автореферат диссертации по электронике, 05.27.05, диссертация на тему:Алгоритмы и устройства управления малоразмерными ФАР с дискретными фазовращателями

Р Г 6 мш1)вскии государственный институт электронной техники

(технически» университет)

На правах рукописи

Экз. № /0_

удк 621.396.96

абрамов андреи алексеевич

■ алгоритмы и устройства управления малоразмерными фар с дискретными «газовращателями

Специальность 05.27.05 - Интогролышо радиоэлектронные устройства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учоной стопени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре микроэлектроншх радиотехнических устройств и систем Московского орд&на Трудового Красного Знамени государственного института электронной техники.

- доктор технических наук, с. н. с. Черняков М. С.

- зав. каф. 4МПВП МФТИ д.ф.-м.н., проф. Лукин Д. С.

- к.т.н.,с.и.с. СКВ "Гадал" Джигзн В. И.

- Научно-исследовательский институт микроприборов, г. Москва

Защита состоится "_"_ 1993 г. в__часов на

заседании Специализированного Совета Д.053.02.02 при Московском государствоняом институте электронной техники.

Адрес института: 103498, Москва, К-498, МИЭТ.

С диссортацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " *__ 1993 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета

Д.053.02.02 кандидат физико-математических наук

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущая организация

Б. М. Орлов

ОВШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРГА1Щ01Ш0П РАБОТЫ

Актуальность теми. Прогросс в развитии радиотехнических систем (РТС) связан с решением задачи их комплексной микроминиатюризации. При этом антенные и високочастот;ше тракты приемников и передатчиков СВЧ-диапазонов являются одними из центральных звеньев отой проблемы. Наиболее полно достижения интегральной радиоэлектроники воплощаются в теории и тохнико активных фазяровашшх антеншх решеток (АФАР). В них оказывается возможным применение интогрзльнпх радиоэлектронных устройств микронолосковых линий передачи, СБЧ полупроводниковых усилителей пвродаиши и приемннх трактов, диодных и транзисторных дискретных фазовращателей1 (ФБР) и т.д. Введение в РТС ФАР требует решения нелинейной задачи поиска фаз возбуждения алиментов раокрыва для создания требуемой диаграмм! направленности (ДЮ. Она в значительной степени усложняется возможностью использования на практике только малоразрядних ФБР (3-4 разряда), долящую ео дискротной.

Б настоящее время число публикаций, отражающих различные аспекты управления ФАР, только в отечественной литературе составляет сотни наименований в год. Несмотря на это для ряда практически важных задач требования, предъявляемые •• к

радиосистемам, выходят за рамки возможностей существующих алгоритмов управлешш, что в значительной степени сдерживает внедрение ФАР в практику. Поэтому разработка и исследование ноеых более эффективных алгоритмов, учитывающих конструкторские и технологические возможности интегральной радиоэлектроники и средств их реализации, является актуальным.

ИсследоЕание РТС с ФАР с помощью теории пространственно-временной фильтрации позволяет описывать и анализировать процессы, происходящие в пространственной области, опираясь на опит и методы цифровой фильтрации: г-преобразование, . дискрэтное ггрооо, изование Фурье и т. д. Одним из направлений, активно развиваемых ь последние года в области цифровой. фильтрации, является нестационарная обработка сигналов. Благодаря быстрому изменению параметров фильтров удается частично парировать проблемы, связанные с ограниченностью разрядной сетки, представления констант, быстродействием элементной базы. В силу того, что аналогичные проблемы имеют место и при проектировашш ФАР, причем они еще в большой степени отягощены относительно низким уровнем интеграции СЕЧ-микроэлектрошшх устройств в сравнении с . цифровыми, представляется актуальным распространить методы нестационарной цифровой обработки сигналов на пространственную область.

Цель работа. Целью настоящей диссертационной работы является исследование эффективности методов управления ФАР с дискретными СГ-.Р, сформированных с учетом возможностей нестационарной фильтрации, и разработка на этой базе более совершенных алгоритмов; определение путей программной и аппаратной реализации предложенных решений, создание методик расчета соответствующих устройств. Работа ориентирована на плоские эквидистантные решетки с относительно небольшим числом алементов (до сотни), дискретными малоразрядными ФБР (до 4-5 разрядов). Основное внимание уделяется моноимпульсной следящей РТС, хотя подход распространим и на другие типы радиосистем.

Для достижения указанной цели были решены следующие задачи: - проанализировано современное состояние теории и техники

управления ФАР, нестационарной цифровой фильтрации;

- дано математическое описание ФАР, как нестационарного фильтра, и физическая интерпретация полученной аналогии;

- исследована эффективность известных методов управления ФАР о дискретным фазовым управлением и разработаны новые более эффективные алгоритмы точной установки нуля разностной ДН моноимпульсноП ФАР;

- проведена оценка справедливости теоретических расчетов и выводов по результатам экспериментальных измерений;

- определены требования к параметрам устройства управления моноимпульсноП ФАР;

- разработана методика пересчета данных угловых измерений с учетом возможных погрешностей установки и юстировки полотна ФАР к требуемой системе координат.

Методы исследования. Для решетя поставленных задач в работе использованы метода математического анализа нестационарных цифрегах фильтров, статистической радиотехники, а также машинное моделирование и экспериментальные исследования.

Научная новизна. В хода проделанной работы получены новые результаты:

математическое описание пространственного нестационарного фильтра;

- математическая аналогия между ФАР с неадаптивно изменявдимися параметрами амплитудно-фазового распределения и цифровым нестационарным фильтром;

- определена степень декорреляции пассивной помехи для обработки сигналов ФАР с переменным во времени фазовым распределением (ФР) и предложен способ улучшения характеристик СДЦ;

-б- качественное и количественное описание процесса преобразования ФАР пространственно-временного сигнала во временную область с использованием математического аппарата нестационарной фильтрации;

- на основе спектральных методов исследован механизм уменьшения влияния дискретности фазирования на формируемую ДН для алгоритмов врьмешюго н апертурного сглаживания;

- оценка достижимой точности наведения луча для строчно-столбцевых и поэлементных алгоритмов упрпвлет1я дискротно фазируемыми ФАР;

- с использованием подходов нестационарной фильтрации исследована эффективность различных алгоритмов дискретного фазирования.

Практическая ценность работа заключается в следующем:

- синтезирован ряд поэлементных алгоритмов расчета ФР, позволяющих реализовать доепшхмую точность наведения луча двумерных дискретно фазируемых ФАР;

- разработаны принципы построеш1я вычислителей фаз, реализующих предложенные высокоэффективные алгоритмы;

- создана методика пересчета данных угловых измерений к единой системе координат с учетом реальных погрешностей установки полотна ФАР.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Описание ФАР, как нестационарного пространственно-временного фильтра.

2. Исследование влияния обработки сигналов ФАР с переменным во времени ФР на приемный тракт РТС.

3. Алгоритм расчета дискретного ФР двумерной ФАР, позволяющий уменьшить влияние дискретности фазирования на форлируемую ДН.

4. Определение .дэстиэдюй точности наведения луча' для строчно-столбцевых и поэлементных алгоритмов управления дискретно

фазируемых ФАР.

5. Алгоритм« послед..нательного й последовательно-параллельного расчета дискретного ФР, предельно уменьшающие влияние дискретности фазирования на точность измерения угловых координат.

6. Оригинальные устройства управления лучом С'АГ.

Реализация результатов работы. Результаты диссертации использовались при выполнении ОКР "Дождь" по разработке микроэлектронного аэрологического радиолокатора (МАРЛ) по заказу Роскомгидромета.

В ОКР "Дождь" для обеспечетм требуемой точности измерения угловых координат используотся предложенный в диссертации алгоритм упрэвлешя ФАР, основанный на накоплении ошибок дискретности и с учетом неидэалышсти 4-х разрядных ФБР.

Апробация результатов. Основные результаты диссортацисячой работы доложены на семинарах кафедры микроэлектронных радиотехнических устройств и систем Московского государственного института электронной техники; на Всесоюзных конференциях "Научно-технический прогресс и эксплуатация воздушного транспорта", Москва, МИИГА, 19?0г.; "Перспективы развития и применения средств вычислительной техники для моделирования и автоматизированного исследования", Москва, 1991г.; научно-технической конференции "Передача, прием и обработка сигналов в системах радиосвязи", Ростов, 1990г. ^ ...

Публикации. Результаты диссортации опубликованы в десяти печатных работах в журналах "Радиотехника", "Известия ВУЗсв. Радиоэлектроника", "Электронная техника. Серия 10", "Вопросы радиоэлектроники", в опубликованных материалах указанных выие конференций.

Обьем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из сведения, пяти глав, пяти приложений и списка литературы. Работа изложена на 235 страницах машинописного текста, в том «челе 177 страниц основного текста, 19 страниц рисунков, 24 страницу приложений и списка литературы из 126 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, кратко изложены содержание глав, основные результаты, научная новизна и практическая ценность диссертации.

В порюй (обзорной) главе рассматриваются не адаптивные алгоритмы управления ФАР с непрерывными и дискретными ФВР и способы их технической реализации. Она является введением в данную проблематику и определяет основные задачи, решаемые в диссертации.

В качестве алгоритмов синтеза на непрерывном множестве известно использование поисковых методов, основанных на минимизации функционалов, и расчетных методов, основанных на установлении функциональных зависимостей между требуемыми изменениями фазовых сдвигов в элементах ФАР и направлениями на источшжи сигналов. Возможны два пути поиска требуемых ФР. В первом предполагается, что исходное ФР далеко от искомого, и тогда задача решается методами нелинейного программирования. Второй основан на приближении малых фазовых возмущений, что позволяет получить ее аналитическое решение.

На дискретном множестве фазовых сдвигов в качестве поисковых алгоритмов известно применение динамического программирования, алгоритма ветвей и границ, случайного поиска, аналогов градиентных пр9оддур, разработанных для ФАР с непрерывным фазированием. Более простым с точки зрения вычислений, но менее эффективным является получение диисретного ФР из соответствующего непрерывного путем его квантования. Эти алгоритмы в свою очередь делятся на две группы -детерминированные и статистические.

Основные проблемы анализа алгоритмов дискретного фазирования связаны с нелинейностью задач фазового синтеза, использованием малоразрядных ФБР. Существуйте алгоритмы, снижающие влияние дискретности ФБР на точность измерения угловых координат, не всегда обеспечивают выполнение требований, •' предъявляемых к РТС. Исследования ограничиваются в основном теоретическими расчетами и результатами моделирования. Оценка соответствующих выводов данными экспериментальных измерений не проводится.

В качестве средств технической реализации алгоритмов управления'используются как универсальные, так и специализированные вычислительные устройства. Анализ показал, что возможности выполнения шли все более усложняющихся задач по управлению ФАР ограничены. Важным элементом сокращения этого разрыва является создание новых эффективных аппаратно ориентированных алгоритмов.

Одним из направлений исследования радиосистем со сложными антеннами является теория пространственно-временной фильтрации. Сигналы возбуждения отдельных элементов антенных решеток рассматриваются здесь как дискретные выборки непрерывной функции распределения поля. Это позволяет распространить на ФАР подходя цифровой фильтрации. Основные результаты в этой области связзны с

использованиом ошта оптимальной фильтрации, стационарной обработки дискретных временных сигналов. Процесс обмена идеями в атом направлении можно считать сложившимся.

Далее изложены известные из литературы основные положения и способы описания нестационарных линейных дискретных систем (1ОДС), пути решения с их помощью проблем временной фильтрации и ставится задача распространенна данных методов на пространственную фильтрацию.

Во второй главе исследуются вопросы прохождения сигналов через ФАР с СГ, переменным во времени. Показнно, что неадаптивное изменение дискретных параметров амплитудно-фазового распределения с последующим накоплением выходного сигнала является шшлогом цифровой нестационарной фильтрации. Полученные в работе характеристики оиис&ния ФАР, как линейной дискретной системы с переменными параметрами, сведены в таблицу 1.

Таблица 1

Характеристики ФАР Выражение

Импульсная карактв-ристика (ИХ) П(ш,.,п1.)=Г(п1.;и0)5(т1-п4)

Обобщенная частотная характеристика (ОЧХ) Н(и),пг)-Р(п1.;и0)

Бичастотная характеристика (БЧХ) Н(ы.ш').= ) Р(п{;и0)е г

где Г (п^.и^,) - ДН ФАР в мсмонт времени г^; и - част<9га сигнала; и0=соз90 - направлчние луча в пространство. Ойцг.е выражения ИХ, ОЧХ

И БЧХ ФАР раскрыты г ля алгоритма изофазной подставки, в основа которого лежит изменение фаз возбуждения4 всех излучаицих элементов раскрыпа одновременно в каадом периоде зондирования на постоя1шую величину. Благодаря тому, что одно и тоже угловое положение луча формируется последовательностью ФР с различным набором фззовых бшибок, то их усреднение (накопление сигнала) уменьшает искажения результирующей ДН, вызванных дискретностью ФБР. Показано, что в процессе такой временной обработки стационарный входной сигнал (и полезный сигнал и пассивная помеха) становится нестационарным на выходе. Амплитуды комбинационных составляющих спектра выходного сигнала

Аш*<«>= 2 спр<и - тгп>г{'х»5вх<« -- т>

П=-<о

п з1п(Аф/2) , в1п(тсп/М>

где С =<-1 > —- ;8,(;=тг!)= ;М - число усредняемых ФР;

п р (Дф/гште) 1 " та1/м Лф-Зтг/г - мштмалышй дискрет фазы р-разряднсго ФБР, будут

определяться значениями идеальной ДН в точках, отстоянии от

направления ' прихода сигнала на кратное углу сканирования

расстояние, уменьшаясь пропорционально номеру гармоники. С общих

позиций нестационарной фильтрации исследовано влияние переменности

параметров ФАР на характеристики РТС в целом.

Сравнение характеристик решетки с изофазной подставкой и без

нее, проведенное путем численного моделирования, показало, что при

условии усреднения М возможных ФР, точность наводения луча,

нормированная к ширина ДН по уровню половинной мощности,

определяется числом излучател ¡1 N и эквивалентной разрядность»

ра-р+1с^М (А9/0о Последним определяется также уровень

коммутационных боковых лепесткон.

Представлены методика и данные натурных испытаний ФАР с изофэзчэй подставкой в отношении искалания спектров сигналов, а также измерения угловых координат, проведенные для огг деления эффективности теоретических расчетов. Сравнительный анализ показал высокую степень совпадения теоретических и экспериментальных результатов. Натурными испытаниями подтверждено неодинаког-ое искажение спектра входного сигнала в зависимости от направления его прихода (см. рис. 1).

л л "V- Ч I

$У

I

\

4 I I

10

о)

Рцс. 1 Спектр выходного сигнала -ЗдБ «'АР.

а, - сигнал посту--6дБ пает по основному

лепестку;

б. - сигнал поступает по боковому лепестку.

ЮдБ

Экспериментально полученное уменьшение погрешности пеленгации за счет дискретности фазирования при усреднении углового рассогласования по 8-ми изофазным подставкам (~7') хорошо согласуется с теоретической оценкой и результатам/, моделирования (~6.5'). Показано, что наряду с дискретностью существенный вклад в снижение точности наведения луча вносит неидеалыюсть фэзовых сдвигов, причем для реально используемой разрядности (3,4) и числа изофазных подставок погрешности обоих факторов сравнимы по величине.

При формировашш на раскрыве ФАР периодически нестационарного во времени ФР амплитудно-фазовой модуляции подвергается и пассивная помеха. В рамках оценки влияния алгоритма иэофазнсй подставки на

приемной тракт РТС с ФАР для пассивной помехи определена степень ее декорреляции я снижет, качества селекции движущихся целей (СДЦ) на примере' схемы однократной череспериодной компенсации. Зависимость коэффициента подавления пассивных помех последней от направления й« прихода и параметров изофазйой подставки Приведена на рис. ?.

о,8Б 20

Г6

л

/а

Рис. 2 Коэффициент по-дэвлгИйй однократной 'ГО.

а. - р-2, помеха поступает по боковым лепесткам

б. - р-5, помеха посту-пае* Но бокоьим лепесткам.

в. - р-2, помеха поступает по основному, лепестку.

Показано, что для систем с высокими требованиями к характеристикам СДЦ введение временного сглакивания ошибок дискретности фазирования малопригодно. Для ослабления негативного влияния декорреляции пассивной Помехи lia ео селекцию предложено уменьшить интервал .переключения и усреднения фазовых ощибок до длительности зондирующего импульса. Тогда коэффициент подавления D возрастает на 1УдБ. Показано, что изменение автокорреляционной функции сигнала из-за его паразитной модуляции, йоэникающей при усреднении Фазовых оиибок за время длительности зондирующего импульса, определяется в основном дискретностью ФБР и структурой сигнала. Основной "платой" за улучшение характеристик СДЦ является существенное повышение требований по быстродействию к системе управления лучом ФАР.

В третьей главе предлагается описание и исследование ФАР на базе общей теории пространственно-временной фильтрации. Для анализа Используется аппарат линейных пространственных частот (1>2тш0А)Б этом случае избирательные свойства ФАР описиваат ее , ДН, а

1 эквивалентом временной координаты выступает расстояние по раскрыву.

Проведена аналогия между N элементной ФАР и нерекурсивным дискретным нестационарным фильтром, выходная реакция которого определяется усреднением N выходных отсчетов. Получены характеристики линейной ФАР, как четырехполюсника с переменными параметрами, дана их физическая иллюстрация.

Показано, что в процессе приема сигнала ФАР происходит не только исказит» его спектра (пространственного и временного), но и преобразование информации о пространственных параметрах цели во временную область. Как и для нестационарной Фильтрации, это связано с изменением спектрального состава сигнала. Для простейшего случая постоянного во времени ФР все гармоники пространственного спектра прообразуются на выходе антенны на несущую временную частоту сигнала. Для последней формально введены соответствующие характеристики прообразования пространственно-временного обобщенного спектра. Показано, что повышение качества пространственной фильтрации, достигаемое введением дополнительной временной обработки в каналах, связано с различном характером преобразования гармоник пространственного спектра во временную область.

С позиции теории пространствошю-временной {мльтрации проанализировано уменьшение влияния дискретности фазирования на формируемую ДН для алгор!тма изофазной подставки. В результате гармоники пространственного спектра, обязанные точному фазированию и ошибкам дискретности, на выходе ФАР занимают различные участки временного частотного диапазона. Первые преобразуются на несущую частоту, центральные чйстоты вторых отстоят от нее на величину Ада, кратную времени формирования всего набора ФР Т (Ди=2тс/Т ).

ЭЭДякт сглаживания ошибок дис1сретности достигается их последующей селекцией в приемном тракте.

Пространственное положение цели задается двумя координатами. Наиболее распространенный способ анализа двумерных функций -исследование совокупности ее сечений в различных плоскостях, в предположении, что вторая координата - пврамвтр. Проводится еиализ обеих возможных при этом моделей ФАР (см. рис. 3).

Рис. 3 Модели ФАР для преобразования п,^ет-ранетвенного спектра.

Подробно рассматривается вторая схема, которая выделяет специфику двумерной решетки, позволяя описывать связь ортогональных сечений пространственного спектра. Анализ найденных при этом характеристик преобразовашя показал, что последние могут быть получены из аналогичных выражений пространственно-временной обработ,..

формальной заменой временной координаты на вторую пространственную. Для алгоритма изофазной подставки эта' замена приводит к новому апертурному алгоритму вычисления дискретного ФР двумерной ФАР. В результате ДН в азимутальной (угломестной) плоскости образуется совокупностью парциальных ДН строк (столбцов)' излучателей, на каждой из которых реализовано одно из последовательности дискретных ФР с различным набором фазовых ошибок в течении всего времени накопления сигнала (см. рис.4). Предложенный алгоритм позволил повысить точность наведения 'нуля разностной ДН моноимпульсной ФАР путем введения начальных ФР специального вида (рис.5).

Рис. 4 Распределение фазовых ошибок.

Рио. 5 Вид пространственной изофазной'подставки. Исследования показали эквивалентность предложенного алгоритма В отношении точности наведения нуля разностной ДН по сравнению с алгоритмом изофазной подставки при усреднении на раскрнве N^/2 (N^/2) парциальных ФР при отсутствии характерных для последней модуляционных помех и соответствующего снижения эффективности таких, систем, как СДЦ. По сравнению с известными алгоритмами апертурного сглаживания ошибок дискретности он имеет преимущества по этому параметру для малоэлементных ФАР, у которых число строк.и столбцов различно.

В четвертой главе проанализирована эффективность различных дискретных алгоритмов управления ФАР.. Исследования показали, что вклад алгоритма в ухудшение качества формируемой ДН зависит от критерия оценки последнего и может быть сравним с ошибками за счет собственно дискретности ФВР, либо сведен к нулю выбором

соответствуюцей вычислительной процедури. Характеристикой качества управления принята определяемая в задачах фазового синтеза величина среднеквадратичного отклонения формируемой ДН по отношению к минимально достижимой.

Использование рассмотренного в диссертации подхода нестационарной временной фильтрации позволяет оценить вклад в результирующую погрешность известных алгоритмов и синтезировать новые процедуры вычисления дискретных ФР. Поставленная задача решена путем ее сведения к минимизации квадратичной фпады с линэйними ограничениями.

Исследование алгоритма изофазной подставки при требовании минимизации отклонения ДН на интервале, равном периоду множителя решетки, показало, что фазовые сдвиги в ФВР, переключаемые при смене ФР, принимают требуемые значения, отличие заключено в скважности закона переключения временной диаграммы (см. рис.6).

Рио. 6 Измененг фазового сдвига

ТГ ,' -г- /~гНП в элементе ФАР.

¡~ <г 'уср/ ц

--1--—„

1« ТусР 4

На основашш численных расчетов сделан вывод, что снижение эффективности по отношению к оптимальной процедуре квантования не превышает 0.2 дБ. Аналогичные вывода справедливы также для предложенного в третьей главе апертурного аналога изофазной подставки для двумерной ФАР.

Ограничивая сектор минимизации среднеквадратичного отклонения областью нуля разностной ДН, • исследованы характеристики ФАР в отношении точности наведения луча. Для используемого подхода к

строчно-столбцевым алгоритмам управления ограничивающие условия квадратичной формы дополняются требованиями бинарности переменных. Известные методы ее оптимизации не дали ожидаемого результата в силу плохой сходимости. Поэтому исследование было проведено при введении определенных допущений по двум направлениям пренебрежении целочисленностыо решения и синфазной суммарному составляющей разностного сигнала. Для реально используемой разрядности 13-4) среднеквадратичное отклонение достигает минимума в точке, где вклад синфазной составляющей в формирование разностной ДН мал. Исследования показали, ' т дискретные ФР, полученные с использованием алгоритма накопления ошибки дискретности, принадлежат области возможных' решений, обеспечивающих минимизацию принятого критерия.

Получена оценка достижимой точности наведения луча для

произвольного амплитудного распределения на раскрыве:

N

о(де/в0 5)й 1 .ззлА/сгР ^ а(П), 1=1

где ¿А - максимальная величина, кратная амплитудам возбуждения всех излучателей А(1).

В результате анализа выявлено, что вклад каждого элемента ФАР в окрестности нуля разностной ДН определяется только соответствующей фазовой ошибкой и не зависит ни от места его расположения, ни от формы раскрыва, в том числе его размерности. Последнее дало возможность перейти от строчно-столбцевых алгоритмов к поэлементным, сохраняя принятые подходы к анализу. Предложены апертурные алгоритмы, позволяющие предельно уменьшить влияние дискретности фазирования на точность измерения угловых, координат

двумерной ФАР. Показано, что достижимая при этом точность наведения луча для равноамплитудной плоской ФАР в обеих плоскостях сканирования определяется общим числом излучателей Иоб1Ц

общ

Оба предлокешшх алгоритма для предельного случая линейной решетки,

состоящей из одного столбца или строки, сводятся к рассмотренному

выше. Первый, по сравнению со вторым, позволяет существенно

повысить быстродействие вычислений при их выполнении аппаратными

средствами (примерно в Н N /(И +М Л раз). При сканировании в одной х у х у

плоскости фазовый сдвиг ФБР каздого элемента является результатом накопления ошибки дискретности по строке (столбцу) и их сглаживания по второй координате согласно предложенному апертурному аналогу изофазной подставки. Для скЕНшроваиия в двух плоскостях соответствующие фазовые сдвиги для каждого элемента раскрывв складываются.

Второй алгоритм основан на накоплении ошибки дискретности по двумерному раскрыву с учетом- требований минимизации искажения разностных ДН во взаимно перпендикулярных плоскостях. Он удобен для программной реализации и позволяет также учесть предварительно обмеренные ошибки ФВР за счет их неидеальности. .

В пятой главе рассматриваются требования к основным параметрам и вопросы разработки устройств управления дискретно фазируемыми ФАР моноимпульстгах РЛС. Представлен специализированный вычислитель ФР' (СВФ) управления 64-х элементной АФАР, имеющей 3-х разрядные ФВР и реализующий алгоритм изофазной подставки. Формирователь парциальных ФР для N элементной решетки состоит из набора такого же числа

двоичных счетчиков с предварительной установкой и одним тактовым входом. Разрядность входа предустановки определяется разрядностью ФБР и числом изофазных подставок М согласно соотношению р+Хо^М. Цена каждого тактового импульса счетчика равна величине минимальной изофазной подставки. Частота следования импульсов записи 1 определяется полосой пропускания в приемлем тракте ЛГ^ (Г3=йГпп). Для используемого экспериментального макета РЛС ¿1^=3 кГц. Частота тактовых импу-.осов 10 в М раз больше. СБ® выполнен на элементах 564-й серии.

Для разработки, настройки и -черативного контроля СВФ был разработан программно-аппаратный имитатор работы отдельных частей СВФ и всего блока в целом. Натурные испытания с использованием СВФ показали , высокую степень совпадет, теоретических и экспериментальных результатов.

Представлена программа. и средства аппаратной поддержки устройства управления лучом 64-х элементной АФАР МАРЛ с 4-х . разрядными ФБР на базе предложенного в предыдущей главе поэлементного алгоритма расчета ФР. Программа расчета ФР написана на языке АБЗИШЬЕй. Входными данными являются координаты положения луча в радианах, выходными - набор 32-х шестнадцатиразрядных слов, содержащих информацию о фазе м номере соответствующего элемента. Требуемый объем памяти программы определяется в основном массивом значений тригонометрических функций (расчет направлявших косинусов в реальном масштабе времени снижает быстродействие алгоритма приблизительно в 2 раза) и для заданной точности наведения луча и сектора сканирования Составляет 16КСаЙт, Экспериментально определенное время выполнения вычислений для различных стандартных вычислительных средств, используемых в

качество управляющей ЭВМ, составило ДВК-2Ы - 28мс, ДВК-3 - 14мс, PC/AT 286 - 2мс. Натурные испытания макета РТС с разработанной системой управления АФАР подтвердили теоретические оценки точности измерения угловых координат.

Разработана методика пересчета данных угловых измерений с учетом возможных погрешностей установки и юстировки полотна АФАР. Пересчет включает в себя два основных этапа: переход от координат электронного отклонения луча ФАР к координатам, связанным с осью механического вращения решетки в азимутальной плоскости и определение углового положения цели в системе координат, связанных с земной поверхностью. Последнее необходимо если механическая ось вращения не перпендикулярна земной поверхности. Это снижает требования к конструкции и эксплуатации MAPJI. Предложенная методика использована при обработке экспериментальных данных угловых измерений.

В пятой главе содержатся такхе функциональные схемы устройств управления ФАР, описание структурных схем двух используемых и л натурных испытаний экспериментальных макетов РЛС, методика измерений, условия их проведения. _

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы:

1. Показано, что нэадаптивное изменение во времени. дискретных параметров амплитудно-фазового распределения ФАР с последующим накоплением выходного сигнала является аналогом цифровой нестационарной фильтрации. Исследованы спектральные характеристики' выходного сигнала ФАР с периодически меняющимся во времени -ФР, их зависимость от направления прихода сигнала, параметров решетки.

2. Определена степень декорреляции пассивной помехи и снижения

козффициента подавления устройств СДЦ в рамках оценки влияния алгоритма изофазной подставки на приемный тракт РТС с ФАР. Предложен способ ослабления декорреляции пассивной помехи, что позволяет повысить коэффициент подавления на ~13дБ.

3. Проведенное на базе общей теории пространственно временной фильтрации исследование показало, что прием ФАР сигнала связан с изменением его пространственного спектрального состава. Качественно и количественно этот процесс описан с использованием математического аппарата нестационарной фильтрации временных сигналов.

4. Уменьшение влияния дискретности фазирования ка фг: мируемую ДП

для алгоритмов временного и апертурного сглаживания связано с

обеспечением оптимального характера преобразования гармоник

пространственного спектра. На основании этой особенности предложен

апертурный аналог ' алгоритма изофазной подставки, в котором

характерные для применения последней модуляционные помехи

принципиально отсутствуют. По отношению к известным алгоритмам

апертурного сглаживания ошибок дискретности выигрыш в установке

равносигналыюго направления с помощью данного алгоритма составляет 1/2 1/2 ~Шу/2) ((N/2) ) раз.

5. Использование предложенных в диссертации подходов позволило оценить погрешности известных, алгоритмов и синтезировать новые процедуры вычисления дискретного ФР:

-- показано, что эффективность алгоритма изофазной подставки в формировании ДН для заданного угла сканирования зависит только от разрядности ФБР и набора ошибок округления по элементам решетки, увеличиваясь с ростом числа изофазных. подставок. Аналогичные выводы справедливы и для предложенного апертурного аналога для двумерной

ФЛР;

- выяснено, что алгоритм накопления ошибок дискретности позволяет реализовать возможности строчно--столбцевых методов управления ФАР в отношении точности наведения луча. Синтезированы два апертурных метода поэлементного расчета ФР, обладающих аналогичным достоинством. По отношению к известным алгоритмам их использование снижает погрешность наведения луча за счет ошибок дискретности фазирования в Раз;

- получены выражения достижимой точности наведения луча для строчно-столбцевых и поэлементных алгоритмов управления дашсротно фазируемых ФАР.

6. Разработаны, изготовлены аппаратные и программные средства и проведены экспериментальные исследования различных алгоритмов, обеспечивающих повышение точности наведения луча, подтвердивших справедливость теоретических выводов.

Т. На базе экспериментальных макетов созданы основы проектирования соответствующей аппарату^ .. В частности, решена задача обеспече; я требуемой точности измерения угловых 'координат, в ОКР МАРЛ, содержащей 64-х элементную АФАР с 4-х разрядными ФБР.

Проверка теоретических выводов опиралась на экспериментальные исследования, которые выполнялись на двух образцах моноимпульсных РЛС сантиметрового диапазона.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Абрамов А. А., Черняков М.' С. Взвешенная рандомизация в устройстве управления ФАР//Олектронная техника. - Серия 10. - 1983.

- Вып.4(70). - с.24-27.

2. Абрамов А. А., Черняков М. С. Влияние изофазной подставки на характеристик! РЛС с ФАР// Радиотехника. - 1991. - N1. - с. 74-75.

i. Абрамов А. А., Черняков M. С. Декорреляция сигналов в ФАР с пространственно-временной обработкой// . Известия вузов. Радиоэлектроника. - 1992. - N2. -с.70-74.

4. Абр-чмоч А. А., Черняков М. С. Повышение точности пеленгации в ФАР с.декретным фазированием// Подг. к печати в ж. "Радиотехника".

5. Абраме* А. А., Черняков М. С. Оценка эффективности округления фазы в ФЛГ с дискретным фазированиэм//Электронная техника. - Серия 10. - 1991. Вып. 6(90). - с.36-37.

6. Абрамов А. А., Серегин А. В., Черняков М. С. Использование опытно-теоретического метода щ проектировании РЛС//Вопросы радиоэлектроники. - 1993г. - вып. 4. - с. 85-91.

7. Абрамов А. А., Черняков М.'.С. Эффективный алгоритм квантования фазового распределения ФАР//Электронная ть^ника. - Серия 10. -1991. - Вып. 6(90). - с.37-40.

8. Абрамов А. А.,'^Черняков М. С. Повыаыше точности пеленгации в ФАР с дискретным фазированием//Всесоюзная конфэренция "Научно-технический прогресс и эксплуатация воздушного транспорта." - Москва: МИИГА, 1990. - с.81.

9. Абрамов А. А., Черняков М. С. Помехозащищенность информационного канала в совмещенной РТС с нестационарной ФАР//||| научно-техническая конференция молодых специалистов "Передача, прием и обработка сигналов в системах радиосвязи." - Ростов Великий: - 1990. - с. 10.

10. Абрамов А. А., Серегин А. В., Черняков М. С. Использование опытно-теоретического метода при проектировании РЛС// Всесоюзная конференция "Перспективы развития и применения средств вычислительной техники для моделирования и автоматизированного

/ исследования." - Москва :НЩСчэтМаш, 1991. - с.172.