АКТИВНАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА
ACTIVE PHASED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к радиолокации, в частности к устройству активной антенной фазированной решетки (АФАР) и может быть использовано в составе радиолокационного комплекса.
Известна АФАР (патент US 5943010, опубл. 24.08.1999), содержащая активные приемо-передающие модули (АППМ), каждый из которых содержит блок формирования и управления параметрами выходного сигнала, блок предварительной обработки принимаемого сигнала, блок усиления выходного сигнала, блок усиления принимаемого сигнала, и циркулятор. Блок усиления выходного сигнала содержит последовательно соединенные цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), первый смеситель, первый полосовой фильтр и первый усилитель мощности, выход которого соединен с входом соответствующего циркулятора, вход-выход которого соединен с входом-выходом антенного элемента, а выход с входом соответствующего блока усиления принимаемого сигнала, содержащего последовательно соединенные защитное устройство, малошумящий усилитель, второй полосовой фильтр, второй смеситель, и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выход которого соединен с соответствующим входом блока предварительной обработки принимаемого сигнала.
Формирование сигнала в известной АФАР происходит при помощи векторного модулятора и регулируемого аттенюатора, входящих в состав ППМ.
Недостатками известной АФАР является недостаточная разрешающая способность по дальности, вследствие малой ширины рабочего диапазона (узкополосности) и низкая скорость обзора вследствие ограниченной производительности центрального процессора, в котором производится цифровое формирование диаграмм направленности.
Известная АФАР принята в качестве ближайшего аналога заявленного изобретения.
Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является создание АФАР, лишенной указанных недостатков.
В результате достигается технический результат, заключающийся в повышении скорости обзора пространства и разрешающей способности обнаружения объектов.
Указанный технический результат достигается созданием АФАР, содержащей командно-вычислительный пункт (КВП), блок пространственно-временной обработки управления и контроля (БПВОУК), N модулей пространственной обработки управления и контроля (МПОУК) и М АППМ, каждый из М АППМ содержит блок формирования и управления параметрами выходного сигнала, блок предварительной обработки принимаемого сигнала, синтезатор, W блоков усиления выходного сигнала, W блоков усиления принимаемого сигнала, и W циркуляторов, каждый из W блоков усиления выходного сигнала, содержит последовательно соединенные цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), фильтр нижних частот, первый смеситель, первый полосовой фильтр и первый усилитель мощности, выход которого соединен с входом соответствующего циркулятора, вход-выход которого соединен с входом-выходом соответствующего антенного элемента, а выход с входом соответствующего блока усиления принимаемого сигнала, содержащего последовательно соединенные защитное устройство, малошумящий усилитель, второй полосовой фильтр, второй смеситель, второй усилитель мощности, третий полосовой фильтр и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выход которого соединен с соответствующим входом блока предварительной обработки принимаемого сигнала, вторые входы каждого из W первых и вторых смесителей соединены с соответствующими выходами синтезатора, а вторые входы каждого из W АЦП, каждого из W ЦАП и соответствующий вход синтезатора обеспечивают прием опорного сигнала синхронизации, блок формирования и управления параметрами выходного сигнала содержит устройство управления и W формирователей отсчетов, выход каждого из которых соединен с входом соответствующего ЦАП, устройство управления содержит модуль управления модуляцией, первый выход которого связан с входом модуля управления частотой, а второй - с первым входом модуля управления фазой, источник шума и W каналов формирования сигнальных параметров, каждый из которых содержит последовательно соединенные первый сумматор, аккумулятор фазы, второй сумматор, третий сумматор, постоянное запоминающее устройство, выход которого соединен с входом соответствующего формирователя отсчетов, первых вход каждого из W первых сумматоров соединен с соответствующим выходом соответствующего МПОУК, а второй вход - с соответствующим выходом модуля управления частотой, второй вход каждого из W вторых сумматоров - с соответствующим выходом модуля управления фазой, а второй вход каждого из W третьих сумматоров - с соответствующим выходом источника шума, блок предварительной обработки принимаемого сигнала содержит сериалайзер и W блоков фильтрации, каждый из которых содержит третий смеситель, первый вход которого соединен с выходом соответствующего АЦП, выход с входом соответствующего четвертого полосового фильтра, первый и второй выходы которого соединены с соответствующими входами сериалайзера, выход которого соединен с соответствующим входом соответствующего МПОУК, каждый из N МПОУК содержит K последовательно расположенных программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), каждая из которых выполнена с возможностью приема данных от M/N/K АППМ и обеспечивающих цифровое формирование парциальных диаграмм направленности, выходы K-ой ПЛИС соединены с соответствующими входами блока управления, входы-выходы которого соединен с соответствующим входами-выходами БПВОУК, который содержит P последовательно расположенных ПЛИС, каждая из которых выполнена с возможностью приема данных от N/P МПОУК и обеспечивающих цифровое формирование диаграммы направленности, выходы K-ой ПЛИС соединены с соответствующими входами блока управления БПВОУК, входы-выходы которого соединены с соответствующими входами-выходами КВП.
На фиг. 1 представлена функциональная схема АФАР в целом.
На фиг. 2 приведена функциональная схема АППМ.
На фиг. 3 приведена функциональная схема устройства управления в составе АППМ.
На фиг. 4 приведена схема блока фильтрации в составе АППМ.
На фиг. 5 приведена схема МПОУК.
На фиг. 6 приведена схема БПВОУК.
АФАР, показанная на фиг. 1, содержит М АППМ 1.1…1.М, N МПОУК 2.1…2.N, каждый из которых связан с M/N АППМ, БПВОУК 3, связанный с каждым из МПОУК 2.1…2.N и КВП 4, связанный с БПВОУК 3.
Каждый АППМ 1.i (где i=1…M), показанный на фиг. 2, содержит блок формирования и управления параметрами выходного сигнала 5.i, блок предварительной обработки принимаемого сигнала 6.i, синтезатор 7.i, W блоков усиления выходного сигнала 8.i.1…8.i.W, W блоков усиления принимаемого сигнала 9.i.1…9.i.W, и W циркуляторов 10.i.1…10.i.W.
Каждый блок усиления выходного сигнала 8.i.j (где j=1…W), содержит последовательно соединенные цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 11.i.j, фильтр нижних частот 12.i.j, первый смеситель 13.i.j, первый полосовой фильтр 14.i.j и первый усилитель мощности 15.i.j, выход которого соединен с входом соответствующего циркулятора 10.i.j, вход-выход которого соединен с входом-выходом соответствующего антенного элемента 16.i.1, а выход с входом соответствующего блока усиления принимаемого сигнала 9.i.j.
Каждый блок усиления принимаемого сигнала 9.i.j содержит последовательно соединенные защитное устройство 17.i.j, малошумящий усилитель 18.i.j, второй полосовой фильтр 19.i.j, второй смеситель 20.i.j, второй усилитель мощности 21.i.j, третий полосовой фильтр 22.i.j и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 23.i.j, выход которого соединен с соответствующим входом блока предварительной обработки принимаемого сигнала 6.i. Вторые входы каждого первого 13.i.j и второго 20.i.j смесителей соединены с соответствующими выходами синтезатора 7.i, а вторые входы каждого из АЦП 23.i.j, каждого из ЦАП 11.i.j и соответствующий вход синтезатора 7.i обеспечивают прием опорного сигнала синхронизации (линия опорного сигнала синхронизации показана на фигурах точечной линией).
Каждый блок формирования и управления параметрами выходного сигнала 5.i, показанный на фиг. 3, содержит устройство управления и W формирователей отсчетов 25.i.1…25.i.W. Выход формирователя отсчетов которых 25.i.j соединен с входом соответствующего ЦАП 11.i.j.
Каждое устройство управления 24.i содержит модуль управления модуляцией 26.i, первый выход которого связан с входом модуля управления частотой 27.i, а второй - с первым входом модуля управления фазой 28.i, источник шума 29.i и W каналов формирования сигнальных параметров 30.i.1…30.i.W.
Каждый канал формирования сигнальных параметров 30.i.j содержит последовательно соединенные первый сумматор 31.i.j, аккумулятор фазы 32.i.j, второй сумматор 33.i.j, третий сумматор 34.i.j и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 35.i.j, выход которого соединен с входом формирователя отсчетов 25.i.j. Первый вход каждого первого сумматора 31.i.j соединен с соответствующим выходом соответствующего МПОУК, а второй вход - с соответствующим выходом модуля управления частотой 27.i. Второй вход каждого второго сумматора 33.i.j - с соответствующим выходом модуля управления фазой 28.i, а второй вход каждого третьего сумматора 34.i.j - с соответствующим выходом источника шума 29.i.
Каждый блок предварительной обработки принимаемого сигнала 6.i, показанный на фиг. 4, содержит W блоков фильтрации 36.i.1…36.i.W и сериалайзер 37.i. Каждый блок фильтрации 36.i.j, показанный на фиг. 4, содержит третий смеситель 38.i.j, первый вход которого соединен с выходом соответствующего АЦП 23.i.j, выход - с входом соответствующего четвертого полосового фильтра 39.i.j. Второй вход третьего смесителя 38.i.j выполнен с возможностью приема сигнала промежуточной частоты. Первый и второй выходы полосового фильтра 39.i.j соединены с соответствующими входами сериалайзера 37.i, выход которого соединен с соответствующим входом соответствующего МПОУК. Блок формирования и управления параметрами выходного сигнала 5.i и блок предварительной обработки принимаемого сигнала 6.i, в составе АППМ 1.i выполнены на базе ПЛИС (не показана).
Каждый из N МПОУК 2.n (где n=1…N), показанный на фиг. 5, содержит K последовательно расположенных ПЛИС 40.n.1…40.n.K. Каждая из ПЛИС 40.n.1…40.n.K выполнена с возможностью приема-передачи данных от M/N/K АППМ и обеспечивающая цифровое формирование парциальных диаграмм направленности. Архитектура последовательного соединения ПЛИС обусловлена необходимостью оптимизации линий связи между ПЛИС, так как каждый ПЛИС имеет ограниченное количество устройств ввода-вывода. Из структуры обработки видно, что при сложении парциальных диаграмм (рассчитанных по части апертуры) суммарный поток данных, передаваемых между ПЛИС, не увеличивается. Данный поток является константой при обмене устройствами внутри МПОУК и при взаимодействии с БПВОУК, так как его определяет полное количество формируемых лучей и полоса в каждом луче. Кроме того, МПОУК содержит блок управления 41.n, с помощью которого, в частности, реализуется взаимодействие МПОУК 2.n с БПВОУК 3. В частном варианте выполнения он может быть реализован на базе системы на кристалле, состоящей из ПЛИС и процессора. Выходы ПЛИС 40.n.K соединены с соответствующими входами блока управления 41.n. Входы-выходы блока управления 41.n. соединены с соответствующим входами-выходами БПВОУК 3.
БПВОУК 3, показанный на фиг. 6, выполнен по схеме, аналогичной схеме выполнения МПОУК и содержит Р последовательно расположенных ПЛИС 42.1…42.Р. Каждая из ПЛИС 42.р (где р=1…Р) выполнена с возможностью приема-передачи данных от N/P МПОУК и обеспечивающая цифровое формирование диаграммы направленности. Кроме того, БПВОУК содержит блок управления 43, с помощью которого, в частности, реализуется взаимодействие БПВОУК 3 с КВП 4 и источник опорного сигнала синхронизации 44. В частном варианте выполнения он может быть реализован на базе системы на кристалле, состоящей из ПЛИС и процессора. Выходы ПЛИС 42.Р соединены с соответствующими входами блока управления БПВОУК 43. Входы-выходы блока управления БПВОУК 43 соединены с соответствующим входами-выходами КВП 4.
АФАР работает следующим образом.
Перед началом работы в БПВОУК 3 приходит (от КВП 4) сигнал привязки времени (СПВ) (на фигурах не показан), который обеспечивает синхронизацию работы всей АФАР и привязывает ее к единой временной шкале. Также с КВП 4 на БПВОУК 3 приходит сигнал управления, который передает информацию о направлениях излучения и приема, режимах работы БПВОУК 3, каждого МПОУК 2.n, каждого АППМ 1.i (где i=1…M). В БПВОУК 3 (в источнике опорного сигнала синхронизации 44) формируется опорный сигнал синхронизации (ОСС), который является опорным сигналом для обеспечения единого счета времени во всех устройствах обработки (аккумуляторы фазы 32.i.j, ПЗУ 35.i.j, ПЛИС 40.n.k, ПЛИС 42.р, блоки управления 41.n и 43), а также опорным сигналом, обеспечивающим когерентность работы блоков усиления выходного сигнала 8.i.j и блоков усиления принимаемого сигнала 9.i.j каждого из АППМ 1.i. На фигурах ОСС показан в виде пунктирной линии. От этого сигнала формируются опорные частоты синтезаторов 7.i, он является опорным для АЦП 23.i.j и ЦАП 11.i.j АППМ 1.i.
Распределение сигналов ОСС и СПВ осуществляется в соответствии с принятой иерархической моделью управления: соответствующие выходы БПВОУК 3 через МПОУК МПОУК 2.n подключаются к АППМ АППМ 1.i (см. фиг. 1). А именно: сигнал управления и СПВ поступают на устройство управления 24.i (реализованное на ПЛИС) АППМ 1.i; сигнал ОСС поступает на устройство управления 24.i, синтезатор 7.i, АЦП 23.i.j и ЦАП 11.i.j АППМ 1.i.
Все ПЛИС (в составе БПОУК 3, каждого МПОУК 2.n, каждого АППМ 1.n) объединены общими линиями разводки ОСС (пунктирная линия) и СПВ (не показано). Наличие данных сигналов на всех ПЛИС, а также на всех АППМ 1.n позволяет реализовать синхронизацию и когерентность обработки сигналов. В каждом ПЛИС содержится свой счетчик времени, работающий по тактам ОСС и синхронизируемый по всей АФАР сигналом СПВ.
Формирование сигнала начинается в устройстве управления 24.i. Входными параметрами алгоритма управления являются: код литерной частоты, направляющий косинус по азимуту и углу места, тип сигнала, время актуализации параметров, поступающие на АППМ 1.i с соответствующего МПОУК (цифровые данные на фигурах показаны сплошной линией). Параметр частотная литера представляет собой адрес в памяти АППМ 1.i (в ПЛИС, на базе которой выполнены блок формирования и управления параметрами выходного сигнала 5.i и блок предварительной обработки принимаемого сигнала 6.i). В этой памяти находятся значения приращений фазы, соответствующие требуемым частотам ΔР. Под типом сигнала понимается код, в котором содержится информация о длительности сигнала и типе модуляции (линейно-частотная модуляция ЛЧМ, фазо-кодовая модуляция ФКМ).
В состав каждого из устройств управления 24.i АППМ 1.i входят W каналов формирования сигнальных параметров 30.i.1…30.i.W, аккумулятор фазы 32.i.1 и постоянное запоминающее устройство 35.i.1.
Каждое из ПЗУ 35.i.j хранит в себе значения отсчетов синуса и с его помощью происходит «конвертирование» цифровой фазовой информации в значения синуса с соответствующей фазой (в ПЗУ 35.i.j каждого передающего модуля 30.i.j хранятся значения отсчетов синуса).
Формирование цифровой фазовой информации происходит в каждом канале формирования сигнальных параметров 30.i.j на основании входных параметров с помощью аккумуляторов фазы 32.i.j, и первого, второго сумматоров 31.i.j, 33.i.j, соответственно, и модуля управления модуляцией 26.i, модуля управления частотой 27.i, модуль управления фазой 28.i, обеспечивающих линейно-частотную и фазо-кодовой модуляцию. Дополнительно для уменьшения паразитных составляющих выходного спектра в устройство управления введены источник шума 29.i и третьи сумматоры 34.i.j, которые преобразуют паразитные составляющие в широкополосный шум (см. фиг. 3).
Аккумулятор фазы рассчитывает значения Δ - приращения фазы для заданной частоты ΔР с помощью параметров частотной литеры и типа сигнала и с помощью направляющих косинусов и отношений координат к длине волны рассчитывает значение Р - дополнительного приращения для задания фазы сигнала.
Таким образом, в модуле управления запрограммирован определенный набор возможных сигналов с различными типами модуляции и длительностью и выходом модуля управления служат параметры: приращение фазы, дополнительная фаза и время актуализации параметров.
Формирователь отсчетов 25.i.j в соответствии со временем актуализации параметров и заданными сигнальными параметрами на основании данных, получаемых с устройства управления 24.i формирует выходной поток цифровых отсчетов для ЦАП 11.i.j. В ЦАП 11.i.j осуществляется преобразование цифровых отсчетов в аналоговый сигнал (на фигурах аналоговый сигнал показан точечным пунктиром). На выходе ЦАП 11..i.j формируется ступенчатое напряжение, аппроксимирующее синтезируемый сигнал. После этого сигнал поступает на фильтр нижних частот 12.i.j, который подавляет высокочастотные паразитные компоненты и оставляет чистый синусоидальный сигнал на выходе.
Далее последовательно сигнал поступает на смеситель 13.i.j и полосовой фильтр 14.i.j, которые обеспечивают перенос сигнала на рабочую частоту передатчика. После чего сигнал усиливается на первом усилителе мощности 15.i.j. Полученный сигнал через выходной Х-циркулятор 10.i.j направляется на антенный излучатель 16.i.j. Сигнал, поступающий на второй вход смесителей 13.i.j и 20.i. формируется синтезатором 7.i из опорной частоты синхронизации.
Отраженный сигнал, пройдя антенный излучатель 16.i.j, попадает на X-циркулятор 10i.j, который направляет сигнал в приемный тракт, начинающийся с защитного устройства 17.i.j. После него сигнал усиливается посредством малошумящего усилителя 18.i.j, проходит через второй полосовой фильтр 19.i.j, который обеспечивает необходимое подавление зеркального канала и поступает на второй смеситель 20.i.j, который обеспечивает перевод сигнала с рабочей частоты на промежуточную частоту (на которой возможно дальнейшее аналого-цифровое преобразование сигнала). Сигнал промежуточной частоты проходит через второй усилитель мощности 21.i.j, второй полосовой фильтр 22.i.j и поступает на АЦП 23.i.j. Цифровая обработка сигнала начинается в АЦП 23.i.j, где осуществляется дискретизация сигнала. Данные после АЦП 23.i.j поступают в блок фильтрации 36.i.j, где производится формирование квадратур (I и Q), полосовая фильтрация и децимация данных. Полосовая фильтрация, помимо выделения полосы каждого информационного канала, также уменьшает влияние эффекта наложения спектров (эффект Гиббса). После этого данные поступают в сериалайзер 37.i, задачей которого является упаковка данных в последовательную линию передачи данных для пересылки на МПОУК 2.i.
Каждая из K ПЛИС 40.n.k (k=1…K), входящих в состав МПОУК 2.n принимает данные от M/N/K АППМ, осуществляет полосовую фильтрацию и децимацию принятых данных до требуемой частоты на блоке полосовой фильтрации (реализуемом на ПЛИС 40.n.k), производит цифровое формирование L парциальных диаграмм направленности на блоке формирования парциальных диаграмм направленности (реализуемом на ПЛИС 40.n.k). Параметры полосовой фильтрации блок управления 41.n из состава МПОУК 2.n пересылает на каждый из блоков полосовой фильтрации39.i.j. Блок управления из состава МПОУК 2.n рассчитывает весовые коэффициенты , которые пересылает на каждый из блоков формирования парциальных диаграмм направленности. Данные для расчета весовых коэффициентов поступают в блок управления из БПВОУК 3. Блок управления также реализован на ПЛИС. Цифровое формирование L парциальных диаграмм направленности начинается на первой из K ПЛИС (с ПЛИС 40.n.1) и заканчивается на K-ой ПЛИС (ПЛИС 40.n.K). Т.е. на первой из K ПЛИС формируется L парциальных диаграмм направленности и передается во вторую из K ПЛИС, где производится суммирование L парциальных диаграмм направленности, сформированных на первой и второй ПЛИС, и т.д. На K-ой ПЛИС заканчивается формирование L парциальных диаграмм направленностей, и полученные данные через блок управления 41.n передаются на БПВОУК 3.
Каждая из Р ПЛИС 42.р (р=1…Р), входящих в состав БПВОУК 3 которых принимает данные от N/P МПОУК, осуществляет суммирование парциальных диаграмм направленности для нахождения суммарных лучей, осуществляет быстрое преобразование Фурье для сигналов обнаружения, осуществляет согласованную фильтрацию фазо-кодоманипулированных сигналов сопровождения, производит обнаружение и формирование единичных замеров. Итоговая информация об обнаруженных сигналах через блок управления 43 передается в КВП 4.