способ встроенного контроля характеристик фазированной антенной решетки

Формула изобретения

Способ встроенного контроля характеристик фазированной антенной решетки (ФАР), при котором для определения характеристик диаграммы направленности ФАР проводится НЧ-контроль, заключающийся в анализе реакций ее фазовращателей на команды управления лучом ФАР, и СВЧ-контроль, проводимый без вывода радиолокационной станции из штатного режима в интервалы времени, находящиеся за пределами стробируемых участков дальности, заключающийся в определении отношения максимальных значений амплитуды тока возбуждения i-го элемента ФАР к минимальному - А_0i, а также сдвига фазы тока возбуждения - Ф_i и сравнении их с заданными эталонными значениями А_этi и Ф_этi (где i=1...N, a N число элементов ФАР) в каждом из L=2^P состояний фазовращателя (p - число разрядов фазовращателя), различия между А _0i, Ф_i и их эталонными значениями А_этi и Ф_этi учитываются в процессе моделирования диаграммы направленности ФАР, отличающийся тем, что НЧ и СВЧ контроль проводится одновременно, для проведения СВЧ-контроля раскрыв ФАР разбивается на J квадратов со стороной равной , вписанных в окружности радиусом 4 , контроль излучателей и соединенных с ними каналов управления, имеющих номера и являющихся центрами описанных окружностей, проводится в случайном порядке, причем, если в результате СВЧ-контроля этих излучателей, параметры A_0i оказывается ниже своих эталонных значений А_этi, то проводится последовательный СВЧ-контроль и запоминание амплитуд и фаз токов возбуждения, а также координат m, n (где m - номер строки, n - номер столбца) излучателей, находящихся в j-м круге радиуса 4 , а при определении координат m', n' излучателя, характеризующегося наименьшей разностью параметров А _этi и A_0i, проводится СВЧ-контроль амплитуд и фаз токов возбуждения излучателей, находящихся в круге радиусом 4 и центром в точке с координатами m', n', которые еще не подвергались СВЧ-контролю в ходе предшествующей процедуры.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при контроле характеристик диаграммы направленности фазированной антенной решетки с дискретным управлением фазами токов возбуждения излучателей с помощью p-разрядных полупроводниковых фазовращателей.

Известен модуляционный способ контроля характеристик диаграммы направленности фазированной антенной решетки, реализованный в Пат. 3378846 (США, НКИ 343-100), в котором путем поочередного сверхвысокочастотного (СВЧ) контроля всех каналов управления в каждом из L=2^p их состояний, где p число разрядов фазовращателя канала управления, заключающийся в том, что фазовращатель контролируемого канала управления переключается из одного состояния в другое и обратно с частотой и анализируется спектр суммарного сигнала фазированной антенной решетки с целью определения комплексной амплитуды первой боковой гармоники ₁, отстоящей от основной частоты ₀ на ₁, которая принимается за амплитуду возбуждения излучателя. Измерение параметров выделяемой модуляционной составляющей сигнала позволяет получить характеристики отдельного канала управления, выявить неисправные каналы управления и провести расчет характеристик суммарной диаграммы направленности фазированной антенной решетки.

Недостатком данного способа является то, что он требует большого времени на проведение измерений характеристик всех каналов управления, обладает недостаточной точностью измерения характеристик диаграммы направленности, не учитывает взаимовлияния каналов управления и требует вывода радиолокационной станции из штатного режима на длительное время.

В А.с. 1062621 (СССР, МКИ G01R 29/10) предложен способ определения характеристик диаграммы направленности фазированной антенной решетки, в котором при реализации модуляционного способа в соответствии с Пат. 3378846 (США, НКИ 343-100) учитывается взаимовлияние отдельных каналов управления путем измерения характеристик каждого канала управления при случайном фазировании соседних каналов в круге радиусом 2-4 длины волны от контролируемого.

Недостатком данного способа является то, что он также требует большого времени на проведение измерений характеристик всех каналов управления и выведения радиолокационной станции из штатного режима на длительное время.

Сократить время на проведение измерений и повысить точность определения характеристик диаграммы направленности фазированной решетки позволяет известный способ контроля (Заявка 60-123107 (Япония), МКИ H01Q 3/36) методом вращения поля излучающего элемента, заключающийся в том, что проводится амплитудная модуляция поля фазированной антенной решетки путем последовательного изменения всех состояний фазовращателя (от 1-го до L-го) контролируемого канала управления и цифровая обработка принятого суммарного модулированного сигнала. В случае идеально настроенного канала управления фаза колебаний на выходе соединенного с ним излучателя изменяется с каждым переключением фазовращателя на одну и ту же величину (дискрет переключения фазовращателя), а вносимые потери каналом управления являются постоянной величиной Р, поэтому в результате калибровки получается эталонная зависимость изменения амплитуды поля фазированной антенной решетки при L переключениях фазовращателя. В процессе контроля каналов управления определяются отношения максимальных значений амплитуды поля фазированной антенной решетки к минимальным, а также фазовый сдвиг Ф при максимальном значении амплитуды. В результате сравнения полученного значения с эталонным определяется влияние каждого канала управления на диаграмму направленности фазированной антенной решетки.

Недостатком способа является то, что он требует выведение радиолокационной станции из штатного режима функционирования, что делает невозможным его применение в радиолокационных станциях (РЛС), обеспечивающих сопровождение быстролетящих объектов наблюдения в условиях воздействия разрушающих и возмущающих дестабилизирующих факторов и требующих оперативного контроля диаграммы направленности фазированной антенной решетки без выведения РЛС из штатного режима.

Расширение области применения способа контроля характеристик диаграммы направленности фазированной антенной решетки реализует известный способ, выбранный в качестве прототипа Пат. 2169376 (Россия), МКИ G01R 29/10. Для определения характеристик диаграммы направленности ФАР проводится НЧ-контроль, заключающийся в анализе реакций их фазовращателей на команды управления лучом ФАР и СВЧ-контроль, проводимый без вывода радиолокационной станции из штатного режима в интервалы времени, находящиеся за пределами стробируемых участков дальности, заключающийся в определении отношения максимальных значений амплитуды тока возбуждения i-го элемента ФАР к минимальному - A_0i, а также сдвига фазы тока возбуждения - Ф_i относительно заданных значений А _этi и Ф_этi (где i=1...N, а N число элементов ФАР), в каждом из L=2^P состояний фазовращателя (p - число разрядов фазовращателя), в случае выявления неисправности канала управления ФАР, по результатам проведения НЧ-контроля, проводится СВЧ-контроль неисправного i-го канала, при выявлении отличий А_0i от А _этi и Ф_i от Ф_этi проводится СВЧ-контроль всех каналов в радиусе 4 , различия между A_0i, Ф _i и их эталонными значениями и А_этi и Ф_этi учитываются в процессе моделирования диаграммы направленности ФАР.

Недостатком способа является то, что СВЧ-контролю подвергаются лишь те излучатели, каналы управления которых оказались неисправными в результате анализа реакций их фазовращателей на команды управления лучом антенной решетки, так как в процессе эксплуатации ФАР излучатель может иметь повреждения и при исправном канале управления. Данный способ не позволяет выявить подобные неисправности, что приводит к снижению достоверности контроля характеристик диаграммы направленности фазированной антенной решетки.

Целью предлагаемого изобретения является повышение достоверности контроля характеристик диаграммы направленности фазированной решетки. Поставленная цель достигается тем, что для определения характеристик диаграммы направленности ФАР проводится НЧ-контроль, заключающийся в анализе реакций их фазовращателей на команды управления лучом ФАР, и СВЧ-контроль, проводимый без вывода радиолокационной станции из штатного режима в интервалы времени, находящиеся за пределами стробируемых участков дальности, заключающийся в определении отношения максимальных значений амплитуды тока возбуждения i-го элемента ФАР к минимальному - А_0i, а также сдвига фазы тока возбуждения - Ф_i относительно заданных значений А _этi и Ф_этi (где i=1...N, а N число элементов ФАР), в каждом из L=2^P состояний фазовращателя (p - число разрядов фазовращателя), в случае выявления неисправности канала управления ФАР, по результатам проведения НЧ-контроля, проводится СВЧ-контроль неисправного i-го канала, при выявлении отличий А_0i от А _этi и Ф_i от Ф_этi проводится СВЧ-контроль всех каналов в радиусе 4 , различия между А_0i, Ф _i и их эталонными значениями и А_этi и Ф_этi учитываются в процессе моделирования диаграммы направленности ФАР, одновременно с НЧ-контролем проводится СВЧ-контроль, для этого раскрыв ФАР разбивается на J квадратов со стороной, равной , вписанных в окружности радиусом 4 -m', n', контроль излучателей и соединенных с ними каналов управления, имеющих номера и являющихся центрами описанных окружностей, проводится в случайном порядке, причем если в результате СВЧ-контроля этих излучателей параметры А_0i оказывается ниже своих эталонных значений А_этi, то проводится последовательный СВЧ-контроль и запоминание амплитуд и фаз токов возбуждения, а также координат m, n (где m - номер строки, n - номер столбца) излучателей, находящихся в j-ом круге радиуса 4 , а при определении координат излучателя, характеризующегося наименьшей разностью параметров А_этi и A_0i - m', n' проводится СВЧ-контроль амплитуд и фаз токов возбуждения излучателей, находящихся в круге радиусом 4 и центром в точке с координатами m', n', которые еще не подвергались СВЧ-контролю в ходе предшествующей процедуры.

Таким образом, предлагаемое изобретение имеет следующие отличительные признаки по сравнению с прототипом: СВЧ-контроль проводится одновременно с контролем реакций фазовращателей на команды управления, т.е. с НЧ-контролем, при этом СВЧ-контролю в случайном порядке подвергаются излучатели и соединенные с ними каналы управления на раскрыве ФАР, имеющие номера и являющиеся центрами описанных окружностей радиусом 4 с вписанными в них квадратами со стороной, равной ; объем СВЧ-контроля определяется результатами анализа параметра A_0i контролируемого j-го канала управления, и если он оказывается ниже своего эталонного значения А_этi, то проводится последовательный СВЧ-контроль и запоминание амплитуд и фаз токов возбуждения, а также координат m, n (где m - номер строки, n - номер столбца) излучателей, находящихся в j-ом круге радиуса 4 , а при определении координат излучателя с наименьшей разностью А_этi-А_0i - m', n' проводится СВЧ-контроль амплитуд и фаз токов возбуждения излучателей, находящихся в круге радиусом 4 и центром в точке m', n', которые не подвергались СВЧ-контролю в ходе предшествующей процедуры.

Выполнение указанных операций позволяет реализовать предлагаемый способ в радиолокационных станциях, обеспечивающих сопровождение быстролетящих объектов наблюдения в условиях воздействия разрушающих и возмущающих дестабилизирующих факторов, требующих оперативного контроля диаграммы направленности фазированной антенной решетки без выведения РЛС из штатного режима.

На фигуре 1 приведен вариант разбиения раскрыва ФАР на J квадратов со стороной, равной с описанными окружностями радиусом 4 ; на фигуре 2 приведен вариант СВЧ-контроля излучателей, находящихся в круге радиусом 4 и центром в точке m, n; на фигуре 3 приведен вариант технической реализации предлагаемого способа.

Изображенное на фигуре 3 устройство, реализующее данный способ, содержит: 1 - измерительный зонд; 2 - излучатель ФАР; 3 - канал управления ФАР; 4 - блок управления фазовращателями; 5 - цифровое вычислительное устройство (ЦВУ); 6 - блок контроля состояния каналов управления ФАР; 7 - фазированная антенная решетка; 8 - измеритель амплитуд и фаз; 9 - делитель-сумматор; 10 - генератор СВЧ.

Контроль характеристик диаграммы направленности предложенному способу осуществляется следующим образом.

При работе ФАР одновременно реализуются две ветви контроля функционирования ее каналов управления. В основе первой лежит анализ состояний переключающих элементов фазовращателей после установки их в состояния, соответствующие заданному положению луча ФАР (НЧ-контроль). Реализация такого контроля может быть осуществлена в соответствии с а.с. 1781641 (СССР, МКИ G01R 29/10), а.с. 321232 (СССР, МКИ G01R 29/10), а.с. 275531 (СССР, МКИ G01R 29/10), пат. 4005361 (США, МКИ G01R 31/02), пат. 2542435 (ФРГ, МКИ Н01Q 3/26, G01R 3/28). Информация о перечисленных факторах поступает на ЦВУ, осуществляющее моделирование диаграммы направленности антенны (ДНА) и определение ее характеристик.

После выявления отказавшего канала управления ФАР оценивается амплитуда тока возбуждения соединенного с ним излучателя путем амплитудной модуляции поля фазированной антенной решетки последовательным изменением всех L состояний фазовращателей контролируемых каналов управления в соответствии с известным способом-прототипом и определения отношения максимального значения амплитуды поля фазированной антенной решетки к минимальному

А_maxi /А_mini=А_0i.

В рассматриваемом примере каналы управления используют трехразрядные проходные pin-диодные фазовращатели. В качестве возможных неисправностей рассматриваются обрывы в цепях переключающих элементов секций фазовращателей и срез возбуждающего фидера. Предполагается, что при выявлении короткозамкнутых переключающих элементов фазовращателей от них с помощью устройств автоматики отключается питание. Поэтому при дальнейшем рассмотрении отказы такого типа будут проявлять себя как и обрывы в цепях переключающих элементов.

Перечисленные операции осуществляются без выведения РЛС из штатного режима в интервалы времени, находящиеся за пределами стробируемых участков дальности в соответствии с данными, приведенными в книгах: Хижа Г.С. и др. Сколник т.2, время переключения состояний полупроводникового фазовращателя составляет единицы наносекунд, а ферритовых - единицы микросекунд. Поэтому выделить участок в несколько сотен метров (1 микросекунда - 150 метров) для проведения СВЧ-контроля состояния излучателя не вызывает затруднений. При инерционности имеющихся в наличии средств регистрации измерения амплитуды могут осуществляться по одному из L (L - число состояний фазовращателей) измерений за период следования зондирующих импульсов.

На время контроля ФАР расфазируется (все ее фазовращатели устанавливаются в состояния =0). Информация об эталонных значениях амплитуд токов возбуждения i-x фазовращателей ФАР А_этi при различных сочетаниях отказов их каналов управления и различных командах управления хранится в памяти вычислительного устройства, осуществляющего расчет характеристик ДН.

При условии если А _0i=А_этi, т.е. излучатель отказавшего канала управления не имеет механических повреждений, информация о вышедшем из строя канале управления (его координаты, номер отказавшей секции, вид отказа) поступает на ЦВУ. Диаграмма направленности при этом определяется в соответствии с известным выражением для множителя ФАР (см. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток под ред. Д.И.Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1994. - 592 с.)

где A_0i - амплитуда тока возбуждения i-го излучателя ФАР;

Ф_i - фаза тока возбуждения mn-го излучателя ФАР (для выбранного направления излучения).

В случае, если А_0i<А _этi, т.е. установлен факт механического повреждения излучателя ФАР, то с помощью способа-прототипа оценивается изменение комплексной амплитуды возбуждения отказавшего канала управления ФАР и влияние этого изменения на характеристики соседних каналов управления, отстоящих от отказавшего на расстояния до 4 в соответствии с А.с. 1062621 (СССР, МКИ G01R 29/10) осуществляется оценка влияния вышедших из строя излучателей, при которой фазовращатели всех излучателей, находящихся в круге радиусом 2-4 длины волны от контролируемого перефазируются и в каждом состоянии путем СВЧ-контроля определяются параметры А_0i и Ф_i, сравниваемые с их эталонными значениями А_этi и Ф_этi, различия между значениями А_0i и А _этi, Ф_i и Ф_этi . Эти данные (как и результаты анализа реакций фазовращателей на команды управления лучом) отправляются на вычислительное устройство, где они учитываются в модели ФАР при определении характеристик ее ДН.

В основе второй ветви контроля параметров ФАР лежит СВЧ-контроль, для проведения которого раскрыв ФАР разбивается на J квадратов со стороной, равной , вписанных в окружности радиусом 4 (как показано на фигуре 1), контроль излучателей и соединенных с ними каналов управления, имеющих номера и являющихся центрами описанных окружностей, проводится в случайном порядке, причем, если в результате СВЧ-контроля этих излучателей, параметры А_0i оказываются ниже своих эталонных значений А_этi, то проводится последовательный СВЧ-контроль и запоминание амплитуд и фаз токов возбуждения, а также координат m, n (где m - номер строки, n - номер столбца) излучателей, находящихся в j-ом круге радиуса 4 , а при определении координат излучателя с наименьшей разностью А_этi-A_0i - m', n' проводится СВЧ-контроль амплитуд и фаз токов возбуждения, находящихся в круге радиусом 4 и центром в точке m', n', которые еще не подвергались СВЧ-контролю в ходе предшествующей процедуры (как показано на фигуре 2). Различия между A_0i, Ф _i и их эталонными значениями и А_этi и Ф_этi излучателя с наименьшей разностью А_этi-A_0i, находящихся в круге радиусом 4 и центром с координатами m', n', учитываются в процессе моделирования диаграммы направленности ФАР, т.о. оценивается изменение комплексной амплитуды возбуждения, поврежденного канала управления ФАР с координатами m', n' и влияние этого изменения на характеристики соседних каналов управления, отстоящих от отказавшего на расстояния до 4 . В соответствии с А.с. 1062621 (СССР, МКИ G01R 29/10) осуществляется оценка влияния вышедших из строя излучателей, при которой фазовращатели всех излучателей, находящихся в круге радиусом 4 от контролируемого, с координатами m', n', перефазируются и в каждом состоянии путем СВЧ-контроля определяются параметры A_0i и Ф_i, сравниваемые с их эталонными значениями А_этi и Ф _этi, различия между значениями А_0i и А_этi, Ф_i и Ф _этi. Эти данные отправляются на вычислительное устройство, где они учитываются в модели ФАР при определении характеристик ее ДН.

Таким образом с помощью способа-прототипа, как описано выше, реализуется лишь первая ветвь контроля функционирования каналов управления ФАР, а также оценивается изменение комплексной амплитуды возбуждения лишь для отказавшего канала управления ФАР, а также влияние этого изменения на характеристики соседних каналов управления, отстоящих от отказавшего на расстояния до 4 . В соответствии с Пат. 2169376 (Россия, МКИ G 01 R 29/10) осуществляется оценка влияния вышедших из строя излучателей, при которой фазовращатели всех излучателей, находящихся в круге радиусом 4 от контролируемого, перефазируются и в каждом состоянии путем СВЧ-контроля определяются параметры A_0i и Ф_i, сравниваемые с их эталонными значениями А_этi и Ф_этi , различия между значениями A_0i и А _этi, Ф_i и Ф_этi . Эти данные отправляются на вычислительное устройство, где они также учитываются в модели ФАР при определении характеристик ее ДН.

Реализация предлагаемого способа позволяет повысить достоверность и оперативность контроля характеристик ФАР, который может быть реализован в процессе боевой работы РЛС.

Техническая реализация предлагаемого способа может быть проиллюстрирована на примере устройства встроенного контроля характеристик ФАР, изображенного на фигуре 3.

В рассматриваемом примере ФАР 7 с равноамплитудным фидерным возбуждением состоит из излучателей 2, фазы токов возбуждения которых устанавливаются с помощью канала управления 3, представляющим трехразрядный полупроводниковый фазовращатель (т.е. дискрет переключения =45°, число состояний L=2^P=8), в качестве коммутационных элементов которого используются pin-диоды. Устройство управления секцией дискретного полупроводникового фазовращателя может быть выполнено в соответствии с Патентом США №3840827 (МКИ Н01P 1/18).

Блок управления фазовращателями 4 представляет собой вычислительное устройство, реализующее расчет требуемых фаз токов возбуждения излучателей 2 ФАР 7 в соответствии с кодом требуемого углового положения луча ФАР, при выявлении отказов блок управления фазовращателями 4 за пределами стробируемых участков дальности осуществляет последовательное изменение всех L состояний фазовращателя контролируемого канала, при этом фазовращатели всех остальных каналов устанавливаются в нулевые состояния. При выявлении механических повреждений излучателей (A _0i<А_этi) блок управления фазовращателями 4 в соответствии с командами, поступающими от ЦБУ 5, осуществляет перефазировку фазовращателей всех излучателей в круге радиусом 2-4 длины волны от контролируемого излучателя для оценки влияния поврежденного излучателя на амплитудно-фазовое распределение.

Делитель-сумматор 9 обеспечивает распределение СВЧ-энергии, поступающей на него от приемопередающего блока 10, при работе радиолокационной станции в режиме «Передача», а также суммирование сигналов, поступающих на излучатели 2 ФАР 7, и передачу их к приемопередающему блоку 10 в режиме «Прием».

Блок контроля каналов управления 6 после установки их в состояния в соответствии с командами блока управления фазовращателями 4 осуществляет контроль состояний переключающих элементов фазовращателей и сравнивает их с рассчитанными в блоке 4. При несоответствии реального состояния рассчитанному, на основе анализа реального состояния, выдается информация на ЦВУ 5 о характере отказа. Блок контроля каналов управления может быть реализован в виде одного устройства из предложенных в А.С. 1781641 (СССР, МКИ G01R 29/10), А.С. 275531 (СССР, МКИ G01R 29/10), А.С. 3212321 (СССР, МКИ G01R 29/10), Пат. 4005361 (США, МКИ G01R 31/02), Пат. 2542435 (ФРГ, МКИ Н01Q 3/26, G01R 2/28).

Информация блока 6 поступает на ЦВУ 5 в цифровом виде.

Измеритель амплитуд и фаз 8 осуществляет измерение амплитуды и фазы сигнала, принятого измерительным зондом 1. В цифровом виде информация от измерителя 8 поступает на ЦВУ 5.

Цифровое вычислительное устройство 5 параллельно реализует функции, фактически описывающие работу первой и второй ветви контроля параметров ФАР.

Функции, выполняемые ЦВМ для реализации НЧ-контроля:

расчет и выдачу кодов требуемого положения луча для блока управления фазовращателями;

прием и хранение поступающей от блока 6 встроенного контроля информации о координатах неисправных фазовращателей, номерах отказавших секций управления (переключающих элементов) и видах отказов (обрыв или короткое замыкание);

Функции, выполняемые ЦВМ для реализации СВЧ-контроля:

выдачу кодов излучателей на блок 4 для проведения СВЧ-контроля в соответствии с информацией от блока 6;

генерацию кодов j-x (где ) излучателей на блок 4 для проведения СВЧ-контроля;

определение отношения максимального значения амплитуды поля фазированной антенной решетки к минимальному - A _0i и фазового сдвига Ф_i (где i=1...N, а N - число элементов ФАР) при максимальном значении амплитуды и сравнение их с эталонными значениями А_этi и Ф_этi в соответствии с информацией, поступающей от измерителя 8;

определение отношения максимального значения амплитуды поля фазированной антенной решетки к минимальному - A _0i и фазового сдвига Ф_i токов возбуждения j-x излучателей (где i=1...N, а N - число элементов ФАР) при максимальном значении амплитуды и сравнение их с эталонными значениями А _этi и Ф_этi в соответствии с информацией, поступающей от измерителя 8;

определение отношения А _0i и фазового сдвига Ф_i;

выявление излучателя с наименьшей разностью А_этi-А _0i и запоминание координат m', n';

выдачу кодов излучателей на блок 4 для проведения последовательного СВЧ-контроля излучателей, находящихся в j-ом круге радиуса 4 в соответствии с информацией от блока 5;

оценку влияния вышедших из строя излучателей, при которой фазовращатели всех излучателей, находящихся в круге радиусом 4 от контролируемого, перефазируются и в каждом состоянии путем СВЧ-контроля определяются параметры A_0i и Ф_i, сравниваемые с их эталонными значениями А_этi и Ф_этi ;

запоминание и хранение координат поврежденных излучателей ФАР с наименьшей разностью А_этi-А _0i и координатами m', n';

хранение таблиц эталонных значений А_этi и Ф _этi;

учет в процессе моделирования диаграммы направленности фазированной антенной решетки значений A_0i и Ф_i;

Таким образом предлагаемое изобретение позволяет повысить достоверность контроля характеристик ФАР в процессе боевой работы радиоэлектронной системы, что позволяет эффективнее использовать РЛС в условиях воздействия разрушающих и возмущающих дестабилизирующих факторов, что в конечном итоге позволяет расширить область применения способа.