www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основи на радиолокацията

Моноимпулсна антена

Изображение 1: Принцип на изграждане на моноимпулсна антена: сумарен и диференциален канал

Схема на моноимпулсна антена: Всички излъчватели на антената са разделени на две групи, чиито захранващи линии се комбинират веднъж във фаза и веднъж във фаза на противопоставяне. Следователно тази моноимпулсна антена има две захранващи линии: сумарен канал и канал за разлика.

Изображение 1: Принцип на изграждане на моноимпулсна антена: сумарен и диференциален канал

Изображение 2: Изглед на сечението на моноимпулсната антенна решетка

Изображение 2: Изглед на сечението на моноимпулсната антенна решетка

Моноимпулсна антена

Концепцията за моноимпулсната антена съчетава антени, които са изградени като антенна решетка и имат специален начин на захранване, при който отделните елементи на антената не винаги се захранват във фаза. За различните задачи могат да се генерират различни комбинации от енергията, получена от отделните антени, под формата на суми и разлики.

  1. В основния канал на радара AN/FPS-117
    • все элементы антенны запитываются в фазе и диаграмма излучения представляет собой результат их сложения
    • В режим на приемане се използват само определени антенни елементи; добавянето/приспадането на сигналите на техните изходи формира собствени канали за приемане и обработка.
    Сигналите, получени от различните елементи на такава антена, се използват за оценка на ъгловата посока към целта. По този начин е възможно да се получи информация за ъгловата координата на целта дори от един ехо-сигнал. Следователно броят на отразените импулси, необходими за измерване на координатите на целта, е значително намален с моноимпулсните антени.
     
  2. Във вторичния радар на IFF/SIF Siemens 1990
    • една група импулси се излъчва през обобщения канал
    • един импулс в канала за разлика
    В този случай моноимпулсната антена се използва за потискане на страничните лобове.

Горните примери показват, че моноимпулсната антена не е отделен тип антена. Например радарът Siemens 1990 използва групова антена, състояща се от логопериодични антени, а радарът AN/FPS-117 използва фазирана антенна решетка.

Предистория на моноимпулсния метод за определяне на посоката

Изображение 3: Обяснение на определянето на ъгловата позиция на целта с метода на максимума (използван в по-старите радари, които не използват моноимпулсен метод за определяне на посоката)

Анимация, показваща интерполацията на стойността на азимута

Изображение 3: Обяснение на определянето на ъгловата позиция на целта с метода на максимума (използван в по-старите радари, които не използват моноимпулсен метод за определяне на посоката)

Моноимпулсните радари се появяват за първи път в радарните системи за проследяване. От края на 70-те години на миналия век моноимпулсният пеленгатор е адаптиран към първичните и вторичните радарни системи за изследване и понастоящем се използва широко в целия свят.

Целта ще бъде наблюдавана от радара от момента, в който попадне в основния сноп на антената, или от момента, в който започне да се облъчва от снопа на предавателната антена на радара. Радарът за изследване винаги оценява ъгловото положение на целта с грешка, тъй като работата му се основава на предположението, че целта се намира на оста на основния лъч на антената, когато радарът получава отразения сигнал. Тази грешка е с големина, съизмерима с ширината на основния лъч на антената.

Приблизителен метод за определяне на ъгловото положение на целта е завъртането на антената близо до посоката на целта и фиксирането на ъгловото ѝ положение, при което амплитудата на ехосигнала става максимална. Принципът на този метод е показан на изображение 3.

За съжаление точността на тази оценка на ъгловото положение ще бъде повлияна от грешки, причинени от топлинен шум, и от грешки, причинени от така наречения «шум на целта» (сцинтилация). Сцинтилацията на целта се причинява от промяната на ефективната повърхност на целта за времето, през което радарът я облъчва. Това води до изкривяване на обвивката на получения ехо пакет.

Изображение 4: Принцип на изграждане на моноимпулсна система

Принцип на моноимпулсната система: Елементите в линейната антенна решетка са разделени на две половини. Тези две отделни антенни решетки са разположени симетрично във фокалната равнина от двете страни на оста на радарната антена. В режим на предаване (Tx) двете антенни решетки се захранват във фаза. В режим на приемане (Rx) е възможен допълнителен начин на приемане. От приетите сигнали от двете отделни антенни решетки може да се изчисли Σ (като предадената сумарна диаграма) и разликата ΔAz, т.нар. азимутна делтадиаграма. След това двата сигнала се сравняват като функция на процесора за отговор и разликата им се използва за по-точно определяне на азимута на целта.

Изображение 4: Принцип на изграждане на моноимпулсна система

Един отразен сигнал е достатъчен!

Моноимпулсният метод дава по-добри резултати за точността на измерванията на ъгловото положение на целта, отколкото максималния метод, чийто принцип е показан на изображение 3. Този метод може да работи при по-ниска честота на повторение на импулсите, което само по себе си е предимство. Моноимпулсните системи обикновено имат подобрена обработка, за да предоставят по-добре кодирана информация за целта. Един-единствен импулс, отразен от целта, е достатъчен, за да предостави информация за ъгловото положение (оттук и наименованието моноимпулс).

Елементите на линейна антенна решетка са разделени на две половини. Тези две отделни антенни подрешетки са разположени симетрично около оста на антената. В режим на излъчване (Tx) двете подрешетки на антената се захранват фазово. Съответната диаграма на направлението се нарича сумарна или Σ-диаграма и е показана в синьо на изображение 4 и в графиката в горната част на изображение 4, показана в синьо.

В режим на приемане (Rx) са възможни допълнителни начини за приемане на сигнала в сравнение с нормалния режим. Възможно е да се изчисли сумата Σ на сигналите, получени от отделните антенни подрешетки (по аналогия с формирането на обща диаграма в режим на излъчване) и разликата ΔAz, което води до така наречената диаграма на азимуталната разлика. Отделните части на такъв модел са показани в червено и зелено на илюстрацията. Двата сигнала (общият и разликата) се сравняват и разликата се използва за по-точна оценка на ъгловото положение на целта.

Ъгълът между оста на антената (еквивалентна посока) и целта се нарича още ъгъл OBA (Off-Boresight Angle).

При трикоординатните радари ъгълът на място на целта се измерва като третата координата на целта. По този начин горната процедура се прилага два пъти. За тази цел антената е допълнително разделена на две части във вертикална посока. Полученият канал за разлика ΔEl се нарича канал за разлика в ъгълът на място.

II
 
 +ΔEl −ΔAz 
 

I
 
 +ΔElAz 
 

III
 
 −ΔEl −ΔAz 
 

IV
 
 −ΔElAz 
 

II
 
 +ΔEl −ΔAz 
 

I
 
 +ΔElAz 
 

III
 
 −ΔEl −ΔAz 
 

IV
 
 −ΔElAz 
 

Изображение 5. Разделяне на моноимпулсната антена на четири квадранта

Моноимпулсната антена сега изглежда разделена на четири части, наречени квадранти (Изображение 5). Сигналите, получени от тези квадранти, позволяват да се формират следните сигнали:

За да бъде описанието пълно, трябва да се спомене спомагателният сигнал Ω, въпреки че той не е пряко свързан с моноимпулсния метод. Това е сигналът, получен от канала за потискане на страничните лобове. Такъв канал винаги има собствена малка антена с широк спектър на излъчване. Той може да се използва за оценка на смущенията.

Всеки от тези сигнали се нуждае от собствен канал за приемане. Така в един съвременен триосен радар има поне четири паралелни приемни канала.

Ако основните излъчватели на една моноимпулсна антена са рупорни антени, формирането на приемните канали и обработката на приетите сигнали може да се извърши с помощта на моноимпулсни превключватели, изградени върху вълноводни тройници.