Способ формирования диаграммы направленности

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для построения узкой диаграммы направленности (ДН) в приемных фазированных антенных решетках.

Известен способ формирования диаграммы направленности [1 - стр. 295, 296 - Бурдик B.C. Анализ гидроакустических систем. Л.: Судостроение, 1988], который заключается в приеме отраженного сигнала посредством антенной решетки, временной задержке выходных сигналов элементов решетки и последующем их суммировании.

Недостатком этого способа является сложность его практического воплощения, обусловленная наличием проблем технического характера, которые, в основном, связаны с необходимостью реализации большого числа стабильных, идентичных и перестраиваемых аналоговых линий задержки.

Также известен способ формирования диаграммы направленности [2 - Найт У.С. Придэм Р.Г. и Кей С.М. Цифровая обработка сигналов в гидролокационных системах. ТИИЭР, т. 69, N 11, 1981, с. 107], который заключается в приеме сигнала S(t) посредством плоской антенной решетки, дискретизации выходных сигналов элементов антенной решетки, двухступенчатом формировании лучей диаграммы направленности раздельно в азимутальной и угломестной плоскостях. Согласно данному способу, выходной сигнал x_mn(t) произвольного элемента с номером (т, п) антенной решетки размером M*N элементов посредством дискретизации с частотой Fд_l преобразуется во временной ряд х_mn(iТд) отсчетов (где i - номер отсчета), т.е. выборок x_mn(t), взятых с шагом дискретизации Tд=(F_д)^-1. Формирование лучей диаграммы направленности в известном способе основано на компенсации временных задержек между моментами поступления фронта принимаемой волны на элементы решетки раздельно в азимутальной и угломестной плоскостях, путем задержки выборок x_mn(iTд) на время, кратное Тд. При этом выходной сигнал b(iTд) любого луча из формируемого набора лучей диаграммы направленности также представляет собой временной ряд.

Недостатком этого способа является ограниченная точность формирования диаграммы направленности. Ограничение точности связано с тем, что данный способ допускает формирование только "синхронных" лучей диаграммы направленности, т.е. таких, для которых значения времен задержки прихода фронта принимаемой волны кратны шагу дискретизации Тд.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ формирования диаграммы направленности [3 - патент США 6921096 G01S 3/28, 2000], принятый в качестве прототипа, который заключается в делении излучателей антенной решетки на несколько идентичных подрешеток, содержащих, как минимум, один излучатель, первая пара подрешеток расположена по сторонам от первой оси антенной решетки Y, вторая пара подрешеток расположена по сторонам второй оси антенной решетки X, при этом угол между осями X и Y не равен нулю, вычисляют сумму сигналов с выходов излучателей первой R_L и второй R_R подрешеток из первой пары подрешеток и сумму сигналов с выходов излучателей третьей R_U и четвертой R_B подрешеток из второй пары подрешеток, вычисляют первый суммарный луч как сумму модулей S_LR=a|R_L|+b|R_R|, где a+b=2, второй суммарный луч как сумму модулей S_UB=а'|R_U|+b'|R_B|, где a'+b'=2, первый разностный луч как модуль разности D_LR=|R_L-R_R|, второй разностный луч как модуль разности D_UB=|R_U-R_B|.

Вычисляют суженный луч в первой плоскости как , где 0<n<2, суженный луч во второй плоскости как , где 0<m<2. Вычисляют результирующий луч как , где 0<q<∞, 0≤с≤2, 0≤р≤2, с+р=2, или как , где 1≤g≤2.

Для случая линейной решетки используются две идентичные подрешетки, для которых вычисляют сумму сигналов с выходов излучателей первой R_L и второй R_R подрешеток, суммарный луч находят как сумму модулей S=а|R_L|+b|R_R|, где а+b=2, разностный луч находят как модуль разности D=|R_L-R_R|, а суженный луч вычисляется как , где 0<n<∞.

К недостаткам прототипа следует отнести:

- использование для формирования лучей только части антенной решетки. Так, для формирования левого луча R_L используется одна подрешетка (левая половина) антенной решетки, а для формирования правого луча R_R - другая подрешетка (правая половина) антенной решетки, что увеличивает ширину результирующего луча и снижает коэффициент усиления. Так, при формировании суженной ДН в одной плоскости, антенная решетка делится на две подрешетки, при этом К_у уменьшается в два раза, а в случае формирования суженной ДН в двух плоскостях, антенная решетка делится на четыре подрешетки, при этом К_у уменьшается в четыре раза;

- невозможность формирования многолучевой ДН с независимо управляемыми лучами, так как формирование лучей осуществляется простым суммированием сигналов с подрешеток. Однако в современных системах связи и радиолокации часто требуется создание многолучевых ДН, например, в виде веера лучей.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение формирования многолучевой ДН с независимым управлением лучами.

Для решения указанной технической проблемы предлагается способ формирования диаграммы направленности, при котором принимают сигнал посредством антенной решетки, при необходимости сужения диаграммы направленности в горизонтальной плоскости формируют левый R_L и правый R_R лучи диаграммы направленности, вычисляют суммарный луч S_LR как сумму модулей левого R_L и правого R_R лучей в виде S_LR=a|R_L|+b|R_R|, где a+b=2, вычисляют разностный луч D_LR как модуль разности левого R_L и правого R_R лучей в виде D_LR=|R_L-R_R|, после чего вычисляют суженный луч в горизонтальной плоскости R_LR в виде , где 0<n<2, в случае необходимости сужения диаграммы направленности в вертикальной плоскости, формируют верхний R_U и нижний R_B лучи диаграммы направленности, вычисляют суммарный луч S_UB как сумму модулей верхнего R_U и нижнего R_B лучей в виде S_UB=a'|R_U|+b'|R_B|, где a'+b'=2, вычисляют разностный луч D_UB как модуль разности верхнего R_U и нижнего R_B лучей в виде D_UB=|R_U-R_B|, после чего вычисляют суженный луч R_UB в вертикальной плоскости в виде , где 0<m<2, в случае сужения диаграммы направленности в обеих плоскостях находят результирующую диаграмму направленности как , где 0<q<∞, 0≤с≤2, 0≤р≤2, с+р=2 или как , где 1≤g≤2.

Согласно изобретению, в случае сужения диаграммы направленности в горизонтальной плоскости левый и правый лучи диаграммы направленности формируют, исходя из требуемого направления суженного луча в горизонтальной плоскости θ₀, соответственно в направлениях θ₀-θ_н/2 и θ₀+θ_н/2 путем весового суммирования сигналов с выходов всех элементов антенной решетки, при этом θ_н - угол разноса между лучами, в случае сужения диаграммы направленности в вертикальной плоскости верхний и нижний лучи диаграммы направленности формируют, исходя из требуемого направления суженного луча в вертикальной плоскости ϕ₀, в направлениях ϕ₀+ϕ_V/2 и ϕ₀-ϕ_V/2 путем взвешенного суммирования сигналов с выходов всех элементов антенной решетки, при этом ϕ_V - угол разноса между лучами, для формирования многолучевой диаграммы направленности с суженными лучами для линейной конфигурации антенной решетки формируют соответствующее количество пар лучей, а для плоской конфигурации антенной решетки соответствующее количество левых, правых, верхних и нижних лучей, из которых формируют суженные результирующие лучи.

Техническим результатом предлагаемого способа является увеличение коэффициента усиления антенной решетки за счет использования для формирования диаграммы направленности всей площади антенной решетки.

Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что их отличие заключается в следующем:

- в прототипе формирование лучей осуществляется суммированием сигналов с части антенной решетки, для этого производится деление антенной решетки на подрешетки, для линейной конфигурации решетки - на две подрешетки, левую и правую, для прямоугольной или иной конфигурации антенной решетки - на четыре подрешетки - левую, правую, верхнюю и нижнюю, в предлагаемом способе для формирования лучей используется весовое суммирование сигналов со всей антенной решетки, при этом для линейной решетки формируются два независимых луча - правый и левый, максимумы которых разнесены путем применения соответствующих весовых коэффициентов на угол θ_н, а для прямоугольной или иной конфигурации антенной решетки кроме правого и левого лучей формируются дополнительные верхний и нижний лучи, максимумы которых путем применения соответствующих весовых коэффициентов разнесенные на угол ϕ_V;

- поскольку в прототипе формирование лучей осуществляется простым суммированием сигналов с подрешеток, то отсутствует возможность создания многолучевой ДН с независимо управляемыми лучами. В то время как в предлагаемом устройстве формирование лучей осуществляется весовым суммированием сигналов со всех элементов антенной решетки, поэтому при использовании соответствующих весовых коэффициентов возможно создание многолучевой ДН с независимым управлением лучами.

Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого способа формирования ДН из литературы не известно, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

На фигуре приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

При реализации предложенного способа выполняется следующая последовательность действий:

- принимают сигнал посредством антенной решетки, при необходимости сужения диаграммы направленности в горизонтальной плоскости формируют левый R_L и правый R_R лучи диаграммы направленности, вычисляют суммарный луч S_LR как сумму модулей левого R_L и правого R_R лучей в виде S_LR=a|R_L|+b|R_R|, где а+b=2, вычисляют разностный луч D_LR как модуль разности левого R_L и правого R_R лучей в виде D_LR=|R_L-R_R|, после чего вычисляют суженный луч в горизонтальной плоскости R_LR в виде , где 0<n<2 - 1;

- в случае необходимости сужения диаграммы направленности в вертикальной плоскости, формируют верхний R_U и нижний R_B лучи диаграммы направленности, вычисляют суммарный луч S_UB как сумму модулей верхнего R_U и нижнего R_B лучей в виде S_UB=a'|R_U|+b'|R_B|, где a'+b'=2, вычисляют разностный луч D_UB как модуль разности верхнего R_U и нижнего R_B лучей в виде D_UB=|R_U-R_B|, после чего вычисляют суженный луч R_UB в вертикальной плоскости в виде , где 0<m<2 - 2;

- в случае сужения диаграммы направленности в обеих плоскостях находят результирующую диаграмму направленности как , где 0<q<∞, 0≤с≤2, 0≤р≤2, с+р=2 или как, где 1≤g≤2 - 3;

- в случае сужения диаграммы направленности в горизонтальной плоскости левый и правый лучи диаграммы направленности формируют, исходя из требуемого направления суженного луча в горизонтальной плоскости θ₀, соответственно в направлениях θ_o-θ_н/2 и θ_о+θ_н/2 путем весового суммирования сигналов с выходов всех элементов антенной решетки, при этом θ_н - угол разноса между лучами - 4;

в случае сужения диаграммы направленности в вертикальной плоскости верхний и нижний лучи диаграммы направленности формируют, исходя из требуемого направления суженного луча в вертикальной плоскости ϕ₀, в направлениях ϕ₀+ϕ_V/2 и ϕ₀-ϕ_V/2 путем взвешенного суммирования сигналов с выходов всех элементов антенной решетки, при этом ϕ_V - угол разноса между лучами - 5;

- для формирования многолучевой диаграммы направленности с суженными лучами для линейной конфигурации антенной решетки формируют соответствующее количество пар лучей, а для плоской конфигурации антенной решетки соответствующее количество левых, правых, верхних и нижних лучей, из которых формируют суженные результирующие лучи - 6.

Вариант приемной антенной решетки (АР), реализующий предложенный способ, включает в себя (фигура) М приемных каналов 1, каждый из которых включает в себя последовательно соединенные антенный элемент (АЭ) 2, радиоприемник (РП) 3 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4, вход дискретизации которого соединен с одним из выходов генератора сигнала дискретизации (Г) 5, а выход данных соединен с одним из входов данных устройства цифровой обработки (УЦОС) 6, выход которого является выходом устройства.

РП 3 для работы устройства в диапазоне метровых волн может быть выполнен в виде полосового фильтра и усилителя. В более высокочастотном диапазоне в состав РП 3 дополнительно входят смеситель и гетеродин. При этом могут быть использованы узлы, например, из [4 - стр. 142-143. Mini-Circuits. RF & Microwave components guide. 2010].

Г 5 представляет синтезатор частоты, обеспечивающий формирование сигнала дискретизации Fд. При этом может быть использован, например, синтезатор из [4 - стр. 142-143]. Сигнал синтезатора разветвляется на М выходов с помощью делителей мощности [4 - стр. 136-140].

УЦОС 6 представляет собой ЭВМ, обеспечивающую обработку отсчетов сигнала по заданному алгоритму.

Для реализации предлагаемого способа выполняют следующие действия, реализуемые в устройстве на фигуре.

АЭ 2 каждого приемного канала 1 преобразует энергию электромагнитного поля в энергию токов высокой частоты, поступающих на вход РП 3, где осуществляется усиление принятого сигнала, и, при необходимости, преобразование частоты и демодуляция. Выходной сигнал РП 3 поступает на вход АЦП 4, на выходе которого формируется последовательность цифровых отсчетов принимаемого сигнала, снимаемых с частотой, задаваемой генератором сигнала дискретизации (Г) 5 S_mn(t).

Из полученных цифровых отсчетов формируют многолучевую ДН путем весового суммирования в УЦОС 6. Количество формируемых лучей определяется необходимым количеством суженных лучей.

Для случая плоской прямоугольной АФАР, апертура которой содержит N_x АЭ 2, установленных вдоль координаты X на расстоянии d_x, и N_y АЭ 2, установленных вдоль координаты Y, на расстоянии d_y, отсчеты i-го луча, с направлением максимума ϕ_i,θ_i вычисляются путем умножения цифрового потока с каждого приемного канала 1 на весовой множитель W_mn{(ϕ_i,θ_i) и суммирования. Диаграмма направленности (ДН) для i-го луча R(ϕ_i,θ_i) определяется как [5 - стр. 27-28, Кузьмин С.З. Цифровая радиолокация. Введение в теорию. Киев. 2000 г. - 420 с.]:

где

При необходимости сужения ДН в горизонтальной плоскости формируют левый R_L и правый R_R лучи ДН по выражению (1), исходя из требуемого направления суженного луча в горизонтальной плоскости θ_o, соответственно в направлениях θ_L=θ_o-θ_н/2 и θ_н=θ_о+θ_н/2, где θ_н - угол разноса между лучами, равный ширине левого и правого луча ДН в горизонтальной плоскости.

Вычисляют суммарный луч S_LR как сумму модулей левого R_L и правого R_R лучей в виде S_LR=a|R_L|+b|R_R|, где a+b=2, вычисляют разностный луч D_LR как модуль разности левого R_L и правого R_R лучей в виде D_LR=|R_L-R_R|, после чего вычисляют суженный луч в горизонтальной плоскости R_LR в виде

где 0<n<2.

В случае необходимости сужения ДН в вертикальной плоскости, формируют верхний R_U и нижний R_B лучи ДН по выражению (1), исходя из требуемого направления суженного луча в вертикальной плоскости ϕ₀, в направлениях ϕ_U=ϕ_o+ϕ_V/2 и ϕ_B=ϕ₀-ϕ_V/2, где ϕ_V - угол разноса между лучами, равный ширине верхнего и нижнего луча ДН в вертикальной плоскости.

Вычисляют суммарный луч S_UB как сумму модулей верхнего R_U и нижнего R_B лучей в виде

S_UB=a'|R_U|+b'|R_B|,

где a'+b'=2,

вычисляют разностный луч D_UB как модуль разности верхнего R_U и нижнего R_B лучей в виде D_UB=|R_U-R_B|, после чего вычисляют суженный луч R_UB в вертикальной плоскости в виде

где 0<m<2.

В случае сужения ДН в обеих плоскостях находят суженный луч результирующей ДН как

где 0<q<∞, 0≤с≤2, 0≤р≤2, с+р=2

или как

где 1≤g≤2.

Для формирования многолучевой ДН, содержащей К суженных лучей в случае линейной конфигурации антенной решетки, формируют по выражению (1) соответствующее количество пар лучей, равное количеству суженных лучей многолучевой ДН в требуемых направлениях. В случае плоской конфигурации антенной решетки формируют по выражению (1) соответствующее количество левых, правых, верхних и нижних лучей, из которых формируются суженные результирующие лучи в требуемых направлениях.

Сформированные отсчеты К суженных лучей с выхода УЦОС 6 передаются на выход устройства.

Моделирование показывает, что способ обеспечивает сужение ДН не менее 2 раз при значениях m=1, q=1 и не менее 10 раз при значениях m=1, q=0,5.

Предлагаемый способ обеспечивает формирование многолучевой ДН с суженными лучами и возможностью независимой перестройки направления этих лучей, в то время как в прототипе формируется ДН только с одним неподвижным суженным лучом.

Предлагаемый способ обеспечивает увеличение коэффициента усиления ДН К_у, по сравнению с прототипом, поскольку формирование лучей производится со всей антенной решетки, в то время как в прототипе для формирования лучей используются отдельные подрешетки, площадь которых меньше площади всей антенной решетки. Так, в прототипе при формировании суженной ДН в одной плоскости, антенная решетка делится на две подрешетки, при этом К_у уменьшается в два раза, а в случае формирования суженной ДН в двух плоскостях, антенная решетка делится на четыре подрешетки, при этом К_у уменьшается в четыре раза.

Работоспособность предлагаемого способа была проверена на макете антенной решетки. Испытания показали совпадение полученных характеристик с расчетными.