно, на входы 1 и 2 устройства подготовки данных УПД (5) для вычисления угла места (Δ) согласно формуле Δ=arctg[Re(-iZZ∗)] [1, стр 217], где Z и Zпредставляют весовые интегралы сигналов, которые вычисляются в согласованных фильтрах СФ, СФ (фиг 1б), множитель (-i) выражения (Δ) учитывается введением в схему фазовращателя на 90 градусов, выражения Re(-iZZ∗) и Re(ZZ∗) находятся путем перемножения и усреднения за период колебаний промежуточной частоты мгновенных значений выходных напряжений согласованных фильтров с помощью фазовых детекторов ФД и ФД фиг 1б. Для вычисления их отношения, а также арктангенса в режиме пеленгации предусмотрено решающее устройство РУ (6) фиг 1а, на входы 1 и 2 которого с блока УПД (5) они подаются. Устройство управления фазовращателями УУФ (7) используется для сканирования диаграммы направленности антенны (ДНА) по углу места. Пеленгационная характеристика данного измерителя показана на фиг. 2. Из фиг. 2 видно, что на нижних углах места практически до 20 градусов, измерение угла места происходит с большой ошибкой, как результат интерференции прямого и отраженного от земли сигналов. Искажение результатов измерения, возникает и при движении мобильной РЛС по неровной поверхности земли, поскольку меняется угол прихода земного луча.
Таким образом, недостатком прототипа является низкая точность измерения малых углов места целей из-за интерференции прямого и отраженного от подстилающей поверхности эхосигналов, а также из-за неровности земной поверхности при передвижении РЛС.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение точности измерения малых углов места целей в РЛС при изменении наклона подстилающей поверхности. Для уменьшения влияния земного луча, а также устранения ошибок при измерении малых углов места, вызванных изменениями наклона подстилающей поверхности, описанную выше структурную схему предлагается дополнить схемой режекции земного луча, состоящей из N умножителей и устройства выработки весовых коэффициентов (УВВК), измерителем угла наклона подстилающей поверхности, изменяющегося при движении РЛС, а также третьим сумматором. Введение этих дополнений позволит устранить указанные выше недостатки прототипа.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется графическим материалом, который представлен на фигурах:
1а, 1б - структурная схема прототипа;
2 - пеленгационная характеристика измерения угла места целей прототипа;
3 - структурная схема предлагаемого устройства;
4 - структурная схема измерителя наклона подстилающей поверхности (ИНПП);
5 - диаграмма направленности антенны (ДНА) в угломестной плоскости без режекции (а) и с режекцией (б) земного луча;
6, 7 - пеленгационные характеристики измерения угла места целей с режекцией земного луча при пулевом наклоне подстилающей поверхности и при наклоне 15°;
8, 9 - пеленгационные характеристики измерения углов наклона подстилающей поверхности при нулевом наклоне и при наклоне 15°;
10, 11 - пеленгационные характеристики измерения угла места целей с режекцией земного луча при нулевом наклоне подстилающей поверхности и при наклоне 15° с изменением положения ДНА.
Структурная схема предлагаемого устройства (фиг. 3) состоит из измерителя угла места целей с режекцией земного луча, измерителя угла наклона подстилающей поверхности и сумматора.
1
N
1
2
1
2
М
1
2
1
В состав измерителя угла места целей входит антенная решетка, разделенная на две симметричные подрешетки со сдвинутыми фазовыми центрами, N диполей антенной решетки Д…Д (1), N фазовращателей φ (2), первые входы которых соединены с диполями Д (1), вторые - с выходом устройства управления фазовращателями УУФ (7), выходы M=N/2 первых фазовращателей φ 2 через умножители 8 соединенные с M входами сумматора Σ (3) и M входами устройства выработки весовых коэффициентов УВВК (9) для подавления земного луча, а выходы M=N/2 вторых фазовращателей φ 2 через умножители. 8 соединены с M входами сумматора Σ (4). Вторые входы умножителей 8 соединены с выходами 1…M УВВК 9, вырабатывающего значения весовых коэффициентов W, W…W. Выходы сумматоров Σ3 и Σ4 соединены с первым и вторым входами устройства подготовки исходных данных УПД (5) для вычисления угла места целей решающим устройством РУ (6), соединенным двумя входами с первым и вторым выходами УПД 5.
4
5
1
2
2
4
5
1
2
2
Структурная схема одного из вариантов измерителя угла наклона подстилающей поверхности ИНПП (10), показанная на фиг.4, состоит из N/2 УПД, аналогичных УПД 5 (фиг. 1б), двух сумматоров Σ, Σ, двух накопителей по дальности НД и НД и решающего устройства РУ. Каждое УПД ИНПП соединено по входу с парой диполей, по первым выходам - с сумматором Σ, а по вторым - с сумматором Σ. Выходы сумматоров через накопители по дальности НД и НД соединены с первым и вторым входами решающего устройства РУ, выход которого является выходом ИНПП 10.
1
3
3
Выход РУ6 (фиг. 3) соединен с первым входом третьего сумматора Σ (11), а выход ИНПП 10 - с входом УУФ 7 и со вторым входом Σ 11, выход которого является выходом устройства.
1
2
1
2
1
2
4
1
2
5
1
2
4
5
2
1
2
1
2
2
3
Будем считать переотраженный от земли волновой фронт мешающим сигналом. Тогда в соответствии с теорией обнаружения и измерения параметров сигналов на фоне помех, оптимальный весовой коэффициент пространственной обработки определяется выражением W=R∗s [7], где R - корреляционная матрица мешающих сигналов, s - вектор полезного сигнала (в данном случае прямой волновой фронт). Согласно [8] матрицу R можно записать в виде R=E-P, где E - единичная матрица, а P=S(S∗S) S - является матрицей-проектором на подпространство переотраженного от земли сигнала, где S=S(Δ1) - угловая координата отраженного от земли луча. Оператор К является аннулирующим для вектора S(Δ1), что и приводит к режекции переотраженного от земли сигнала при его пространственной обработке. На фиг. 5 показана диаграмма направленности антенны (ДНА) в угломестной плоскости без режекции предполагаемого положения земного луча (а) и с его режекцией (б), а на фиг. 6 показана пеленгационная характеристика для измерения угла места с режекцией земного луча. Очевидно, что она существенным образом отличается от пеленгационной характеристики (фиг. 2) без режекции земного луча и позволяет произвести измерения малых углов места цели с минимальной ошибкой. Следует отметить, что пеленгационная характеристика приведена для случая горизонтальной подстилающей поверхности. В реальной обстановке идеальной горизонтальной поверхности земли не существует. Из-за неровностей земли или при движении подвижного средства, на котором расположена антенна РЛС, угол наклона ее непрерывно меняется и, следовательно, меняется угол прихода земного луча. Очевидно, должна меняться и точка его режектирования. Весовые коэффициенты, рассчитанные для подавления земного луча при идеальной земной поверхности, не подходят при других наклонах земной поверхности. В этих обстоятельствах должна меняться и точка режектирования отраженного от земли земного луча и, следовательно, вычисляться другие весовые коэффициенты, в противном случае пеленгационная характеристика сильно искажается, как это показано на фиг. 7 при наклоне подстилающей поверхности на 15 градусов. Для устранения этого недостатка и предлагается дополнить измеритель углов места цели измерителем наклона подстилающей поверхности ИНПП 10. Каждое УПД ИНПП имеет схему обработки, показанную на фиг. 1б, и служит для получения величин Re(-iZZ∗) и Re(ZZ∗). Все полученные значения Re(-iZZ∗) суммируются в сумматоре Σ, а значения Re(ZZ∗) суммируются в сумматоре Σ. Результаты суммирования подаются на накопители по дальности, соответственно НД и НД, где в стробе дальности происходит накапливание значений с Σ и с Σ, соответственно, по n элементам дальности. Накопленные значения подаются в решающее устройство РУ, в котором производится вычисление значения угла места подстилающей поверхности согласно формуле Δ=arctg(ΣRe(-iZZ∗)/ΣRe((ZZ∗)], при этом с РУ значение угла места подается на устройство управления фазовращателями УУФ 7 для изменения углового положения ДНА по углу места, и на третий сумматор Σ для коррекции пеленгационной характеристики. Пеленгационные характеристики измерения углов наклона подстилающей поверхности при нулевом наклоне и при наклоне равном 15 градусов показаны на фиг. 8, 9. Имея эти данные, мы можем не менять точку режекции земного луча, а изменять положение луча ДНА решетки на эту величину, используя фазовращатели, необходимые для, сканирования ДНА в вертикальной плоскости, сохраняя таким образом точку прихода земного луча, а следовательно, и его режекцию. Результат введения изменения положения луча ДНА решетки продемонстрирован на фиг. 10, где представлена пеленгационная характеристика измерения угла места целей, из которой ясно, что вид пеленгационной характеристики совпадает с пеленгационной характеристикой при нулевом наклоне подстилающей поверхности с режекцией земного луча (фиг. 6). Очевидно, что для достоверного измерения угловой координаты необходимо ввести поправку к этой пеленгационной характеристике, используя результаты измерения величины наклона подстилающей поверхности. Тогда пеленгационная характеристика приобретет следующий окончательный вид, показанный на фиг. 11.
Таким образом, технический результат предлагаемого изобретения, заключающийся в повышении точности измерения малых углов места в РЛС при изменении наклона подстилающей поверхности, достигается с помощью введения в прототип схемы режекции земного луча и измерителя угла наклона подстилающей поверхности с последующим изменением углового положения ДНА в соответствии с результатом измерения наклона подстилающей поверхности, меняющегося при движении средства, на котором расположена РЛС.
1
2
М
1
2
1
3
Работа устройства (фиг. 11) производится следующим образом. Сигналы целей поступают на две равные группы облучателей по М диполей в каждой. После усиления в приемных устройствах они оцифровываются в АЦП (на фигуре не показаны) и с одной из групп поступают на вход устройства выработки весовых коэффициентов 9, в котором вырабатываются весовые коэффициенты (W, W…W), подаваемые на умножители 8 обеих групп, создавая подавление земного луча. После суммирования в сумматорах Σ, Σ (3, 4) сигналы целей с обеих групп подаются в устройство УПД 5, для вычисления составляющих, используемых для вычисления угла места цели в решающем устройстве РУ 6. Одновременно с этими процедурами сигналы от подстилающей поверхности со всех диполей подаются на измеритель угла наклона подстилающей поверхности ИНПП 10, с выхода которого подается сигнал на устройство управления фазовращателями УУФ 7 для изменения углового положения ДНА, и сигнал коррекции результатов измерения угла места целей на второй вход сумматора Σ 11, с выхода которого выдается результат измерения углового положения цели (Δ).
Таким образом, в отличие от прототипа, в предлагаемой полезной модели используется схема подавления земного луча, а также измеритель угла наклона подстилающей поверхности с последующей коррекцией углового положения ДНА, что дало возможность повысить точность измерения малых углов места целей.
Источники информации
1. Хайнер Кушел, VHF/UHF radar. Part 1: Characnteristics. «ELECTRONICS & COMMUNICATION ENGINEERING JORNAL», April 2002, p 61-72.
2. Леонов А.И., Фомичсв К.И. Моноимпульсная радиолокация М, Радио и связь, 1984 г., с. 119-125.
3. Патент Р.Ф №2080619, МПК G01S 13/44 опубл. 1997 г.
4. Патент РФ RU 2291464 C2 опубл. 20.06.2006 г.
5. Патент США №3836929.МПК G01S 3/06, опубл. 1974 г.
6. «Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех» (Москва «Радио и связь» 1981 г. Я.Д. Ширман, В.Н. Манжос стр. (216-221).
7. Р.А. Монзинго, Т.У. Миллер «Адаптивные антенные решетки» Введение в теорию Москва «Радио и связь» 1986 стр. 241.
8. В.В. Караваев, В.В. Сазонов «Статистическая теория пассивной локации. Москва «Радио и связь» 1987 г. стр. 106.