МНОГОЛУЧЕВОЕ СКАНИРОВАНИЕ В РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЯХ

АННОТАЦИЯ

Работа нацелена на изучение вопросов, связанных с многолучевым сканированием для получения ДН, состоящей из четырех лучей в случае приема, и одного луча в случае передачи. В программе MATLAB была проделана работа для получения ДН при разных углах сканирования в пространстве по вертикали, также для получения амплитудно-фазового распределения этих лучей.

ABSTRACT

The work is aimed at exploring the issues related to multi-ray scanning to obtain a Radiation pattern consisting of four rays in the case of reception and one ray in the case of transmission.  In the MATLAB program, work was done to obtain the Radiation pattern at different scanning angles in the vertical space, as well as to obtain the amplitude-phase distribution of these rays.

Ключевые слова: фазированная антенная решетка, многолучевое сканирования, диаграмма направленности, амплитудно-фазовое распределение.

Кeywords: phased array, multibeam scanning, directivity pattern, amplitude -phase distribution.

Введение

Фазированные антенные решетки (ФАР) имеют возможность управления диаграммой направленности (ДН) излучения и приема. Такое возможно благодаря использованию фазового и амплитудного распределения сигнала по излучающим элементам ФАР, которые имеют определенное геометрическое расположение в пространстве. Управление фазовыми и амплитудными распределениями сигнала обеспечивает электронное управление направленностью луча, что является важным компонентом при использовании ФАР в радиолокации [1,2]. С помощью фазированных антенных решеток, РЛС может организовать слежку летательных аппаратов, выполнять обзор пространства и осуществлять пеленгацию, т.е. определять угловые координаты излученных или отраженных волн с возможно большей точностью.

Многолучевой прием в фазированных антенных решетках с возможностью управления луча

В апертуре ФАР находятся многочисленные излучающие элементы, которые возбуждаются отдельными сигналами с регулируемыми амплитудами и фазами. Как известно [1], в фазированных решетках управление луча осуществляется в двух плоскостях с углами наклона α и β в сферической системе координат, где α является углом смещения от нормали к плоскости решетки, а β углом смещения от оси х в плоскости решетки (рис.1).

Рисунок 1. Геометрический вид расположения излучающих элементов в антенной решетке

Представление ДН осуществляется с помощью проекции точек полусферы на плоскость XOY. Эти оси плоскости соответствуют направляющим косинусам cosα_x и cosα_y, где соответственно cosα_x=sinαcosβ и cosα_y=sinαsinβ (рис.2). Причем смещения луча определяется этими направляющими косинусами. Угол смещения α определяется расстоянием точки cosα_xs, cosα_ys от начала координат [1].

Рисунок 2. Проекция объекта на плоскость и решетки в сферической системе координат

При расчете прямоугольной фазированной антенной решетки, элементы распределения описываются с помощью m×n кратной матрицы, (где m и n равны 1,2,3…) (Рис.1). В этом случае с помощью направляющих косинусов легко можно определить фазовые значения каждого элемента при смещении луча, выражение которого имеет вид

Ψ_mn=mT_xS + nT_yS,

где T_xS = (2π/λ)d_xcosα_xs -фазовый сдвиг между элементами по оси x, T_yS = (2π/λ)d_ycosα_ys –фазовый сдвиг между элементами по оси y, a d_x и d_{y -} шаги между элементами матрицы по оси x и y соответственно.

Множитель двумерной решетки можем рассчитать путем суммирования векторных составляющих сигналов от элементов решетки в каждой точке пространства. Для квадратурной решетки, состоящей из m×n излучающих элементов и обеспечивающей сканирование в направлении определяемом cosα_xs и cosα_ys, множитель решетки имеет вид

                                             (1)

где A_mn – амплитуда сигнала в m×n - ом элементе, а Т_x =(2π/λ)d_xcosα_x,  Т_x=(2π/λ)d_ycosα_y, соответственно [1, 2].

В радиолокации, в системах определения точек излучения сигналов и в других похожих применениях, важное значение имеет быстрое изменение ДН.

Идеальный вариант решения задачи является организация многоканального –многолучевого приема.

Многолучевость на практике можно получить двумя способами:

1. выбрать количество приемников равным количеству элементов ФАР и с помощью дальнейшей компьютерной обработки формировать необходимое количество ДН.
2. ДН формируются в антенне и соответствующие сигналы по каждому лучу поступает на соответствующие канальные входы для дальнейшей обработки.

Обе варианта имеют свои положительные и отрицательные стораны. С точки зрения технического решения первый вариант требует большие вычислительные мощности, а второй вариант - много узлов формирователей амплитудно-фазовых распределений.

Если в первом варианте необходимо связь между каждым элементом и вычислительным комплексом, что требует серьезной кабельной системы, то во втором варианте кабельная система проста.

Первый вариант целесообразно использовать в системах, работающих в метровом диапазоне. На это влияет и габариты антенн и, следовательно, всей системы.

Целью данной работы является представлять одно возможное решения с помощью моделирования, на базе второго варианта, который характерен для систем дециметрового, сантиметрового и миллиметрового волн.

Численное моделирование и симуляция ФАР

Целью численного моделирования и исследования многолучевой ФАР является выбор системы для формирования в передающем режиме одного луча, а в приемном режиме 4-х лучей.

Для проведения моделирования выбран пакет программы MATLAB [3]. В программе MatLab было внесено уравнение (1) для конструкции ФАР состоящей из 8×8=64-х излучающих элементов, где шаг решетки по оси X и Y составляет 50мм, а размер самих излучателей 32мм. (при использования распределения Тейлора). В этом случае ДН антенной решетки имеет вид представленный на рис.3, где ширина диаграммы составляет 15^о, а уровень боковых лепестков не превышает -25дБ.   

Рисyнок 3. ДН антенной решетки состоящий из 64 элементов

В нашей задаче эти элементы при конструкции 8×8 должны формировать ДН решетки, состоящей из одного передающего луча антенной решетки и 4-х лучей при изменении углов α и β в приемном режиме (рис.4а, б).

а)                                                 б)

Рисунок 4. ДН антенной решетки без смещения от нормали к плоскости  решетки: а) режим передачи; б) режим приема

На рис.4б представлены 4 луча (1,2,3,4), которые смещены от нормали к плоскости решетки с углом α, а от оси х в плоскости решетки с углами: 0β, 90β, 180β, 270β, соответственно. До этого, центральный 5-й луч ФАР формируется в режиме передачи (рис.4а).

Выбор 4-х лучей позволяет реализовать моноимпульсный режим, что дает возможность повысить точности обнаружения местонахождения источника сигнала [4].

В результате моделирования получено, что для этих 4-х лучей нужно иметь отдельные амплитудные и фазовые распределения независимо друг от друга. Например, для получения 1-ого луча использован следующий вид амплитудных и фазовых распределений, которые представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Фазовые и амплитудные распределения

Фазовое распределение

Амплитудное распределение

С помощью моделирования рассмотрено поведение смешение этих лучов при изменений угла α. Были рассмотрены случаи, когда  смещается 5-й луч, например, на 15⁰, 25⁰, 45⁰ от нормали к плоскости решетки, то параллельно таким же образом смешаются и остальные 4 луча (рис.6).

а)                                 б)                                      в)

Рисунок 5. ДН антенной решетки состоящий из 8×8 излучающих элементов;

а) с смещением 15⁰ от нормали к плоскости решетки;

б) с смещением 25⁰ от нормали к плоскости решетки;

в) с смещением 45⁰ от нормали к плоскости решетки

С помощью численного моделирования были получены следующие результаты:

- диаграмма направленности, состоящей из четырех лучей, смещенных по оси от нормали к плоскости решетки при разных углах расположения плоскости решетки. В центре этих лучей формируется 5-й луч, который предназначен для работы радара в передающим режиме;

- структура ФАР, где предлагается использовать один векторный модулятор для формирования передающего луча и плюс три векторных модуляторов для формирования лучей для четырех канального приема.

Список литературы:

1. Skolnik M.I. Radar handbook, second edition, San Francisco, California, 1990
2. Вендик О.Г., Парнес М.Д. Антенны с электрическим сканированием, 2001.
3. https://www.mathworks.com/help/matlab/ - MATLAB Documentation.
4. Агаронян А. К., Петросян А.И. Сборник тезисов международной научно технической конференции, Москва, 2015.