УСТРОЙСТВО КОРРЕКЦИИ МЕЖКАНАЛЬНОГО РАССОГЛАСОВАНИЯ ПРИЕМНЫХ КАНАЛОВ В ЦИФРОВОЙ ФАР

Предлагаемое устройство относится к радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС).
Радиолокационные системы, в которых диаграмма направленности антенны (ДНА) образуется путем когерентного суммирования сигналов приемных каналов, ее параметры в значительной мере определяются разбросами коэффициентов усиления приемных каналов и фазовыми ошибками, а также параметрами элементов антенной решетки.
Величина этих разбросов может настолько исказить ДНА, что произойдет ухудшение коэффициента направленного действия (КНД) антенны и снизится динамический диапазон (ДД).
Цифровой метод формирования диаграммы направленности позволяет реализовать компенсацию разброса коэффициентов усиления и фазовых ошибок каналов и избежать необходимость обеспечения с высокой точностью идентичности и стабильности амплитудно-фазовых характеристик приемных каналов.
Коррекция межканального рассогласования осуществляется в период «молчания» РЛС (такой промежуток времени отводится для функционального контроля (ФК)) и подстройки аппаратуры. Подстройка аппаратуры осуществляется с помощью пилот-сигнала, в качестве которого используется источник излучения. Сигналы от эталонного источника излучения служат для калибровки и периодически подаются на входы многоканальной приемной системы.
Поскольку наибольший интерес представляют разбросы между каналами, то в качестве опорного (основного) канала выбирается один из каналов, расположенных в центре цифровой фазированной антенной решетки (ЦФАР). Затем решается задача минимизации разности между основным каналом и
min
каналом, выбранным для коррекции. Минимизация производится путем соответствующей подстройки весового коэффициента W, который приводит к минимальной ошибке Δ:
min
o
к
Δ=U-WU,
o
где U - напряжение сигнала основного канала;
к
U - напряжение сигнала регулируемого канала.
Эти операции осуществляются в блоке обработки сигналов (БОС).
Известны устройства коррекции межканального рассогласования приемных каналов ЦФАР [1].
Наиболее близким по технической сущности и выполняемой функции является устройство коррекции межканального рассогласования приемных каналов в ЦФАР, предложенное Бартоном [2], содержащее цифровой сумматор, БОС, ЦФАР, включающую в себя излучатель, направленный ответвитель, аналоговый и цифровой приемники, выбранное за прототип. Структурная схема прототипа приведена на фиг.1.
Такое устройство имеет следующее недостатки:
- в качестве пилот-сигнала используется непрерывный радиочастотный сигнал, для обеспечения стабильности которого требуется самостоятельная система подстройки, что усложняет аппаратуру, увеличивает стоимость и снижает надежность;
- оценка ошибок межканального рассогласования, вычисление весовых коэффициентов, подстройка рассогласованных приемных каналов выполняются в БОС, являются дополнительными операциями и требуют увеличения производительности вычислительных средств, что проводит к усложнению БОС.
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что оно содержит делитель пилот-сигнала, цифровой сумматор, БОС, ЦФАР, включающую в себя приемные каналы, которые содержат последовательно соединенные излучатель, направленный ответвитель, аналоговый и цифровой
приемники. Отличается тем, что оно дополнительно содержит цифровой коммутатор, вычислитель весовых коэффициентов и генератор шумового пилот-сигнала. Выход шумового пилот-сигнала подключен к делителю пилот-сигнала. Два выхода цифрового приемника каждого приемного канала подключены к цифровому коммутатору. Выходы цифрового коммутатора подключены к цифровому сумматору и к вычислителю весовых коэффициентов, два выхода которого подключены к цифровому сумматору.
Введение в устройство цифрового коммутатора, вычислителя весовых коэффициентов, генератора шумового пилот-сигнала обеспечивает:
- стабильность ДНА, что повышает точность измерения координат РЛС;
- разделение функций задач обработки сигналов, упрощающее построение БОС, что повышает производительность его работы и упрощает построение ЦФАР РЛС.
Сущность предлагаемого устройства поясняется структурной схемой, приведенной на фиг.2.
Предложенное устройство содержит ЦФАР 1, цифровой коммутатор 2, вычислитель весовых коэффициентов 3, генератор пилот-сигнала 4, делитель пилот-сигнала 5, цифровой сумматор 6, блок обработки сигналов 7.
Цифровая фазированная антенная решетка 1 содержит приемные каналы 8, включающие в себя излучатель 9, направленный ответвитель 10, аналоговый 11 и цифровой 12 приемники.
Излучатель 9 подключен к входу направленного ответвителя 10, выход которого подключен к аналоговому приемнику 11, а второй вход - к делителю пилот-сигнала 5, вход которого подключен к генератору пилот-сигнала 4. Два выхода (х и у) цифрового приемника 12 каждого приемного канала 8 подключены к соответствующим входам цифрового коммутатора 2, выходы которого подключены к соответствующим входам цифрового сумматора 6 и к входам вычислителя весовых коэффициентов 3. Два выхода вычислителя
весовых коэффициентов 3 подключены к цифровому сумматору 6, выходы которого подключены к блоку обработки сигнала 7.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В качестве шумового пилот-сигнала предлагается использовать собственные шумы, аналогичные приемному каналу ЦФАР. Мощность собственных шумов приемного канала выражается формулой:
-23
где k - постоянная Больцмана, равная 1,38·10 Дж/град;
0
Т - абсолютная комнатная температура, примерно равная 300°К;
Δf - полоса частот, в которой существует шум;
ш
К - коэффициент шума;
М
К - усиление приемного канала мощности.
Как показала практика, устройства шумового пилот-сигнала не требуют охвата корректирующего контура адаптивным управлением.
Шумовой сигнал проходит через аналоговую часть приемного канала, оцифровывается и поступает на коммутатор, где осуществляется разветвление на два направления. По одному направлению сигнал поступает непосредственно на сумматор, а по другому через устройство клапанирования - на аппаратуру вычисления коэффициентов подстройки.
В аппаратуре вычислителя рассчитываются весовые коэффициенты по квадратурам, вычисляются ошибки межканального рассогласования и рассчитывается среднее значение величины ошибки.
После этого среднее значение величины ошибки поступает в сумматор, где суммируется с сигналом подстроечного канала и полученная сумма поступает в БОС. На этом процесс регулировки заканчивается и наступает рабочий режим работы РЛС. Условно процесс операции регулировки изображен на фиг.3.
Структурная схема вычислителя весовых подстроечных коэффициентов и ошибок межканального рассогласования изображена на фиг.4.
Работа вычислителя начинается в служебной зоне с поступлением на вход устройства импульса начала работы (HP). При поступлении импульса HP в устройстве вырабатывается сигнал, в соответствии с которым на все устройства поступают команды управления, обеспечивающие работу в данном режиме.
В первые N дискретов по дальности (примем N=16) происходит запись шестнадцати выборок шумового пилот-сигнала основного канала и каналов, подлежащих подстройке, в оперативное запоминающее устройство.
1
Одновременно выборки из каналов, подлежащих регулировке, поступают на схему вычисления нормирующего множителя α:
В следующие 16 дискретов из ОЗУ считываются 16 записанных выборок из каналов, подлежащих регулировке, и производится нормировка:
Далее осуществляется вычисление комплексных весовых подстроечных коэффициентов  по формулам:
После этого оценивается разность в каждом дискрете между сигналами основного канала и подстроечных каналов:
и вычисляется среднее значение разности для квадратурных каналов х и у:
Описанные операции проводятся с каждым каналом, подлежащим коррекции.
Вычисленные средние значения в рабочем режиме в качестве поправки поступают в каждый регулируемый приемный канал ЦФАР.
Порядок работы предложенного устройства приведен на фиг.5.
Предлагаемое устройство вычислителя для двух каналов было промакетировано. Испытания показали положительные результаты. Оно принято к использованию. В качестве элементной базы использовалась ПЛИС EPF10R100AQC.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. Forrest Griffiths, Pell Williams, Digital Beamforming for Bistatic Radar Receiver, Inf Conf on Antennas and Propagation, UK, 1983.
2. P.Barton, Digital Beamforming for Radar, IEE Droc, Vol.127, Pt, No4, Aug. 1980.