Моноимпульсное фазовое устройство автоматического сопровождения по направлению
Иллюстрации
Показать всеИзобретение относится к области радиолокации и предназначено для автоматического сопровождения локационного объекта (ЛО), являющегося источником радиоизлучения или отражения радиоволн, одновременно в двух плоскостях. Устройство содержит антенную систему, многоканальное моноимпульсное приемное устройство (МПУ), первый, второй и третий входы которого подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам антенной системы; три цепи последовательно соединенных формирователя сигнала рассогласования (ФСР) и блока управления антенной (БУА). Выходы первого, второго и третьего БУА соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами антенной системы. Первые входы первого, второго и третьего ФСР соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами МПУ, а вторые входы первого, второго и третьего ФСР соединены соответственно со вторым, третьим и первым выходами МПУ. Антенная система выполнена из трех примыкающих друг к другу областей антенных элементов, фазовые центры которых расположены в вершинах равностороннего треугольника, помещенного в плоскость раскрыва антенной системы, при этом одна из сторон треугольника параллельна азимутальной плоскости, а выходы фазовых центров являются соответствующими выходами антенной системы. Достигаемый технический результат - повышение точности автоматического сопровождения ЛО по направлению в условиях малых отношений сигнал-шум. 8 ил.
Реферат
Заявляемое моноимпульсное фазовое устройство автоматического сопровождения по направлению относится к области радиолокации и предназначено для автоматического сопровождения локационного объекта (ЛО) по угловым координатам.
Моноимпульсные фазовые устройства автоматического сопровождения по направлению хорошо известны. Используемый в таких устройствах метод определения угловых координат ЛО основан на оценке разности хода лучей от ЛО до нескольких пространственно разнесенных точек приема с последующим преобразованием этой разности в фазовые соотношения принимаемых сигналов. Данные фазовые соотношения с учетом геометрии антенной системы позволяют одновременно определять угловые координаты ЛО в двух ортогональных плоскостях, например азимута и угла места, и осуществлять автоматическое сопровождение ЛО по направлению.
Теоретическое обоснование и варианты технической реализации моноимпульсных фазовых устройств автоматического сопровождения по направлению, представляющих собой аналоги заявляемого устройства, содержатся в ряде литературных источников, например в [1-3], где доказательство эффективности фазовой процедуры определения угловых координат ЛО и соответствующих устройств автоматического сопровождения приводится как результат оптимального статистического синтеза при аддитивном воздействии дельта-коррелированного внутриприемного шума. Однако в этих же литературных источниках указывается, что оптимальным подобный синтез можно считать только условно, поскольку: во-первых, методика синтеза распространяется только на случай значительного превышения полезным сигналом уровня шума (при отношениях сигнал-шум более трех-пяти); во-вторых, проводится факторизация двумерной постановки задачи синтеза устройства автоматического сопровождения по двум угловым координатам и сведение ее к двум независимым одномерным задачам - отдельно по азимуту и углу места, что исключает возможность получения двумерных технических решений, соответствующих совместной пространственной обработке пространственно-временного сигнала от всей апертуры антенной системы.
В известных моноимпульсных фазовых устройствах автоматического сопровождения по направлению основные недостатки их статистического синтеза (при указанных выше ограничениях) проявляются в преимущественно области малых отношений сигнал-шум, которая в практическим плане является весьма важной для автоматического сопровождения ЛО по направлению. Именно в этой области доминирует флюктуационная погрешность в работе устройств автоматического сопровождения ЛО по направлению, что ограничивает их реальную чувствительность и дальность действия.
В числе аналогов заявляемого моноимпульсного фазового устройства автоматического сопровождения по направлению можно также указать и различные технические решения, которые, по сравнению с изложенными выше, не отвечают критериям оптимальности даже в области высоких отношений сигнал-шум. Одно из них приводится в [4, с.77, рис.4.9] и содержит три отдельные антенны, фазовые центры которых являются вершинами прямоугольного треугольника. Подобное расположение антенн влечет за собой неоптимальное использование площади их суммарного раскрыва и, как следствие этого, дает малую точность автоматического сопровождения ЛО по направлению.
Недостаток известных моноимпульсных фазовых устройств автоматического сопровождения по направлению состоит в том, что в области малых отношений сигнал-шум они не являются оптимальными ввиду неполного использования информативных признаков входного пространственно-временного сигнала, поступающего от ЛО. Связано это со спецификой синтеза и построения данных устройств автоматического сопровождения, для которых в качестве исходной используется линейная модель пространственной обработки. Такая модель полностью справедлива для высоких отношений сигнал-шум, но область малых отношений сигнал-шум она описывает приближенно. На основе этой линейной модели, позволяющей проводить факторизацию по двум независимым угловым координатам, возможно получение оптимального результата только при отношениях сигнал-шум выше трех-пяти (по амплитуде), на что неоднократно указывается в [1, 3]. Это означает, что условия радиолокационного взаимодействия, при которых полезный сигнал от ЛО и мешающие воздействия (например, внутриприемный шум) соизмеримы по мощности, в настоящее время учитываются только в приближенном виде как для синтеза, так и при построении моноимпульсных фазовых устройств автоматического сопровождения по направлению.
Известно, что радиолокационное взаимодействие характеризуется непостоянством и большим разбросом энергетических отношений сигнал-шум в зависимости от условий распространения электромагнитных волн, эволюции ЛО в пространстве и т.п. [1], при этом возможны резкие падения мощности полезного сигнала, приводящие к нарушению процесса надежного сопровождения по угловых координат, т.е. к срыву слежения.
Таким образом, очевидную значимость для качества работы локационной системы в целом имеют точностные характеристики моноимпульсного фазового устройства автоматического сопровождения по направлению в области малых отношений сигнал-шум.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является моноимпульсное фазовое устройство автоматического сопровождения по направлению, состоящее из двух идентичных независимых следящих контуров по азимуту и углу места, описанных (за исключением передающей части) в [4, с.68, рис.4.2], выбранное в качестве прототипа. Устройство-прототип содержит антенную систему, апертура которой состоит из четырех идентичных отдельных непересекающихся областей антенных элементов равной эффективной площади, многоканальное моноимпульсное приемное устройство, первый, второй, третий и четвертый входы которого подключены к соответствующим выходам антенной системы, первую и вторую цепи, состоящие из последовательно соединенных соответствующих формирователя сигнала рассогласования и блока управления антенной системой, при этом выходы первого и второго блоков управления антенной системой соединены соответственно с первым и вторым входами антенной системы, первые входы первого и второго формирователей сигнала рассогласования соединены соответственно с первым и вторым выходами многоканального моноимпульсного приемного устройства, а вторые входы первого и второго формирователей сигнала рассогласования соединены соответственно с третьим и четвертым выходами многоканального моноимпульсного приемного устройства.
Плоскость раскрыва (апертура) антенной системы устройства-прототипа пространственно разделена на четыре отдельные идентичные непересекающиеся и примыкающие друг к другу области антенных элементов, т.е. на четыре парциальные апертуры, эффективные площади которых равны между собой. Каждая из четырех парциальных апертур формирует в пространстве идентичные по коэффициенту направленного действия парциальные диаграммы направленности, фазовые центры которых располагаются в фазовых центрах каждой из отдельных четырех парциальных апертур.
Четыре парциальные диаграммы направленности образуют две равносигнальные плоскости в двух взаимно ортогональных плоскостях (азимутальную и угломестную), в которых оцениваются угловые рассогласования по азимуту и углу места. При пересечении эти две равносигнальные плоскости образуют равносигнальное направление (РСН) антенной системы, являющееся нормалью к центру раскрыва антенны.
Такой принцип разбиения апертуры антенны обеспечивает одинаковые потенциальные точности оценки рассогласований по угловым координатам в обеих плоскостях, что чаще всего и требуется. Каждую область антенной системы (отдельную парциальную апертуру) с помощью соответствующей диаграммообразующей схемы для антенной решетки, либо соответствующим размещением параболической зеркальной антенны с рупором, можно привести к одной точке на плоскости пеленгования, соответствующей ее фазовому центру.
Четыре фазовых центра попарно образуют два перпендикулярных канала автоматического сопровождения - по азимуту и по углу места. Равенство метрических характеристик азимутального и угломестного каналов автоматического сопровождения обеспечивается за счет одинакового разноса фазовых центров, при этом базы пеленгования для обеих плоскостей равны между собой, а четыре точки приема расположены эквидистантно по окружности диаметра d.
С первого и третьего выходов многоканального моноимпульсного приемного устройства принимаемые сигналы поступают соответственно на первый и второй входы первого формирователя сигнала рассогласования (ФСР) (для азимутальной плоскости), а со второго и четвертого выходов многоканального моноимпульсного приемного устройства - соответственно на первый и второй входы второго ФСР (для угломестной плоскости). Каждый ФСР выполняет функцию комплексного перемножения входных сигналов с последующим выделением мнимой части. Такая операция эквивалентна фазовому детектированию при смещении фазы одного из входных сигналов на π/2 [5, с.162-172] или синусному фазовому детектированию, реализуемому фазовым дискриминатором [6, с.60-63].
На выходах первого и второго ФСР в устройстве-прототипе формируются сигналы углового рассогласования ЛО относительно РСН в плоскостях азимута и угла места соответственно.
С выходов первого и второго ФСР сигналы углового рассогласования по азимуту и по углу места поступают соответственно на входы первого и второго блоков управления антенной системой (БУА), которые формируют на своих выходах два управляющих воздействия для изменения пространственной ориентации РСН антенной системы устройства-прототипа по азимуту и углу места. Эти два управляющих воздействия с выходов первого и второго БУА поступают соответственно на первый и второй входы антенной системы, являющиеся входами управления антенной системой по азимуту и углу места, и изменяют ориентацию ее РСН в пространстве. Таким образом происходит замыкание обратных связей в двух контурах автоматического сопровождения ЛО - по азимуту и по углу места.
Методика и результаты статистического анализа некоторых устройств автоматического сопровождения по направлению представлены в [1, 5, 6, 7]. Конкретные результаты подобного анализа, непосредственного описывающие характеристики точности для прототипа моноимпульсного фазового устройства автоматического сопровождения по направлению, получены в [8], где дается оценка его основного функционального показателя качества работы - дисперсии флюктуационной погрешности автоматического сопровождения ЛО по направлению.
В соответствии с результатами [8] флюктуационные погрешности автоматического сопровождения ЛО по азимуту и углу места между собой независимы, а каждая из них является суммой двух комбинационных процессов: «сигнал-шум» и «шум-шум». Образование этих комбинационных процессов определяется способом выделения углового сигналов рассогласования в первом и втором ФСР, что подробно рассматривается в [5, 7].
С учетом того, что в устройстве-прототипе для двух ортогональных плоскостей автоматического сопровождения ЛО (азимутальной и угломестной) совпадают между собой как динамические характеристики, так и статистические характеристики приведенных к входу помех, дисперсии флюктуационных погрешностей автоматического сопровождения ЛО по азимуту и углу места равны между собой и описываются единым выражением [8]:
где ΔfH - эквивалентная полоса частот замкнутого контура автоматического сопровождения по одной угловой координате (азимуту или углу места), соответствующая частотной передаточной функции (9);
ΔfSN и ΔfNN - эквивалентные полосы частот флюктуации на выходах ФСР вида «сигнал-шум» и «шум-шум» соответственно;
q=Ps/PN - отношение сигнал-шум по мощности в полосе приема;
μ=πd/λ - коэффициент, характеризующий пеленгационную чувствительность, зависящий от метрических характеристик антенной системы: длины волны λ и диаметра окружности d, на которой расположены точки приема;
κ=ΔfNN/ΔfSN - безразмерный коэффициент, значение которого может находиться в диапазоне от 1 до [8].
Величина D0 в (1) - дисперсия флюктуационной погрешности автоматического сопровождения ЛО по одной угловой координате, отражает основной функциональный точностной показатель качества работы устройства-прототипа и далее будет использоваться для сравнения с аналогичным показателем заявляемого моноимпульсного фазового устройства автоматического сопровождения по направлению с целью количественного подтверждения технического результата изобретения.
Недостатком устройства-прототипа является недостаточная точность автоматического сопровождения локационного объекта по направлению в условиях малых отношений сигнал-шум, поскольку прототип не реализует потенциальных возможностей эффективной оценки угловых координат в нижней части диапазона отношений сигнал-шум, т.е. в той области, где повышение точности автоматического сопровождения имеет существенное практическое значение для реальных задач.
Технический результат от использования изобретения заключается в повышении точности автоматического сопровождения ЛО по направлению в условиях малых отношений сигнал-шум.
Сущность изобретения заключается в том, что в заявляемое моноимпульсное фазовое устройство автоматического сопровождения по направлению, содержащее так же, как и прототип, антенную систему, апертура которой состоит из идентичных отдельных непересекающихся областей антенных элементов равной эффективной площади, многоканальное моноимпульсное приемное устройство, входы которого подключены к соответствующим выходам антенной системы, первую и вторую цепи, состоящие из последовательно соединенных соответствующих формирователя сигнала рассогласования и блока управления антенной системой, при этом выходы первого и второго блоков управления антенной системой соединены соответственно с первым и вторым входами антенной системы, а первые входы первого и второго формирователей сигнала рассогласования соединены соответственно с первым и вторым выходами многоканального моноимпульсного приемного устройства, в отличие от прототипа введены третья цепь, состоящая из последовательно соединенных третьего формирователя сигнала рассогласования и третьего блока управления антенной системой, выход которого соединен с третьим входом антенной системы, при этом первый вход третьего формирователя сигнала рассогласования подключен к третьему выходу многоканального моноимпульсного приемного устройства, а первый, второй и третий выходы многоканального моноимпульсного приемного устройства соединены соответственно со вторыми входами третьего, первого и второго формирователей сигнала рассогласования, причем антенная система выполнена из трех примыкающих друг к другу областей антенных элементов, фазовые центры которых расположены в вершинах равностороннего треугольника, помещенного в плоскость раскрыва антенной системы, при этом одна из сторон треугольника параллельна азимутальной плоскости, а выходы фазовых центров являются соответствующими выходами антенной системы.
Технический результат от использования изобретения определяется следующим.
Флюктуации выделяемых в формирователях сигналов угловых рассогласований ЛО относительно равносигнального направления (РСН) как в заявляемом устройстве, так и в устройстве-прототипе, содержат две составляющие, первая из которых обусловлена комбинационным процессом вида "сигнал-шум", а вторая - комбинационным процессом вида "шум-шум". Причина возникновения комбинационных флюктуации связана с методом выделения угловых рассогласований ЛО относительно РСН, основанном на перемножении принимаемых сигналов (фазовом детектировании).
В области больших отношений сигнал-шум во флюктуациях выходных сигналов формирователей сигнала рассогласования преобладает составляющая вида "сигнал-шум", а при близких или меньших единице отношениях сигнал-шум преобладает составляющая вида "шум-шум". Принципиальная разница между зависимостями дисперсий комбинационных процессов "сигнал-шум" и "шум-шум" от мощности шума состоит в том, что в первом случае эта зависимость линейная, во втором - квадратичная. Поэтому в условиях, когда при снижении отношения сигнал-шум начинает доминировать составляющая вида "шум-шум", происходит резкое повышение флюктуационной погрешности выделяемых угловых рассогласований ЛО относительно РСН.
Таким образом, при определении точностных характеристик моноимпульсного фазового устройства автоматического сопровождения по направлению, которые определяют ТТХ, особое внимание следует уделять именно составляющей вида "шум-шум".
Флюктуационные погрешности выделяемых угловых рассогласований ЛО относительно РСН, обусловленные комбинационными составляющими вида "сигнал-шум", для заявляемого устройства и устройства-прототипа равны между собой по среднеквадратическому значению (дисперсии), т.к. оба устройства отвечают критерию оптимальности [3] для области высоких отношений сигнал-шум. Количественное обоснование данного равенства погрешностей, означающее равенство дисперсий флюктуации погрешностей автоматического сопровождения ЛО заявляемого моноимпульсного фазового устройства автоматического сопровождения по направлению и устройства-прототипа в области высоких отношений сигнал-шум, будет показано далее на основе статистического анализа характеристик двух сравниваемых устройств.
В области малых отношений сигнал-шум, когда существенно влияние комбинационной оставляющей вида "шум-шум", заявляемое устройство обеспечивает примерно вдвое меньшую дисперсию флюктуационных погрешностей автоматического сопровождения ЛО по каждой из двух ортогональных угловых координат, например - по азимуту и по углу места, относительно устройства-прототипа.
Снижение в заявляемом устройстве флюктуационных погрешностей автоматического сопровождения по направлению, возникающих в силу влияния составляющей вида "шум-шум", основано на увеличении числа одновременно используемых оценок угловых рассогласований ЛО относительно РСН, на основе которых осуществляется автоматическое сопровождение ЛО.
В заявляемом моноимпульсном фазовом устройстве автоматического сопровождения по направлению одновременно выделяются три угловых рассогласования в плоскостях, смещенных друг относительно друга на угол 120 град., в отличие от устройства-прототипа, где одновременно выделяются только два таких независимых угловых рассогласования, соответствующих каждой из двух ортогональных плоскостей - азимуту и углу места.
Флюктуационные составляющие трех угловых рассогласований ЛО относительно РСН и, соответственно, трех управляющих антенной системой сигналов зависимы между собой, но степень их взаимной зависимости уменьшается при снижении отношения сигнал-шум. Связано это с тем, что данные флюктуационные погрешности содержат как коррелированные между тремя контурами автоматического сопровождения составляющие вида "сигнал-шум", так и некоррелированные - вида "шум-шум", при этом удельный вес составляющих второго вида тем больше, чем ниже отношение сигнал-шум. Увеличение удельного веса некоррелированных между контурами автоматического сопровождения составляющих вида "шум-шум" при уменьшении отношения сигнал-шум влечет за собой снижение уровня взаимной межканальной корреляции флюктуационных составляющих и, соответственно, уменьшение суммарной дисперсии флюктуационной погрешности оценок угловых рассогласований ЛО относительно РСН и ошибки автоматического сопровождения по сравнению с устройством-прототипом.
Несмотря на коррелированность флюктуационных погрешностей в области высоких отношений сигнал-шум заявляемое устройство и устройство-прототип обеспечивают равную точность автоматического сопровождения ЛО по направлению, что будет показано далее.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 приведена функциональная схема заявляемого моноимпульсного фазового устройства автоматического сопровождения по направлению, где:
1 - антенная система (А);
2 - многоканальное моноимпульсное приемное устройство (МПУ);
3.1, 3.2, 3.3 - первый, второй и третий формирователи сигналов рассогласования (ФСР);
4.1, 4.2, 4.3 - первый, второй и третий блоки управления антенной системой (БУА).
На фиг.2 представлена измерительная система координат, связанная с антенной системой моноимпульсного фазового устройства автоматического сопровождения по направлению.
На фиг.3 показано расположение фазовых центров антенных приемных каналов на апертуре антенной системы для заявляемого моноимпульсного фазового устройства автоматического сопровождения по направлению.
На фиг.4 приведена структурная схема многоканального МПУ 2, где:
5.1, 5.2, 5.3 - смесители (СМ);
6.1, 6.2, 6.3 - усилители промежуточной частоты (УПЧ);
7 - гетеродин (Г);
8 - блок автоматической регулировки усиления (АРУ).
На фиг.5 приведена структурная схема первого ФСР 3.1, где:
9 - перемножитель (П);
10 - фазовращатель (ФВ) на π/2;
11 - фильтр низких частот (ФНЧ).
На фиг.6 изображено координатное преобразование угловых рассогласований ЛО относительной РСН, проводимое в заявляемом моноимпульсном фазовом устройстве автоматического сопровождения по направлению.
На фиг.7 показано расположение осей управления антенной системой, соответствующих каналам автоматического сопровождения ИРИ, для заявляемого моноимпульсного фазового устройства автоматического сопровождения по направлению.
На фиг.8 приведен график зависимости отношения дисперсий флюктуационной погрешности автоматического сопровождения по одной угловой координате (например, по азимуту или углу места), для заявляемого устройства и устройства-прототипа, иллюстрирующий количественное выражение технического результата.
Предлагаемое моноимпульсное фазовое устройство сопровождения по направлению (фиг.1) содержит антенную систему (А) 1, многоканальное моноимпульсное приемное устройство (МПУ) 2, первый, второй и третий входы которого подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам антенной системы; три цепи последовательно соединенных формирователя сигнала рассогласования (ФСР) 3 и блока управления антенной (БУА) 4, выходы первого, второго и третьего БУА 4 соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами антенной системы; первые входы первого, второго и третьего ФСР 3 соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами МПУ 2, а вторые входы первого, второго и третьего ФСР 3 - соответственно со вторым, третьим и первым выходами МПУ 2.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Пространственно-временной сигнал от ЛО приходит в виде потока мощности П, который преобразуется антенной системой 1 в ее выходные электрические сигналы суммарной мощностью Р0=АП, где А - эффективная площадь антенной системы. Для заявляемого устройства и устройства-прототипа величины П, А и Р0 полагаются равными, что
обеспечивает тождественность их энергетических характеристик в одинаковых располагаемых ограниченных условиях непосредственного конструктивного исполнения их антенной системы, например мидель ракеты или носовая часть самолета.
Направление прихода потока мощности П, т.е. направление на ЛО, представим в виде вектора-строки Ω=[α β] двух угловых координат: азимута α - в горизонтальной плоскости и угла места β - в вертикальной плоскости.
Подобным же образом представим и угловые координаты равносигнального направления (РСН) антенной системы 1 как вектор-строку Ω0=[α0 β0] двух опорных угловых координат: в горизонтальной плоскости - азимута α0 и в вертикальной плоскости - угла места β0. Для антенной системы 1 заявляемого устройства равносигнальным направлением является направление синфазного приема полезного (информативного) сигнала в различных точках приема антенной системы 1, которое должно совпадать в режиме слежения с направлением на ЛО. Это направление, описываемое вектором Ω0, представляет собой результат работы заявляемого моноимпульсного фазового устройства автоматического сопровождения по направлению - векторную регулируемую величину, т.е. отклик на векторное задающее воздействие Ω.
Функция элемента сравнения автоматической системы [6], состоящая в вычитании регулируемой величины Ω0 из задающего воздействия Ω, реализуется непосредственно антенной системой 1, РСН которой совпадает с осью 0Z декартовой измерительной системы координат XYZ, которая показана на фиг.2. Из приведенного построения видно, что угловое рассогласование между векторами Ω и Ω0 можно рассматривать раздельно для азимутальной плоскости Δα=α-α0 и для угломестной плоскости Δβ=β-β0. При этом антенной системой 1 принимается сигнал от ЛО, в котором направление на ЛО характеризуется вектором углового рассогласования Δ Ω= Ω- Ω0=[Δα Δβ]=[α-α0 β-β0]. На практике, в нормальных условиях автоматического сопровождения по направлению, абсолютные значения рассогласований Δα и Δβ малы и не превышают единиц градусов [4], поэтому справедливы приближения sinΔα≅Δα и sinΔβ≅Δβ.
Плоскость раскрыва (апертура) антенной системы 1 заявляемого устройства пространственно разделена на три идентичные отдельные непересекающиеся и примыкающие друг к другу области антенных элементов, т.е. на три парциальные апертуры, эффективные площади которых равны между собой, а каждая из них составляет треть суммарной эффективной площади антенной системы 1. Каждую такую область, выполненную в виде или антенных элементов фазированной антенной решетки, соответствующей диаграммообразующей схемой, или выполненную в виде параболических зеркальных антенн с облучателями, можно привести к одной точке на плоскости раскрыва антенной системы 1, соответствующей ее фазовому центру.
Три парциальные апертуры антенной системы 1 формируют в пространстве парциальные диаграммы направленности с равными коэффициентами направленного действия, а их фазовые центры располагаются в фазовых центрах каждой из трех отдельных парциальных апертур.
В заявляемом моноимпульсном фазовом устройстве автоматического сопровождения по направлению используются три точки приема с номерами 0, 1 и 2, которые совпадают с фазовыми центрами трех парциальных апертур антенной системы 1, а их геометрическое положение на плоскости раскрыва антенной системы 1 иллюстрирует фиг.3. При этом за счет соответствующей геометрии расположения трех парциальных апертур антенной системы 1 фазовые центры располагаются в вершинах равностороннего треугольника, центр тяжести которого совпадает с началом координат плоскости раскрыва антенной системы 1, причем одна из сторон треугольника параллельна азимутальной плоскости.
Парциальные диаграммы направленности антенной системы 1 попарно формируют три пересекающиеся равносигнальные плоскости (плоскости синфазного приема по двум соседним парциальным диаграммам направленности), одна из которых совпадает с угломестной плоскостью, а каждая из двух других образуют с угломестной плоскостью двугранный угол, равный шестидесяти градусам, и они повернуты симметрично в противоположные стороны относительно угломестной плоскости. Три равносигнальные плоскости при пересечении образуют, в случае идеального конструктивного исполнения антенной системы 1, одно РСН антенной системы 1.
Номера точек приема 0, 1 и 2 (фиг.3) соответствуют первому, второму и третьему каналам приема, т.е. сигнал от i-й точки приема обрабатывается в (i+1)-м канале приема (с номерами 1, 2 и 3). Поток мощности П разделяется на три равные части ввиду равенства эффективной площади каждой идентичной парциальной апертуры А/3 и, таким образом, мощность полезного сигнала для каждого канала приема равна АП/3=Р0/3.
С первого, второго и третьего выходов антенной системы 1 три принимаемых сигнала от нулевой, первой и второй точек приема поступают соответственно на первый, второй и третий входы трехканального МПУ 2, где в трех приемных каналах осуществляется их усиление и согласованная частотно-временная обработка, а также нормирование автоматической регулировкой усиления.
Реализация МПУ 2 для заявляемого устройства не имеет специфики, отличающей его от известных типовых схем, используемых в моноимпульсной радиолокации [4].
В качестве примера на фиг.4 раскрыта возможная структура трехканального линейного МПУ 2, состоящая из трех цепей, каждая из которых состоит из последовательно соединенных смесителя (СМ) 5 и усилителя промежуточной частоты (УПЧ) 6, а также общих гетеродина (Г) 7 и блока автоматической регулировки усиления (АРУ) 8. На вторые (опорные) входы каждого из трех смесителей СМ 5.1, 5.2 и 5.3 подается сигнал гетеродина Г 7 для переноса обрабатываемых сигналов на промежуточную частоту. На вторые (управляющие) входы каждого из трех УПЧ 6.1, 6.2 и 6.3 подается сигнал управления их усилением от блока АРУ 8, который формируется на основе уровней выходных сигналов всех трех УПЧ 6.1-6.3, поступающих на три входа блока АРУ 8.
Блок АРУ 8, формирующий сигнал для моноимпульсной нормировки в каждом канале приема, также является типовым, а способы его реализации подробно изложены в ряде литературных источников, например [1-4].
Нормирование принимаемых сигналов в МПУ 2 осуществляется относительно уровня суммарного сигнала с выходов всех трех приемных каналов, что эквивалентно умножению каждого из трех принимаемых сигналов на нормирующий множитель. Свойства данного нормирующего множителя можно описывать исходя из модели инерционной автоматической регулировки усиления [5]. При этом в результате действия такой автоматической регулировки усиления принимаемые сигналы нормируются относительно медленно меняющегося процесса Q(Ps, PN, t), который зависит от мощностей всех выходных сигналов МПУ 2 в полосе приема: полезного PS и шумового РN.
Считаем, что операция нормирования, осуществляемая за счет автоматической регулировки усиления в МПУ 2, описывается нормирующим процессом Q(PS, PN, t), заменяющим его математическим ожиданием Q(PS, PN) [1, 5]. Это эквивалентно умножению мощности принимаемых сигналов на безразмерный постоянный коэффициент регулирования kА таким образом, что:
,
где q=Ps/PN - отношение сигнал-шум по мощности в полосе приема.
Сигнал на выходе каждого отдельного приемного канала МПУ 2 yi(Δ Ω, t) с учетом действия автоматической регулировки усиления запишем в виде аддитивной смеси полезного сигнала и шума
где i - номер точки приема, который принимает значения 0, 1 и 2, соответствующие номерам каналов приема 1, 2 и 3 (т.е. i+1); xi(Δ Ω, t) - полезный (информативный) сигнал; ξi(t) - внутриприемный шум i-го канала приема, мощность которого в полосе приема равна PN.
Полезный сигнал xi(Δ Ω, t) запишем в комплексном виде, из раскрывающего его временного процесса s[t), который одинаков для каждого из каналов приема, и информативной фазовой составляющей ехр{jφi(Δ Ω)}, определяемой угловым рассогласованием Δ Ω, т.е. в виде
При этом временной процесс полезного сигнала s(t) на выходе любого отдельного канала приема МПУ 2, ввиду разделения входной мощности Р0 на три равные части в антенной системе 1, следует представить следующим образом:
где Ps - суммарная мощность полезного сигнала в полосе приема, связанная с Р0 соотношением PS=ηP0 (η - коэффициент, характеризующий усилительные свойства МПУ 2); ψ(t) - мгновенная фаза полезного сигнала.
Выходные сигналы, соответствующие первому, второму и третьему выходам многоканального МПУ 2, поступают на первые входы соответствующих по номеру ФСР 3.1, 3.2 и 3.3, на вторые входы которых подаются выходные сигналы соответственно со второго, третьего и первого выходов МПУ 2. Таким образом, два входных сигнала (i+1)-го ФСР 3 соответствуют двум точкам приема:
- точке с номером i,
- следующей за ней точке (по направлению против часовой стрелки, см. фиг.3) с номером
Блоки ФСР 3 выполняют функцию комплексного перемножения двух входных сигналов с последующим выделением мнимой части результата перемножения, что эквивалентно фазовому детектированию при смещении фазы одного из входных сигналов на π/2 [5, с.162-172] или синусному фазовому детектированию, реализуемому фазовым дискриминатором [6, с.60-63].
Каждый из ФСР может быть реализован в соответствии со структурной схемой, приведенной на фиг.5 (нумерация элементов соответствует первому ФСР 3.1). Эта схема содержит перемножитель входных сигналов (П) 9, при этом сигнал, поступающий на его второй вход, смещается по фазе на π/2 в фазовращателе (ФВ) 10. С выхода перемножителя П 9 сигнал поступает на вход фильтра низких частот (ФНЧ) 11 для подавления высокочастотных составляющих и после соответствующей обработки - на выход ФСР 3.1. Частотные передаточные функций ФНЧ 11, входящих в ФСР 3, определяют полосу частот, в которой формируются выходные сигналы каждого из ФСР 3. На выходах каждого из трех ФСР 3.1, 3.2 и 3.3 формируются сигналы углового рассогласования ЛО относительно РСН в плоскостях, перпендикулярных плоскости пеленгования и проходящих через пары точек приема 0-1, 1-2, 2-0 (фиг.3). Каждый (i-й) сигнал углового рассогласования ui(Δ Ω, t), являющийся результатом преобразования, проводимого в ФСР 3.1-3.3, представляет собой сумму полезной (вида «сигнал-сигнал») uSi(Δ Ω, t) и мешающей флюктуационной uNi(Δ Ω, t) составляющих и описывается следующим образом:
где kp - коэффициент передачи ФСР 3; i=0, 1, 2 - индекс сигнала углового рассогласования, формируемого на выходе (i+1)-го ФСР 3; m - дополнительный индекс, связанный с индексом / соотношением (6).
Флюктуационный процесс uNi(Δ Ω, t) в силу принятого способа формирования сигналов углового рассогласования состоит из двух составляющих, обусловленных комбинационными флуктуациями:
- вида «сигнал-шум» uSNi(Δ Ω, t), образующиеся в результате перемножения полезного сигнала и шума, которые зависят как от углового рассогласования Δ Ω, так и от мощности полезного сигнала;
- вида «шум-шум» uNNi(t), образующиеся в результате перемножения шумовых процессов двух каналов приема, независимых ни от углового рассогласования Δ Ω, ни от мощности полезного сигнала.
Оба флюктуационных процесса uSNi(Δ Ω, t) и uNNi(t) на выходах каждого из ФСР 3 являются центрированными, а корреляция между ними отсутствует. Таким образом, математическое ожидание i-го сигнала углового рассогласования определяется только полезной составляющей uSi(Δ Ω, t) сигнала (7), которая при постоянстве мощности полезного сигнала зависит лишь от вектора углового рассогласования Δ Ω.
Учитывая, что, согласно (4), s(t)s*(t)=PS/3, а, в силу равенств (2) для коэффициента kА, справедливо PS/Q2(PS,PN)=kA, на основе (2) и (7) запишем
где Δφi(Δ Ω)=φi(Δ Ω)-φm(Δ Ω) - информативная разность фаз, в которую преобразуется ве