Вбудована вимірювально-обчислювальна система контролю і настройки стаціонарних передаючих ФАР на базі решіток вимірювальних зондів у ближній зоні

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний аерокосмічний університет імені М.Є. Жуковського

Харківський авіаційний інститут

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ВБУДОВАНА ВИМІРЮВАЛЬНО-ОБЧИСЛЮВАЛЬНА СИСТЕМА КОНТРОЛЮ І НАСТРОЙКИ СТАЦІОНАРНОЇ ПЕРЕДАЮЧОЇ ФАЗОВАНОЇ АНТЕННОЇ РЕШІТКИ НА БАЗІ РЕШІТКИ ВИМІРЮВАЛЬНИХ ЗОНДІВ У БЛИЖНІЙ ЗОНІ

05.12.17 - радіотехнічні та телевізійні системи

НЕДЗЕЛЬСЬКИЙ Сергій Денисович

Харків-2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Об'єднаному науково-дослідному інституті Збройних Сил, Міністерство Оборони України.

Науковий керівник

кандидат технічних наук, доцент Лієпінь Улдіс Робертович, Харківський університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба, Міністерство Оборони України, м. Харків, доцент кафедри „Радіотехніки та антенно-фідерних пристроїв”.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Карпенко Володимир Іванович,

Харківський університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба, Міністерство Оборони України, м. Харків, провідний науковий співробітник кафедри „Теорії стрільби зенітними керованими ракетами”;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Скворцов Тарас Олександрович

Інститут іоносфери Національної академії наук України, м. Харків,

старший науковий співробітник.

Провідна установа - Відкрите акціонерне товариство “АТ Науково-дослідний інститут радіотехнічних вимірювань” Мінпромполітики України, м. Харків. Захист відбудеться „ 27 ” жовтня 2006 року о 13.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.07 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17. Тел. 707-43-52.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

вимірювальний решітка фазований антена

Актуальність теми. Більшість передаючих або приймально-передаючих активних фазованих антенних решіток (ФАР), що використовуються, наприклад, у системах контролю космічного простору, є громіздкими, нетранспортабельними антенами [1]. Для таких ФАР актуальними є задачі розробки і дослідження вбудованих пристроїв контролю і настроювання, що охоплюють не тільки системи розподілу потужності, але і випромінюючу систему антен. Контроль випромінюючої системи ФАР потребує перевірку амплітудно-фазового розподілу (АФР) на апертурі антени з урахуванням взаємних зв'язків випромінювачів. Для стаціонарних ФАР такий контроль необхідно реалізувати в присутності перевідбитків зондувального сигналу від землі й елементів конструкції антени.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Тематика дисертаційної роботи базується на пріоритетних напрямках розвитку науки і техніки в рамках Загальнодержавної (Національної) космічної програми України на 2003-2007 роки (IV цільова програма - „Розвиток наземної інфраструтури навігаційних і спеціальних інформаційних систем”), а також координаційних планів науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України (п.7 - “Перспективи інформаційної технології, основи автоматизації, системи зв'язку”). Дисертаційна робота виконана в Об'єднаному науково-дослідному інституті Збройних Сил України, нерозривно пов'язана з науковими планами Об'єднаного науково-дослідного інституту і є частиною тем „Спостереження-ВНС” № ДР 0101U000058 (1999-2001), „Спостереження-ВНС-Є” № ДР 0101U000163 (2002-2003), у яких автор брав участь як відповідальний виконавець.

Мета і задачі досліджень.

Метою роботи є розробка і дослідження принципів побудови вимірювально-обчислювальної системи „досліджувана ФАР плюс решітка вимірювальних зондів у її ближній зоні”, призначеної для контролю і настройки АФР на апертурі стаціонарної передаючої ФАР.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні наукові задачі:

1. Провести дослідження математичних моделей вимірювально-обчислювальної системи „ФАР - решітка вимірювальних зондів”, що враховують взаємні зв'язки випромінювачів у досліджуваної ФАР, а також луни-сигнали (відбитки зондувального сигналу від землі і місцевих предметів) на вимірювальній площадці.

2. Розробити і дослідити метод і алгоритм визначення матриці взаємних зв'язків випромінювачів у стаціонарній передаючій ФАР.

3. Розробити і дослідити метод і алгоритм безперервного контролю АФР і адаптації керування ФАР з метою зближення реалізованого і бажаного АФР з урахуванням взаємних зв'язків випромінювачів.

4. Оцінити вплив міжелементних відстаней у решітці вимірювальних зондів та її віддалення від досліджуваної антени на точність відновлення внутрішніх характеристик передаючих ФАР.

Об'єктом досліджень у дисертаційній роботі є процес отримання оцінок АФР і взаємних зв'язків випромінювачів у досліджуваній ФАР, а предметом дослідження - методи й алгоритми одержання цих оцінок в умовах присутності на вимірювальній площадці лун-сигналів.

Методи досліджень.

У процесі роботи над дисертацією використовувалися:

- загальна теорія антен;

- методи статистичної теорії антен і математичної статистики;

- методи статистичного синтезу при апріорній невизначеності й адаптації інформаційних систем.

Наукова новизна.

1. Розроблені нові метод і алгоритм вимірювання матриці взаємних зв'язків випромінювачів в стаціонарних передаючих ФАР за допомогою решітки вимірювальних зондів. Включення алгоритму до складу систем контролю фазованих решіток дозволяє значно підвищити їх інформативність і ефективно реалізувати адаптацію керування антенами до власного технічного стану. Запропонований алгоритм розрахований на застосування в умовах присутності на вимірювальній площадці лун-сигналів;

2. Вперше розроблено метод вбудованого контролю передаючих ФАР, який формує оцінки амплітудно-фазового розподілу на апертурі з урахуванням взаємних зв'язків випромінювачів після кожного випромінювання антени. Це дозволяє безупинно коректувати систему керування променем ФАР з метою максимального зближення реалізованого і бажаного амплітудно-фазового розподілу в антені. Метод розрахований на застосування в умовах присутності на вимірювальній площадці лун-сигналів;

3. Досліджена залежність помилок відновлення характеристик фазованої решітки від геометрії вимірювально-обчислювальної системи. Показано, що існують такі міжелементні відстані в решітці вимірювальних зондів і таке її віддалення від контрольованої антени, які мінімізують число обумовленості матриці коефіцієнтів передачі, а отже, і обмежують помилки відновлення характеристик ФАР при рішенні систем лінійних рівнянь шляхом обертання цієї матриці. Виведено та обґрунтовано критерій оптимізації геометрії вимірювально-обчислювальної системи.

Практична цінність отриманих результатів полягає в тому, що використання запропонованої вимірювально-обчислювальної системи як системи контролю і настройки передаючих ФАР дозволить:

- наблизити реалізовані параметри діаграми спрямованості ФАР до розрахункових у всьому секторі хитання променя;

- безупинно контролювати і коректувати АФР на апертурі випроміню-ючої системи з метою:

керування інтенсивністю випромінювання в заданих кутових секторах;

рішення задач електромагнітної сумісності ФАР з іншими радіотехнічними системами;

виконання норм захисту навколишнього середовища.

Особистий внесок здобувача:

- проведено аналіз проблем контролю технічного стану ФАР;

- досліджені математичні моделі ФАР і вимірювально-обчислювальної системи “ФАР - решітка вимірювальних зондів”, що враховують взаємні зв'язки випромінювачів в стаціонарній передаючій антені, а також луни-сигнали на вимірювальній площадці;

- розроблено і досліджено нові методи та алгоритми:

оцінки матриці взаємних зв'язків випромінювачів у ФАР;

оцінки АФР на апертурі випромінюючої системи;

- розроблено методику пошуку оптимальної геометрії конструкції решітки вимірювальних зондів і її віддалення від ФАР.

Внесок здобувача в публікації, які виконані в співавторстві полягає в наступному: в роботі [1] здобувачем проведено аналіз проблем контролю технічного стану ФАР та розроблена математична модель вимірювально- обчислювальної системи „ФАР - решітка вимірювальних зондів”, що враховує взаємні зв'язки випромінювачів в досліджуваній антені, а також луни-сигнали на вимірювальній площадці; в роботі [2] здобувачеві належить розробка та дослідження методу і алгоритму оцінки матриці взаємних зв'язків випромінювачів у ФАР; в роботі [3] здобувачем розроблені та досліджені метод і алгоритм оцінки АФР на апертурі випромінюючої системи з урахуванням взаємних зв'язків випромінювачів та лун-сигналів; в роботі [4] здобувачем розроблена методика пошуку оптимальної геометрії конструкції решітки вимірювальних зондів і її віддалення від ФАР.

Апробація результатів дисертації.

Основні наукові положення дисертаційної роботи доповідалися з наступним обговореням на V-й Міжнародній науково-технічній конференції „Проблеми інформатики та моделювання”(м. Харків, НТУ „ХПІ”, 2005 р.), науково-технічному семінарі „Синтез, обробка та відображення інформаційних моделей” (м. Харків, ХУПС, 2005 р.), науково-технічному семінарі „Невизначеність вимірювань” (м. Харків, ХУПС, 2006 р.), а також на внутрішньоінститутських конференціях та семінарах.

Публікації. Основні результати за темою дисертаційної роботи опубліковані в чотирьох статтях у науково-технічних журналах і збірниках, що входять до переліку ВАК України, в матеріалах науково-технічної конференції, двох науково-технічних семінарів, двох звітах з НДР.

Структура й обсяг дисертаційної роботи.

Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку використаних джерел. Загальний обсяг роботи - 132 сторінки друкованого тексту, що містять 11 рисунків на восьми сторінках, список використаних джерел, якій вміщує 61 найменування літературних джерел на 6 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність задачі розробки і дослідження систем контролю і настройки стаціонарних передаючих ФАР, побудованих на базі решіток вимірювальних зондів, розташованих у ближній зоні досліджуваних антен. Показано взаємозв'язок проведених досліджень з науковими програмами, планами і темами Об'єднаного науково-дослідного інституту Збройних Сил України, визначено об'єкт і предмет досліджень, сформульовані їх цілі і задачі. Визначені наукова новизна та практична цінність результатів досліджень, дана інформація про публікації, апробації й особистий внесок автора.

У першому розділі проведено аналіз основних факторів, що приводять до перекручувань АФР у ФАР і описані способи компенсації цих перекручувань.

Приведено класифікацію методів вбудованого контролю ФАР, а також описані принципи побудови й алгоритми функціонування найбільш розповсюджених методів контролю і діагностики ФАР. При аналізі основна увага приділена можливості застосування найбільш перспективних близькозондових методів для надвисокочастотного контролю стаціонарних передаючих ФАР. Показано, що в цих методах не враховуються взаємні зв'язки випромінювачів досліджуваних антен. А для усунення впливу лун-сигналів ці антени необхідно розміщати в безлунних камерах. Для великогабаритних стаціонарних ФАР реалізувати дані вимоги неможливо. З огляду на ці обставини сформульовані напрямки досліджень у дисертаційній роботі, що включають розробку і дослідження методів оцінки матриць взаємних зв'язків випромінювачів та АФР на апертурі антени, реалізованих на місці базування ФАР у присутності лун-сигналів від землі і місцевих предметів.

В другому розділі досліджені математичні моделі ФАР і вимірювально-обчислювальних систем „ФАР - зонд”, „ФАР - решітка виммірювальних зондів”, що враховують взаємні зв'язки випромінювачів в передаючій ФАР, а також луни-сигнали на вимірювальній площадці. Приведено матрицю коефіцієнтів передачі між випромінювачами ФАР і зондом або решіткою вимірювальних зондів.

, (1)

де i, n - номери випромінювачів і зондів, відповідно;

, - вектори, спрямовані від центру апертури ФАР до фазових центрів випромінювачів і зондів;

- коефіцієнти посилення випромінювачів і зондів;

- нормовані діаграми спрямованості випромінювачів і зондів;

- довжина хвилі зондуючого сигналу.

Співвідношення (1) використано для одержання моделі відгуку решітки виммірювальних зондів , що має N зондів, на поле випромінювання ФАР у присутності лун-сигналів

, (2)

де - комплексна амплітуда суміші прямого зондуючого сигналу і лун-сигналів, породжених випромінюванням ФАР, що збуджує зонди решітки виммірювальних зондів;

- коефіцієнти передачі фазообертувачів ФАР;

- коефіцієнти матриці взаємних зв'язків випромінювачів ФАР;

- комплексна амплітуда шуму в n-м зонді.

Далі в розділі показано, що, використовуючи тільки один нерухомий зонд, розміщений у ближній зоні ФАР, запропонованим методом можна отримати незміщені і спроможні оцінки коефіцієнтів передачі фозообертачів при наявності взаємних зв'язків випромінювачів у ФАР та лун-сигналів на вимірювальній площадці. Алгоритм функціонування вимірювально-обчислювальної системи у цьому випадку описується наступними процедурами:

Отримання N вимірювальних рівнянь, що відповідають N фазуванням ФАР згідно алгоритму одержання N відліків прямого дискретного перетворення Уолша (ДПУ)

; (3)

де - нормовані (в ампліфазометрах) до відгуки зонда;

- номери станів фазообертачів;

- функції Уолша, що приймають тільки два значення: +1, -1;

- нормовані до комплексні амплітуди шуму при вимірі r-ої складової прямого ДПУ.

Позначивши

з (3) отримаємо

. (4)

Застосувавши до масиву обмірюваних відгуків процедуру зворотного ДПУ, отримаємо

, (5)

, (6)

де .

З (6) випливає, що при великих значеннях відношення сигнал/шум, коли , при наявності апріорної інформації про , можна одержати незміщені і спроможні оцінки коефіцієнтів передачі фазообертачів у всіх їхніх станах при будь-якому фазуванні і на будь-якій робочій частоті. Оцінки отримуються в умовах присутності на вимірювальній площадці лун-сигналів. Інформація про (електрична „довжина” фазообертача у знеструмленому стані), як правило, зберігається в пам'яті процесора системи керування променем.

У розділі розроблено та досліджено багатозондовий метод оцінювання матриці взаємних зв'язків випромінювачів у стаціонарній передаючій ФАР. Наведено алгоритм, що реалізує цей метод.

Відгуки решітки вимірювальних зондів на N випромінювань ФАР по програмі прямого ДПУ, мають вигляд

, (7)

де матриця відгуків решітки вимірювальних зондів;

матриці коефіцієнтів передачі та взаємних зв'язків випромінювачів, відповідно;

діагональна матриця комплексних амплітуд, нормованих до напруг, що враховують луни-сигнали;

матриця ДПУ;

n - матриця комплексних амплітуд шуму.

Застосувавши до (7) процедуру зворотного ДПУ одержимо матрицю відгуків

, (8)

де - відгук n-го зонда на випромінювання з k-го каналу ФАР.

Невідомими в (8) є і . Використовуючи апріорну інформацію про те, що і (що вірно для ФАР, у якій випромінювачі злагоджені з лініями передачі), можна одержати рішення (8).

Представимо

, (9)

звідки випливає, що

, (10)

де - оцінки, отримані в результаті рішення (9).

Зроблено дослідження точності цього алгоритму оцінки С імітаційним моделюванням. Показано, що оцінки є незміщеними, а середньоквадратичні відхилення, породжені шумом із середньоквадратичною амплітудою , не перевищують 2% по амплітуді та 1,2 по фазі.

У третьому розділі виконано наступне:

- зроблена постановка задачі на контроль і адаптацію керування ФАР до перекручувань АФР на апертурі антени в присутності взаємних зв'язків випромінювачів та лун-сигналів на вимірювальній площадці;

- розроблено методи та алгоритми черезперіодного контролю коефіцієнтів передачі фазообертачів і корекції фазового розподілу у ФАР;

- показано шляхи оптимізації отриманих алгоритмів з метою мінімізації помилок відновлення АФР;

- визначено спосіб калібрування вимірювально-обчислювальної системи „ФАР - решітка вимірювальних зондів” з метою уточнення апріорних даних про матрицю взаємних зв'язків випромінювачів і коефіцієнтів передачі між випромінювачами ФАР та решіткою вимірювальних зондів.

При визначенні коефіцієнтів передачі фазообертачів ФАР в якості вимірювальних рівнянь використовуються співвідношення

, (11)

де - нормований до вектор відгуків решітки вимірювальних зондів при j-му фазуванні антени,

; J - число напрямків фазування решітки;

, ; (12)

- вектор коефіцієнтів передачі фазообертачів при j-му фазуванні;

- нормований до вектор шуму.

Зважуючи на те, що D - відома матриця, з (11) можна визначити

. (13)

В умовах, коли шумом можна зневажити і при відомих коефіцієнтах передачі фазообертачів у знеструмленому стані , з (13) одержимо, що шукані

, . (14)

З (14) можна визначити фазові зрушення, реалізовані фазообертачами при штатному керуванні, для всіх V станів

. (15)

Використовуючи інформацію, отриману з (14), можна реалізувати два методи адаптації керування ФАР до перекручувань АФР, у яких по-різному формуються коригувальні коди. Це розрахунковий і табличний способи.

Розрахунковий спосіб формування кодів коригувальних добавок до сигналів керування фазообертачів полягає в наступному.

Після s-го випромінювання для j-го напрямку фазування антени здійснюється порівняння кодів реалізованого і бажаного . Виявлена різниця шляхом зміни коефіцієнтів передачі пристроїв керування фазообертачами компенсується на s+1 випромінюванні.

При табличному способі адаптації коди реалізованих порівнюються з кодами бажаних для всіх станів фазообертачів , а різниці запам'ятовуються у виді таблиць. Адаптація в цьому випадку полягає у звертанні до таблиці і формуванні сигналів керування фазообертачами з урахуванням необхідних виправлень.

У розділі наведено спосіб калібрування вимірювально-обчислювальної системи „ФАР - решітка вимірювальних зондів”, що базується на тих же вимірювальних рівняннях, але метою їхнього рішення є не оцінки АФР і матриці взаємних зв'язків випромінювачів, а елементи матриць коефіцієнтів передачі . Відомими при цьому вважаються коефіцієнти передачі окремих фазообертачів і вектор збудження .

Завершується розділ оцінкою точності алгоритмів визначення коефіцієнтів передачі фазообертачів. Імітаційним моделюванням показано, що, якщо відношення середньо-квадратичних значень шуму і сигналу не перевищують , то помилки у визначенні фазових зрушень фазообертачів не перевищують 2.

У четвертому розділі вирішується задача вибору розмірів і віддалення решітки вимірювальних зондів від ФАР.

Вище було показано, що для визначення АФР і матриці взаємних зв'язків випромінювачів в стаціонарній передаючій ФАР необхідно обертати матрицю коефіцієнтів передачі між випромінювачами антени і решіткою вимірювальних зондів. У четвертому розділі показано, що число обумовленості цієї матриці , що є „коефіцієнтом посилення” впливу шуму і помилок в апріорних даних про вимірювально-обчислювальну систему, залежить від міжелементних відстаней у решітці вимірювальних зондів та від її віддалення від ФАР. У випадку рівності числа випромінювачів у решітці вимірювальних зондів і ФАР ця залежність носить резонансний характер.

У роботі приведено розраховані на комп'ютері графіки залежностей числа обумовленості матриці коефіцієнтів передачі від міжелементних відстаней у решітці вимірювальних зондів d_n/л та від її віддалення від ФАР z_n/ л. Показано, що для конструкції вимірювально-обчислювальної системи, величина =10 мінімальна при d_n = d_a, де d_a - міжелементна відстань у ФАР і z_n = 0,5L_a, де L_a = Nd_a - довжина досліджуваної ФАР, N = 8.

При зміні цих геометричних параметрів число зростає, що є наслідком зменшення області вимірів (при віддаленні решітки вимірювальних зондів) або збільшення дискретності вимірів (при наближенні решітки вимірювальних зондів).

Завершується розділ оцінкою можливості реалізувати запропоновані методи визначення АФР і взаємних зв'язків випромінювачів. Показано, що вибираючи оптимальні міжелементні відстані в решітці вимірювальних зондів та її віддалення від ФАР, які необхідні для оцінки фази елементів матриці взаємних зв'язків випромінювачів з точністю до 0,1 рад., погрішність виміру відстаней у вимірювально-обчислювальної системи не повинна перевищувати 1,6 мм у метровому діапазоні хвиль і 0,16 мм при л=10 см. Відношення сигнал/шум у цих розрахунках не враховувалося, тому що забезпечити необхідну потужність сигналу в ближній зоні передаючої ФАР досить просто.

Алгоритм визначення АФР на досліджуваній антені менш чутливий до помилок в апріорних даних про відстані між випромінювачами ФАР і зондами. Імітаційне моделювання показало, що помилки в оцінках зрушень фаз фазообертачів приблизно одного порядку з помилками у визначенні нормованих до довжини хвилі відстаней.

ВИСНОВКИ

Основними проблемами, розв'язуваними при створенні сучасних вбудованих систем контролю стаціонарних ФАР, є:

- компенсація впливу лун-сигналів на результати вимірів;

- поділ перекручувань АФР на апертурі антени на помилки, внесені системою живлення випромінювачів, та внесені взаємними зв'язками випромінювачів у ФАР.

Наявність інформації про взаємні зв'язки випромінювачів дозволяє, з огляду на фізичні механізми утворення погрішностей, реалізувати алгоритмічну компенсацію кожного з видів погрішностей. З огляду на це в дисертаційній роботі вирішувалися задачі визначення взаємних зв'язків випромінювачів в досліджуваній ФАР і визначення коефіцієнтів передачі фазообертачів (або фазових зрушень, створюваних ними) у всіх каналах і у всіх штатних станах фазообертачів.

Об'єднання інформації про взаємні зв'язки випромінювачів та погрішності фазообертачів дозволяє реалізувати адаптацію керування ФАР з метою наближення реалізованого на апертурі антени АФР до бажаного.

У дисертаційній роботі врахована також специфіка контролю стаціонарних передаючих ФАР - наявність лун-сигналів на вимірювальній площадці. Всі алгоритми контролю ФАР адаптовані до можливої наявності лун-сигналів.

В процесі рішення поставлених задач у дисертаційній роботі отримані наступні результати.

1. Зроблено аналіз принципів побудови і функціонування ряду відомих систем контролю ФАР. Показано, що в них не враховуються взаємні зв'язки випромінювачів антен і наявність лун-сигналів на вимірювальній площадці. Сформульовано задачі на розробку вбудованої у ФАР вимірювально-обчислювальної системи, що дозволяє одержувати оцінки матриць взаємних зв'язків випромінювачів і АФР в антені в присутності лун-сигналів.

2. Оцінено можливості однозондового методу контролю характеристик стаціонарних передаючих ФАР. Показано, що, використовуючи одиночний нерухомий зонд, можна оцінити коефіцієнти передач фазообертачів у всіх їхніх станах, в тому числі й у ситуаціях, коли в досліджуваній ФАР є значні взаємні зв'язки випромінювачів, та на вимірювальній площадці присутні луни-сигнали.

Розроблено алгоритм багатозондової оцінки матриці взаємних зв'язків випромінювачів у передаючій ФАР. Збіжність і точність алгоритму перевірені імітаційним моделюванням. Показано можливість одержання незміщених і спроможних оцінок амплітуд і фаз коефіцієнтів матриці взаємних зв'язків випромінювачів. Для восьмиелементної ФАР показана можливість одержання оцінок із середньоквадратичним відхиленням, що не перевищують 2% по відносній амплітуді і 1,2° по фазі. Вірогідність отриманих результатів підтверджується результатами моделювання ситуацій з відомими, фізично очевидними результатами.

3. Розроблено метод і алгоритм контролю й адаптації керування передаючою ФАР до перекручувань АФР в реальному масштабі часу функціонування радіолокаційного засобу за допомогою решітки вимірювальних зондів, розміщеної в ближній зоні антени. Отримано алгоритми реалізації черезперіодного контролю коефіцієнтів передачі фазообертачів ФАР і корекції сигналів керування, формованих системою керування променем з метою зближення бажаних і реалізованих фазових розподілів при наявності взаємних зв'язків випромінювачів у ФАР.

Зроблено оцінку точності запропонованих алгоритмів імітаційним моделюванням процедур одержання й обробки вимірювальної інформації. Показано, що якщо відношення середньоквадратичних амплітуд напруг шуму і сигналу не перевищують , помилки у визначенні реалізованих фазообертачами фазових зрушень не перевищують 2.

Вірогідність цих результатів також підтверджена результатами моделювання ситуацій з відомими, фізично очевидними результатами.

4. Розроблено методику та наведені результати оптимізації міжелементної відстані в решітці вимірювальних зондів, а також її віддалення від досліджуваної антени за критерієм мінімізації числа обумовленості матриці коефіцієнтів передачі між випромінювачами ФАР і решітки, що визначає межі погрішності у відновлюваних характеристиках антени.

Показано, що, якщо міжелементні відстані у ФАР і решітці вимірювальних зондів співпадають, найбільш прийнятною відстанню між їхніми центрами (при збереженні паралельності апертур) є половина довжини фазованої решітки. Число обумовленості матриці коефіцієнтів передачі при цьому у восьмиелементній ФАР не перевищує 10.

Визначена необхідна точність апріорних вимірів відстаней у вимірювально-обчислювальній системі “ФАР - решітка вимірювальних зондів”. Показано, що в дециметровому і метровому діапазонах хвиль погрішність виміру міжелементних відстаней не повинна перевищувати (0,1 - 1) мм, відповідно.

5. Результати розрахунків та моделювання, наведені в роботі, якісно і кількісно підтверджують можливість організації за допомогою вбудованої вимірювально-обчислювальної системи „ФАР - решітка вимірювальних зондів” контролю з заданим ступенем точності внутрішніх характеристик ФАР: коефіцієнтів матриці взаємних зв'язків випромінювачів та вектору АФР. Вони, у свою чергу, можуть бути використані для розрахунку і контролю зовнішніх характеристик ФАР: діаграми спрямованості та її параметрів при будь-якому куті сканування і на кожній з робочих частот.

СПИСОК ОСНОВНИХ ПУБЛІКАЦІЙ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

Лиепинь У.Р., Недзельский С.Д. Метод и алгоритм оценки матрицы взаимной святи излучателей в стационарных передающих ФАР. // Збірник наукових праць. -Харків: ХВУ. - 2004. -Вип. 12 (40). - С.128-135.

Лиепинь У.Р., Недзельский С.Д. Метод и алгоритм адаптации управления передающей ФАР к искажениям амплитудно-фазового распределения неидентичностью СВЧ трактов и ВСИ. // Збірник наукових праць. -Харків:

Лиепинь У.Р., Недзельский С.Д., Головин Г.А. Зависимость ошибок восстановления амплитудно-фазового распределения в ФАР от априорной информации и геометрических параметров измерительной системы. // Збірник наукових праць. -Київ: НАН України, Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова. -2005. -Вип. 32. -С.125-130.

Лиепинь У.Р., Недзельский С.Д. Оптимизация геометрических характеристик решетки измерительных зондов, используемой для диагностирования передающей фазированной антенной решетки. // Радіоелектронні та комп'ютерні системи -2005. -№ 4(12). -С.37-41.

Лиепинь У.Р., Недзельский С.Д. Многозондовый метод контроля и адаптации управления фазированной антенной решеткой к искажениям амплитудно-фазового распределения. // Пятая международная научно-техническая конференция „Проблемы інформатики и моделирования”. -Харьков: НТУ

Недзельський С.Д. Синтез та аналіз математичних моделей вимірювально-обчислювальної системи „фазована антенна решітка - зонди”. // Науково-технічний семінар „Синтез, обробка та відображення інформаційних моделей” (ІнфоСинтез). - Харків: ХУПС, 2005. - С.244-245.

Недзельський С.Д. Оптимізація алгоритмів визначення коефіцієнтів передач фазообертачів фазованих антенних решіток за умови параметричної невизначеності вимірювальної інформації. // Науково-технічний семінар „Невизначеність вимірювань”. - Харків: ХУПС, 2006. - С.56-58.

АНОТАЦІЇ

Недзельський С.Д. Вбудована вимірювально-обчислювальна система контролю і настройки стаціонарних передаючих ФАР на базі решіток вимірювальних зондів у ближній зоні. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.12.17 - радіотехнічні та телевізійні системи. - Національний аерокосмічний університет ім.. М.Є. Жуковського ”Харківський авіаційний інститут”, Харків, 2006.

Дисертаційна робота присвячена розробці і дослідженню вбудованої системи контролю і настройки лінійної ФАР за допомогою решітки вимірювальних зондів, розміщеної у ближній зоні антени. В процесі контролю вимірюються комплексні амплітуди відгуків решітки вимірювальних зондів на випромінювання ФАР.

Реконструкція матриць взаємного зв'язку випромінювачів і амплітудно-фазового розподілу здійснюється шляхом рішення системи лінійних алгебраїчних рівнянь, складених за результатами вимірів. Матриця коефіцієнтів передачі сигналів між випромінювачами ФАР і решіткою вимірювальних зондів вважається відомою.

Ключові слова: Вимірювання взаємних зв'язків випромінювачів і амплітудно-фазового розподілу у ФАР; ближня зона ФАР; решітка вимірювальних зондів.

Недзельский С.Д. Встроенная измерительно-вычислительная система контроля и настройки стационарных передающих ФАР на базе решетки измерительных зондов в ближней зоне. Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.17 - радиотехнические и телевизионные системы. Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”, Харьков, 2006.

Диссертационная работа посвящена разработке и исследованию встроенной измерительно-вычислительной системы контроля и настройки линейной ФАР при помощи решетки измерительных зондов, размещенной в ближней зоне антенны.

В работе произведен анализ проблем контроля технического состояния ФАР. Описаны принципы построения и функционирования известных систем контроля. Показано, что основными их недостатками являются: пренебрежение взаимными связями излучателей в ФАР и отсутствие адаптации к эхо-сигналам, если применять эти методы на месте базирования ФАР. Основные задачи, решаемые в работе: разработка и исследование методов и алгоритмов определения матриц взаимных связей излучателей и амплитудно-фазового распределения (АФР) в ФАР в присутствии эхо-сигналов на измерительной площадке.

В работе оценены возможности контроля стационарных передающих ФАР одиночным неподвижным зондом. Показано, что в такой измерительной системе можно получить несмещенные и состоятельные оценки АФР в ФАР в условиях присутствия на измерительной площадке эхо-сигналов. Приведены аналитические выражения для оценки точности метода и результаты имитационного моделирования.

Разработан многозондовый метод оценивания матрицы взаимных связей излучателей и череспериодного контроля АФР на апертуре антенны. Суть метода заключается в измерении откликов решетки измерительных зондов на поле излучения ФАР и получения оценок взаимных связей излучателей или АФР путем решения системы линейных алгебраических уравнений. Матрица коэффициентов передачи сигналов между излучателями ФАР и решеткой измерительных зондов, зависящая от расстояний между излучателями антенны и зондами, а также диаграмм направленности излучателей и зондов, считается априори известной. Показано, что точность и устойчивость разработанных алгоритмов зависит от числа обусловленности матрицы коэффициентов передачи.

Разработана методика оптимизации измерительно-вычислительной системы “ФАР - решетка измерительных зондов” с целью уменьшения числа обусловленности матрицы коэффициентов передачи между излучателями антенны и решетки. Показано, что число обусловленности матрицы коэффициентов передачи зависит от межэлементного расстояния в решетке измерительных зондов и удаления ее от ФАР, и носит резонансный характер. Численными методами показано, что оптимальное межэлементное расстояние в решетке измерительных зондов равно межэлементному расстоянию в антенне, а удаление решетки от ФАР близко к половине ее длины. Моделирование показывает, что при выборе оптимальных геометрических параметров решетки измерительных зондов, погрешность в восстановлении матрицы взаимных связей излучателей не превышает 2% по относительной амплитуде и 1,2 по фазе. Оценена также ожидаемая точность череспериодного измерения фазового распределения, не превышающая 2 при отношении шум/сигнал . Приведен алгоритм череспериодной адаптации управления передающей ФАР к искажениям АФР с учетом измеренных значений матрицы взаимных связей излучателей. Достоверность полученных результатов подтверждена имитационным моделированием физически очевидных ситуаций.

Ключевые слова: измерение взаимной связи излучателей и амплитудно-фазового распределения в ФАР; ближняя зона ФАР; решетка измерительных зондов.

Nedselskiy S.D. The built-in measuring computing system for control and tuning of the stationary transmitting phased aerial lattices on a basis of the measuring probes lattice in a near zone. - Manuscript.

The dissertation of a scientific degree of the candidate of technical science on a speciality 05.12.17 - the radio-technical and television systems. Kharkov Zhukovskiy National Space University “Kharkov Aviation Institute ”, Kharkov, 2006.

The thesis is devoted to development and research of the built-in measuring computing system for control and tuning of the linear phased aerial lattices (PAL) by means of the measuring probes lattice (MPL) placed in a near zone of the aerial. During the control complex amplitudes of MPL responses on PAL radiation are measured.

The reconstruction of radiators mutual connection matrixes and amplitude-phase distribution is carried out by the decision of the linear algebraic equations system made by results of measurements. The matrix of a signaling coefficient between PAL and MPL radiators is considered to be as a known one.

Key words: measurements of the radiators mutual connection and amplitude-phase distribution in PAL; a near zone of PAL; a lattice of measuring probes.

Размещено на Allbest.ru

...