Адаптивные антенные системы с корреляционной обратной связью

Вначале рассмотрим принцип работы ААС с корреляционной обратной связью, в которых операции накопления полезного сигнала и компенсации помех разделены. В этих системах в результате когерентного неадаптивного весового суммирования полезного сигнала формируется неуправляемый основной канал приема, обладающий остронаправленной ДН. Кроме того, в k-канальной ААС формируется k-1 слабонаправленных (перекрывающих боковые лепестки) управляемых адаптивно компенсационных каналов с разной амплитудной или фазовой структурой. Напряжения компенсационных каналов, суммируясь с напряжением основного канала (с соответствующими весовыми коэффициентами), осуществляют автоматическую когерентную компенсацию принимаемых по боковым лепесткам основной антенны колебаний помехи, что равносильно формированию у системы результирующей ДН с провалами в направлениях на источники помех. На рис. 9.6 показан примерный вид результирующих ДН ААС.

Рис. 9.6. Примерный вид диаграммы направленности ААС в отсутствие помех (кривая 1)и при воздействии помех, расположенных под углами

(кривая 2)

Рис.9.7. Структурная схема простейшего устройства компенсации

Напряжения, управляющие весовыми коэффициентами компенсационных каналов, формируются под действием корреляционной обратной связи с выхода на вход устройства обработки. Эту обратную связь называют корреляционной, так как управляющие напряжения формируются с помощью корреляторов, на входы которых подаются выходное напряжение и компенсационные напряжения. Простейшее одноканальное устройство компенсации изображения на рис.9.7.

Как видно из вышеизложенного, рассматриваемые системы представляют собой совокупность основной и компенсационных антенн, а также устройства когерентной автокомпенсации помех с корреляционной обратной связью (корреляционный автокомпенсатор).

Рассмотрим возможности создания устройств, обеспечивающих автоматическую компенсацию помех независимо от амплитудно-фазовых соотношений их напряжений на входах каналов автокомпенсатора. Одним из простейших устройств такого типа является одноканальный квадратурный автокомпенсатор (рис. 9.8). В этом устройстве компенсационный канал состоит из двух квадратурных подканалов. В-каждом подканале имеются усилитель с управляемыми коэффициентом передачи УУ и коррелятор (сочетание умножителя и интегратора), выходное напряжение которого регулирует коэффициент усиления. С помощью фазовращателя (ФВ) достигается фазовый сдвиг 90° между напряжениями в квадратурных подканалах.

Для большей наглядности рассмотрение принципа работы автокомпенсатора начнем с простейшего случая, когда и представляют собой гармонические напряжения одной частоты, отличающиеся друг от друга амплитудами и фазами. Векторная диаграмма напряжений в автокомпенсаторе для этого случая изображена на рис. 9.9. Вектор может быть представлен в виде суммы двух составляющих: одной , совпадающей по фазе с (либо противофазной), и другой квадратурной ей. Для полной компенсации помехи достаточно порознь скомпенсировать каждую из этих составляющих. Последнее осуществляется с помощью соответствующих квадратурных подканалов, на выходах которых в установившемся режиме и при полной корреляции формируются компенсирующие напряжения:

. (9.14)

Рис. 9.8. Структурная схема одноканального квадратурного автокомпенсатора

(УУ— усилитель с управляемым коэффициентом передачи)

Рис. 9.9. Векторная диаграмма напряжений в автокомпенсаторе

Соответственно результирующий вектор суммарного напряжения компенсационных подканалов оказывается равным и противофазным поступающему на вход сумматора напряжению .

При использовании сигналов большой длительности время адаптации необходимо выбирать небольшим. При этом возникает необходимость принимать специальные меры по защите главного лепестка ДН. Для этого могут быть использованы временные, частотные и пространственные различия сигнала и помех, а также алгоритмические методы.

При использовании временных различий весовые коэффициенты (например, и ) могут формироваться путем временного стробирования помех в моменты отсутствия приема отраженных от цели импульсов. Полученные весовые коэффициенты «замораживаются», т. е. сохраняются на определенное заданное время (например, на период зондирования).

Использование частотных различий возможно в тех случаях, когда помеха имеет составляющие частотного спектра, не перекрывающиеся спектром полезного сигнала. Эти составляющие (с помощью соответствующих частотных фильтров) могут быть выделены и использованы для управления цепями адаптации. В этом случае, как и при использовании временных различий, обеспечивается формирование близких к оптимальным весовых коэффициентов и в основном устраняется неполная компенсация помех. Однако не устраняется возможность изменения (уменьшения либо увеличения в зависимости от фазовых соотношений между U_С0 и U_CK) амплитуды сигнала за счет его составляющей, проникающей из компенсационного канала.

К этим методам относятся: предварительная пространственная фильтрация, предотвращающая прием полезного сигнала компенсационными антеннами; применение пилот-сигнала; ограничения при формировании весовых коэффициентов, исключающие возможность искажений главного максимума ДН.

Кратко рассмотрим некоторые варианты устройств, реализующих первые два метода, причем в первую очередь остановимся на системе с использованием сравнительно слабонаправленных компенсационных антенн, ДН которых обладают провалом в направлении главного лепестка антенны основного канала. В варианте, структурная схема которого изображена на рис.9.10, с выходов управляемых фазовращателей, осуществляющих сканирование главного луча, снимаются напряжения, формирующие ДН основной и компенсационной антенн. Первую ДН получают весовым суммированием соседних элементарных напряжений остальные - поэлементным вычитанием элементарных напряжений. Диаграммы направленности в компенсационных антеннах имеют провалы в направлении главного луча ДН основной антенны. Возможны различные сочетания отдельных разностных ДН, обеспечивающие получение нескольких (от одной до п—1) ДН, обладающих требуемыми (по направлению и конфигурации) провалами.

На рис. 9.11 показан вариант антенной системы, в котором с помощью лучеобразующей матрицы и n-элементной антенной решетки формируется до п ортогональных ДН (лучей). В зависимости от направления прихода полезного сигнала любая из этих ДН может быть основной, а остальные — компенсационными. При этом благодаря ортогональности ДН с направления, соответствующего максимуму любого луча, отсутствует прием для всех остальных лучей. Тем самым исключается прием полезного сигнала компенсационными антеннами.

Рис. 9.10. Структурная схема адаптивной антенной системы

с использованием компенсационных антенн

Рис. 9.11. Структурная схема адаптивной антенной системы,

в которой формируется п ортогональных ДН (лучей)