www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основы радиолокации

Моноимпульсная антенна

Рисунок 1. Принцип построение моноимпульсной антенны: суммарный и разностный каналы

Prinzipschaltbild einer Monopulsantenne: Alle Strahler der Antenne sind in hier zwei Gruppen eingeteilt, deren Zuleitungen einmal phasengleich und einmal gegenphasig zusammengefasst sind. Diese Monopulsantenne hat also zwei Zuleitungen: den Summen- und den Differenzkanal.

Рисунок 1. Принцип построение моноимпульсной антенны: суммарный и разностный каналы

Рисунок 2. Вид в разрезе антенной решетки мономипульсной антенны

Рисунок 2. Вид в разрезе антенной решетки мономипульсной антенны

Моноимпульсная антенна

Концепция моноимпульсных антенн объединяет в себе антенны, построенные в виде антенной решетки, и имеющие особый способ питания, при котором отдельные ее элементы не всегда запитываются синфазно. Для различных задач из принятой отдельными антеннами энергии могут формироваться различные комбинации в виде суммы и разностей.

  1. В первичном канале радиолокатора RRP-117 RRP-117
    • все элементы антенны запитываются в фазе и диаграмма излучения представляет собой результат их сложения
    • в режиме приема задействованы только определенные элементы антенны, а сложение/вычитание сигналов на их выходах формирует собственные каналы приема и обработки.
    Полученные при помощи разных элементов такой антенны сигналы используются для оценки углового направления на цель. Таким образом, информацию об угловой координате цели оказывается возможным получить даже по одному эхо-сигналу. Следовательно, требуемое для измерения координат цели количество отраженных импульсов при использовании моноимпульсных антенн существенно уменьшается.
     
  2. Во вторичном канале радиолокатора IFF/SIF Siemens 1990
    • группа импульсов излучается через суммарный канал
    • импульс в разностном канале
    В этом случае моноимпульсная антенна используется для подавления боковых лепестков.

Приведенные примеры показывают, что моноимпульсная антенна не является отдельным типом антенны. Так, в запросчике радиолокатора Siemens 1990 используется групповая антенна, состоящая из логопериодических антенн, а в радиолокаторе RRP-117 используется фазированная антенная решетка.

Предпосылки возникновения метода мономипульсной пеленгации


Рисунок 3. К пояснению оценки углового положения цели методом максимума (применялся в устаревших радиолокаторах, не использовавших метод моноимпульсной пеленгации)

Animation zur Darstellung der Interpolation des Azimutwertes
Рисунок 3. К пояснению оценки углового положения цели методом максимума (применялся в устаревших радиолокаторах, не использовавших метод моноимпульсной пеленгации)

Моноимпульсные радиолокаторы впервые возникли в системах сопровождения. Начиная с поздних 1970-х, принцип моноимпульсной пеленгации был адаптирован для первичных и вторичных обзорных радиолокационных систем и в настоящее время широко используется во всем мире.

Цель будет наблюдаться радиолокатором с момента попадания ее в главный луч антенны или с момента, когда она начинает облучаться лучом передающей антенны радиолокатора. Обзорный радиолокатор всегда оценивает угловое положение цели с ошибкой, поскольку его работа основана на предположении о том, что в момент получения радиолокатором отраженного сигнала цель находится на направлении оси главного лепестка диаграммы направленности антенны. Такая ошибка имеет величину, соизмеримую с шириной основного луча антенны.

Приближенный метод определения углового положения цели заключается в том, чтобы повернуть антенну вблизи направления на цели и зафиксировать такое ее угловое положение, при котором амплитуда эхо-сигнала становится максимальной. Принцип работы такого метода показан на Рисунке 3.

К сожалению, на точность получаемой таким образом оценки углового положения будут оказывать влияние ошибки, вызываемые тепловым шумом, а также ошибки, возникающие вследствие так называемого «шума цели» (scintillation). «Шум цели» обусловлен изменением эффективной поверхности цели за время, в течение которого радиолокатор облучает цель. Это приводит к искажению огибающей пачки принятых эхо-сигналов.

Рисунок 4. Принцип построения моноимпульсной системы
boresight deviation — отклонение от равносигнального направления
Boresight — равносигнальное направление

Principle of a monopulse system: The elements in linear antenna array are divided into two halves. These two separate antennae arrays are placed symmetrically in the focal plane on each side of the axis of the radar antenna (this often called boresight axis). In transmission (Tx) mode, both antennae arrays will be fed in phase. In reception (Rx) mode an additional receiving way is possible. From the received signals of both separate antenna arrays, it is possible to calculate Σ (like the transmitted Sum-diagram) and the difference ΔAz, the so-called Delta azimuth- diagram. Both signals are then compared as a reply processor function and their difference is used to estimate the azimuth of the target more exactly.

Рисунок 4. Принцип построения моноимпульсной системы
boresight deviation — отклонение от равносигнального направления
Boresight — равносигнальное направление

Одного отраженного сигнала достаточно!

Моноимпульсный метод дает лучшие результаты точности измерения углового положения цели, чем метод максимума, принцип которого показан на Рисунке 3. Этот метод может функционировать при более низкой частоте повторения импульсов, что является преимуществом уже само по себе. Моноимпульсные системы обычно имеют улучшенную обработку для обеспечения более качественной кодовой информации о цели. Для получения информации об угловом положении цели оказывается достаточно одного отраженного от нее импульса (отсюда и название метода — моноимпульсный).

Элементы линейной антенной решетки делятся на две половины. Такие две отдельные антенные подрешетки располагаются симметрично относительно оси антенны. Эту ось часто называют «равносигнальным направлением» (англ. «boresight»). В режиме излучения (Тх) обе антенные подрешетки запитываются синфазно. Соответствующая диаграмма направленности называется суммарной или Σ-диаграммой и показана на Рисунке 4 голубым цветом, а на графике в верхней части Рисунка 4 изображена синим цветом.

В режиме приема (Rx) возможны дополнительные по сравнению с обычном способы приема сигнала. По сигналам, принятым отдельными антенными подрешетками, оказывается возможным рассчитать их сумму Σ (по аналогии с формированием суммарной диаграммы в режиме излучения) и разность ΔAz, в результате чего формируется так называемая разностная диаграмма направленности по азимуту. Отдельные части такой диаграммы направленности показаны на рисунке красным и зеленым цветами. Оба сигнала (полученный в суммарном и полученный в разностном канале) сравниваются и их разность используется для более точной оценки углового положения цели.

Угол между осью антенны (равносигнальным направлением) и направлением на цель так же называют углом ошибки (в англоязычной литературе используется термин Off-Boresight Angle, OBA).

В трехкоординатных радиолокаторах в качестве третьей координаты цели измеряется угол места. Таким образом, упомянутая выше процедура применяется дважды. Для этого антенна дополнительно делится на две части в вертикальном направлении. Получающийся в результате разностный канал ΔEl называют разностным каналом угла места.

II
 
 +ΔElAz 
 

I
 
 +ΔElAz 
 

III
 
 -ΔElAz 
 

IV
 
 -ΔElAz 
 

II
 
 +ΔElAz 
 

I
 
 +ΔElAz 
 

III
 
 -ΔElAz 
 

IV
 
 -ΔElAz 
 

Рисунок 5. Деление моноимпульсной антенны на четыре квадранта

Теперь моноимпульсная антенна оказывается разделенной на четыре части, называемых квадрантами (Рисунок 5). Принятые этими квадрантами сигналы позволяют сформировать следующие сигналы:

The following signals are formed from the received signals of these four quadrants:

Для полноты описания следует упомянуть вспомогательный сигнала Ω, хотя он и не относится напрямую к моноимпульсному методу. Это сигнал, получаемый по каналу подавления боковых лепестков. Такой канал всегда имеет свою небольшую антенну с широкой диаграммой направленности. Может использоваться для оценки помеховой обстановки.

Для каждого из этих сигналов необходим свой приемный канал. Таким образом, в современном трехкоординатном радиолокаторе имеется как минимум четыре параллельных приемных канала.

Если первичные излучатели моноимпульсной антенны представляют собой рупорные антенны, то формирование каналов приема и обработка принятых сигналов могут выполняться при помощи моноимпульсных коммутаторов, построенных на волноводных тройниках.