МАЛОВЫСОТНАЯ ФАЗОРАЗНОСТНАЯ РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01S13/22 

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в станциях наведения ракет и 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 РЛМ 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 этих приемных каналов после амплитудного детектирования сравнивают друг с другом по амплитуде с помощью устройства вычитания. Для определения угла места цепи используют результат сравнения этих напряжений.

Однако эта РЛС 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 из приемных антенн связана со своим приемником, в одном из которых фазу сигнала изменяют на 90о 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 цепь, 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 мал, ось антенной системы направлена почти горизонтально. При этом каждая из антенн принимает отраженные от цели эхосигналы, 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:
= e^jkreF_н(θ)e^jkhsinθ+F_н(-θ)e, (1) где θ - угол места цели; r - наклонная дальность от точки расположения антенн на поверхности земли до цели; пр - комплексный коэффициент усиления приемного канала; h - высота подъема нижней антенны над землей; К = 2π/λ - волновое число; λ - длина волны; Fн(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; вг - комплексный коэффициент отражения радиоволн от земной поверхности при вертикальной или горизонтальной поляризациях. При этом учтен сдвиг фаз на 90о фазовращателем в приемном канале нижней антенны.

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

Известно, что при малых углах скольжения θ комплексный коэффициент отражения pадиоволн от земли вн ≃ -1 при любой поляризации радиоволн и любых реальных характеристиках земной поверхности. С учетом этого формулу (1) можно упростить и записать в следующем виде:
=e^-jkrF_н(θ)2sin(khsinθ) (2)
По аналогии с этой формулой можно записать также следующее выражение для комплексной амплитуды напряжения в эхо-сигнала на выходе приемника верхней антенны
, (3) где α - разнос антенн по высоте (база антенны); Fв(θ) - нормированная диаграмма направленности верхней антенны в вертикальной плоскости в свободном пространстве; другие обозначения здесь такие же, как и в формулах (1), (2). При этом нижняя и верхняя антенны и их приемники одинаковы. Из сопротивления формул (2), (3) видно, что в секторе малых углов места при изменении угла места θ маловысотной цели сдвиг фаз выходных напряжений в, н эхосигналов приемников нижней и верхней антенн практически не изменяется и остается близким к 90^o. Следовательно, по прототипу нельзя 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.

Поставленная цель достигается тому, что в устройстве, содержащем две одинаковые симметричные горизонтально направленные разнесенные по высоте приемные антенны, связанные со своими приемниками, предусмотрены следующие отличия: между верхней и нижней антеннами установлена двухлучевая приемная антенна, формирующая диаграмму направленности в виде двух смещенных по углу места лучей, связанных со своими приемниками, нижний луч этой антенны направлен горизонтально, а верхний смещен по углу места вверх на половину его угломестной ширины Δθа по нулям, вертикальный размер L апертуры двухлучевой антенны равен 3/4 средней высоты подъема ее над землей 2h при косинусоидальном амплитудном распределении на апертуре, высота подъема нижней антенны над землей h вдвое меньше, а верхней антенны 4h - вдвое больше, чем у двухлучевой антенны, в состав приемной части РЛС дополнительно включены два фазометра, первый из которых измеряет сдвиг фаз ϕ₁ выходных напряжений эхосимгналов на промежуточной частоте приемника верхней антенны Uв и приемника нижнего луча двухлучевой антенны 1, а второй - сдвиг фаз 2 выходных напряжений приемника верхнего луча 2 и приемника нижней антенны н. и спецвычислитель, который определяет угол места маловысотной цели по этим сдвигам фаз в соответствии с формулой
θ=arcsin+2π+signϕ₂(2(-π)·entier -3+ )
(4) где ϕ₁ , ϕ₂ - измеренные фазометрами сдвига фаз в радианах;
h - высота подъема нижней антенны над землей;
λ - длина волны entier - целая часть числа; sign - знак числа.

При этом антенную систему по углу места не вращают и из состава прототипа исключены фазовращатель, фазовый детектор и электродвигатель вращения антенной системы по углу места с усилителем сигнала рассогласования и редуктором. Диаграммы направленности антенн и лучей приемной антенной системы в вертикальной плоскости в свободном пространстве должны быть симметричны относительно оси антенны (или луча). Кроме того, необходимо обеспечить идентичность фазовых характеристик приемных каналов, подключенных к одному и тому же фазометру. Идентичность амплитудных характеристик приемных каналов не требуется. Не требуется также идентичность диаграмм направленности антенн и лучей приемной системы по форме и угломестной ширине. Рабочий угломестный сектор РЛМ определен верхней половиной нижнего луча двухлучевой антенны по нулю.

Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются фиг. 1, где представлена упрощенная структурная схема приемной части РЛС (условно показаны приемные антенны и их расположение относительно земли, диаграмм направленности антенн и лучи двухлучевой антенны, а также пути радиоволн, приходящих к приемным антеннам РЛС от маловысотной цели прямыми и отраженными от земли волнами).

В состав приемной части РЛС входят следующие элементы: нижняя антенна 1, верхняя антенна 2, двухлучевая антенна 3, приемники 4, 5, 6, 7, связанные с верхней антенной, нижней антенной, нижним и верхним лучом двухлучевой антенны соответственно, первый фазометр 8, измеряющий сдвиг фаз ϕ₁ выходных напряжений в, 1 приемников 4, 5 на промежуточной частоте, второй фазометр 9, измеряющий сдвиг фаз ϕ₂ выходных напряжений 2, н приемников 7, 5 на промежуточной частоте, и вычислитель 10, угла места маловысотной цели по сдвигам фаз ϕ₁, ϕ₂ измеренным фазометрами 8, 9 путем вычислений по формуле (4).

Принцип действия предложенного устройства поясняется следующим. Все антенны и лучи приемной системы РЛС принимают эхо-сигналы маловысотной цели, приходящие к антеннам прямыми и отраженными от земли волнами. Исключение составляет только верхний луч двухлучевой антенны, который принимает только сигналы прямой волны и не принимает отражений от земли, так как этот луч смещен вверх от горизонтали на половину Δθa его угломестной ширины по нулям. С учетом этих замечаний, по аналогии с формулой (2) можно записать следующие выражения для комплексных амплитуд выходных напряжений в, 1, 2, н приемников РЛС
(5) на выходе приемника верхней антенны,
= e^-jkrF_c(θ)2e^jπ/2sin(k2hsinθ) (6) на выходе приемника нижнего луча двухлучевой антенны
= e^-jkrF_c(Δθa-θ)e^jk2hsinθ (7) на выходе приемника верхнего луча двухлучевой антенны и
= e^-jkrF_н(θ)2e^jπ/2sin(khsinθ) (8) на выходе приемника нижней антенны, где пр - комплексный коэффициент усиления соответствующего приемного канала; - комплексный коэффициент, зависящий от характеристик передающей системы РЛС и цели, и одинаковой для всех антенн; К = 2π/λ - волновое число; λ - длина волны; r - наклонная дальность от точки расположения антенн на поверхности земли до цели; θ - угол мста цели; Fв(θ), Fc(θ), Fн(θ) - нормированные диаграммы направленности в вертикальной плоскости в свободном пространстве верхней антенны, одного луча двухлучевой (средней по высоте) антенны и нижней антенны соответственно; Δθа - угол наклона оси верхнего луча двухлучевой антенны вверх от горизонтали (угломестная ширина этого луча по нулям равна 2Δθа; h - высота подъема над землей нижней антенны.

Из формул (5), (6) видно, что сдвиг фаз ϕ₁ напряжений эхо-сигнала в, 1 на выходе приемников верхней антенны и нижнего луча двухлучевой антенны равен нулю ϕ₁ = 0, когда sin(K4hsinθ ) и sin(K2hsinθ ) имеют одинаковые знаки, и ϕ₁ = ±π, когда знаки этих синусов различны. Этот сдвиг фаз ϕ₁ измеряют первым фазометром 8 и результат измерения используют в дальнейшем для исключения неоднозначности измерения другого сдвига фаз ϕ₂.

Из формул (7), (8) видно, что сдвиг фаз ϕ_2c напряжений эхо-сигнала 2, т на выходе приемников верхнего луча двухлучевой антенны и нижней антенны будет
ϕ_2c= К2hsinθ ± π/2 (9) где знак "-" берут, когда sin(Khsinθ ) > 0, и знак "+" при sin(Khsinθ) < 0.

При этом условно полагалось, что фазовые характеристики приемных каналов, связанных с одним и тем же фазометром, идентичны.

Этот сдвиг фаз ϕ_2c содержит информацию об угле места маловысотной цели. Сдвиг фаз напряжений 2, н измеряют вторым фазометром 9 и результат измерения ϕ₂ используют для определения угла места θмаловысотной цели с помощью спецвычислителя 10. В угломестном рабочем секторе РЛС в пределах верхней половины горизонтально направленного нижнего луча двухлучевой антенны сдвиг фаз ϕ_2c может значительно превышать 2π . Поэтому измеренное вторым фазометром 9 значение сдвига фаз 2 может сильно отличаться от истинного сдвига фаз ϕ_2c, так как известные фазометры обычно измеряют сдвиг фаз с неопределенностью ±2πm, где m - целое число. В результате этого возникает неопределенность при определении угла места цели θ с помощью формулы (9). Для устранения этой неопределенности приняты специальные меры, которые поясняются ниже.

Предложенное устройство может устранить эту неопределенность, если фаза К2hsinθ (см.формулу (7) в пределах угломестного рабочего сектора РЛС изменяется в пределах от 0 до 4π , т.е. это требование можно записать в виде
К2hsinθв = 4π (10) где θв - верхняя граница угломестного рабочего сектора РЛС. В большем интервале изменения фазы и угла места обеспечить устранение неопределенности пока не удается. Верхнюю границу θв угломестного рабочего сектора РЛС можно ограничить меньшей угломестной шириной диаграммы направленности одной из антенн РЛС. Целесообразно использовать для этого нижний горизонтально направленный луч двухлучевой антенны 3. Когда угол места цели θ > θв, напряжение 1 на выходе приемника нижнего луча будет близко к нулю и угол места цели измеряться не будет, а при 0 < θ < θв возможно измерение углов места.

Требование (10) накладывает жесткое ограничение на угломестную ширину нижнего луча двухлучевой антенны 3 и, следовательно на вертикальный размер ее апертуры. Исходя из выполнения поставленного требования (10), найдем необходимый вертикальный размер L апертуры двухлучевой антенны 3, приняв косинусоидальное амплитудное распределение на ее апертуре. Известно, что угломестное положение θв первого верхнего нуля диаграммы направленности антенны в радианах при таком амплитудном распределении будет
θ_в=1,5 (11)
Подставив (11) в (10) и заменив синус малого угла θв аргументом синуса, находят необходимый для выполнения поставленного требования (10) вертикальный размер L апертуры двухлучевой антенны 3
L = 2h , (13) т.е. этот размер должен быть равен 3/4 высоты подъема этой антенны над землей.

В рабочем угломестном секторе РЛС 0 - θ фаза К2hsinθ в формуле (9) будет изменяться в пределах от 0 до 4π . Современные фазометры обычно измеряют сдвиг фаз напряжений в интервале ±π с неопределенностью ±2πm, т.е. в рабочем секторе углов места 0 - θв каждому измеренному вторым фазометром 9 значению сдвига фаз ϕ₂ будет соответствовать два возможных значения угла места цели θ в этом сектора. Это можно видеть из графиков рисунка фиг.2, где представлены зависимости от ноpмированного угла места θ/θв истинного значения сдвига фаз ϕ_2c напряжений 2, т (график а), результатов ϕ₂ измерения этого сдвига фаз вторым фазометром (график б) и сдвига фаз ϕ₁ напряжений в, 1 (график в). Исключить указанную выше неопределенность помогают верхняя антенна 2, нижний луч двухлучевой антенны 3, приемники 4, 6 и первый фазометр 8, измеряющий сдвиг фаз ϕ₁ напряжений в, 1, Выше было отмечено, что фаза ϕ₁ может иметь только следующие значения: ϕ₁ = 0 или ϕ₁ = ±π (см. график фиг. 2в). В дальнейшем используется только модуль этой фазы ( ϕ₁), поэтому возможна неопределенность измерения фазы ϕ₁ = ±π первым фазометром 8 не имеет существенного значения.

Для определения истинного значения угла места цели θ по измеренным первым 8 и вторым 9 фазометрами сдвигам фаз ϕ₁, ϕ₂ напряжений в, 1 и 2, н соответственно предлагается использовать формулу (4). Вычисления по этой формуле реализует спецвычислитель 10. Формула (4) подобрана на основе формулу (9) применительно к указанным выше характеристикам фазометров. В справедливости формулы (4) можно убедиться с помощью числовых примеров, задав угол θ, вычислив истинный сдвиг фаз ϕ_2c по формуле (9), определив по ϕ_2c соответствующее показание второго фазометра ϕ₂, определив модуль показаний первого фазометра (ϕ₁) и вычислив θ по формуле (4). При этом каждой возможной паре значений сдвигов фаз ϕ₁, ϕ₂ соответствует единственное значение угла места θ.

Таким образом, перечисленные выше отличительные признаки построения приемной системы РЛС являются существенными, позволяют устранить неопределенность в определении угла места маловысотной цели θ по измеренным сдвигам фаз ϕ₁, ϕ₂ и принципиально необходимы для работы предложенного устройства.

Перечисленные выше элементы структурной схемы предложенного устройства на фиг.1 выполнены следующим образом.

В качестве нижней 1 и верхней 2 антенн можно использовать обычные зеркальные горизонтально направленные антенны с симметричными в вертикальной плоскости диаграммами направленности. Идентичность этих антенн между собой не обязательна. Угломестная ширина их диаграмм направленности должна быть не менее, чем у антенны 3.

В качестве антенны 3 можно использовать либо двухлучевую антенную решетку, либо зеркальную антенну с двумя облучателями. Ось зеркала антенны 3 направляют горизонтальную и облучатель нижнего луча располагают в фокусе параболического зеркала. Облучатель верхнего луча смещен из фокуса вниз таким образом, чтобы угол наклона оси верхнего луча был равен половине его угломестной ширины. Вертикальный размер апертуры зеркала должен быть равен 3/4 высоты подъема антенны 3 над землей. Форма нижнего луча в вертикальной плоскости должна быть симметричной относительно горизонтали. Угломестный рабочий сектор РЛС определен верхней половиной нижнего луча антенны 3. В случае импульсной РЛС антенну 3 целесообразно использовать как приемопередающую. При этом передатчик во время передачи сигналов следует подключать только к облучателю нижнего луча. Высота подъема над землей нижней антенны 1 вдвое меньше, а у верхней антенны 2 - вдвое больше, чем у антенны 3.

Приемники РЛС выполнены по обычным супергетеродинным схемам и практически не отличаются от приемников прототипа. Идентичность амплитудных характеристик приемников не требуется. Фазовые характеристики приемников 4, 6 не должны отличаться друг от друга более, чем на 90 однако необходимо обеспечить хорошую идентичность фазовых характеристик приемников 5, 7.

В качестве фазометров 8, 9 можно использовать, например, цифровые фазометры с поразрядной компенсацией, измеряющие сдвиг фаз в интервале ±π.

Вычислитель 10 может быть реализован либо в аналоговом, либо в цифровом виде по схеме обычной микроЭВМ, работающей в реальном масштабе времени.

Возможен второй вариант реализации предложенного устройства, в котором антенну 2 следует опустить и установить на высоте, в 4 раза меньшей, чем у антенны 3, и поменять местами фидера, подключенные к облучателям антенны 3. При этом устройство останется работоспособным, хотя потребуется дополнительно изменить программу работы спецвычислителя 10. Преимущество второго варианта устройства состоит в том, что он дешевле и в диаграмме направленности опущенной вниз антенны будет меньше интерференционных провалов из-за влияния земли. Однако во втором варианте существенно уменьшается общая дальность радиогоризонта РЛС. Для маловысотной РЛС дальность радиогоризонта является важнейшим параметром, поэтому первый вариант предложенного устройства предпочтительнее. В предложенной РЛС целесообразно использовать радиоволны горизонтальной поляризации, так как при этом отражательные характеристики земной поверхности будут меньше влиять на точность измерения углов места целей.

Ниже приводятся результаты расчетного примера характеристик приемной антенной системы РЛС частной реализации первого варианта предложенного устройства.

Характеристики приемной антенной системы:
длина волны λ = 0,35 м;
поляризация радиоволн горизонтальная;
амплитудное распределение на апертурах антенн косинусоидальное;
высота подъема над землей, м:
верхней антенны 29;
двухлучевой антенны 10;
нижней антенны 5;
вертикальные размеры апертур, м:
верхней антенны 2,5;
двухлучевой антенны 7,5;
нижней антенны 2,5,
угломестный рабочий сектор РЛС 0-4^o;
ширина диаграмм направленности антенн в вертикальной плоскости (по нулям):
верхняя антенна 24^o;
нижний луч двухлучевой антенны 8^o;
верхний луч двухлучевой антенны 9^o;
нижняя антенна 24^o,
угол наклона верхнего луча двухлучевой антенны вверх на 4,5^o;
абсолютная погрешность измерения угла места маловысотных целей при благоприятных условиях и сравнительно высоком отношении сигнал/шум ±8'.

Динамика работы предложенного устройства осуществляется следующим образом.

Передающая система РЛС излучает зондирующий сигнал в направлении маловысотной цели. Приемные антенны принимают отраженные от цели эхо-сигналы, пришедшие к антеннам как прямыми, так и отраженными от земли радиоволнами. При этом верхний луч двухлучевой антенны принимает только прямую волну. Принятые антеннами сигналы усиливаются приемниками и преобразуются на промежуточную частоту. Первый фазометр 8 измеряет сдвиг фаз ϕ₁ выходных напряжений в, 1 приемников 4, 6, а второй фазометр 9 измеряет сдвиг фаз ϕ₂ выходных напряжений 7, 5 на промежуточной частоте. Спецвычислитель 10 определяет угол места θ маловысотной цели по измеренным сдвигам фаз ϕ₁, ϕ₂ по формуле (4) в реальном масштабе времени.

Предложенное устройство обеспечивает измерение углов места маловысотных целей в секторе малых углов места в пределах верхней половины нижнего луча двухлучевой антенны, при этом вращать антенную систему в вертикальной плоскости не требуется.

Использование: в станциях наведения ракет и РЛС обнаружения для измерения углов места маловысотных воздушных целей в секторе малых углов места над землей. Сущность изобретения: маловысотная фазоразностная РЛС содержит нижнюю приемную антенну, верхнюю приемную антенну, двухлучевую приемную антенну, приемники, два фазометра, вычислитель угла места, что позволяет обеспечить измерение углов места маловысотных целей в секторе малых углов места над землей. 1-5-9-10, 2-4-8-10, 3-8, 7-9. 2 ил.

МАЛОВЫСОТНАЯ ФАЗОРАЗНОСТНАЯ РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ, содержащая симметричные горизонтально направленные и разнесенные по высоте нижнюю и верхнюю приемные антенны, каждая из которых соединена с соответствующим приемником, отличающаяся тем, что в нее введена двухлучевая приемная антенна, установленная между нижней и верхней приемными антеннами, выход нижнего луча двухлучевой приемной антенны соединен с входом приемника нижнего луча двухлучевой приемной антенны, а выход верхнего луча - с входом приемника верхнего луча двухлучевой приемной антенны, причем нижний луч этой антенны направлен горизонтально, а верхний луч смещен по углу места вверх на половину его угломестной ширины по нулям, причем вертикальный размер апертуры двухлучевой приемной антенны равен 3/4 средней высоты подъема ее над землей при косинусоидальном амплитудном распределении на апертуре, высота подъема нижней приемной антенны над землей вдвое меньше, а верхней приемной антенны - вдвое больше, чем у двухлучевой приемной антенны, кроме того, введены первый и второй фазометры, а также вычислитель угла места θ маловысотной цели, при этом первый и второй входы первого фазометра соединены соответственно с выходами приемника верхней антенны и приемника нижнего луча двухлучевой приемной антенны, первый и второй входы второго фазометра - соответственно с выходами приемника верхнего луча двухлучевой приемной антенны и приемника нижнего луча, выходы фазометров соединены с входами вычислителя определения угла места θ маловысотной цели, выход которого является выходом устройства, при этом угол места θ маловысотной цели определяется по формуле
θ=arcsin+2π+signϕ₂(2(-π)·entier -3+ ),
где ϕ₁ и ϕ₂ - измеренные фазометрами сдвиги фаз,рад.;
h - высота подъема нижней антенны над землей;
λ - длина волны;
entier - целая часть числа;
sign - знак числа.