www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основи радіолокації

Моноімпульсна антена

Рисунок 1. Принцип будови моноімпульсної антени: сумарний та різницевий канали

Принципова схема моноімпульсної антени: Всі випромінювачі антени розділені на дві групи, лінії живлення яких об'єднані один раз в фазі і один раз в протифазі. Таким чином, ця моноімпульсна антена має дві лінії подачі: канал суми і канал різниці.

Рисунок 1. Принцип будови моноімпульсної антени: сумарний та різницевий канали

Рисунок 2. Вигляд в перерізі антенної решітки мономіпульсної антени

Рисунок 2. Вигляд в перерізі антенної решітки мономіпульсної антени

Моноимпульсная антенна

Концепція моноімпульсних антен поєднує в собі антени, побудовані у вигляді антенної решітки, і такі, що мають особливий спосіб живлення, при якому окремі її елементи не завжди живляться синфазно. Для різних завдань з прийнятої окремими антенами енергії можуть формуватися різні комбінації у вигляді суми та різниць.

  1. В первинному каналі радіолокатора AN/FPS-117:
    • всі елементи антени живляться в фазі і діаграма випромінення являє собою результат їх складення
    • в режиме приймання задіяні тільки певні елементи антени, а додавання / віднімання сигналів на їх виходах формує власні канали приймання і обробки.
    Отримані за допомогою різних елементів такої антени сигнали використовуються для оцінювання кутового напрямку на ціль. Таким чином, інформацію щодо кутової координати цілі можливо отримати навіть по одному сигналу відлуння. Отже, потрібна для вимірювання координат цілі кількість відбитих імпульсів у разі використання моноімпульсних антен суттєво зменшується.
     
  2. У вторинному радіолокаторі IFF/SIF Siemens 1990
    • група імпульсів випромінюється через сумарний канал
    • імпульс в різницевому каналі
    В цьому випадку моноімпульсна антена використовується для придушення бічних пелюсток.

Наведені приклади показують, що моноімпульсна антена не є окремим типом антен. Так, в запитувачі радіолокатора Siemens 1990 використовується групова антена, яка складається з логоперіодичних антен, а в радіолокаторі AN/FPS-117 використовується фазована антенна решітка.

Передумови виникнення методу мономіпульсної пеленгації


Рисунок 3. До пояснення оцінювання кутового положення цілі методом максимуму (застосовувався у застарілих радіолокаторах, які не використовували метод моноімпульсної пеленгації)

Анімація, що демонструє інтерполяцію значення азимута
Рисунок 3. До пояснення оцінювання кутового положення цілі методом максимуму (застосовувався у застарілих радіолокаторах, які не використовували метод моноімпульсної пеленгації)

Моноімпульсні радіолокатори вперше виникли в системах супроводження. Починаючи з пізніх 1970-х, принцип моноімпульсної пеленгації був адаптований для первинних та вторинних оглядових радіолокаційних систем, і в теперішній час широко використовується у всьому світі.

Ціль буде спостерігатися радіолокатором з моменту попадання її в головний промінь антени або з моменту, коли вона починає опромінюватися променем передавальної антени радіолокатора. Оглядовий радіолокатор завжди оцінює кутове положення цілі з похибкою, оскільки його робота заснована на припущенні про те, що в момент отримання радіолокатором відбитого сигналу ціль знаходиться на напрямку осі головної пелюстки діаграми направленості антени. Така похибка має величину, сумірну з шириною основного променю антени.

Наближений метод визначення кутового положення цілі полягає в тому, щоби повернути антену поблизу напрямку на ціль та зафіксувати таке її кутове положення, при якому амплітуда сигналу відлуння стає максимальною. Принцип роботи такого методу показаний на Рисунку 3.

Нажаль, на точність отриманої таким чином оцінки кутового положення будуть впливати похибки, спричинені тепловим шумом, а також похибки, що виникають внаслідок так званого «шуму цілі» (scintillation). «Шум цілі» обумовлений зміненням ефективної площі вторинного випромінення цілі за час, протягом якого радіолокатор опромінює ціль. Це призводить до спотворення обвідної пачки прийнятих сигналів відлуння.

Рисунок 4. Принцип будови моноімпульсної системи
boresight deviation — відхилення від рівносигнального напрямку
Boresight — рівносигнальний напрямок

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 будови моноімпульсної системи
boresight deviation — відхилення від рівносигнального напрямку
Boresight — рівносигнальний напрямок

Одного відбитого сигналу достатньо!

Моноімпульсний метод дає кращі результати точності вимірювання кутового положення цілі, ніж метод максимуму, принцип якого пояснюється на Рисунку 3. Цей метод може функціонувати при більш низькій частоті повторення імпульсів, що є перевагою вже саме по собі. Моноімпульсні системи зазвичай мають покращену обробку для забезпечення більш якісної кодової інформації про цілі. Для отримання інформації про кутове положення цілі виявляється достатньо одного відбитого від неї імпульсу (звідси й назва методу — моноімпульсний).

Елементи лінійної антенної решітки поділяються на дві половини. Такі дві окремі антенні підрешітки розташовуються симетрично відносно осі антени. Цю вісь часто називають «рівносигнальним напрямком» (англ. «boresight»). В режимі випромінювання (Тх) обидві антенні підрешітки живляться синфазно. Відповідна діаграма направленості називається сумарною або Σ-діаграмою і показана на Рисунку 4 блакитним кольором, а на графіку у верхній частині Рисунку 4 зображена синим коліром.

В режимі приймання (Rx) можливі додаткові у порівнянні із звичайним способи приймання сигналу. По сигналам, прийнятим окремими антенними підрешітками, можливо розрахувати їх суму Σ (за аналогією з формуванням сумарної діаграми в режимі випромінювання) та різницю ΔAz, в результаті чого формується так звана різницева діаграма направленості по азимуту. Окремі частини такої діаграми направленості показані на рисунку червоним та зеленим кольорами . Обидва сигнали (отриманий в сумарному та отриманий в різницевому каналі) порівнюються і їх різниця використовується для більш точного оцінювання кутового положення цілі.

Кут між віссю антени (рівносигнальним напрямком) і напрямком на ціль ще називають кутом похибки (в англомовній літературі використовується термін Off-Boresight Angle, OBA).

В трикоординатних радіолокаторах в якості третьої координати цілі вимірюється кут місця. Таким чином, згадана вище процедура застосовується двічі. Для цього антена додатково поділяється на дві частини у вертикальному напрямку. Отриманий в результаті різницевий канал ΔEl називають різницевим каналом кута місця.

II
 
 +ΔEl −ΔAz 
 

I
 
 +ΔElAz 
 

III
 
 −ΔEl −ΔAz 
 

IV
 
 −ΔElAz 
 

II
 
 +ΔEl −ΔAz 
 

I
 
 +ΔElAz 
 

III
 
 −ΔEl −ΔAz 
 

IV
 
 −ΔElAz 
 

Рисунок 5. Поділ моноімпульсної антени на чотири квадранти

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

Для повноти опису варто згадати допоміжний сигнал Ω, хоча він і не відноситься напряму до моноімпульсного методу. Це сигнал, який отримується по каналу придушення бічних пелюсток. Такий канал завжди має свою невелику антену з широкою діаграмою направленості. Може використовуватися для оцінювання обстановки перешкод.

Для кожного з цих сигналів необхідний свій приймальний канал. Таким чином, в сучасному трикоординатному радіолокаторі є як мінімум чотири паралельних приймальних канали.

Якщо первинні випромінювачі моноімпульсної антени являють собою рупорні антени, то формування каналів приймання та обробка прийнятих сигналів можуть виконуватися за допомогою моноімпульсних комутаторів, побудованих на хвилеводних трійниках.