УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВ МЕСТА МАЛОВЫСОТНЫХ ЦЕЛЕЙ Российский патент 1995 года по МПК G01S5/04 

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

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

На фиг. 1 представлена упрощенная структурная схема устройства, условно показана схема расположения над землей антенн и их диаграммы направленности.

В состав устройства входят следующие элементы: три симметричные горизонтально направленные разнесенные по высоте приемные антенны 1, 2, 3, приемники 4, 5, 6 и вычислитель угла места θ маловысотной цели.

Угломестный рабочий сектор определен верхней половиной главного лепестка диаграммы направленности одной из антенн 1, 2, 3, у которой ширина диаграммы направленности в вертикальной плоскости уже.

Комплексную амплитуду напряжения эхо-сигнала на выходе одного из приемных каналов представим в следующем виде:
e^-jkz[F(θ)e^jkhsinθ+F(-θ)e^-jkhsinθ] (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 антенны над землей;
К 2 π / λ волновое число;
λ длина волны;
F( θ) нормированная диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости в свободном пространстве;
комплексный коэффициент, зависящий от характеристик передающей системы РЛС и цели, одинаковый для обоих антенн;
комплексный коэффициент отражения радиоволн от земной поверхности при вертикальной или горизонтальной поляризации.

Будем полагать, что форма диаграммы направленности F(θ ) симметрична в вертикальной плоскости, 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 характеристиках земной поверхности. С учетом этого формулу (1) можно упростить и записать в следующем виде:
e^-jkr[F(θ)2e^jπ/2sin(kh sinθ) (2)
Эта формула справедлива и для другого приемного канала, антенна которого установлена на другой высоте над землей. Нижняя и верхняя антенны и их приемники одинаковы. Из формулы (2) видно, что в секторе малых углов места сдвиг фаз эхо-сигналов на выходе приемных каналов верхней и нижней антенн практически не зависит от угла места цели и напряжение рассогласования на выходе фазового детектора близко к нулю. Следовательно, рассматриваемый аналог не может измерять углы места маловысотных целей и сопровождать такие цели в секторе малых углов места над землей.

Поставленная цель достигается благодаря совместному решению системы двух трансцендентных уравнений с одним неизвестным θ на интервале угломестного рабочего сектора устройства
0, (3)
0, где Gm₁, Gm₂, Gm₃ максимальные коэффициенты усиления нижней, средней и верхней антенн соответственно;
К₁, К₂, К₃ коэффициенты усиления приемников, связанных с соответствующими антеннами;
λ длина волны;
F₁( θ), F₂( θ), F₃( θ)- нормированные диаграммы направленности соответствующих антенн в вертикальной плоскости в свободном пространстве;
h₁, h₂, h₃ высоты подъема соответствующих антенн над землей;
U₁, U₂, U₃ амплитуды напряжений эхо-сигналов.

Принцип действия предложенного устройства поясняется следующим: можем записать следующее выражение для комплексных амплитуд напряжений U₁, U₂, U₃ эхо-сигналов на выходах приемников нижней, средней и верхней антенн.

U_n= j2 Ke^-jkrF_n(θ)sin sin, (4) где n 1, 2, 3. Находя из формулы (4) отношения амплитуд напряжений U₃/U₂ и U₂/U₁ эхо-сигналов на выходах приемников верхней, средней и нижней антенн, получим систему трансцендентных уравнений (3) для определения угла места цели θ.

В угломестном рабочем секторе каждое из уравнений этой системы имеет множество корней. Из этого множества выбирают тот корень, который одинаков для первого и второго уравнений системы (3).

Однако могут быть такие частные построения антенной системы, когда среди множества корней первого и второго уравнений системы (3) в угломестном рабочем секторе окажется несколько одинаковых. В таких случаях решение системы (3) неоднозначно и предложенное устройство работать не сможет. Поэтому следует принять специальные меры при построении антенной системы, чтобы подобной неоднозначности не было в угломестном рабочем секторе устройства.

Неоднозначности не будет, если высота подъема над землей верхней антенны h₃ не кратна высотам подъема h₂, h₁ двух других антенн. Неоднозначности не будет также, когда диаграмма направленности верхней антенны сравнительно узкая по сравнению с другими антеннами и охватывает лишь сравнительно небольшое (не более 5-7) количество интерференционных лепестков нижней антенны, возникающих из-за влияния радиоволн, отраженных от земной поверхности.

На фиг. 2 представлены расчетные зависимости отношений напряжений сигнала и от аргумента h₁sinθ для а) правильного построения антенной системы (а) и б) неправильного построения антенной системы (б). Для заданного направления цели, которое помечено стрелкой, на этих графиках крестиками помечены корни первого и второго уравнений системы (3), а крестиками в кружках корни, одинаковые для первого и второго уравнений. При этом в обоих случаях высоты подъема антенн над землей были выбраны так, чтобы h₂ 2h₁ и h₃ Uh₁. Кроме того, нижняя 1 и средняя 2 антенны одинаковы, все приемники также одинаковы, т. е. К₁ К₂= К₃. В случае (а) диаграмма направленности верхней антенны 3 в вертикальной плоскости была в четыре раза уже, чем антенн 1, 2 и охватывала примерно 5 интерференционных лепестков нижней антенны, а в случае (б) все три антенны были одинаковыми с нижней антенной. Как видно из графиков (см. фиг. 2), при правильном построении антенной системы возможно однозначное определение угла места цели, а при неправильном уравнения системы 3 имеют несколько одинаковых корней и однозначное определение угла места цели становится невозможно.

Элементы структурной схемы предложенного устройства выполнены следующим образом.

В качестве антенн 1, 2, 3 можно использовать симметричные горизонтально направленные антенны (например, зеркальные или рупорные). Приемники 4, 5, 6 выполнены по обычной супергетеродинной схеме. Ограничение сигналов по амплитуде в тракте приемников недопустимо. Идентичность амплитудных и фазовых характеристик этих приемников не требуется. Спецвычислитель 7 выполнен в цифровом виде и представляет собой специализированную ЭВМ для совместного решения системы двух трансцендентных уравнений (3) с одним неизвестным и выбора из множества корней этих уравнений одного одинакового для обоих уравнений.

Динамика работы предложенного устройства осуществляется следующим образом.

Приемные антенны 1, 2, 3 принимают эхо-сигналы маловысотной цели, приходящие к антенне как прямой радиоволной, так и радиоволной, отраженной от земли. Приемники 4, 5, 6 усиливают эхо-сигналы, преобразуют и, на промежуточную частоту и детектируют. Выходные напряжения U₁, U₂, U₃ приемников на видеочастоте поступают на вычислитель 7, где они преобразуются в цифровую форму. Вычислитель 7 определяет угол места маловысотной цели путем совместного решения системы уравнений (3) на интервале угломестного рабочего сектора устройства.

Использование: в маловысотных РЛС обнаружения для измерения углов места. Сущность изобретения: содержит три симметричные горизонтально направленные разнесенные по высоте приемные антенны 1, 2, 3, три приемника 4, 5, 6, вычислитель 7 угла места маловысотной цепи, что позволяет обеспечить измерение углов места маловысотных цепей в селекторе малых углов места над землей. 1-4-7, 2-5-7, 3-6-7. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВ МЕСТА МАЛОВЫСОТНЫХ ЦЕЛЕЙ, содержащее три симметричные горизонтальные направленные, разнесенные по высоте приемные антенны, каждая из которых соединена с соответствующим приемников, отличающееся тем, что введен вычислитель угла места θ маловысотной цели, первый, второй и третий входы которого соединены с выходами соответствующих приемников, а выход является выходом устройства, причем вычисление угла q производится по следующим формулам:


где U₁, U₂, U₃ амплитуды напряжений эхо-сигналов на выходах приемников нижней, средней и верхней антенн соответственно,
максимальные коэффициенты усиления нижней, средней и верхней антенн соответственно;
K₁, K₂, K₃ коэффициенты усиления приемников;
λ длина волны;
F₁(θ), F₂(θ), F₃(θ) нормированные диаграммы направленности соответствующих антенн в вертикальной плоскости в свободном пространстве;
h₁, h₂, h₃ высоты подъема соответствующих антенн над землей.