Способ формирования диаграммы направленности цифровой антенной решеткой

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ	(19)   RU   (11)   2 627 958  (13)   C1
	(51) МПК H01Q 21/00 (2006.01) G01S 13/00 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Статус:

действует (последнее изменение статуса: 28.08.2017)

(21)(22) Заявка: 2016143660, 07.11.2016 (24) Дата начала отсчета срока действия патента: 07.11.2016 Приоритет(ы): (22) Дата подачи заявки: 07.11.2016 (45) Опубликовано: 14.08.2017 Бюл. № 23 (56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Исследование импульсного метода измерения дальности на основе метеорадиолокатора (Гроза). Методическое пособие для студентов по дистиплинам радиолокация и радионавигация, РЭЗИ и РЭУик. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники. Кафедра радиотехнических систем. Минск, 2014. стр. 3-11. RU2260230 C1, 10.09.2005. КОЧЕРЖЕВСКИЙ Г.Н. Антенно-фидерные устройства. М.: Связь, 1972, с.291-292. ФРОЛОВ О.П. Антенны для земных станций спутниковой связи. М.: Радио и связь, 2000, с.54-56. RU2390795 C1, 27.05.2010. US4355314 A1, 19.10.1982. Адрес для переписки: 140180, Московская обл., г. Жуковский, Гагарина, 3, Акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова"

(72) Автор(ы): Кауфман Геннадий Владимирович (RU), Матвеев Иван Николаевич (RU), Лавренюк Дмитрий Сергеевич (RU), Гвоздкова Ольга Николаевна (RU), Вицукаев Андрей Васильевич (RU) (73) Патентообладатель(и): Акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" (RU)

(54) Способ формирования диаграммы направленности цифровой антенной решеткой

(57) Реферат:

Изобретение относится к радиолокации, а именно к способам формирования диаграммы направленности цифровыми антенными решетками при обзоре пространства и земной поверхности, и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС). Технической проблемой, решаемой предлагаемым изобретением, является расширение функциональных возможностей антенны. А техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение коэффициента усиления антенны на прием. Способ основан на том, что формируют подрешетками цифровой антенной решетки (ЦАР) передающую диаграмму направленности антенны (ДНА) вида cosec² по углу места и игольчатую по азимуту и излучают зондирующий сигнал. Для достижения технического результата осуществляют прием отраженного сигнала каждой подрешеткой ЦАР, формируют приемную многолучевую ДНА по углу места и игольчатую по азимуту посредством цифрового диаграммообразования таким образом, что ее лучи по углу места перекрывают по ширине передающую ДНА cosec², формируют массив комплексных амплитуд отраженных сигналов, принятых по каждому лучу ДНА. 3 ил.

Изобретение относится к радиолокации, а именно к способам формирования диаграммы направленности цифровыми антенными решетками при обзоре пространства и земной поверхности, и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС).

В режимах картографирования земной поверхности (режим реального луча, синтезированной апертуры и др.) необходимо облучить исследуемый участок земной поверхности зондирующим сигналом. При протяженных зонах обзора по дальности можно применить многострочный просмотр зоны по дальности узким лучом диаграммы направленности по углу места. Однако это приведет к увеличению времени обзора в соответствующее количеству строк раз, что является существенным недостатком.

Известен «Способ радиолокационного обзора зоны пространства» [RU 2367973, опубликовано 20.09.2009, МПК G01S 13/00]. Способ включает облучение i-й части зоны широким лучом, охватывающим n_i>1 угловых направлений и прием сигналов парциальными каналами с игольчатыми диаграммами направленности антенны. При этом переходят к облучению широким лучом (i+1)-й части зоны, содержащей n_i+1>1 угловых направлений, если в i-й части зоны не принят сигнал, превышающий пороговый уровень, а при обнаружении с p≥1 из n_i угловых направлений сигнала, превышающего пороговый уровень. Далее осматривают только эти p направлений, последовательно облучая каждое из них с уменьшенной в n_i раз шириной луча.

Недостатком данного способа является невозможность его применения в режимах воздух-поверхность из-за того, что сокращение времени обзора достигается пропуском угловых направлений, в которых отсутствует сигнал, отраженный от цели. В режимах воздух-поверхность формируется непрерывное радиолокационное изображение (РЛИ) не допускающее пропуска угловых направлений.

При протяженных зонах обзора по дальности в наземных РЛС обзора воздушного пространства и в самолетных РЛС обзора земной поверхности применяют способ обзора с использованием широкой диаграммы направленности антенны (ДНА) по углу места вида cosec², чтобы облучить всю зону обзора по дальности за один интервал излучения, при этом в азимутальной плоскости ДНА должна оставаться узкой и ее ширина определяется разрешающей способностью по азимуту. Этот способ описан в источнике [Основы проектирования радиоэлектронных систем: Методические указания к курсовому проектированию / Лукьянчук А.Г. Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2011 г., стр. 21-22].

Однако расширение луча ДНА приводит к снижению коэффициента направленного действия антенны и соответственно к снижению потенциала БРЛС. Предположим, что мы имеем антенную решетку, ширина узкого луча ДНА по уровню 3 дБ которой равна 2° по азимуту и 2° по углу места, а ширина ДНА вида cosec² по уровню 3 дБ равна 2° по азимуту и 10° по углу места.

Известно, что коэффициент усиления антенны ,

тогда для суммарной ДН: ,

а для ДН вида cosec²:

Для данного случая применение диаграммы направленности вида cosec² приведет к снижению коэффициента усиления в 5 раз:

Этот наглядный пример демонстрирует, что использование ДНА вида cosec²приводит к значительному уменьшению коэффициента усиления антенны, а, следовательно, и к ухудшению параметров РЛС, например к уменьшению дальности обнаружения целей:

.

То есть при уменьшении коэффициента усиления антенны и на передачу и на прием в 5 раз, дальность обнаружения уменьшается в 2,23 раза относительно дальности обнаружения при формировании узкого луча антенной решетки.

Таким образом, недостатком указанного технического решения является низкий коэффициент усиления антенны, снижающий функциональные возможности антенны.

Технической проблемой, решаемой предлагаемым изобретением является расширение функциональных возможностей антенны.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение коэффициента усиления антенны на прием.

Сущность изобретения заключается в том, что формируют подрешетками цифровой антенной решетки (ЦАР) передающую диаграмму направленности антенны (ДНА) вида cosec² по углу места и игольчатую по азимуту и излучают зондирующий сигнал.

Новым в предлагаемом способе является то, что осуществляют прием отраженного сигнала каждой подрешеткой ЦАР. Затем формируют приемную многолучевую ДНА по углу места и игольчатую по азимуту посредством цифрового диаграммообразования, таким образом, что ее лучи по углу места перекрывают по ширине передающую ДНА cosec², а затем формируют массив комплексных амплитуд отраженных сигналов, принятых по каждому лучу ДНА.

На Фиг. 1 схематично изображен процесс обзора пространства.

На Фиг. 2 представлен вариант цифровой антенной решетки, осуществляющей способ.

На Фиг. 3 изображены формируемые диаграммы направленности антенны.

Цифровая антенная решетка состоит из N групп излучателей (1), объединенных в подрешетки (2), выход каждой из подрешеток (2) соединен с каждым из М блоков цифрового диаграммообразования (ЦЦО) (3).

Способ обзора земной поверхности радиолокационной станцией с цифровой антенной решеткой (ЦАР) осуществляется следующим образом. Для примера пусть бортовая радиолокационная станция с цифровой антенной решеткой в режиме работы воздух-поверхность осуществляет облучение земной поверхности в режиме бокового обзора. Для перекрытия большой зоны по дальности ЦАР формирует диаграмму по углу места вида cosec² и игольчатую по азимуту. Пример схемы обзора приведен на Фиг. 1. Указанная диаграмма направленности формируется на передачу сигнала. После формирования диаграммы направленности антенной излучается зондирующий сигнал в направлении земной поверхности. Диаграмма направленности на передачу может формироваться как аналоговым способом, используя устройства распределения и фазирования, как это осуществляется, например в активной фазированной антенной решетке [RU 161794, опубликовано 10.05.2016, МПК H01Q 21/00 (2006.01)], так и цифровым способом.

Цифровая антенная решетка состоит из нескольких подрешеток (2), количество которых N определяется конкретными техническими требованиями, а именно требованиями к ширине диаграммы направленности одной подрешетки (2), которая должна быть равна ширине диаграммы направленности cosec² всей ЦАР. Излучатели антенны (1) принимают отраженный от поверхности земли сигнал, далее сигналы, принятые излучателями (1), объединяется в один сигнал в подрешетке (2) и он поступает с каждой подрешетки (2) на вход каждого блока ЦДО (3). В соответствии с алгоритмами ЦДО, например приведенными в книге [«Цифровое формирование диаграммы направленности в фазированных антенных решетках», Григорьев Л.Н., М.: «Радиотехника», 2010 г., стр. 13-22.], каждым из М блоков ЦДО формируется отдельный луч ДНА, с требуемым отклонением от ϕ₀ (центра диаграммы cosec²). Количество М блоков равняется количеству формируемых лучей ДНА. Диаграмму направленности антенны формируют таким образом, что М лучей приемной ДНА по углу места по ширине перекрывают передающую ДНА cosec². При этом ширина зоны обзора многолучевой ДНА определяется шириной ДНА подрешетки, уровень центрального луча многолучевой ДНА соответствует уровню суммарной ДНА ЦАР, а огибающая многолучевой ДНА повторяет форму ДНА подрешетки (Фиг. 3).

После формирования многолучевой диаграммы формируют массивы комплексных амплитуд отраженных сигналов, соответствующих принятым сигналам по каждому из М лучей ДНА по углу места.

Сформировав многолучевую диаграмму направленности на прием по углу места, ширина ДНА которой соответствует ширине ДНА вида cosec², а уровень центрального луча в многолучевой ДНА (луч с нулевым отклонением), соответствует уровню суммарной ДНА ЦАР, получаем значение коэффициента усиления ЦАР с широким лучом на прием, равное значению коэффициента усиления ЦАР с узким лучом. Соответственно увеличивая коэффициент усиления антенны на прием, расширяются функциональные возможности цифровой антенной решетки. Например, дальность обнаружения увеличивается в  раз, что в рассмотренном выше примере соответствует 1.5 раза.

Таким образом, достигается заданный технический результат и решается техническая проблема.

Формула изобретения

Способ формирования диаграммы направленности цифровой антенной решеткой, заключающийся в том, что формируют подрешетками цифровой антенной решетки (ЦАР) передающую диаграмму направленности антенны (ДНА) вида cosec² по углу места и игольчатую по азимуту и излучают зондирующий сигнал, отличающийся тем, что осуществляют прием отраженного сигнала каждой подрешеткой ЦАР, формируют приемную многолучевую ДНА по углу места и игольчатую по азимуту посредством цифрового диаграммообразования таким образом, что ее лучи по углу места перекрывают по ширине передающую ДНА cosec², формируют массив комплексных амплитуд отраженных сигналов, принятых по каждому лучу ДНА.