ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЕЛЕНГАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ АНТЕННА-ОБТЕКАТЕЛЬ

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при радиотехнических испытаниях систем антенна-обтекатель (А-O).

Известно устройство для измерения радиотехнических характеристик систем А-O, содержащее генератор СВЧ, вспомогательную антенну, поворотный стенд с установленными на нем пеленгационной антенной, обтекателем и датчиком угла поворота обтекателя, причем выход датчика угла поворота обтекателя подключен к угломерному входу регистрирующего прибора, электронные ключи, управитель, выходы которого подключены к управляющим входам СВЧ-переключателя и управляющим входам электронных ключей; устройства выборки и хранения, входы которых подключены к выходам электронных ключей; измерительный канал, входы которого подключены к выходам пеленгационной антенны [Столбовой В.С., Крицын В.А. Устройство для измерения радиотехнических характеристик систем антенна-обтекатель. Описание к патенту № 2133478, 1999].

Известно также устройство для измерения пелегационных ошибок систем А-O, содержащее поворотный стенд с антенной и обтекателем, измерительные каналы с вспомогательными антеннами и СВЧ-переключателями [Крицин В.А., Старков Е.А., Столбовой B.C. Устройство для измерения угловых ошибок. Авторское свидетельство № 459744, 1975]. - прототип.

Недостатками известных устройств являются: низкая точность измерений, обусловленная нелинейными искажениями пеленгационной характеристики, возникающими из-за искажений падающего электромагнитного поля в системе А-O и зависящими от углового положения пеленгационной антенны в обтекателе, а также малая информативность измерений, так как известные устройства не позволяют за один цикл измерять одновременно с пеленгационными ошибками системы А-O зависимость крутизны пеленгационной характеристики от угла поворота обтекателя, а также зависимости коэффициентов разложения пеленгационной характеристики системы А-O от угла поворота обтекателя.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерений путем устранения погрешностей измерений, обусловленных вкладом нелинейных искажений пеленгационной характеристики второго и более высокого порядка, а также повышение информативности измерений за счет расширения номенклатуры характеристик, измеряемых за один цикл измерений.

Указанная цель достигается за счет того, что в известный измеритель пеленгационных характеристик систем А-O, содержащий поворотный стенд с установленными на нем пеленгационной антенной, обтекателем и датчиком угла поворота обтекателя, причем выход датчика угла поворота обтекателя подключен к угломерному входу регистрирующего прибора, последовательно соединенные СВЧ-генератор и СВЧ-переключатель, измерительные каналы, каждый из которых содержит вспомогательную антенну, вход которой подключен к выходу СВЧ-переключателя, и устройство выборки и хранения, измеритель отношения разностного сигнала к суммарному сигналу, входы которого подключены к выходам пеленгационной антенны, а выход - к входам устройств выборки и хранения, а также управитель, выходы которого подключены к управляющему входу СВЧ переключателя и к управляющим входам устройств выборки и хранения, дополнительно введены блок решения системы n линейных уравнений для пеленгационной характеристики (где n - количество измерительных каналов, при этом n>2), входы которого подключены к выходам устройств выборки и хранения, а выходы - к входам коэффициентов пеленгационной характеристики регистрирующего прибора, и блок вычисления корня уравнения n-1 степени для пеленгационной характеристики, входы которого подключены ко вторым выходам блока решения системы n линейных уравнений для пеленгационной характеристики, а выход - к входу пеленгационной ошибки регистрирующего прибора.

На чертеже изображена блок-схема предлагаемого устройства,

где 1 - пеленгационная антенна;

2 - обтекатель;

3 - поворотный стенд;

4 - датчик угла поворота обтекателя;

5 - измеритель отношения разностного сигнала к суммарному сигналу;

6, 7, 8, 9, 10 - устройства выборки и хранения;

11 - блок решения системы n линейных уравнений для пеленгационной характеристики;

12 - блок вычисления корня уравнения n-1 степени для пеленгационной характеристики;

13 - регистрирующий прибор;

14, 15, 16, 17, 18 - вспомогательные антенны;

19 - СВЧ-переключатель;

20 - СВЧ-генератор;

21 - управитель.

Пеленгационая антенна 1, имеющая выходы разностного сигнала Δ и суммарного сигнала Σ, а также радиопрозрачный обтекатель 2 установлены на поворотном стенде 3, снабженном датчиком угла поворота обтекателя 4. Выходы пеленгационной антенны 1 подключены ко входам измерителя отношения разностного сигнала к суммарному сигналу 5. Выход Δ/Σ измерителя отношения разностного сигнала к суммарному сигналу 5, содержащий информацию об отношении разностного сигнала к суммарному сигналу, принятому пеленгационной антенной 1, подключен к входам устройств выборки и хранения 6, 7, 8, 9, 10. Выходы устройств выборки и хранения 6, 7, 8, 9, 10 подключены к входам блока решения системы n линейных уравнений для пеленгационной характеристики 11, первые выходы которого подключены к входам коэффициентов пеленгационной характеристики регистрирующего прибора 13, а вторые выходы подключены к входам блока вычисления корня уравнения n-1 степени для пеленгационной характеристики 12. Выход блока вычисления корня уравнения n-1 степени для пеленгационной характеристики 12 подключен к входу пеленгационной ошибки регистрирующего прибора 13. Вспомогательные антенны 14, 15, 16, 17, 18, количество которых должно быть более двух, разнесены в плоскости измерения пеленгационных ошибок на угловые расстояния Δα_i (см. чертеж) относительно оптической оси пеленгационной антенны в пределах рабочей зоны пеленгационной характеристики. Входы вспомогательных антенн 14, 15, 16, 17, 18 подключены к выходам СВЧ-переключателя 19, вход которого подключен к выходу СВЧ-генератора 20. Выходы управителя 21 подключены к управляющему входу СВЧ-переключателя 20 и к управляющим входам устройств выборки и хранения 6, 7, 8, 9, 10.

Работает устройство следующим образом.

Управитель 21 управляет СВЧ-переключателем 19 таким образом, что выход СВЧ-генератора 20 поочередно подключается сначала к вспомогательной антенне 14, затем к вспомогательной антенне 15 и так далее, причем в конце цикла он подключается к вспомогательной антенне, имеющей порядковый номер n. После этого цикл переключении повторяется: то есть СВЧ генератор 20 через СВЧ переключатель 19 подключается к вспомогательной антенне 14, затем к вспомогательной антенне 15 и так далее. Синхронно с подключением вспомогательных антенн 14, 15, 16, 17, 18 к выходу СВЧ-генератора 20, к выходу измерителя отношения разностного сигнала к суммарному сигналу 5, содержащему информацию об отношении разностного сигнала к суммарному сигналу, последовательно подключаются соответствующие входы устройств выборки и хранения 6, 7, 8, 9, 10, управляемых по управляющим входам управителем 21. В результате такой логики переключения СВЧ-переключателя 19 и подключения входов устройств выборки и хранения 6, 7, 8, 9, 10 на выходе устройства выборки и хранения 6 имеется текущая информация о значении , полученная от излучения первой вспомогательной антенны 14; на выходе устройства выборки и хранения 7 информация о значении от излучения второй вспомогательной антенны 15; на выходе устройства выборки и хранения 9 информация о значении от излучения i-той вспомогательной антенны и, наконец, на выходе устройства выборки и хранения 10 информация о значении от излучения n-ой вспомогательной антенны. Информация об угловом положении Δα_i каждой i-той вспомогательной антенны предварительно заносится оператором, запоминается и хранится в блоке решения системы n линейных уравнений для пеленгационной характеристики 11. С помощью этих данных в указанном блоке производится решение приведенной ниже системы n линейных уравнений:

где искомыми являются коэффициенты разложения пеленгационной характеристики системы А-O: .

Нетрудно показать, что при размещении вспомогательных антенн в пределах рабочей зоны пеленгационной характеристики и угловом разносе вспомогательных антенн друг относительно друга определитель D_w системы уравнений (1) не равен нулю, и она имеет единственное решение:

где D_q - определитель, получающийся при замене q-го столбца свободными членами. Исходя из этого, можно констатировать, что при n вспомогательных антеннах в блоке решения системы n линейных уравнений для пеленгационной характеристики 11 определяются и выводятся на выходы указанного блока n текущих значений коэффициентов разложения пеленгационной характеристики системы А-O, значения которых в общем случае зависят от угла а поворота обтекателя 2 относительно пеленгационной антенны 1. Таким образом для любого углового отклонения Δα_νar от оптической оси пеленгационной антенны 1 пеленгационная характеристика системы А-O в угловом секторе расположения вспомогательных антенн 14-18 определяется полиномом:

количественные значения постоянных коэффициентов которого непрерывно вычисляются и присутствуют на соответствующих выходах блока решения системы n линейных уравнений для пеленгационной характеристики 11 и подаются на входы коэффициентов пеленгационной характеристики регистрирующего прибора 13. В отсутствие обтекателя 2 и вносимых им искажений падающего электромагнитного поля пеленгационная характеристика пеленгационной антенны 1 принимает вид:

Из сопоставительного анализа (2) и (3) видно, что значение коэффициента С_0A-O количественно характеризует смещение нуля пеленгационной характеристики относительно оптической оси пеленгационой антенны 1, возникающее в системе А-O под влиянием обтекателя 2; значение коэффициента C_1A-O количественно характеризует весьма важный для устройств пеленгации параметр - крутизну пеленгационной характеристики системы А-O; значение коэффициента С_2A-O количественно характеризует вклад нелинейных искажений пеленгационной характеристики второго порядка; значение коэффициента С_3A-O количественно характеризует вклад нелинейных искажений пеленгационной характеристики третьего порядка и так далее. Степень изменения крутизны пеленгационной характеристики, а также вклад нелинейных искажений пеленгационной характеристики в системе А-O в зависимости от угла а поворота обтекателя 2 имеют весьма важное значение для обзорных радиолокационных станций.

Одним из наиболее важных параметров, характеризующих в радиолокации пеленгационную характеристику системы А-O с точки зрения точности сопровождения, является пеленгационная ошибка системы А-O, то есть смещение электрической оси пеленгационной антенны 1 относительно ее оптической оси, выражающееся в сдвиге нуля пеленгационной характеристики, вызванное влиянием обтекателя 2 в системе А-O по сравнению со случаем отсутствия обтекателя. Предположим сначала, что нам известны все коэффициенты разложения пеленгационной характеристики системы А-O, тогда обозначив истинное значение пеленгационной ошибки системы А-O через Δα_ист, (найдем его из условия равенства нулю пеленгационной характеристики системы А-O, то есть

что эквивалентно равенству нулю бесконечного ряда:

Ввиду того, что количество вспомогательных антенн на практике не бесконечно и ограничено значением n, измеренное значение пеленгационной ошибки системы А-O Δα_изм. с известной долей погрешности, обусловленной пренебрежением вкладом, вносимым коэффициентами разложения пеленгационной характеристики n и более высокого порядка, может быть определено из условия равенству нулю конечного ряда:

Вычисление Δα_изм. путем решения уравнения (5) и осуществляется в блоке вычисления корня уравнения n-1 степени для пеленгационной характеристики 12, с выхода которого значение Δα_изм. подается на вход пеленгационной ошибки регистрирующего прибора 13. Одновременно на входы коэффициентов пеленгационной характеристики регистрирующего прибора 13 (см. чертеж) подаются значения коэффициентов разложения пеленгационной характеристики системы А-O.

Таким образом, в отличие от известных устройств в предлагаемом устройстве существенно увеличивается информативность измерений за счет возможности регистрации одновременно, в одном цикле измерений, наряду с зависимостью пеленгационных ошибок системы А-O зависимостей значений различных коэффициентов разложения пеленгационной характеристики системы А-O от угла поворота обтекателя 2, включая зависимость крутизны пеленгационной характеристики системы А-O, а также зависимости вкладов в результирующие искажения нелинейных искажений второго и более высокого порядка.

Для оценки качественно нового эффекта, обеспечиваемого предлагаемым изобретением в части повышения точности измерений, оценим относительную погрешность δ измерений пеленгационных ошибок системы А-O, определяемую как:

С этой целью произведем следующие действия. Из уравнения (5) вычтем уравнение (4); используем известное в алгебре [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. 13-е изд., испр., М.: Наука, 1986, стр.141] выражение:

учтем, что на практике и после деления полученного выражения на Δα и несложных преобразований получим следующее выражение для относительной погрешности измерений пеленгационных ошибок:

Анализ полученного выражения (7) показывает, что при наличии двух вспомогательных антенн (n=2) относительная погрешность измерения пеленгационных ошибок системы А-O определяется в основном искажениями пеленгационной характеристики второго и более высокого порядка; при наличии трех вспомогательных антенн (n=3) искажениями пеленгационной характеристики третьего и более высокого порядка и так далее.

Таким образом при количестве вспомогательных антенн более двух (n>2) уменьшается относительная погрешность измерения за счет исключения вклада составляющих погрешностей, обусловленных нелинейными искажениями пеленгационной характеристики второго и более высокого порядка, и тем самым реализуется качественно новый эффект повышения точности измерений, присущий предлагаемому изобретению. В частности, при n=3, по сравнению с n=2, исключается вклад в результирующую погрешность, обусловленный искажениями пеленгационной характеристики второго порядка (то есть вклад, вносимый слагаемым с коэффициентом С_2A-O в числителе выражения (7)); при n=4, по сравнению с n=2, исключается вклад в результирующую погрешность, обусловленный искажениями пеленгационной характеристики второго и третьего порядка (то есть вклад, вносимый слагаемыми с коэффициентами С_2A-O и С_3A-O в числителе выражения (7)), и так далее. Следует особо отметить, что увеличение количества вспомогательных антенн при n>2 приводит не к аддитивному эффекту увеличения точности, а к принципиально новому эффекту повышения точности за счет учета искажений пеленгационной характеристики системы А-O второго и более высокого порядка.