RU2627958C1

RU2627958C1 - Method for forming direction diagram by digital antenna array

Info

Publication number: RU2627958C1
Application number: RU2016143660A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Владимирович Кауфман; Иван Николаевич Матвеев; Дмитрий Сергеевич Лавренюк; Ольга Николаевна Гвоздкова; Андрей Васильевич Вицукаев
Original assignee: Акционерное общество "Научно-исследовательский институт Приборостроения имени В.В. Тихомирова"
Priority date: 2016-11-07
Filing date: 2016-11-07
Publication date: 2017-08-14

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: antenna direction transmitting diagram (DTD) of the cosec² form by elevation and needle in azimuth is formed with the subarray of the digital antenna array (DAA), and a probing signal is emitted. To achieve the technical result, the emitted signal is received by each subarray of the DAA, the receiving multi-beam DTD by elevation and needle by azimuth is formed by means of digital diagram forming in such a way that its rays over elevation overlap the width of the transmitting DTD cosec², an array of complex amplitudes of the emitted signals received for each beam of the DTD, is formed.

EFFECT: expanding the antenna functionality, increasing the antenna gain factor for reception.

3 dwg

Description

Изобретение относится к радиолокации, а именно к способам формирования диаграммы направленности цифровыми антенными решетками при обзоре пространства и земной поверхности, и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС).The invention relates to radar, and in particular to methods of forming a radiation pattern with digital antenna arrays when viewing space and the earth's surface, and can be used in radar stations.

В режимах картографирования земной поверхности (режим реального луча, синтезированной апертуры и др.) необходимо облучить исследуемый участок земной поверхности зондирующим сигналом. При протяженных зонах обзора по дальности можно применить многострочный просмотр зоны по дальности узким лучом диаграммы направленности по углу места. Однако это приведет к увеличению времени обзора в соответствующее количеству строк раз, что является существенным недостатком.In the modes of mapping the earth's surface (real-beam mode, synthesized aperture, etc.), it is necessary to irradiate the studied area of the earth's surface with a probing signal. With extended range viewing areas, you can apply multi-line viewing of a range area with a narrow beam of the radiation pattern in elevation. However, this will lead to an increase in the viewing time corresponding to the number of lines of times, which is a significant drawback.

Известен «Способ радиолокационного обзора зоны пространства» [RU 2367973, опубликовано 20.09.2009, МПК G01S 13/00]. Способ включает облучение i-й части зоны широким лучом, охватывающим n_i>1 угловых направлений и прием сигналов парциальными каналами с игольчатыми диаграммами направленности антенны. При этом переходят к облучению широким лучом (i+1)-й части зоны, содержащей n_i+1>1 угловых направлений, если в i-й части зоны не принят сигнал, превышающий пороговый уровень, а при обнаружении с p≥1 из n_i угловых направлений сигнала, превышающего пороговый уровень. Далее осматривают только эти p направлений, последовательно облучая каждое из них с уменьшенной в n_i раз шириной луча.The well-known "Method of radar survey of the space zone" [RU 2367973, published September 20, 2009, IPC G01S 13/00]. The method includes irradiating the i-th part of the zone with a wide beam, covering n _i > 1 angular directions and receiving signals with partial channels with needle antenna patterns. In this case, they proceed to irradiation with a wide beam of the (i + 1) th part of the zone containing n _i +1> 1 angular directions if a signal exceeding the threshold level is not received in the i-th part of the zone, and when detected with p≥1 from n _{i the} angular directions of the signal exceeding the threshold level. Further, only these p directions are examined, sequentially irradiating each of them with a beam width reduced by a factor of n _i .

Недостатком данного способа является невозможность его применения в режимах воздух-поверхность из-за того, что сокращение времени обзора достигается пропуском угловых направлений, в которых отсутствует сигнал, отраженный от цели. В режимах воздух-поверхность формируется непрерывное радиолокационное изображение (РЛИ) не допускающее пропуска угловых направлений.The disadvantage of this method is the impossibility of its use in air-surface modes due to the fact that the reduction of the viewing time is achieved by skipping angular directions in which there is no signal reflected from the target. In air-to-surface modes, a continuous radar image (RLS) is formed that does not allow skipping angular directions.

При протяженных зонах обзора по дальности в наземных РЛС обзора воздушного пространства и в самолетных РЛС обзора земной поверхности применяют способ обзора с использованием широкой диаграммы направленности антенны (ДНА) по углу места вида cosec², чтобы облучить всю зону обзора по дальности за один интервал излучения, при этом в азимутальной плоскости ДНА должна оставаться узкой и ее ширина определяется разрешающей способностью по азимуту. Этот способ описан в источнике [Основы проектирования радиоэлектронных систем: Методические указания к курсовому проектированию / Лукьянчук А.Г. Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2011 г., стр. 21-22].For extended range viewing areas in ground-based airspace surveillance radars and in ground-based ground-based radars, a survey method is used using a wide antenna radiation pattern (BOTH) along the elevation angle of the cosec ² view to irradiate the entire range of the range in a single radiation interval, in the azimuthal plane, the DND should remain narrow and its width is determined by the azimuth resolution. This method is described in the source [Fundamentals of the design of electronic systems: guidelines for course design / Lukyanchuk AG Sevastopol: Publishing House of SevNTU, 2011, pp. 21-22].

Однако расширение луча ДНА приводит к снижению коэффициента направленного действия антенны и соответственно к снижению потенциала БРЛС. Предположим, что мы имеем антенную решетку, ширина узкого луча ДНА по уровню 3 дБ которой равна 2° по азимуту и 2° по углу места, а ширина ДНА вида cosec² по уровню 3 дБ равна 2° по азимуту и 10° по углу места.However, the expansion of the beam of the bottom beam leads to a decrease in the coefficient of directional action of the antenna and, accordingly, to a decrease in the potential of the radar. Suppose we have an antenna array, the narrow beam of the bottom beam at 3 dB which is 2 ° in azimuth and 2 ° in elevation, and the width of the bottom beam of cosec ² at 3 dB is 2 ° in azimuth and 10 ° in elevation .

Известно, что коэффициент усиления антенны

,Antenna gain is known

,

тогда для суммарной ДН:

,then for the total daylight rate:

,

а для ДН вида cosec²:

and for cosec type ² DNs:

Для данного случая применение диаграммы направленности вида cosec² приведет к снижению коэффициента усиления в 5 раз:For this case, the application of a radiation pattern of the form cosec ² will lead to a decrease in the gain by 5 times:

Этот наглядный пример демонстрирует, что использование ДНА вида cosec² приводит к значительному уменьшению коэффициента усиления антенны, а, следовательно, и к ухудшению параметров РЛС, например к уменьшению дальности обнаружения целей:This illustrative example demonstrates that the use of DND type cosec ² leads to a significant decrease in the antenna gain, and, consequently, to a deterioration of the radar parameters, for example, to reduce the detection range of targets:

.

То есть при уменьшении коэффициента усиления антенны и на передачу и на прием в 5 раз, дальность обнаружения уменьшается в 2,23 раза относительно дальности обнаружения при формировании узкого луча антенной решетки.That is, with a decrease in the antenna gain for both transmission and reception by 5 times, the detection range decreases 2.23 times relative to the detection range when a narrow beam of the antenna array is formed.

Таким образом, недостатком указанного технического решения является низкий коэффициент усиления антенны, снижающий функциональные возможности антенны.Thus, the disadvantage of this technical solution is the low gain of the antenna, which reduces the functionality of the antenna.

Технической проблемой, решаемой предлагаемым изобретением является расширение функциональных возможностей антенны.The technical problem solved by the invention is the expansion of the functionality of the antenna.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение коэффициента усиления антенны на прием.The technical result of the invention is to increase the antenna gain at reception.

Сущность изобретения заключается в том, что формируют подрешетками цифровой антенной решетки (ЦАР) передающую диаграмму направленности антенны (ДНА) вида cosec² по углу места и игольчатую по азимуту и излучают зондирующий сигнал.The essence of the invention lies in the fact that they form a sublattice of a digital antenna array (CAR) transmitting the antenna pattern (BOTTOM) of the form cosec ² in elevation and needle in azimuth and emit a probe signal.

Новым в предлагаемом способе является то, что осуществляют прием отраженного сигнала каждой подрешеткой ЦАР. Затем формируют приемную многолучевую ДНА по углу места и игольчатую по азимуту посредством цифрового диаграммообразования, таким образом, что ее лучи по углу места перекрывают по ширине передающую ДНА cosec², а затем формируют массив комплексных амплитуд отраженных сигналов, принятых по каждому лучу ДНА.New in the proposed method is that they carry out the reception of the reflected signal by each sublattice of the Central African Republic. Then, a receiving multi-beam DND is formed in elevation and azimuth-shaped by means of digital beamforming, so that its rays in elevation overlap the transmitting DND cosec ² in width, and then an array of complex amplitudes of reflected signals received for each DND ray is formed.

На Фиг. 1 схематично изображен процесс обзора пространства.In FIG. 1 schematically depicts a process of reviewing space.

На Фиг. 2 представлен вариант цифровой антенной решетки, осуществляющей способ.In FIG. 2 shows a variant of a digital antenna array implementing the method.

На Фиг. 3 изображены формируемые диаграммы направленности антенны.In FIG. 3 shows the generated radiation patterns of the antenna.

Цифровая антенная решетка состоит из N групп излучателей (1), объединенных в подрешетки (2), выход каждой из подрешеток (2) соединен с каждым из М блоков цифрового диаграммообразования (ЦЦО) (3).A digital antenna array consists of N groups of emitters (1) combined into sublattices (2), the output of each of the sublattices (2) is connected to each of the M blocks of digital diagram formation (DSC) (3).

Способ обзора земной поверхности радиолокационной станцией с цифровой антенной решеткой (ЦАР) осуществляется следующим образом. Для примера пусть бортовая радиолокационная станция с цифровой антенной решеткой в режиме работы воздух-поверхность осуществляет облучение земной поверхности в режиме бокового обзора. Для перекрытия большой зоны по дальности ЦАР формирует диаграмму по углу места вида cosec² и игольчатую по азимуту. Пример схемы обзора приведен на Фиг. 1. Указанная диаграмма направленности формируется на передачу сигнала. После формирования диаграммы направленности антенной излучается зондирующий сигнал в направлении земной поверхности. Диаграмма направленности на передачу может формироваться как аналоговым способом, используя устройства распределения и фазирования, как это осуществляется, например в активной фазированной антенной решетке [RU 161794, опубликовано 10.05.2016, МПК H01Q 21/00 (2006.01)], так и цифровым способом.A method of reviewing the earth's surface by a radar station with a digital antenna array (CAR) is as follows. For example, let an airborne radar station with a digital antenna array in the air-to-surface operation mode irradiate the earth's surface in the side-view mode. To overlap a large area in range, the CAR forms a diagram according to the elevation angle of the cosec ² species and needle-like azimuth. An example of a review scheme is shown in FIG. 1. The specified radiation pattern is formed for signal transmission. After forming the antenna radiation pattern, a probing signal is emitted in the direction of the earth's surface. The directional pattern for transmission can be formed both in an analogous way using distribution and phasing devices, as is done, for example, in an active phased array antenna [RU 161794, published 05/10/2016, IPC H01Q 21/00 (2006.01)], and digitally.

Цифровая антенная решетка состоит из нескольких подрешеток (2), количество которых N определяется конкретными техническими требованиями, а именно требованиями к ширине диаграммы направленности одной подрешетки (2), которая должна быть равна ширине диаграммы направленности cosec² всей ЦАР. Излучатели антенны (1) принимают отраженный от поверхности земли сигнал, далее сигналы, принятые излучателями (1), объединяется в один сигнал в подрешетке (2) и он поступает с каждой подрешетки (2) на вход каждого блока ЦДО (3). В соответствии с алгоритмами ЦДО, например приведенными в книге [«Цифровое формирование диаграммы направленности в фазированных антенных решетках», Григорьев Л.Н., М.: «Радиотехника», 2010 г., стр. 13-22.], каждым из М блоков ЦДО формируется отдельный луч ДНА, с требуемым отклонением от ϕ₀ (центра диаграммы cosec²). Количество М блоков равняется количеству формируемых лучей ДНА. Диаграмму направленности антенны формируют таким образом, что М лучей приемной ДНА по углу места по ширине перекрывают передающую ДНА cosec². При этом ширина зоны обзора многолучевой ДНА определяется шириной ДНА подрешетки, уровень центрального луча многолучевой ДНА соответствует уровню суммарной ДНА ЦАР, а огибающая многолучевой ДНА повторяет форму ДНА подрешетки (Фиг. 3).A digital antenna array consists of several sublattices (2), the number of which N is determined by specific technical requirements, namely, the requirements for the width of the radiation pattern of one sublattice (2), which should be equal to the width of the cosec ² radiation pattern ^{of the} entire CAR. Antenna emitters (1) receive a signal reflected from the earth's surface, then the signals received by emitters (1) are combined into one signal in the sublattice (2) and it is supplied from each sublattice (2) to the input of each CDO block (3). In accordance with CDO algorithms, for example, given in the book [“Digital beamforming in phased array antennas”, LN Grigoriev, M .: “Radio Engineering”, 2010, pp. 13-22.], Each of M CDO blocks, a separate bottom beam is formed, with the required deviation from ϕ ₀ (center of the cosec ² diagram). The number of M blocks is equal to the number of generated DND rays. The antenna radiation pattern is formed in such a way that M beams of the receiving BOTTOM along the elevation angle in width overlap the transmitting BOTTOM cosec ² . In this case, the width of the field of view of the multi-beam DND is determined by the width of the bottom of the bottom of the sublattice, the level of the central beam of the multi-beam bottom corresponds to the level of the total bottom of the CAR, and the envelope of the multi-beam bottom follows the shape of the bottom of the sublattice (Fig. 3).

После формирования многолучевой диаграммы формируют массивы комплексных амплитуд отраженных сигналов, соответствующих принятым сигналам по каждому из М лучей ДНА по углу места.After the formation of a multipath diagram, arrays of complex amplitudes of the reflected signals are formed, corresponding to the received signals for each of the M beams of the bottom beam in elevation.

Сформировав многолучевую диаграмму направленности на прием по углу места, ширина ДНА которой соответствует ширине ДНА вида cosec², а уровень центрального луча в многолучевой ДНА (луч с нулевым отклонением), соответствует уровню суммарной ДНА ЦАР, получаем значение коэффициента усиления ЦАР с широким лучом на прием, равное значению коэффициента усиления ЦАР с узким лучом. Соответственно увеличивая коэффициент усиления антенны на прием, расширяются функциональные возможности цифровой антенной решетки. Например, дальность обнаружения увеличивается в

раз, что в рассмотренном выше примере соответствует 1.5 раза.Having formed a multi-beam pattern of reception by elevation, the bottom of the beam which corresponds to the width of the bottom beam type cosec ² , and the level of the central beam in the multi-beam bottom (beam with zero deviation), corresponds to the level of the total bottom beam of the Central African Republic, we obtain the value of the gain of the Central African Republic with a wide beam to receive equal to the gain of the narrow beam CAR. Accordingly, increasing the antenna gain at the reception, expanding the functionality of the digital antenna array. For example, the detection range increases in

times, which in the above example corresponds to 1.5 times.

Таким образом, достигается заданный технический результат и решается техническая проблема.Thus, the desired technical result is achieved and the technical problem is solved.

Claims

The method of generating a directivity pattern by a digital antenna array, which consists in forming a transmitting antenna pattern (ID) of the cosec ^{2 type} in elevation and needle-like in azimuth by the sublattices of a digital antenna array (CAR) and emit a probe signal, characterized in that the reflected signal is received the signal of each sublattice of the Central African Republic, form the receiving multi-beam DND in elevation and needle in azimuth through digital beamforming so that its rays in elevation overlap in the width transmitting the bottom of the cosec ² , form an array of complex amplitudes of the reflected signals received for each beam of the bottom.