Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Способ измерения пеленгационных ошибок для радиопрозрачного обтекателя произвольной формы

https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-1-26-45

Полный текст:

Аннотация

Представленный ранее способ измерения и вычисления компонент угловых ошибок пеленга (УОП) в системе «антенна – радиопрозрачный обтекатель (РПО)» в двумерной угловой области сканирования антенны с электронным управлением лучом, к которой относится фазированная антенная решетка (ФАР), был опробован применительно к системе с обтекателем каплевидной формы. Измерения проводились на базе антенного измерительного коллиматорного комплекса («компактный полигон») с РПО сложной каплевидной формы и установленной под ним ФАР. Для создания матрицы УОП по поверхности РПО измерения и последующие вычисления, которые предполагает данный способ, проводились при разных углах «крена» системы антенна–обтекатель и при различных углах отклонения луча ФАР в «косых плоскостях». Результаты измерений УОП, проведенные по ряду сечений поверхности такого РПО по предлагаемой методике, показывают хорошую повторяемость и достаточно неплохо коррелированы с результатами измерений УОП по тем же сечениям, но на основе классического способа «разности», где компонента УОП вычисляется как разность между угловыми координатами минимумов соответствующей разностной диаграммы направленности (ДН) ФАР до и после установки РПО.

Для цитирования:


Макушкин И.Е., Шемарин А.М., Вицукаев Ю.Ю., Тюрин Д.М. Способ измерения пеленгационных ошибок для радиопрозрачного обтекателя произвольной формы. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2020;(1):26-45. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-1-26-45

For citation:


Makushkin I.E., Shemarin A.M., Vitsukaev Yu.Yu., Tyurin D.M. A method for measuring boresight errors for a radioparent radome of arbitrary shape. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2020;(1):26-45. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-1-26-45

Введение

Возникающие при наличии радиопрозрачного обтекателя (РПО) ошибки определения угло­вого положения пеленга (УОП) [2] должны учитываться при работе бортовой радиолокационной станции (БРЛС) [3]. Работы по из­мерению УОП только в двух ортогональных плоскостях установки антенной системы (АС) проводятся довольно часто [4, 5]. При этом в классическом способе УОП определяется как разность между измеренными коорди­натами нулей соответствующей разностной диаграммы направленности (ДН) до и после установки обтекателя.

На конференции годом ранее к рассмот­рению была предложена методика измере­ний и расчета [1], позволяющая определять отдельные компоненты УОП для РПО произ­вольной формы. Были приведены результаты измерений и расчета компонент УОП по дан­ной методике для специально изготовленно­го макета имитатора РПО и проведено срав­нение их с данными, полученными на нем же, но с применением другой методики. Она основана на измерении так называемых дина­мических пространственных ДН (ДПДН) [6]. Результаты сравнения показали неплохое сов­падение полученных данных.

Постановка задачи измерения УОП по поверхности РПО БПЛА

На рисунке 1 представлен РПО (3) сложной каплевидной формы с установленной под ним фазированной антенной решеткой (ФАР) (1, 2), способной вращаться в азимутальной плоско­сти под РПО вокруг оси (4) и одновременно сканировать, отклоняя луч в различные (до­пустимые для данной ФАР) положения (5, 6).

 

Рис. 1. Система ФАР-РПО (БПЛА): 1, 2 - фазированная антенная решетка (ФАР); 3 - РПО сложной каплевид­ной формы; 4 - условная ось механического вращения ФАР под РПО; 5 - неотклоненные лучи ФАР; 6 - откло­ненные лучи ФАР; 7 - «точки преломления» луча на поверхности РПО; 8 - продольная ось РПО

 

Положительное направление продоль­ной оси (8) такого РПО совпадает с направ­лением полета (НП) БПЛА. Если за направ­ление сформированного (в дальней зоне) луча считать нормаль к установленному в настоящий момент плоскому фазовому фронту раскрыва ФАР, то, следуя простым принципам геометрической оптики, понят­но, что при отклонении лучей в различные точки (7) на поверхности РПО способность преломлять луч, а стало быть, и компоненты УОП могут существенно отличаться. По этой причине эти точки на поверхности названы «точками преломления».

Применение ранее предложенного ме­тода практической оценки влияния обтека­теля на уходы «нулей» пеленгационных ха­рактеристик и сравнение их с полученными при прямых измерениях методом «разности» является интересной задачей в плане подтвер­ждения правильности предложенной методи­ки. При данной взаимной компоновке ФАР и РПО по некоторым сечениям его поверхно­сти проведение подобных измерений является вполне возможным. Методика, связанная с из­мерением динамических пространственных ДН (ДПДН), упоминавшаяся в предыдущих работах [1] и [6], ввиду сложности практиче­ской реализации ее на измерительном комплек­се и огромного массива измеряемых при этом данных в нашем случае не применялась.

Измерительный комплекс

Измерения проводились на антенно-изме­рительном комплексе на базе компактного полигона в режиме «на прием» как класси­ческим методом, в двух ортогональных плос­костях установки ФАР, так и рассчитывались по предлагаемой методике. Причем подобные измерения были проведены в одних и тех же точках поверхности РПО, что в дальнейшем позволило сравнивать полученные результаты. Блок-схема измерительного комплекса (кон­фигурация в режиме приема), на котором про­водились работы, представлена на рисунке 2. Сферический фронт волны (11) от рупорного облучателя (8), установленного на позицио­нер (9) (меняет угол поляризации), с помо­щью зеркала-коллиматора (10) преобразуется в плоский. Плоский фронт волны (12) падает на раскрыв ФАР (7), расположенный в рабочей зоне коллиматора. С помощью опорно-пово­ротного устройства антенны (ОПУА) (4) ФАР (впоследствии с установленным РПО) может занимать различные пространственные поло­жения по отношению к падающему от колли­матора плоскому фронту волны. Выходной сиг­нал с векторного анализатора цепей (2) (ВАЦ) через блок коммутатора «прием-передача» (3) питает облучатель. В работе использовалась ФАР на базе ферритовых фазовращателей. Питающая ее волноводно-распределительная система обеспечивала схему «поквадрантного» разбиения излучающей апертуры решетки. На основе волноводных мостов формирова­лась диаграммообразующая система выходов. На выходе суммарного канала сигналы всех четвертей-«квадрантов» решетки синфазно складываются. В азимутальном разностном канале в противофазе складываются сигналы двух правых и двух левых «квадрантов» ре­шетки, а в угломестном канале - двух верхних и двух нижних ее «квадрантов». Таким образом формируется моноимпульсная пелен- гационная схема решетки. Выходные сигналы с этих каналов ФАР поступают на входы трех независимых измерительных приемников ВАЦ (конфигурация с открытой архитектурой). Ре­зультаты измерений по трем каналам могут записываться одновременно. При изменении установки ФАР по крену угол поляризации об­лучателя меняется автоматически, так что те­стируемая ФАР и облучатель всегда остаются согласованными по поляризации.

 

Рис. 2. Блок-схема компактного полигона измерительного комплекса (конфигурация в ре­жиме приема): 1 - ПК управления и вычисления; 2 - векторный анализатор цепей (ВАЦ); 3 - блок коммутатора «прием-передача»; 4 - опорно-поворотное устройство антенны (ОПУА); 5 - контроллер ОПУА; 6 - контроллер позиционера облучателя; 7 - тестируемая ФАР; 8 - облучатель; 9 - позиционер облучателя; 10 - зеркало коллиматора; 11 - сфери­ческий фронт волны от облучателя; 12 - плоский фронт волны, падающей на ФАР

 

Раздельное измерение компонент УОП (классическим способом) для одного сечения поверхности РПО

По некоторым сечениям поверхности тести­руемого РПО компоненты УОП могут быть раздельно измерены хорошо известным классическим методом «разности». В дан­ном случае измерительные задачи решались от обратного. Поясним, о чем идет речь. ФАР с помощью выносного кронштейна жестко крепилась на опорно-поворотное устройство (ОПУА) антенно-измерительного комплекса, а специально разработанная оснастка позво­ляла осуществлять установку РПО на любой азимутальный угол относительно ФАР. Об­щий вид измерительного комплекса с уста­новленной под РПО (азимутальная плоскость установки на ОПУА) ФАР БПЛА показан на рисунке 3.

 

Рис. 3. Общий вид измерительного комплекса с установленной под РПО (азимуталь­ная плоскость установки на ОПУА) ФАР БПЛА

 

В плоскости азимутальной установки ФАР, как показано на схематичном рисунке 4, применив классический метод «разности», мы легко можем измерить зависимость азиму­тальной компоненты УОП (Δax) от угла взаим­ной установки ФАР-РПО - Ω. Выход азиму­тального разностного канала ФАР подключается к одному из приемных входов векторного анали­затора цепей (ВАЦ), как показано на рисунке 2, а измерение самой угловой координаты мини­мума ДН производится незначительным дви­жением ОПУА в азимутальной плоскости. Если луч ФАР при измерениях, т. е. во всех точках взаимной азимутальной установки ФАР-РПО, не отклоняется, то компонента эта будет изме­рена по одной линии сечения РПО (9).

 

Рис. 4. Азимутальная установка системы ФАР-РПО (схематичный вид) при измерении компоненты Δαχ(Ω):

1 - условная ось вращения РПО относительно ФАР (или, наоборот, при штатной установке на БПЛА); 2 - со­ответствующие проекции РПО (виды сбоку, спереди и сверху); 3 - ФАР; 4 - условная установка неотклоненно- го луча ФАР; 5 - выносной кронштейн установки ФАР из комплекта оснастки; 6 - привальный фланец ОПУА; 7 - условная ось азимутального вращения ОПУА (раскрыва ФАР); 8 - конструкция ОПУА; 9 - условная линия сечения поверхности РПО, по которой производится измерение азимутальной компоненты УОП тестируемого РПО; 10 - точки с шагом 10° в азимутальной (горизонтальной) плоскости, в которых происходит измерение со­ответствующей компоненты УОП; 11 - текущий угол азимутальной установки РПО относительно ФАР

 

Результат подобного измерения азиму­тальной компоненты УОП по точкам на ли­нии сечения РПО (9) на одной из литерных частот (диапазон длин волн λ = 3 см) приво­дится на рисунке 5.

 

Рис. 5. Компонента УОП - Δax (угл. мин.), измерен­ная в азимутальной плоскости в диапазоне углов вза­имной установки (Ω) РПО БЛА - ФАР БЛА от -180° до +180°

 

Компонента Δax представляет собой не­четную функцию аргумента Ω. За угол Ω счи­таем угол взаимной установки ФАР-РПО. Причем Ω = 0 при совпадении не отклоненно­го луча ФАР с осью НП. На рисунке 5 правая - положительная ветвь графика Δαχ(Ω) для углов взаимной установки Ω от 0° до +180°, левая - отрицательная для Ω от 0° до -180°.

На рисунке 6 показано, что при отклоне­нии луча (4) от нормали (3) к физической апер­туре ФАР (1) в произвольную точку на поверх­ности такого РПО (2) можно говорить о двух компонентах УОП. Напомним, что под направ­лением отклоненного луча имеем в виду нор­маль к установленному в данный момент плоскому фазовому фронту ФАР. На рисун­ке 6 компоненты УОП обозначены как ΔАЗ и ΔУМ, а в системе координат ФАР - (ax ау), описываемой в [1], обозначены как Δax и Δay. 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.

 

Рис. 6. Компоненты УОП при фазировании ФАР в произвольные симметричные точки на поверхности капле­видного РПО: 1 - фазированная антенная решетка (ФАР); 2 - поверхность РПО; 3 - нормаль к физической апер­туре ФАР; 4, 5 - преломленные лучи при фазировании решетки в симметрично расположенные точки на по­верхности РПО; 6 - плоскость симметрии каплевидного РПО

 

Исходя из простых представлений гео­метрической оптики и физической трак­товки коэффициента преломления на гра­нице раздела сред при имеющейся форме РПО каплевидного вида вид полученного графика легко объясняется. Так, например, две симметрично расположенные относи­тельно вертикальной плоскости симметрии (6) точки поверхности РПО на рисунке 6, по всей видимости, должны обладать схо­жими свойствами по способности прелом­лять падающую электромагнитную волну. Они соответствуют двум отклоненным лу­чам (4) и (5) на равные пространственные углы Θ = ±30°. Для компоненты Δax (ΔАЗ - азимутальная составляющая на рисунке 6) - это совпадение по абсолютной величине и противоположность по знаку, что и под­тверждается представленным графиком.

Точно по такой же причине в плоскости угломестной установки системы ФАР-РПО (как на рис. 7), применив тот же классический подход, измеряют зависимость угломестной компоненты (Δay) УОП от угла взаимной ази­мутальной установки ФАР-РПО.

 

Рис. 7. Общий вид измерительного комплекса с установленной под РПО (угломестная плоскость установки на ОПУА) ФАР БПЛА

 

Конструкция ОПУА, как видно из рисунка 7, не позволяет провести измерения во всем диапа­зоне углов Ω (±180°). Небольшой сектор углов при этом оказывается недоступен для измерения.

На схематичном рисунке 8 показано, как, применив классический метод «разнос­ти» и проведя измерение смещения миниму­ма угломестной разностной ДН до и после установки РПО, мы можем измерить зависимость угломестной компоненты УОП (Aay) от угла взаимной установки ФАР-РПО - Ω. Только при этом к соответствующему вхо­ду векторного анализатора цепей (ВАЦ) подключается уже выход угломестного раз­ностного канала ФАР, как показано на рисун­ке 2, а измерение самой угловой координаты минимума ДН производится незначитель­ным движением ОПУА в той же азимуталь­ной плоскости.

 

Рис. 8. Угломестная установка системы ФАР-РПО (схематичный вид) при измерении компоненты Δay (Ω): 1 - условная ось вращения РПО относительно ФАР (или, наоборот, при штатной установке на БПЛА); 2 - соот­ветствующие проекции РПО (виды сбоку, спереди и сверху); 3 - ФАР; 4 - условная установка неотклоненного луча ФАР; 5 - выносной кронштейн установки ФАР из комплекта оснастки; 6 - привальный фланец ОПУА; 8 - конструкция ОПУА; 9 - условная линия на поверхности тестируемого РПО, по которой производится изме­рение угломестной компоненты УОП (Δay); 10 - точки с шагом 10°, в которых производится измерение компо­ненты УОП; 11 - текущий угол азимутальной установки РПО относительно ФАР

 

Если луч ФАР при этом, т. е. во всех точ­ках взаимной азимутальной установки ФАР-РПО, не отклоняется, то компонента эта будет измерена по той же линии сечения РПО (9), как и для случая азимутальной установки ФАР.

Результат подобного измерения угло­местной компоненты УОП по точкам на ли­нии сечения РПО (9) на одной из литерных частот (диапазон длин волн λ = 3 см) приво­дится на рисунке 9.

 

Рис. 9. Компонента УОП - Δay (угл. мин.), измеренная в угломестной плоскости в диапазоне углов взаимной установки Ω РПО БЛА - ФАР БЛА от -180° до +180°

 

Отрицательные значения графика компо­ненты (Δαу) получены при измерении в угло­местной плоскости установки системы ФАР-РПО и угле крена ψ = +90° в диапазоне углов взаимной установки Ω РПО БПЛА - ФАР БЛА от -180° до +180°. Положительные значения графика компоненты (Δαу) получены при из­мерении в угломестной плоскости установ­ки системы ФАР-РПО и угле крена ψ = -90° в диапазоне углов взаимной установки Ω РПО БПЛА - ФАР БЛА от -180° до +180°.

Компонента Δαν представляет собой чет­ную функцию аргумента Ω. На рисунке 9 пра­вая ветвь графиков Δα^(Ω) для углов взаим­ной установки Ω от 0° до +180° по величине и знаку примерно соответствует левой, для Ω от 0° до -180°. Из представлений той же гео­метрической оптики и при имеющейся форме РПО каплевидного вида на рисунке 6 очевид­но, что компоненты Δαу(Ω) для симметрично расположенных точек на поверхности РПО равны и по величине, и по знаку. Приведен­ные выше графики достаточно наглядно это демонстрируют. Слепая зона для таких измере­ний при имеющейся конструкции ОПУА и ψ = +90° составит (по углу взаимной установки Ω) от -10 до -70°, а для ψ = -90° - от +10 до +70°.

Учитывая это, можно сказать, что результаты измерений, полученные на двух углах крена ψ = ±90° и взятые с соответствующими знака­ми, в слепых зонах могут взаимно дополнять друг друга.

Таким образом, обе компоненты УОП могут быть измерены классическим способом по одной линии сечения РПО (9) на рисунках 4 и 8 и в одних и тех же точках взаимной уста­новки ФАР-РПО - Ω.

Методика расчета компонент УОП в косой плоскости установки ФАР (по тому же сечению поверхности РПО)

С другой стороны, при установке системы ФАР-РПО (БПЛА) на произвольный угол крена, как на рисунке 10, где становится воз­можным одновременное измерение угловых координат минимумов обеих разностных ДН, мы можем воспользоваться методикой, теоре­тическое обоснование которой приводилось авторами в докладе на конференции «Алмаз - Антей» годом ранее [1].

 

Рис. 10. Общий вид измерительного комплекса с установленной под РПО (с произ­вольным углом крена Ψ) ФАР БПЛА

 

Оказывается, применив методику, опи­сываемую в [1], можно измерить и рассчи­тать компоненты УОП по этим же сечени­ям поверхности РПО, где ранее компоненты УОП были раздельно измерены классическим способом. При этом появляется возможность сравнения результатов измерений, проведен­ных разными способами в одних и тех же точках поверхности РПО. На рисунке 11 по­казана установка системы ФАР (1) - РПО (3) на ОПУА, когда угол крена системы относи­тельно горизонтальной плоскости (10) состав­ляет угол Ψ (5).

 

Рис. 11. Установка системы ФАР-РПО (БПЛА) на произвольный угол крена для последующего измерения коор­динат ухода пеленга и расчета компонент УОП: 1 - позиция ФАР под РПО, когда угол взаимной (ФАР-РПО) установки Ω = 0°; 2 - условное положение неотклоненного луча ФАР (при θ = 0° и Ω = 0°); 3 - поверхность РПО каплевидной формы; 4 - условное положение отклоненных на произвольный угол θ лучей ФАР (при Ω = 0°); 5 - угол крена ψ системы ФАР-РПО на ОПУА; 6 - условная ось азимутального вращения ФАР под РПО; 7 - нормаль к апертуре ФАР; 8 - произвольный угол отклонения луча от нормали θ; 9 - продольная ось РПО, совпадающая с направлением полета (НП); 10 - условная горизонтальная плоскость азимутального поворота ОПУА; 11 - азимутальный угол взаимной установки ФАР и РПО - Ω; 12, 13 - направляющие углы для одного из отклоненных лучей ФАР; 14 - горизонтальная плоскость измерений, в которой лежат отклоненные лучи

 

Если каждый раз фазировать решетку так, что отклоненный на произвольный угол - θ0 (8) луч (4) (в диапазоне возможных углов от­клонения для данной ФАР и неизменном угле крена - Ψ) устанавливался бы в горизонталь­ную плоскость измерений (14), совпадающую с горизонтальной плоскостью азимутально­го поворота ОПУА (10), то измерить сечения разностных ДН можно простым движением ОПУА в горизонтальной плоскости. Угловые ошибки пеленга Δαхi,j, Δαуi,j (в системе коор­динат ФАР для различных возможных углов установки θoi и Ψj), возникающие после уста­новки РПО, при этом могут быть рассчитаны по формулам (1), (2):

где Δαхi,j - составляющая пеленгационной ошибки, вносимой обтекателем, по углу αχ (при θ = θoi; Ψ = Ψj);

Δαуi,j - составляющая пеленгационной ошибки, вносимой обтекателем, по углу ау (при θ = θoi; Ψ = Ψj);

θoi - текущее значение угла отклонения луча ФАР θ, при котором до установки обте­кателя угловые координаты минимумов в од­новременно измеряемых сечениях разностных ДН совпадают. А угол θ (в сферической систе­ме координат ФАР) определяется как угол меж­ду нормалью к раскрыву ФАР и направлением на минимум, формируемый пространственны­ми разностными ДН при отклонении луча;

Ψj - текущее значение угла крена антенной системы относительно горизонтальной плос­кости азимутального поворота ОПУА;

θαi  - измеренный, фактический угол мини­мума в сечении разностной азимутальной диа­граммы (при θ = θoi; Ψ = Ψj) после установки обтекателя;

θуi - измеренный, фактический угол мини­мума в сечении разностной угломестной диа­граммы (при θ = θoi; Ψ = Ψj) после установки обтекателя.

Главным условием применимости мето­дики является выполнение равенства θa = θу = θo до установки РПО. На картинке экрана монитора измерительного комплекса (рис. 12а) это выгля­дит как совпадение угловых координат миниму­мов одновременно измеряемых сечений разност­ных диаграмм направленности, что соответствует направлению точного пеленга на источник плос­кого фронта э/м волны. После установки РПО направление прихода плоского фронта э/м волны (из-за преломления в РПО) меняется, и на экране монитора измерительного комплекса (рис. 12б) это выглядит как «разбегание» измеряемых ми­нимумов сечений разностных диаграмм.

 

Рис. 12. Снимки экрана монитора измерительного комплекса при точно установленном пеленге на источник сигнала (а) и отсутствии такового после установки РПО (б)

 

Компенсация погрешностей начальной установки пеленга

В общем случае, из-за неидеальности конструк­ции ОПУА реальная плоскость его азимуталь­ного поворота (10) на рисунке 11 не совпадает с плоскостью (14), в которой должны лежать все отклоненные на угол θ0· лучи, поэтому условие θai = θуi до установки РПО не выпол­няется. Опыт практических измерений и их громадный потенциальный объем показыва­ет, что попытки механически компенсировать положение ОПУА, добиваясь выполнения этих условий - путь абсолютно бесперспективный. Поэтому была предложена процедура «началь­ной электронной компенсации». Методика предполагает компенсацию первоначальной ошибки установки луча ФАР с помощью самой ФАР. Она была опробована и показала свою эффективность для ФАР, с которой проводи­лись работы, описываемые в [1]. Однако ФАР (существенно меньшего размера), использу­емая в данной работе, не предполагала воз­можность применения метода «электронной компенсации», поэтому приведение ее в точ­ку начального пеленга до установки РПО, где условие θa = θу = θвыполняется, достигалось другим способом. В некоторых частных слу­чаях для ФАР, установленной на угол крена Ψ без РПО, когда условие совпадения мини­мумов не выполняется, коррекция по пелен­гу может быть достигнута за счет незначи­тельного изменения ее угла крена. Именно таким образом были найдены четыре различ­ных угла крена ФАР, где начальные условия точной установки ее по пеленгу выполнялись.

Результаты измерений компонент УОП в косой плоскости установки ФАР (по тому же сечению поверхности РПО)

Измерения по данной методике были проведены на следующих 4-х найденных углах установки ФАР БПЛА по крену (Ψ = +31,5°; +72,5°; -39,5°; -62,0°). Луч (2) ФАР (1) (рис. 11) при этом не от­клонялся от нормали (7), т. е. θ0 = 0, и на вы­бранных углах обеспечивалось выполнение условия θa = θу = θo. Далее, меняя взаимный ази­мутальный угол установки ФАР и РПО-Ω (11) с определенным дискретом, мы получаем на­бор точек, лежащих на том же сечении, в кото­ром ранее производились измерения компонент УОП классическим методом. Предлагаемая ме­тодика позволяет измерить в этих же точках обе компоненты одновременно. Если они при этом измерены корректно, то, по всей видимости, ре­зультаты измерений должны совпадать и не за­висеть от углов установки ФАР по крену. Само измерение осуществлялось движением ОПУА в азимутальной плоскости, что давало возмож­ность одновременно записывать фрагменты обеих разностных ДН, а стало быть, и угловые координаты их минимумов. При этом к соответ­ствующим приемным входам ВАЦ на рисунке 2 одновременно подключаются выходы обоих разностных каналов ФАР.

На графиках ниже приведены сравни­тельные результаты измерений азимутальных и угломестных компонент УОП вносимых РПО каплевидной формы. Приводимые компонен­ты Δαχ(Ω) и Δαy(Ω) (в зависимости от угла вза­имной азимутальной установки ФАР-РПО Ω) рассчитаны по формулам (1)-(2) в каждой из то­чек линии сечения (9), то есть в тех же самых точках, что были непосредственно измерены по классическому методу, как на рисунках 4, 8.

На рисунках 13-16 парами представле­ны графики азимутальной Δαχ(Ω) и Δαy(Ω) компоненты, причем один из графиков в паре получен прямыми измерениями классическим способом (при азимутальной или угломестной установке ФАР), а другой рассчитан по фор­мулам (1)-(2) при фиксированном угле крена системы ФАР-РПО.

 

Измеренные классическим спосо­бом и рассчитанные при различных углах крена ФАР-РПО графики азимутальной компоненты Δαχ(Ω) представлены совместно на рисунке 17.

 

 

Измеренные классическим способом и рассчитанные при различных углах крена ФАР-РПО графики угломестной компоненты Δαy(Ω) представлены совместно на рисунке 18.

 

 

Результаты непосредственных измере­ний компонент УОП классическим методом «разности» при установке системы ФАР-РПО в ортогональных плоскостях азимута или угла места, как показано на рисунках 4 и 8, доволь­но хорошо (с погрешностью ±3 угл. мин.) кор­релируют с результатами расчета компонент УОП, произведенных по предлагаемой мето­дике по формулам (1)-(2), на различных углах установки системы по крену.

Геометрия задачи для набора сечений по поверхности каплевидного РПО. Создание полной матрицы УОП по его поверхности

На основе этой методики может быть предло­жена последовательность действий и измерена полная матрица компонентов УОП по значи­тельной поверхности такого РПО. Речь идет о следующем.

На рисунке 19 показана ФАР (1) на ОПУА, когда угол крена ее относительно горизонталь­ной плоскости (10) составляет угол Ψ (5).

 

Рис. 19. Методика измерения компонент УОП по всей поверхности каплевидного РПО с использованием откло­няемого на угол θ (-60°.. .+60°) луча ФАР при фиксированной установке системы по крену (Ψ): 1 - позиция ФАР под РПО; 2 - условное положение не отклоненного луча ФАР; 3 - поверхность РПО каплевидной формы; 4 - отклоненные на произвольный угол θ лучи ФАР; 5 - фиксированный угол крена Ψ системы ФАР-РПО на ОПУА; 6 - условная ось азимутального вращения ФАР под РПО; 7 - нормаль к апертуре ФАР; 8 - произволь­ный угол отклонения луча от нормали - θ; 9 - продольная ось РПО, совпадающая с направлением полета (НП); 10 - условная горизонтальная плоскость азимутального поворота ОПУА; 11 - азимутальный угол взаимной установки ФАР и РПО - Ω; 12 - точки «преломления» на поверхности РПО при различных углах отклонения луча ФАР - θ, в которых компоненты УОП на поверхности РПО могут быть измерены; 13 - условные линии се­чений (при различных углах отклонения луча ФАР - θ), по которым идет измерение компонент УОП по поверх­ности РПО (матрица УОП); 14 - дискрет измерений компонент УОП по линиям сечения РПО (13)

 

Если каждый раз выбирать произволь­ный угол θ (8) отклонения луча (4) от нормали (7) (из диапазона возможных углов отклоне­ния для данной ФАР) при неизменном фикси­рованном угле крена Ψ и фазировать решетку так, что отклоненный в точку (12) на поверх­ности РПО луч все время оставался бы в го­ризонтальной плоскости (белая на рис. 19), то измерить сечения разностных ДН можно простым движением ОПУА в азимутальной плоскости (10). Точный пеленг на направление прихода плоского фронта волны от коллимато­ра при этом фиксируется по совпадению ми­нимумов измеренных разностных ДН. При на­чальном несовпадении минимумов коррекция достигается либо «электронной компенсаци­ей», как предложено в [1], либо механической коррекцией угла крена, как описывалось выше в данной работе. После установки РПО (3) на ФАР измерения проводятся в тех же точках на поверхности РПО, каждая из которых соответствует отклоненному на разную ве­личину угла θ лучу ФАР. После того как угол θ выбран, а луч ФАР установлен в одну из то­чек, мы можем с определенным дискретом ΔΩ (14) изменять величину угла взаимной ази­мутальной установки ФАР-РПО Ω (11) (от 0 до ±180°), получая при этом набор точек по од­ной из линий сечения (13). Например, синяя точка (12) на поверхности РПО (соответству­ет максимально возможному положительному углу отклонения θ) даст при вращении РПО вокруг оси (6) набор точек, лежащих на синей линии сечения его поверхности. Измеренным в этих точках компонентам УОП можно по­ставить в соответствие одну из строк общей матрицы. Если применить данную методику в каждой из таких точек, соответствующих различным допустимым углам θ и Ω, и рассчи­тать в них компоненты УОП Δαχ и Δαy по воз­можным сечениям (13) РПО, получим набор строк, т. е. измеренную по всей поверхности РПО матрицу УОП. Набор подобных линий (13) по поверхности РПО можно получить и при установке ФАР на другой фиксирован­ный угол крена.

Практический пример формирования мат­рицы УОП. Измерение компонент УОП в косой плоскости установки ФАР при раз­личных углах отклонения луча от нормали

На рисунке 20 схематично (вид по НП) пред­ставлена установка системы ФАР-РПО при угле крена Ψ = +75° и угле отклонения луча от нормали θ = -20°. При этом, как и пред­полагает данная методика, решетка фазируется таким образом, что отклоненный луч, который на рисунке 21 обозначен зеленым пятном, ле­жит в горизонтальной плоскости азимуталь­ного поворота ОПУА. При взгляде по НП эта плоскость на рисунке 20 вырождается в гори­зонтальную прямую.

 

Рис. 20. Установка системы ФАР-РПО (вид по НП) на угол крена Ψ = +75° при угле θ = -20° для последу­ющего одновременного измерения и расчета компо­нент УОП

 

До установки РПО была произведена коррекция угла крена способом, описанным в данной статье ранее, при котором достигает­ся условие совпадения минимумов разностных ДН. Он составил Ψ = +75,03°. После установ­ки РПО, изменяя угол взаимной азимутальной установки Ω, по предложенной методике были произведены измерения и последующий расчет компонент УОП по линии (синяя на рис. 20) Δαχ и Δαy в точках с шагом по Ω - 10°.

С другой стороны, при таких заданных углах установки луча по Ψ и θ начальные коор­динаты фазирования решетки рассчитываются по известным формулам

cos Lx = sin θi cos Ψj ;       (3)
cos Ly = sin θi sin Ψj ;        (4)
αх = 90 – Lx;                    (5)
αy = 90 – Ly.                     (6)

При этом они составят: ах = -5,1°, a αy = -19,3°.

Эти углы фазирования решетки в данном случае позволяли за счет соответствующих установок ОПУА привести отклоненный луч ФАР к оси коллиматора в обеих ортогональных плоскостях установки ФАР, т. е. установить луч по нормали к плоскому фронту падающей от коллиматора э/м волны. Так, в случае уста­новки ФАР в горизонтальной плоскости ази­мута (Ψ = 0°), координаты установки ОПУА составили АЗ опуа = +5,1°; УМ опуа = +19,3°, что демонстрируется на рисунке 21а. Таким образом, даже в случае отклоненного луча появляется возможность независимо изме­рить азимутальную компоненту УОП. Компо­нента эта может быть измерена классическим способом «разности», как и в случае неотклоненного луча. То же можно сказать относи­тельно измерения угломестной компоненты УОП при вертикальной (Ψ = +90°) установке ФАР, когда ОПУА устанавливается по коор­динатам АЗ опуа = +19,3°; УМ опуа = -5,1°, что показано на рисунке 21б. Таким образом, для конкретных углов Ψ и θ установки системы опять появляется возможность сравнения непосредственно измеренных «классическим» способом и рассчитанных компонент Δαχ и Δαy.

 

Рис. 21. Способ позиционирования ОПУА и приведения отклоненного луча (при Ψ =+75°, θ= -20°) к оси колли­матора в азимутальной (а) и угломестной (б) плоскостях установки ФАР для последующего раздельного измере­ния компонент УОП

 

Ниже на рисунке 22 совместно приве­дены результаты непосредственных «класси­ческих» измерений и рассчитанных по фор­мулам предлагаемой методики азимутальной компоненты УОП Δαχ от взаимного угла ази­мутальной установки Ω, а на рисунке 23 - уг­ломестной Δαy. Компоненты Δαχ и Δαy на при­веденных графиках представлены в угловых минутах, а угол взаимной установки Ω - в угловых градусах. Измерения проводились на единственной частотной литере в диапазоне длин волн 3 см.

 

Рис. 22. Результаты непосредственных «классических» измерений и рассчитанных по формулам методики азимутальной компоненты УОП при установке систе­мы ФАР-РПО на угол крена Ψ = +75° при угле θ = -20°. Красный график соответствует компонентам, измерен­ным «классическим» способом, синий - компонентам, рассчитанным по предлагаемой методике

 

 

Рис. 23. Результаты непосредственных «классических» измерений и рассчитанных по формулам методики уг­ломестной компоненты УОП при установке системы ФАР-РПО на угол крена Ψ = +75° при угле θ = -20°. Красный график соответствует компонентам, измерен­ным «классическим» способом, синий - компонентам, рассчитанным по предлагаемой методике

 

Данные «классических» измерений при угломестной установке системы в «сле­пой» зоне (Ω = от -10 до -70°) отсутствуют.

Существенно изрезанный характер гра­фиков компонент объясняется наличием в ниж­ней части пояса РПО (область измерений) ка­нала воздуховода.

Аналогичным образом на рисунке 24 схе­матично (вид по НП) представлена установка системы ФАР-РПО при угле крена Ψ = -55° и угле отклонения луча от нормали θ = -12°.

 

Рис. 24. Установка системы ФАР-РПО (вид по НП) на угол крена Ψ = -55° при угле θ = -12° для последу­ющего одновременного измерения и расчета компо­нент УОП

 

До установки РПО был откорректиро­ван угол крена, при котором было достигнуто условие совпадения минимумов разностных ДН. Он составил Ψ = -54,8°. После установ­ки РПО, изменяя угол взаимной азимуталь­ной установки Ω, по предложенной методике были произведены измерения и последующий расчет компонент УОП по линии (красная на рис. 24) Δαχ и Δαγ в точках с шагом 10°.

При заданных углах установки луча по Ψ и θ начальные координаты фазирования ре­шетки, рассчитываемые по формулам (3)-(6), составят: αх = -6,9°, а αу = +9,9°.

При этих углах фазирования решетки так­же оказалось возможным за счет соответству­ющих установок ОПУА привести отклоненный луч ФАР к оси коллиматора в обеих ортогональ­ных плоскостях установки ФАР. Так, в случае установки ФАР в горизонтальной плоскости азимута (Ψ = 0°) координаты установки ОПУА составили: АЗ опуа = +6,9°; УМ опуа = -9,9°, что демонстрируется на рисунке 25а. Для верти­кальной (Ψ = -90°) установки ФАР ОПУА уста­навливается по координатам АЗ опуа = +9,9°; УМ опуа = +6,9°, что показано на рис. 25б. Таким образом, для конкретных углов Ψ и θ установки системы опять появляется возмож­ность сравнения непосредственно измеренных и рассчитанных компонент Δαχ и Δαy.

 

Рис. 25. Способ позиционирования ОПУА и приведения отклоненного луча (при Ψ = -55°, θ = -12°) к оси колли­матора в азимутальной (а) и угломестной (б) плоскостях установки ФАР для последующего раздельного измере­ния компонент УОП

 

Ниже на рисунке 26 совместно приве­дены результаты непосредственных «класси­ческих» измерений и рассчитанных по фор­мулам предлагаемой методики азимутальной компоненты УОП, а на рисунке 27 - угло­местной.

 

Рис. 26. Результаты непосредственных «классических» измерений и рассчитанных по формулам методики ази­мутальной компоненты УОП при установке системы ФАР-РПО на угол крена Ψ = -55° при угле θ = -12°. Синий график соответствует компонентам, измерен­ным «классическим» способом, зеленый - компонен­там, рассчитанным по предлагаемой методике

Рис. 27. Результаты непосредственных «классических» измерений и рассчитанных по формулам методики уг­ломестной компоненты УОП при установке системы ФАР-РПО на угол крена Ψ = -55° при угле θ = -12°. Синий график соответствует компонентам, измерен­ным «классическим» способом, красный - компонен­там, рассчитанным по предлагаемой методике

 

Поскольку самой «интересной» обла­стью данного каплевидного РПО является об­ласть углов взаимной установки Ω (100-180°) и ввиду дефицита времени измерения для уг­лов Ω в диапазоне ±70° не проводились и дан­ные на графике отсутствуют.

Оценка ошибок измерения

Вопросы, касающиеся погрешностей и точностей предложенной методики, об­суждались в работе [1]. Следует сказать, что ввиду небольшого веса тестируемого РПО коррекция, исключающая систематические ошибки, связанные с изменением нагрузки на ОПУА при установке РПО (из-за люфтов в механических приводах ОПУА), как предла­галось в [1], в данном случае не проводи­лась. Предложенный способ определения компонент УОП помимо непосредственных измерений включает в себя и последующие вычисления по формулам (1)-(2). По извест­ным из метрологии соотношениям расчет по­грешности величины, представляющей собой сложную функцию (многих переменных), определяется путем вычисления ее диффе­ренциала через дифференциалы ее аргумен­тов. Даже если что-то известно о погрешнос­тях измеряемых аргументов, задача оценки погрешности вычисления самих функций (компонент УОП) математическими метода­ми становится весьма непростой и выходит за рамки нашей компетенции. Классический метод «разности» (работает только по ор­тогональным сечениям поверхности РПО) как метод непосредственного измерения ве­личины компоненты УОП, по всей видимо­сти, должен давать наиболее достоверные результаты. При сравнении данных, полу­ченных с его помощью, с расчетными данны­ми по предлагаемому методу максимальная ошибка по всем измеренным компонентам УОП может доходить до 4-5 угл. мин. Од­нако следует иметь в виду, что как класси­ческим, так и предложенным методом было получено всего по одной реализации измеря­емой величины, что не может давать правиль­ных суждений о статистических погрешно­стях подобных измерений. Правильно было бы, набрав статистику измерений, оценивать тот доверительный интервал, в котором укла­дываются все полученные при многократных измерениях реализации, и воздействия всех присущих случайных факторов. Относитель­ная простота предложенного метода, а также возможность полностью автоматизировать процесс измерений, дают основание надеять­ся на реализацию такого подхода. К сожале­нию, в рамках данной работы ввиду острого дефицита отпущенного времени это было со­вершенно невозможно, но вполне может быть осуществимо при наличии дальнейшего ин­тереса к задачам измерения УОП в системах «антенна-обтекатель». На текущий момент можно лишь сказать, что данные, получен­ные как классическим способом «разности», так и рассчитываемые по предложенной ме­тодике, весьма неплохо скоррелированы друг с другом, что еще раз подтверждает возмож­ность применения данной методики для из­мерения УОП.

Заключение

Если поверхность РПО точно задана мате­матически, то появляется возможность по­строить поточечный вид сечения поверхности РПО при различных углах взаимной уста­новки - Ω при фиксированных углах крена Ψ и углах отклонения луча θ. Точкам этого сечения, где компоненты УОП могут быть измерены по предлагаемой методике, как го­ворилось ранее, удобно поставить в соответ­ствие строку общей матрицы УОП. Подоб­ный подход позволяет поставить в полное соответствие каждой точке на поверхности реального РПО измеренные компоненты УОП (Δαχ и Δαy). Это очень полезно для понима­ния и физического осмысления измеренных величин и знаков компонент УОП по поверх­ности РПО, особенно в районе «особых зон» (ребро воздуховода, носок хвостовой ча­сти и т. д.). По этой причине шаг измерений компонент УОП может быть разным даже по поверхности одного и того же РПО. Шаг может быть, например, уменьшен в области «особых зон», где мы вправе ожидать резко­го изменения величины УОП, или, наоборот, увеличен в области предсказуемо гладкого поведения функции. Для измеряемого РПО (что видно из представленных графиков) зона быстрого изменения функции была его задняя каплевидно-вытянутая часть и ребро воздухо­вода. Но ввиду дефицита отпущенного вре­мени измерения проводились с одним дис­кретом по всей поверхности РПО. Для более всестороннего исследования характеристик преломления РПО может быть, например, написана специальная программа, визуализи­рующая процесс поточечного измерения (по сечениям Ψ, θ и Ω) непосредственно в процес­се их проведения в виде строящихся в реаль­ном масштабе времени графиков измеряемых компонент и автоматически выбирающая шаг проводимых измерений. Предложенный ме­тод, где результаты измерений получаются сразу же в процессе их проведения, вполне допускает эту возможность.

Выводы

Предложена последовательность действий и показано, как в случае рассматриваемой в данной работе каплевидной поверхности РПО можно вычислять полную матрицу компонент УОП, т. е. получать данные при фа­зировании решетки (ФАР, АФАР) в произ­вольную точку его поверхности.

Графики компонент Δαχ и Δαγ на выше­приведенных рисунках при этом достаточно верно отражают физический смысл зависи­мости компонент УОП от углов падения плос­кой э/м волны.

Следует заметить, что предложенный метод вычисления компонент УОП может быть использован для получения данных о ко­эффициенте прохождения (КП) по всей по­верхности тестируемого РПО. При наличии в качестве третьей компоненты измеренного фрагмента суммарной ДН они получаются автоматически, и можно говорить о матрице КП для данного РПО.

К безусловным достоинствам метода следует отнести возможность измерять пара­метры РПО непосредственно с помощью той самой антенной системы (ФАР, АФАР) (как это было в [1] и в данной работе), которая и предполагается в дальнейшем к использо­ванию в комплексе. Это значительно увели­чивает достоверность получаемых данных, в отличие, например, от случая использова­ния для исследования радиотехнических ха­рактеристик (РТХ) РПО некой абстрактной тестовой антенны.

И, наконец, главное, о чем следует еще раз упомянуть. Проделанная работа привела авторов к глубокому убеждению, что на сего­дня рассматривать характеристики излуче­ния современных бортовых ФАР (АФАР, а равно и других антенн) в отрыве от РПО (особенно это касается РПО сложных форм), под которым она находится, совершенно неправильно. И дело здесь не только во вноси­мых РПО УОП, но и в ряде других парамет­ров. К сожалению, сложившаяся на сегодня практика показывает, что разработчики антенных систем предпочитают занимаются «чистыми антеннами» и не любят включать в комплекс исследований РПО. А между тем системе «антенна-обтекатель» (во всей возможной области установки ее луча под РПО) могут быть присущи интересные метамор­фозы, связанные, например, с крутизнами пеленгационных характеристик из-за «заплывания» нулей разностных диаграмм, ко­эффициентами прохождения (КП) и т. д. РТХ реально изготавливаемых в промышленно­сти (даже однотипных по форме) обтекателей по большей части и в значительной степени индивидуальны, а стало быть, вряд ли могут быть точно математически описа­ны. По этой причине проведение ряда работ, например по моделированию амплитудно­фазовых распределений на излучающем рас- крыве ФАР для оптимизации характеристик ее излучения, если только они проводятся в отрыве от РПО, могут делать их практичес­ки бессмысленными.

Список литературы

1. Макушкин И. Е., Дорофеев А. Е., Грибанов А. Н., Гаврилова С. Е., Синани А. И. Метод измерения угловых ошибок пеленга в системе «антенна–обтекатель» в области сканирования луча ФАР // Вестник Концерна ПВО «Алмаз – Антей». 2019. № 2. С. 7–24.

2. Каплун В. А. Обтекатели антенн СВЧ (Радиотехнический расчет и проектирование). М.: Советское радио, 1974.

3. Столбовой В. С., Турко Л. С., Залетин П. В. Пеленгационная характеристика системы «антенна–обтекатель» и пути повышения точности пеленгации радиолокационных объектов // Вестник Концерна ПВО «Алмаз – Антей». 2016. № 1. С. 52–60.

4. Столбовой В. С., Турко Л. С., Залетин П. В. Алгоритмическое и аппаратурное обеспечение компенсации пеленгационных ошибок систем «антенна–обтекатель» // Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2016. № 3. С. 15–23.

5. Патент 2162232 (РФ), МПК G01R 29/10. Способ измерения пеленгационных ошибок систем антенна–обтекатель / В. С. Столбовой (РФ). № 99115266/09; Заявл. 12.07.1999; опубл. 20.01.2001. Бюл. № 2.

6. Гаврилова С. Е., Грибанов А. Н., Мосейчук Г. Ф., Синани А. И. Особенности реконструкции возбуждения в раскрыве плоской многоэлементной фазированной антенной решетки с использованием динамических диаграмм направленности // Вестник Концерна ПВО «Алмаз – Антей». 2017. № 4. С. 32–39.


Об авторах

И. Е. Макушкин
Акционерное общество «Научно-исследовательский институт приборостроения им. В. В. Тихомирова»

Макушкин Игорь Евгеньевич – начальник лаборатории 

Область научных интересов: антенные измерения, СВЧ-техника.



А. М. Шемарин
Акционерное общество «Научно-исследовательский институт приборостроения им. В. В. Тихомирова»

Шемарин Александр Михайлович – ведущий инженер 

Область научных интересов: радиолокация, СВЧ-техника.



Ю. Ю. Вицукаев
Акционерное общество «Научно-исследовательский институт приборостроения им. В. В. Тихомирова»

Вицукаев Юрий Юрьевич – инженер 2-й категории 

Область научных интересов: радиолокация, СВЧ-техника.



Д. М. Тюрин
Акционерное общество «Научно-исследовательский институт приборостроения им. В. В. Тихомирова»

Тюрин Дмитрий Михайлович – врио начальника лаборатории 

Область научных интересов: СВЧ-техника, автоматизация измерений на СВЧ.



Для цитирования:


Макушкин И.Е., Шемарин А.М., Вицукаев Ю.Ю., Тюрин Д.М. Способ измерения пеленгационных ошибок для радиопрозрачного обтекателя произвольной формы. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2020;(1):26-45. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-1-26-45

For citation:


Makushkin I.E., Shemarin A.M., Vitsukaev Yu.Yu., Tyurin D.M. A method for measuring boresight errors for a radioparent radome of arbitrary shape. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2020;(1):26-45. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-1-26-45

Просмотров: 119


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)