БОРТОВОЙ ПАССИВНЫЙ РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ДАЛЬНОМЕР ДЛЯ НАЗЕМНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ Российский патент 1994 года по МПК G01S13/93 

Изобретение относится к электротехнике СВЧ, в частности к устройствам определения дальности до препятствий для наземных транспортных средств.

Известен радиолокационный дальномер для наземных транспортных средств, представляющий собой миниатюру РЛС СВЧ-диапазона для системы предупреждения столкновений автомобилей. РЛС содержит антенну и генератор с частотной модуляцией сигнала. Работа дальномера основана на сканировании луча РЛС по дороге перед транспортным средством и анализа отраженных сигналов от объектов на расстояниях до 100 м. РЛС следит за несколькими объектами и идентифицирует их по дальности, скорости и углу визирования.

При работе этого дальномера происходит излучение СВЧ-энергии, что вредно для окружающей среды и человека, и кроме того, создает проблему устойчивости к помехам от подобных устройств на встречном транспорте.

Известен пассивный дальномер, изменяющий расстояния до объектов, имеющих собственное излучение в инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн с заранее известными спектральными характеристиками. Устройство представляет собой двухканальный радиометрический приемник, первый и второй каналы которого содержат последовательно включенные антенну (линзу), модулятор, входной полостно-пропускающий фильтр, детектор, усилитель, интегрирующий блок, усилитель, а также схему сравнения выходных сигналов двух каналов приемника, причем модуляторы каналов синхронизированы. Принцип работы дальномера основан на определении дальности по сопоставлению выходных сигналов двух каналов. Причем эти выходные сигналы разнятся из-за различных коэффициентов поглощения электромагнитных волн атмосферой в двух частотных зонах ИК-диапазона.

Однако при помощи такого пассивного дальномера дальность определяется только до объектов, имеющих достаточно высокий уровень собственного ИК-излучения, причем с заранее известными спектральными характеристиками контролируемого объекта. При этом сколько-нибудь точное определение дальности до ненагретых металлических объектов или объектов с неопределенными характеристиками собственного теплового излучения, например автомобилей, практически невозможно. Работа устройства в ИК-диапазоне подвержена сильному влиянию погодных условий, пыли, дыма, которые могут существенно уменьшить точность определения дальности, либо нарушить вообще работоспособность дальномера. При реализации известного схемного решения в СВЧ-или КВЧ-диапазонах конструкция дальномера будет сильно усложнена из-за двух высокочастотных трактов, которые являются наиболее сложными и трудоемкими.

Целью изобретения является упрощение устройства и увеличение точности определения дальности до металлических объектов с неопределенными, заранее неизвестными и малыми по величине собственными тепловыми излучениями, а также при работе в условиях воздействия различных погодных факторов, пыли или дыма.

Это достигается тем, что в предлагаемом бортовом пассивном радиолокационном дальномере для наземных транспортных средств, содержащем антенну, последовательно соединенные детектор и первый усилитель, последовательно включенные первый интегрирующий блок, второй усилитель и блок вычисления дальности, последовательно соединенные второй интегрирующий блок и третий усилитель, выход которого подключен к второму входу блока вычисления дальности, выход которого является выходом дальномера, введены последовательно соединенные перестраиваемый двухполосный преобразователь частоты, сигнальный выход которого подключен к выходу антенны, а усилитель промежуточной частоты, выход которого подключен к входу детектора, переключатель, сигнальный вход которого соединен с выходом первого усилителя, а первый и второй выходы переключателя соединены с входами первого и второго интегрирующих блоков соответственно, генератор, выход которого подключен к управляющим входам перестраиваемого двухполосного преобразователя частоты и переключателя, при этом рабочие входные частоты перестраиваемого двухполосного преобразователя частоты лежат в в диапазоне 52-68 ГГц.

У устройств с повышенной дальностью определения расстояния до металлических объектов, рабочие входные частоты перестраиваемого двухполосного преобразователя частоты находятся в диапазоне 52-58 ГГц, а значения двух центральных частот перестраиваемого двухчастотного преобразователя частоты разнесены на удвоенное значение полосы пропускания усилителя промежуточной частоты.

Предложенное техническое решение отличается от прототипа введением одноканальной части УВЧ-диапазона, введением перестраиваемого преобразователя частоты и управляемого переключателя каналов, подключенных к синхронизирующему генератору, а также определением существенно отличных рабочих частотных диапазонов входных сигналов приемника.

На фиг. 1 приведена структурная схема предложенного бортового радиолокационного дальномера, где 1 - антенна, 2 - перестраиваемый двухполосный преобразователь частоты, 3 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ), 4 - детектор, 5 - первый усилитель, 6 - переключатель, 7 - первый и второй интегрирующие блоки, 8 - второй и третий усилители, 9 - блок вычисления дальности, 10 - генератор.

Работает устройство следующим образом.

Принятый с приемной антенны 1 сигнал, пропорциональный радиотепловому контрасту объекта с фоном, поступает на перестраиваемый двухполосный преобразователь частоты 2 с диапазоном рабочих входных частот в области 52-68 ГГц, где он преобразуется в диапазон промежуточных частот, усиливается в УПЧ 3, детектируется в 4, усиливается первым усилителем 5. Затем выходной сигнал попеременно подается переключателем 6 на два интегрирующих блока 7 с усилителями 8. Переключение осуществляется синхронно с изменением рабочего диапазона приемника генератором 10. Усреднение во времени с заданной постоянной времени осуществляется в первом и втором интегрирующих блоках 7. При этом период частоты генератора должен быть много меньше постоянной времени интегрирующего блока. Выходные сигналы обоих интегрирующих блоков, таким образом, пропорциональны радиотепловому контрасту наблюдаемого объекта с фоном в двух разных частотных диапазонах. Информация о дальности до объекта содержится в разности выходных сигналов двух каналов радиометрического приемника, получаемой в блоке вычисления дальности 9. Предварительно выходные сигналы двух каналов выравниваются регулировкой усилителей 8 при нулевой дальности до объекта.

Выбор рабочего диапазона частот и схема построения предлагаемого дальномера заключается в следующем. Физическая суть принципа действия устройства состоит в том, что проводятся измерения радиотеплового контраста одного и того же металлического объекта одновременно в двух разных частотных областях, характеризующихся различным затуханием электромагнитных волн в атмосфере. При этом оказывается возможным однозначно определить дальность до объекта R, так как величина сигнала на выходе радиометра S при радиотепловом контрасте объекта ΔТ по отношению к флуктуационной чувствительности радиометра ΔТ_мин определяется отношением:
S≈ 10^-0,1αR где α - коэффициент затухания сигнала в атмосфере в данном диапазоне частот, дБ/км.

При изменении радиотеплового контраста одного и того же транспортного средства одновременно в двух разных частотных диапазонах можно получить разные значения выходных сигналов. Обозначим все символы, относящиеся к одному частотному диапазону, одинаковыми индексами, например, 1 и 2. Тогда разность сигналов на выходе радиометра в двух частотных диапазонах может быть выражена формулой:
S₂-S₁= 10- 10
Отсюда видно, что дальность до цели R определяется из уравнения (1), когда остальные величины могут быть определены в результате измерения. При этом максимальная дальность однозначного определения расстояния R до цели равна
R_макс=10
Выбор рабочего диапазона следует из анализа уравнения (1). Требования к выбранному диапазону частот следующие:
в выбранном диапазоне частот объект должен обладать достаточным (по возможности максимальным) радиотепловым контрастом на окружающем его фоне, тогда значения выходных сигналов радиометра на двух частотах будут много больше ΔТ_мин;
так как при одинаковом значении R разница выходных сигналов тем больше, чем больше разница между коэффициентами затухания электромагнитных волн в атмосфере в двух разных частотных областях, то на выбранных двух центральных рабочих частотах коэффициенты α должны иметь максимальное отличие по величине;
предложенный бортовой пассивный радиолокационный дальномер должен сохранять работоспособность при неблагоприятных метеорологических условиях, т. е. значения коэффициентов α в двух разных частотных областях должны либо оставаться неизменными, либо разность их не должна сильно изменяться.

На фиг. 2 изображены яркостные температуры неба в зените в диапазоне частот 10-100 ГГц, определяющие максимально достижимые радиояркостные температуры объектов наблюдения; на фиг. 3, 4 приведены частотные зависимости коэффициентов затухания электромагнитных волн в атмосфере в ясную погоду, на фиг. 5 - добавки к этим коэффициентам в плохую погоду (дождь, туман).

Известно, что радиотепловой контраст металлических объектов на окружающем фоне создается отражением металлическими поверхностями "холодного" неба и зависит от радиояркостной температуры неба в зените, причем окружающим фоном может быть как поверхность земли, так и небо под малым углом к горизонту. На частотах ниже 30 ГГц радиотепловой контраст неба в зените и неба под малым углом к горизонту слишком мал, поэтому диапазон частот ниже 30 ГГц не может быть использован для реализации данного технического предложения. Из графика зависимости исходной яркостной температуры в зените при ясной погоде и облачности видно, что диапазон выше 60 ГГц обуславливает малый радиотепловой контраст объекта при облачной погоде и поэтому также не может использоваться. Из графиков зависимости затухания в атмосфере от частоты также следует, что максимальная крутизна зависимости коэффициента затухания от частоты находится в пределах 52-68 ГГц. Поэтому наиболее приемлемым диапазоном является диапазон 52-68 ГГц, так как он удовлетворяет всем сформулированным вышеперечисленным условиям. Из графика зависимости дополнительного затухания сигналов в атмосфере от частоты при дожде и тумане видно, что затухание, обусловленное атмосферными осадками и туманом в выбранном диапазоне частот, существенно не влияет на крутизну зависимости коэффициента затухания от частоты, т. е. на α₂- α₁. Поэтому атмосферные осадки не очень сильно влияют на точность измерения дальности, снижая при этом лишь чувствительность и предельную дальность действия устройства, так как при работе дальномера должно выполняться условие ΔТ > ΔТ_мин.

Правильность выбора рабочего диапазона частот можно проиллюстрировать путем анализа численного решения уравнения (1) на ЭВМ. Для этого зададим следующие исходные данные, приближенные к реальным условиям работы дальномера: определяемая дальность R = 100 м, ширина полосы пропускания ПЧ α F = 500 МГц, расстояние между двумя центральными рабочими частотами перестраиваемого преобразователя частоты 1,5 ГГц.

Диапазоны измерения следующие (ГГц): 50-52. 52-54; и т. д. до 68-70. Меняя измеряемую дальность от 100 до 10 м с шагом 10 м, получим семейство кривых, отображающих величины S₂-S₁, в зависимости от частоты. Значения α были получены из графика фиг. 2, т. е. для хорошей погоды и для уровня моря.

График рассчитанной на ЭВМ зависимости (S₂-S₁)/ ΔТ_мин от центральной рабочей частоты в выбранном диапазоне частот представлен на фиг. 6.

Как видно из графика, изменения величины S₂-S₁ при изменениях дальности максимальны в рабочих диапазонах частот 54-56 и 62-66 ГГц, но во втором случае абсолютное значение величины S₂-S₁ меньше из-за меньшего радиотеплового контраста объектов с фоном. В частотных диапазонах 50-52 и 68-70 ГГц работа невозможна из-за слишком малого относительного изменения величины S₂-S₁ от дальности. Поэтому работа устройства возможна лишь в выбранном частотном диапазоне 52-68 ГГц, но для устройства с повышенной дальностью фиксации объекта частотный диапазон должен быть выбран в области 52-58 ГГц.

Важной особенностью предложенного технического решения является сочетание модуляционной схемы радиометра, которая резко снижает требования к долговременной стабильности элементов, с одноканальным КВЧ-трактом и двухполосным приемом, который обеспечивает максимальную флуктуационную чувствительность радиометра. При этом упрощается входной тракт, наиболее дорогой при применении миллиметрового диапазона, отсутствуют высокочастотный модулятор и синхронный детектор. Двухканальная схема радиометра дополнительно уменьшает вредное влияние нестабильности коэффициента передачи одноканальной части приемного тракта, что повышает точность измерения дальности и снижает требования к термостабилизации схемы и к стабильности источников питания. Обычно устранение нестабильности тракта УПЧ при коэффициенте усиления 50-60 дБ представляет принципиальные трудности для реализации высокой флуктуационной чувствительности радиометра. В предлагаемой схеме медленные изменения коэффициента усиления действуют синхронно в обоих каналах и вычитаются в схеме сравнения.

Выбор конкретных рабочих частот перестраиваемого преобразователя частоты в диапазоне частот 52-68 ГГц и полосы пропускания тракта ПЧ неочевиден. С одной стороны, требуется увеличить разность α₂-α₁, для чего диапазон частот надо выбирать по краям указанной полосы частот, а полосу пропускания ПЧ надо предельно уменьшать, но, с другой стороны, уменьшение полосы пропускания ПЧ ведет к падению чувствительности радиометра, а следовательно, к снижению дальности действия устройства.

Как показал анализ уравнения (1) и численное моделирование на ЭВМ, которое может быть представлено, у устройств с повышенной дальностью фракции объектов полосы рабочих входных частот приемника на двух разных частотах должны быть примерно одинаковыми, что автоматически выполняется при данном способе реализации приемника, и отстоят друг от друга центральные рабочие частоты должны максимально, то так, чтобы не выходить за оптимальную полосу рабочих частот. Отсюда следует, что наибольшая дальность достигается, когда значения двух центральных рабочих частот перестраиваемого преобразователя частоты разнесены на удвоенное значение полосы пропускания усилителя промежуточной частоты.

Моделирование также показало, что реальные дальности неоднозначного их определения лежат в таких пределах, что практически ими можно пренебречь во всех реальных условиях применения для наземных транспортных средств.

Расчет показал, что в хорошую погоду предельная дальность действия предложенного устройства с размерами антенны, соизмеримыми с размерами фар автомобиля (объект - легковой автомобиль), реализуемого на современной элементной базе, составляет около 160 м, а в дождь интенсивностью до 4 мм/ч - 80 м.

Использование: радиотехника, в частности для определения дальности до препятствий для наземных транспортных средств. Сущность изобретения: дальномер содержит антенну 1, перестраиваемый двухполюсный преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты 3, детектор 4, усилитель 5, переключатель 6, два интегрирующих блока 7, два усилителя 8, блок вычисления дальности 9, генератор 10. 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7[1] - 8[1] - 9, 6 - 7[2] - 8[2] - 9, 2 - 10 - 6. Цель изобретения - упрощение и повышение точности определения дальности до металлических объектов. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. БОРТОВОЙ ПАССИВНЫЙ РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ДАЛЬНОМЕР ДЛЯ НАЗЕМНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ, содержащий антенну, последовательно соединенные детектор и первый усилитель, последовательно включенные первый интегрирующий блок, второй усилитель и блок вычисления дальности, последовательно соединенные второй интегрирующий блок и третий усилитель, выход которого подключен к второму входу блока вычисления дальности, выход которого является выходом дальномера, отличающийся тем, что, с целью упрощения и повышения точности определения дальности до металлических объектов, введены последовательно соединенные перестраиваемый двухполосный преобразователь частоты, сигнальный вход которого подключен к выходу антенны, и усилитель промежуточной частоты, выход которого подключен к входу детектора, переключатель, сигнальный вход которого соединен с выходом первого усилителя, а первый и второй выходы - с входами первого и второго интегрирующих блоков соответственно, генератор, выход которого подключен к управляющим входам перестраиваемого двухполосного преобразователя частоты и переключателя, при этом рабочие входные частоты перестраиваемого двухполосного преобразователя частоты лежат в диапазоне 52 - 68 ГГц. 2. Дальномер по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения дальности определения расстояния до металлических объектов, рабочие входные частоты перестраиваемого двухполосного преобразователя частоты лежат в диапазоне 52 - 58 ГГц, а значения двух центральных частот перестраиваемого двухполосного преобразователя частоты разнесены на удвоенное значение полосы пропускания усилителя промежуточной частоты.