Цифровая антенная решётка (ЦАР) (антенная решётка с цифровой обработкой сигнала) — антенная решёткаАнтенная решётка — совокупность излучающих элементов, расположенных в определённом порядке, ориентированных и возбуждаемых так, чтобы получить заданную диаграмму направленности. с поэлементной обработкой сигналов, в которой сигналы от излучающих элементов подвергаются аналого-цифровому преобразованию с последующей обработкой по определённым алгоритмамГОСТ 23282-91. Решётки антенные. Термины и определения..
Более общее определение ЦАР предполагает цифровое диаграммообразование как на прием, так и на передачу сигналов:
Цифровая антенная решётка (ЦАР) — пассивная или активная антенная система, представляющая собой совокупность аналого-цифровых (цифро-аналоговых) каналов с общим фазовым центром, в которой формирование диаграммы направленности осуществляется в цифровом виде, без использования фазовращателей. В зарубежной литературе используются эквивалентные термины или
Различие между ЦАР и разновидностью активной фазированной антенной решётки (АФАР) заключается в методах обработки информации. В основе АФАР лежит приёмопередающий модуль (ППМ), включающий в себя два канала: приёмный и передающий. В каждом канале установлен усилитель, а также по два устройства управления амплитудно-фазовым распределением: фазовращателем и аттенюатором.
В цифровых антенных решётках в каждом канале установлен цифровой приёмопередающий модуль, в котором аналоговая система управления амплитудой и фазой сигнала заменена системой цифрового синтеза и анализа сигналов (ЦАП/АЦП).
Истоки теории ЦАР
Теория цифровых антенных решёток (ЦАР) зарождалась как теория многоканального анализа (Multichannel Estimation)Slyusar V. I. Origins of the Digital Antenna Array Theory.// International Conference on Antenna Theory and Techniques, 24-27 May, 2017, Kyiv, Ukraine. — Pp. 199—201. Слюсар В. И. Развитие схемотехники ЦАР: некоторые итоги. Часть 1.// Первая миля. Last mile (Приложение к журналу «Электроника: наука, технология, бизнес»). — N1. — 2018. — C. 72 — 77 . Её истоки берут начало в 1920е годы с разработанных тогда методов определения направлений прихода радиосигналов совокупностью двух антенн по разности фаз или амплитуд их выходных напряжений. При этом оценка направлений прихода одиночного сигнала осуществлялась по показаниям стрелочных индикаторов либо по форме фигур Лиссажу, рисуемых лучом на экране осциллографа. Примером такого рода является публикацияH. T. Friis. Oscillographic Observations on the Direction of Propagation and Fading of Short Waves.// Proceedings of the Institute of Radio Engineers. — May 1928. — Volume16, Issue 5. — Pp. 658—665. Простейший патентный поиск позволяет выявить несколько десятков патентов, использующих аналогичные технические решения для радаров, радиопеленгаторов, средств навигации. Речь идёт, например, о так называемых phase-comparison direction finder (патент США № 2423437) или amplitude-comparison direction finder (патент США № 2419946).
В конце 1940-х годов данный подход привёл к появлению теории трёхканальных антенных анализаторов, обеспечивавших решение задачи разделения сигналов воздушной цели и отражённого от подстилающей поверхности «антипода» путём решения системы уравнений, сформированных по комплексным напряжениям трёхканальной сигнальной смесиE. W. Hamlin, P. A. Seay,•W. E. Gordon.•A New Solution to the Problem of Vertical Angle-of-Arrival of Radio Waves.// Journal of Appllied Physics. — 1949, Vol. 20. — Pp. 248—251). Результаты экспериментальных измерений с помощью аналогичного трёхантенного устройства были опубликованы Фредериком Бруксом в 1951 г.Frederick E. Brooks. A Receiver for Measuring Angle-of-Arrival in a Complex Wave.// Proceedings of the I.R.E.- April, 1951. — Pp. 407—411).
Растущая сложность решения подобного рода радиолокационных задач к концу 1950-х годов создала предпосылки для применения в этой сфере электронной вычислительной техники.. Например, в 1957 г. была опубликована статья Бена С. Мелтонта и Лесли Ф. БейлиBen S. Meltont and Leslie F. Bailey. Multiple Signal Correlators.//Geophysics. — July, 1957. — Vol. XXII, No. 3. — Pp. 565—588, в которой были предложены варианты реализации алгебраических операций по обработке сигналов с помощью электронных схем, являющихся их аналогами, с целью создания машинного коррелятора (a machine correlator) или машинного вычислителя обработки сигналов на основе аналоговой вычислительной машины. По сути, тем самым был создан симбиоз приёмной системы и спецвычислителя для оценивания параметров сигналов.
Приход на смену аналоговым вычислительным средствам цифровой техники буквально через три года, в 1960 г. воплотился в идею использования быстродействующего компьютера для решения пеленгационной задачи, первоначально в отношении определения местоположения эпицентра землетрясения. К числу тех, кто первым реализовал эту идею на практике, следует отнести Б. А. БолтаB. A. Bolt. The Revision of Earthquake Epicentres, Focal Depths and Origin-Times using a High-speed Computer. //Geophysical Journal. — 1960, Vol. 3, Issue 4. — Pp. 433—440, который написал программу для IBM 704 по сейсмопеленгации на основе метода наименьших квадратов. Практически синхронно с ним аналогичный подход использовал сотрудник Австралийского национального университета ФлиннE. A. Flinn. Local earthquake location with an electronic computer.//Bulletin of the Seismological Society of America. — July 1960. — Vol. 50, No. 3. — Pp. 467—470.
Несмотря на то, что в указанных экспериментах интерфейс между датчиками и компьютером был реализован с помощью перфокарт ввода данных, такое решение явилось решающим шагом на пути появления ЦАР. Далее оставалось лишь решить проблему непосредственной подачи в компьютер цифровых данных, полученных от сенсорных элементов, исключив этап подготовки перфорационных карт и участие оператора как лишнее звено. При этом решение задачи совершенствования обработки информации от решётки сенсорных датчиков могло быть сведено к разработке программного обеспечения интегрированного с ними компьютера. С этого момента аналогичные решения могли тиражироваться в любых радиотехнических приложениях.
В СССР, по-видимому, первым обратил внимание на потенциальные возможности многоканальных анализаторов Поликарпов Б. И.Поликарпов Б. И. О некоторых возможностях применения независимых каналов приема сигналов и использования электронно-вычислительной техники для повышения помехоустойчивости и разрешающей способности радиолокационных измерений//Сборник «Экспресс-информация», БНТ, № 23, 1961 Он рассмотрел анализаторы фазового типа с равными или кратными расстояниями между фазовыми центрами приёмных каналов, на выходах которых напряжения подвергаются корреляционной обработке, и с помощью вычислительных машин определяются угловые координаты источников сигналов. Поликарпов Б. И. указал на принципиальную возможность разрешения источников сигналов с угловым расстоянием, меньшем ширины главного лепестка диаграммы направленности антенной системы.
Однако конкретное решение задачи сверхрэлеевского разрешения источников излучения было предложено лишь в 1962 году Варюхиным В. А. и Заблоцким М. А., которыми был изобретён соответствующий способ измерения направлений на источники электромагнитного поляА. С. СССР № 25752. Способ измерения направлений на источники электромагнитного поля. //Варюхин В. А., Заблоцкий М. А. — 1962. Данный способ, основывался на обработке информации, содержащейся в распределении комплексных амплитуд напряжений на выходах амплитудных, фазовых и фазово-амплитудных многоканальных анализаторов, и позволял определять угловые координаты источников, находящихся в пределах ширины главного лепестка приёмной антенной системы.
В дальнейшем Варюхиным В. А. была разработана общая теория многоканальных анализаторов, основанная на обработке информации, содержащейся в распределении комплексных амплитуд напряжений на выходах антенной решётки. Эта теория рассматривает способы определения угловых координат источников в зависимости от угловых расстояний между ними, фазовых и энергетических соотношений между сигналами, а также функциональные схемы устройств, реализующих теоретические выводы. Определение параметров источников производится непосредственным решением систем трансцендентных уравнений высокого порядка, описывающих функцию отклика многоканального анализатора. Трудности, возникающие при решении систем трансцендентных уравнений высокого порядка, были преодолены Варюхиным В. А. путём «сепарации» неизвестных, при которой определение угловых координат сводится к решению двух или даже одного уравнения, а определение комплексных амплитуд — к решению линейных систем уравнений порядка NВарюхин В. А., Касьянюк С. А. Об одном методе решения нелинейных систем специального вида. — Журнал вычислительной математики и математической физики, Издание АН СССР, № 2, 1966.
Важной вехой в признании научных результатов Варюхина В. А. стала защита им диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук, состоявшаяся в 1967 г. Отличительной особенностью развитых им теоретических основ является максимальная автоматизация процесса оценивания координат и параметров сигналов, тогда как за рубежом в это время зарождался подход, базирующийся на формировании функции отклика сейсмического многоканального анализатора и оценке его разрешающей способности на основе визуальных впечатлений. Речь идёт о методе Кейпона и разработанных в дальнейшем методах MUSIC, ESPRIT и других проекционных методах спектрального оцениванияМарпл-мл. С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. Пер. с англ. — Москва, Мир, 1990. — 584 стр.. Оригинальность основных теоретических достижений научной школы Варюхина В. А., полученные им и его учениками (прежде всего, в Военной академии ПВО Сухопутных войск имени Василевского A.M.), на фоне развитых за рубежом теоретических методов спектрального оценивания, сохраняется и ныне, благодаря максимальному учёту специфических особенностей аналитического описания функции отклика многоканального анализатора, в том числе сформированной на основе операции быстрого преобразования Фурье. Это касается сведения задачи сверхрэлеевского разрешения (сверхразрешения) сигналов по выходам вторичных приёмных каналов к решению алгебраического уравнения степени M, где M — количество источников, возможности несмещённого оценивания параметров сигналов, определения неизвестного количества их источников и других важных аспектов. Указанным научным коллективом был разработан и всесторонне апробирован ряд макетов РЛС с ЦАР, при участи его представителей проведены успешные полигонные испытания опытного образца уникальной 64-канальной РЛС с ЦАР.
Межведомственное научно-техническое совещание, проведённое в 1977 г. Научным Советом АН СССР по проблеме «Статистическая радиофизика» (председатель — академик Кобзарев Ю. Б.) и Филиалом противовоздушной обороны Сухопутных войск Военной артиллерийской академии им. М. И. Калинина (г. Киев), придало официальный статус термину «цифровая антенная решётка» и констатировало приоритет научной школы Варюхина В. А. в разработке и практической реализации соответствующей теории, датировав начало исследований, выполнявшихся под руководством Варюхина В. А., 1962 годом.Миночкин А. И., Рудаков В. И., Слюсар В. И. Основы военно-технических исследований. Теория и приложения. Том. 2. Синтез средств информационного обеспечения вооружения и военной техники.//Под ред. А. П. Ковтуненко. — Киев: «Гранмна». — 2012. — С. 7 — 98; 354—521 .