|
| |
|
Слаботочка Книги этому использование известных ранее методов и математического аппарата, позволявших с определенными допущениями применять теорию, основанную на монохроматическом сигнале, становится неправомерным. Необходим поиск и применение новых ме1Х)дов, адекватных поставленной задаче. Следует упомянуть, что в статьях и обзорах, использующих с теми или иными допущениями аппарат монохроматической теории для исследования задачи прохождения широкополосного сигнала через фазированную антенную решетку, нередко упоминается о паразитном отклонении луча , искажении формы ДН . Все это -издержки использования старых методов для оценки нового явления. В действительности никакого паразитного отклонения и искажения формы нет. Имеется совершенно определенный физический процесс - прохождение широкополосного сигнала через антенную решетку, у которого есть свои закономерности, естественно, отличающиеся от тех, которые были ранее известны в антенной технике для монохроматических сигналов. Исследование этого процесса потребовало, например, включить в состав антенной системы устройство обработки сигнала. Такое объединение антенны и аппаратуры обработки не явилось случайным. Дело в том, что при использовании широкополосных сигналов необходимо учитывать изменения их структуры в канале связи или радиолокационном канале, чтобы рассчитать энергетические потери, возникающие из-за рассогласования сигнала с устройством обработки. Поэтому введение в состав исследуемой широкополосной системы этого устройства является закономерным. Аналогичная ситуация возникает при облучении цели сложным широкополосным сигналом. Как показано в [10], эффективная отражающая поверхность цели (называемая в [10] параметром рассеяния) определяется в этом случае через мощность сигнала на выходе приемника, пересчитанную на вход с учетом потерь при обработке. Таким образом, учитывается изменение структуры широкополосного сигнала при его отражении от сложной цели. Существенно, что для физического измерения ДН при работе решетки широкополосным сигналом, например на передачу, необходимы измерительные приемники, имеющие в своем составе фильтры, согласованные с сигналом, ибо простое измерение мощности не даст необходимого результата. Аппаратурные методы, позволяющие избежать ухудшения энергетических и точностных характеристик широкополосных систем с -ФАР, могут быть реализованы либо в системе управления лучом антенны, либо в системе обработки сигнала. Радикальной мерой, как указывалось, является использование в антенне управляемых линий задержки. Однако этот способ редко применяется на практике в связи со значительным увеличением габаритов системы управления лучом, а главное, из-за значительных потерь энергии, достигающих при больших углах сканирования и, следовательно, больших длинах линий задержек 10 дБ и более. Чтобы сохранить отношение сигнал-шум на выходе оптимального фильтра при сканировании луча ФАР, можно использовать 86 В системе набор фильтров, согласованных с сигналом в разных угловых положениях луча. При отклонении луча на какой-либо угол из системы управления подается команда в систему обработки, по которой включается оптимальный фильтр, соответствующий данному угловому положению луча. При использовании цифровых фильтров по этой команде может производиться перестройка фильтра. В дальнейшем теория и техника широкополосных ФАР будет все более распространяться в область создания сверхширокополосных систем [И], что приведет к появлению новых методов расчета и новых аппаратурных решений. список ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛ. 4 1. Гинзбург В. М., Гузеев И. В., Аронов Ф. А. Отклонение луча при изменении частоты в решетке с параллельным возбуждением управляемых эле-ментов Вопросы радиоэлектроники. Сер. XII. - 1962. - Вып. 7. - С. 14-26. 2. Вольперт А. Р. О частотной занисимости ориентации диаграммы направленности в сканирующих антенных решетках с фазируемыми элементами Антенны: Сб. статей под ред. А. А. Пистолькорса. - М.: Связь, 1973. - Вып. 17. - С. 35-42. , 3 Patel М. R Агога R. К. Array dispersion effects on matched filter output for linear FM IEEE Trans. - 1978. - Vol. AES-14, N 4. - P. 700-703. 4 Агога К., Arora R. K. Matched filter response to a linear FM signal transmitted through a phased array IEEE Trans. - 1978. - Vol. AES-12, N 12. -P. 73-77. 5. Белов Л. A., Томский A. IW. Искажения широкополосных сигналов в фазированных антенных решетках. Обзор Зарубежиая радиоэлектроника. - 1979. - № 10. - С. 42-58. 6 Хармут X. Ф. Теория секвеитиого анализа. Основы и применения: Пер. с апгл.-М.: Мир, 1980.-574 с. nr,r,r,n 7 Skolnik М. Application of space frequency equivalence to radar IEEh Conv. Rec- 1962, -Pt v. -P. 12-18. 8. Вовшин Б. М., Иммореев И. Я. Диаграмма направленности фазироваииои антенной решетки, возбуждаемой широкополосным сигналом Антенны: Сб. статей под ред. А. А. Пистолькорса. - М.: Связь, 1982. - Вып. 30. - С. 95107. 9. Вовшин Б. М., Иммореев И. Я. Влияние дисперсионных свонотв ФАР на отношение сигнал-шум в РЛС с широкополосным сигналом Радиотехника. - 1985. -№ 7. -С. 2832. 10. Бондарев Л. А. Рассеивающие свойства цели при несогласованном при-еме Раднотехника. - 1984. - № 2. - С. 24-26. 11. Хармут X. Ф. Несииусоидальные волны в радиолокации и радиосвязи: Пер. с англ. - М.: Радио н связь, 1985. - 376 с. ГЛАВА 5. ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ ПРИЕМНЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК Г. А. ЕВСТРОПОВ, И. Я. ИММОРЕЕВ 5.1. ВВЕДЕНИЕ По мере развития систем радиолокации и радиосвязи возрастает число функций, выполняемых приемными антеннами. Так, в последние годы получили интенсивное развитие антенны с обработкой сигнала [1]. Составной частью этого класса антенн являются адаптивные антенные решетки с цифровым формированием диаграмм направленности - цифровые антенные решетки (ЦАР), в которых сигнал, принятый каждым элементом решетки, преобразуется в цифровой код, а формирование ДН и дальнейшая обработка сигнала производятся в специализированной или универсальной вычислительной машине. Иногда оцифровывается сигнал, принятый не одним элементом решетки, а их группой, например строкой плоской решетки со сканированием луча по углу места. Таким образом, цифровая обработка информации в этих системах начинается практически прямо в антенне. Методы дискретной цифровой обработки сигналов, принятых решетками, и техническая реализация этих методов рассмотрены в достаточно обширной, в том числе зарубежной, литературе. К более ранним из известных работ относятся [2, 3]. Достаточно полное описание принципов работы ЦАР и различных вариантов их построения приведено в работах последних лет [4-8]. В структурную схему ЦАР (рис. 5.1) входит набор аналого-цифровых модулей (АЦМ) и цифровая система формирования диаграмм направленности (СФДН) [3, 9]. Аналого-цифровой модуль предназначен для преобразования принятого высокочастотного сигнала в цифровой код. Созданы различные схемы АЦМ. Наиболее типичная схема представлена на рис. 5.2, где использованы следующие обозначения: / - приемная антенна; 2 - входной малошумящий усилитель; 3 - смеситель; 4 - сигнал первого гетеродина; 5 - усилитель промежуточной частоты; 6 - делитель; 7 - синхронные фазовые детекторы; S - сигнал второго гетеродина; 9 - постоянный фазовращатель на 90°; 10 - аналого-цифровые преобразователи (АЦП); - сигнал синхронизации. На схеме не показаны фильтры ПЧ и НЧ и другие дополнительные элементы, а также устройства для второго преобразования час- Т\ гт It а х pi выходы дн Рис. 5.1 всломога - тельные сигналы Y Y Y Y Y Т .-L L -L. От ацм n1 nz нп  1111 > 1? 1 I I f к сфдн Рис. 5.2 Яуч 1 Луч! ЛучЗ Луч м Рис. 5.3 тоты, которое иногда используется в АЦМ для снижения уровня побочных частотных составляющих в спектре сигнала. Таким образом, в представленном на рис. 5.2 АЦМ сигнал преобразуется трижды: сначала с СВЧ на ПЧ, затем с ПЧ в видеосигнал и, наконец, из видеосигнала в цифровую форму. С выхода каждого АЦМ на СФДН подаются две квадратуры, имеющие вид числовых последовательностей и определяющие амплитуду и фазу колебания, принятого входной антенной модуля. Образование диаграмм направленности и управ.чекие их положением и формой производится в СФДН. Архитектура СФДН как вычислительного средства определяется общим алгоритмом обработки информации, принятой антенной, а этот алгоритм, в свою очередь, зависит от требований, предъявляемых к РЛС. Основной задачей СФДН является дискретное преобразование по Фурье входных сигналов и образование ДН решетки. Поэтому алгоритм формирования ДН является важнейшей частью общего алгоритма системы. Кроме того, в СФДН нередко решается задача изменения формы ДН как в области главного луча, так и в области боковых лепестков. Это необходимо, с одной стороны, для адаптации РЛС к изменившимся в процессе работы задачам или к изменившейся внешней обстановке. Характер этих изменений и будет определять требования к алгоритму, реализующему адаптацию. С другой стороны, изменение ДН может потребоваться при отклонении ее формы от заданной под влиянием неста-бильностей, возникающих в аппаратуре системы. Чтобы вернуть ДН в исходное состояние, необходим алгоритм, учитывающий особенности такой операции. В результате общий алгоритм работы СФДН достаточно четко делится на три составные части: алгоритм формирования ДН; алгоритм адаптации ДН; алгоритм коррекции ДН. Реализация такого общего алгоритма показана на функциональной схеме СФДН (рис. 5.3), включающей в себя: / - устройства управления весовыми коэффициентами каждого модуля; 2 - входное буферное устройство; 5 - процессор формирования ДН; 4 - процессор формирования весовых коэффициентов для изменения положения ДН или придания ей необходимой формы; 5 - процессор формирования весовых коэффициентов для поддержания заданного положения и формы ДН при случайных изменениях параметров системы; 6 - управляющее устройство; 7 - выходное буферное устройство. Инженерная реализация структуры СФДН может отличаться от функциональной схемы, приведенной на рис. 5.3. Например, функции устройств 4 п 5 нередко объединяются в одном процессоре. В одном процессоре могут быть реализованы и все три алгоритма. Алгоритм формирования ДН и архитектура процессора, реализующего этот алгоритм, зависят от ряда факторов. Количество модулей в решетке и полоса частот сигнала, с которой связана частота выборки, определяют скорость ввода данных в процессор. Количество лучей на выходе ЦАР и полоса частот сигнала определяют скорость вывода данных. Динамический диапазон сигнала определяет длину числовой последовательности (слова) на входе СФДН. Если число модулей невелико, а сигнал узкополосный, то можно использовать последовательную схему, показанную на рис. 5А,а. В этой схеме данные от всех модулей по каналу с временным уплотнением передаются в процессор формирования ДН и обрабатываются последовательно. Весовые коэффициенты, определяющие положение луча, хранятся в ЗУ процессора. Количество модулей, обслуживаемых таким процессором, определяется отношением интервала выдачи данных с каждого модуля к времени выполнения одной элементарной операции дискретного преобразования Фурье - комплексного умножения и сложения. Если быстродействия процессора недостаточно для обслуживания всех модулей решетки, то используется последовательно-параллельная схема (рис. 5.4,6). Схемы рис. 5.4 по своим возможностям близки к однолучевым аналоговым ФАР, поскольку в каждый момент времени они формируют один луч. Если число модулей в ЦАР велико, а сигнал широкополосный, то применяются параллельные схемы, в которых используется принцип: один процессор на один модуль и один луч . Удобную структуру подобного типа.для независимого формирования лучей с помощью дискретного преобразования Фурье (ДПФ) представляет собой так называемая систолическая матрица (рис. 5.5,а), в которой множество одинаковых процессоров (на рисунке обозначены буквой П) связано гхежду собой, с общим ЗУ, где хранят- Процессор формирования АЦМ \ ЗУ весовых коэффициентов Процессор формирования ДМ Адресная шина Информационная шина. ЗУ весовых к оэффициентов Управляющее устройство 1ХХ XXI АЦМ \ ЗУ весовых коэффициентов Процессор формирования ЗУ весовых коэффициентов Процессор формирования 1 у f ОЯщий процессор формирования
ся весовые коэффициенты, и с управляющим устройством Все процессоры одновременно выполняют одну и ту же команду над разными данными. Данные от модулей подаются с нарастающей задержкой, чтобы скомпенсировать задержки в горизонтальной магистрали. Систолическая матрица позволяет формиповять многолучевую ДН и независимо управлять относительно небольшим числом лучей. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 [15] 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 |