Метод измерения угловых ошибок пеленга в системе «антенна - обтекатель» в области сканирования луча ФАР

Введение

Возникающие при наличии радиопрозрачного обтекателя (РПО) ошибки определения угло­вого положения пеленга (угловые ошибки пеленга, УОП) [1] должны учитываться при работе бортовой радиолокационной станции (БРЛС) [2]. Работы по измерению УОП только в двух ортогональных плоскостях азимута или угла места проводятся довольно часто [3, 4]. При этом УОП определяется как разность меж­ду измеренными координатами нулей соответ­ствующей разностной диаграммы направлен­ности (ДН) до и после установки обтекателя (метод разности). Такой подход дает представ­ление только об одной из компонент УОП. Произвольно отклоненный луч фазированной антенной решетки (ФАР) в системе антенна - обтекатель приобретает угловые ошибки пе­ленга сразу по обеим координатам (рис. 1) [1]. Поэтому разработка методов практической оценки влияния обтекателя на уходы «нулей» пеленгационных характеристик во всей обла­сти сканирования луча является сегодня акту­альной задачей.

Геометрия задачи для одного сечения поверхности РПО

На рис. 2 представлена ФАР (поз. 1), центр апертуры (поз. 2) которой связан одновременно со сферической (θ, Ψ) и декартовой (X, Y, Z) системами координат. До установки РПО (поз. 10) опорно-поворотное устройство ан­тенны (ОПУА) устанавливается на произволь­ный угол крена Ψ_j- (поз. 5). При произвольно выбранном пространственном угле отклоне­ния θ_i– (поз. 7) от нормали к раскрыву антен­ны (поз. 8) управляющие углы L_x и L_y (поз. 3 и 4) между соответствующими осями X, Y и направлением установки луча (поз. 6), рас­считываются по формулам

cos L_x = sin θ_i cos Ψ_j;                                      (1)

cos L_y = sin θ_i sin Ψ_j,                                         (2)

а углы фазирования решетки, пересылаемые в блок управления лучом ФАР (α_х; α_y) из вы­числителя БРЛС, по формулам

α_х = 90 - L_x;                                                      (3)

α_у = 90 - L_y.                                                       (4)

При таком расчете углов фазирования α_х, α_у и неизменном угле крена системы Ψj любой выбранный из возможного для данной ФАР угол отклонения луча от нормали θ_i бу­дет устанавливать луч в плоскость (поз. 12), совпадающую с плоскостью азимутального поворота ОПУА (поз. 14). Если при этом ази­мутальная платформа ОПУА с тестируемой ФАР развернута на угол (−θ_i), то нормаль к плоскому падающему на раскрыв ФАР фрон­ту электромагнитной волны в дальней зоне (в данном случае в рабочей зоне коллиматора) совпадает с направлением установки луча. При наличии у тестируемой ФАР выходов обоих разностных каналов (Аз и Ум) путем незначи­тельного поворота ОПУА по оси его азимута (поз. 11) в области угла (−θ_i) одновременно могут быть измерены координаты минимумов сечений обеих разностных диаграмм. Математический аппарат вычисления угловых ошибок пеленга Известно, что линии нулевых уровней про­странственных ДН разностных каналов пло­ских ФАР отображаются в системе координат направляющих (управляющих) косинусов (u, v) прямыми линиями вдоль осей и или v. На рис. 3 представлены пространственные ДН разност­ных каналов.

На рис. 4 картографическими линиями сечений схематично изображены простран­ственные разностные ДН (Аз - зеленые ли­нии сечений, Ум - красные) в системе коорди­нат направляющих (управляющих) косинусов U = cos L_x, V = cos L_y. L_x и L_y - определенные ранее управляющие углы для ФАР, установ­ленной на угол крена Ψ. Тогда в системе координат направляющих косинусов возможная область отстроек луча ФАР будет ограничена единичной окружностью, а координаты его установки на этой плоскости будут полно­стью определены углом отклонения луча ФАР от нормали к раскрыву θ₀ и углом установки ФАР по крену Ψ. На плоскости (U, V) можно выделить две характерные точки.

В точке 1 до установки РПО луч ФАР, согласно формулам (1)-(4), устанавливается по сферическим координатам θ₀, Ψ и соот­ветствует точному пеленгу на направление прихода плоского фронта электромагнитной волны от «цели» (в данном случае от коллима­тора измерительного комплекса). На плоскости управляющих косинусов это точка с координа­там (u₀, V₀) При этом пересечение линий ну­левых уровней пространственных разностных ДН, формируемых тестируемой ФАР, происхо­дит в точке 1. Это означает совпадение коор­динат минимумов одновременно измеряемых по каналам Аз и Ум сечений разностных ДН (рис. 5, а), при которых θ_α = θ_у и совпадают с углом отклонения луча θ₀.

В точке 2 после установки РПО луч ФАР по прежнему установлен по сферическим ко­ординатам θ₀, Ψ на направление прихода плоского фронта электромагнитной волны от цели. Однако из-за преломления в РПО теперь направление прихода плоского фронта элек­тромагнитной волны уже не соответствует первоначально установленному пеленгу. Та­ким образом, точка 2 (как одна из возможных точек) с координатами (U₁, V₁) соответствует изменившемуся направлению пеленга, вы­званному установкой РПО. Пересечение линий нулевых уровней пространственных разност­ных ДН, формируемых тестируемой системой ФАР - РПО, происходит в точке 2. Поскольку система ФАР - РПО по-прежнему сфазирована по координатам θ₀, Ψ, то фактически измеряемые минимумы сечений обеих про­странственных разностных ДН и определяе­мые концом вектора sin θ_α и sin θ_у будут за­фиксированы на углах θ_α и θ_у соответственно. При этом фиксируемые углы измеренных ми­нимумов θ_α и θ_у не равны и не совпадают с θ_o (рис. 5, б).

На плоскости направляющих косинусов координаты точки 1 -U₀ = cos L_x, V₀ = cos L_y, а в переменных сферической системы коор­динат выражаются приводимыми ранее формулами (1) и (2). Измерив методом механи­ческого азимутального сканирования ОПУА в окрестности точки (-θ_ο) изменившиеся после установки РПО углы θ_α и θ_у (угол начальной установки θ_ο и Ψ известны) и учитывая, что

u₁ = u₀ + du;                                                      (5)

du = (sin θ₀ - sin θ_α )cos Ψ;                                 (6)

V₁ = v₀ + dv;                                                     (7)

dv = (sin θ_у - sin θ₀ )sin Ψ,                                 (8)

по формулам (6), (8) рассчитываем du, dv, а по (5), (7) - u, V₁.

Принимая во внимание, что

L_хo = arccos u₀;                 (9)

L_x1 = arccos u₁;                (10)

L_yo = arccos v₀;                (11)

L_y1 = arccos V₁,                (12)

из соотношений (3) и (4) определяем прираще­ние компоненты Δα_х к углу начального фази­рования тестируемой ФАР по координате α_х, вызванное установкой на ФАР РПО, как

Δα_х = L_x1 - L_хo.                                               (13)

А приращение компоненты Δα_y к углу на­чального фазирования тестируемой ФАР по координате α_y, вызванное установкой на ФАР РПО, как

Δα_y = L_y1 - L_y0.                                               (14)

Фактически Δα_х и Δα_y и есть искомые ошибки пеленга для одного элемента матрицы УОП, рассчитанные для положения установки луча ФАР с пространственными сферически­ми координатами (θ₀, Ψ) что соответствует координатам фазирования решетки α_х и α_y. Эти данные передаются из вычислителя БРЛС в блок управления лучом ФАР при каждом так­те перестройки луча.

Проводя с (1) - (14) необходимые подста­новки и дальнейшие преобразования, можно получить более общий вид выражений для Δα_х, Δα_y как функцию от произвольных (до­пустимых для тестируемой ФАР) сферических координат установки системы θ_0ί, Ψ_j.

В этом случае сами компоненты Δα_{xi, j}, j, Δα_{yi, j} пеленгационной ошибки, вносимые РПО, при углах установки системы антенна - обтекатель θ₀ = θ_0ί, Ψ = Ψ_j в переменных сферической системы координат антенны мо­гут быть рассчитаны по формулам

где Δα_{xi, j} - составляющая пеленгационной ошибки, вносимой обтекателем, по углу α_х (при θ = θ_οί, Ψ = Ψ;);

θ_αί - измеренный фактический угол ми­нимума сечения разностной пространствен­ной азимутальной диаграммы (при θ = θ_0ί, Ψ = Ψ j) после установки обтекателя;

Ψ_j - текущее значение угла крена ан­тенной системы относительно горизонталь­ной плоскости азимутального сканирования ОПУА;

θ_0ί - текущее значение угла θ₀ в сфериче­ской системе координат ФАР между нормалью к раскрыву ФАР и направлением на минимум, формируемый пространственными разностны­ми ДН, до установки обтекателя, при котором измеряемые минимумы в сечениях разностных ДН совпадают;

Δα_yi,j - составляющая пеленгационной ошибки, вносимой обтекателем, по углу α_у (при θ = θ_oi; Ψ = Ψ_j);

θ_yi - измеренный фактический угол ми­нимума сечения разностной пространственной угломестной диаграммы (при θ = θ_oί; Ψ = Ψ_j) после установки обтекателя.

Следует еще раз подчеркнуть, что речь идет о вычисляемых ошибках в системе коор­динат углов фазирования ФА (α_х, α_y) Хотя полученные ошибки могут быть пересчитаны и в другие системы координат, например но­сителя, для их последующей компенсации в каналах пеленга БРЛС этот вид их выражения представляется наиболее удачным.

Если предположить, что начальная уста­новка ФАР на ОПУА такова, что имеет место совпадение плоскостей установки луча (поз. 12, см. рис. 2) плоскости азимутального поворота ОПУА (поз. 14) с горизонтальной, то в точках (поз. 13) происходит пересечение линий мини­мальных уровней пространственных разностных диаграмм, формируемых ФАР (т. е. выполняется условие θ_αί = θ_yi). На снимке экрана монитора измерительного комплекса (см. рис. 5, а) это вы­глядит как совпадение координат минимумов измеряемых сечений обеих разностных ДН. После установки РПО на антенну на тех же уг­лах измеряются новые (рис. 5, б), изменивши­еся координаты минимумов сечений разност­ных ДН θ_αί и θ_yi. В этом случае предложенная математическая модель работает, а по величи­нам и знакам отклонений θ_αί и θ _yi от изначаль­ного θ_οί, где имело место выполнение условия θ_αί = θ_yi, по формулам (15) - (16) определяют компоненты пеленгационной ошибки Δα_xi,_j и Δα_yi,_j. Это означает, что в точках (поз. 13) они могут быть рассчитаны. При этом линии се­чения (поз. 15) поверхности РПО плоскостью установки луча ФАР (поз. 12), на которой ле­жат эти точки, определит одну из строк общей матрицы УОП.

Геометрия задачи для набора сечений по всей поверхности РПО

В дальнейшем подобные измерения могут быть проведены по всей поверхности РПО, т. е. при всех возможных дискретных установках системы ФАР - РПО по углам крена Ψ _j и углам отклонения луча θ_οί. Тем самым могут быть получены набор строк и, соответствен­но, матрица компонент УОП для РПО произ­вольной формы. Так, например, в рассматри­ваемом случае (см. рис. 2) ось РПО (поз. 9) не совпадает с нормалью к раскрыву ФАР (поз. 7). На рис. 6 изображена сложная поверхность произвольного РПО, попадающая в область сканирования луча ФАР. Линии сечений его поверхности и точки на них, по которым проводятся измерения (Δα_xi,j и Δα_yi,j) компонент УОП, показаны разными цветами (см. рис. 6). Принцип электронной компенсации положения начальной установки луча ФАР при измерении УОП Ранее говорилось, что для дальнейших кор­ректных измерений УОП, вносимых РПО, до его установки должен быть взят точный пеленг тестируемой ФАР на плоский фронт приходящей электромагнитной волны. Только в этом случае измеренные минимумы сечений пространственных разностных ДН совпадают и можно вести расчеты по предлагаемой ме­тодике. Причем условие это должно выпол­няться в любой доступной к измерению по данной методике точке, т. е. при любых воз­можных θ₀ = θ_oi, Ψ = Ψ_j.

На рис. 7 схематично изображено ОПУА, подобное тому, которое применялось в изме­рениях. Представлены два простейших случая, когда из-за ошибок начальной установки ФАР по крену (Δψ) или по углу отклонения (ΔΘ) плоскость азимутального поворота не совпа­дает с плоскостью истинного горизонта.

В самом общем случае реальная пло­скость азимутального поворота ОПУА на рис. 7 и жестко связанной с ней ФАР может занимать еще более сложное произвольное простран­ственное положение. При этом рассчитанные по формулам (3), (4) угловые координаты α_xi,j и α_yi,_j, по которым фазируется решетка, не уста­навливают ее луч точно по пеленгу на плоский фронт приходящей электромагнитной волны от цели (коллиматора). Условие θ_α = θ_y в таких точ­ках не выполняется, и это означает, что если в дальнейшем УОП рассчитывать относительно этих координат, ошибка будет недопустимой.

В отдельных исключительных случа­ях изначальной механической юстировкой ОПУА комплекса с установленной на нем ФАР в какой-то из точек установки системы можно привести реальную плоскость азимутального поворота к условной плоскости «истинного» го­ризонта. Этого можно добиться, например, ре­гулируя опоры станины ОПУА (поз. 2 на рис. 7). Но опыт практических измерений и их гро­мадный потенциальный объем показывают, что это абсолютно бесперспективный путь. Добиться правильной начальной установки при любых возможных θ_o = θ_oί, Ψ = Ψ_j физи­чески не представляется возможным. Именно по этой причине для практической реализации предлагаемого метода измерения УОП в ос­нову его положен принцип электронной ком­пенсации начальной установки луча ФАР при измерении УОП (до установки РПО).

Для компенсации ошибок начальной установки луча ФАР по пеленгу на плоский фронт падающей электромагнитной волны предложен вычислительный способ. Суть его заключается в первоначальной компенсации ошибки установки луча ФАР, сфазированной по координатам θ_o = θ_οί, Ψ = Ψ_j с помощью самой ФАР. Для этого точно так же, как в са­мом описываемом методе измерения УОП, предлагается измерять начальное разбегание θ_a и θ_y и по формулам (15), (16) рассчитать добавки ∆α_{xi, j комп} и ∆α_{yi, j комп} с той лишь разницей, что, взятые с соответствующим знаком и добавленные к изначальным координатам фазирования α_xi, _{j нач} и α_yi, _{j нач} (при углах уста­новки луча θ_ο = θ_oi, Ψ = Ψ_j), они будут играть роль компенсирующих и должны приводить систему в точку, где условие θ_α = θ_y уже вы­полняется. Если подобная процедура компен­сации будет проведена по всем точкам массива, предполагаемого в дальнейшем к измерениям УОП, то можно сказать, что после установки РПО и проведения измерений УОП по точкам, где компенсация проведена, рассчитываемые Δα_{xi j} и Δα_{yi j} действительно есть ошибки пе­ленга, вносимые непосредственно РПО. По этой причине в дальнейшем данный метод определения компонент УОП будет называть­ся методом компенсации. На рис. 8 приведены данные практических измерений θ_a и θ_y (до установки РПО) по сигналам двух разностных каналов при первоначальной установке тести­руемой ФАР по крену Ψ = 60° и угле отклоне­ния луча от нормали θ_ο = 45°. На рис. 8, а вид­но «разбегание» координат нулей измеряемых разностных диаграмм, на рис. 8, б - результат проведенной компенсации.

Для всех дальнейших измерений УОП (после установки РПО) за точку начальной установки следует брать новую точку с уче­том компенсирующей добавки ∆α_{xi, j комп} и ∆α_{yi, j комп.}

Измерительный комплекс АКК1-12. Оборудование комплекса. Автоматизация измерений с помощью ПО Stend BEK

На рис. 9 представлена блок-схема антен- но-коллиматорного комплекса (АКК1-12), на базе которого и проводились измерения.

Значительные массивы измеряемых и об­рабатываемых по предлагаемой методике дан­ных потребовали создания специальной про­граммы. Программное обеспечение (ПО) Stend BEK было создано и опробовано на комплексе. Интерфейс ПО StendBEK показан на рис. 10.

Помимо обычного измерения ДН, при использовании одновременно трех каналов тестируемой ФАР (суммарного, азимутально­го и угломестного разностных) она позволяет вычислять УОП, возникающие в системе ФАР - РПО, по предлагаемой методике. На начальном этапе, до установки РПО, на каждом из вы­бранных сечений по углу крена Ψj и по сфор­мированному файлу заданий для B_0i одновре­менно измеряются минимумы сечений обеих разностных ДН и по координатам начального «разбегания» θa и θу вычисляются компенсирующие добавки в каждой точке начального фазирования ФАР (∆α_{хi, j комп} и ∆α_{уi, j} ) комп из файла заданий. Затем измерения повторяются по этим же точкам, но с уже установленным РПО. Теперь с учетом найденных компенси­рующих добавок в системе координат углов фазирования α_х,_j и α_у,_j рассчитываются ком­поненты УОП (Δα_χι·,j и Δα_yiJ), вносимые не­посредственно самим РПО. На основе данных измерений в дальнейшем формируется полная матрица УОП. Кроме того, поскольку в про­цессе измерения и вычисления УОП измеряет­ся еще и суммарная ДН (до и после установки РПО), то не составляет труда вычислять и ко­эффициент прохождения (КП) РПО по тем же точкам, где проводится измерение УОП. И хотя такая задача не ставилась, на основе этих дан­ных может быть легко сформирована полная матрица КП по всей поверхности РПО.

Оценка ошибок измерения

Прежде чем перейти к обсуждению практиче­ских измерений, следует рассмотреть возни­кающие ошибки, присущие как измеритель­ному комплексу, на котором они проводились, так и предлагаемой методике их проведения. Они могут быть разделены на систематиче­ские и случайные.

Систематические ошибки и возмож­ности их компенсации. По большей части погрешность, которую компенсируют спосо­бом, описанным выше, можно отнести к систе­матической, т. е. определяемой механическим несовпадением плоскости перемещения те­стируемой ФАР и гипотетической плоскостью измерений (плоскость «истинного» горизон­та). Однако даже если начальная компенсация была корректно проведена по всем предпола­гаемым к измерениям точкам (т. е. для всех возможных θ_oi, Ψ_j) при отсутствии РПО на тестируемой ФАР, то при последующей его установке возникает другая опасность. Если плоскости сканирования тестируемой ФАР без РПО и с РПО совпадают полностью, т. е. установка дополнительного веса на ОПУА не меняет пространственное положение ФАР с РПО по отношению к положениям ФАР до его установки для всех возможных θ_oi, Ψ_j, то дополнительной погрешности не возника­ет. Но практические измерения показывают, что это не так. Навеска на тестируемую ФАР РПО даже достаточно легкого (порядка 12 кг) макета-имитатора, речь о котором пойдет да­лее, приводит к уходу ее пространственного положения относительно начального. Если при этом не возвращать систему в изначаль­ную реперную точку привязки, то к измерен­ным реальным компонентам УОП, связанным исключительно с преломлением волнового фронта обтекателем, добавятся неучтенные компоненты обеих ошибок, относящихся к изменению пространственного положения си­стемы. После этого разделить вклады в зна­чение измеренных компонент УОП от одного и другого факторов невозможно. На рис. 11 показано, какие доступные меры по предот­вращению ошибок, вносимых механической системой ОПУА (главным образом в приводе угломестного канала), были приняты.

Лазерный датчик-указатель, закреплен­ный до установки на тестируемую ФАР РПО с помощью жесткого кронштейна, дает на по­верхности коллиматора (считаем его непод­вижным объектом) световое пятно. На него наводится прицельное перекрестие оптической трубы теодолита. По отсчетной шкале прибо­ра фиксируются азимут и угол места пятна от лазерного указателя (следовательно, и самой тестируемой ФАР) в системе координат теодо­лита. Подобная процедура проводится для всех углов крена Ψ_j, на которых предполагается измерять УОП. Угол азимутального поворо­та, на котором происходит подобная привязка ОПУА, в данном случае был один и тот же - θ_oί = 0 (точнее, азимутальный угол найденной электрической оси при угле крена Ψ_j·). После установки РПО за счет механического прови­сания угломестного привода ОПУА (возможно из-за механических люфтов) вместе с установ­ленной на нем ФАР пятно от лазерного указате­ля смещается. Для приведения системы ФАР - РПО в точку начала координат электромеха­ническим угломестным приводом ОПУА по координатной отсчетной шкале теодолита осу­ществляют возврат системы в точку начальной привязки. Подобная процедура привязки (по заготовленной до установки РПО таблице) выполнялась для всех возможных углов крена системы - Ψ_j. Для худшего случая точность компенсации электромеханическим приводом ОПУА в системе координат теодолита состав­ляла 3 угловые минуты. На рис. 11 показано, что с учетом взаимного расположения пози­ций ОПУА, зеркала коллиматора, тестируемой ФАР и теодолита при пересчете в систему ко­ординат антенны, точность составит порядка 4,2 угловой минуты.

К сожалению, компенсация механиче­ского «провисания» угломестного привода по неподвижной привязке (коллиматору) прово­дилась только на нулевых углах азимуталь­ного поворота ОПУА, и какова будет макси­мальная ошибка измерения компонент УОП, связанная с несовпадением плоскостей при других углах азимутального поворота ОПУА θ_oi, сложно предположить. Контроль пози­ций объекта (ФАР - РПО) во всем диапазоне углов установки θ_oi, Ψ_j возможен, хотя и по­требовал бы существенно большего количе­ства дополнительных датчиков положения. В рассматриваемом случае не было ни времен­ных, ни материальных ресурсов для дальней­шего углубленного продолжения данных работ.

Случайные ошибки. Прежде всего к ним можно отнести среднеквадратичную ошибку фазирования решетки определенного размера с заданным количеством фазоуправляемых эле­ментов в раскрыве и известным числом двоич­ных разрядов управления фазовращателем. По этой причине в рамках предложенного метода и ошибка начальной компенсации, и ошибка, с которой проводится последующий расчет компонент (Δα_xi, _j Δα_yi, _j), являются также слу­чайными. После измерений расчет компонент УОП, вносимых РПО, осуществляется по фор­мулам (15), (16), которые в некоторых случаях, могут быть упрощены до выражений:

где Δα_xi,j - составляющая пеленгационной ошибки, вносимой обтекателем, по углу α_х (при θ = θ_oi; Ψ = Ψ_j);

Ψ _j - текущее значение угла крена антен­ной системы относительно горизонтальной плоскости азимутального сканирования ОПУА;

θ_oi - текущее значение угла B₀ в сфериче­ской системе координат ФАР между нормалью к раскрыву ФАР и направлением на минимум, формируемый пространственными разностны­ми ДН, до установки обтекателя, при котором измеряемые минимумы в сечениях разностных ДН совпадают;

Δα_{уi, j} - составляющая пеленгационной ошибки, вносимой обтекателем, по углу α _y (при θ = θ_οί; Ψ = Ψ_j);

θ_ai - измеренный, фактический угол ми­нимума сечения разностной пространствен­ной азимутальной диаграммы (при θ = θ_οί; Ψ = Ψ_j) после установки обтекателя;

θ_yi - измеренный, фактический угол ми­нимума сечения разностной пространственной угломестной диаграммы (при θ = θ_οί; Ψ = Ψ_j) после установки обтекателя.

Следует еще раз подчеркнуть, что речь идет о вычисляемых ошибках в системе ко­ординат углов фазирования ФАР (α_х; α_y). По известным из математики (метрологии) соот­ношениям погрешность величины, представ­ляющей из себя сложную функцию (многих переменных), определяется путем вычисле­ния ее дифференциала через дифференциалы ее аргументов. В данном случае аргументами были бы: Δθ_ο;·, который определяется сред­неквадратической ошибкой установки луча ФАР и погрешностью установки ОПУА в ази­мутальной плоскости; Δθ_ο;·, Δθ _yi, которые бу­дут определяться и случайными ошибками фа­зирования, и ошибками измерения координат минимумов разностных ДН (в рамках принято­го алгоритма); ΔΨ_j , определяемый случайной погрешностью установки ОПУА по углу крена.

Из всего сказанного следует вывод, что для общего случая измерений в косых пло­скостях даже погрешность измеряемых ар­гументов является неопределенной, а задача оценки погрешности вычисления самих функ­ций Δα_{xi j} , Δα_{yi j} математическими методами становится непростой и выходит за рамки ком­петенции авторов.

Но набрав статистику измерений, авторы вполне могли бы оценить тот доверительный интервал, в который укладываются все измеря­емые реализации, при воздействии всех случай­ных факторов проводимых измерений. К сожа­лению, в рамках настоящей работы эта оценка, ввиду дефицита времени, не проводилась, но вполне может быть осуществима при дальней­шей работе в данном направлении. На практи­ке для предлагаемого метода компенсации это могло бы выглядеть следующим образом.

Рассмотрим измерения, проводимые по одному из сечений на угле крена Ψ = Ψ_j . Пред­ложенный метод компенсации до установки РПО предполагает создание откорректирован­ного массива данных координат фазирования на всех возможных углах θ_οί, где выполняют­ся условия пеленга θ_ai =θ_yi. Впоследствии после установки РПО и соответствующих из­мерений эти координаты будут использованы для расчета компонент УОП. Таким образом, если провести несколько независимых изме­рений до установки РПО, а потом такое же количество после установки, то программу расчета (в составе разработанного ПО Stend BEK) можно заставить вычислить компоненты УОП перекрестно, объединяя произвольные данные до установки РПО с произвольными данными после его установки. Например, это можно представить как перекрестное объеди­нение измеренных массивов (рис. 12). Таким образом, при трех (см. рис. 12) измерениях до и после получаем 9 реализаций каждой из компонент УОП.

На рис. 13 эти 9 рассчитанных реализа­ций (например, компоненты Δα _xi, _j), представ­ленные вместе, образуют некий статистиче­ский «коридор», который может быть положен в основу доверительного интервала измерений.

Использование быстросъемного макета-имитатора РПО с «искусственно» вносимыми неоднородностями

Для отработки методики и сравнения полу­ченных результатов с данными измерений при применении других методик была пред­ложена и изготовлена модель имитатора РПО, обладающая следующими свойствами:

• реальная, наблюдаемая при измерени­ях способность преломлять фронт падающей плоской волны (т. е. вносить УОП по обеим компонентам ∆α_{хi, j} и ∆α_{уi, j});
• низкий вес, для того чтобы механиче­ское воздействие на приводы ОПУА с установ­ленной на нем системой ФАР - РПО было бы минимальным;
• простота установки и съема макета-имитатора с тестируемой ФАР, установленной на ОПУА, с минимально возможным воздей­ствием на его механические приводы;
• различные участки поверхности ими­татора должны обладать различным коэффи­циентом преломления (как это бывает в ре­альном РПО).

На рис. 14 представлен изготовленный макет имитатора. Он имел лишь одну (верти­кальную) плоскость симметрии и с успехом выполнял свою главную функцию - вносить УОП при установке на тестируемую ФАР.

Результаты измерений УОП, проведенных на макете-имитаторе РПО

Графики компонент УОП, полученные с ис­пользованием предлагаемой методики, для из­готовленного макета-имитатора РПО на неко­торых углах установки системы ФАР - РПО по крену приведены на рис. 15. Частота, на которой проводились измерения, соответство­вала длине волны 3 см. Все измерения на ма­кете-имитаторе РПО представлены на одной частотной литере. Графики компонент (∆α_{хi, j} и ∆α_{уi, j}) УОП в угловых минутах в коорди­натах θ, Ψ на углах крена системы Ψ = ±30°, ±45°, ±60° приведены на рис. 15-17.

Плоскостью симметрии для данного ма­кета-имитатора РПО, схематически показан­ного на рис. 18, будет вертикальная плоскость, проходящая через его продольную ось. Симметрично расположенные относительно нее точки на поверхности РПО (некоторые из них показаны на рис. 18), по всей видимости, долж­ны обладать схожими свойствами по способно­сти преломлять падающую электромагнитную волну. Из простых представлений геометрической оптики следует, что для компоненты Δα_х (∆Аз - азимутальная составляющая на рис. 18) это совпадение по абсолютной величине и про­тивоположность по знаку. Для компоненты Δα_у (∆Ум - угломестная составляющая на рис. 18) это совпадение по абсолютной величине и по знаку. Приведенные далее графики доста­точно наглядно это демонстрируют. Именно по данной причине результаты измерений представлены парными графиками на соответству­ющих углах ±Ψ.

Отсутствие полной четной или нечетной симметрии отчасти обусловлено значительными погрешностями ручного изготовления макета.

Объединенные на графике результаты измерений отдельных компонент УОП (Δα _xi, _j и Δα _{yi j}), проведенных на имитаторе РПО для некоторых из его сечений (т. е. на раз­личных углах крена системы антенна - об­текатель), представлены на рис. 19. Плавная эволюция компоненты Δα_х по мере прибли­жения от углов Ψ = +60° к предельному углу крена Ψ = 0° прослеживается на рис. 19, а, а для компоненты Δα_у по мере приближения от Ψ = 30° к углу Ψ = 90° на рис. 19, б. Причем на углах установки системы Ψ = 0° и Ψ = 90°, где предложенный метод уже не дает результата вви­ду вырождения минимума одной из разностных ДН, компоненты были измерены классическим методом разности. Он предполагает вычитание измеренных угловых координат соответствую­щей разностной ДН до и после установки РПО.

Кроме того, для компоненты УОП Δα_x на рис. 20 и для компоненты УОП Δα_у на рис. 21 на угле крена системы Ψ = ±60° приве­дены данные, полученные по другой методике. Суть ее состоит в непосредственном измере­нии координат пространственного минимума, формируемого динамическими разностными пространственными ДН (ДПДН) тестируемой ФАР [5], до и после установки РПО, когда по­ложение этого минимума изменяется. Измере­ние разностных ДПДН проводилось при раз­личных углах установки тестируемой ФАР к плоскому фронту падающей от коллиматора электромагнитной волны. Понятие «динами­ческая» в аббревиатуре ДПДН применено в том смысле, что сами пространственные ДН измерялись в некоторой области отстроек по θ, Ψ относительно начальной установки за счет чисто электронного сканирования луча ФАР в данной области. Для удобства компо­ненты УОП, измеренные на модели-имитато­ре РПО с применением ДПДН и полученные методом компенсации по сечению Ψ = ±60° приведены на графиках вместе. Данная мето­дика, ввиду сложности практической реализа­ции на измерительном комплексе и огромного массива измеряемых при этом данных, пока находится в стадии разработки. Но неплохая повторяемость данных, полученных на одном и том же макете-имитаторе РПО с помощью двух разных подходов, позволяет надеяться, что и метод измерения УОП с применением ДПДН найдет свое место.

Заключение

Описанный способ измерения УОП в доступ­ной для сканирования угловой области ФАР позволяет определять обе компоненты ошиб­ки, обусловленные наличием обтекателя. Он отличается простотой реализации и матема­тической обработки.

В слепых секторах, близких к ортого­нальным плоскостям (0° и 90°), там, где ми­нимум сигнала одного из разностных кана­лов заплывает и становится недоступным для определения его угловой координаты, данный метод перестает работать. По этой причине для его наиболее полного применения важно иметь хороший инструмент, т. е. ФАР с глубиной нулей формируемых разностных ДН не хуже 30 -35 дБ. Сектор измерений по Ψ, где мини­мум разностной ДН (при принятом алгоритме его измерения) мог быть однозначно опре­делен для имевшейся в распоряжении ФАР авторов, был ограничен углами -30°...-70° и +30°.. .+70°. Компоненты УОП в недоступных для измерения по данному методу слепых зо­нах могут быть определены, например, мето­дом экстраполяции по соседним измеренным зонам или дополнены данными, измеренными в этих секторах с применением других мето­дик. Перспективным может оказаться метод электронного формирования специальных ко­сых разностных ДН. Следует отметить, что в двух предельных случаях установки системы ФАР - РПО Ψ = 0° или Ψ = 90° формулы (17), (18) для расчета одной из компонент УОП вы­рождаются в простейшие выражения, по кото­рым вычисляются УОП в классическом методе разности. Таким образом, в двух предельных случаях одна из компонент УОП измеряется хорошо известным способом.

Предложенный способ требует даль­нейшего тщательного метрологического ис­следования для возможной последующей его аттестации и применения в качестве мето­да определения характеристик системы ФАР (АФАР) - РПО (УОП, КП обтекателя и т. д.).