RU2794466C1 - Method for surveying airspace by a pulse-doppler radar station with an active phased antenna array - Google Patents
Method for surveying airspace by a pulse-doppler radar station with an active phased antenna array Download PDFInfo
- Publication number
- RU2794466C1 RU2794466C1 RU2022115084A RU2022115084A RU2794466C1 RU 2794466 C1 RU2794466 C1 RU 2794466C1 RU 2022115084 A RU2022115084 A RU 2022115084A RU 2022115084 A RU2022115084 A RU 2022115084A RU 2794466 C1 RU2794466 C1 RU 2794466C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- transmitting
- beams
- elevation
- antenna array
- active phased
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС), в которых в качестве антенны используется активная фазированная антенная решетка (АФАР). The invention relates to the field of radar and can be used in radar stations (RLS) in which an active phased antenna array (APAA) is used as an antenna.
Область пространства, в пределах которой РЛС обнаруживает отражающий объект, называют зоной обнаружения. Эта область бывает различной формы. В частности, для систем наблюдения за воздушными объектами характерно наличие минимальной и максимальной дальности обнаружения при полете цели на определенной высоте [1 - Мищенко Ю.А. Зоны обнаружения. М.: Воениздат, 1963. 96 с.; с. 4-5].The area of space within which the radar detects a reflecting object is called the detection zone. This area comes in various forms. In particular, airborne surveillance systems are characterized by the presence of a minimum and maximum detection range when a target is flying at a certain height [1 - Mishchenko Yu.A. detection zones. M.: Military Publishing House, 1963. 96 p.; With. 4-5].
Границы зоны обнаружения определяются превышением мощности сигнала, отраженного от цели, над мощностью шумов приемника, обеспечивающего заданные вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги.The boundaries of the detection zone are determined by the excess of the power of the signal reflected from the target over the noise power of the receiver, which provides the given probabilities of correct detection and false alarm.
Известен способ последовательного обзора пространства [2 - Теоретические основы радиолокации / Под ред. Я.Д. Ширмана. М.: Советское радио. 1970. 560 с.], при котором зону обнаружения разбивают на множество элементов разрешения по угловым координатам, которые последовательно подсвечивают передающим лучом и принимают сигналы от целей, расположенных в соответствующих элементах разрешения.A known method of sequential review of space [2 - Theoretical foundations of radar / Ed. I. Shirman. Moscow: Soviet radio. 1970. 560 S.], in which the detection zone is divided into a plurality of resolution elements in angular coordinates, which are sequentially illuminated by the transmitting beam and receive signals from targets located in the corresponding resolution elements.
Недостаток этого способа состоит в низкой скорости обзора пространства.The disadvantage of this method is the low speed of space survey.
Известен способ обзора пространства с неравномерной по дальности зоной обнаружения в вертикальной плоскости [3 - Пат. 2708371, RU. Способ обзора воздушного пространства радиолокационной станцией с активной фазированной антенной решеткой / А.Ю. Ларин, А.В. Литвинов, С.Е. Мищенко, Л.В. Винник, В.В. Шацкий. МПК G01S 13/04. Заявка 2019111781, 18.04.2019. Опубл. 09.12.2019 Бюл. №34], состоящий в том, что при помощи передающей антенны с диаграммой направленности (ДН) специальной формы обеспечивают равномерную «подсветку» зондирующим импульсом всей зоны обнаружения в угломестной плоскости, а по азимуту зону обнаружения подсвечивают в пределах ширины луча передающей антенны. Распределяют приемные лучи антенны вдоль подсвечиваемой области зоны обнаружения и осуществляют прием отраженных сигналов до тех пор, пока из-за различных значений дальности до границы зоны обнаружения в вертикальной плоскости по части приемных лучей не «освободится» значительная часть приемных лучей. После этого на время излучения антенной зондирующего импульса прекращают прием, переносят передающий луч в другую часть зоны обнаружения по азимуту и излучают зондирующий импульс. Далее возобновляют прием сигналов в области пространства, соответствующей максимальной дальности обнаружения в вертикальной плоскости и подсвеченной первым импульсом, а также осуществляют прием отраженных сигналов в области пространства, подсвеченной вторым зондирующим импульсом.A known method of viewing space with uneven range detection zone in the vertical plane [3 - Pat. 2708371, RU. Sposob for reviewing the air space by a radar station with an active phased antenna array / A.Yu. Larin, A.V. Litvinov, S.E. Mishchenko, L.V. Vinnik, V.V. Shatsky. IPC G01S 13/04. Application 2019111781, 04/18/2019. Published 09.12.2019 Bull. No. 34], consisting in the fact that with the help of a transmitting antenna with a radiation pattern (DN) of a special shape, a uniform “illumination” of the entire detection zone in the elevation plane is provided by the probing pulse, and the detection zone is illuminated in azimuth within the beam width of the transmitting antenna. The receiving beams of the antenna are distributed along the illuminated area of the detection zone and the reflected signals are received until, due to different values of the distance to the border of the detection zone in the vertical plane, a significant part of the receiving beams is "freed" in part of the receiving beams. After that, for the time of radiation of the probing pulse by the antenna, reception is stopped, the transmitting beam is transferred to another part of the detection zone in azimuth, and the probing pulse is emitted. Next, the reception of signals is resumed in the region of space corresponding to the maximum detection range in the vertical plane and illuminated by the first pulse, and the reflected signals are received in the region of space illuminated by the second probing pulse.
Недостатком способа являются высокие требования к системе управления лучами приемо-передающей антенны. Кроме того, при формировании ДН специальной формы из-за нелинейного фазового распределения и быстро спадающего к краям раскрыва амплитудного распределения в раскрыве передающей антенны значительно снижается ее энергетический потенциал при излучении каждого зондирующего импульса. Это приводит к дополнительному снижению отношения сигнал/шум на выходе приемной антенны и, следовательно, к снижению вероятности обнаружения цели и повышению вероятности ложной тревоги.The disadvantage of this method is the high requirements for the beam control system of the transmitting and receiving antenna. In addition, during the formation of a special-shaped pattern, due to the nonlinear phase distribution and the amplitude distribution rapidly falling to the edges of the aperture, the transmitting antenna aperture significantly reduces its energy potential during the emission of each probing pulse. This leads to an additional reduction in the signal-to-noise ratio at the output of the receiving antenna and, consequently, to a decrease in the probability of target detection and an increase in the probability of false alarms.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является способ обзора воздушного пространства [4 - Пат. №2666763, RU. Способ обзора пространства / В.В. Задорожный, А.Ю. Ларин, А.В. Литвинов, И.С. Омельчук, А.С. Помысов. МПК G01S 13/00. Заявка №2017131811, 11.09.2017. Опубл. 12.09.2018 Бюл. №26], при котором при помощи передающей антенны с ДН специальной формы обеспечивают равномерную «подсветку» зондирующим импульсом всей зоны обнаружения в вертикальной плоскости, а по азимуту зону обнаружения подсвечивают в пределах ширины луча передающей антенны. Распределяют приемные лучи антенны вдоль подсвечиваемой области зоны обнаружения и осуществляют прием отраженных сигналов.The closest in technical essence (prototype) is a way to view the airspace [4 - US Pat. No. 2666763, RU. A way to review the space / V.V. Zadorozhny, A.Yu. Larin, A.V. Litvinov, I.S. Omelchuk, A.S. Pomysov. IPC G01S 13/00. Application No. 2017131811, 09/11/2017. Published 09/12/2018 Bull. No. 26], in which, with the help of a transmitting antenna with a DN of a special shape, a uniform “illumination” of the entire detection zone by the probing pulse in the vertical plane is provided, and the detection zone is illuminated in azimuth within the beam width of the transmitting antenna. The receiving beams of the antenna are distributed along the illuminated area of the detection zone and the reflected signals are received.
Данный способ существенно проще при реализации, чем [3], однако, ему также присущ недостаток, связанный со снижением энергетического потенциала передающей антенны при формировании передающей ДН специальной формы.This method is much easier to implement than [3], however, it also has a disadvantage associated with a decrease in the energy potential of the transmitting antenna when forming a transmitting RP of a special shape.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является сокращение времени обзора пространства.The technical problem to be solved by the present invention is to reduce the space survey time.
Для решения указанной технической проблемы предлагается способ обзора воздушного пространства импульсно-доплеровскойTo solve this technical problem, a method for surveying the airspace of a pulse-Doppler
радиолокационной станцией с активной фазированной антенной решеткой, при котором выбирают форму передающей диаграммы направленности, соответствующую зоне обнаружения по углу места, ориентируют антенну и устанавливают передающую диаграмму направленности по азимуту для обзора области пространства по углу места в заданном азимутальном направлении, излучение зондирующих импульсов выполняют передающей активной фазированной антенной решеткой, распределяют приемные лучи, принимают и накапливают энергию отраженных сигналов, переходят к обзору пространства в следующем азимутальном направлении путем механического или электрического сканирования по азимуту.a radar station with an active phased antenna array, in which the form of the transmitting radiation pattern is selected corresponding to the detection zone in elevation, the antenna is oriented and the transmitting radiation pattern is set in azimuth to view the area of space in elevation in a given azimuth direction, the radiation of probing pulses is performed by the transmitting active phased antenna array, distribute the receiving beams, receive and accumulate the energy of the reflected signals, proceed to the survey of space in the next azimuth direction by mechanical or electrical scanning in azimuth.
Согласно изобретению, находят коэффициенты, при которых взвешенная сумма передающих парциальных лучей, распределенных по углу места, представляет собой передающую диаграмму направленности, соответствующую форме зоны обнаружения по углу места, излучение зондирующих импульсов выполняют передающей активной фазированной антенной решеткой поочередно каждым передающим парциальным лучом, а амплитуды передающих парциальных лучей, пропорциональные найденным коэффициентам, задают путем отключения части передающих каналов активной фазированной антенной решетки при сохранении ширины передающих парциальных лучей по углу места, распределяют приемные лучи вдоль каждого из передающих парциальных лучей, изменяя число приемных лучей в зависимости от ширины соответствующего передающего парциального луча в азимутальной плоскости, принимают и накапливают энергию отраженных сигналов последовательно всеми приемными лучами, распределенными вдоль каждого из передающих парциальных лучей.According to the invention, the coefficients are found at which the weighted sum of the transmitting partial beams distributed over the elevation angle is the transmitting radiation pattern corresponding to the shape of the detection zone in elevation, the radiation of the probing pulses is performed by the transmitting active phased antenna array in turn by each transmitting partial beam, and the amplitudes transmitting partial beams, proportional to the found coefficients, are set by turning off part of the transmitting channels of the active phased antenna array while maintaining the width of the transmitting partial beams in elevation, distributing the receiving beams along each of the transmitting partial beams, changing the number of receiving beams depending on the width of the corresponding transmitting partial beam in the azimuthal plane, receive and accumulate the energy of the reflected signals sequentially by all the receiving beams distributed along each of the transmitting partial beams.
Техническим результатом при реализации способа является увеличение плотности потока мощности у цели в каждом передающем луче при двукратном сокращении времени обзора пространства.The technical result of the implementation of the method is to increase the power flux density of the target in each transmitting beam with a two-fold reduction in space survey time.
Таким образом, предлагаемый способ имеет следующие отличительные признаки и последовательность его реализации от способа-прототипа, которые приведены в таблице 1.Thus, the proposed method has the following distinguishing features and the sequence of its implementation from the prototype method, which are shown in table 1.
Из представленной таблицы 1 сравнения последовательностей реализации способа-прототипа и предлагаемого способа видно, что введены следующие новые операции:From the presented table 1 comparing the implementation sequences of the prototype method and the proposed method, it can be seen that the following new operations have been introduced:
- находят коэффициенты, при которых взвешенная сумма передающих парциальных лучей, распределенных по углу места, представляет собой передающую диаграмму направленности, соответствующую форме зоны обнаружения по углу места;- find the coefficients at which the weighted sum of the transmitting partial beams, distributed in elevation, is a transmitting radiation pattern corresponding to the shape of the detection zone in elevation;
и изменены режимы трех операций:and changed the modes of three operations:
- излучение зондирующих импульсов выполняют передающей активной фазированной антенной решеткой поочередно каждым передающим парциальным лучом, а амплитуды передающих парциальных лучей, пропорциональные найденным коэффициентам, задают путем отключения части передающих каналов активной фазированной антенной решетки при сохранении ширины передающих парциальных лучей по углу места;- the radiation of probing pulses is performed by a transmitting active phased antenna array in turn by each transmitting partial beam, and the amplitudes of the transmitting partial beams, proportional to the found coefficients, are set by turning off part of the transmitting channels of the active phased antenna array while maintaining the width of the transmitting partial beams in elevation;
- распределяют приемные лучи вдоль каждого из передающих парциальных лучей, изменяя число приемных лучей в зависимости от ширины соответствующего передающего парциального луча в азимутальной плоскости;- distribute the receiving beams along each of the transmitting partial beams, changing the number of receiving beams depending on the width of the corresponding transmitting partial beam in the azimuthal plane;
- принимают и накапливают энергию отраженных сигналов последовательно всеми приемными лучами, распределенными вдоль каждого из передающих парциальных лучей.- receive and accumulate the energy of reflected signals sequentially by all receiving beams distributed along each of the transmitting partial beams.
Введение одной новой операции и изменение режимов трех операций позволяет, по сравнению со способом-прототипом, обеспечить достижение следующего технического результата, заключающегося в увеличении плотности потока мощности у цели в каждом передающем луче при двукратном сокращении времени обзора зоны обнаружения.The introduction of one new operation and changing the modes of three operations allows, in comparison with the prototype method, to achieve the following technical result, which consists in increasing the power flux density at the target in each transmitting beam with a twofold reduction in the viewing time of the detection zone.
Проведенный анализ технических решений позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявляемого технического решения, отсутствуют в известных источниках из уровня техники, что указывает на соответствие заявляемого способа условию патентоспособности "новизна".The analysis of technical solutions made it possible to establish that analogues, characterized by a set of features identical to all the features of the proposed technical solution, are absent in known sources from the prior art, which indicates that the proposed method complies with the patentability condition "novelty".
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".The results of the search for known solutions in this and related fields of technology in order to identify features that match the distinguishing features from the prototype showed that they do not follow explicitly from the prior art. From the prior art, the influence of the transformations envisaged by the essential features on the achievement of the specified technical result has not been revealed either. Therefore, the claimed technical solution meets the condition of patentability "inventive step".
Сущность предлагаемого способа раскрывается фигурами 1-6.The essence of the proposed method is disclosed in figures 1-6.
На фигуре 1 приведена структурная схема АФАР, позволяющей реализовать предлагаемый способ.The figure 1 shows a block diagram of the APAA, which allows to implement the proposed method.
На фигуре 2 приведено сечение зоны обнаружения РЛС в декартовых координатах.The figure 2 shows a section of the radar detection zone in Cartesian coordinates.
На фигуре 3 показана зависимость амплитудного распределения в раскрыве АФАР для формирования ДН специальной формы.The figure 3 shows the dependence of the amplitude distribution in the opening of the APAA for the formation of a pattern of a special shape.
На фигуре 4 изображены заданная ДН, веер лучей и сечение формируемой ДН специальной формы.The figure 4 shows a given RP, a fan of rays and a section of the generated RP of a special shape.
На фигуре 5 приведены оценки энергетического потенциала каждого из лучей.The figure 5 shows the estimates of the energy potential of each of the beams.
На фигуре 6 представлены сечения ДН лучей в азимутальной плоскости при отключении каналов для различных положений зондирующих лучей по углу места.The figure 6 shows the cross-sections of the beam beams in the azimuthal plane when the channels are turned off for various positions of the probing beams in elevation.
При реализации предлагаемого способа обзора воздушного пространства импульсно-доплеровской радиолокационной станцией с активной фазированной антенной решеткой выполняется следующая последовательность действий:When implementing the proposed method for surveying airspace by a pulse-Doppler radar station with an active phased antenna array, the following sequence of actions is performed:
- выбирают форму передающей диаграммы направленности, соответствующую зоне обнаружения по углу места - 1;- choose the shape of the transmitting radiation pattern corresponding to the detection zone in elevation - 1;
- находят коэффициенты, при которых взвешенная сумма передающих парциальных лучей, распределенных по углу места, представляет собой передающую диаграмму направленности, соответствующую форме зоны обнаружения по углу места - 2;- find the coefficients at which the weighted sum of the transmitting partial beams, distributed in elevation, is a transmitting radiation pattern corresponding to the shape of the detection zone in elevation - 2;
- ориентируют антенну и устанавливают передающую диаграмму направленности по азимуту для обзора области пространства по углу места в заданном азимутальном направлении - 3;- orient the antenna and set the transmitting radiation pattern in azimuth to view the area of space in elevation in a given azimuth direction - 3;
- излучение зондирующих импульсов выполняют передающей активной фазированной антенной решеткой поочередно каждым передающим парциальным лучом, а амплитуды передающих парциальных лучей, пропорциональные найденным коэффициентам, задают путем отключения части передающих каналов активной фазированной антенной решетки при сохранении ширины передающих парциальных лучей по углу места - 4;- the radiation of probing pulses is performed by a transmitting active phased antenna array in turn by each transmitting partial beam, and the amplitudes of the transmitting partial beams, proportional to the found coefficients, are set by turning off part of the transmitting channels of the active phased antenna array while maintaining the width of the transmitting partial beams in elevation - 4;
- распределяют приемные лучи вдоль каждого из передающих парциальных лучей, изменяя число приемных лучей в зависимости от ширины соответствующего передающего парциального луча в азимутальной плоскости - 5;- distribute the receiving beams along each of the transmitting partial beams, changing the number of receiving beams depending on the width of the corresponding transmitting partial beam in the azimuthal plane - 5;
- принимают и накапливают энергию отраженных сигналов последовательно всеми приемными лучами, распределенными вдоль каждого из передающих парциальных лучей, последовательно - 6;- receive and accumulate the energy of reflected signals sequentially by all receiving beams distributed along each of the transmitting partial beams, sequentially - 6;
- переходят к обзору пространства в следующем азимутальном направлении путем механического или электрического сканирования по азимуту - 7.- proceed to the survey of space in the next azimuth direction by mechanical or electrical scanning in azimuth - 7.
Предлагаемый способ предназначен для использования в импульсно-доплеровской радиолокационной станции с активной фазированной антенной решеткой, имеющей цифровое диаграммообразование в приемном тракте.The proposed method is intended for use in a pulse-Doppler radar station with an active phased antenna array having digital beamforming in the receiving path.
АФАР радиолокационной станции (АФАР РЛС), приведенная на фиг. 1, включает N антенных элементов 1 (АЭ1…АЭN), с которыми соединены соответствующие входы 1 N циркуляторов 2 (Ц1…ЦN). Вход 3 каждого из циркуляторов 2 (Ц1…ЦN) соединен с выходом соответствующего СВЧ-усилителя мощности 3 (УМ1…УМN). Входы N СВЧ-усилителей мощности 3 (УМ1…УМN) подключены к выходам N электронных ключей 4 (КЛ1…КЛN), входы которых электрически соединены через N фазовращателей 5 (ФВ1…ФВN) с соответствующими выходами N-канального устройства формирования зондирующих сигналов 6 (УФЗС).AFAR radar station (AFAR radar), shown in Fig. 1 includes N antenna elements 1 (AE 1 ...AE N ), with which the corresponding inputs 1 N of circulators 2 (C 1 ... C N ) are connected.
Соответствующие выходы 2 N циркуляторов 2 (Ц1…ЦN) посредством N электронных ключей 7 (КЛ1…КЛN) подключены к входам N малошумящих усилителей 8 (МШУ1… МШУN). Выходы (МШУ1… МШУN) 8 электрически связаны с входами N преобразователей частоты 9 (ПЧ1…ПЧN). Выходы TV преобразователей частоты 9 (ПЧ1…ПЧN) подключены к соответствующим входам N аналого-цифровых преобразователей 10 (АЦП1…АЦПN). Выходы N аналого-цифровых преобразователей 10 (АЦП1…АЦПN) подключены к шине 1 цифрового устройства обработки и управления (УОУ) 11.The corresponding outputs 2 N of circulators 2 (C 1 ... C N ) are connected by means of N electronic keys 7 (CL 1 ... CL N ) to the inputs of N low-noise amplifiers 8 (LNA 1 ... LNA N ). The outputs (LNA 1 ... LNA N ) 8 are electrically connected to the inputs N of frequency converters 9 (IF 1 ... IF N ). The TV outputs of frequency converters 9 (FC 1 ...FC N ) are connected to the corresponding inputs N of analog-to-digital converters 10 (ADC 1 ...ADC N ). The outputs N of analog-to-digital converters 10 (ADC 1 ... ADC N ) are connected to
Управление КЛ1…КЛN 7, МШУ1…МШУN 8, ПЧ1…ПЧN 9, АЦП1…АЦПN 10 выполняют с выхода 2 УОУ 11.The control of CL 1 ...
Управление УМ1…УМN 3, КЛ1…КЛN 4, ФВ1…ФВN 5 и УФЗС 6 производят по цепям управления с выхода 3 УОУ 11.The control of PA 1 ...
Обмен информацией с УФЗС 6 осуществляют посредством шины 4 УОУ 11.Information exchange with
На фиг. 1 также приведен источник питания 12 (ИП), к выходам которого подключены цепи питания активных элементов АФАР, показанные на фиг. 1 штриховыми линиями. На структурной схеме (фиг. 1) синхронизацию и гетеродинирование осуществляют цифровым устройством обработки и управления 11 (УОУ).In FIG. 1 also shows the power supply 12 (PS), to the outputs of which the power supply circuits of the active elements of the APAA, shown in Fig. 1 with dashed lines. In the block diagram (Fig. 1), synchronization and heterodyning are carried out by a digital processing and control device 11 (UOU).
Передачу данных потребителю для дальнейшей обработки осуществляют с выходов УОУ 11.Data transmission to the consumer for further processing is carried out from the outputs of the
Функционирование АФАР в составе импульсно-доплеровской РЛС производят следующим образом.The functioning of the AFAR as part of a pulse-Doppler radar is as follows.
Перед излучением каждого зондирующего сигнала в заданном направлении области пространства, в которую должен быть направлен луч АФАР в режиме передачи, по командам УОУ 11 выбирают форму передающей ДН с учетом заданной зоны обзора пространства по углу места и ограничивают ширину луча передающей ДН в азимутальном направлении. Представляют исходную передающую диаграмму направленности в виде суммы парциальных лучей одинаковой ширины, распределенных по углу места, для этого находят коэффициенты, при суммировании с которыми ДН суммы парциальных лучей наилучшим образом приближается к форме исходной передающей ДН по углу места. Осуществляют последовательное зондирование пространства по углу места, устанавливая передающие парциальные лучи в направлениях, определенных по методу парциальных лучей [5 - Зелкин Е.Г., Соколов В.Г. Методы синтеза антенн: Фазированные антенные решетки и антенны с непрерывным раскрывом. - М.: Сов. радио, 1980, 296 с.], а с помощью N электронных ключей 4 (КЛ1…КЛN) устанавливают амплитуды передающих лучей с учетом найденных коэффициентов таким образом, чтобы сохранялась ширина передающих лучей по углу места. Ориентируют антенну в пространстве и устанавливают максимум по углу места и азимуту для обзора области пространства в заданном азимутальном направлении, для чего вводят соответствующие фазовые состояния в ФВ1…ФВN 5, рассчитанные либо извлеченные из памяти УОУ 11. Сформированные в УФЗС 6 последовательности зондирующих импульсов для каждого передающего луча усиливают в СВЧ-усилителях мощности 3 (УМ1…УМN) и посредством N циркуляторов 2 (Ц1…ЦN) передают на АЭ1…АЭN 1. С помощью АЭ1…АЭN 1 обеспечивают преобразование энергии токов высокой частоты последовательности в энергию электромагнитных колебаний, излучаемых в зондируемую область пространства в течение длительности излучения последовательностей когерентных зондирующих импульсов.Before the emission of each probing signal in a given direction of the region of space, to which the APAA beam should be directed in the transmission mode, the form of the transmitting RP is selected by the commands of the
Перед приемом отраженных от объектов сигналов по командам из УОУ 11 распределяют приемные лучи вдоль каждого из соответствующих передающих лучей, изменяя их число в зависимости от ширины передающего луча в азимутальной плоскости. Принимают отраженные сигналы приемными лучами, распределенными вдоль каждого из передающих лучей, антенными элементами 1 (АЭ1…АЭN), при этом энергию электромагнитных колебаний преобразуют в энергию токов высокой частоты (далее - сигналы). Посредством N циркуляторов 2 (Ц1…ЦN) сигналы передают через N КЛ1…КЛN 7 на входы МШУ1…МШУN 8. Усиленные на СВЧ сигналы поступают на входы ПЧ1…ПЧN 9, где осуществляют перенос сигналов на промежуточную частоту и формируют квадратурные составляющие сигналов каналов. Затем с помощью АЦП1…АЦПN 10 производят дискретизацию квадратурных составляющих сигналов каналов, записывают последовательности квадратурных составляющих сигналов каналов. По сигнальной шине последовательности квадратурных составляющих сигналов каналов передают в УОУ 11, где их последовательно принимают и накапливают энергию отраженных сигналов одновременно всеми приемными лучами, распределенными вдоль каждого из передающих лучей.Before receiving the signals reflected from the objects, the receiving beams are distributed along each of the corresponding transmitting beams by commands from the
После излучения всех последовательностей зондирующих импульсов и приема отраженных сигналов данные с выходов УОУ 11 передают потребителю для дальнейшей обработки, которая состоит в поиске отметок от целей по результатам пороговой обработки и формирования векторов наблюдений для каждой из обнаруженных целей.After the emission of all sequences of probing pulses and the reception of reflected signals, the data from the outputs of the
Для обзора пространства в следующем азимутальном направлении поворачивают антенну механически или путем электрического сканирования.To view space in the next azimuthal direction, the antenna is rotated mechanically or by electrical scanning.
Проведем теоретическое обоснование предлагаемого способа обзора воздушного пространства импульсно-доплеровской радиолокационной станцией с активной фазированной антенной решеткой.Let's carry out a theoretical justification of the proposed method for surveying the airspace by a pulse-Doppler radar station with an active phased antenna array.
Идея предлагаемого способа состоит в том, что зону обнаружения в вертикальной плоскости можно последовательно подсвечивать лучами, амплитуды которых устанавливаются с учетом требований к дальности обнаружения в направлении отдельного луча. Управление амплитудой лучей может достигаться за счет расширения лучей в азимутальной плоскости при сохранении их ширины в вертикальной плоскости.The idea of the proposed method is that the detection zone in the vertical plane can be sequentially illuminated with beams, the amplitudes of which are set taking into account the requirements for the detection range in the direction of a single beam. Beam amplitude control can be achieved by expanding the beams in the azimuthal plane while maintaining their width in the vertical plane.
Предлагаемый способ, как и способ последовательного обзора зоны обнаружения [2], свободен от недостатка, связанного со снижением энергетического потенциала передающей антенны при формировании ДН специальной формы.The proposed method, as well as the method of successive review of the detection zone [2], is free from the disadvantage associated with a decrease in the energy potential of the transmitting antenna during the formation of a special-shaped pattern.
В свою очередь, предлагаемый способ содержит операцию распределения приемных лучей вдоль расширенного по азимутальной координате передающего луча. Это позволяет, по сравнению со способом [2], увеличить скорость обзора зоны обнаружения. Следует отметить, что последовательный обзор зоны обнаружения позволяет также сократить время обзора за счет того, что время приема отраженных сигналов в каждом луче может быть связано с дальностью до границы зоны обнаружения по вертикальной координате, а расстояние до границы зоны обнаружения в азимутальной плоскости при фиксированной вертикальной координате обычно является неизменным.In turn, the proposed method contains the operation of distributing the receiving beams along the transmitting beam extended in the azimuthal coordinate. This allows, in comparison with the method [2], to increase the speed of the review of the detection zone. It should be noted that a sequential survey of the detection zone also makes it possible to reduce the survey time due to the fact that the time of reception of reflected signals in each beam can be related to the distance to the boundary of the detection zone along the vertical coordinate, and the distance to the boundary of the detection zone in the azimuthal plane at a fixed vertical coordinate is usually unchanged.
Техническая реализация предлагаемого способа зависит от технологии формирования одномерно расширенных лучей. Существующая теория и техника антенн с этой точки зрения позволяет использовать один из следующих способов:The technical implementation of the proposed method depends on the technology for the formation of one-dimensionally expanded beams. The existing theory and technique of antennas from this point of view allows you to use one of the following methods:
- управление амплитудой в раскрыве (при равномерном возбуждении коэффициент использования поверхности (КИП) антенны максимален, а ширина луча меньше, при неравномерном распределении - КИП снижается, а ширина луча увеличивается [6 - Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток: Учеб. Пособие для вузов / Д.И. Воскресенский, В.И. Степаненко, B.C. Филиппов и др. Под ред. Д.И. Воскресенского. 3-е изд., доп. и перераб. - М.: Радиотехника, 2003. - 632 с.];- amplitude control in the opening (with uniform excitation, the surface utilization factor (SIF) of the antenna is maximum, and the beam width is smaller, with uneven distribution - the SIC decreases, and the beam width increases [6 - Microwave devices and antennas. Designing phased antenna arrays: Textbook. Manual for universities / D. I. Voskresensky, V. I. Stepanenko, V. S. Filippov, etc. Edited by D. I. Voskresensky, 3rd ed. With.];
- использование неравномерного фазового распределения [7 - Пат. №2742287, RU. Способ формирования расширенных лучей фазированной антенной решетки / А.Н. Грибанов, О.В. Павлович, С.Е. Гаврилова, Г.В. Мосейчук. МПК H01Q 3/26. Заявка №2020124237, 14.07.2020. Опубл. 04.02.2021 Бюл. №4];- the use of non-uniform phase distribution [7 - US Pat. No. 2742287, RU. A method for the formation of extended beams of a phased antenna array / A.N. Gribanov, O.V. Pavlovich, S.E. Gavrilova, G.V. Moseychuk.
- изменение формы и линейных размеров раскрыва.- changing the shape and linear dimensions of the opening.
Управление амплитудой в раскрыве антенны реализуют при помощи аттенюаторов, а в активных фазированных антенных решетках - при помощи регулировки коэффициентов передачи усилителей мощности. Недостаток управления амплитудой заключается в снижении коэффициента полезного действия передатчика при использовании аттенюаторов или снижении коэффициента передачи усилителя относительно номинальной мощности. Кроме того, устройства управления амплитудой СВЧ сигнала обычно считаются достаточно инерционными, т.е. имеют низкое быстродействие.Amplitude control in the antenna aperture is implemented using attenuators, and in active phased antenna arrays - by adjusting the gains of the power amplifiers. The disadvantage of amplitude control is to reduce the efficiency of the transmitter when using attenuators, or to reduce the gain of the amplifier relative to the rated power. In addition, devices for controlling the amplitude of the microwave signal are usually considered to be sufficiently inertial, i.e. have low speed.
Использование нелинейных фазовых подставок приводит к тому, что сложение сигналов каналов у поверхности цели происходит некогерентно. В этом случае снижение КПД антенны проявляется не в раскрыве антенны, а в дальней зоне.The use of nonlinear phase shifts leads to the fact that the addition of channel signals near the target surface occurs incoherently. In this case, the decrease in antenna efficiency is manifested not in the antenna opening, but in the far zone.
Изменение формы и размеров раскрыва для управления энергией излучения антенны стало возможным в АФАР за счет того, что в каждом передающем канале устанавливают электронные ключи. Электронные ключи физически необходимы в АФАР для отключения неисправных каналов и являются безынерционными устройствами, которыми можно управлять на каждый такт синхронизации блока управления АФАР. Использование электронных ключей для реализации заданного энергетического потенциала было предложено в [8 - Пат. №2760409, RU. Способ обработки радиолокационных сигналов в импульсно-доплеровской радиолокационной станции с активной фазированной антенной решеткой / А.Ю. Ларин, А.В. Литвинов, С.Е. Мищенко, А.С. Помысов, В.В. Шацкий МПК G01S 13/02. Заявка №2021106420, 11.03.2021. Опубл. 24.11.2021 Бюл. №33], а в патенте [4] - для расширения лучей.Changing the shape and size of the opening to control the radiation energy of the antenna became possible in AFAR due to the fact that electronic keys are installed in each transmitting channel. Electronic keys are physically necessary in the AFAR to disable faulty channels and are inertialess devices that can be controlled for each cycle of synchronization of the AFAR control unit. The use of electronic keys to implement a given energy potential was proposed in [8 - Pat. No. 2760409, RU. A method of processing radar signals in a pulse-Doppler radar station with an active phased antenna array / A.Yu. Larin, A.V. Litvinov, S.E. Mishchenko, A.S. Pomysov, V.V.
В отличие от способа [9 - Радиолокационные системы: учебн. / под общ. ред. В.П. Бердышева. - Красноярск: СФУ, 2012. С. 143] в предлагаемом способе однозначно обосновывается необходимое значение энергетического потенциала в зависимости от вычисленного распределения амплитуд парциальных передающих лучей в вертикальной плоскости.In contrast to the method [9 - Radar systems: textbook. / under total ed. V.P. Berdyshev. - Krasnoyarsk: SFU, 2012. S. 143] in the proposed method, the required value of the energy potential is unambiguously justified depending on the calculated distribution of the amplitudes of the partial transmitting beams in the vertical plane.
Отсутствие потерь КИП при формировании передающей ДН АФАР вследствие совмещения передатчика с раскрывом в антеннах данного класса наилучшим образом сказывается на коэффициенте направленного действия (КНД) и излучаемой мощности.The absence of instrumentation losses during the formation of the transmitting APAA DN due to the combination of the transmitter with the aperture in antennas of this class has the best effect on the directivity coefficient (DRC) and radiated power.
Рассмотрим более строгое обоснование изложенной идеи способа.Let us consider a more rigorous justification of the stated idea of the method.
Зона обнаружения РЛС по вертикальной координате (углу места) определяется ее назначением. Например, в РЛС наблюдения за воздушными объектами зона обзора определяется дальностью действия вдоль горизонта и максимальной высотой полета целей. Аналогично в бортовых РЛС бокового обзора, в том числе и РЛС с синтезированной апертурой, требуемая дальность действия РЛС зависит от направления по углу места и сферичности Земли. В теории антенн ДН таких РЛС соответствуют ДН специальной формы вида «косеканс» или «косеканс в квадрате» [6], [9]. Эта ДН обеспечивает равномерное «подсвечивание» просматриваемой области пространства передающим лучом. Параллельный обзор подсвечиваемой области пространства по углу места достигается распределением приемных лучей вдоль передающего луча.The radar detection zone in the vertical coordinate (elevation angle) is determined by its purpose. For example, in an air surveillance radar, the field of view is determined by the range along the horizon and the maximum altitude of the targets. Similarly, in airborne side-scan radars, including synthetic aperture radars, the required range of the radar depends on the direction in elevation and the sphericity of the Earth. In the theory of antennas, RPs of such radars correspond to RPs of a special form of the form “cosecant” or “cosecant squared” [6], [9]. This DN provides uniform "illumination" of the viewed area of space by the transmitting beam. A parallel view of the illuminated area of space in elevation is achieved by distributing the receiving beams along the transmitting beam.
В обзорных РЛС наземного базирования обзор в азимутальной плоскости осуществляют путем механического вращения опорно-поворотного устройства, а в бортовых РЛС бокового обзора - путем электрического отклонения луча в горизонтальной плоскости.In ground-based surveillance radars, the survey in the azimuthal plane is carried out by mechanical rotation of the turntable, and in side-scan airborne radars - by electrical deflection of the beam in the horizontal plane.
В соответствии с уравнением радиолокации максимальная дальность действия РЛС определяется выражениемIn accordance with the radar equation, the maximum range of the radar is determined by the expression
где РΣ - импульсная мощность передающей антенны;where P Σ - pulse power of the transmitting antenna;
N - число зондирующих импульсов;N is the number of probing pulses;
τ - длительность импульса;τ - pulse duration;
Gtr - коэффициент усиления (КУ) передающей антенны;G tr - gain (KU) of the transmitting antenna;
Gr - КУ приемной антенны;G r - KU of the receiving antenna;
Ftr(θ), Fr(θ) - нормированные ДН по мощности передающей и приемной антенны в направлении на цель;F tr (θ), F r (θ) - normalized RP by the power of the transmitting and receiving antenna in the direction of the target;
σ - эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) цели;σ - effective scattering surface (ESR) of the target;
λ - длина волны;λ - wavelength;
k0 - постоянная Больцмана;k 0 - Boltzmann's constant;
Т0 - средняя температура;T 0 - average temperature;
ƒn - коэффициент шума приемника;ƒ n - receiver noise figure;
L - потери, например в среде при распространении сигнала;L - losses, for example, in the medium during signal propagation;
q2 - пороговое отношение сигнал/шум (ОСШ), учитывающее требования к вероятностям правильного обнаружения и ложной тревоги.q 2 - threshold signal-to-noise ratio (SNR), taking into account the requirements for the probabilities of correct detection and false alarms.
Предположим, зона действия РЛС по углу места описывается функцией Rmax(θ). Также заданы параметры λ, σ, q2, ƒn, L, N, τ. Если приемные лучи распределяются вдоль подсвечиваемой области, то можно считать, что 
В этом случае с точностью до постоянного множителя заданная ДН АФАР и ее энергетический потенциал удовлетворяют равенствуIn this case, up to a constant factor, the given APAA pattern and its energy potential satisfy the equality
где С - постоянный коэффициент.where C is a constant coefficient.
Отсюда следует, что при проектировании передающей АФАР необходимо не только сформировать заданную ДН, но при этом обеспечить наилучшее значение КНД и максимальную излучаемую мощность.It follows from this that when designing a transmitting APAA, it is necessary not only to form a given RP, but at the same time to ensure the best value of the directivity factor and the maximum radiated power.
Предположим, что функция Ftr(θ) соответствует ДН М - элементной линейной АР с длиной раскрыва L=d(М-1). Здесь d - межэлементное расстояние.Let's assume that the function F tr (θ) corresponds to DN M - elemental linear AR with opening length L=d(M-1). Here d is the interelement distance.
В соответствии с теоремой КотельниковаIn accordance with the Kotelnikov theorem
где An - коэффициент ряда;where A n is the coefficient of the series;
k - волновое число;k - wave number;
Δu - шаг между соседними функциями Котельникова.Δ u - step between adjacent Kotelnikov functions.
Известно, что функция Котельникова S(sinθ-nΔu) соответствует ДН идеальной линейной антенны (с равномерным возбуждением и сфазированной в направлении θn=arcsin(nΔu)). В связи с этим выражение (3) демонстрирует возможность формирования заданной ДН при помощи веера лучей.It is known that the Kotelnikov function S(sinθ-nΔ u ) corresponds to the DN of an ideal linear antenna (with uniform excitation and phased in the direction θ n =arcsin(nΔ u )). In this regard, expression (3) demonstrates the possibility of forming a given pattern using a fan of rays.
Если рассматривать Δu как интервал Найквиста, то данный параметр следует выбирать по формуле 
В силу ортогональности функций Котельникова на бесконечном интервале коэффициенты ряда с точностью до постоянного множителя могут быть вычислены по формулеDue to the orthogonality of the Kotelnikov functions on an infinite interval, the coefficients of the series, up to a constant factor, can be calculated by the formula
Здесь ξ - полупериод множителя направленности АР; u=0,5kLsinθ.Here ξ is the half-period of the directivity multiplier AR; u=0.5kLsinθ.
Выражение (4) является основным для метода парциальных диаграмм [10 - Зелкин Е.Г., Соколов В.Г. Методы синтеза антенн: Фазированные антенные решетки и антенны с непрерывным раскрывом. - М.: Сов. радио, 1980, 296 с.]. Следует отметить, что метод парциальных ДН справедлив и при использовании вместо функций Котельникова других функций. Например, в теории антенн известны аналитические представления для ДН линейной антенны, возбуждаемой распределением вида «косинус на пьедестале» или «косинус в квадрате не пьедестале» [6], [9]. Естественно, что эти функции вдоль обобщенной координаты имеют постоянную ширину луча и для формирования веера лучей достаточно соблюдать принцип, который имеет место в ряде Котельникова: максимум следующего луча ориентирован на первый ноль ДН предыдущего луча. Также для формирования заданной ДН может использоваться веер атомарных функций, которые применялись для синтеза косекансного луча в монографии [3], или метод [11 - Литвинов А.В., Мищенко С.Е., Шацкий В.В. Модифицированный метод веерных парциальных диаграмм для синтеза плоской антенной решетки с произвольным раскрывом // Труды международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн». - Таганрог, Дивноморское. - ТТИ ЮФУ. - 24-28 июня 2013. - С. 105-110].Expression (4) is the main one for the method of partial diagrams [10 - Zelkin E.G., Sokolov V.G. Antenna synthesis methods: Phased array antennas and continuous aperture antennas. - M.: Sov. radio, 1980, 296 p.]. It should be noted that the method of partial RPs is also valid when other functions are used instead of the Kotelnikov functions. For example, in antenna theory, analytical representations are known for the RP of a linear antenna excited by a distribution of the form “cosine on a pedestal” or “cosine squared on a pedestal” [6], [9]. Naturally, these functions along the generalized coordinate have a constant beam width, and to form a fan of beams, it is enough to follow the principle that takes place in the Kotelnikov series: the maximum of the next beam is oriented to the first zero of the RP of the previous beam. Also, to form a given RP, a fan of atomic functions can be used, which were used to synthesize a cosecant beam in the monograph [3], or the method [11 - Litvinov A.V., Mishchenko S.E., Shatsky V.V. Modified method of fan partial diagrams for the synthesis of a flat antenna array with an arbitrary aperture // Proceedings of the international scientific conference "Radiation and scattering of electromagnetic waves". - Taganrog, Divnomorskoe. - TTI SFU. - June 24-28, 2013. - S. 105-110].
Итак, в соответствии с методом парциальных диаграмм исходная ДН АФАР может быть представлена в виде конечного набора из NB лучей, для которых известны комплексные амплитуды An и ориентация максимумов θn, где n=1, 2, …, NB.So, in accordance with the method of partial diagrams, the initial APAA pattern can be represented as a finite set of N B beams, for which the complex amplitudes A n and the orientation of the maxima θ n are known, where n=1, 2, …, N B .
О каждом из лучей также известно, что он может быть сформирован при единичном коэффициенте использования поверхности линейной антенны для лучей в виде функций Котельникова или с некоторым снижением КИП, которое является известным заранее при использовании спадающего распределения в раскрыве.It is also known about each of the beams that it can be formed at a unit linear antenna surface utilization factor for the beams in the form of Kotelnikov functions, or with some reduction in TIF, which is known in advance when using a falling distribution in the aperture.
Пусть коэффициенты An нормированы к максимальному значению.Let the coefficients A n be normalized to the maximum value.
В этом случае для формирования луча с единичной амплитудой достаточно использовать все элементы раскрыва.In this case, to form a beam with a unit amplitude, it is sufficient to use all elements of the opening.
Для реализации уменьшенных значений остальных коэффициентов An будем отключать каналы АР на излучение. При этом выбирать отключаемые каналы будем таким образом, чтобы ширина луча вдоль координаты θ не изменялась. Наиболее просто это реализовать в прямоугольном раскрыве. В этом случае ДН АФАР представляется в виде произведения двух ортогональных функций. Уменьшение амплитуды луча по сравнению с полным раскрывом может быть получено без изменения формы луча вдоль вертикальной координаты за счет отключения вертикальных линеек по краям раскрыва. При этом будет происходить расширение луча в горизонтальной плоскости (т.е. уменьшаться КИП передающей антенны). Также с отключением каналов будет происходить снижение излучаемой мощности АФАР.To implement the reduced values of the remaining coefficients A n , we will turn off the AA channels for radiation. In this case, we will choose the channels to be switched off in such a way that the beam width along the coordinate θ does not change. The easiest way to implement this is in a rectangular opening. In this case, the APAA RP is represented as a product of two orthogonal functions. A decrease in the beam amplitude compared to a full opening can be obtained without changing the beam shape along the vertical coordinate by turning off the vertical rulers along the edges of the opening. In this case, the beam will expand in the horizontal plane (i.e., the KPI of the transmitting antenna will decrease). Also, with the disconnection of the channels, a decrease in the radiated power of the APAA will occur.
Примем для определенности, что A1=1, а 
Для первого луча имеемFor the first beam we have
При этом для всех лучей 
Поскольку формирование амплитуд известных коэффициентов 
В случае необходимости фазы коэффициентов An могут быть получены путем выбора соответствующих фазовых задержек сигналов различных парциальных ДН. Установка фазы может понадобиться для когерентной обработки сигналов, лучей, распределенных вдоль вертикальной плоскости.If necessary, the phase coefficients A n can be obtained by choosing the appropriate phase delays of the signals of different partial patterns. Setting the phase may be necessary for coherent processing of signals, beams distributed along the vertical plane.
В результате для каждого из формируемых лучей может быть определена поканальная конфигурация излучающего раскрыва, при которой обеспечивается равномерная засветка лучами зоны ответственности РЛС по углу места.As a result, for each of the formed beams, a channel-by-channel configuration of the radiating aperture can be determined, which ensures uniform illumination of the radar area of responsibility by the beams in elevation.
Техническим результатом при последовательном формировании передающих лучей является повышение плотности потока мощности зондирующего сигнала у цели.The technical result in the sequential formation of the transmitting beams is to increase the power flux density of the probing signal at the target.
В качестве примера рассмотрим АФАР с прямоугольным раскрывом, состоящим из 64×32 элементов, размещенных в узлах прямоугольной сетки с шагом 0,5λ по углу места. Будем считать, что раскрыв антенны наклонен к плоскости горизонта под углом 110°. Максимальную дальность действия РЛС в направлении горизонта ограничим значением 300 км. Пусть РЛС предназначена для обнаружения целей на высотах менее 25 км.As an example, let's consider an APAR with a rectangular opening, consisting of 64×32 elements placed at the nodes of a rectangular grid with a step of 0.5λ in elevation. We assume that the antenna opening is inclined to the horizon plane at an angle of 110°. The maximum range of the radar in the direction of the horizon will be limited to 300 km. Let the radar be designed to detect targets at altitudes less than 25 km.
С учетом заданных требований и ориентации раскрыва на фиг. 2 приведено сечение зоны обнаружения РЛС в декартовых координатах.Taking into account the given requirements and the orientation of the opening in Fig. 2 shows a section of the radar detection zone in Cartesian coordinates.
В качестве парциальных ДН использовались функции Котельникова. Всего для реализации предлагаемого способа обзора в качестве примера считали NB=15. Для каждого из лучей по формуле (4) были рассчитаны значения коэффициентов An, которые сведены в таблицу 2. Первые строки данных в таблице соответствуют лучам (1-8), вторые строки - лучам (9-15).The Kotelnikov functions were used as partial RPs. In total, for the implementation of the proposed review method, N B =15 was considered as an example. For each of the beams, according to formula (4), the values of the coefficients A n were calculated, which are summarized in table 2. The first rows of data in the table correspond to the rays (1-8), the second rows correspond to the rays (9-15).
После сложения лучей с найденными коэффициентами будет сформирована ДН специальной формы. Амплитудное распределение, необходимое для формирования ДН специальной формы, описывает выражениеAfter adding the rays with the found coefficients, a pattern of a special shape will be formed. The amplitude distribution necessary for the formation of a pattern of a special shape is described by the expression
где (xm, ym) - координата фазового центра антенного элемента m-го канала АФАР.where (x m , y m ) is the coordinate of the phase center of the antenna element of the m-th APAA channel.
На фиг. 3 представлена зависимость амплитудного распределения в раскрыве АФАР вдоль раскрыва, полученная по формуле (7).In FIG. Figure 3 shows the dependence of the amplitude distribution in the APAA aperture along the aperture, obtained by formula (7).
Очевидно, что неравномерное возбуждение раскрыва АФАР существенно снижает коэффициент направленного действия (КНД) антенны. В случае передающей АФАР подобное амплитудно-фазовое распределение (АФР) означает снижение излучаемой мощности. Это распределение также достаточно трудно реализовать, поскольку для снижения уровня излучаемой мощности необходимо либо использовать аттенюаторы, либо уменьшать коэффициенты передачи усилителей. В первом случае на раскрыве увеличивается тепловыделение, а во втором - приходится существенно ухудшать КПД усилителей.It is obvious that uneven excitation of the APAA aperture significantly reduces the directivity factor (DPC) of the antenna. In the case of a transmitting APAA, such an amplitude-phase distribution (APD) means a decrease in the radiated power. This distribution is also quite difficult to implement, since in order to reduce the level of radiated power, it is necessary either to use attenuators or to reduce the gains of the amplifiers. In the first case, heat release increases at the opening, and in the second case, the efficiency of the amplifiers has to be significantly worsened.
Отметим, что распределению, представленному на фиг. 3, соответствует КНД Dcos ec=3176 (35 дБ) при том, что максимальный КНД раскрыва равен 6160 (37,9 дБ), а также излучаемая мощность Pcos ес=286 Вт при максимальной излучаемой мощности 2048 Вт (будем считать, что номинальные мощности усилителей в каждом канале передающей АФАР равны 1 Вт).Note that the distribution shown in Fig. 3 corresponds to the directivity factor D cos ec =3176 (35 dB), while the maximum aperture directivity factor is 6160 (37.9 dB), as well as the radiated power P cos ec =286 W with the maximum radiated power of 2048 W (we will assume that the nominal power of the amplifiers in each channel of the transmitting APAR is 1 W).
На фиг. 4 изображены сечение требуемой ДН, соответствующей зависимости зоны обнаружения от направления, веер парциальных лучей с амплитудами согласно данным таблицы 2 (штриховые кривые) и сечение ДН специальной формы, полученной при использовании амплитудно-фазового распределения, рассчитанного по формуле (7).In FIG. Figure 4 shows the section of the required RP corresponding to the dependence of the detection zone on the direction, the fan of partial rays with amplitudes according to the data in Table 2 (dashed curves) and the section of the RP of a special shape obtained using the amplitude-phase distribution calculated by formula (7).
После формирования ДН специальной формы были получены оценки энергетического потенциала каждого из лучей. Эти оценки были получены по формулеAfter the formation of a RP of a special shape, estimates of the energy potential of each of the beams were obtained. These estimates were obtained by the formula
Результаты расчетов представлены на фиг. 5 (нижняя кривая). Для удобства восприятия оценки, полученные в дискретных точках, соединены прямыми отрезками. Энергетические потенциалы каждого из парциальных лучей с учетом их амплитуд на этом же рисунке отражает штриховая кривая. Узловые значения этой кривой для каждого из лучей получены по формулеThe calculation results are shown in Fig. 5 (lower curve). For the convenience of perception, the estimates obtained at discrete points are connected by straight segments. The energy potentials of each of the partial beams, taking into account their amplitudes, are shown in the same figure by a dashed curve. The nodal values of this curve for each of the rays are obtained by the formula
где М - число каналов АФАР (в рассматриваемом примере М=2048).where M is the number of APAA channels (in this example, M=2048).
После этого были получены оценки числа активных вертикальных линейных подрешеток в составе АФАР, которые при равномерном возбуждении активной части АФАР обеспечивают энергетический потенциал, соответствующий оценкам, полученным по формуле (9). В таблице 2 приведены оценки числа активных линеек, соответствующие этим линейкам значения КНД и излучаемой мощности. По результатам полученных оценок на фиг. 5 получена сплошная кривая, аппроксимирующая штриховую кривую.After that, estimates were obtained for the number of active vertical linear sublattices in the composition of the APAA, which, with uniform excitation of the active part of the APAA, provide an energy potential corresponding to the estimates obtained by formula (9). Table 2 shows the estimates of the number of active lines, the values of the directivity factor and the radiated power corresponding to these lines. According to the results of the estimates obtained in Fig. 5, a solid curve is obtained, approximating the dashed curve.
В зависимости от числа активных линеек в раскрыве изменяется ширина лучей в азимутальной плоскости (таблица 2). С учетом ширины луча можно изменять число приемных лучей, используемых для приема эхо-сигналов с определенного угломестного направления, и изменять число передающих лучей при постоянном значении угла места в процессе обзора зоны обнаружения по азимуту. Эти оценки также сведены в таблицу 2.Depending on the number of active lines in the opening, the width of the rays in the azimuth plane changes (Table 2). Given the beamwidth, you can change the number of receiving beams used to receive echoes from a specific elevation direction, and change the number of transmitting beams at a constant elevation angle while scanning the detection area in azimuth. These estimates are also summarized in Table 2.
Сечения ДН передающих лучей в азимутальной плоскости приведены на фиг. 6. Каждое сечение соответствует определенному положению луча в угломестной плоскости. Поскольку при формировании передающих лучей отключается часть вертикальных линейных антенных решеток, то ширина луча меняется. Это означает, что лучу с минимальной шириной соответствует передающий луч, в формировании которого участвуют все 64 вертикальные линейные антенные решетки, а самому широкому - пять активных линейных антенных решеток. Сравнивая число активных линейных антенных решеток в таблице 2 с шириной луча на фиг. 6, несложно установить соответствие этих параметров.The cross sections of the transmitting beams in the azimuthal plane are shown in Fig. 6. Each section corresponds to a certain position of the beam in the elevation plane. Since part of the vertical linear antenna arrays is turned off during the formation of the transmitting beams, the beam width changes. This means that the beam with the minimum width corresponds to the transmitting beam, in the formation of which all 64 vertical linear antenna arrays participate, and the widest - five active linear antenna arrays. Comparing the number of active linear antenna arrays in Table 2 with the beamwidth in FIG. 6, it is easy to establish the correspondence of these parameters.
Оценим сначала время обзора всей зоны обнаружения в режиме с ДН специальной формы. Пусть инструментальная дальность действия РЛС 300 км. Следовательно при параллельном обзоре время приема эхо-сигналов с одного азимутального направления равно 2 мс. Сектор по азимуту ограничим ±45°, т.е. необходимо просматривать 56 направлений по азимуту. Общее время обзора при параллельном обзоре пространства - 112 мс для режима с одним зондирующим импульсом. Пусть необходимо просмотреть сектор пространства за 1 с. В этом случае получим, что максимальная длина пачки при наблюдении - 1000/112 порядка 9 импульсов.Let us first estimate the survey time of the entire detection zone in the mode with a pattern with a special shape. Let the instrumental range of the radar be 300 km. Therefore, with a parallel survey, the time for receiving echo signals from one azimuth direction is 2 ms. The azimuth sector is limited to ±45°, i.e. it is necessary to view 56 directions in azimuth. The total survey time for a parallel survey of space is 112 ms for the mode with one probing pulse. Let it be necessary to view a sector of space in 1 s. In this case, we obtain that the maximum length of a burst during observation is 1000/112, about 9 pulses.
Теперь рассмотрим предлагаемый способ. При использовании предлагаемого способа за счет увеличения энергетического потенциала передающей антенны в каждом передающем луче увеличивается плотность потока мощности у цели почти в 14 раз. Это означает, что цель, обнаруживаемая РЛС с косекансной ДН при когерентном накоплении энергии девяти эхо-сигналов, может быть обнаружена при использовании предлагаемого способа за один импульс. В данном случае только один луч из 15 имеет узкую ДН по азимуту с шириной 1,6°. В связи с этим для обзора азимутального сектора этим лучом необходимо просмотреть 56 азимутальных направлений по 2 мс на каждое направление - 112 мс. В остальных направлениях число просматриваемых азимутальных направлений будет меньше (см. таблицу 2).Now consider the proposed method. When using the proposed method, by increasing the energy potential of the transmitting antenna in each transmitting beam, the power flux density at the target increases by almost 14 times. This means that a target detected by a cosecant RP radar with coherent accumulation of the energy of nine echo signals can be detected using the proposed method in one pulse. In this case, only one beam out of 15 has a narrow RP in azimuth with a width of 1.6°. In this regard, to view the azimuthal sector with this beam, it is necessary to scan 56 azimuth directions, 2 ms for each direction - 112 ms. In other directions, the number of viewed azimuth directions will be less (see Table 2).
Для простоты предположим, что при просмотре зоны обнаружения время ожидания эхо сигналов не зависит от угла места луча и всегда равно 2 мс. В этом случае время обзора зоны обнаружения предлагаемым способом будет равно произведению времени ожидания эхо сигналов на суммарное число просматриваемых азимутальных направлений. В соответствии с таблицей 2 суммарное число просматриваемых направлений по азимуту равно 248. В этом случае время обзора зоны обнаружения составляет около 0,5 с. Дальнейшее сокращение времени обзора связано с требуемой инструментальной дальностью действия РЛС по каждому лучу.For simplicity, we assume that when viewing the detection area, the echo latency is independent of the beam elevation angle and is always 2 ms. In this case, the survey time of the detection zone by the proposed method will be equal to the product of the waiting time for echo signals by the total number of viewed azimuthal directions. In accordance with Table 2, the total number of viewed directions in azimuth is 248. In this case, the detection zone survey time is about 0.5 s. A further reduction in survey time is associated with the required instrumental range of the radar for each beam.
Это означает, что предлагаемый способ обеспечивает увеличение плотности потока мощности у цели в каждом передающем луче при двукратном сокращении времени обзора пространства.This means that the proposed method provides an increase in the power flux density at the target in each transmitting beam with a twofold reduction in the space survey time.
Реализация заявляемого способа не встречает затруднений при современном уровне развития радиотехники и устройств цифровой обработки сигналов с использованием известного в радиоэлектронной промышленности технологического оборудования. Возможность реализации предложенного способа обеспечивает ему критерий патентоспособности «промышленная применимость».The implementation of the proposed method does not encounter difficulties with the current level of development of radio engineering and digital signal processing devices using technological equipment known in the radio electronic industry. The possibility of implementing the proposed method provides him with the criterion of patentability "industrial applicability".
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2794466C1 true RU2794466C1 (en) | 2023-04-19 |
Family
ID=
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2408032C2 (en) * | 2009-03-16 | 2010-12-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственный комплекс "Научно-исследовательский институт дальней радиосвязи" (ОАО НПК НИИДАР) | Method of probing space monitored by radar unit with phased antenna array |
| RU2626407C1 (en) * | 2016-05-04 | 2017-07-27 | Акционерное общество "НИИ измерительных приборов - Новосибирский завод имени Коминтерна" (АО "НПО НИИИП-НЗиК") | Radar scanning method |
| RU2627958C1 (en) * | 2016-11-07 | 2017-08-14 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт Приборостроения имени В.В. Тихомирова" | Method for forming direction diagram by digital antenna array |
| RU2666763C1 (en) * | 2017-09-11 | 2018-09-12 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Space scanning method |
| CN110196414A (en) * | 2019-06-04 | 2019-09-03 | 哈尔滨工业大学 | A kind of antenna beam pointing method based on compensation Antenna error |
| RU2708371C1 (en) * | 2019-04-18 | 2019-12-09 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Method of scanning airspace with a radar station with an active phased antenna array |
| RU2742287C1 (en) * | 2020-07-14 | 2021-02-04 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт Приборостроения имени В.В. Тихомирова" | Method for generation of expanded beams of phased antenna array |
| CN112965041A (en) * | 2021-02-10 | 2021-06-15 | 西南电子技术研究所（中国电子科技集团公司第十研究所） | Spherical phased array antenna wave control self-tracking difference array division method |
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2408032C2 (en) * | 2009-03-16 | 2010-12-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственный комплекс "Научно-исследовательский институт дальней радиосвязи" (ОАО НПК НИИДАР) | Method of probing space monitored by radar unit with phased antenna array |
| RU2626407C1 (en) * | 2016-05-04 | 2017-07-27 | Акционерное общество "НИИ измерительных приборов - Новосибирский завод имени Коминтерна" (АО "НПО НИИИП-НЗиК") | Radar scanning method |
| RU2627958C1 (en) * | 2016-11-07 | 2017-08-14 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт Приборостроения имени В.В. Тихомирова" | Method for forming direction diagram by digital antenna array |
| RU2666763C1 (en) * | 2017-09-11 | 2018-09-12 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Space scanning method |
| RU2708371C1 (en) * | 2019-04-18 | 2019-12-09 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Method of scanning airspace with a radar station with an active phased antenna array |
| CN110196414A (en) * | 2019-06-04 | 2019-09-03 | 哈尔滨工业大学 | A kind of antenna beam pointing method based on compensation Antenna error |
| RU2742287C1 (en) * | 2020-07-14 | 2021-02-04 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт Приборостроения имени В.В. Тихомирова" | Method for generation of expanded beams of phased antenna array |
| CN112965041A (en) * | 2021-02-10 | 2021-06-15 | 西南电子技术研究所（中国电子科技集团公司第十研究所） | Spherical phased array antenna wave control self-tracking difference array division method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11539130B2 (en) | 1D phased array antenna for radar and communications | |
| Tolkachev et al. | A megawatt power millimeter-wave phased-array radar | |
| US3842417A (en) | Bistatic radar system | |
| US9810774B2 (en) | Short-range point defense radar | |
| US7737879B2 (en) | Split aperture array for increased short range target coverage | |
| Steinberg | Radar imaging from a distorted array: The radio camera algorithm and experiments | |
| US3825928A (en) | High resolution bistatic radar system | |
| US20080122683A1 (en) | Monopulse antenna tracking and direction finding of multiple sources | |
| US5041834A (en) | Artificial ionospheric mirror composed of a plasma layer which can be tilted | |
| US11777509B2 (en) | Radar system and related method of scanning remote objects | |
| RU2627958C1 (en) | Method for forming direction diagram by digital antenna array | |
| Riddolls | High-latitude application of three-dimensional over-the-horizon radar | |
| RU2794466C1 (en) | Method for surveying airspace by a pulse-doppler radar station with an active phased antenna array | |
| CN115184926B (en) | Distributed cooperative detection system and method using coherent MIMO radar | |
| Stange et al. | Multiplicatively processed antenna arrays for DBF radar applications | |
| Muppala et al. | Dynamic dual-reflector antennas for high-resolution real-time SAR imaging | |
| RU2708371C1 (en) | Method of scanning airspace with a radar station with an active phased antenna array | |
| Jenn et al. | An antenna for a mast-mounted low probability of intercept continuous wave radar: Improving performance with digital architecture | |
| CN212932938U (en) | Radiation source direction finding equipment | |
| RU2697662C1 (en) | Method of measuring angular coordinates of targets by a radar station with a digital antenna array | |
| Shu et al. | Design considerations for DBF phased array 3D surveillance radar | |
| JPH11183607A (en) | Synthetic aperture radar apparatus | |
| Sander | Experimental phased-array radar ELRA: antenna system | |
| Kahrilas | Design of electronic scanning radar systems (ESRS) | |
| KUWAHARA et al. | An X-band phased array antenna with a large elliptical aperture |