ФАЗОРАЗНОСТНАЯ РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01S13/44 

Изобретение относится к радиолокации, в частности к основам построения и конструкции моноимпульсных РЛС, и может быть использовано в станциях наведения ракет и радиолокаторах подсвета целей для измерения углов места маловысотных целей в секторе малых углов места.

Известна фазоразностная РЛС, которую можно использовать, например, для измерения углов места целей. В этом случае приемная часть РЛС содержит две одинаковые разнесенные по высоте антенны (например, зеркальные антенны). Диаграммы направленности этих антенн одинаковы и направлены вдоль оси антенной системы.

Принимаемые антеннами эхо-сигналы цели поступают соответственно в первый и второй каналы приемника. Полезная информация об угле места цели содержится в фазе принимаемых сигналов. Для выделения этой информации использован фазовый детектор, на входы которого поступают сигналы с выходов приемных каналов.

Существенным недостатком такой РЛС является то, что она измеряет углы места маловысотных целей в секторе малых углов места с большими ошибками либо вообще не может измерять углы места таких целей. Это объясняется следующим. В секторе малых углов места эхо-сигнал цели приходит к любой антенне РЛС двумя путями: прямой волной и волной, отраженной от земной поверхности. Интерференция этих волн в приемной антенне приводит к тому что, фаза сигнала на выходе любой антенны не будет содержать информации об угле места цели. Для доказательства этого положения ниже приводятся необходимые математические соотношения.

Комплексная амплитуда напряжения на выходе приемной антенны определяется известным соотношением
= AF(θ)Φ(θ), (1)
где F( θ ) - нормированная диаграмма направленности приемной антенны в вертикальной плоскости в свободном пространстве;
θ - угол места цели;
Ф(θ) - интерференционный множитель земли;
- комплексный коэффициент, одинаковый для обеих приемных антенн.

Положим, что обе приемные антенны РЛС одинаковы, направлены горизонтально и имеют симметричные диаграммы направленности в вертикальной плоскости. Тогда интерференционные множители земли для нижней и верхней приемных антенн соответственно определяются следующими известными выражениями:
(θ) = e + (2) для нижней антенны и
(θ) = e+ (3) для верхней антенны,
где h - высота центра нижней антенны над землей;
d - разнос по высоте приемных антенн;
λ - длина волны;
- комплексный коэффициент отражения радиоволн от земной поверхности при вертикальной и горизонтальной поляризации.

Известно, что при малых углах скольжения комплексный коэффициент отражения радиоволн от земли = -1 при любой поляризации радиоволн. Отношение диаграмм направленности антенны F(-θ)/F(θ)= 1, так как антенна направлена горизонтально и симметрична. При этом выражения (2), (3) упрощаются и будут иметь вид
(θ) = j 2 sin h sin (4) для нижней антенны и
(θ) = j 2 sin sin (5) для верхней антенны.

Из формул (4), (5), (1) следует, что напряжения эхо-сигналов маловысотной цели в секторе малых углов места θ на выходах нижней и верхней антенн будут либо в фазе, либо противофазе и не могут иметь какого-либо иного сдвига фаз между ними.

Таким образом, в этом случае фазы выходных напряжений приемных каналов не содержат информации об угле места маловысотной цели и эта информация не может быть выделена фазовым детектором, т. е. рассматриваемый аналог не может измерять углы места маловысотных целей.

Известен способ определения направления и радиосистема для осуществления этого способа. Это устройство определяет угол места и азимут источника радиоизлучения с помощью одного радиоприемного устройства. Четыре приемные антенны устройства установлены в вершинах квадрата и разнесены по высоте и в горизонтальном направлении, перпендикулярном оси антенн. Антенны подсоединены через четыре амплитудных модулятора к входу общего приемника фазомодулированных сигналов. На модуляторы подаются сигналы с выхода генератора, вырабатывающего четыре синусоидальных сигнала. Все сигналы сдвинуты последовательно один относительно другого по фазе на 90^о. В результате этого объединенный сигнал на входе приемника имеет фазовую модуляцию с частотой генератора. Амплитуда и фаза выходного сигнала приемника фазомодулированного сигнала или величины синусоидальной и косинусоидальной составляющей этого сигнала определяют азимут и угол места источника радиоизлучения.

Однако это устройство измеряeт угол места источника в секторе малых углов места с большими ошибками. Причиной этого является интерференция прямых и отраженных от земли радиоволн в разнесенных по высоте антеннах устройства.

В качестве прототипа выбрана амплитудно-разностная РЛС, которую можно использовать, например, для измерения углов места целей. В этом случае зеркальная приемная антенна содержит два одинаковых разнесенных по высоте облучателя, первый из которых расположен выше фокуса параболического зеркала антенны, а второй - ниже фокуса. Зеркальная антенна формирует две смещенные по углу места диаграммы направленности, первая из которых смещена вниз от оси зеркала, а вторая - вверх. Равносигнальное направление совпадает с осью зеркала антенны. Принимаемые эхо-сигналы цели с выходов первого и второго облучателей антенны подаются соответственно в первый и второй каналы приема. В этих двух приемных каналах сигналы усиливаются, преобразуются на промежуточную частоту с помощью смесителей и общего гетеродина, детектируются и подаются на устройство вычитания. Напряжение на выходе устройства вычитания содержит информацию об угле места цели и пропорционально этому углу. Это выражение может быть также использовано в системе управления антенной при автосопровождении цели по углу места.

Недостатком прототипа является то, что он измеряет углы места маловысотных целей в секторе малых углов места с большими ошибками либо вообще не может измерять углы места таких целей. Это объясняется вредным влиянием отражений эхо-сигналов цели от земной поверхности. При нахождении цели в секторе малых углов места ее эхо-сигналы приходят к антенне РЛС двумя путями: прямой волной и волной, отраженной от земной поверхности. При этом ось антенны (равносигнальное направление) направлена почти горизонтально. В результате напряжение эхо-сигнала на выходе устройства вычитания почти не будет зависеть от угла места маловысотной цели и близко к нулю. Измерение угла места маловысотной цели в этом случае становится почти невозможным.

Целью изобретения является повышение точности измерения угла места маловысотных целей.

Для этого в устройстве, содержащем приемную зеркальную антенну с двумя одинаковыми разнесенными по высоте облучателями, связанными с двумя приемными каналами, облучатель зеркальной антенны выполнен из трех групп излучающих элементов: первая группа - из двух запараллеленных разнесенных по высоте элементов связана с первым каналом приема, на выходе которого установлен фазовращатель на 90^о, а фазовый центр этой группы совпадает с фокусом параболического зеркала антенны; вторая группа - из двух запараллеленных излучающих элементов, разнесенных по горизонтали перпендикулярно оси зеркала, связана с вторым каналом приема, а фазовый центр второй группы смещен от фокуса зеркала вдоль оси антенны на расстояние, равное нечетному числу четвертей длины волны; третья часть облучателя антенны состоит из одиночного излучающего элемента, связанного с третьим каналом приема, а фазовый центр этого излучателя смещен от фокуса зеркала вдоль оси антенны на расстояние вдвое большее, чем у второй группы излучающих элементов; выходы второго и первого каналов приема на промежуточной частоте связаны с первым фазовым детектором, а выходы третьего и первого каналов - с вторым фазовым детектором, выходы этих фазовых детекторов связаны со спецвычислителем, который определяет угол места θ маловысотной цели по формуле
θ = arccosarccos, (6) где λ - длина волны,
U_фд1, U_фд2 - напряжение на выходах первого и второго фазовых детекторов соответственно;
l - расстояние смещения центра второй группы излучающих элементов от фокуса зеркала вдоль оси антенны.

На чертеже представлена упрощенная структурная схема приемной части предлагаемой РЛС.

Предложенное устройство состоит из приемной зеркальной антенны, включающей в себя первую группу из двух разнесенных по высоте запараллеленных излучающих элементов 1 облучателя антенны, вторую группу из двух разнесенных по горизонтали перпендикулярно оси антенны запараллеленных элементов 2, третий одиночный излучающий элемент 3 и параболическое зеркало 4, трех каналов приема 5, 6, 7, входы которых связаны с соответствующими группами облучателя антенны, фазовращателя 8 на 90^о на выходе первого канала приема, двух фазовых детекторов 9, 10 и спецвычислителя 11, определяющего угол места маловысотной цели θ по поступающим на него выходным напряжениям фазовых детекторов. Имеющиеся в прототипе амплитудные детекторы и схемы вычитания и управления антенной исключены из состава предложенного устройства.

На чертеже схематически показаны также три диаграммы направленности F₁( θ ), F₂( θ ), F₃( θ ), формируемые зеркальной антенной, и лучи прямых и отраженных от земли радиоволн, приходящих от цели к соответствующим группам облучателя антенны.

Принцип действия предложенного устройства заключается в следующем. Зеркальная приемная антенна РЛС формирует три диаграммы направленности F₁( θ ), F₂( θ ), F₃( θ), соответствующие трем группам облучателя антенны. Все эти диаграммы направлены вдоль оси зеркала, симметричны и примерно одинаковы в пределах главного лепестка. Идентичность этих диаграмм направленности обеспечивается подходящим выбором размеров апертур излучающих элементов облучателя, разноса этих элементов по высоте и горизонтали и смещения l вдоль оси антенны от фокуса зеркала. При измерении углов места маловысотных целей ось зеркала антенны направлена горизонтально. Эхо-сигналы от маловысотной цели приходят к антенне РЛС двумя путями: прямой волной и волной, отраженной от земной поверхности. При этом комплексные амплитуды напряжений , , эхо-сигналов на выходах трех приемных каналов определяются известными соотношениями
= F₁(θ)j2sinsine; (7)
= F₂(θ)j2sinsine;
= F₃(θ)j2sinsine, (8) где , , - комплексные коэффициенты усиления трех каналов приема;
- комплексный коэффициент, одинаковый для всех каналов;
F₁( θ ), F₂( θ ), F₃( θ ) - диаграммы направленности в вертикальной плоскости в свободном пространстве, формируемые зеркальной антенной для трех каналов приема;
θ - угол места цели;
λ - длина волны;
h - высота над землей центра апертуры зеркальной антенны;
l - смещение фазового центра второй группы элементов облучателя от фокуса зеркала вдоль оси антенны.

Полагаем, что три диаграммы направленности F₁( θ ), F₂( θ ), F₃( θ ) одинаковы в пределах главного лепестка и все три приемных канала имеют одинаковые комплексные коэффициенты усиления. Тогда напряжения U_фд1, U_фд2на выходах первого и второго фазовых детекторов будут
U= F²(θ)2sinsinsinlcos; (9)
U= F²(θ)2sinsinsinlcos, (10) где - коэффициент усиления любого приемного канала;
F( θ ) - диаграмма направленности зеркальной антенны в вертикальной плоскости в свободном пространстве.

Отсюда находим отношение выходных напряжений фазовых детекторов
. (11)
Из соотношения (11) находим формулу (6), по которой спецвычислитель определяет угол места маловысотной цели. Формула (11) представляет собой пеленгационную характеристику предложенного устройства. Для повышения точности измерения угла места маловысотных целей целесообразно, чтобы при θ = 0^о пеленгационная характеристика имела наибольшую крутизну (проходила через нуль). Поэтому коэффициент должен быть равен нечетному числу π /2. Отсюда следует, что целесообразно выбрать величину смещения l фазового центра второй группы элементов облучателя от фокуса зеркала вдоль оси антенны равной нечетному числу четвертей длины волны.

Перечисленные элементы структурной схемы предложенного устройства выполнены следующим образом.

Приемные каналы 6, 5, 7, фазовращатель 8 и фазовые детекторы 9, 10 выполнены по обычным известным схемам. Спецвычислитель 11 может быть выполнен в аналоговом или цифровом виде, в последнем случае в его состав должны входить аналого-цифровые преобразователи, преобразующие выходные напряжения фазовых детекторов в цифровую форму. Зеркало 4 выполнено в виде симметричной вырезки из металлического параболоида вращения. От вертикального размера зеркала зависит угломестный рабочий сектор РЛС. Вертикальный размер зеркала выбран так, чтобы исключить возможную неоднозначность определения углов места за пределами рабочего сектора. Излучающие элементы облучателя антенны выполнены в виде рупорных излучателей. Фазовые центры трех групп элементов облучателя расположены на оси зеркала. Разнос рупоров по высоте и горизонтали необходим для того, чтобы элементы облучателя антенны не затеняли друг друга. Размеры апертур рупоров, их разнос и смещение по оси, также фокусное расстояние параболического зеркала подобраны так, чтобы обеспечить примерную идентичность трех формируемых антенной диаграмм направленности в пределах главного лепестка. Смещение l фазового центра второй группы запараллеленных рупоров от фокуса оси равно нечетному числу четвертей длины волны и вдвое меньше смещения рупора 3. С увеличением l возрастает точность определения угла места маловысотной цели, но при этом возрастает опасность неоднозначности определения угла места.

Динамика работы предложенного устройства осуществляется следующим образом. Зеркальная антенна принимает эхо-сигналы от цели, которые приходят к антенне как прямой волной, так и волной, отраженной от земли. Эти сигналы преобразуются на промежуточную частоту и усиливаются в трех каналах приема. При этом в первом канале приема фаза сигнала изменяется на 90^о с помощью фазовращателя 8. Выходные напряжения приемных каналов на промежуточной частоте поступают на входы фазовых детекторов 9, 10. Напряжения с выходов фазовых детекторов поступают на спецвычислитель 11, который по этим напряжениям определяет угол места маловысотной цели.

Таким образом, предложенное устройство может измерять углы места маловысотных целей в секторе малых углов места значительно точнее, чем известное устройство, который почти не может определять углы места таких целей.

Сущность изобретения: фазоразностная радиолокационная станция содержит первую и вторую группы излучающих элементов 1,2, третий излучающий элемент 3, парабалическое зеркало 4, три приемных канала 5,6,7, фазовращатель на 90 8, два фазовых детектора 9,10 и вычислитель 11. 1-5-8-10-11, 2-6-9-11, 3-7-10, 8-9. 1 ил.

ФАЗОРАЗНОСТНАЯ РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ, содержащая приемную зеркальную антенну с двумя одинаковыми разнесенными по высоте облучателями, связанными с двумя приемными каналами, отличающаяся тем, что облучатель приемной зеркальной антенны выполнен из трех групп излучающих элементов, первая группа состоит из двух запараллеленных и разнесенных по высоте излучающих элементов и соединена с входом первого приемного канала, а фазовый центр этой группы совпадает с фокусом параболического зеркала антенны, вторая группа состоит из двух запараллеленных излучающих элементов, разнесенных по горизонтали перпендикулярно к оси зеркала антенны, и соединена с входом второго приемного канала, а фазовый центр смещен от фокуса параболического зеркала вдоль оси антенны на расстояние, равное нечетному числу четвертей длины волны, третья группа состоит из одиночного излучающего элемента, который соединен с входом третьего приемного канала, а фазовый центр смещен от фокуса параболического зеркала вдоль оси антенны на расстояние вдвое больше, чем у второй группы излучающих элементов, выход первого приемного канала соединен с первым входом первого и второго фазовых детекторов через фазовращатель на 90^o, выход второго приемного канала соединен с вторым входом первого фазового детектора, а выход третьего приемного канала соединен с вторым входом второго фазового детектора, выходы фазовых детекторов соединены с входами вычислителя для определения угла места маловысотной цели по формуле
θ = arccosarccos,
где λ - длина волны;
U_фg1 , U_фg2 - напряжения на выходе фазовых детекторов;
l - расстояние смещения центра второй группы излучающих элементов от фокуса зеркала вдоль оси антенны.