Информационно-измерительная и управляющая система диаграммообразующими устройствами антенных решёток комплексов обнаружения и постановки пространственных радиобарьеров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Кирюпин Михаил Михайлович

• Кирюпин Михаил Михайлович
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Кирюпин Михаил Михайлович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Комплексы противодействия беспилотным летательным аппаратам

1.2 Методы обнаружения и противодействия, применяемые в комплексах, направленные на БПЛА

1.3 Антенные системы комплексов обнаружения и постановки пространственного радиобарьера

1.4 Методы формирования диаграммы направленности необходимой формы в пространстве в антенных системах

1.5 Алгоритмы искусственного интеллекта

1.6 Формулировка цели и постановка задачи

Выводы по 1-ой главе

2. МЕТОДЫ ФОРМИРОВНАИЯ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ НЕОБХОДИМОЙ ФОРМЫ В АНТЕННЫХ РЕШЁТКАХ

2.1 Формирование и определение положения луча диаграммы направленности при известном амплитудно-фазовом распределении токов в антенной решётке

2.2 Формирование диаграммы направленности в цилиндрической антенной решётке

2.2.1 Необходимое фазовое распределение для формирования диаграммы направленности в цилиндрической антенной решётке

2.2.2 Направленность остронаправленных диаграмм в цилиндрических и кольцевых решётках

2.3 Цифровые антенные решётки. Формирование диаграммы направленности

2.3.1 Классическое цифровое формирование диаграммы направленности

2.3.2 Двумерное сканирование лучом в цифровой антенной решётке

2.3.3 Алгоритм цифрового диаграммообразования

2.4 Формирование многолучевой диаграммы направленности в антенных решётках

2.5 Метод оперативного синтеза диаграммы направленности антенных решёток

2.5.1 Метод оперативного синтеза диаграммы направленности в плоской антенной решётки

2.5.2 Метод оперативного синтеза диаграммы направленности для цилиндрической антенной решётки

2.5.3 Метод оперативного синтеза диаграммы направленности для кольцевой

антенной решётки

Выводы по 2-ой главе

3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ В АНТЕННОЙ РЕШЁТКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА

3.1 Алгоритм формирования диаграммы направленности сложной формы с компенсацией уровня боковых лепестков в пространстве

3.2 Алгоритм формирования диаграммы направленности необходимой формы в пространстве при спектральном анализе радиообстановки

3.3 Алгоритм формирования многолучевых диаграмм направленности в пространстве

3.4 Алгоритм управления и координации работы алгоритмическим обеспечением формирования диаграммы направленности необходимой формы в пространстве, реализованный на базе управляющей нейронной сети

Выводы по 3-й главе

4. РЕАЛИЗАЦИЯ ИИУС ДИАГРАММООБРАЗУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА С

РАЗРАБОТАННЫМ АЛГОРИТМИЧЕСКИМ ОБЕСПЕЧЕНИЕМ

4.1 Структура ИИУС диаграммообразующего устройства антенной решётки

комплексов обнаружения и постановки пространственных радиобарьеров

4.2 Реализация ИИУС диаграммообразующих устройств антенных решёток . 129 4.2.1 Реализация алгоритма формирования диаграммы направленности

сложной формы в пространстве

4.2.2 Реализация алгоритмов формирования оптимальной диаграммы направленности ИИУС ДОУ АР

4.2.2.1 Формирование диаграммы направленности в кольцевой антенной решётке

4.2.2.2 Формирование диаграммы направленности в плоской антенной решётке

Выводы по 4-й главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Синтезированные диаграммы направленности в процессе

работы алгоритмического обеспечения для кольцевой

антенной решётки

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Синтезированные диаграммы направленности в процессе

работы алгоритмического обеспечения для плоской антенной

решётки

ПРИЛОЖЕНИЕ В Акты внедрения результатов исследования

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Информационно-измерительная и управляющая система диаграммообразующими устройствами антенных решёток комплексов обнаружения и постановки пространственных радиобарьеров»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. На сегодняшний день развитие сферы масштабного производства и коммерческого распространения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) приводит к участившимся случаям их дезориентации в пространстве и отклонений от заданных полётных маршрутов, что влечёт за собой несанкционированные попадания в беспилотные бесполётные зоны над объектами критической городской инфраструктуры и повышенное внимание к возникающим ошибкам. В связи с этим необходимо развитие технических решений, способных выполнять эффективное обнаружение таких объектов, а также осуществлять своевременное подавление их функционала и предотвращение возникновения таких случаев.

На основании вышеизложенного, актуальность рассматриваемого вопроса по обеспечению безопасности при всех возможных случаях несанкционированного применения беспилотных летательных объектов, разработка оптимальных информационно-измерительных и управляющих систем [1-3] для комплексов обнаружения и постановки пространственного радиобарьера от проникновения БПЛА является приоритетной задачей. Важной и неотъемлемой частью таких управляющих систем являются эффективные антенные решётки под управлением диаграммообразующих устройств [4-6], реализующих основные функции упомянутых систем, за счёт оптимального формирования диаграммы направленности посредством заложенного в их состав алгоритмического обеспечения. Всё это в совокупности способствует решению поставленных задач.

Научная актуальность заключается в развитии методов формирования диаграммы направленности в антенных решётках различного типа за счёт разработки алгоритмического обеспечения с учётом реальной электромагнитной обстановки и электромагнитной совместимости, позволяющего повысить коэффициент усиления, коэффициент направленного действия, диапазон изменения ширины диаграммы направленности и уменьшить уровень боковых лепестков, что существенно повышает характеристики рассматриваемых

комплексов в части расширения зоны обнаружения, точности определения объектов и обеспечения электромагнитной совместимости в условиях реальной электромагнитной обстановки.

Практическая актуальность заключается в повышении основных характеристик комплексов обнаружения и постановки пространственного радиобарьера за счёт применения информационно-измерительной и управляющей системы диаграммообразующего устройства антенной решётки с соответствующим алгоритмическим обеспечением на основе нейросетевых алгоритмов, позволяющей повысить радиус обнаружения, диапазон изменения ширины диаграммы направленности, количество одновременно сопровождаемых целей и уменьшить время их обнаружения.

Степень разработанности темы исследования. Одним из способов для решения обозначенной проблемы является повышение характеристик комплексов за счёт реализации диаграммообразования антенной решётки с помощью эффективных алгоритмов формирования диаграммы направленности диаграммообразующим устройством. Теоретические основы построения антенных систем, а также принципы формирования диаграммы направленности необходимой формы в пространстве представлены в работах учёных: Д.И. Воскресенского, О.Г. Вендика, М.Д. Парнеса, Л.Д. Бахрах, Г.Т. Марков, Г.З. Айзенберг, Б.В. Сестрорецкий, В.В. Чебышев, Н.А. Бей, О.Г. Ореста, Р.С. Харсена и других.

Ключевыми теоретическими ограничениями, препятствующими реализации эффективных алгоритмов, являются: сложность математического аппарата, предназначенного для вычисления весовых коэффициентов, формирующих диаграмму направленности; неспособность к адаптации в условиях динамически изменяющейся окружающей среды и влияния различных дестабилизирующих факторов; а также низкая скорость формирования необходимой формы диаграммы направленности.

Решением указанных проблем является создание алгоритмического обеспечения для формирования диаграммы направленности необходимой формы в пространстве с применением искусственного интеллекта. Это позволит уменьшить

влияние указанных недостатков за счёт предварительного обучения алгоритмов на экспертные данные и внедрения механизмов самообучения в процессе эксплуатации.

На практике существующие решения сталкиваются с проблемой координации и управления алгоритмическим обеспечением, предназначенным для формирования диаграммы направленности диаграммообразующим устройством в сложных системах, таких как исследуемые комплексы. Для этого необходима разработка информационно-измерительной и управляющей системы, осуществляющей координацию работы диаграммообразующего устройства антенной решётки и реализацию преимуществ используемого алгоритмического обеспечения для достижения требуемого диаграммообразования.

Объект исследования: информационно-измерительная и управляющая система диаграммообразующего устройства антенной решётки для комплексов обнаружения и постановки пространственного радиобарьера.

Предмет исследования: алгоритмическое обеспечение информационно-измерительной и управляющей системы диаграммообразующего устройства антенной решётоки комплексов обнаружения и постановки пространственного радиобарьера.

Цель исследования: повысить радиус обнаружения, диапазон изменения ширины диаграммы направленности, количество одновременно сопровождаемых целей и уменьшить время их обнаружения в комплексах обнаружения и постановки пространственных радиобарьеров за счёт реализации необходимого диаграммообразования под управлением информационно-измерительной и управляющей системы диаграммообразующего устройства антенной решётки и алгоритмов искусственного интеллекта.

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить существующие комплексы обнаружения и постановки пространственного радиобарьера, определить их типовую структуру, принципы функционирования и пути модернизации с целью оценки возможности реализации

на их основе универсальной информационно-измерительной и управляющей системы.

2. Рассмотреть существующие методы формирования диаграммы направленности необходимой формы в пространстве для антенных систем и выявить пути их модернизации.

3. Разработать алгоритмическое обеспечение на основе алгоритмов искусственного интеллекта, формирующее диаграмму направленности необходимой формы в пространстве для комплексов обнаружения и постановки пространственного радиобарьера.

4. Разработать структуру информационно-измерительной и управляющей системы диаграммообразующего устройства антенной решётки для комплексов обнаружения и постановки пространственного радиобарьера с учётом разработанного алгоритмического обеспечения.

Диссертация выполнена в соответствии с предъявляемыми требованиями для специальности 2.2.11 «Информационно-измерительные и управляющие системы», согласно прописанному в её паспорте пункту 2 «Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов структуры и образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений».

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

1. Разработан метод оперативного синтеза диаграммы направленности антенной решётки для комплексов обнаружения и постановки пространственных радиобарьеров, отличающийся от существующих методов синтеза диаграммы направленности применением гибридной нейронной сети, в которой комплексные диаграммы направленности являются обучающими выборками и подаются на вход свёрточной нейронной сети в виде изображений для разделения их на два класса (многонаправленные, немногонаправленные), затем нейронная сеть обучается

классифицировать эти диаграммы и тестировать другие диаграммы после глубокого нейросетевого анализа, и впоследствии формирует амплитуды и фазы токов, возбуждающих отдельные элементы антенной решётки, для синтеза многолепестковых диаграмм направленности, тем самым позволяет формировать диаграммы направленности по заранее известным значениям амплитуды и фазы токов системе без постоянного пересчёта их значений, как в существующих методах, что повышает оперативность синтеза диаграммы направленности.

2. Разработано алгоритмическое обеспечение для информационно-измерительной и управляющей системы диаграммообразующих устройств антенных решёток, используемое в комплексах обнаружения и постановки пространственных радиобарьеров, отличием которого является определение амплитуды и фазы токов, возбуждающих отдельные элементы антенны, на основе результатов облучения электромагнитными полями, пришедшими на раскрыв антенны от источников.

3. Разработана структурная схема информационно-измерительной и управляющей системы диаграммообразующего устройства антенной решётки, отличающаяся от известных информационно-измерительных и управляющих систем применением блоков измерения амплитуды и фазы токов, возбуждающие отдельные элементы антенны АФР^.АФРы, для синтеза многолепестковых диаграмм направленности антенных решёток.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость диссертационного исследования заключается в разработке метода оперативного синтеза диаграммы направленности антенной решётки для комплексов обнаружения и постановки пространственных радиобарьеров с использованием гибридной нейронной сети, в виде алгоритмического обеспечения для управления информационно-измерительной и управляющей системой диаграммообразующего устройства, позволяющего за счёт формирования амплитуды и фазы токов обеспечить синтез необходимой формы диаграммы направленности антенной решётки с учётом реальной электромагнитной обстановки и электромагнитной совместимости, повысить

коэффициент усиления, коэффициент направленного действия антенной решётки, диапазон изменения ширины диаграммы направленности антенной решётки и уменьшить уровень боковых лепестков антенной решётки, что повысит характеристики рассматриваемых комплексов в части расширения зоны обнаружения, точности определения объектов и обеспечения электромагнитной совместимости в условиях реальной электромагнитной обстановки.

Практическая значимость результатов исследования заключается в применении разработанной информационно-измерительной и управляющей системы в составе диаграммообразующих устройств антенных решёток комплексов обнаружения и постановки пространственных радиобарьеров, позволяющей обеспечить адаптивность системы к изменению электромагнитной обстановки в реальном масштабе времени, осуществлять самообучение системы, повысить радиус обнаружения, диапазон изменения ширины диаграммы направленности, количество одновременно сопровождаемых целей, уменьшить время их обнаружения и обеспечить электромагнитную совместимость радиоэлектронных средств, работающих в диапазонах 433 МГц; 915 МГц; 1,5 ГГц; 2,4 ГГц; 5,8 ГГц (в том числе стандартов ISM/WIFI/GSM/LTE) в зоне обнаружения и противодействия БПЛА. Результаты и предложения, предоставленные в ходе диссертационного исследования, могут быть использованы как в существующих системах подобного типа, так и вновь разрабатываемых.

Методы исследования. Методы из теории построения антенных решёток, теории нечёткой логики, методов искусственного интеллекта, методов компьютерного моделирования разработанных алгоритмов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод оперативного синтеза диаграммы направленности антенной решётки для комплексов обнаружения и постановки пространственных радиобарьеров с применением гибридной нейронной сети, формирующей амплитуды и фазы токов, возбуждающих отдельные элементы антенной решётки, для синтеза многолепестковых диаграмм направленности.

2. Алгоритмическое обеспечение информационно-измерительной и управляющей системы диаграммообразующих устройств антенных решёток для комплексов обнаружения и постановки пространственных радиобарьеров, определяющее амплитуды и фазы токов, возбуждающих отдельные элементы антенной решётки.

3. Структурная схема информационно-измерительной и управляющей системы диаграммообразующего устройства антенной решётки для комплексов обнаружения и постановки пространственных радиобарьеров, с дополнительными блоками измерения амплитуды и фазы токов, возбуждающие отдельные элементы антенной решётки АФР1... АФРм для формирования многолепестковых диаграмм направленности.

Степень достоверности и апробация результатов исследования.

Достоверность результатов исследования основывается на корректной постановке рассмотренных задач, использовании в качестве исходных данных, полученных при проведении экспериментов, а также подтверждается внедрением результатов на профильных предприятиях, публикациями в рецензируемых изданиях, успешной апробацией на международных и всероссийских конференциях и при рассмотрении опубликованных работ по тематике исследования, а таже при анализе данных на предмет совпадения с проводимой работой.

Материалы диссертационного исследования были апробированы на: VII Международной научно-технической конференции студентов, молодых учёных и специалистов «Энергосбережение и эффективность в технических системах» (Тамбов, 2020); 8-й Всероссийской научно-практической конференции «Мир науки без границ», (Тамбов, 2021); Всероссийской молодёжной научной конференции, посвящённая дню радио и связи "РАДИОЭЛЕКТРОНИКА. ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ" (Тамбов, 2021-2024); Международной научно-технической конференции «Виртуальные и интеллектуальные системы» (Алтай, 2022); XV Международная научно-техническая конференция "Динамика систем, механизмов и машин"(0мск,2021, 2023); IX Международной научно-практической

конференции «ВИРТУАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ПРОТОТИПИРОВАНИЕ И ПРОМЫШЛЕННЫЙ ДИЗАЙН» (Тамбов, 2023); Международная научно-техническая конференция «Современное состояние и перспективы развития систем связи и радиотехнического обеспечения в управлении авиацией. Научные чтения имени А.С. Попова» (Воронеж, 2020, 2021,2023, 2025).

Внедрение результатов исследования. Результаты диссертационного исследования внедрены в АО «Мичуринский завод «Прогресс»; АО «Тамбовский завод «Революционный труд»; АО «Тамбовский завод «Октябрь»; ОАО «Российские железные дороги»; а также в учебный процесс кафедры «Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем» ФГБОУ ВО «ТГТУ».

Публикации. На основании материалов диссертационного исследования было опубликовано 25 печатных работ, в том числе: 2 статьи, индексируемые в международных базах данных (МБД) Web of Science и Scopus; 4 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК; 19 публикаций в материалах международных и всероссийских конференций.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, перечня сокращений и условных обозначений, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 176 страницах машинописного теста, включающего в себя 45 рисунков, 15 таблиц, список использованных источников из 59 наименований и 3 приложения.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

На сегодняшний день рост сектора массового производства и коммерческого распространения БПЛА создаёт всё больше ситуаций, когда бесконтрольное применение летательных аппаратов противоречит установленным правилам безопасности и правовым ограничениям, связанным с их использованием.

В связи с этим актуальной задачей по обеспечению безопасности объектов является разработка высокоэффективных систем обнаружения и реализации радиоэлектронного подавления (РЭП) для создания пространственного радиобарьера от БПЛА, которые позволят своевременно осуществить обнаружение несанкционированного объекта и предотвратить его попадание на определённую территорию посредством реализации комплексом подавляющих функций комплексом.

За обеспечение комплексом заявленных характеристик и выполнение поставленных задач особая ответственность возлагается на корректную разработку и реализацию системы управления, включающей в себя функции, присущие информационно-измерительным и управляющим системам (ИИУС), и осуществляющей измерение, формирование и управление диаграммой направленности (ДН) по обнаружению и постановке пространственного радиобарьера. Под управлением ИИУС в комплексе могут находиться следующие узлы:

- антенный модуль (или другие возможные модули, способные обнаружить в радиусе работы комплекса неопознанные объекты, такие как оптические, акустические или комбинированные системы), включающий в свой состав одну или несколько антенных решёток (АР) и являющийся основным инструментом комплекса для обнаружения и подавления объектов, а также диаграммообразующее устройство (ДОУ), выполненное в виде многоканального приёмо-передающего устройства, реализующего обработку принимаемых

комплексом данных или выполнение необходимого диаграммообразования в зависимости от стадии работы комплекса;

- измерительное и обрабатывающее устройство, выполняющее роль коммутатора и аналого-цифрового или цифро-аналогового преобразователя (АЦП, ЦАП) информации;

- основной блок управления комплексом, реализующий все основные функции по координации работы системы в текущий момент времени, реализованный на базе многофункционального вычислительного устройства;

- блок формирования функционального состояния комплекса, состоящий из блоков, ответственных за реализацию в конкретный момент времени таких функций, как радиолокационное сканирование (РЛС), радиотехническая разведка (РТР) и РЭП;

- блок внешней коммуникации, реализующий передачу состояния работы системы и позволяющий осуществлять ручное управление комплексом человеком-оператором в непредвиденных рабочих моментах.

Для более наглядного отображения описанной выше структуры рассматриваемых комплексов представим их типовую структуру на рисунке 1.1 [4, 5, 12-16].

р(в,ф) <—

Антенный модуль

У®

Блок внешнего управления и отображения полученных данных

Блок форми рования функционального состояния

Блок Блок Блок

РЛС РТР РЭП

ы(г)

Рисунок 1.1 - Типовая структурная схема комплексов обнаружения и постановки

пространственного радиобарьера

1.1 Комплексы противодействия беспилотным летательным аппаратам

В настоящее время для обеспечения безопасности гражданского населения, критически важных объектов, общественных мероприятий и т.д. от несанкционированных действий с применением БПЛА необходимо применение специализированных комплексов, направленных на обнаружение и постановку пространственного радиобарьера от беспилотных объектов. В частности, такие комплексы должны совмещать в себе следующие функциональные возможности: эффективное обнаружение воздушных целей в зоне своего действия и определение их координат; фокусировка на перемещающемся объекте в пространстве во время полёта; фокусировка и ведение нескольких целей одновременно; реализация функций, приводящих к выходу из строя объектов путём постановки помех по каналам управления, каналам глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), либо одновременно по всем из перечисленных условий; компактность и возможность размещения среди объектов гражданской инфраструктуры, а также во время функционирования не выводить из действия системы специальных служб [11].

В связи с вышеизложенным, для корректной постановки задач, рассмотрим существующие коммерческие управляющие системы (УС), реализованные в виде комплексов защиты от БПЛА объектов особой важности гражданской инфраструктуры и соответствующие выбранным критериям, а также их технические характеристики согласно данным, опубликованным в открытых источниках.

Комплекс ОПД-715 «Стрелок» от компании ПК «Системы защиты» [12], по заявленным производителем данным, является компактной интеллектуальной системой подавления дронов с функцией их обнаружения большого радиуса действия, который составляет для системы обнаружения до 10 км, а для подавления до 3 км. Рассматриваемый комплекс осуществляет сканирование пространства по азимуту на 360° и работает в частотном диапазоне от 30 до 6000 МГц, включающий как диапазон беспроводной связи, так и каналы ГНСС, и способен контролировать не менее 30 объектов одновременно. Он способен работать не только в одиночном

режиме, но и объединяться с другими комплексами в единую сеть для увеличения эффективности действия системы, а также удовлетворяет всем необходимым критериям компактности и предъявляемым Российской Федерации (РФ) требованиям к данным комплексам. Представляет собой единую стационарную конструкцию, совмещающую в себе основной блок управления и антенные комплексы, выполняющие свои непосредственные задачи. Внешний вид комплекса представлен на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Комплекс ОПД-715 «Стрелок»

Одним из комбинированных видов комплексов противодействия БПЛА является разработка телекоммуникационной компании «Мелдана» - стационарный комплекс большого радиуса действия для защиты от БПЛА объектов особой важности «Малахит-6» (МЬ-8АВ-МАЬАИГТ-6), состоящий из комбинации блоков, выполняющих те же стандартные функции, такие как обнаружение, контроль и подавление [13]. За это ответственны антенные комплексы в виде плоской антенной решётки на поворотном механизме, поворотный высокоскоростного

активной радар, оптический блок системы. Комплектность базового набора данного комплекса представлена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Стационарный комплекс противодействия БПЛА

«Малахит-6»

Сектор обзора комплекса по азимуту комплекса составляет 360° для любого элемента системы, и рабочий диапазон частот расположен от 400 до 6000 МГц, возможность захвата до 50 целей одновременно. Радиус действия комплекса отличается от блока к блоку. Например, пассивный радиолокационный сканер способен обнаружить объект на расстоянии до 10 км, идентификация объекта поворотным высокоскоростным активным радаром выполняется в радиусе до 5 км, а его подавление осуществляется на расстоянии до 5 км. Оптический блок отвечает за уменьшение срабатываний на ложные цели и обеспечение дополнительной защиты комплекса от объектов, перемещающихся в режиме радиомолчания.

Следующим рассматриваемым комплексом является изделие «Барьер РИ Купол» компании ООО «Рубеж-Инжиниринг» [14]. В целом разработка представляет собой единую систему радиопередатчиков, отвечающих за мониторинг окружающей среды на предмет неопознанных объектов, и комплекса радиопередатчиков, ответственных за постановку помехи, комплектуемых как

всенаправленными антеннами, так и узконаправленными. Примерный внешний вид комплекса представлен на рисунке 1.4.

Главной отличительной чертой комплекса является вариативность монтажа конечного числа радиопередатчиков под необходимые условия использования, а также методы формирования ДН и её формы для подавления беспилотника, как узконаправленным подавляющим сигналом, так и помехой всенаправленного действия. От указанного типа ДН будут формироваться принципы действия и отклика системы, значения рабочего сектора и т.д. Что касается вопроса дальности действия комплекса, то в режиме обнаружения он составляет до 2 км, а в режиме подавления до 1 км, при условии, как указывает сам производитель, прямой видимости объекта и без сильных дестабилизирующих факторов.

Ещё одним из таких модульных решений можно назвать разработку НИИ «Вектор», носящую название «Мобильный комплекс противодействия БПЛА «Защита» [15], состоящий из отдельных антенных комплексов, объединённых в единую систему, где каждому отводится своя роль в виде определённых функций: обнаружение, сопровождение, идентификация и подавление беспилотных объектов. В описании комплекса указано, что предназначается данное решение для

•I

\

Рисунок 1.4 - Комплекс «Барьер РИ Купол»

охраны различных социально-значимых объектов гражданской и специальной инфраструктуры из-за низких побочных излучений, позволяющих активно применять данный комплекс в жилой зоне. Размер сектора обзора комплекса по азимуту составляет 360°, сектор обзора по углу места не менее 60°, частотный диапазон от 300 до 6000 МГц. Дальность действия систем обнаружения и подавления объектов, по предоставленным производителем данным, составляет до 20 км, а максимальное количество единовременно сопровождаемых целей составляет не менее 50 единиц. Главным отличием от рассматриваемого ранее комплекса является то, что он выполнен не в виде единого устройства, а составлен из нескольких антенных модулей, работающих в своей зоне ответственности. Внешний вид рассматриваемого комплекса представлен на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 - Мобильный комплекс противодействия БПЛА «Защита»

Согласно предоставленным характеристикам, подавление БПЛА осуществляется узконаправленной помехой, направленной на подавление каналов управления и блокирование ГНСС, лишая тем самым возможности координации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кирюпин Михаил Михайлович, 2026 год

■в - ■

етЛв,<Р) = --

(2.32)

yjl - sin2 в sin2 (<-an) yjl - sin2 в sin2 (< - an) Для апертурных излучателей:

- с вектором электрического поля, располагающегося вдоль оси z:

, V sine + cos (<-апП cos$sin (<-ап)

*m,(M = -. + . в ( в-, + .вУ( "П)< (2.33) 1 + sin$cos (<-ап) 1 + sin$cos (<-ап)

- с вектором электрического поля, расположенного перпендикулярно оси г:

, ч £¿«3+ СОБ (%-ап) Б1П3 + СОБ (%-ап) е-Л^У- . п 3-, + . 3 У "\%. (2.34)

1 + Б1П3соБ (%-ап ) 1 + Б1П 3соБ (%-ап )

В представленных выражениях (2.31 - 2.34) через 30,% происходит обозначение единичных векторов, расположенных в сферической системе координат.

В ДН, формируемых в кольцевых и цилиндрических АР, помимо поляризационной составляющей в формируемом излучаемом сигнале имеются так называемые кроссполяризационные или паразитные составляющие. Их полное отсутствие достигается только в условии построения решётки из продольных линек излучателей и в том случае, когда диаграмма направленности формируется в экваториальной плоскости, имеющей значение 3 = ж/ 2.

Учитывая, что минимальный скачок перемещения луча (или дискрет сканирования) для формирования остронаправленного излучения с разделённым

I.

I

т,0

I.

0,п

равна

по координатам г и а амплитудным распределением тока

Да, « 57,3° Я), ДН цилиндрической АР представляется в виде произведения ДН кольцевой решётки Рк (3,%) расположенной в области г = 0, на множитель линейной системы /г (3) излучателей, расположенных на образующей плоскости цилиндра:

Р(3,%) = р (3,%)Л (3), (2.35)

где

N1

I

Р (3,<р)=——1

I

0,п

(2^

- у" Я Б1П 30 СоБ (% - а ) - ^ 30 СоБ (% - а )]}

N1

I

п=—N1

I

Р,п(3%)

I 4,0 еХР -^т(С08в0 -С0—

2п

Л (в) = ^

(2.37)

На самом деле расчёт ДН в цилиндрических и круговых решётках усложняется из-за необходимости учитывать при расчётах различные дифракционные явления, возникающие на поверхности антенны, а также что все характеристики, применяемые в выражениях (2.30 - 2.37), для каждого отдельного излучателя должны быть определены системой одновременно с учётом их взаимодействия друг с другом.

Учёт такого взаимодействия каждого из излучателей в АР - большая, самостоятельная и весьма сложная задача, которую затруднительно посчитать в случае конкретных определённых размеров системы и её излучателей без применения компьютерных вычислений. Предусматривается сократить и упростить расчёты без снижения их точности по следующим признакам:

производить замену на похожий по характеристикам излучатель с непрерывным распределением тока I (а), который приравнивается к реальному амплитудному

распределению в рассматриваемых точках размещения излучателей с весьма гладким распределением токов между ними;

распределение на выбранном для расчёта участке аппроксимируются элементарными функциями.

С учётом всех принятых допущений формирование ДН для рассматриваемого типа АР в плоскости дуги в направлении в0 =п/2,^0 = 0 с точностью до нормируемого множителя А можно записать в следующим выражением:

в рассматриваемом участке излучения луча решётки допускается

парциальная ДН, формируемая на излучателе, и её амплитудное

2п

т

где Га (ф) — ДН, расположенная в азимутальной плоскости отдельного излучателя с координатой а.

Для выполнения такого приближённого вычисления ДН удобнее всего применять метод эквивалентного линейного излучателя, при котором форма луча рассчитывается, как форма синфазной линейной антенны, в которой амплитудное распределение по кольцу в пределах того участка, где формируем излучение, является проекцией на линейную антенну определённой длинны, расположенную перпендикулярно направлению излучения. В такой решётке амплитудное распределение будет представлено в следующей форме:

Г Г ,Л 1

/ \ -У ■ y i 1экв (y)~I arcsin— F arcsm--, . (2.39)

v Rj

y

v Rj

Jr

2 2 2 У

Принимая во внимания данные условия, ДН для кольцевой решётки в

азимутальной плоскости будет иметь следующий вид:

Л Г 2П ]

F (p) = A J ¡же (^)expj-y ^sinp( (2.40)

где ^ = _y2 = R sin p.

Разбег допустимых углов p, в пределах которых реализуется расчёт ДН по выражению (2.40) с погрешностью, которая не превышает нескольких процентов от общего числа, выводится из неравенства:

У

|| < arccos

1

(2.41)

4R (1 - cos в)

На основании этого упрощённого метода можно определить соотношение между шириной и формой ДН кольцевой решётки, уровнем первого бокового лепестка и амплитудным распределением в эквивалентном раскрыве, который напрямую зависит от амплитудного распределения по форме АР в пределах излучаемого участка и от луча ДН отдельного излучателя.

Также данный метод можно применять для проведения предварительного сканирования излучаемым лучом, перемещая его в рамках азимутальной плоскости посредством фазового распределения на выбранном излучаемом участке решётки.

Расстояние между излучающими элементами в азимутальной плоскости в рассматриваемом типе АР выбирают из условия единственности главного лепестка:

da<//(l + sin р), (2.42)

где в - угловой размер излучающего участка в азимутальной плоскости.

Такое же расстояние в той же решётке по угломестной плоскости выбирается так же, как и в линейных решётках:

dz <//(l + ^|), (2.43)

где ±вск - угловой сектор сканирования лучом в плоскости угол места.

Если расстояние dz </, то в выражении (2.37) сумму можно заменить

интегралом следующего вида:

H 2

fz (в) = A J I (z) exp

H_

2

-j 2- z(cos в - cos в0)

dz, (2.44)

где Н = 2Ый2 - высота цилиндрической АР.

В рассматриваемой цилиндрической решётке КНД будет зависеть от типа и числа излучателей, расстояние между ними и вида АР. При обеспечении оптимального фазового сдвига происходит формирование максимального значения КНД. Оптимальное амплитудное распределение по координате г будет выполняться равномерно, при этом амплитудного распределение по координате а будет зависеть от шага решётки.

Максимальный КНД кольцевой решётки будет выглядеть следующим образом:

Ni

Ятах - Ои I Р02„ (%), (2.45)

п=—N1

где Би - КНД излучателя в максимальной точке ДН; Р0п (%) - значение ДН излучателя с координатой равной % = ап в направлении % = %.

Максимальный же КНД цилиндрической решётки получится посредством суммирования отдельных максимумов КНД излучателей, из которых состоит решётка.

M]

Dmax = I [DKmax] . (2.46)

m=-M1 m

2.3 Цифровые антенные решётки. Формирование диаграммы

направленности

2.3.1 Классическое цифровое формирование диаграммы направленности

Как нам известно из ранее описанных глав, формирование ДН происходит за счёт фазового сдвига сигнала на каждом из излучателей, представленных в АР таким образом, чтобы поступающие по заданному направлению сигналы обладали свойством синфазности в точке, где происходит их сложение, и следовательно, формирование необходимой ДН. Из этого всего можно утверждать, что выход ДН для непрерывного сигнала будет представлен в виде следующего выражения:

N-1

Y = I WnXn, (2.47)

n=0

где N - число элементов в решётке; Wn - комплексный весовой коэффициент, используемый для формирования ДН; Хп - комплексный модулированный сигнал

от выбранного n-го элемента [23].

При условии, что расстояние между излучателями равно d и угол распространения фронта волны равен а, то при длине волны Л относительная фаза на n-ом излучаете в радианах будет равняться (2nnd sin а) / Л относительно

нулевого положения. В то же время выходные сигналы от N элементов подвергаются сложению без применения весовых коэффициентов, а сигнал, поступающий под углом а, описывается следующим выражением:

2nnd sin а

N-1

Y (а) = IXn exp

n=0

'J'

Л

При этом, если для sin а примем N дискретных значений:

d sin a k , л ^ „ лт ,

-= —, k = 0,1,2 ...N -1,

1 N

то уравнение (2.48) можно представить в следующем виде:

(2.49)

N-1

Y (a)=I X exp

n=0

-J-

2nnk

N

(2.50)

Полученное выражение (2.50) является дискретным преобразованием Фурье для сигнала с постоянной амплитудой.

Также имеет место зависимость между весовым коэффициентом и формируемой ДН под углом sin a, выражаемая при использовании всё того же преобразования Фурье. С учётом весового коэффициента Wn, влияющего на УБЛ n-ого излучателя, из выражения (2.48) получаем следующее:

N-1 . .

Y (a)=I WnXn exp

n=0

-j-

2nnd sin a ~1

(2.51)

При необходимости выполнения формирования луча в направлении ар будет происходить следующая модификация уравнения:

N-1

Y (a)=I WnXn exp

n=0

2nnd sin a

-J-

1

exp

2nnd sin a 1

N-1

= У wX

< n n

n =0

J2nnd(

sin ap - sin a

1

(2.52)

Можно сказать, что выражение (2.52) является основным уравнением для формирования ДН в линейной цифровой АР.

2.3.2 Двумерное сканирование лучом в цифровой антенной решётке

Возьмём за основу плоскую АР двумерного типа с расположением элементов в раскрыве антенны в плоскости X - Y и совпадением начала координат с центральным излучателем. По оси X имеется Nx элементов, сформированных в

столбцы и расположенных на расстоянии dx друг от друга. Рассматривая же ось У

можно отметить, что в ней так же размещены Иу элементов, но уже в виде

параллельных строк на равном расстоянии dy друг от друга. Общее же число

элементов решётки будет равняться произведению МхИу [16]. Демонстрация

описанной антенны представлена на рисунке 2.1.

г

Элементы решётки

Р(г,в,ф)

3 1 Проекция ' вектора Р(г,в,<р) на 4йу плоскость Х-У

Рисунок 2.1 - Плоская антенная решётка

Вектор Р (г,в,р) описывает расположение главного луча решётки в пространстве на некоторую дальность величиной г, с координатой по азимуту р и углу места в.

Суммирование величин векторов сигнала от излучателей каждого столбца рассматриваемой решётки будет равным сумме сигналов всей решётки и запишется следующим выражением:

2

Ух (¥х )=! а еХР [] (- ]

(2.53)

где Ых = ...-51х,-41х,-31х,-21х,-1х, 1х,21х,31х,41х,51х... ; а - амплитудная составляющая источника сигнала; п - номер столбца;

(1х Л

у/х = 2п — БтвсоБ^. Л

V л у

2

Векторная сумма сигналов от излучателей каждой строки, по аналогии с приведённым выражением для столбцов, представляется следующим образом:

2

I

N

уу (у ) = IАехр[у (Ыу -1)у ], (2.55)

NyL 2

где Ny =...-5Жу,-4йу,-Ъйу,-2dy,-йу,dy,2dy,3dy,4dy,5dy...; к - номер столбца;

( dy ^

у = 2п — БтвсоБ^. (2.56)

)

Из приведённых выражений следует, что выходной сигнал в

рассматриваемой решётке будет зависеть от координат по азимуту р и углу места

в излучаемого сигнала. Результирующая векторная сумма сигналов для всех

излучателей АР будет определяться следующим образом:

N±N2. 2 2

Уу (Ух,^) = 11ехР[у (пЖх-1Ух]ехР[у (ЫУ-1)У] (2.57)

где А - амплитудная составляющая источника сигнала, принятая за единицу.

Исходя из этого, выражение формирования ДН рассматриваемой решётки может быть представлено в следующем виде:

А (в,р) = III ехр [у (пЖх-1)у ]ехр [у (kdy-1)у ] = Ах (в,р( Ау (в,р), (2.58)

2 2

где

NУ

Ах (в,р) = 1ехр [у (пЖх-1)Ух ]; Ау (в,р) = 1ехр [у (кф-1)у]. (2.59)

N ^у

2 2

Согласно выражению (2.59) общая ДН решётки равна произведению двух ДН выбранной решётки, а точнее, её элементов, размещённых в строках и столбцах. Отсюда также следует, что можно осуществлять управление этими сформированными диаграммами вне зависимости друг от друга, формируя необходимые фазовые сдвиги на отдельных строках или столбцах решётки.

N¡х

2.3.3 Алгоритм цифрового диаграммообразования

Для рассмотрения принципа реализации алгоритма выберем линейную АР с равномерным разнесением излучателей, состоящую из самой решётки с излучателями, АЦП и ДОУ, в которой мы не затрагиваем пространственное формирование ДН.

Предположим, что на решётку попадает плоская волна E. Допустим, что принятый сигнал является аналоговым и узкополосным и имеет следующий вид:

S (t ) = a (t) е](оп+фф)]. (2.60)

В результат воздействия этой волны E возбуждённый сигнал имеет равные амплитуды a (t) и отличающиеся фазы (рп =(2nnd sin а) / X, которые

соответствуют их расстоянию от общего фазового фронта. Эти сигналы совершают преобразование в область видеочастот, а фазы (n, подходящие для проведения

когерентного суммирования, отбираются при помощи синфазных I (n) и

квадратурных Q (n) каналов, выходные сигналы которых являются

действительными и мнимыми частями комплексных сигналов. Далее выполняется дискретизация в определённый момент времени nAt, равный дискрету, и происходит преобразование из аналоговой в цифровую форму с умножением на комплексные весовые коэффициенты W, и затем суммирование для реализации отклика антенны:

, sin а

• , ч _ • 12nnd-

B(в) = aYWne X . (2.61)

Коэффициент a отвечает за отображение принятой информации, а сумма определяет значение ДН в решётке.

Рассмотрим поочерёдно формирование ДН сначала для одной плоскости и следом для двух плоскостей.

Сформированный решёткой некий комплексный сигнал вида ejmt с огибающей a(t) и несущей частотой f0 = с/X, где с - скорость света, а X - длина волны, представим в виде:

S(t) = a (t — T )ej(2f 1+ффе]2nffí((Tr"+dcosa)!X)

(2.62)

где fa - доплеровский сдвиг частоты; тг - задержка.

Эхосигнал, приходящий на излучатель n, имеет задержку тг и доплеровский сдвиг частоты fa [32]. Доплеровская частота, как правило, всегда значительно меньше f0.

Информация о расположении волнового фронта относительно плоскости решётки описывается частью произведения аргумента экспоненты (d cosa)/A,

которая осуществляет описание разности моментов приёма элементами решётки n и n — 1.

Кроме того, (dcosa)/Л отвечает за пространственную частоту. Для направления пространственной частоты относительно к нормальному раскрыву решётки с a = 90° данная величина равняется нулю, соответственно, как и разность фаз, возникающая между излучателями.

При изменении угла a = 60° пространственная частота принимает значение dj (2Л), при этом изменение фазы между излучателями определяется как nd/ Л. УБЛ варьируется за счёт применяемых весовых коэффициентов. Данные весовые коэффициенты представляют из себя комплексные числа Wn, несущие в себе синфазную и квадратурную составляющую, т.е. действительную и мнимую части.

Выборку для формирования ДН в комплексном виде можно отобразить, взяв за основу дискретное преобразование Фурье (ДПФ), отталкиваясь от элементов решётки:

фазировке посредством фазовращателей, расположенных в приёмной аналоговой части антенного тракта.

n=0

где r - номер луча, r = 0,1,2,...,N — 1; е~jj2nN)nr - множитель, соответствующий

Суммирование достигает максимума при r = Nd cos а/ Я, и его результат, приблизительно, будет равняться нулю при остальных значениях r, которые соответствуют углу падения волнового фронта а (при cosa = r/(dN)) на

плоскости решётки.

Расстояние между излучателями решётки обычно определяется по следующему отношению d = Я/2, при котором cosa = 2r/N .При этом, в

зависимости от N излучателей, происходит формирование лучей в заданном направлении, равное этому количеству. Они будут подвержены равномерному распределению в пространстве cos а, но будут являться не однородными по углу а.

Из выражения (2.63) следует, что для r = 0 изменяемая фаза по N излучателю так же будет равна нулю, при этом же если r = 1, следует что луч будет отклонён от нормали на одну ширину сформированной ДН. Значение фазового изменения на каком-либо из излучателей N будет равно 2п, а изменение произвольного луча r на той же N выборке излучателей - 2nr. Передвижение луча не на целую, а лишь на половину его ширины в неком пространстве cos а получается за счёт умножения n-ого излучателя при операции суммирования в

выражении (2.63) на e~]jinN )nr. Из этого следует, что формирование сдвига по углу соответствует перемножению сигнала каждого излучателя в системе на комплексную фазу. Это можно производить и через БПФ.

Управление лучом ДН в двух измерениях осуществляется введения фазового сдвига на каждом излучателе. На основе одномерного управления ДН можно вывести следующее выражение для двумерного сканирования:

N-1M-1 . - / —\ms - j\ — |nr

B ( r,s ) = A (t )H WnmS (n,m ) e LM J e ^N J ,

n=0 m=0

r = 0, 1,..., N -1; S = 0, 1,...,M -1, где A (t) - член уравнения, хранящий информацию о дальности и доплеровской частоте; Wnm - весовой коэффициент излучателя находящегося в n-ой колонне и в

m-м ряду; S (n, m) предоставляет информацию о сигнале и излучателем с номером n, m. В таком случае можно утверждать, что:

dv cose dx cosa . , ч /2nm—- /2nn—-

S (n,m ) = e 1 e 1 , (2.65)

где dx и dy - расстояние между излучателями решётки в направлениях x и y;cosa

и cos в - проекции единичного вектора захватываемой цели на оси x и y или же, проще говоря, являются направляющими конусами.

Эти направляющие конусы связаны с полярными углами сканирования по азимуту р и углу места в, берущими отсчёт от нормали к плоскости решётки по следующим соотношениям:

cosa = sin в cos р, cos в = sin в sin р. (2.66)

Задать направления луча ДН можно не только по азимуту в и углу места р, но и выполнить согласование по направлению с cos a и cos в, производя выбор номеров r и S такими, при которых выполняются следующие условия: Nd cosa

r =

S =

1

Ndy cos в 1

- ближайшее целое число,

- ближайшее целое число.

Рассматривание не целых чисел г и £ невозможно, так как для реализации принципов БПФ и других преобразований такого типа необходимо применять лишь целые числа.

Двумерное формирование лучей ДН можно представить следующим образом:

N-1

B (r, ) = A (t)Z

n=0

M-1

z WnmS(n,m)e

'2кЛ - /I — Ims ' M )

m=0

' 2П

- /I — Inr

ц N )

(2.68)

Такой вид данного выражения показывает, что двумерное ДПФ эквивалентно ему по М -точкам в каждом из N -колонок с последующим же ДПФ, но уже по N -точках в М -рядах.

Остронаправленный луч с широким телом в единственной плоскости реализуется при выполнении первого ДПФ, после второго этапа применения данного механизма он принимает форму «карандаш», тем самым обретая одинаковую ширину в общих плоскостях, что делает его подходящим для применения во многих комплексах РЛС. Также ДН такой формы способны формировать плоские круглые решётки. При этом возникает вопрос с обработкой сигнала от различного переменного числа излучателей в каждом столбце и сроке решётки. Для его решения нужно применять управление весовыми коэффициентами на отдельные излучатели с формированием вместо одной двумерной ДН нескольких одномерных с применением ДПФ. Малое число задействованных элементов в такой системе весовыми коэффициентами приравнивается к нулю.

Хотя методы цифрового диаграммообразования являются универсальными и способными работать, как и на приём, так и на передачу сигнала, основные их достоинства заметны при выполнении приёма сигнала. Одними из важных характеристик данного метода можно отметить: формирование нулей адаптивной ДН; формирование МДН; возможность коррекции и адаптации ДН непосредственно на самих элементах решётки; выполнение самоадаптации и формирования сверхнизких боковых лепестков; возможность построения гибкого управления мощностными и временными характеристиками.

Для ускорения работы системы и формирования МДН вместо ДПФ предлагается использовать БПФ, способное одновременно выполнять пересчёт множества ДПФ, что значительно повышает быстродействие системы.

2.4 Формирование многолучевой диаграммы направленности в антенных

решётках

Формирование МДН в АР осуществляется посредством набора следующих характеристик: комплексная ДН, нормированная по полю излучения, которая соответствует п -му выходу, со сформированным на излучателе единичным лучом Р (в,р), п = 1, 2,...,Ы, именуемая парциальной ДН; сектор углов, в которых

формируется ДН О; уровень пересечения образуемых ДН коэффициент полезного действия (КПД) антенны для каждого используемого канала Пп п = 1, 2,..., N. Опираясь на закон сохранения энергии, можно определить

случай, когда входы многолучевой антенны будут функционировать без потерь сигнала, и формируемая ДН будет являться ортогональной. Учитывая изложенное, для двух излучаемых ДН в такой решётке будет выполняться следующее соотношение:

где Бт - КНД по направлению т -го излучения.

При рассмотрении многолучевых антенн с равномерным амплитудным и линейным фазовым распределением можно выявить формируемые в форме веера одинаковые ДН по форме и размеру от каждого излучателя, расположенные в пространстве на величину угла, который определяется по рассмотренным в выражении (2.69) условиям ортогональности. При этом у линейной эквидистантной многолучевой решётки ДН, относящаяся к п -му выходу и без учёта взаимодействующих коэффициентов с остальными излучателями системы, будет являться:

где F (в,(( - нормированная ДН выбранного n -го излучателя; M - количество излучателей, используемых в решётке; amn - комплексная амплитуда поля в m -м

излучателе из решётки при возбуждении n -го входа диаграммообразующей схемы определённым значением амплитуды; ц/п = -kd sin в + (pn; к = 2п/Л; d - расстояние,

на которое разнесены излучатели в решётке; в - угол, отражающий соотношение нормали к решётке; (n - величина разности фаз полей сформированных излучателей при возбуждении n -го входа рассматриваемой АР по формированию

при m = n;

(2.69)

Fn (в, () = F (в, () S |amn | exp \i¥ft (m -1)], n = 1,2,..., N,

M

(2.70)

МДН.

Разность фаз будет определяться из условий, которые относятся к ортогональности лучей или же формируемому АФР поля АР, задающемуся различными схемами диаграммообразования. Так для N -канальной параллельной схемы разность фаз будет равняться:

(Рп =±П (2п-1), п = 1,2,..., N/2. (2.71)

В представленном выражении выбор знака определяется расположением луча от нормали решётки. Так при расположении лучей справа будет выставлен знак «+», в противоположном же случае знак будет отрицательным «-».

Число излучателей и их входов на диаграммообразующей схеме N, а также секторов формирования ДН О, зависящее от уровня их пересечения в решётке, взаимосвязаны с величиной средней ширины этой ДН 2вср и описывается

выражением:

О = 2вср N. (2.72)

Важнейшей характеристикой многолучевых антенн является значение уровня пересечения соседних излучаемых ДН, которое характеризует падения КНД в пределах суммированной ДН решётки, ограниченной данной характеристикой. Стоит отметить, что чем выше уровень данной величины, тем больше КНД в формируемом излучении. Для ортогональной же ДН данную характеристику можно определить из выражения (2.69) без учёта свойств направленности одиночного излучателя решётки при равномерном АФР:

4 = 1/ N вш(п/ (2 N )). (2.73)

Следовательно, для двухэлементной решётки данным уровнем будет являться выражение 1/л/2 по уровню минус 3 дБ. При возрастании числа используемых излучателей в решётке этот уровень будет стремиться к значению 2/п по уровню минус 4 дБ. Данные выводы справедливы по отношению к линейным и главным плоскостям рассматриваемой решётки. В диагональных же плоскостях не объёмной решётки этот уровень будет уменьшаться на 0,4 до уровня минус 8 дБ. Это показывает уровень падения КНД по направлению пересечения

излучения соседствующих излучателей. Исправить данный провал можно за счёт единовременного включения нескольких каналов с ближайшими к этим направлениям ДН. Вследствие чего формируется такое излучение, где максимум ДН расположен в направлении пересечения их составляющих. АФР, которое соответствует этой ДН в поле решётки, будет иметь суперпозицию к такому же распределению поля, но для соседних сформированных лучей. К сожалению, в данном типе АР нельзя независимо определять степень пересечения формируемых ДН и АФР в поле её раскрыва. Превышение уровня пересечения сформированных излучений, превышающих параметры, заданные выражением (2.69), влечёт за собой уменьшение развязки входных каналов многолучевой антенны. Для достижения необходимого уровня развязки при условии неортогонального распределения амплитуд и фаз в состав диаграммообразующих схем включают поглощающие нагрузки, ограничивающие систему. Ограничения накладываются на отношение излучаемой системой мощности к передаваемой на п -ый вход излучателя при выполнении условия подключения других излучателей к согласующим нагрузкам. Мерой, определяющей ортогональность излучения ДН, можно назвать нормированные взаимные сопротивления выходных каналов антенны, которые равняются:

п 2п *

íí Fm (в, у) Fn (в,у) smedyde

r = 0 0

mn

п 2п ~ п 2п

íí К(в,у)| sinedydeíí |Fn (в,у)| sin edyde оо оо (2.74)

Jd d

__V m n

п 2п

4níí Fm (в,у) Fn (в, у) sin edyde

о 0

Помимо этого метода, сопротивление можно выявить через значения амплитуды волн в расположенных в решётке излучателях, подверженных согласованию со свободным пространством и соответствующим возбуждением m -го и n -го входов на схемах диаграммообразования, по следующему выражению:

f M * \ I ¡M . ,2 M 2

r =

mn

Ё asmasn ДЁЫ Ё\üsn\ . (2.75)

v s=i Л ' '

s=1 s=1

г =

тп

V у

где Ет - распределение поля относительно раскрыва антенны sI при подаче

возбуждающего воздействия я -го входа решётки с волновой единичной амплитудой.

Сопротивления гтп - безразмерная величина. Они являются частью волнового сопротивления, распространяемого по линиям передач, которые в свою очередь являются входами диаграммообразующих схем. Если же АР является ортогональной, то сопротивление гтп = 1 при значениях я = п и гтп = 0 при значениях т Ф п, тогда для каждого канала антенны его КПД будет стремиться к единице. Также ортогональность формируемых ДН может задаваться определённым значением уровня пересечения £. При этом условие для

неортогонально сформированных ДН будет следующим: 0 < гтп < 1; гтп = 1; гтп = т.

2.5 Метод оперативного синтеза диаграммы направленности антенных

решёток

Исходя из проведённого анализа рассмотренных методов формирования ДН в различных АР, можно отметить, что оно осуществляется посредством корректировки весовых коэффициентов, фазовых сдвигов для каждого элемента системы. Основными сложностями для реализации формирования ДН являются громоздкие и сложные параметры вычисления, которые неспособны обеспечивать оптимальную работу алгоритмов при выполнении следующих задач: обеспечение в реальном масштабе времени требуемого быстродействия для системы; подстройка и обеспечение стабильности сигнала при сложной ЭМО; а также при влиянии дестабилизирующих факторов на работу алгоритмов. К таким системам можно отнести реализующие электронное сканирование луча алгоритмы БПФ для корректировок весовых коэффициентов АФР, исходя из типа АР и применяемых методов формирования ДН [41].

Для повышения характеристик комплексов обнаружения и постановки пространственного радиобарьера на неопознанную цель необходимы высокоэффективные алгоритмы диаграммообразования. На практике для выполнения этих условий необходимо применять интеллектуальные алгоритмы, основанные на сильных качествах ИИ, которые способны реализовывать такие функции, как адаптация системы за счёт самообучения и преобразование поступающих входных переменных в требуемую функцию, отвечающую за формирование необходимой ДН при различных условиях функционирования.

Одним из алгоритмов ИИ, способного соответствовать заданным требованиям, являются алгоритмы НС, важнейшим достоинством которых считается возможность их обучения и адаптации. Алгоритму не требуются полные знания об объекте управления, такие как его математическая модель. На основе входных и заданных базой данных типовых сигналов НС может научиться самостоятельно управлять объектом [42-45]. НС состоят из огромного количества взаимосвязанных простых обрабатывающих элементов (нейронов), что в результате даёт большую вычислительную мощность при использовании параллельной обработки информации. К сожалению, описанный алгоритм не является универсальным, так как подбирается индивидуально для каждой системы, лишь базируясь на существующих закономерностях и физических законах. До настоящего времени неизвестен алгоритм расчёта количества слоёв сети и количества нейронов в каждом слое для конкретных примеров УС [41]. Тем не менее, по завершению обучения НС становятся незаменимыми средствами решения задач, поставленных перед комплексом. С другой стороны, накопленные НС знания оказываются распределёнными между всеми её элементами, что делает их практически недоступными для наблюдателя.

Этого недостатка лишены комплексы под управлением дополнительного блока НЛ. Однако в данном случае знания о способе формирования ДН необходимы уже на стадии проектирования управляющих модулей. Причём они должны исходить от экспертов, и, следовательно, возможность обучения отсутствует. При этом в такой ситуации полные знания, которые описывают в

математическом виде функциональную зависимость между входами и выходами системы, не требуются. В отличие от обычных модулей формирования ДН, используются не количественные данные, а качественные знания, заложенные в алгоритм на этапе проектирования системы. Система принимает решения на основе свода правил, записанных в форме импликации «IF-THEN». Простейший подход к проектированию таких систем заключается в формулировании правил управления диаграммообразованием и функции принадлежности, исходя из специфики сферы, в которой осуществляется процесс формирования ДН, осуществляемый человеком-оператором либо уже устройством автономно, с последующим оцениванием корректности функционирования такой системы. Если проект оказывается неудачным, то функцию принадлежности и/или правила формирования ДН можно легко модифицировать. Как уже отмечалось, основной недостаток подобных систем — это невозможность адаптации и обучения.

Объединение двух выше указных алгоритмов для реализации формирования ДН в антенных системах комплексов обнаружения и постановки пространственного радиобарьера позволит, с одной стороны, привнести способность к обучению и увеличение вычислительной мощности НС в системы с НЛ, а с другой стороны - усилить интеллектуальные возможности НС свойственными «человеческому» способу мышления нечёткими правилами выработки решений [41, 46].

Попытки объединения рассмотренных методов стали в последние годы предметом весьма интенсивных исследований и применений в реальных объектах. Их результатом можно считать системы выработки решений, в разной степени реализующих идею нечёткого мышления в комплексе с реализацией самообучения алгоритмов с помощью НС.

На основании ранее рассмотренных методов формирования ДН необходимой формы в пространстве для различных типов АР и определения недостатков этих методов, влияющих на требуемые характеристики комплексов обнаружения и постановки пространственного радиобарьера, а также на основании вышеизложенных преимуществ для применения алгоритмов ИИ необходимо

разработать алгоритмы формирования ДН нужной формы в пространстве с применением алгоритмов, базирующихся на ИИ. Данное решение должно положительно сказаться на ключевых характеристиках комплекса, таких как время обнаружения, радиус обнаружения, ширина ДН и количество одновременно сопровождаемых целей.

На основании вышеизложенных методов формирования ДН для различных форм АР выделим те, что будем использовать в дальнейшем исследовании, а именно: ДН для плоской АР размерности n х m, для цилиндрической АР размерности n х m и круговой АР. Рассмотрим каждый метод в порядке упоминания.

2.5.1 Метод оперативного синтеза диаграммы направленности в плоской

антенной решётки

Основными параметрами для формирования необходимой ДН и реализации её управления в данном типе АР будут являться:

- число элементов n х m , где n - число строк, m - число рядов АР;

- шаг решётки между элементами антенны, расположенными на оси x и y, обозначенный как dx, dy;

- угол сканирования в, ф.

АФР в такой АР будет выглядеть следующим образом:

E(вф)=Х XA e}Vmne]k(mdxsin0cos^ndysinesin^ (2 77)

m=1 n=1

где E (в,ф) - результирующее поле в направлении в, ф; Amn - амплитуда возбуждения элемента антенны с индексом m, n; <pmn - фазовый сдвиг элемента антенны с индексом m, n; eJ<Pmn - представление фазового сдвига в комплексной

2п

форме; k - волновое число, равное —; mdx sin в cos ф + ndy sin в sin ф - разность

Л

хода волны, диктуемая расположением элементов в АР.

Для формирования излучения в необходимом направлении для АР выполняется подбор фазовых сдвигов так, чтобы выполнялось условие компенсации разности хода волны в выбранном направлении:

(ртп = -k (mdx sin#cos^ + ndy sin в sin ф). (2.78)

На основании вышеизложенного ДН для плоской АР будет выглядеть следующим образом:

Í-//1 j\ M N Л j(k(mdx(sine"sine0)co^+nd„(sine"sine0)sin фф+(тп) /о пг.л

F (в,Ф)=ТТ4ппе . (2.79)

m=1 n=1

2.5.2 Метод оперативного синтеза диаграммы направленности для цилиндрической антенной решётки

Основными параметрами для формирования необходимой ДН и реализации её управления в данном типе АР будут являться:

- число элементов п х т , где п - число строк, расположенных вдоль оси цилиндра антенны, т - число элементов, расположенных в окружности одного ряда;

- R - радиус АР;

- dz - шаг между элементами по вертикальной оси цилиндра;

- dф - угловой шаг между элементами, расположенными на одной

окружности;

- в - угол сканирования по углу места;

- ф - угол сканирования в азимутальной плоскости.

Так как все элементы цилиндрической АР расположены на поверхности цилиндра, то и координаты каждого из них будут определяться следующим образом:

(x ,y ,z ) = (Rcosф ,Rsinф ,nd ), (2.80)

V тп'Утпэ тп} \ rm¿ rm? z/' V /

и АФР для данной антенны будет выглядеть так:

E (вф)=]Г е](тпе]]1(R С^(фт-ф) z cose) (2 81)

(Ртп = -к (К с°8 (фт - фо ) ^п °о + СО$в0 ) (2-82)

В результате финальная ДН будет иметь следующий вид:

Р ($ф)~Х А с°Афт-ф)ьтв+М2 соив)+фтп) (2 83)

2.5.3 Метод оперативного синтеза диаграммы направленности для кольцевой антенной решётки

Основными параметрами для формирования необходимой ДН и реализации её управления в данном типе АР будут являться:

- M - число элементов, расположенных в окружности одного ряда;

- R - радиус АР;

- - угловой шаг между элементами, расположенными на одной

окружности, равный —;

- в - угол сканирования по углу места;

- ф - угол сканирования в азимутальной плоскости.

В отличие от цилиндрической решётки, элементы кольцевой антенны расположены всего в одной плоскости XY, и координаты каждого элемента комплекса будут определяться как:

(, Утп ) = ( R соф, R *тфт), (2.84)

а АФР для данной антенны будет выглядеть так:

E (ej)=MAmeJ,pmeM со<ф-ф)81пв. (2.85)

т=1

При этом её фазовый сдвиг в заданном направлении принимает следующий

вид:

(Pm = -kR C°S (фт - фо ) S1n в0 . (2.86)

В итоге финальная ДН будет иметь вид:

1. В целях разработки метода оперативного синтеза диаграммы направленности антенных решёток изучены существующие методы формирования диаграммы направленности, применяемые в рассматриваемых комплексах. Изучены принципы формирования диаграмм направленности в плоских, цилиндрических и кольцевых антенных решётках. Рассмотрены аналоговые и цифровые методы формирования луча, методы формирования многолучевых диаграмм направленности, принципы формирования амплитудно-фазового распределения для управления синтезированным лучом в пространстве, а также способы расчёта и формирования весовых функций, определяющих значения амплитуды и фазы токов в антенной решётке. В результате выявлен недостаток рассмотренных методов, заключающийся в постоянном определении амплитуд и фаз для последующего синтеза диаграммы направленности с учётом всех задействованных излучателей в антенной решётке в режиме реального времени, что требует большой вычислительной мощности системы, снижая оперативность существующих методов в режиме постоянно изменяющихся условий работы и электромагнитной обстановки.

2. На основании анализа существующих методов формирования диаграммы направленности в антенных решётках и выявленного их недостатка реализацию метода оперативного синтеза диаграммы направленности в качестве алгоритмического обеспечения предлагается осуществлять за счёт применения методов искусственного интеллекта, в частности алгоритмов нейронных сетей и нечёткой логики. Данное решение позволит избавиться от постоянного пересчёта диаграммы направленности, требующего большой вычислительной мощности системы, путём использования готовых значений амплитуды и фазы токов, полученных в результате обучения на данных ранее синтезированных диаграмм направленности, что позволит повысить оперативность метода. Определены методы формирования диаграммы направленности для плоских, цилиндрических и

Так как нашей задачей является создание универсального алгоритмического обеспечения для формирования ДН необходимой формы в пространстве с применением нейросетевых технологий для комплексов обнаружения и подавления, то при разработке будут учитываться методы формирования ДН для АР разной геометрии (плоская, цилиндрическая, кольцевая).

С учётом того, что для обучения алгоритмов на базе ИИ необходимо формирование собственной базы данных, для возможной коммуникации с алгоритмом в процессе работы добавим в структуру комплекса отдельную экспертную систему, в которой будет реализована база знаний сигнатурной составляющей радиосигнала, для сверки поступающего на комплекс сигнала и исключением ложного срабатывания на такой тип сигнала, как бытовой Wi-Fi или типовая шумовая помеха.

Методы формирования ДН необходимой формы в пространстве будут соответствовать представленным методам из второго раздела данной работы, с уже упомянутыми методами их реализации на основе алгоритмов ИИ.

Перейдём к формированию алгоритмов.

3.1 Алгоритм формирования диаграммы направленности сложной формы с компенсацией уровня боковых лепестков в пространстве

Кратко опишем принцип функционирования разрабатываемого алгоритма.

АР на поле своего раскрыва формирует посредством ДОУ узкий луч ДН, ширина которого составляет 1° для наиболее эффективного сканирования пространства. Сформированный определённой формы луч совершает движение по заданной траектории в двух направлениях по круговой азимутальной траектории движения луча в, равному 360°, и в пределах допустимого рабочего диапазона

антенной решётки по углу места <р. Управление будет осуществляться посредством изменения весовых коэффициентов по фазе в зависимости от угловых значений в момент перемещения и задействованного излучателя из N -го числа, применяемых в решётке. Как дополнительным условием может служить направление сканирования луча d, которое является булевским параметром, отвечающим за движение луча в прямом или обратном направлении. Например, «+1» для движения по заданной траектории и «-1» для движения в обратном направлении.

Для реализации данного процесса предлагается использовать НС [34, 36] со следующей формулировкой и постановкой задачи: НС должна осуществлять управление фазами элементов АР посредством изменяемых весовых коэффициентов, за счёт этого происходит изменение в системе угловых параметров луча и его траектории движения. Система должна корректно отрабатывать входные данные, выходные фазы, при этом коэффициенты должны быть рассчитаны таким образом, чтобы обеспечивать необходимую ДН в заданном направлении, а также система должна быть способна к адаптации на изменение параметров в реальном масштабе времени [47].