Вбудована вимірювально-обчислювальна система контролю і настройки стаціонарної передаючої фазованої антенної решітки на базі решітки вимірювальних зондів у ближній зоні

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Більшість передаючих або приймально-передаючих активних фазованих антенних решіток (ФАР), що використовуються, наприклад, у системах контролю космічного простору, є громіздкими, нетранспортабельними антенами. 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.

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.

1. 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.

2. 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 випромінюва-чів 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:

1. 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.

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.

3. 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 dn/л та від її віддалення від ФАР zn/ л. Показано, що для конструкції вимірювально-обчислювальної системи, приведеної на рис.1, величина =10 мінімальна при dn = da, де da - міжелементна відстань у ФАР і zn = 0,5La, де La = Nda - 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

фазовий антенний амплітудний решітка

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.

Література

1. 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.

2. 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: ХУПС. - 2005. -Вип. 5 (45). -С.93-100.

3. 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.

4. 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.

5. 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 „ХПИ”, 2005. - 51 с.

6. 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.

Размещено на Allbest.ru