СПОСОБ СОПРОВОЖДЕНИЯ МАЛОВЫСОТНЫХ ЦЕЛЕЙ ПО УГЛУ МЕСТА В ФАЗОВОЙ СУММАРНО-РАЗНОСТНОЙ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ Российский патент 1994 года по МПК G01S13/68 

Изобретение относится к радиолокации и предназначено для использования в станциях наведения ракет и в моноимпульсных фазовых суммарно-разностных РЛС при сопровождении воздушных целей в секторе малых углов места над землей.

Известен способ определения направления и радиосистема для осуществления этого способа [1]. Эта радиосистема определяет угол места и азимут источника радиосигналов с помощью одного радиоприемного устройства. Антенная система этой радиосистемы состоит из четырех антенн, две из которых разнесены по высоте, а две другие - по горизонтали в направлении, перпендикулярном оси антенны. Эти четыре антенны подсоединены через четыре амплитудных модулятора к входу общего приемника фазомодулированного сигнала. На модуляторы подаются сигналы с выхода генератора, вырабатывающего четыре синусоидальных сигнала, сдвинутых последовательно один относительно другого по фазе на 90^о. В результате этого объединенный сигнал на входе приемника будет иметь фазовую модуляцию с частотой генератора. На выходе приемника установлены два фазовых детектора, у которых в качестве опорных напряжений использованы два напряжения генератора. Амплитуда и фаза выходного напряжения приемника (или величины синусоидальной и косинусоидальной составляющих этого напряжения на выходах фазовых детекторов) содержат информацию об угле места и азимуте источника радиоизлучения.

Существенным недостатком этой радиосистемы является то, что она не может измерять углы места источника радиоизлучения в секторе малых углов места над землей.

Эхо-сигнал маловысотной цели (или сигнал другого источника радиоизлучения) в секторе малых углов места приходит к верхней (или нижней) антенне радиосистемы двумя путями: прямой волной и волной, отраженной от земли. Эти радиоволны складываются в антенне и принимаемые сигналы на выходе нижней и верхней антенн окажутся либо в фазе, либо в противофазе. В результате выходное напряжение приемника не будет содержать информацию об угле места маловысотной цели, радиосистема не сможет измерять малые углы места и сопровождать маловысотные цели.

Известен способ сопровождения воздушных целей по углу места и измерения угла места, используемый в моноимпульсной фазовой суммарно-разностной РЛС [2] . Эта РЛС содержит две одинаковых разнесенных по высоте антенны, оси которых параллельны. Принимаемые сигналы с выходов антенн суммируют в высокочастотном сумматоре и усиливают в суммарном канале приемника, а также вычитают в высокочастотном устройстве вычитания, сдвигают по фазе на 90^о в фазовращателе и усиливают в разностном канале приемника. На выходах суммарного и разностного каналов приема установлен фазовый детектор, выходное напряжение которого управляет электроприводом, который вращает антенную систему по углу места. Информация об угле места цели содержится в фазах принимаемых эхо-сигналов.

В процессе сопровождения цели по углу места напряжение на выходе фазового детектора равно нулю, когда ось антенны направлена по углу места на цель. При отклонении цели по углу места от оси антенны вниз или вверх на выходе фазового детектора появляется напряжение рассогласования того или иного знака. Это напряжение управляет электроприводом, который вращает антенную систему до тех пор, пока ось антенны не совпадет с углом места цели и напряжение рассогласования на выходе фазового детектора не станет равно нулю. В процессе сопровождения цели антенна автоматически вращается по углу места так, что угол рассогласования между осью антенны и целью (в угломестной плоскости) все время остается равным нулю. При этом угол места цели определяют по угломестному положению оси антенной системы.

Однако этот способ не обеспечивает возможность сопровождения по углу места маловысотных целей в секторе малых углов места над землей и не позволяет измерять угол места таких целей. Это объясняется следующим. В секторе малых углов места эхо-сигналы цели приходят к антенне РЛС двумя путями: прямой волной и волной, отраженной от земли. В процессе поиска цели ось антенной системы направили горизонтально. Тогда комплексные амплитуды напряжений , принимаемых эхо-сигналов на выходах нижней и верхней антенн будут
=e^-jkrF(θ)e^jkhsinθ+e; (1)
=e^-jkrF(θ)e^jk(h+d)sinθ+e^{-jk(h+d)sinθ}, (2) где - коэффициент, зависящий от характеристик передающей системы и цели и одинаковый для обеих приемных антенн;
θ - угол места цели;
h - высота подъема над землей нижней антенны;
d - разнос антенн по высоте (или база антенной системы);
r - наклонная дальность от точки расположения антенн на поверхности земли до цели;
k=2π/λ- волновое число;
λ - длина волны;
- комплексный коэффициент отражения радиоволн от земной поверхности при вертикальной или горизонтальной поляризации радиоволн;
F(θ) - нормированная диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости в свободном пространстве (обе антенны одинаковы).

Известно, что при малых углах скольжения θ комплексный коэффициент отражения радиоволн от земли равен -1 при любой поляризации радиоволн и любых реальных характеристиках земной поверхности. Тогда выражения (1), (2) для напряжений , можно записать в следующем виде: = j2e^-jkrF(θ)sin(khsinθ); (3)
= j2e^-jkrF(θ)sin[k(h+d)sinθ] (4) Из выражений (3), (4) следует, что напряжения , принимаемых эхо-сигналов маловысотной цели на выходах нижней и верхней антенн при малых углах места цели будут либо в фазе, либо в противофазе и не могут иметь какого-либо иного сдвига фаз между ними. При этом напряжение на выходе фазового детектора будет всегда равно нулю, т.е. сопровождение маловысотных целей в секторе малых углов места и измерение этих углов становится невозможным.

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

Это достигается благодаря тому, что при способе, содержащем прием эхо-сигналов маловысотной цели двумя разнесенными антеннами, суммирование и вычитание этих сигналов, усиление в суммарном и разностном каналах приема, изменение фазы сигнала на 90^о в одном из приемных каналов, детектирование выходных напряжений двух приемных каналов одним фазовым детектором и автоматическое изменение положения антенн в пространстве с помощью электропривода, предусмотрены следующие отличия: в процессе сопровождения маловысотной цели по углу места одну из антенн перемещают по горизонтали вдоль оси антенны относительно другой неподвижной антенны в интервале расстояний от R = до R = (N+1) c помощью электро- привода, автоматически управляемого выходным напряжением фазового детектора, а угол места θ_ц маловысотной цели определяют по горизонтальному расстоянию R между антеннами в соответствии с формулой
θ_ц=arccos, (5) где λ - длина волны;
N=entier;
entier - целая часть числа;
θ_в - верхний угол угломестного рабочего сектора РЛС.

При этом в процессе сопровождения маловысотной цели в сравнительно узком рабочем секторе малых углов места от θ=0⁰доθ=θ_в оси обоих антенн направляют горизонтально и антенны по углу места не вращают.

На чертеже, где представлена упрощенная структурная схема моноимпульсной фазовой суммарно-разностной РЛС, условно показаны взаимное расположение антенн над землей, диаграммы направленности этих антенн, а также лучи прямых и отраженных от земли радиоволн, приходящих от маловысотной цели к антеннам РЛС.

В состав рассматриваемой моноимпульсной фазовой суммарно-разностной РЛС входят следующие элементы: верхняя неподвижная антенна 1, ось которой направлена горизонтально; нижняя подвижная антенна 2, расположенная на высоте h над землей и смещенная относительно верхней антенны на расстояние d по высоте и на расстояние R по горизонтали вдоль оси (эта антенна автоматически перемещается по горизонтам вдоль оси с помощью электропривода 10 относительно верхней неподвижной антенны в интервале горизонтальных расстояний от R₁ до R₂; высокочастотный сумматор 3, суммирующий сигналы, принимаемые антеннами; высокочастотное устройство вычитания 4, вычитающее сигналы, принимаемые антеннами; приемники суммарного канала 5 и разностного канала 6 (эти приемники усиливают сигналы и преобразуют их на промежуточную частоту); фазовращатель 7, который изменяет фазу выходного напряжения разностного канала на промежуточной частоте 90^о; фазовый детектор 8, на входы которого поступают выходные напряжения приемников на промежуточной частоте; схема управления антенной 9, которая усиливает выходное напряжение фазового детектора 8 и использует это напряжение для управления электроприводом перемещения нижней антенны 2; электропривод 10, который автоматически перемещает нижнюю антенну 2 по горизонтали вдоль оси антенны относительно неподвижной верхней антенны 1 в интервале расстояний от R₁ до R₂. Антенны 1, 2 одинаковы и направлены горизонтально по азимуту маловысотной цели.

Принцип действия предложенного способа сопровождения маловысотной цели по углу места θ_ц и измерения этого угла поясняется следующим. Комплексные амплитуды напряжений , принимаемых эхо-сигналов маловысотной цели на выходах нижней и верхней антенн по аналогии с формулами (3), (4) применительно к геометрии расположения антенн на чертеже можно записать в следующем виде:
=j2e^-jkrF(θ)_цsin(khsinθ_ц)e^-jkRcosθц (6) = j2e^-jkrF(θ_ц)sin[k(h+d)sinθ_ц] ; (7) где R - горизонтальное расстояние между антеннами вдоль оси;
d - разнос антенн по высоте;
r - наклонная дальность от точки расположения верхней антенны на поверхности земли до цели;
θ_ц - угол места цели;
h - высота подъема над землей нижней антенны;
F(θ) - нормированная диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости в свободном пространстве (обе антенны одинаковы);
- коэффициент, зависящий от характеристик передающей системы РЛС и цели и одинаковый для обоих приемных антенн;
k =2π/λ- волновое число;
λ- длина волны.

Используя формулы (6), (7), можно записать выражения для мгновенных напряжений сигнала U_Σ , U_р на выходах суммарного и разностного каналов приема или на входах фазового детектора. Эти напряжения следующие:
n[K(h+d)sinθ_ц]cos(ω_прt+ϕ_Σ+sin(khsinθ_ц)cos(ω_прt+; (8)
cs-, (9) где K_Σ,K_p - коэффициенты усиления приемников суммарного и разностного каналов;
ϕ_Σ,ϕ_p - сдвиги фаз в суммарном и разностном каналах;
t - время;
ω_пр - промежуточная частота приемников.

Напряжение на выходе фазового детектора U_фд получается путем перемножения напряжений U_Σ , U_р. Перемножая выражения (8), (9) и отбрасывая высокочастотные составляющие напряжения, которые будут подавлены фильтром фазового детектора, после простых тригонометрических преобразований получим для выходного напряжения фазового детектора U_фдследующую формулу:
(θ_Ц)sin(khsinθ_ц)sin[k(h+d)sinθ_ц] cos(-ϕ_p) × , (10) где К_фд - коэффициент передачи фазового детектора.

Формула (10) представляет собой пеленгационную характеристику рассматриваемой моноимпульсной фазовой суммарно-разностной РЛС. Нуль пеленгационной характеристики не зависит от фазовых сдвигов ϕ_Σ,ϕ_p в каналах приема и при заданном угле места цели θ_ц, зависит от горизонтального расстояния R между антеннами.

В процессе сопровождения маловысотной цели выходное напряжение фазового детектора Uфд через схему управления антенной 9 воздействует на электропривод 10, который перемещает нижнюю антенну 2 по горизонтали вдоль оси (изменяет расстояние между антеннами R) до тех пор, пока напряжение на выходе фазового детектора не станет равно нулю, т.е. в процессе сопровождения маловысотной цели автоматически поддерживается такое расстояние R между антеннами, при котором выходное напряжение фазового детектора равно нулю. По этому расстоянию R можно определить угол места θ_ц маловысотной цели, любое текущее время в процессе сопровождения этой цели. Интервал возможных изменений горизонтального расстояния R между антеннами вдоль оси антенн выбран так, чтобы, во-первых, это расстояние никогда не было равно нулю, и, во-вторых, чтобы избежать неоднозначности определения угла места θ_ц маловысотной цели в заданном сравнительно узком рабочем угломестном секторе РЛС θ_ц=0^oдоθ_ц=θ_в, где θ_в - верхний граничный угол рабочего угломестного сектора РЛС.

Из формулы (10) видно, что выходное напряжение фазового детектора U_фд равно нулю, когда аргумент последнего синуса равен целому числу π , т.е.

kR cos θ_ц = Nπ (11)
Для обеспечения однозначности определения угла места цели θ_цнеобходимо, чтобы этот аргумент синуса kR cos θ_ц изменялся не более чем на π в интервале возможных расстояний R во всем заданном угломестном рабочем секторе РЛС 0^о- θ_в . Отсюда следует, что минимальное значение горизонтального расстояния между антеннами R₁следует выбрать равным целому числу N полуволн
R₁= , (12) а максимальное значение расстояния R₂ - на полволны больше
R₂ = (N+1) (13)
Целое число N в выражениях (12), (13) найдем из формулы (11), подставив в последнюю R = R₂ и θ_ц=θ_в, получим
N=entier, (14) где entier - целая часть числа.

Текущий угол места цели θ_ц в процессе сопровождения определяют по формуле (5), которая получена из формулы (11). При этом обеспечивается однозначность определения угла места маловысотной цели во всем заданном сравнительно узком угломестном рабочем секторе РЛС.

Угломестный рабочий сектор РЛС определяется половиной ширины диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости в свободном пространстве (или меньшей половины в случае, когда антенны разные.

Из формулы (10) видно, что рассматриваемая фазовая амплитудно-разностная РЛС сможет автоматически сопровождать маловысотную цель только на тех участках угломестного рабочего сектора, где синусы sin(kh sin θ_ц ) и sin[k(h+ d) sin θ_ц] имеют одинаковые знаки, и не сможет сопровождать на других участках. Для устранения этого недостатка неподвижную антенну 1 следует выполнить в виде двух разнесенных по горизонтали перпендикулярно оси антенны запараллеленных одинаковых апертур, а подвижную антенну 2 расположить в промежутке между двумя апертурами неподвижной антенны. При этом высоты подъема подвижной 1 и неподвижной антенн над землей выбирают одинаковым. Разнос по горизонтали перпендикулярно оси апертур неподвижной антенны желательно выбрать по возможности меньше, но так, чтобы они не затеняли подвижную антенну. Такое выполнение антенной системы РЛС обеспечивает возможность сопровождения маловысотной цели во всем угломестном рабочем секторе РЛС.

Ниже приводятся результаты расчетного примера характеристик антенной системы фазовой амплитудно-разностной РЛС для реализации предложенного способа сопровождения маловысотных целей в секторе малых углов места. Характеристики антенной системы РЛС:
длина волны λ = 0,15 м;;
высота подъема антенн над землей h = =15 м;
вертикальный размер апертур антенн b= 1,3 м;
амплитудное распределение на апертурах антенн - косинусоидальное;
поляризация радиоволн - горизонтальная;
минимальное горизонтальное расстояние вдоль оси между подвижной и неподвижной антеннами R₁ = 9,75 м;
максимальное горизонтальное расстояние вдоль оси между подвижной и неподвижной антеннами R₂ = 9,825 м.

Такая антенная система фазовой суммарно-разностной РЛС обеспечивает автоматическое сопровождение маловысотных целей и измерение углов места целей в угломестном секторе 0-10^о.

Предлагаемый способ позволяет исключить вредное влияние отражений радиоволн от земной поверхности и за счет этого обеспечивает возможность сопровождения маловысотных целей и измерение углов места целей в секторе малых значений этих углов. Это составляет существенное преимущество по сравнению со способом-прототипом, который практически не может обеспечить возможность сопровождения маловысотных целей в секторе малых углов места.

Использование: радиолокация, в станциях наведения ракет и в моноимпульсных фазовых суммарно-разностных радиолокационных станциях (РЛС) при соповождении воздушных целей в секторе малых углов места над землей. Сущность изобретения заключается в том, что одну из вертикально расположенных приемных антенн радиолокационной станции перемещают по горизонтали вдоль оси антенной системы относительно другой неподвижной антенны в интервале расстояний от R₁= λN/2 до R₂= λ(N+1)/2 с помощью электропривода, управляемого выходным напряжением фазового детектора сигналов суммарного и разностного каналов приема, а угол места цели маловысотной цели определяют по формуле θ_у= arccos(λN/2R) , где λ - длина волны; θ_В - верхний угол угломестного рабочего сектора РЛС; entier - целая часть числа. 1 ил.

СПОСОБ СОПРОВОЖДЕНИЯ МАЛОВЫСОТНЫХ ЦЕЛЕЙ ПО УГЛУ МЕСТА В ФАЗОВОЙ СУММАРНО-РАЗНОСТНОЙ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ, заключающийся в том, что принимают эхо-сигналы цели двумя разнесенными по вертикали антеннами с последующим одновременным суммированием и вычитанием принятых сигналов и усилением соответственно в суммарном и разностном каналах приема, изменяют фазу сигнала на 90^o в одном из приемных каналов, детектируют выходные сигналы двух приемных каналов одним фазовым детектором и изменяют положение антенн в пространстве с помощью электропривода, отличающийся тем, что при приеме эхо-сигналов цели двумя разнесенными по вертикали антеннами одну из антенн перемещают по горизонтали вдоль оси антенны относительно другой неподвижной антенны в интервале расстояний от R₁ = λN / 2 до R₂ = λ / 2(N + 1) с помощью электропривода, управляемого сигналом фазового детектора, а угол места Q_у маловысотной цели определяют по горизонтальному расстоянию R между антеннами в соответствии с формулой
Q_у = arccos ( λN / 2R) ,
где λ - длина волны;
N = entier ;
Q_в - верхний угол угломестного рабочего сектора радиолокационной станции; entier - целая часть числа.