Введение к работе
Актуальность темы. Современные радиотехнические системы (РТС) с фазированными антенными решётками (ФАР) должны быть способны выполнять свои функции в сложной помеховой ситуации. Традиционно одним из способов улучшения отношения сигнал/шум является снижение уровней мешающих сигналов путём специального управления формой диаграммы направленности (ДН) ФАР, входящей в РТС, – создания глубоких провалов ДН в направлениях помех, которые традиционно в литературе называются "нулями" ДН. С точки зрения практической реализации нули ДН ФАР желательно формировать с помощью методов так называемого фазового синтеза (путем изменения только фаз токов возбуждений элементов ФАР), поскольку это существенно упрощает аппаратную реализацию алгоритма управления.
Исследования в области фазового управления ДН антенн начались в первое послевоенное десятилетие и приобрели массовый характер с началом широкого применения РТС с ФАР. К настоящему времени известно достаточно большое число методов фазового синтеза (см., например, работы таких отечественных исследователей, как В.А. Кашин, Ф.Л. Айзин, Е.Г. Зелкин, Л.В. Корси, В.Г. Соколов, Г.Ф. Габзалилов, Э.И. Крупицкий, Ю.И. Абрамович, Б.Г. Данилов, В.А. Павлюк, А.М. Рыбалко, А.С. Кондратьев, В.И. Гусевский, В.И. Джиган, Д.В. Незлин, А.Д. Хзмалян, А.Н. Грибанов, А.Н. Титов, а также зарубежных исследователей C.A. Baird, G.G. Rassweiler, E. Mendelovicz, E.T. Oestreich, H. Steyskal, R.A. Shore, R.L. Haupt, K. Hirasawa, S.T. Smith, R. Vescovo). Все эти методы разработаны в "детерминированной" постановке задачи, т.е. в предположении, что амплитудно-фазовое распределение (АФР) известно точно. В то же время при реализации синтезированного фазового распределения на практике неизбежно появляются случайные искажения АФР, не позволяющие сформировать с помощью данных методов нулей ДН в среднем глубже определённого (фонового) уровня.
Вопросы оптимизации управления ДН ФАР произвольных антенных решеток в "статистической" постановке задачи, т.е. при учёте случайных искажений АФР в математической модели, рассматривались как представителями отечественной научной школы Я.С. Шифрина, развивающей статистическую теорию антенн (СТА) (Л.Г. Корниенко, С.И. Фединчик), так и зарубежными исследователями (F.I. Tseng, D.K. Cheng), решавшими задачу амплитудно-фазового синтеза усреднённой ДН по мощности. Однако полученные результаты продемонстрировали эффективность такого подхода лишь для ФАР с межэлементным расстоянием меньше . Чисто фазовый синтез ДН ФАР с учётом случайных искажений АФР в известной литературе не рассматривался.
Учитывая растущие требования к помехозащищенности РТС, задача фазового формирования глубоких нулей (глубже фонового уровня) в ДН ФАР со случайными искажениями АФР является весьма актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование характеристик методов фазового синтеза глубоких нулей (глубже фонового уровня) в ДН ФАР со случайными искажениями АФР.
Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие основные задачи:
-
Проведен анализ известных методов фазового синтеза нулей ДН по критериям, важным для оценки эффективности их работы как в детерминированной, так и в статистической постановке задачи.
-
Проанализированы факторы, влияющие на работу выявленного в процессе анализа наиболее эффективного метода фазового синтеза нулей ДН ФАР.
-
Разработана математическая модель неэквидистантной модульной ФАР со случайными искажениям АФР, позволяющая рассчитывать статистические характеристики ДН в области нулей.
-
Проведена разработка, математическое моделирование, анализ характеристик и экспериментальная проверка эффективности работы методов фазового синтеза глубоких (в том числе расширенных) нулей ДН ФАР со случайными искажениями АФР.
Методы исследований. При проведении теоретических и экспериментальных исследований использовался математический аппарат классической электродинамики и теории антенных устройств, методов теории вероятностей и математической статистики, методов минимизации нелинейных функционалов, а также методика проведения и обработки результатов эксперимента.
-
Впервые проведен комплексный анализ эффективности работы большинства известных методов фазового синтеза нулей ДН ФАР на единой основе (применительно к плоской многоэлементной неэквидистантной ФАР).
-
Предложен комбинированный метод фазового синтеза нулей, позволяющий в детерминированной постановке задачи формировать глубокие (в том числе расширенные) нули в ДН ФАР с дискретными фазовращателями при незначительном (относительно других методов) падении КНД.
-
Впервые исследовано влияние порядка выбора элементов в покоординатном методе фазового синтеза нулей на такие его характеристики, как скорость работы, степень искажения исходной ДН и число используемых элементов и предложены подходы к оптимизации этих характеристик.
-
Впервые получены выражения для корреляционной матрицы ДН модульной неэквидистантной ФАР с АФР произвольного вида при наличии случайных искажений АФР и предложен обобщенный закон распределения амплитуды поля ФАР в нулях средней комплексной ДН, учитывающий как неравенство дисперсий действительной и мнимой частей ДН, так и наличие их корреляции.
-
Впервые предложены методы фазового синтеза глубоких (существенно ниже фонового уровня) нулей в ДН многоэлементной неэквидистантной ФАР со случайными искажениями АФР, позволяющие сформировать как узкие, так и расширенные нули.
-
Полученные в диссертационной работе теоретические результаты позволяют оценить характеристики фазовых методов формирования нулей в ДН ФАР со случайными искажениями АФР.
-
Предложенный экспериментальный метод определения параметров закона распределения случайных искажений АФР позволяет получить исходные данные для построения статистической модели ФАР произвольной конфигурации.
-
Выработанные рекомендации по оптимизации покоординатного метода фазового синтеза нулей позволяют повысить эффективность его работы.
-
Разработанные методы фазового синтеза глубоких узких и расширенных нулей в ДН ФАР со случайными искажениями АФР позволяют существенно повысить уровень помехозащищенности РТС с ФАР.
-
Результаты диссертационной работы могут быть использованы при модернизации существующих и разработке новых перспективных РТС с ФАР, а также для подготовки и повышения квалификации специалистов радиотехнических специальностей.
Достоверность основных положений, выводов и результатов работы обоснована адекватностью математических моделей физическим объектам, использованием строгих методов минимизации функционалов и методов математической статистики. Натурные исследования параметров формируемых нулей ДН, проведенные на реальной ФАР в безэховой камере, показали высокую степень соответствия экспериментальных данных полученным аналитическим выражениям и результатам математического моделирования.
Результаты диссертационной работы использовались при проведении работ по заказу 3К96-2 в центре "МНИИРЭ "Альтаир" ОАО "ГСКБ "Алмаз-Антей", что подтверждено соответствующим актом.
Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены в 8 докладах на следующих конференциях:
-
Юбилейная научно-техническая конференция "Морские комплексы и системы", ОАО "МНИИРЭ "Альтаир", Москва, 15-16 октября 2008 г.
-
Международная научно-техническая конференция к 100-летию со дня рождения В.А. Котельникова, Москва, 21-23 октября 2008 г.
-
III научно-техническая конференция ОАО "НИЭМИ", Москва, 18-20 ноября 2008 г.
-
Научно-техническая конференция "Состояние, проблемы и перспективы создания корабельных информационно-управляющих комплексов", Концерн "Моринформсистема-Агат", Москва, 1-3 апреля 2009 г.
-
Международный симпозиум "Progress in Electromagnetics Research Symposium", Москва, 18-21 августа 2009 г.
-
ХХ научно-техническая конференция ОАО "НИИП им. В.В. Тихомирова", г. Жуковский, 10-12 марта 2010 г.
-
IV Всероссийская конференция "Радиолокация и радиосвязь", ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, г. Москва, 29 ноября – 3 декабря 2010 г.
Публикации. Основные научные и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 8 научных статьях (из них 6 в научных изданиях, входящих в перечень ВАК), изложены в 8 тезисах докладов в сборниках трудов конференций. Получены 2 патента на изобретения.
