УГЛОМЕРНОЕ УСТРОЙСТВО МАЛОВЫСОТНОЙ РЛС Российский патент 1994 года по МПК G01S13/02 

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в РЛС обнаружения для измерения углов места маловысотных воздушных целей в секторе малых углов места над землей.

Известна моноимпульсная амплитудно-разностная РЛС с одной приемной зеркальной антенной. Эту РЛС можно использовать для измерения углов места целей. В этом случае РЛС содержит одну приемную зеркальную антенну, формирующую две одинаковые диаграммы направленности, смещенные по углу места вверх и вниз от оси зеркала. Эти диаграммы направленности частично формируются с помощью двух облучателей зеркала, один из которых смещен из фокуса параболического зеркала вниз, а другой - вверх. Каждый из облучателей связан со своим приемным каналом. Выходные напряжения эхо-сигнала в этих приемных каналах после амплитудного детектирования сравнивают друг с другом по амплитуде с помощью устройства вычитания. Для определения угла места цели используют результат сравнения этих напряжений.

Существенным недостатком этой РЛС является то, что она практически не может измерять углы места маловысотных целей в секторе малых углов места над землей. Это объясняется тем, что в секторе малых углов места над землей (когда ось зеркала направлена почти горизонтально) в каждую из двух диаграмм направленности зеркальной антенны будут поступать эхо-сигналы, приходящие от цели как прямой радиоволной, так и волной, отраженной от земли. В результате сложения этих волн в облучателях антенны амплитуды сигналов в первом и втором каналах приема будут почти одинаковы, напряжение на выходе устройства вычитания станет близко к нулю и измерение угла места маловысотной цели становится практически невозможным.

В качестве прототипа выбрана моноимпульсная фазоразностная РЛС. При измерениях углов места эта РЛС содержит две одинаковые разнесенные по высоте приемные антенны, оси которых параллельны, а также передатчик с передающей антенной. Каждая приемная антенна связана со своим приемником, в одном из которых фазу сигнала изменяют на 90^о с помощью фазовращателя. Выходные напряжения приемников на промежуточной частоте детектируют фазовым детектором. Напряжение рассогласования на выходе фазового детектора равно нулю, когда ось антенны направлена на цель, и отлично от нуля, когда цель сместится по углу места от направления оси антенны. Это напряжение рассогласования используют для управления электродвигателем, который автоматически вращает антенную систему по углу места до тех пор, пока направление оси антенны не совпадет с направлением на цель и напряжение на выходе фазового детектора не станет равно нулю. После этого угол места цели определяют по угловому положению антенной системы.

Существенным недостатком прототипа является то, что он практически не может измерять углы места маловысотных целей и сопровождать такие цели в секторе малых углов места над землей. Это объясняется следующим. Когда угол места цели θ мал, ось антенной системы направлена почти горизонтально. При этом каждая антенна принимает отраженные от цели эхо-сигналы, которые приходят к антенне как прямой радиоволной, так и радиоволной, отраженной от земли. С учетом этих замечаний можно записать комплексную амплитуду напряжения эхо-сигнала на выходе приемника нижней антенны в следующем виде
= eeF_н(θ)l+F_н(-θ)e, (1) где θ - угол места цели;
r - наклонная дальность от точки расположения антенн на поверхности земли до цели;
- комплексный коэффициент усиления приемного канала;
h - высота подъема нижней антенны над землей;
K= 2π/λ- волновое число;
λ - длина волны;
F_н( θ ) - нормированная диаграмма направленности нижней антенны в вертикальной плоскости в свободном пространстве;
- комплексный коэффициент, зависящий от характеристик передающей системы РЛС и цели и одинаковый для обеих приемных антенн;
- комплексный коэффициент отражения радиоволн от земной поверхности при вертикальной или горизонтальной поляризации.

При этом учтен сдвиг фаз на 90^о фазовращателем в приемном канале нижней антенны.

Будем полагать, что форма диаграммы направленности антенны F( θ ) симметрична, тогда F( θ )= F(- θ ).

Известно, что при малых углах скольжения θ комплексный коэффициент отражения радиоволн от земли -1 при любой поляризации радиоволн и любых реальных характеристик земной поверхности.

С учетом этого формулу (1) можно упростить и записать в следующем виде:
= e F_н(θ)2sin(khsinθ). (2)
По аналогии с этой формулой можно записать также следующее выражение для комплексной амплитуды напряжения U_в эхо-сигнала на выходе приемника верхней антенны:
= eF_в(θ)2sin[k(h+d)sinθ] e, (3) где d - разнос антенн по высоте (база антенны);
F_в( θ ) - нормированная диаграмма направленности верхней антенны в вертикальной плоскости в свободном пространстве.

При этом полагалось, что нижняя и верхняя антенны и их приемники одинаковы. Из сопоставления формул (2), (3) видно, что в секторе малых углов места при изменении угла места θ маловысотной цели сдвиг фаз выходных напряжений , эхо-сигналов приемников нижней и верхней антенн практически не изменяется и остается близким к 90^о. Следовательно, прототип не может измерять углы места маловысотных целей и сопровождать такие цели в секторе малых углов места над землей.

Целью изобретения является обеспечение возможности измерения углов места маловысотных целей в секторе малых углов места над землей.

Для этого в устройстве, содержащем передатчик с передающей антенной, две одинаковые симметричные горизонтально направленные разнесенные по высоте приемные антенны, связанные со своими приемниками, антенная система РЛС выполнена так, чтобы высота подъема над землей нижней приемной антенны не превышала половины вертикального размера апертуры передающей антенны, а высота подъема верхней приемной антенны вдвое больше, чем нижней, в состав устройства дополнительно включены фазометр, измеряющий сдвиг фаз ϕ напряжений эхо-сигналов на выходе приемных каналов, и спецвычислитель, определяющий угол места θ маловысотной цели по этому сдвигу фаз и отношению амплитуд напряжений U_в/U_н на выходе приемников по формуле
θ = arcsin - sign - - arccos, (4) где U_в, U_н - амплитуды напряжений эхо-сигнала на выходе приемников верхней и нижней антенн соответственно;
h - высота подъема над землей нижней приемной антенны;
λ - длина волны;
sign - знак числа.

При этом антенную систему по углу меcта не вращают и из состава прототипа исключены фазовращатель, фазовый детектор и электродвигатель вращения антенной системы по углу места с усилителем сигнала рассогласования и редуктором. Кроме того, необходимо обеспечить идентичность амплитудных характеристик приемных каналов. Отличие фазовых характеристик приемников не должно превышать 90^о.

На чертеже приведена структурная схема предложенного устройства.

В состав устройства входят следующие элементы: передатчик 1 с передающей антенной 2, верхняя 3 и нижняя 4 разнесенные по высоте приемные антенны, приемник 5 верхней антенны, приемник 6 нижней антенны, фазометр 7, вычислитель 8 угла места θ .

Принцип действия предложенного устройства поясняется следующим. По аналогии с формулой (2) можно записать следующие выражения для комплексных амплитуд , напряжений на выходе приемников 5, 6 верхней и нижней приемных антенн:
= eF(θ)2e sin(2khsinθ); (5)
= eF(θ)2e sin(khsinθ), (6) где F( θ ) - нормированная диаграмма направленности приемной антенны в вертикальной плоскости в свободном пространстве;
h - высота подъема над землей нижней приемной антенны.

Из формул (5), (6) видно, что сдвиг фаз ϕ выходных напряжений , равен нулю ϕ= 0, когда синусы sin(2khsin θ ) и sin(khsin θ) имеют одинаковые знаки, Uϕ= ±π, когда знаки синусов разные. Из формул (5), (6) найдем отношение U_в/U_н амплитуд выходных напряжений приемников верхней и нижней антенны
(7) Из формулы (7) видно, что отношение U_в/U_н амплитуд выходных напряжений приемников содержит информацию об угле места θ маловысотной цели. Однако при широкой диаграмме направленности антенн РЛС однозначно определить угол места θ цели из формулы (7) обычно не удается, так как косинус функция периодическая и одному и тому же отношению напряжений U_в/U_нсоответствует множество различных значений угла места θ . Устранить эту неоднозначность можно путем выбора ширины диаграммы направленности антенны таким образом, чтобы в пределах ее верхней половины аргумент косинуса khsinθ не превышал π /2. Однако при этом диаграмма направленности получается довольно узкой и трудно реализуемой. Кроме того, слишком узок будет угломестный рабочий сектор РЛС, который определен верхней половиной диаграммы направленности одной из трех антенн РЛС, у которой диаграмма наиболее узкая. Целесообразно, чтобы наиболее узкой диаграмма направленности была у передающей антенны 2, так как приемные антенны 3, 4 должны быть одинаковы и использовать две антенны с узкими диаграммами слишком дорого. Целесообразно также по возможности расширить угломестный рабочий сектор РЛС. Предлагается расширить этот сектор в два раза так, чтобы аргумент косинуса в формуле (7) khsin θ изменялся в этом секторе от 0 до π , а для устранения неоднозначности определения угла места θ использовать сдвиг фаз ϕ выходных напряжений приемников. В этом секторе одному и тому же значению отношения напряжений U_в/U_н соответствует два значения угла места θ
θ = arcsin arccos (8) при ϕ = 0 и
θ = arcsin -arccos (9) при ϕ= ±π . Эти формулы получены из формулы (7) с учетом заданного интервала изменения аргумента косинуса khsin θ. Формулы (8), (9) можно более компактно записать в виде одной формулы (4). Последнюю реализует вычислитель 8 при определении угла места θ по сдвигу фаз ϕ и отношению напряжений U_в/U_н на выходе приемников верхней и нижней антенн.

Во всем угломестном рабочем секторе РЛС аргумент косинуса khsinθ будет меньше π , если высота h подъема нижней приемной антенны над землей будет меньше половины вертикального размера D апертуры передающей антенны 2. При этом предложенное устройство позволяет устранить неоднозначность определения угла места цели во всем угломестном рабочем секторе РЛС, определяемом верхней половиной главного лепестка диаграммы направленности передающей антенны 2.

Таким образом, отмеченные отличительные признаки построения антенной системы РЛС являются существенными и принципиально необходимы для работы предложенного устройства.

Перечисленные элементы структурной схемы предложенного устройства выполнены следующим образом. В качестве приемных и передающей антенн РЛС можно использовать обычные горизонтально направленные симметричные антенны (например, антенные решетки, рупоры, зеркальные антенны и т. п. ). Высота подъема над землей верхней приемной антенны h вдвое больше, чем нижней, а вертикальный размер D апертуры передающей антенны не менее высоты подъема верхней приемной антенны. При равномерном амплитудном распределении на апертуре передающей антенны достаточно, чтобы D= 2h, а при иных амплитудных распределениях следует либо уменьшить h, либо увеличить D. Антенны 3, 4 одинаковы и симметричны. Передатчик 1 и приемники 5, 6 выполнены по обычным известным схемам. Необходимо обеспечить идентичность амплитудных характеристик приемников 5, 6, а их фазовые характеристики не должны отличаться друг от друга более чем на 90^о. С фазометром 7 связаны выходы приемников 5, 6 на промежуточной частоте, а с вычислителем 8 - выходы на видеочастоте. В качестве фазометра 7 можно использовать любой измеритель сдвига фаз. Высокая точность измерения сдвига фаз ϕ не требуется, допустима погрешность измерения до ±90^о. Вычислитель 8 может быть выполнен либо в аналоговом, либо в цифровом виде по схеме обычной ЭВМ, работающей в реальном масштабе времени.

Динамика работы предложенного устройства осуществляется следующим образом. Передающая система РЛС излучает зондирующий сигнал в направлении маловысотной цели. Приемные антенны 3, 4 и приемники 5, 6 принимают отраженные от цели эхо-сигналы. Фазометр 7 измеряет сдвиг фаз ϕ этих сигналов, вычислитель 8 определяет угол места цели θ по этому сдвигу фаз ϕ и отношению амплитуд U_в/U_н принимаемых сигналов в реальном масштабе времени.

Предложенное устройство обеспечивает измерение углов места маловысотных целей в секторе малых углов места в пределах верхней половины главного лепестка диаграммы направленности передающей антенны 2, при этом вращать антенную систему по углу места не требуется.

Использование: в РЛС обнаружения для измерения углов места маловысотных воздушных целей. Сущность изобретения: устройство содержит передатчик 1, передающую антенну 2, верхнюю антенну 3, нижнюю антенну 4, приемник 5 верхней антенны, приемник 6 нижней антенны, фазометр 7, вычислитель 8 угла места. Устройство позволяет по сдвигу фаз напряжений эхо - сигналов и отношению амплитуд напряжений на выходе приемников определить угол места θ 1-2, 3-5-7-8, 5-8, 4-6-7, 6-8. 1 ил.

УГЛОМЕРНОЕ УСТРОЙСТВО МАЛОВЫСОТНОЙ РЛС, содержащее передатчик, соединенный с передающей антенной, две одинаковые симметричные горизонтально направленные разнесенные нижняя и верхняя приемные антенны, каждая из которых соединена с соответствующим приемником, отличающееся тем, что высота подъема над Землей нижней приемной антенны не превышает половины вертикального размера апертуры передающей антенны, высота подъема верхней приемной антенны вдвое больше, чем нижней, а также введен фазометр, первый вход которого соединен с выходом сигнала на промежуточной частоте приемника верхней антенны, второй вход фазометра соединен с выходом сигнала на промежуточной частоте приемника нижней антенны, введен также вычислитель угла места θ маловысотной цели, первый вход которого соединен с выходом сиигнала на видеочастоте приемника верхней антенны, второй вход - с выходом сигнала на видеочастоте приемника нижней антенны, третий вход - с выходом фазометра, выход вычислителя угла места θ является выходом устройства, а величина угла места θ определяется по формуле
θ = arcsin - sign - - arccos,
где U_в, U_н - амплитуды напряжений эхо-сигналов на выходе приемников верхней и нижней антенн соответственно;
n - высота подъема над Землей нижней приемной антенны;
λ - длина волны;
sign - знак числа.