В различной литературе [3] рассматриваются существующие методы контроля работоспособности как ФАР в целом, так и их систем управления лучом (СУЛ). В зависимости от объема решаемых задач, степени детализации, а также контролируемых параметров и узлов различают интегральный и дифференциальный контроль.

При интегральном контроле осуществляется проверка диаграммы направленности (ДН) антенны и некоторых основных её параметров (ширины главного лепестка, коэффициента усиления, уровня боковых лепестков), которые соответствуют фактическому, равносигнальному положению заданного направления. В результате такого контроля может быть также установлен факт наличия отказа ФАР, однако, проанализировать отказ обычно не представляется возможным. Для локализации отказа осуществляется дифференциальный контроль, при котором проверяется функционирование каждого канала ФАР.

В зависимости от способов проведения диагностирования, различают тестовый и оперативный контроль. При тестовом контроле на СУЛ подаются определенные команды, в ответ на которые фазовращатели антенны должны оказаться в определенных состояниях и ФАР формирует луч с определенными характеристиками. Тестовый контроль может быть как интегральным, так и дифференциальным. Однако на практике чаще используется последний, позволяющий локализовать отказ с точностью до одного ТЭЗа канала управления. Техническая реализация тестового контроля обычно проста, однако, для его выполнения требуется отрыв радиотехнической системы от выполнения функциональных задач.

Оперативный контроль требует наличия специальной аппаратуры, которая следит за режимами СУЛ в процессе её функционирования и выдаёт сигнал тревоги в случае отклонения их от нормы. С помощью встроенной аппаратуры может проводиться как дифференциальный, так и интегральный контроль. На практике часто тестовый и оперативный контроль реализуются совместно.

Контроль СУЛ можно производить на высокой или низкой частоте. Интегральный контроль производится на высокой (несущей или промежуточной) частоте. Дифференциальный контроль может осуществляться как на высокой частоте (прямой контроль, так как при его проведении фиксируется амплитуда и фаза сигнала непосредственно на входе или выходе излучающего элемента), так и на низкой частоте (косвенный, поскольку о фазе судят по состоянию фазовращателей). Достоинством контроля на низкой частоте является его относительная простота и более высокая степень локализации отказов в канале управления. Его существенный недостаток - осуществление контроля прохождения сигнала через весь тракт ФАР. Обзор интегральных методов показывает, что измерения внешних характеристик и параметров проводятся в дальней и ближней зоне излучения антенны. К методам дальней зоны относятся: наземный, облетный, радиоастрономический и радиометрический, к методам ближней зоны - голографический, коллиматорный и метод фокусировки. Для контроля параметров ФАР применяются также и динамический метод контроля. Измерения в дальней зоне позволяют определить большинство параметров и являются в настоящее время наиболее распространёнными. Метод показан на рисунке.2.1.

Рисунок 2.1 - Метод измерений в дальней зоне

Рассмотрим некоторые общие характеристики видов измерений в дальней зоне:

наземный: на полигоне с источниками монохроматического излучения и соответствующими измерительными приёмниками или индикаторами;

облетные: когда источник излучения или приемник расположены на летательном аппарате;

радиоастрономический: когда антенна принимает излучения от внеземных источников радиоизлучения;

радиометрический: когда используются искусственные источники типового радиоизлучения, расположенные на полигоне.

Принципиальной проблемой при наземных измерениях являются учет и уменьшение влияния земли. Методы учета и уменьшения влияния земли подробно рассмотрены во многих работах.

Разновидностью измерений в дальней зоне, в соответствии с рисунком 2.1, являются облетные методы измерения, выполняемые с помощью испытуемой антенны, установленной на самолете, вертолете или других летательных средствах. Основными трудностями при реализации этого метода являются калибровка вспомогательной антенны, измерения в реальном масштабе времени координат носителя антенны с точностью 0,1 - 0,02 ширины главного лепестка ДН, обеспечение движения носителей по заданной траектории, создание математического обеспечения для обработки результатов измерений, кроме того, для его осуществления требуются большие материальные затраты [1].

Радиоастрономический метод позволяет измерять ДН, коэффициент усиления, шумовую температуру антенны, как показано на рисунке 2.2 Небесная сфера представляет собой поверхность, на которой располагаются дискретные космические источники радиоизлучения и непрерывно распределенные источники шумового фона. Для измерения параметров антенны используют излучение наиболее мощных космических источников радиоизлучения на небесной сфере. Распределение яркостной температуры космических источников радиоизлучения обычно являются сложной функцией угловых координат, поэтому для её описания применяют различные аппроксимирующие функции, чаще всего используют двухмерную функцию Гаусса.

Интенсивность источников увеличивается пропорционально л (0,3-0,6), спектр колебаний КИР сплошной и занимает диапазон волн 1,5-15 м [2]. Спектральная плотность потока мощности космических источников радиоизлучения весьма стабильна и табулирована с высокой точностью (2-5%), что важно для антенных измерений. Точность измерений в значительной мере зависит от условных размеров источника. Различают два случая:

условные размеры космического источника радиоизлучения соизмеримы или больше ширины диаграммы направленности исследуемой антенны, такие источники называются протяженными;

условные размеры космического источника радиоизлучения меньше ширины диаграммы направленности исследуемой антенны, такие источники называются непротяженными, траектории движения космического источника радиоизлучения по небесной сфере является весьма стабильными.

Координаты КИР могут быть рассчитаны с большой точностью для любого момента времени, что находит применение при юстировке антенн. Ряд источников являются незаходящими для северного полушария. Это позволяет использовать их для измерения в любое время суток. Для траектории перемещения таких источников характерным является наличие точек кульминации (верхней и нижней), а также точек поворота. В области этих точек источники перемещаются, соответственно, только по азимуту или по углу места, что используется для измерения ширины диаграммы направленности в горизонтальных или вертикальных плоскостях. Основной проблемой является калибровка внеземных источников излучения, так как для этого необходима специальная служба.

Радиометрический метод с использованием, так называемых "черных дисков", даёт возможность определить, кроме перечисленных параметров, ещё и коэффициент рассеивания [3]. При радиометрическом методе измерений шумовая температура антенны определяется следующим соотношением [4]:

зЧT?+ (1-з) Ч

где T? - шумовая температура антенны, обусловленная внешними источниками шумового излучения; з - КПД антенны; физическая температура антенны.

Первое слагаемое в соотношении (2.1) определяет вклад в шумовую температуру антенны шумового радиоизлучения, окружающего антенну в пространстве, второе слагаемое - собственные шумы, обусловленные тепловыми шумами антенны.

Составляющая шумовой температуры Т? при известном распределении яркостной температуры внешних источников шума определяется следующим соотношением:

T?=?, (2.2)

где з= - максимальный КПД антенны;

- нормированная ДН по мощности;

d? =sinИdИdц - элемент телесного угла;

яркостная температура внешних источников шумового радиоизлучения.

Величина шумовой температуры Т? зависит от ориентации ДН антенны относительно источника шума, так при изменении направления главного лепестка антенны изменяется шумовая (температурная) обстановка в пределах телесных углов, закрываемых главными и боковыми лепестками ДН. Для измерения шумовой температуры применяются специальные приёмные рефлекторы. Основными недостатками радиометрического метода являются ограничения в использовании существующих материалов, из которых, как правило, изготавливаются искусственные источники теплового излучения.

Существенными ограничениями радиоастрономического и радиометрического методов являются их применимость к антеннам, работающим в режиме приема.

Параметры антенны в дальней зоне можно определить по изменениям поля в ближней зоне при соответствующей обработке результатов опыта.

Обработка может производиться с помощью оптических систем, в частности, оптических моделирующих установок с предварительным переносом информации об измерении радиополя на фотопленку, т.е. получения голограммы - голографический метод [3]. Если этот метод реализуется с помощью ЭВМ, то он называется машинным, схема представлена на рисунке 2.3 При голографическом методе внешние параметры антенны определяются путем обработки результатов измеренного ближнего поля антенны. Для определения параметров антенны необходимо на некоторой поверхности, охватывающей антенну, измерить направления распределения компонент тангенционного составляющего вектора её электрического или магнитного поля. Распределение этих компонент полностью определяет основную внешнюю характеристику антенны, её пространственную ДН.

1-генератор.

2-антенна.

3-зонд.

4-линия передачи опорного сигнала.

5-амплифазометр.

6-устройство регистрации и синхронизации.

7-ЭВМ.

8-опорно поворотное устройство антенны.

9-механизм перемещения зонда.

Рисунок 2.3 - Структурная схема голографического (машинного) метода

В настоящее время наиболее распространены схемы, в которых ближнее электромагнитное поле измеряются на плоскости. Важным достоинством голографического метода является его большая информативность, недостатком - его относительная сложность. При машинном методе (показано на рисунке 2.3) радиограммы вводятся в ЭВМ, которая на основе специальной программы производит расчет ДН исследуемой антенной решётки и её характеристик (коэффициента направленного действия, коэффициента рассеивания, фазовой и поляризационной ДН, ширины главного лепестка, коэффициента усиления, уровня боковых лепестков). Для расчета на ЭВМ ДН антенны разработаны алгоритмы быстрого преобразования фурье [2]. Пространственная ДН отображается на входе ЭВМ в картографическом изображении ДН в виде линий постоянного уровня (в плоскостной системе координат в виде кривых, в прямоугольной системе координат - в линейном или логарифмическом масштабе). Весь процесс измерения может быть полностью автоматизирован. Машинный метод позволяет обработать информацию в реальном масштабе времени, в нем уменьшено число факторов, влияющих на ошибки моделирования, что позволяет измерять боковые лепестки ДН до уровня 40 дБ [2,5]. Голографический или машинный методы могут применяться как на этапах отработки конструкции антенны, так и в процессе её эксплуатации. С помощью этих методов удобно осуществлять аттестацию и периодический контроль параметров антенн, сравнивая измеренные антенно-фазовые распределения (АФР) или радиограммы с соответствующими эталонами.

При коллиматорном методе характеристики антенны измеряются в поле близком к полю плоской волны, которое создается с помощью зеркальной (линзовой) или другого типа антенны, расположенной вблизи испытуемой антенны [3]. При этом для измерения ДН в секторе углов, охватывающих главный и несколько ближних лепестков в диапазоне уровней до (20-30) дБ с шагом (0,5-1) дБ, допуск на изготовление коллиматора должен составлять (0,01-0,02) л. По указанным причинам коллиматорный метод целесообразно применять в основном для небольших антенн с размерами раскрыва 2-3 метра. В случае использования коллиматора линзы возникают так же трудности, связанные с наличием переотражений, которые "запутывают " картины. Указанные трудности можно преодолеть, используя метод голограмм для фиксации фронта волны на выходе коллиматора. Коллиматорный метод малопригоден при измерении параметров антенны РЛС в ходе эксплуатации. Для уменьшения расстояния между антеннами иногда применяется фокусировка, используемая в качестве излучаемой антенны, которая состоит в том, что в раскрыве антенны дополнительно создаётся квадратичное фазовое распределение. Благодаря этому, волны от всех точек складываются синфазно в точке, расположенной у ближней границы дальней зоны. Фокусировка ФАР обеспечивается за счет специального фазирования, заключающегося в том, что с помощью фазовращателей в каналах излучений создается фазовое распределение, при котором поле от излучающей решетки синфазно и имеет незначительную разность фаз в точке фокусирования, что позволяет с достаточной точностью проводить измерения коэффициента усиления ДН и других параметров ФАР на расстояниях, составляющих всего несколько диаметров раскрыва.

Все рассмотренные интегральные методы имеют один общий недостаток - большие затраты времени на измерение характеристик антенны и обработку результатов измерений.

Рассмотрим интегральный метод, который может быть осуществлен с помощью контрольной линии передач [5]. К одному каналу подключена согласованная, поглощающая нагрузка, а к другому согласованный индикатор тока. С входов излучающих элементов с помощью зондов снимается часть энергии и подается в контрольную линию. Расстояние между точками подключения выходов к контрольной линии равно L. В контрольной линии создаются две бегущие волны [4]. Величина бегущей волны в направлении индикатора тока имеет амплитуду:

V = , (2.3)

где - амплитуда сигнала, снимаемая с n-го элемента;

j - распределение вдоль контрольной линии "const";

k - распределение в свободном пространстве "const";

d - шаг решётки;

И₀ - направление главного максимума [град.].

Поскольку пропорционально амплитуде возбуждения элементов ФАР, выражение (2.3) описывает ДН антенны, причём члены n, j, L соответствуют пространственному фазовому сдвигу между полями отдельных элементов. Изменяя L и j, можно построить ДН при заданной И₀ и, тем самым, произвести интегральный контроль ФАР. Однако изменение геометрической длины сопряжено с постоянными трудностями автоматизации процесса контроля. Для изменения j необходимо изменять рабочую частоту сигнала. С этой целью на время контроля к входу антенны подключают генератор качающей частоты (ГКЧ), часть энергии с которого поступает так же на вход индикатора. При невозможности использования ГКЧ, контроль можно осуществить на рабочей частоте путем подачи последовательности меньших значений кодов И₀ на командное устройство (СУЛ) и, одновременно, на опорный канал индикатора. Однако, этот метод можно считать годным только для ФАР, работающих исключительно на передачу, кроме того, для его осуществления необходимы сравнительно большие затраты времени и требуется отрыв ФАР от прямых функциональных обязанностей.

Дифференциальный контроль на высокой частоте может быть реализован следующими методами: балансным, спектральным, коммутационным [5].

При реализации балансного метода используется то обстоятельство, что при нормальной работе ФАР амплитуда возбуждения симметрична относительно центра решетки, т.е. симметрична в разные стороны относительно фазы центрального элемента. Поэтому, если с помощью зондов снять часть энергии сигнала с входов пар симметрично расположенных элементов и просуммировать их, то в результате получится сигнал, имеющий фазу центрального элемента или фазу сигнала передатчика, который может быть использован в виде опорного. Если теперь подать суммарный сигнал на вход вычитающего устройства, то регулировкой аттенюатора можно добиться равенства нулю сигнала на выходе устройства, что будет свидетельствовать об исправной работе контрольной пары излучателей. Если же фазовращатель одного из каналов неисправен и вносит фазовую ошибку, то компенсация оказывается невозможной, и на выходе вычитающего устройства будет сигнал, амплитуда которого будет отлична от нуля.

Для осуществления спектрального метода производятся циклические измерения (с определенной частотой) фазы контролируемого элемента и регистрируют частотный спектр излучаемого сигнала. В идеальном случае, при исправном фазовращателе, регистрируемый сигнал будет отличным от нуля, его колебания на несущей частоте и первой гармонике будут соответствовать фазовой частоте модуляции. В случае отказа какого-либо разряда в спектре регистрируемого сигнала появляются гармоники более высоких порядков. Этот метод имеет определенные недостатки: большие временные затраты для их осуществления и отрыв ФАР от выполнения прямых функциональных задач.

При рассмотрении коммутационного метода необходимо произвести определённые уточнения. Современные методы антенных измерений описываются сложными алгоритмами обработки результата эксперимента. Сущность таких методов невозможно описать только на методике измерении, в особенности это касается коммутационного метода, который обладает простейшей методикой измерения.

В то время, как основное его содержания раскрывается в анализе информативности эксперимента и способах преобразования результатов измерений, то есть коммутационный метод рассматривают как совокупность действий над объектами измерений в способе получения и преобразования информации эксперимента.

Его разбивают на ряд этапов.

Этапы приведены на Рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Структурная схема коммутационного метода

Основной эксперимент при реализации коммутационного метода заключается в измерении коэффициента передачи между ФАР и зондом при различных фазированиях. Если рассматривать в общем, то существуют два принципиально различающихся способа измерения амплитуд возбуждения излучателей по результатам наблюдения коэффициента передачи между ФАР и зондом. Первый связан с перемещением зонда относительно антенны и измерением пространственного распределения на некоторой поверхности ближнего поля ДН, например, коллиматором. В литературе эти методы называются апертурно-зондовыми (радиоголографическими) или коллиматорными (зондовыми). Второй способ заключается в измерении поля неподвижным зондом. Первый метод основан на спектральном представлении сигнала. Искомые параметры оценивают после измерения спектральных компонентов сигнала, что в большинстве случаев наиболее просто выполнять с помощью радиотехнических устройств. В отличие от него, для коммутационного метода характерно временное представления сигнала, причем амплитуду возбуждения оценивают по выборкам наблюдаемого сигнала в конечном числе точек с преобразованием на ЭВМ. Основное отличие заключается в том, что основанный на спектральном разделении сигнала ФАР модуляционный метод требует увеличения частоты модуляции сигнала из-за ограничения спектрального разрешения любого радиотехнического устройства, в то время как коммутационный метод работает только при "медленном" переключении фазовращателей из-за ограниченности быстродействия амплифазометра.

Преимуществом дифференциального контроля и, в частности, коммутационного метода перед интегральным является повышение точности измерений, использование стандартных измерительных приборов и устройств управления, увеличение чувствительности за счет совместных переключений фазовращателей (применимо к ФАР с большим числом излучателей). Точность измерения коэффициентов передачи каналов повышается за счет исключения переходных процессов, измерения на основной частоте излучения (при монохроматическом сигнале), совместных переключений фазовращателей и использования наиболее точных алгоритмов обработки. Так же, одним из достоинств коммутационного метода является то, что он позволяет определить ДН ФАР при всех фазированиях по результатам одного измерения. Это дает возможность найти зависимость основных параметров ФАР, таких как коэффициента усиления, уровня боковых лепестков, ширины главного лепестка и других от мощности шума. Кроме того, преимуществом коммутационного метода измерений перед методами, связанными с перемещением вспомогательной антенны относительно ФАР, заключается в резком сокращении числа измерений и повышении производительности, благодаря отсутствию механизмов перемещения.

Дифференциальный контроль функционирования каналов управления на низкой частоте осуществляется путем сопоставления истинных и заданных состояний и разрядов фазовращателей, при этом возможен оперативный контроль в процессе функционирования радиотехнических систем, но этот метод не позволяет осуществить контроль тракта прохождения сигнала через элементы ФАР.

Из анализа приведенных выше методов контроля ФАР следует, что они обладают некоторыми существенными недостатками, поэтому ниже рассмотрим динамический метод, который недостаточно освещен в соответствующей литературе и находится в стадии разработки [2, 5]. Следует отметить, что динамическая диаграмма направленности (ДДН) определяется, как зависимость напряженности поля (или мощности) на выходе индикаторной антенны от времени при фиксированном положении антенны в пространстве. Доказано, что при определенных ограничениях ДДН близка к функциям, вычисленным как среднестатистические ДН, соответствующие различным положениям луча в пространстве. Такая зависимость во многих случаях позволяет ограничиться измерением одной ДДН вместо множества статических, что существенно сокращает объем и время испытания ФАР.

Для плоских ФАР, элементы которых идентичны и одинаково ориентированы в пространстве, ДДН не зависит от ДН элемента в каждый момент и пропорциональна значению множителя решетки в направлении на индикаторную антенну и направлениям максимального излучения, которые постоянны и одинаковы для всех элементов решетки. Такое свойство ДДН можно использовать при настройке и контроле записывающих и управляющих систем ФАР. Из приведённого анализа ДН антенны с качанием луча [2, 5] известно, что предельно допустимая частота качания луча составляет (10-50) Гц, при которой мгновенная ДН совпадает со статической, кроме того, приводится методика расчёта среднего уровня бокового излучения ДДН больших сканирующих ФАР, определяющая промежуточную и дальнею зону антенн с качанием луча.

Таким образом, дифференциальный контроль (тестовая и функциональная диагностика) является эффективным средством для обнаружения и оперативного контроля работоспособности ФАР в процессе её эксплуатации.

3. Основные принципы построения систем функционального контроля РЛС