AFU_Lektsii
.pdf
методах, как, например, при использовании широкополосных сигналов или остронаправленных антенн.
ААР представляет собой систему, состоящую из многоэлементной решетки и адаптера, работающего в реальном масштабе времени, приеморешающего устройства - процессора, осуществляющего автоматическую подстройку ДН для повышения эффективности приема полезного сигнала. На рис.2.89 показаны основные элементы ААР, обеспечивающие улучшение приема полезного сигнала и подавление нежелательных помех.
|
1 |
x1 (t ) |
|
|
|
|
W1 |
|||
S (t ) |
|
x2 |
(t ) |
|
||||||
|
|
|
||||||||
|
2 |
|
|
W2 |
||||||
|
θ |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
N |
|
|
|
xN (t ) |
|
WN |
||
|
AP |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ДОС
åN y (t)
Рис.2.89. Функциональная схема адаптивной антенной решетки
Основными элементами ААР являются: антенная решетка, ДОС и блок адаптивного управления ДН, осуществляющий подстройку весовых коэффициентов в ДОС. В блоке адаптивного управления ДН для удобства анализа можно выделить процессор сигнала и устройство, реализующее алгоритм управления. Особенности выполнения основных элементов системы связаны с реальными условиями ее работы и зависят от характеристик среды распространения сигналов, интересующего спектра сигналов и знания условий приема сигналов.
Антенна выполняется в виде решетки, состоящей из N элементов, и предназначена для приема и передачи сигнала в соответствующей среде распространения. Элементы размещаются так, чтобы обеспечивалось формирование ДН в заданной области пространства. Характеристики элементов и их фактическое расположение в решетке налагают основные ограничения на результирующие свойства системы с адаптивной решеткой. Выходные сигналы каждого элемента поступают в ДОС, где они сначала
176
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
умножаются на комплексные весовые коэффициенты (с учетом амплитуды и фазы), а затем суммируются, образуя в результате выходной сигнал антенной решетки. Весовые коэффициенты ДОС также (наряду с характеристиками элементов и их фактическим расположением) влияют на результирующую ДН, а это в свою очередь определяет возможность обеспечения системой заданных требований.
Структура адаптивного процессора существенно зависит от полноты априорной информации об условиях приема сигнала. По мере уменьшения количества априорной информации об условиях приема сигнала (например, о положении источника полезного сигнала, уровне мощности помех и т.д.) все большее значение приобретает выбор алгоритма управления.
В случае, когда характер всех принимаемых сигналов точно известен и известны направления прихода этих сигналов, а также характеристики элементов АР, можно обойтись без адаптивного процессора и на основе простых расчетов определить значения весовых коэффициентов ДОС, обеспечивающих улучшение приема полезного сигнала или подавления помех. Поскольку такой детальной априорной информации на практике нет, адаптивный процессор должен обладать способностью автоматической подстройки к любым изменениям (в широких пределах) условий приема сигналов. Если какие-то сведения об условиях приема сигнала оказываются известными или могут быть разумно сформулированы, то такая информация может стать полезной для определения структуры адаптивного процессора.
Надежность системы с адаптивной АР выше, чем надежность системы с обычными АР. ДН обычной АР при выходе из строя одного из ее элементов может существенно исказиться из-за увеличения УБЛ. В ААР за счет автоматической подстройки остальных элементов УБЛ будет уменьшен до допустимого. Часто характеристики АР в большей степени зависят от эффектов рассеяния в ближней зоне, чем от ДН в свободном пространстве. Например, если антенна с очень малым УБЛ установлена на самолете, то ДН из-за влияния крыльев, хвоста полностью изменяется. Даже в условиях таких сильных искажений, обусловленных эффектами в ближней зоне, ААР способна обеспечить удовлетворительный прием сигнала.
Работа ААР наглядно характеризуется ее ДН. Подавление помехового сигнала достигается за счет управления положением нулей ДН и уменьшением УБЛ в направлении источника помех. Условия приема полезного сигнала при этом не ухудшаются из-за поддержания неизменной формы главного (или сигнального) лепестка ДН. Таким образом, в ААР для увеличения выходного ОСШ используются различия пространственных характеристик сигнала и помех.
177
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Поскольку имеется возможность формирования очень глубоких нулей (очень малых значений коэффициента передачи), то можно обеспечить и очень высокое подавление помехового сигнала. Такая исключительная способность подавления помех является основным преимуществом систем с ААР перед антенными системами, в которых для получения сравнимых величин подавления требуются, как правило, сигналы с большими произведениями длительности полезного сигнала на полосу пропускания. ААР иногда называют самообучающимися, так как в них, в отличие от обычных решеток, осуществляется подстройка характеристик в соответствии с поступающей информацией о сигнале. В настоящее время основным достоинством таких систем считают адаптивное формирование нулей ДН, обеспечивающих автоматическое подавление помех, действующих по боковым лепесткам, что является важным средством борьбы с радиопротиводействием в радиолокации.
Во многих практических случаях реально принимаемый сигнал состоит из модулированной несущей и переносимая информация заключена только в ее комплексной огибающей. Будем полагать, что сигнал каждого из N каналов xn (t) содержит комплект сигнала и шума (см. рис.2.85):
xn (t) = Sn (t) + nn (t), n = 1, 2,...,N.
В линейной эквидистантной решетке при идеальном условии распространения величина Sn(t) определяется направлением прихода полезного сигнала. Например, если направление прихода полезного сигнала задается углом θ, то (для узкополосного сигнала)
Sn (t) = S(t) ×exp( j × 2pd / l ×sin q) ,
где d - межэлементное расстояние; λ - длина волны. Выходной сигнал ААР с ДОС можно записать так:
N
y(t) = åWn Xn (t) ,
k =1
более удобно в матричной форме:
y(t) = [W ]T × [X ]= [X ]T × [W ] ,
где Т - транспонирование матрицы; векторы W и X определяются как
W T = [W ,W ,K,W |
N |
]; X T = [X |
, X |
,K, X |
N |
]. |
1 2 |
1 |
2 |
|
|
178
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Основной задачей адаптационного процесса является такая подстройка переменных весовых коэффициентов, при которой оптимизирование определяет критерий эффективности. Критерий эффективности определяет работу адаптивного процессора, он должен выбираться исходя из требований на характеристики системы в установившемся режиме.
2.19. Цифровые антенные решетки
Развитие элементной базы и новейших методов обработки сигналов все чаще заставляет говорить о возможности построения цифровых антенных решеток (ЦАР) или АР с цифровым формированием луча (ЦФЛ). Специалисты утверждают, что в ближайшем будущем ЦАР займут видное место в РЛС всех видов, начиная от сложных военных систем и кончая относительно простыми аэродромными системами.
К преимуществам ЦАР перед другими типами АР относятся:
-независимость создания лучей каждым отдельным процессором (т.е. на одну решетку может работать любое количество обрабатывающих процессоров, причем их количество и будет определять количество независимых лучей). Это свойство особенно важно в условиях современного боя, где РЛС придется работать с большим количеством быстроперемещающихся целей;
-крайне гибкий выбор ДН для возможности мгновенного изменения измерительной функции. Надо отметить, что ни один из существующих видов АР не позволяет достаточно гибко (без дополнительных аппаратурных затрат) менять вид ДН. В случае ЦАР для изменения ДН необходимо лишь изменить соответствующие весовые коэффициенты, хранящиеся в памяти процессора. Поэтому ЦАР имеет возможность формировать ДН самого экзотического вида и быстро их менять. Кроме того, специальные адаптивные алгоритмы позволяют выделять помехи от полезного сигнала и формировать
внаправлении на помеху глубокий нуль ДН. Это дает возможность значительно снизить влияние помех на РЛС, что крайне важно для практических целей;
-совокупность активной коррекции ошибок с калибровкой, позволяющая получить предельно низкий УБЛ.
Перечислены лишь основные достоинства ЦАР, этот перечень можно было бы еще долго продолжать. Встает вопрос, почему же эти решетки до сих пор не нашли широкого применения? Ответ достаточно прост. Все дело в том, что на современном этапе развития техники еще не достигнут тот уровень, на котором производство этих решеток было бы эффективно. Пока же решетки, созданные на современной элементной базе, во-первых, достаточно дороги и, во-вторых, не отвечают необходимым техническим требованиям.
179
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Однако в недалеком будущем с развитием науки и техники ЦАР будут все активней проникать в нашу жизнь.
Простейшая структурная схема ЦАР показана на рис.2.90.
Каждый канал этой решетки состоит из трех основных блоков: 1) приемного модуля;
2)квадратурного канала и 3) процессора ЦФЛ.
Всостав приемного модуля входят: излучатель, малошумящий усилитель, смеситель, усилитель промежуточной частоты, фильтры и т.д. Приемный модуль принципиально не отличается от аналогичного модуля АФАР, однако в него не входит фазовращатель. На входе приемного модуля сигнал должен иметь частоту порядка 80 МГц и амплитуду порядка 100 мВ.
1 |
2 |
N |
π |
0 |
2
a
I
å |
Рис.2.90. Структурная схема цифровой антенной решетки
Квадратурный канал включает в общем случае следующие компоненты: смесители (фазовые детекторы), фазосдвигатели, усилители постоянного тока, АЦП. Квадратурный канал состоит из двух одинаковых фазовых детекторов, на которые подается сигнал гетеродина: на первый - без сдвига по фазе, а на второй - со сдвигом на 90 град, чем осуществляется извлечение квадратурных составляющих сигнала, которые обрабатываются дальше раздельно
Q =U1 ×sin j; I =U 2 ×cos j.
180
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
По сути, происходит разделение сигнала на мнимую и действительную составляющие. Эти составляющие отфильтровываются, усиливаются и преобразуются в цифровую форму для обработки в процессоре.
Процессор ЦФЛ состоит из сумматоров, умножителей и платы запоминающего устройства (для весовых коэффициентов). Процессор осуществляет следующее математическое преобразование:
N
G = åSn ×Wn ,
n=1
где Wn - весовые коэффициенты (комплексные); Sn - комплексный сигнал; G - диаграмма направленности.
Очевидно, что необходимо осуществить лишь операции суммирования и умножения. Если учесть следующее:
Sn = S0 ×exp( jkd sin q); Wn = An ×exp( jjn ) ,
то
SnWn = (I + jQ)[Re(Wn ) + j Im(Wn )]=
=[I ×Re(Wn ) - Q ×Im(Wn )]+ j [Q ×Re(Wn ) + I ×Im(Wn )].
Выборка ДН осуществляется выбором коэффициентов Wn в ПЗУ. В качестве высокочастотного гетеродина предполагается использовать один из стандартных высокостабильных генераторов СВЧ. Проблема состоит в системе разводки. Длины всех коаксиальных линий должны быть кратны длине волны.
На гетеродин в квадратурном канале налагаются довольно жесткие требования по стабильности. Он должен строго совпадать по частоте с входным сигналом. Малейшая разница резко отразится на работе системы. Поэтому принято за опорный сигнал брать сигнал от одного из модулей, предварительно усиленный.
Возможны два основных способа применения ЦАР: моностатический и мультистатический. В первом случае РЛС на основе ЦАР легко уязвима, но зато не требует дополнительных усилий для обработки сигнала. Во втором случае используют несколько далеко разнесенных передатчиков (относительно дешевых). После отражения сигнал от цели принимается обычно многолучевой приемной ЦАР. При этом возникают проблемы синхронизации и обработки полученной информации.
Создание многолучевой ЦАР возможно тоже двумя способами. Первый способ заключается в использовании параллельной работы ряда ЦФЛ для формирования
181
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
соответствующего количества лучей. Каждый отдельный формирователь луча имеет вход приемника для создания оптимизированного луча. Второй способ состоит в принятии всеми приемниками сигналов одновременно. Этот способ, хотя и относительно более эффективный, ограничивает гибкость контроля отдельного луча. Соответственно и обработка сигнала может осуществляться или до формирователя луча, или после него.
182
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Литература
1.Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1988.
2.Кочержевский Г.И., Ерохин Г.Н., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства. -
М.: Радио и связь, 1989.
3.Проблемы антенной техники / Под ред. Л.Д. Бахраха, Д.И. Воскресенского. - М.:
Радио и связь, 1989.
4.Моонзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. - М.: Радио и связь,
1986.
5.Справочник по радиолокации / Под ред. М. Сколника. - М.: Сов. радио, 1977.
6.Чистюхин В.В. Активные фазированные антенные решетки. - М.: МИЭТ, 1992.
7.Чистюхин В.В., Лялин К.С. Практические занятия по курсу "Антенно-фидерные устройства". - М.: МИЭТ, 2010.
183
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com