Квазиоптимална антена за откриване на нисколетящи цели (НЛЦ)

В статията „Увеличаване на вероятността за откриване на нисколетящи цели“ разгледахме как с помощта на промяна в дизайна и настройките на антената може да се повиши вероятността за откриване и съответно прехващане на нисколетящи цели (НЛЦ) –практическо предложение с актуално значение в условията на съвременната геополитическа обстановка и при ограничени възможности на нашата ПВО за откриване на дронове.

Реализацията на това предложение изисква огромен брой изчислителни операции, които трудно се осъществяват в реално време. За да се преодолее това ограничение, в настоящия материал предлагаме друго решение с опростяване на дизайна на антената. Тази антена обаче не е оптимална (съобразява се със смущенията), а квазиоптимална (елиминира смущенията), като диаграмата на насоченост (ДН) директно се приравнява на нула по посока на смущенията.

Антена с пространствена обработка на сигналите

Представянето на структурата на РЛС като пространствено-времево типово звено, очертава два канала – пространствен и времеви. Първият включва антенната система на РЛС, а вторият – радиоприемното устройство. В нашата и задграничната литература процесите, извършващи се в РЛС се разглеждат като функции на времето и пространството, а методите за борба със смущенията се основават изключително на времевите и пространствените различия в характеристиките на целта и смущенията.

Сравнително пълно разработената теория, основаваща се на времевото разглеждане на процесите в РЛС дава много добри резултати, когато откриването на целите се осъществява на фона на вътрешните шумове на радиоприемното устройство или на фона на стационарните времево корелирани външни пасивни смущения. Използваните антенни системи с плътна апертура, формиращи диаграми на насоченост (ДН) с различна форма (косекансна, модифицирана косекансна или със стръмен спад при малките ъгли на място, иглообразна, многолистова и с компенсация на страничните листа), заемат определено място при решаването на задачите на радиолокацията на сколетящи цели (НЛЦ).

Тук се разглежда въпросът за синтез на антена тип антенна решетка от 9 елемента, два от които управляеми по амплитуда и фаза и която да има ДН с много голяма стръмност. Формирането на ДН с такова качество изисква да се осъществи провал в диаграмата по посока на най-интензивните смущения от постилащата повърхност. Опитът от синтеза на такива антени показва, че същите притежават нарастващо към края амплитудно-фазово разпределение (АФР), което неминуемо води до недопустимо нарастване на нивото на страничните листа и загуби и изкривяване на ДН. За да се формира високата стръмност, са осъществени провали на ъгли −12 градуса и −14 градуса , т.е. ДН е приравнена на нула в тези посоки. С помощта на изкуствен интелект е получен резултат за АФР и съответстващата му ДН. Анализът показа, че е невъзможно да се реши задачата при така избраните провали. Избира се компромисен практически вариант (и синтезът се осъществява при един провал на −13 градуса).

Синтез на 9-елементна линейна ФАР (фазирана антенна решетка)

Практически вариант с общ точен провал при −13 градуса и комплексна компенсация

1. Изходни данни

2. Изходна решетка с две точни нули

При изходния вариант елементите 2–8 са единични амплитуди  и синфазни. Управляват се двата крайни елемента чрез комплексно-спрегната двойка: (фаза равна нула)

w₁ = a + jb,   w₉ = a − jb,   w₂ = … = w₈ = 1

a = 0.472321786185,   b = 1.523522614259

Тези стойности изпълняват F(−12°)=0 и F(−14°)=0. Изходната ДН обаче има високи странични листове, защото двете близки точни нули изчерпват свободните степени при управление само на крайните елементи.

Идеята на синтеза е да се намалят страничните листа чрез мнима компенсационна решетка. Извършва се понижаване по честота и разклоняване на два клона (Фиг. 1). Понижаването по честота се осъществява чрез хетеродиниране (формира се междинна честота f межд. = 35 MHz). След това чрез умножение по cos и sin се отделят реалната част (In(t) и имагинерната част Qn(t). Обработката на сигнала се извършва в цифров вид.

В базата данни се  получават 9 комплексни множители както и АФР на изходната решетка.  Решена е система от две уравнения с неизвестни W*₁  и W*₉.

В компенсационната база данни са изчислени и се пазят 9 комплексни множителя със съответните тегла. Операцията изваждане се извършва в последния суматор. Следва преобразуване на цифровата информация в аналогов вид и отделяне на доплеровия сигнал. Последният се подава към апаратурата на РЛС с непрекъснато излъчване.

3. Компенсационна решетка

Компенсационното АФР се определя непосредствено от комплексната разлика между изходните и резултантните тегла. Предварително е зададено допустимото ниво на страничните лист, което е -24 dB. Изчислени са комплексните теглови коефициенти на решетката. Последната формира ДН без главен лист.

Wкомп = Wизх − Wрез

Fрез(θ) = Fизх(θ) − Fкомп(θ).

Следователно, не се изваждат две диаграми в dB. Изваждането се извършва върху комплексните сигнали или еквивалентно върху комплексните тегла.

4. Практически синтез с общ провал при -13°

Двете близки точни нули се заменят с една точна нула по средата. Освободената степен на свобода се използва за намаляване и изравняване на страничните максимуми. Вариантът не е математически равностоен на две отделни нули, но осигурява силно потискане и при двете действителни посоки на смущенията.

Резултантното АФР е комплексно-спрегнато симетрично. Получените тегла са:

Вижда се, че АФР е спадащо към края. Това е предпоставка за ниски странични листа.

5. Контролни резултати

Извод

Синтезирана е квазиоптимална ФАР, при която са избегнати високите нива на страничните листа, като е осъществен провал по посока на смущенията от земната повърхност. Провал е диапазон от ъгли, при които антената не приема смущения.

ДН на антената притежава много висока стръмност при малките ъгли на място. Така смущенията биват „изрязани“ (игнорирани).               

Литература

1. Буров Н. И. Маловысотная радиолокация. М., 1977.
2. Зубкович С. Г. Статистические характеристики сигналов, отраженных от земной поверхности. М., Сов. радио, 1968.
3. Самойленко В.И., Углов О.Д. Оптимальная пространственная обработка сигнала на фоне помех от подстилающей поверхности. Изв. ВУЗОВ СССР сер. Радиоэлектроника, 1979, №2.
4. Изкуствен интелект ChatGPT