Адаптивная антенная решетка радиопеленгатора и пассивного радиолокатора

Поскольку пассивный радиолокатор (Passive Coherent Locator) и радиопеленгатор — родственные души, посмотрим как может пригодится адаптация в кольцевой антенной решетке. Что есть главное зло для PCL? Оригинальный сигнал базовой станции. Что есть главное зло для РП? Переотражения от местных предметов, или как любят говорить связисты, многолучевое распространение. И в том и другом случае, антенная решетка, обладая направленными свойствами, создает максимально благоприятные условия для полезного сигнала и по мере возможности — как там лягут боковые лепестки диаграммы направленности (ДН) — давит помеху.

Вот в том то и дело, что по мере возможности. Помеха может встать по азимуту на хороший боковой лепесток ДН, и прощай динамический диапазон и точность. Возникает задача: можно ли сформировать диаграмму таким образом, чтобы и пропустить полезный сигнал без потерь, и подавить помеховый? Другими словами: можно ли так «деформировать» классическую ДН, чтобы в направлении полезного сигнала смотрел главный лепесток, а в направлении помехи — лепестка не было вообще, то есть полный провал?

Структура тракта обработки для адаптивного алгоритма

Данную задачу решает определенный класс адаптивных алгоритмов. Структурно все выглядит достаточно просто, как на этой схеме. На рисунке — кольцевая антенная решетка радиусом R, состоящая из N элементов. В общем, форма решетки может быть произвольной; кольцевую мы выбрали из соображений практичности.

Кольцевая антенная решетка с весовыми коэффициентами

Как видно из рисунка, мы обходимся минималистким набором оборудования. Сделаем решетке один единственный выход, в который сведем все элементы, пропущенные через блоки W.

W — это элементы управления амплитудно-фазовым раскрывом с коэффициентами передачи в виде комплексных чисел w. Модуль комплексного числа — коэффициент усиления, аргумент — доворот фазы. В общем все как обычно — набору элементов антенной решетки соответствует набор весовых коэффициентов. На выходе сумматора будем наблюдать сигнал x, который зависит от направления прихода и параметров волны и значений весовых коэффициентов w. Замечу что нас совершенно не волнует геометрия решетки — пусть об этом заботятся сами коэффициенты w, которые при желании могут сотворить из кольцевой решетки линейную или еще какую нибудь (для определенного угла прихода, конечно).

Тренировка решетки — берем количеством

Итак, начнем. «Поскольку диссертации никто не читает, примем w=0«. Здесь эта крылатая фраза абсолютно к месту, поскольку в общем то все равно, какие значения весовые коэффициенты будут принимать поначалу. Наша цель — найти их значения в процессе адаптации. Адаптация сродни магии: процесс очень простой, но почему получается именно такой результат — это загадка. Кстати, какой результат мы хотим получить? А вот какой: положим, полезный сигнал приходит с направления 0°, и хотим максимум ДН в этом направлении. Или, другими словами, на выходе сумматора решетки мы рассчитываем получить желаемый сигнал d=1.

Итак, поехали. Включаем источник в направлении 0°, принимаем на антенную решетку, обрабатываем весами которые на первом этапе у нас w=0 и получаем некий сигнал x. Есть все основания полагать, что мы получили совсем не то что нам нужно, но это нас не беспокоит. Отличие полученного x от желаемого d называется сигналом ошибки e = d — x. Задача адаптивного алгоритма — непрерывно минимизировать эту ошибку. Не углубляясь в теорию и доверяя первоисточникам, поверим тому, что нужно сформировать поправку к весовым коэффициентам w и величина поправки равна

ΔW = μ ⋅ S ⋅ e*

Не забываем о том, что имеем дело с комплексными переменными, и значок * рядом с переменной ошибки соответствует комплексно сопряженной величине. S — вектор сигналов элементов решетки, W — вектор весовых коэффициентов. μ — некоторый параметр, который будет определять качество алгоритма. Чем он меньше, тем лучше решение будет сходиться к ожидаемому результату. Если этот параметр больше, то решение будет находиться быстрее, но есть вероятность что задача «пойдет вразнос».

Есть максимум

Вот собственно и все! Что делаем дальше? Много-много раз повторяем эту процедуру: вносим поправки в весовые коэффициенты, находим ошибку, вычисляем поправку и так далее. Такой процесс называется тренировкой антенной решетки. В результате получим вектор весовых коэффициентов, который будет задавать вот эту синюю диаграмму (на красный цвет пока не смотрим):

Диаграмма направленности адаптивной кольцевой антенной решетки радиопеленгатора и пассивного радиолокатора в линейных координатах

Синим цветом показана ДН решетки, повернутая в направлении полезного сигнала по азимуту 0°. Первая часть задачи решена! Заметим, что в постановке задачи не использовались данные по геометрии антенной решетки — адаптивный алгоритм все сделал сам.

Давим помеху сохраняя полезный сигнал

Теперь усложним задачу. Поставим помеху в направлении к примеру 35° и попробуем ее подавить, исходя из того что желаемый сигнал примет значение d = 0. Если мы запустим адаптивный алгоритм в такой формулировке, то он свою задачу выполнит, но довольно своеобразным способом: все весовые коэффициенты получат значение ноль, на выходе для направления помехи тоже ноль (а вы разве не этого хотели?), и как вы догадались со всех остальных направлений тоже ноль (а вот этого мы никак не ожидали). Что же делать? В этом случае мы используем другую стратегию тренировки решетки, комбинируя в определенной последовательности измерения как полезного сигнала, так и помехи с разных углов. Несмотря на справедливое ощущение, что в этом случае мы сваливаем все в одну непонятную кучу, адаптация проходит замечательно: на определенном цикле веса выстраиваются таким образом, чтобы и максимум сохранить — в направлении полезного сигнала 0°, и подавить помеху в направлении 35°.

Модифицированная ДН показана на рисунке красным цветом. Видно, что она деформирована таким образом, что в направлении помехи возникает существенный провал. Привожу здесь значения этих волшебных весовых коэффициентов, которые делают это:

Модуль, или коэффициент передачи:

[ 0.09 0.1 0.08 0.05 0.05 0.05 0.05 0.06 0.09 0.1 0.08 0.05 0.05 0.05 0.05 0.06]

Аргумент, или фазовый сдвиг, градусы:

[ -17.33 -22.02 -82.38 146.92 -15.66 -156.98 97.56 48.11 17.33 22.02 82.38 -146.92 15.66 156.98 -97.56 -48.11]

Заметим на разброс коэффициентов передачи: для решения такой задачи простого доворота фазы для каждого элемента решетки уже недостаточно, и в игру вступают модули комплексных чисел.

В заключение приведем диаграмму в логарифмических декартовых координатах, где минимум в направлении помехи 35° выражен особенно наглядно:

Диаграмма направленности адаптивной кольцевой антенной решетки радиопеленгатора и пассивного радиолокатора в логарифмических координатах

Подавление помех и многолучевого распространения позволяет улучшить точность пеленгования. В настоящее время в отечественных РП эти методы не используются. Разработка осталась на уровне начала 2000 годов. В свое время, например «Платан» DF-2000 был хорошим радиопеленгатором, но время неумолимо идет вперед. С учетом новых методов обработки и появления новой компонентной базы он отстал уже лет на 15. Заказчику — Госкорпорации по ОрВД до сих пор поставляются РП пятнадцатилетней давности.