Синтезованим розкривом

Для отримання радіолокаційного зображення земної поверхні використовуються бортові РЛС, що розміщуються на літаках та космічних апаратах. Однією із основних вимог, що ставляться до таких РЛС є забезпечення високої лінійної роздільної здатності – мінімальної відстані між об’єктами, при якій вони розділяються. Підвищити роздільну здатність можна завдяки збільшенню геометричних розмірів бортової антени або зменшенню довжини хвилі. Зменшення довжини хвилі обмежено умовами поширення радіохвиль, а розміри бортових антен зазвичай не перевищують лінійні розміри літальних апаратів. Високу роздільну здатність за кутовими координатами можна досягнути в антенах із синтезованим розкривом.

Принцип дії антени із синтезованим розкривом полягає у наступному. На літаку (або іншому літальному апараті), що рухається прямолінійно із рівномірною швидкістю, розміщується зазвичай слабкоспрямована антена. Антена періодично випромінює сигнали високостабільного передавача, які відбиваються земною поверхнею і приймаються в різні моменти часу . Положення антени в моменти часу різні і утворюють уявну (синтезовану) лінійну антенну решітку з відстанню між випромінювачами , T – період випромінення, – швидкість літального апарату (рис. 9.22). За допомогою лінії затримки сигнали, які отримані в різні моменти часу, вирівнюються у часі і в суматорі складаються.

Таке когерентне додавання сигналів утворює такий же результат, як і лінійна антенна решітка з кількістю випромінювачів, яка дорівнює кількості сигналів, що сумуються.

Отже, синтезовану антену можна розглядати як антену із послідовним зняттям інформації із розкриву на відміну від звичайних антен, де зняття інформації здійснюється одночасно із усіх точок антени.

Розрізняють два види синтезованих антен – несфокусовані та сфокусовані.

Несфокусовані антени із синтезованим розкривом

У несфокусованих антенах із синтезованим розкривом сигнали, що приймають в різних точках складаються без додаткових фазових зсувів. Враховуються тільки початкові фази коливань, що випромінюються та затримка у часі, яка зумовлена тим, що сигнали приймаються в різні моменти часу t ₁, t ₂, … t_к. Через різні шляхи від цілі до різних точок синтезованої решітки остання буде несинфазною. Закон зміни фази є близьким до квадратичного, приклад наведений на рис. 9.23.

Наближено антену можна вважати синфазною, якщо прийняти, що

.

За цією умовою визначимо максимальний розмір несфокусованої антени із синтезованим розкривом. Оскільки сигнал проходить подвійний шлях, то умова буде виконуватися, якщо

, (9.22)

або

.

Тоді з рис. 9.19 знаходимо

.

З останнього виразу знаходимо максимальну довжину антени

. (9.23)

В антенах із синтезованим розкривом різниця ходу між променями від двох елементів антени у два рази більша, ніж у звичайної антени. Це еквівалентно подвоєнню розмірів антени. Тому ширина ДС в антенах із синтезованим розкривом буде у два рази вужчою порівняно із шириною ДС звичайної антени тих же розмірів, тобто

, рад. (9.24)

Лінійна роздільна здатність визначається співвідношенням

. (9.25)

З виразу (9.25) випливає, що лінійна роздільна здатність не залежить від розмірів реальної (бортової) антени і може бути покращеною завдяки зменшення довжини хвилі.

У несфокусованій антені можливості методу синтезування розкриву використовуються неповно. При значному збільшенні розміру антени, коли умова (9.22) не виконується, виникають значні фазові похибки. Квадратичні складові фазового розподілу помітно знижують корисний ефект через збільшення апертури шляхом її синтезування. Тому переходять до сфокусованих антен.

Сфокусовані антени із синтезованим розкривом

Сфокусованою антеною із синтезованим розкривом називається антена, у якій при обробці сигналів компенсується квадратичний фазовий розподіл, що зумовлений сферичністю хвилі.

Розмір сфокусованої антени із синтезованою апертурою обмежується шириною ДС реальної бортової антени (рис. 9.24).

Гранична довжина сфокусованої антени визначається довжною такої ділянки АБ, вздовж якої переміщується бортова антена, що точкова ціль, яка розташована в точці О, знаходиться у межах ширини ДС бортової антени (рис. 9.24).

З даного рисунку випливає, що

, (9.26)

де – ширина ДС бортової антени;

d – лінійний розмір бортової антени.

Ширина ДС сфокусованої антени буде

. (9.27)

Відповідно гранична лінійна роздільна здатність сфокусованої антени

. (9.28)

На відміну від звичайних та несфокусованих синтезованих антен лінійна роздільна здатність сфокусованої синтезованої антени не залежить від відстані до об’єкта і повністю визначається тільки розмірами бортової антени.

Слід зауважити, що граничні значення роздільної здатності не можна отримати через наявність випадкових фазових похибок.

Основними джерелами таких похибок є:

нерівномірність та непрямолінійність траєкторії руху літального апарата;

нестабільність умов розповсюдження радіохвиль;

неточність компенсації квадратичного фазового розподілу у розкриві сфокусованих синтезованих антен;

нестабільності параметрів станції.

Тому практично реалізована лінійна роздільна здатність значно гірша потенціальної (граничної). Однак вона у сотні разів перевищує роздільну здатність будь-якої звичайної антени великих розмірів.

Принципово, синтезований розкрив можна реалізувати і в наземних РЛС слідкування за космічними апаратами, оскільки неважливо, який з двох об’єктів залишається нерухомим, а який переміщується (антена або ціль).

9.2.6. Адаптивні антени

Самофокусуючі антени

Самофокусуючі антени це антенні решітки, в яких методами автоматичного регулювання забезпечується синфазне додавання сигналів, що приймаються окремими елементами решітки. Це має місце при довільній формі фазового фронту хвилі, яка падає на антену та будь-яких фазових похибках, що виникають в самій антені.

Як елементи самофокусуючої антенної решітки (СФАР) можна використовувати як слабкоспрямовані випромінювачі, так і антени із більшими розмірами, наприклад дзеркальні та лінзові антени. Елементи СФАР можна розміщувати на поверхні будь-якої форми і на довільних (не обов’язково навіть точно відомих) відстанях один від одного. Ці відстані можуть змінюватися у часі. Особливо суттєво це для антен, що встановлюються на рухомих об’єктах (автомобілях, кораблях, літаках тощо).

Блок-схема найпростішої двоелементної приймальної СФАР наведена на рис. 9.25.

Сигнали, що приймаються елементами антени, порівнюються у фазовому детекторі (ФД). З виходу ФД сигнал похибки, що пропорційний різниці фаз прийнятих сигналів, діє на керований фазообертач, “нав’язуючи” фазу сигналу у каналі 2 до фази опорного сигналу в канал 1. Отже забезпечується синфазність каналів у суматорі.

У розглянутій схемі СФАР перший канал є опорним, другий – керованим. Фазовий детектор та керований фазообертач утворюють фазонастроювальний контур (ФНК).

Замість фазообертачів, на практиці, можна використовувати керовані лінії затримки або генератори, що керуються напругою. Як опорний сигнал можна використовувати сигнал, що приймається одним із елементів (рис. 9.25), або сигнал із виходу суматора, або сигнал від спеціального генератора, загального для усіх каналів. Вибір конкретної схеми СФАР залежить від задач, що вирішуються СФАР та області її використання.

СФАР мають ряд безперечних переваг і є перспективним видом антен.

Цифрові антенні решітки

Цифрові антенні решітки (ЦАР) – багатоелементні антени, в яких сигнал, прийнятий кожним елементом решітки, перетворюється в цифровий код, а формування ХС і подальша обробка сигналу проводиться в електронно-обчислювальній машині. Іноді оцифровується сигнали не кожного елемента, а груп елементів, наприклад, рядка плоскої антенної решітки. Таким чином цифрова обробка сигналів відбувається практично в антені. Достатньо повне описання принципів роботи ЦАР, варіантів їх побудови приводиться в [ ].

До складу структурної схеми ЦАР (рис. 9.26) входить набір аналогово-цифрових модулів (АЦМ) і цифрова схема формування характеристики спрямованості (СФХС).

Аналогово-цифровий модуль призначений для перетворення прийнятого високочастотного сигналу в цифровий код. Архітектура СФХС визначається алгоритмом обробки сигналів, прийнятих антеною. Основним змістом алгоритму є дискретне перетворення Фур’є – сукупність сигналів з виходів модулів в один момент часу і таким чином утворення ХС.

Крім того можна провести додаткову обробку для адаптації до сигнально-перешкодової обстановки, а також корегування ХС для компенсації впливу апаратурних помилок та нестабільностей. У результаті загальний алгоритм роботи СФХС ділиться на 3 частини:

алгоритм формування ХС;

алгоритм адаптації ХС;

алгоритм корекції ХС.

Реалізація такого алгоритму показана на функціональній схемі СФХС (рис. 9.27), де: 1 – пристрій керування ваговими коефіцієнтами

кожного модуля; 2 – вхідний пристрій; 3 – процесор формування ХС; 4 – процесор формування вагових коефіцієнтів для зміни положення ХС; 5 – процесор формування вагових коефіцієнтів для підтримання заданої форми ХС та її положення в умовах випадкових змін системи; 6 – пристрій керування; 7 – вихідний буферний пристрій.

Інженерна реалізація функціональної схеми алгоритму може бути різною.

До переваг ЦАР відносять:

наявність оцифрованої аплітудно-фазової інформації від усіх елементів решітки дозволяє миттєво сформувати її ХС у будь-якому напрямку в межах робочого сектору. Можуть формуватись пучки ХС причому на відміну від аналогових схем, без енергетичних втрат;

форма ХС може бути заздалегідь заданою або адаптивною до сигнально-перешкодовою обстановки;

цифрове керування ваговими коефіцієнтами дозволяє швидко реагувати на похибки в апаратурі. Періодично вводиться контрольний сигнал, амплітуда та фаза якого порівнюється з еталонними значеннями. За результатами відбувається корегування вагових. Це дозволяє точно формувати задану ХС;

ЦАР має великий динамічний діапазон, тому що складання сигналів відбувається у цифровій формі. Тому динамічний діапазон вхідного підсилювача більше в кількість каналів.

Недоліки ЦАР:

система складна, тому що складається з десятків, сотень аналогово-цифрових модулів, багатопроцесорного обчислювального комплексу тощо. Великою проблемою є розведення синхроімпульсів, сигналів у гетеродинів, які повинні приходити до модулів одночасно;

збільшуються шуми через оцифровування сигналів та вагових коефіцієнтів;

обмежується смуга пропускання, що пов’язано з швидкодією АЦП, який застосовується у модулях. Для відновлення сигналу з максимальною частотою необхідно знайти його значення в послідовні моменти часу, проміжок між якими .

Якщо сигнал зосереджений у смузі частот між та , то часовий інтервал . Можливість АЦП забезпечити не менше вибірок за секунду визначає смугу частот сигналу, що приймає ЦАР.

Ретродирективні антени

Ретродирективні антени являють собою приймально-передаваль-ні решітки, що перевипромніюють прийнятий ними сигнал у зворотньому напрямку, тобто у напрямку на джерело. Необхідний фазовий розподіл в розкриві решітки встановлюється автоматично.

Принцип дії ретродирективної системи ілюструється на рис. 9.28.

Якщо на лінійну решітку падає плоска хвиля із напрямку, що характеризується кутом θ _о, то фаза сигналу, що приймається і -им випромінювачем, буде

,

де _o.

Для того, щоб сигнал випромінювався у напрямку θ _о необхідно утворити спряжений фазовий розподіл

.

Простий спосіб здійснення операції спряження фази був запропонований Ван Аттом. У решітці Ван Атта випромінювачі, що симетричні відносно центра решітки з’єднуються фідерами однакової довжини (рис. 9.24).

У фідерний тракт решітки Ван Атта можна додатково приєднувати підсилювачі, модулятори, фазообертачі та інші елементи. Це значно розширює можливості ретродирективних систем.

Ретродирективні антени перспективні при використанні їх як пасивні відбивачі у лініях зв’язку із супутниками та космічними об’єктами, у системах радіопротидії та інших областях.

Контрольні тести

1. Вибрати відстань між випромінювачами ФАР, яка працює на частоті 9 ГГц, максимальне відхилення ХС від нормалі 45 град:

а) 10 см;

б) 5см;

в) 3 см;

г) 2 см.

2. Які схеми живлення ФАР найбільш прості за будовою?

а) фідерна послідовна;

б) фідерна паралельна;

в) оптична відбивна;

г) оптична прохідна.

3. Яка схема живлення ФАР найбільш вузько смугова?

а) фідерна послідовна;

б) фідерна паралельна;

в) оптична відбивна;

г) оптична прохідна.

4. Яка схема живлення застосовується для побудови антенних решіток з частотним скануванням ХС?

а) фідерна послідовна;

б) фідерна паралельна;

в) оптична відбивна;

г) оптична прохідна.

5. Які існують способи підвищення куточастотної чутливості антенних решіток з частотним скануванням ХС?

а) збільшення відстані між випромінювачами;

б) збільшення довжини хвильоводу між випромінювачами;

в) збільшення дисперсії в хвильоводі;

г) збільшення розміру решітки.

6. Якщо антенна решітка з частотним скануванням розташована горизонтально і живиться з лівого кінця, то в яку сторону буде відхилятись ХС при збільшені частоти?

а) ліворуч;

б) вгору;

в) праворуч;

г) вниз.

7. У ФАР використовуют ься дискретні 3-розрядні фазообертачі. Яка фаза встановлюється реально, якщо необхідна розрахована фаза становить 600 град.?

а) 595;

б) 540;

в) 225;

г) 180.

8. Розрахувати розмір лінійної ФАР, яка має ширину ДС у секторі сканування ±45^о , якщо довжина хвилі λ=1,5 м, амплітудний розподіл рівномірний.

а) 25,5 м;

б) 36,1 м;

в) 102 м;

г) 72,1.

9. Яка причина виникнення комутаційних максимумів у ФАР?

а) велика відстань між фазообертачами;

б) велика відстань між випромінювачами;

в) застосування дискретних фазообертачів;

г) застосування фазообертачів, з обмеженим діапазоном зміни фази.

10. В якому випадку рівень бічних пелюсток ДС ФАР буде більшим?

а) якщо дискретність фазування Δф=π/8;

б) якщо дискретність фазування Δф=π/4;

в) якщо дискретність фазування Δф=π/2;

г) якщо дискретність фазування Δф=π.

8. Пояснити фізичну природу виникнення комутаційних максимумів у ФАР та можливі методи їх подавлення?

9. Розрахувати рівень бічних пелюсток ДС ФАР з дискретністю фазування: Δφ₁=π/4; Δφ₂=π/2.

10. Як можна визначити параметри ДС, КСД, ефективну площу, поляризацію та діапазон робочих частот ФАР?

11. Обґрунтувати типи антенних систем для реалізації амплітудного та фазового моноімпульсного методів пеленгації.

12. Пояснити відмінності у принципі дії звичайних антенних решіток та антен із синтезованим розкривом?

13. Оцінити лінійну роздільну здатність бортового РЛC з літака-розвідника на дальності R=30 км, якщо розмір бортової антени d=1,5 м, довжина хвилі λ=30 см, а ДС формується:

звичайною антеною;

несфокусованою антеною із синтезованим розкривом;

із сфокусованою антеною із синтезованим розкривом.

14. Пояснити принципи дії ретродирективної антени, її практичне призначення?

10. ЕКСПЛУАТАЦІЯ АНТЕННО-ФІДЕРНИХ ТРАКТІВ

Дата добавления: 2014-11-29