RU2031415C1 - Process of formation of directivity diagram of aerial of radar - Google Patents

Abstract

FIELD: radiolocation. SUBSTANCE: invention is meant for systems of surveillance of the Earth's surface. Process of formation of directivity diagram of aerial of radar lies in that directivity diagram of aerial is formed at reception displaced relative to directivity diagram formed with radiation. Directivity diagram of aerial at reception is formed with fixed angular displacement of its maximum with reference to maximum of directivity diagram of aerial with radiation within limits of half-width of directivity diagram ensuring reception of signal reflected from target with necessary minimal level of power which allows noises coming over lobes of directivity diagram to be suppressed. EFFECT: improved efficiency of suppression of side lobe noises. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к технической физике, а именно к первичным радиолокационным системам, и может быть использовано в радиолокационных системах обзора земной поверхности, определения координат метеорологических, воздушных целей для повышения разрешающей способности. The invention relates to technical physics, namely to primary radar systems, and can be used in radar systems to survey the earth's surface, to determine the coordinates of meteorological, air targets to increase resolution.

Известен способ радиолокации, включающий излучение радиоволн, прием отраженных сигналов и индикацию принятых сигналов. При этом на приемный и передающей антеннах формируют определенную диаграмму направленности (ДН) (см. А. П. Сиверс и др. Основы радиолокации. ГСИ судостроительной промышленности, 1959, с. 9-11, 1988-189). A known method of radar, including radiation of radio waves, the reception of reflected signals and an indication of the received signals. At the same time, a certain radiation pattern is formed on the receiving and transmitting antennas (see A.P. Sivers et al. Fundamentals of Radar. GSI Shipbuilding Industry, 1959, pp. 9-11, 1988-189).

Разрешающая способность такого способа определяется шириной ДН. The resolution of this method is determined by the width of the beam.

Считается, что две одинаковые цели могут быть разрешены по углу, если они смещены одна относительно другой на величину, равную ширине ДН. Ширина ДН пропорциональна отношению λ к линейному размеру апертуры (т.е. λ /D) с коэффициентом пропорциональности, зависящим от распределения поля по апертуре (Справочник по радиолокации. /Под М.Сколника. Перевод с английского. М.: Советское радио, 1977, т. 2, с. 57). It is believed that two identical targets can be resolved in angle if they are offset from one another by an amount equal to the width of the beam. The beam width is proportional to the ratio of λ to the linear size of the aperture (i.e., λ / D) with a proportionality coefficient depending on the field distribution over the aperture (Radar Reference. / Under M. Skolnik. Translated from English. M.: Soviet Radio, 1977 , v. 2, p. 57).

Таким образом, достигнутая в технике минимальная ширина ДН определяет и предельную разрешающую способность современных радиолокационных станций (РЛС). Кроме того, разрешающая способность РЛС ухудшается за счет наличия боковых лепестков в ДН. Thus, the minimum beam width achieved in the technique also determines the ultimate resolution of modern radar stations. In addition, the radar resolution deteriorates due to the presence of side lobes in the beam.

Известен способ радиолокации, включающий в процессе излучения-приема и индикации изменение частоты и поляризации сигналов, что позволяет классифицировать сложные цели (цель одиночная или групповая, бомбардировщик или ракета) (см. патент США N 3772689, кл. 243/5, 1973). A known method of radar, including in the process of radiation-reception and indication of the change in the frequency and polarization of the signals, which allows to classify complex targets (single or group target, bomber or missile) (see US patent N 3772689, CL 243/5, 1973).

Известен также способ радиолокации со спектральной обработкой сигналов (см. патент СССР N 792183, кл. G 01 S 13/02, 1980), который решает аналогичную задачу. There is also a known method of radar with spectral signal processing (see USSR patent N 792183, CL G 01 S 13/02, 1980), which solves a similar problem.

Однако и в этом случае предельная угловая разрешающая способность РЛС остается недостаточно высокой, так как определяется достигнутыми параметрами ДН. However, in this case, the limiting angular resolution of the radar remains not high enough, as it is determined by the achieved parameters of the radiation path.

Наиболее близким к предложенному является способ радиолокации, реализованный в устройстве подавления наземных помех в воздушных локаторах (см. патент США N 3781878, кл. 343/5, 1973). Способ включает формирование ДН антенны, излучение сигнала, прием, обработку и индикацию сигналов. При этом принимаемый сигнал обрабатывают, формируя суммарный и разностный сигналы, которые проходят по двум раздельным каналам, подвергаются ослаблению и сдвигу фазы, после чего сигналы суммируются и индицируются на экране. Closest to the proposed one is a radar method implemented in a device for suppressing ground noise in air locators (see US patent N 3781878, CL 343/5, 1973). The method includes generating an antenna beam, signal emission, receiving, processing and indicating signals. In this case, the received signal is processed, forming the sum and difference signals, which pass through two separate channels, undergo attenuation and phase shift, after which the signals are summed and displayed on the screen.

В результате такой обработки ДН антенны при приеме смещается в течение определенного времени из одного положения луча в другое, а приемный сигнал получается как результат взаимодействия отраженного от цели сигнала с перемещающейся по времени ДН антенны на приеме. As a result of such processing, the antenna beam during reception is shifted for a certain time from one beam position to another, and the receive signal is obtained as a result of the interaction of the signal reflected from the target with the antenna beam moving in time at the receive.

Это позволяет, изменяя наклон электрической оси приемной антенны в вертикальной плоскости, избегать приема шумовых сигналов от земли при выделении ближней (по дальности) грозовой цели и принимать отраженные сигналы от дальних грозовых целей в то время, как мешающий сигнал от земли уже значительно ослаб со временем (дальностью). This allows, by changing the inclination of the electrical axis of the receiving antenna in the vertical plane, to avoid receiving noise signals from the ground when highlighting a nearby (in range) lightning target and to receive reflected signals from distant lightning targets while the interfering signal from the ground has already weakened significantly with time (range).

Предложенный способ заключается в формировании ДН излучении сигнала, приеме сигнала и его обработке, при приеме сигнала ДН формируют смещенной своим максимумом относительно максимума ДН при излучении сигнала. При этом смещение выполняют фиксированным, обеспечивающим прием сигнала от цели с необходимым минимальным уровнем мощности. The proposed method consists in generating the radiation pattern of the signal, receiving the signal and processing it, while receiving the signal, the form of the signal is shifted with its maximum relative to the maximum of the radiation signal. In this case, the offset is performed fixed, providing a signal from the target with the required minimum power level.

Это позволяет повысить угловую разрешающую способность при достигнутых параметрах ДН. This allows you to increase the angular resolution with the achieved parameters of the MD.

Кроме того, смещение выполняют таким, чтобы пики главных боковых лепестков одной из ДН совпадали с впадинами главных боковых лепестков другой ДН, а ширина ДН при приеме должна быть больше, чем при излучении. В этом случае помехи, создаваемыми боковыми лепестками с одной стороны ДН, будут минимальными, и в целом разрешающая способность повысится за счет увеличения соотношения сигнал/шум. In addition, the offset is performed so that the peaks of the main side lobes of one of the MDs coincide with the depressions of the main side lobes of the other MD, and the width of the MDs during reception should be greater than with radiation. In this case, the noise created by the side lobes on one side of the beam will be minimal, and in general, the resolution will increase due to an increase in the signal-to-noise ratio.

Более того, целесообразно в одном цикле излучение-прием сигнала формировать ДН при приеме смещенную в одну сторону от максимума ДН при излучении, полученный первый сигнал фиксировать, после чего на следующем цикле излучение-прием сигнала формировать ДН смещенной в противоположную сторону от максимума ДН при излучении, а полученный при этом второй сигнал перемножить с первым сигналом. Moreover, it is advisable in one radiation-receive signal cycle to form a beam when receiving biased to one side from the maximum beam during radiation, to fix the received signal, after which the next radiation-receive signal to form a beam biased in the opposite direction from the maximum beam during radiation and multiply the second signal obtained with this with the first signal.

В этом случае достигается подавление помех, приходящих по боковым лепесткам ДН с обеих сторон. In this case, suppression of interference coming along the side lobes of the DN from both sides is achieved.

На фиг. 1 приведена зависимость амплитуды принимаемого сигнала по углу сканирования антенны при способе радиолокации в соответствии с предложенным способом на фиг. 2 - зависимость амплитуды принимаемого сигнала по углу сканирования антенны (усеченную сверху) при другом способе, реализующем изобретение; на фиг. 3 - структурная схема РЛС, осуществляющий предложенный способ радиолокации. In FIG. 1 shows the dependence of the amplitude of the received signal on the scanning angle of the antenna with the radar method in accordance with the proposed method in FIG. 2 - dependence of the amplitude of the received signal on the scanning angle of the antenna (truncated from above) with another method that implements the invention; in FIG. 3 is a structural diagram of a radar implementing the proposed method of radar.

П р и м е р 1. РЛС с фазированной решеткой. PRI me R 1. Radar with a phased array.

При передаче на передающей антенне формируют одностороннюю ДН-1 (см. фиг.1). ДН-1 формирую с направлением максимума 2 смещенным от оси симметрии 3 антенны. When transmitting on a transmitting antenna, a one-sided DN-1 is formed (see Fig. 1). I form DN-1 with the direction of maximum 2 offset from the axis of symmetry 3 of the antenna.

Диаграмму формируют по следующим формулам:
Z₁ = (x + q),
Y₁=

· (1+A)

где Y₁ - амплитуда сигнала;
q - угловое смещение ДН относительно нулевого направления антенны;
Z₁ - угол поворота электрической оси приемной (передающей) антенны;
Х - пеленг цели.The diagram is formed according to the following formulas:
Z ₁ = (x + q),
Y ₁ =

· (1 + A)

where Y ₁ is the amplitude of the signal;
q is the angular displacement of the beam relative to the zero direction of the antenna;
Z ₁ - the angle of rotation of the electrical axis of the receiving (transmitting) antenna;
X - bearing of the target.

Ар₁ = 0,9999; Ар₂ = 0,0083; Ар₃ = 0,0126; К_а = 0,76; Р₁ = 1; Р₂ = 2; Р₃ = 3; Р_i = 3,141592 - коэффициенты

=

Промежуточные вычисления
Излучают сигнал с амплитудой Y₁.Ap ₁ = 0.9999; Ap ₂ = 0.0083; Ap ₃ = 0.0126; K _a = 0.76; P ₁ = 1; P ₂ = 2; P ₃ = 3; P _i = 3,141592 - coefficients

=

Intermediate Computing
A signal with an amplitude of Y _{1 is} emitted.

После переключения антенны на прием формируют ДН-4 с направлением максимума 5 смещенным относительно оси симметрии 3 антенны на величину q. After the antenna is switched to reception, DN-4 is formed with the direction of maximum 5 shifted relative to the axis of symmetry 3 of the antenna by q.

Форма ДН определяется по следующим формулам:
Z₂ = x + q - угол поворота электрической оси передающей (приемной антенны);
Y₂=

- амплитуда сигнала для односторонней ДН;
х - пеленг цели;
q - угловое смещение ДН относительно нулевого направления антенны.The DN form is determined by the following formulas:
Z ₂ = x + q is the angle of rotation of the electric axis of the transmitting (receiving antenna);
Y ₂ =

- signal amplitude for a one-sided pattern;
x - bearing of the target;
q is the angular displacement of the beam relative to the zero direction of the antenna.

Принимают отраженный от цели сигнал. Receive a signal reflected from the target.

Излученный с антенны с ДН-1 сигнал после отражения от цели поступает на антенну с ДН-4. В результате смещения ДН на прием и передачу на входе приемника оказывается сигнал, пропорциональный произведению амплитуды переданного сигнала на амплитуду сигнала, принятого антенной, благодаря модуляции принимаемого сигнала зондирующим импульсом. The signal emitted from the antenna with DN-1 after reflection from the target is fed to the antenna with DN-4. As a result of shifting the beam to receive and transmit at the receiver input, a signal is proportional to the product of the amplitude of the transmitted signal and the amplitude of the signal received by the antenna, due to the modulation of the received signal by the probe pulse.

Формируется результирующая ДН-6 шириной меньшей, чем у исходной ДН, так как она строится по формуле
Y₆ = Y₁ ˙ Y₄
Таким образом ширина ДН-6 получается уже самой узкой исходной диаграммы направленности. Уменьшение ширины ДН приводит к улучшению угловой разрешающей способности РЛС.The resulting DN-6 is formed with a width less than that of the original DN, since it is constructed according to the formula
Y ₆ = Y ₁ ˙ Y ₄
Thus, the width of the DN-6 is obtained already the narrowest initial radiation pattern. Reducing the width of the beam leads to an improvement in the angular resolution of the radar.

Смещение выбирают так, чтобы на максимальной заданной дальности обзора обеспечивался необходимый минимальный уровень мощности сигнала для получения отклика от цели. Чем больше смещение направления приема относительно направления передачи сигнала, тем уже получается результирующая ДН, но тем меньше будет и амплитуда принятого сигнала. Для выбранного (по критерию минимального уровня боковых лепестков результирующей ДН) смещения q = 0,676 (см.фиг.1) результирующая ДН между первыми нулями получается на 29% уже исходной ДН, что эквивалентно соответствующему улучшению угловой разрешающей способности прибора. The offset is selected so that at the maximum specified viewing range, the necessary minimum signal power level is provided to obtain a response from the target. The greater the shift in the direction of reception relative to the direction of transmission of the signal, the already obtained the resulting pattern, but the smaller will be the amplitude of the received signal. For the selected (by the criterion of the minimum level of the side lobes of the resulting pattern) offset q = 0.676 (see Fig. 1), the resulting pattern between the first zeros is obtained at 29% of the original pattern, which is equivalent to a corresponding improvement in the angular resolution of the device.

Формирование смещенных ДН обеспечивают соответствующей запиткой излучателей по заданной программе. The formation of displaced DNs is ensured by the corresponding supply of emitters according to a given program.

Антенны с механическим сканированием проектируются с двумя облучателями формирующими смещенные (на величину 2q) относительно друг друга ДН. Установка двух облучателей вместо одного приводит к тому, что каждый облучатель оказывается смещенным из фокуса антенны перпендикулярно электрической оси на некоторую величину, что приводит к смещению максимума ДН относительно оси в направлении, противоположном направлению смещения облучателя. Antennas with mechanical scanning are designed with two irradiators forming biased (by a value of 2q) relative to each other MD. The installation of two irradiators instead of one leads to the fact that each irradiator is displaced from the antenna focus perpendicular to the electric axis by a certain amount, which leads to a shift in the maximum of the beam relative to the axis in the direction opposite to the direction of displacement of the irradiator.

Если угловое смещение 2q односторонних ДН на прием и передачу выбрано так, что максимум главных боковых лепестков одной ДН совпадают с нулями другой ДН, то происходит максимальное подавление боковых лепестков в результирующей ДН. На фиг. 1 боковые лепестки 7 и 8 соответственно ДН-1 и ДН-4 оказываются смещенными, что приводит к подавлению боковых лепестков у результирующей ДН-6, соответственно улучшается качество принимаемых сигналов. If the angular displacement 2q of one-sided MDs for reception and transmission is selected so that the maximum of the main side lobes of one MD coincides with the zeros of the other MD, then the maximum suppression of the side lobes in the resulting MD occurs. In FIG. 1, the side lobes 7 and 8, respectively, of the DN-1 and DN-4 are displaced, which leads to suppression of the side lobes of the resulting DN-6, respectively, the quality of the received signals is improved.

П р и м е р 2. Сигнал излучается с антенны, имеющей ДН-9 (см.фиг.2), а прием производится с диаграммой направленности ДН-10. При этом ДН-10 формируется шириной большей шины ДН-9. В этом случае уровень боковых лепестков у ДН-10 меньше, чем у ДН-9. Кроме того, ДН-9 своим максимумом 11 смещена относительного нулевого направления 12 антенны на величину q, а ДН-10 смещена соответственно своим максимумом 13 в другую сторону от нулевого направления 12 на величину q. PRI me R 2. The signal is emitted from an antenna having a DN-9 (see figure 2), and the reception is made with the radiation pattern of the DN-10. In this case, the DN-10 is formed by the width of the larger DN-9 bus. In this case, the level of side lobes at DN-10 is less than that at DN-9. In addition, with its maximum of 11, the DN-9 is offset by the q value from the antenna's zero direction 12, and the DN-10 is offset by its maximum 13 from the zero direction 12 by q.

Общая величина смещения q₁ + q₂ выбрана такой, чтобы максимум главного бокового лепестка 14 ДН-9 совпадал с нулем ДН-10.The total displacement q ₁ + q _{2 is} chosen so that the maximum of the main side lobe 14 of the DN-9 coincides with the zero of the DN-10.

В результате взаимодействия отраженного от цели сигнала с ДН-10 на приеме принимаемый сигнал формируется в соответствии с результирующей диаграммой направленности (ДН-15, имеющей ширину, близкую к ширине ДН-9 при излучении, но низким уровнем боковых лепестков 16 с одной стороны (слева) от нулевого направления антенны 12). As a result of the interaction of the signal reflected from the target with the DN-10 at the reception, the received signal is formed in accordance with the resulting radiation pattern (DN-15, having a width close to the width of the DN-9 when emitted, but with a low level of side lobes 16 on one side (left ) from the zero direction of the antenna 12).

Таким образом результирующая ДН-15 имеет ширину меньшую, чем каждая из исходных ДН и с низким уровнем боковых лепестков, что позволяет улучшить характеристики способа радиолокации за счет подавления помех, попадающих слева от нулевого направления антенны. Thus, the resulting DN-15 has a width smaller than each of the original DNs and with a low level of side lobes, which allows to improve the characteristics of the radar method by suppressing interference to the left of the zero direction of the antenna.

П р и м е р 3. Сигнал излучается и принимается в одном цикле излучение-прием в соответствии с описанным в примере 2 способом. Полученный первый сигнал запоминают. В следующем цикле излучение-прием излучение сигнала проводят с ДН2-9, а прием - с ДН-10, сдвинутых в противоположные от нулевого направления антенны 12 соответственно на величину - q₁ и -q₂. В этом цикле результирующая диаграмма направленности ДН-ДН-15 справа от нулевого направления будет симметрична левой ветви (см.фиг.2), т.е. в этом цикле помехи, приходящие справа по главному боковому лепестку, будут подавлены. Приходящий в этом цикле второй сигнал, отраженный от цели, перемножают с первым сигналом, после чего полученный результат индицируется на экране, а циклы излучение-прием повторяются в указанной последовательности, т.е. в каждом цикле обзора (запрос-ответ) формируются зеркально отраженные результирующие ДН, перемножение которых позволяет уменьшить ширину "синтезированной" таким образом ДН и получить дополнительное подавление боковых лепестков на выходе прибора. Благодаря этому обеспечивается повышенная разрешающая способность способа при максимальном уровне боковых помех.PRI me R 3. The signal is emitted and received in a single radiation-reception cycle in accordance with the method described in example 2. The received first signal is stored. In the next radiation-reception cycle, the radiation of the signal is carried out with DN2-9, and reception with DN-10 shifted in the opposite direction from the zero direction of the antenna 12, respectively, by the value - q ₁ and -q ₂ . In this cycle, the resulting radiation pattern DN-DN-15 to the right of the zero direction will be symmetrical to the left branch (see figure 2), i.e. in this cycle, interference coming from the right side of the main side lobe will be suppressed. The second signal arriving in this cycle, reflected from the target, is multiplied with the first signal, after which the result is displayed on the screen, and the radiation-reception cycles are repeated in the indicated sequence, i.e. in each review cycle (request-response), mirrored resulting MDs are formed, the multiplication of which allows to reduce the width of the MD “synthesized” in this way and to obtain additional suppression of the side lobes at the output of the device. This provides an increased resolution of the method with a maximum level of lateral interference.

Устройство РЛС содержит антенну 1 с двумя излучателями 2, 3, связанными через схему переключения 4 с передатчиком 5 и приемником 6. Приемник 6 своими выходами связан с запоминающим устройством 7 и устройством умножения 8, которое через согласующее устройство 9 подключено к индикатору 10. The radar device contains an antenna 1 with two emitters 2, 3 connected through a switching circuit 4 with a transmitter 5 and a receiver 6. The receiver 6 is connected with its outputs to a storage device 7 and a multiplication device 8, which is connected to an indicator 10 through a matching device 9.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

В первом цикле обзора сигнал излучается излучателем 2 и принимается отраженный сигнал излучателем 3, усиливается и обрабатывается приемником 6 и для каждой дальности его амплитуда запоминается в запоминающем устройстве 7. In the first review cycle, the signal is emitted by the emitter 2 and the reflected signal is received by the emitter 3, amplified and processed by the receiver 6, and for each range its amplitude is stored in the storage device 7.

Во втором цикле обзора сигнал излучается излучателем 3 и принимается излучателем 2. Переключение излучателей обеспечивается схемой переключения по заданной программе. In the second review cycle, the signal is emitted by the emitter 3 and received by the emitter 2. Switching of the emitters is provided by the switching circuit according to a given program.

Принимаемый сигнал усиливается и обрабатывается приемником, полученная для каждой дальности амплитуды в устройстве умножения 8 перемножается с амплитудой заполненного предыдущего сигнала. Новые амплитуды сигнала поступают в запоминающее устройство 7 для использования в последующих циклах обзора, а произведения сигналов через согласующее устройство 9 поступает на индикатор 10. Таким образом, устройство обеспечивает прием сигнал с обуженной результирующей ДН и низким уровнем боковых лепестков. The received signal is amplified and processed by the receiver, obtained for each amplitude range in the multiplier 8 is multiplied with the amplitude of the filled previous signal. The new signal amplitudes are supplied to the memory 7 for use in subsequent review cycles, and the product of the signals through the matching device 9 is fed to the indicator 10. Thus, the device provides a signal with a narrowed resulting beam and a low level of side lobes.

Claims (3)

1. СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННЫ РЛС, заключающийся в том, что формируют диаграмму направленности антенны при приеме, смещенной относительно диаграммы направленности, сформированной при излучении, отличающийся тем, что диаграмму направленности антенны при приеме формируют с фиксированным угловым смещением ее максимума относительно максимума диаграммы направленности при излучении в пределах половины ширины диаграммы направленности, обеспечивающим прием отраженного от цели сигнала с необходимым минимальным уровнем мощности. 1. A METHOD FOR FORMING A RADIATION ANTENNA DIAGRAM DIAGRAM, which consists in generating an antenna pattern when receiving offset from a radiation pattern formed by radiation, characterized in that the antenna pattern when receiving is formed with a fixed angular displacement of its maximum relative to the maximum of the radiation pattern when radiation is within half the width of the radiation pattern, which ensures the reception of a signal reflected from the target with the necessary minimum ovnem power. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что диаграмму направленности антенны на приеме формируют со смещением, при котором пики главных боковых лепестков диаграммы направленности антенны на приеме совпадают с впадинами диаграммы направленности антенны на излучении. 2. The method according to claim 1, characterized in that the antenna radiation pattern at the reception is formed with an offset at which the peaks of the main side lobes of the antenna radiation pattern at the reception coincide with the troughs of the radiation pattern of the antenna. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в одном цикле излучение - прием сигнала формируют диаграмму направленности антенны на приеме, смещенную в одну сторону от максимума диаграммы направленности антенны при излучении, полученный первый сигнал запоминают, после чего на следующем цикле излучение - прием сигнала формируют диаграмму направленности антенны на приеме, смещенной в противоположную сторону относительно смещения в предыдущем цикле излучение - прием от максимума диаграммы направленности антенны при излучении, а полученный при этом второй сигнал перемножают с первым запомненным сигналом, перемноженные сигналы для каждой дальности анализируют и на основании анализа принимают решение об индикации цели. 3. The method according to claim 2, characterized in that in one cycle the radiation - signal reception form the antenna pattern at the reception, offset to one side from the maximum antenna pattern for radiation, the first signal received is stored, after which the next cycle - signal reception form the antenna radiation pattern at the reception, shifted in the opposite direction relative to the offset in the previous cycle radiation - reception from the maximum radiation pattern of the antenna from radiation, and the resulting the second signal is multiplied with the first stored signal, the multiplied signals for each range are analyzed and, based on the analysis, a decision is made to indicate the target.

Images