Способ цифровой обработки сигналов при обзорной моноимпульсной амплитудной суммарно-разностной пеленгации с использованием антенной решетки (варианты) и обзорный моноимпульсный амплитудный суммарно-разностный пеленгатор с использованием антенной решетки и цифровой обработки сигналов

Способ цифровой обработки сигналов при обзорной моноимпульсной амплитудной суммарно-разностной пеленгации с использованием антенной решетки (варианты) и обзорный моноимпульсный амплитудный суммарно-разностный пеленгатор с использованием антенной решетки и цифровой обработки сигналов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретения относятся к области радиотехники и могут быть применены в системах моноимпульсной радиолокации и радиопеленгации, использующих антенную решетку и цифровую обработку сигналов.

Для определения с высокой точностью угловых координат (УК) целей с 40-50 гг. прошлого века применяется моноимпульсный амплитудный суммарно-разностный метод пеленгации [Родс Д.Р. Введение в моноимпульсную радиолокацию. - М.: Сов. радио, 1960, 160 с.], потенциально позволяющий получить результат по единственному принятому импульсу. При этом еще 30 лет назад отмечалось, что «моноимпульсные РЛС не используют своих потенциальных возможностей в быстродействии и извлекают угловую информацию о цели из серии последовательных импульсов» [Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация - М.: Радио и связь, 1984, 312 с., стр. 127]. И в настоящее время авторам не известны публикации о способах определения УК цели по единственному импульсу, не имеющих существенных ограничений. Поэтому вопросы приближения быстродействия пеленгаторов и радиолокационных систем (РЛС) к теоретически возможному пределу при высокой точности определения УК в случае высокого отношения сигнал/шум являются актуальными.

Известен способ обработки сигналов при обзорной одноканальной амплитудной пеленгации [патент РФ 2159940. Способ обработки сигналов при одноканальной амплитудной пеленгации], являющийся аналогом заявляемого первого способа, при котором формируют диаграмму направленности (ДН), перемещающуюся в плоскости пеленгации, принимают сигнал источника радиоизлучения (ИРИ), пространственно манипулируют перемещающейся ДН на ее ширину по уровню минус 3 дБ, принятый сигнал селектируют по частоте манипуляции, обнаруживают сигнал радиометрическим способом, перемещают манипулированную ДН в секторе обнаружения, по максимальному уровню сигнала формируют сектор пеленгования и требуемый коэффициент усиления тракта, производят перемещение манипулированной ДН в обе стороны сектора пеленгования, по снятым при этом реализациям сигнала вычисляют абсциссы центров тяжести полученных реализаций и по их среднему значению - пеленг.

Недостатками аналога являются энергетические потери из-за одноканальной обработки, низкая точность из-за нелинейности пеленгационной характеристики (ПХ) и большое время, затрачиваемое на ее формирование.

Более близким по технической сущности к заявляемому первому способу является способ обработки сигналов при двухканальной обзорной амплитудной пеленгации [патент РФ 2225990. Способ обработки сигналов при двухканальной амплитудной пеленгации / Аветисьянц В.А., Горовой А.В., Ларионов Б.А., Музыченко Н.Ю., Фоминченко Г.Л.], принятый за прототип, в котором формируют пару ДН углового датчика, сдвинутых на ширину ДН по уровню минус 3 дБ и образующих равносигнальное направление (РСН), осуществляют в заданном угловом секторе поиск сигналов, принимают сигналы ИРИ и селектируют их по частоте, формируют ПХ углового дискриминатора путем перемещения пары ДН в пределах сектора пеленгования, вычисления абсцисс центров тяжести полученных реализаций в моменты максимальных значений корреляционных интегралов, вычисленных по способу совпадения полярностей и аппроксимации ее линейной функцией, и, решая пеленгационное уравнение, вычисляют угол прихода сигналов ИРИ.

Недостатками прототипа первого способа являются низкая точность определения УК из-за грубой аппроксимации нелинейной ПХ линейной функцией и низкое быстродействие из-за необходимости получения множества реализаций сигнала для формирования ПХ углового дискриминатора.

Аналогом заявляемого второго способа может служить способ обработки сигналов при обзорной одноканальной амплитудной пеленгации [патент РФ 2159940. Способ обработки сигналов при одноканальной амплитудной пеленгации], при котором формируют ДН, перемещающуюся в плоскости пеленгации, принимают сигнал ИРИ, пространственно манипулируют перемещающейся ДН на ее ширину по уровню минус 3 дБ, принятый сигнал селектируют по частоте манипуляции, обнаруживают сигнал радиометрическим способом, перемещают манипулированную ДН в секторе обнаружения, по максимальному уровню сигнала формируют сектор пеленгования и требуемый коэффициент усиления тракта, производят перемещение манипулированной ДН в обе стороны сектора пеленгования, по снятым при этом реализациям сигнала вычисляют абсциссы центров тяжести полученных реализаций и по их среднему значению - пеленг.

Недостатками аналога являются энергетические потери из-за одноканальной обработки, низкая точность из-за нелинейности пеленгационной характеристики и большое время, затрачиваемое на ее формирование.

В качестве прототипа заявляемого второго способа выбран способ обработки сигналов при двухканальной обзорной амплитудной пеленгации [патент РФ 2225990. Способ обработки сигналов при двухканальной амплитудной пеленгации / Аветисьянц В.А., Горовой А.В., Ларионов Б.А., Музыченко Н.Ю., Фоминченко Г.Л.], в котором формируют пару ДН углового датчика, сдвинутых на ширину ДН по уровню минус 3 дБ и образующих РСН, осуществляют в заданном угловом секторе поиск сигналов, принимают сигналы ИРИ и селектируют их по частоте, формируют ПХ углового дискриминатора путем перемещения пары ДН в пределах сектора пеленгования, вычисления абсцисс центров тяжести полученных реализаций в моменты максимальных значений корреляционных интегралов, вычисленных по способу совпадения полярностей и аппроксимации ее линейной функцией, и, решая пеленгационное уравнение, вычисляют угол прихода сигналов ИРИ.

Недостатками прототипа второго способа являются низкая точность определения УК из-за грубой аппроксимации нелинейной ПХ линейной функцией и низкое быстродействие из-за необходимости получения множества реализаций сигнала для формирования ПХ углового дискриминатора.

Задачей, на решение которой направлен предлагаемый первый способ, является повышение точностных характеристик и быстродействия при обзорной амплитудной суммарно-разностной пеленгации с учетом того, что для обзорной пеленгации важны ширина рабочей зоны 2ϑ_РЗ и точность аппроксимации пеленгационной характеристики S(ϑ) в этой зоне (-ϑ_РЗ≤ϑ≤ϑ_РЗ) линейной функцией.

Для решения этой задачи, согласно первому изобретению, применяют способ цифровой обработки сигналов при обзорной моноимпульсной амплитудной суммарно-разностной пеленгации с использованием антенной решетки, при котором в соответствии с весовой функцией, описывающей распределение поля в раскрыве антенной решетки и обеспечивающей заданный уровень боковых лепестков, формируют диаграммы направленности F₁(ϑ)≡F(ϑ-ϑ₀) и F₂(ϑ)≡F(ϑ+ϑ₀) парциальных каналов приема углового датчика, где ϑ - текущий угол, отсчитываемый от РСН, причем максимумы этих диаграмм отстоят в каждую сторону от РСН на угол смещения ϑ₀, а также сопряженную с ними диаграмму направленности компенсационного канала, обеспечивающую определенное превышение усиления этого канала над усилением по боковым лепесткам диаграмм направленности парциальных каналов, принимают сигналы источников радиоизлучений, осуществляют их аналого-цифровое преобразование, на выходах парциальных каналов обнаруживают сигналы с уровнями соответственно U₁ и U₂ и измеряют их параметры, селектируют из потоков этих сигналов те из них, уровни которых одновременно превышают уровень сигнала компенсационного канала, вычисляют сигнал рассогласования являющийся значением пеленгационной характеристики углового дискриминатора, и по значению S_CР находят значение угла ϑ прихода сигнала источника радиоизлучения - пеленг.

Согласно изобретению, в заявленном первом способе до приема сигналов осуществляют моделирование процесса их приема и обработки, при котором используют весовую функцию Хэмминга w(x)=0.08+0.92cos²(πх/2), -1≤х≤1, обеспечивающую уровень боковых лепестков не выше минус 40 дБ и, с учетом далее определяемого значения угла смещения ϑ₀, ширину рабочей зоны пеленгации не менее двукратной ширины диаграммы направленности парциального канала по уровню половинной мощности, или другую весовую функцию, обеспечивающую не более высокий, чем функция Хэмминга, уровень боковых лепестков и не меньшую ширину рабочей зоны, в процессе моделирования определяют на основе весовой функции и параметров антенной решетки конкретный вид функций F₁(ϑ), F₂(ϑ) и S(ϑ,ϑ₀), параметрически зависящих от угла смещения ϑ₀, разлагают нечетную функцию S(ϑ,ϑ₀), описывающую пеленгационную характеристику, по нечетным степеням угла ϑ в ряд Маклорена

коэффициенты b_k(ϑ₀) которого являются функциями угла смещения ϑ₀, определяют предварительное значение угла смещения как результат решения задачи b₃(ϑ₀)=0, обеспечивающее линейность пеленгационной характеристики с точностью до членов разложения пятого и более высоких порядков, вычисляют окончательное значение угла смещения ϑ₀ как результат решения задачи ϑ_РЗ(ϑ₀)→max, обеспечивающее максимальное значение ширины ϑ_РЗ(ϑ₀)≡ϑ_РЗ(ϑ₀,ε_max) рабочей зоны, в которой ошибка измерения угла ϑ не превышает максимальной ошибки e_mах, которая, в свою очередь, задана не превышающей, например, 0,01 ширины диаграммы направленности парциального канала по уровню половинной мощности, вычисляют по полученному значению угла смещения значение коэффициента b₁(ϑ₀), затем использованную при моделировании весовую функцию и определенное в результате моделирования значение угла смещения ϑ₀ используют при формировании диаграмм направленности антенной решетки, приеме и обработке сигнала, получая значение S_СР, после чего вычисляют значение угла ϑ прихода сигнала источника радиоизлучения - пеленг ϑ_С по формуле как результат решения линейного уравнения b₁(ϑ₀)ϑ=S_CP.

Техническим результатом первого способа является повышение точностных характеристик и быстродействия, вплоть до определения угла прихода сигнала по единственной его реализации, с точностью, например, не хуже 1% ширины ДН парциального канала при обзорной амплитудной суммарно-разностной пеленгации и высоком отношении сигнал/шум за счет достижения высокой линейности пеленгационной характеристики во всей рабочей зоне пеленгации, ширина которой составляет не менее двукратной ширины ДН парциального канала по уровню половинной мощности.

Задачей, на решение которой направлен предлагаемый второй способ, является повышение точностных характеристик и быстродействия при обзорной амплитудной суммарно-разностной пеленгации с учетом того, что для обзорной пеленгации важны ширина рабочей зоны 2ϑ_РЗ и точность аппроксимации пеленгационной характеристики S(ϑ) в этой зоне (-ϑ_РЗ≤ϑ≤ϑ_РЗ) функцией, обеспечивающей точность и быстроту вычисления пеленга.

Для решения этой задачи предлагается второй способ цифровой обработки сигналов при обзорной моноимпульсной амплитудной суммарно-разностной пеленгации с использованием антенной решетки, при котором в соответствии с весовой функцией, описывающей распределение поля в раскрыве антенной решетки и обеспечивающей заданный уровень боковых лепестков, формируют диаграммы направленности F₁(ϑ)≡F(ϑ-ϑ₀) и F₂(ϑ)≡F(ϑ+ϑ₀) парциальных каналов приема углового датчика, где ϑ - текущий угол, отсчитываемый от равносигнального направления, причем максимумы этих диаграмм отстоят в каждую сторону от равносигнального направления на угол смещения ϑ₀, а также сопряженную с ними диаграмму направленности компенсационного канала, обеспечивающую определенное превышение усиления этого канала над усилением по боковым лепесткам диаграмм направленности парциальных каналов, принимают сигналы источников радиоизлучений, осуществляют их аналого-цифровое преобразование, на выходах парциальных каналов обнаруживают сигналы с уровнями соответственно U₁, и U₂ и измеряют их параметры, селектируют из потоков этих сигналов те из них, уровни которых одновременно превышают уровень сигнала компенсационного канала, вычисляют сигнал рассогласования являющийся значением пеленгационной характеристики углового дискриминатора, и по значению S_CP находят значение угла ϑ прихода сигнала источника радиоизлучения - пеленг.

Согласно изобретению в заявленном втором способе до приема сигналов осуществляют моделирование процесса их приема и обработки, при котором используют весовую функцию Хэмминга w(x)=0.08+0.92cos²(πx/2), -1≤х≤1, обеспечивающую уровень боковых лепестков не выше минус 40 дБ и, с учетом далее определяемого значения угла смещения ϑ₀, ширину рабочей зоны пеленгации не менее двукратной ширины диаграммы направленности парциального канала по уровню половинной мощности, или другую весовую функцию, обеспечивающую не более высокий, чем функция Хэмминга, уровень боковых лепестков и не меньшую ширину рабочей зоны, в процессе моделирования определяют на основе весовой функции и параметров антенной решетки конкретный вид функций F₁(ϑ), F₂(ϑ) и S(ϑ,ϑ₀), параметрически зависящих от угла смещения ϑ₀, разлагают нечетную функцию S(ϑ,ϑ₀), описывающую пеленгационную характеристику, по нечетным степеням угла ϑ в ряд Маклорена

коэффициенты b_k(ϑ₀) которого являются функциями угла смещения ϑ₀, определяют окончательное значение угла смещения как результат решения задачи ϑ₅(ϑ₀)=0, обеспечивающее соответствие пеленгационной характеристики кубической функции с отклонением только в седьмом и более высоких порядках членов разложения, далее по полученному значению угла смещения вычисляют значения коэффициентов b₁(ϑ₀) и b₃(ϑ₀), затем использованную при моделировании весовую функцию и определенное в результате моделирования значение угла смещения ϑ₀ используют при формировании диаграмм направленности антенной решетки, приеме и обработке сигнала, получая значение S_CP, после чего вычисляют значение угла ϑ прихода сигнала источника радиоизлучения, совпадающее с пеленгом ϑ_C, как минимальное по абсолютной величине действительное решение кубического уравнения b₁(ϑ₀)ϑ+b₃(ϑ₀)ϑ³=S_CP, полученное по формулам Кардано.

Техническим результатом второго способа является повышение точностных характеристик и быстродействия, вплоть до определения угла прихода сигнала по единственной реализации, с точностью, например, не хуже 1% ширины ДН парциального канала при обзорной амплитудной суммарно-разностной пеленгации за счет достижения соответствия ПХ кубической функции во всей рабочей зоне пеленгации.

Отличительной особенностью предложенных способов является дополнительно еще и то, что при малом числе антенных элементов в антенной решетке и, следовательно, большой ширине ее диаграммы направленности, а также при сканировании, вместо переменных ϑ и ϑ₀ используют значения синусов этих углов, то есть значения u и u₀, где u=sinϑ и u₀=sinϑ₀, причем нулевым значениям углов соответствует нормаль к раскрыву антенной решетки.

Аналогом заявляемого устройства, реализующего предложенные способы, является пеленгатор с обработкой сигналов при обзорной одноканальной амплитудной пеленгации [патент РФ 2159940. Способ обработки сигналов при одноканальной амплитудной пеленгации], содержащий последовательно соединенные антенную систему (АС) на базе фазированной антенной решетки, радиоприемное устройство (РПУ), амплитудный детектор, демодулятор и вычислитель, а также устройство управления диаграммой направленности (УУДН), фильтр, коммутатор, устройство управления и синхронизации (УУС) и генератор. Выход амплитудного детектора через фильтр связан со входом коммутатора, выходы УУДН связаны с управляющим входом АС и вторым входом вычислителя, другие выходы которого связаны со вторым входом коммутатора и входами УУС, выходы которого связаны с третьим и четвертым входами УУДН, управляющим входом коммутатора, четвертым входом и входом ПЕЛ. вычислителя.

Недостатками аналога заявляемого устройства являются энергетические потери из-за одноканальной обработки, низкая точность из-за нелинейности пеленгационной характеристики и большое время, затрачиваемое на ее формирование.

В качестве прототипа заявляемого устройства, реализующего предложенные способы, выбран пеленгатор с обработкой сигналов при двухканальной обзорной амплитудной пеленгации [патент РФ 2225990. Способ обработки сигналов при двухканальной амплитудной пеленгации / Аветисьянц В.А., Горовой А.В., Ларионов Б.А., Музыченко Н.Ю., Фоминченко Г.Л.], содержащий последовательно соединенные АС на базе фазированной антенной решетки, двухканальное РПУ, коррелятор и вычислитель, а также УУДН, амплитудный детектор, фильтр, сумматор, коммутатор и УУС. Выходы РПУ через амплитудный детектор и фильтр связаны со входами сумматора, выход которого связан с первым входом коммутатора и вторым входом вычислителя. Первый выход УУДН связан с управляющим входом АС, второй - с третьим входом вычислителя, причем второй выход вычислителя связан со вторым входом коммутатора, третий - с первым входом УУДН, четвертый и пятый - с первым и вторым входами УУС, при этом первый выход УУС связан с третьим входом УУДН, второй - с четвертым, третий - с управляющим входом коммутатора, пятый - с четвертым входом вычислителя, шестой - с входом ПЕЛ вычислителя. Выход коммутатора связан с третьим входом РПУ.

Недостатками прототипа заявляемого устройства являются низкая точность определения УК из-за грубой аппроксимации нелинейной ПХ линейной функцией и низкое быстродействие из-за необходимости получения множества реализаций сигнала для формирования ПХ углового дискриминатора.

Задачей, на решение которой направлено создание обзорного моноимпульсного амплитудного суммарно-разностного пеленгатора, реализующего предложенные способы, является повышение его точностных характеристик и быстродействия, вплоть до определения угла прихода сигнала по единственной реализации, с точностью, например, не хуже 1% ширины ДН парциального канала при высоком отношении сигнал/шум.

Для решения указанной задачи предлагается обзорный моноимпульсный амплитудный суммарно-разностный пеленгатор с использованием антенной решетки и цифровой обработки сигналов, содержащий последовательно соединенные блок антенных элементов, блок многоканального радиоприемного устройства, блок аналого-цифровых преобразователей, блок умножителей, диаграммообразующее устройство, блок согласованных фильтров, блок селекции, измеритель сигнала углового рассогласования и устройство управления, причем первый, второй, третий и четвертый управляющие выходы устройства управления подключены соответственно к входу управления блока многоканального радиоприемного устройства, входу управления синтезатора частот, первому входу управления диаграммообразующего устройства и входу управления блока обнаружения и измерения параметров сигналов, гетеродинный выход синтезатора частот подключен к одноименному входу блока многоканального радиоприемного устройства, а выход дискретизации синтезатора частот - к одноименному входу блока аналого-цифровых преобразователей, выходы U₁ и U₂ парциальных каналов диаграммообразующего устройства соединены с одноименными входами блока согласованных фильтров и блока обнаружения и измерения параметров сигналов, выход параметров которого подключен к одноименным входам блока согласованных фильтров и устройства управления.

Согласно изобретению в него дополнительно введены последовательно соединенные запоминающее устройство значений весовой функции, вычислитель видов функциональных зависимостей, вычислитель коэффициентов b_k(ϑ₀) разложения пеленгационной характеристики, вычислитель значения угла смещения ϑ₀, вычислитель окончательных значений коэффициентов b_k(ϑ₀) и b₃(ϑ₀) и вычислитель пеленга ϑ_С, причем выход запоминающего устройства значений весовой функции соединен через устройство управления со входом управления блока умножителей, а вход управления запоминающего устройства значений весовой функции - с выходом управления вычислителя видов функциональных зависимостей, выход вычислителя видов функциональных зависимостей соединен через вычислитель коэффициентов b_k(ϑ₀) разложения пеленгационной характеристики со входом вычислителя значения угла смещения ϑ₀ и вторым входом вычислителя окончательных значений коэффициентов разложения b₁(ϑ₀) и b₃(ϑ₀), выход вычислителя значения угла смещения подключен к первому входу вычислителя окончательных значений коэффициентов b₁(ϑ₀) и b₃(ϑ₀), а через устройство управления - ко второму входу управления диаграммообразующего устройства, вход данных вычислителя значения угла смещения ϑ₀ соединен с седьмым выходом устройства управления, выход вычислителя окончательных значений коэффициентов b₁(ϑ₀) и b₃(ϑ₀) подключен к первому входу вычислителя пеленга, второй вход вычислителя пеленга соединен через устройство управления с выходом измерителя сигнала углового рассогласования, а входы данных и управления вычислителя видов функциональных зависимостей подключены к пятому и шестому выходам устройства управления.

Техническим результатом предлагаемого устройства является достижение повышенных точностных характеристик и быстродействия, вплоть до определения угла прихода сигнала по единственной реализации, с точностью, например, не хуже 1% ширины ДН парциального канала при обзорной амплитудной суммарно-разностной пеленгации за счет соответствия ПХ линейной или кубической функции во всей рабочей зоне пеленгации.

Предлагаемые изобретения не известны в современной радиотехнике, а также не известны источники информации, содержащие сведения об аналогичных технических решениях, имеющих признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемые решения от прототипа, а также свойства, совпадающие со свойствами заявляемых решений, поэтому можно считать, что они обладают существенными отличиями, вытекают из них неочевидным образом и, следовательно, соответствуют критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Сущность изобретений поясняется чертежами:

фигура 1 - схема электрическая структурная предлагаемого устройства, реализующего предлагаемые способы;

фигура 2 - парциальные ДН, соответствующая им ПХ и крутизна (Кр) пеленгационной характеристики для общепринятого угла смещения ϑ₀=ϑ_0.5 и косинус-квадратного на пьедестале 0,08 амплитудного распределения на раскрыве антенной решетки, соответствующего функции Хэмминга вида w(x)=0.08+0.92cos²(πх/2), -1≤х≤1;

фигура 3 - характеристики пеленгатора для того же амплитудного распределения в виде функции Хэмминга w(x)=0.08+0.92cos²(πх/2), -1≤х≤1 при общепринятом угле смещения ϑ₀=ϑ_0.5, равном полуширине ДН парциального канала на уровне минус 3 дБ: сама ПХ, ее крутизна, линейная (А_л) и кубическая (А_к) аппроксимации ПХ усеченным рядом Маклорена, ошибка пеленгования для этих аппроксимаций (ОП_л и ОП_к) в процентах от ширины ДН, произведение Кр×ДН_с (здесь ДН_с - это уровень суммарной ДН); горизонтальными стрелками на фигурах 3-6 показана рабочая зона¹(¹Область углов, в которой ошибка пеленгования вследствие отличия ПХ от линейной или кубической функции не превышает заданной величины.) ϑ=0…ϑ_РЗ при ошибке пеленгования (РЗ_оп), не превосходящей 1% ширины ДН парциального канала;

фигура 4 - характеристики пеленгатора для того же амплитудного распределения (в виде функции Хэмминга) после определения предварительного значения угла смещения где λ - длина волны, d - период решетки, N - число ее элементов) с целью получения линейной ПХ (с отклонением в пятом порядке разложения): сама ПХ, ее крутизна, линейная аппроксимация (А_л) пеленгационной характеристики усеченным рядом Маклорена, ошибка пеленгования для этой аппроксимации (ОП_л) в процентах ширины ДН парциального канала, произведение Кр×ДН_с.;

фигура 5 - характеристики пеленгатора согласно пункту 1 формулы изобретения, для того же случая после определения окончательного значения угла смещения путем его оптимизации с целью обеспечения максимальной рабочей зоны пеленгатора

фигура 6 - характеристики пеленгатора согласно пункту 2 формулы изобретения, для того же амплитудного распределения после определения окончательного значения угла смещения с целью получения кубической ПХ: сама ПХ, ее крутизна, кубическая аппроксимация ПХ (А_к) усеченным рядом Маклорена, ошибка пеленгования для этой аппроксимации (ОП_к) в % ширины ДН парциального канала, произведение Кр×ДН_с..

При реализации предложенного первого способа выполняется следующая последовательность операций:

- до приема сигналов осуществляют моделирование процесса их приема и обработки, при котором выбирают весовую функцию на раскрыве антенной решетки с числом элементов N и периодом d, например, функцию Хэмминга w(х)=0.08+0.92cos²(πх/2), -1≤х≤1, обеспечивающую уровень боковых лепестков не выше минус 40 дБ и, с учетом далее определяемого значения угла смещения ϑ₀, ширину рабочей зоны пеленгации не менее двукратной ширины диаграммы направленности парциального канала по уровню половинной мощности (по уровню минус 3 дБ), или другую весовую функцию, обеспечивающую не более высокий, чем функция Хэмминга, уровень боковых лепестков и не меньшую ширину рабочей зоны; затем вычисляют амплитуды возбуждения антенных элементов как

- продолжая моделирование и используя эти амплитуды, определяют вид парциальных ДН F₁(ϑ)=F(ϑ-ϑ₀) и F₂(ϑ)=F(ϑ+ϑ₀), максимумы которых отстоят от равносигнального направления на угол ϑ₀;

- по этим ДН строят модельную ПХ в виде функции

параметрически зависящей от угла ϑ₀, и, учитывая нечетность ПХ относительно РСН, разлагают ее по нечетным степеням угла ϑ в ряд Маклорена

коэффициенты b_k (ϑ₀) которого являются функциями угла смещения ϑ₀;

- определяют предварительное значение угла смещения ϑ₀ как результат решения задачи b₃(ϑ₀)=0, обеспечивающее линейность пеленгационной характеристики с точностью до членов разложения 5-го порядка;

- вычисляют окончательное значение угла смещения ϑ₀ как результат решения задачи ϑ_P3(ϑ₀)→max, обеспечивающее максимальное значение ширины ϑ_РЗ(ϑ₀)≡ϑ_РЗ(ϑ₀,ε_mах) рабочей зоны (-ϑ_РЗ(ϑ₀)≤ϑ≤ϑ_РЗ(ϑ₀)), в которой текущая ошибка измерения угла ϑ не превышает максимальной ошибки ε_mах, которая, в свою очередь, задана не превышающей, например, 0,01 ширины ДН парциального канала по уровню половинной мощности;

- по полученному окончательному значению угла смещения ϑ₀ вычисляют значение коэффициента b₁(ϑ₀), затем использованную при моделировании ВФ и окончательное значение угла смещения используют при формировании ДН парциальных каналов;

- принимают сигнал ИРИ антенными элементами углового датчика, оцифровывают выходные сигналы каждого элемента ФАР и умножают сигнал каждого i-го элемента на вычисленную амплитуду w_i; сдвигают фазу каждого i-го элемента на величину (или вводят эквивалентную временную задержку) с целью формирования двух диаграмм F₁(ϑ)=--F(ϑ-ϑ₀) и F₂(ϑ)=F(ϑ+ϑ₀) соответственно знаку сдвига фазы;

- суммируют сигналы элементов и измеряют уровни двух сигналов U₁ и U₂, принятых двумя парциальными диаграммами F₁(ϑ) и F₂(ϑ), оси которых разнесены на угол 2ϑ₀, затем вычисляют значение U_КК сигнала компенсационного канала и, в случае |U₁|>|U_KK| и |U₂|>|U_KK|, вычисляют сигнал рассогласования в противном случае считают, что в данной рабочей зоне ИРИ отсутствует;

- вычисляют угол ϑ прихода сигнала (пеленг ИРИ) по формуле как результат решения линейного уравнения b₁(ϑ₀)ϑ=S_СР.

Покажем возможность повышения скорости и точности измерения угла ϑ за счет увеличения размера линейного участка ПХ. Отметим, что ПХ (1) в общем случае не линейна, т.к. является нелинейной комбинацией нелинейных функций; в соответствии с третьим постулатом моноимпульсного метода [Родс Д.Р. Введение в моноимпульсную радиолокацию. - М.: Сов. радио, 1960, 160 с.], ПХ является нечетной функцией угла ϑ и, следовательно, может быть разложена в ряд Маклорена по нечетным степеням этого угла. В окрестности нуля (т.е. РСН) она аппроксимируется первым ненулевым членом ряда - линейной функцией

где угловой коэффициент µ=b₁(ϑ₀), в общем случае зависящий от угла смещения, характеризует крутизну ПХ.

Отклонение ПХ (1) от аппроксимации (2), имеющее вид

δS=S(ϑ,ϑ₀)-µϑ,

приводит к ошибке определения угла ϑ

в общем случае зависящей от угла смещения ϑ₀. При его фиксированном значении характер зависимости величин δS и δϑ от ϑ определяется первым ненулевым нелинейным членом ряда Маклорена, т.е. эти величины растут как куб или более высокая нечетная степень угла ϑ. В таком случае ошибка определения угла ϑ, возникающая вследствие отклонения ПХ от линейной аппроксимирующей функции (2) в точке ϑ углового положения цели, может быть существенно уменьшена, если при повторном вычислении направления ϑ на цель использовать предыдущую оценку угла ϑ в качестве РСН (нового начала координат) - именно так производят измерение пеленга «обычным» способом по серии принятых сигналов.

Последовательность уточнений при «обычном» расчете можно представить как итерационный процесс, на каждом шаге которого требуется повторно вычислять приемные ДН и значения ПХ для нового РСН, еще раз принимая сигнал (в РЛС - излучая импульс). Это требует дополнительного времени и аппаратной поддержки, реализующей обратную связь. Длительность одной итерации зависит от объема задействованной в ней аппаратуры. При решении нелинейного пеленгационного уравнения для единственного принятого сигнала вычисления ограничиваются использованием процессора и оперативной памяти, тогда как для измерения значения S_CP для нового РСН требуется задействовать всю аппаратуру, обрабатывающую сигнал в антенной решетке. Следовательно, для повышения скорости и точности измерений следует отказаться от перерасчетов S_СР для новых РСН и обрабатывать единственный принятый сигнал. Этот путь требует использования ПХ (в явном виде или аппроксимации) и наиболее эффективен при линейности ПХ. Таким образом, итераций и связанных с ними затрат времени и усложнения аппаратуры можно избежать, если обеспечить в соотношении (1) линейную зависимость ПХ от угла ϑ.

Как известно из литературы [Родс Д.Р. Введение в моноимпульсную радиолокацию. - М.: Сов. радио, 1960, 160 с.], строго линейная ПХ, учитывая работы Керра и Мурдока, может быть получена при амплитудном распределении, являющемся неотрицательной степенью полупериода косинусоиды, и угле смещения

где λ - длина волны;

d - период антенной решетки;

N - число элементов антенной решетки.

Однако это распределение и значение угла смещения обычно не используется; принято использовать, как и в прототипе, угол смещения ϑ₀=ϑ_0.5, равный полуширине парциальной ДН на уровне половинной мощности. Простой, понятный и удобный для инженерного использования критерий ϑ₀=ϑ_0.5 обеспечивает близость угла смещения к классическому оптимальному значению, максимизирующему произведение коэффициента направленного действия (уровня суммарной диаграммы) и крутизны разностной диаграммы на РСН [Родс Д.Р. Введение в моноимпульсную радиолокацию. - М.: Сов. радио, 1960, 160 с.]. Это важно для следящего пеленгатора, но для обзорного пеленгатора, как показано ниже, это не очевидно.

Для упомянутого общепринятого угла смещения ϑ₀=ϑ_0.5 на фигуре 2 показаны парциальные ДН, вычисленная по ним ПХ и крутизна (Кр) ПХ при косинус-квадратном амплитудном распределении на пьедестале 0,08, что соответствует функции Хэмминга вида w(x)=0.08+0.92cos²(πx/2), -1≤х≤1. График амплитудного распределения на раскрыве антенной решетки показан в верхнем левом углу, в правом нижнем углу приведены значения коэффициента использования поверхности (КИП), уровня боковых лепестков (УБЛ) и уровня пересечения (УП) ДН. Для независимости изложения от конкретных значений длины волны и размера раскрыва ФАР всюду за единицу измерения углов принят угол соответствующий первому нулю ДН при равномерном амплитудном распределении. Соответственно на фигуре 2 по оси абсцисс единицей измерения угла ϑ является величина ϑ₁, а по оси ординат единицей измерения крутизны ПХ является величина, обратная ϑ₁. По оси ординат парциальные ДН нормированы к единице. Видно, что в данном случае обеспечен низкий УБЛ (минус 42 дБ), но ПХ является нелинейной, и это не позволяет (см. фигуру 3) получить широкую рабочую зону пеленгации при повышенных быстродействии и точности.

Размер рабочей зоны ϑ_РЗ, соответствующей ошибке пеленгования 1% ширины ДН парциального канала (РЗ_оп), и другие характеристики пеленгации показаны на фигуре 3 для того же амплитудного распределения на раскрыве, что и на фигуре 2. На фигурах 3-6 рабочая зона ϑ=0…ϑ_РЗ показана горизонтальной стрелкой; в этой области углов ошибка пеленгования, возникающая из-за отклонения используемой аппроксимации ПХ от самой ПХ, не превышает 1% ширины парциальной ДН по уровню минус 3 дБ. Через А_л и А_к обозначены линейная и кубическая аппроксимации ПХ, полученные усечением ряда Маклорена, а ОП_л и ОП_к - ошибка пеленгования для этих аппроксимаций. Отметим, что на фигурах 3-6 показаны увеличенные в 100 раз (чтобы «1» на оси ординат соответствовала 1%) графики величины ошибки пеленгования, ниже используемой в левой части уравнения (6). Видно, что на фигуре 3, соответствующей общепринятому случаю ϑ₀=ϑ_0,5, рабочая зона по упомянутому 1%-му критерию составляет малую часть ширины ДН парциального канала. Рассмотрим возможность ее увеличения.

Так как ПХ является плавной нечетной функцией угла ϑ, то в окрестности нуля наибольший вклад в отклонение ПХ от линейной функции вносит кубический член ряда Маклорена с коэффициентом

Потребовав равенства его нулю, мы уменьшим отклонение ПХ от линейной функции и увеличим размер области, внутри которой отклонения от линейности малы. Соответствующий угол смещения ϑ₀ можно искать как решение уравнения

Численно решая задачу (5) для амплитудного распределения на раскрыве АР в виде функции Хэмминга, получаем, что b₃(ϑ₀)≈0 при угле ϑ₀=ϑ_{0 лин 1}≈0,406, где за единицу принят угол ϑ₁. Этот угол обеспечивает для данного распределения максимальную точность определения УК при использованном нами способе линеариза