РАДИОЛОКАТОР МАЛЫХ ДАЛЬНОСТЕЙ Российский патент 1995 года по МПК G01S13/34 

Изобретение относится к измерительной радиотехнике и может быть использовано в радиолокации, авиации, космической технике, авто- и железнодорожном транспорте и других областях, где требуется измерять малую дальность с высокой точностью и в первую очередь до плоских протяженных объектов, например высоту до земли и др. В авиации широко используются радиолокационные радиовысотомеры, основанные на измерении времени запаздывания τ_з сигнала, отраженного от поверхности земли, относительно зондирующего. Запаздывание равно времени прохождения радиосигнала до поверхности и обратно, а высота Н определяется по формуле
H τ_з (1) где С скорость света.

При импульсном излучении (импульсные высотомеры) измерение осуществляется путем контроля промежутков времени между моментами излучения и приема радиоимпульсов.

Наибольшее распространение получили радиовысотомеры с частотной модуляцией (ЧМ), у которых время запаздывания τ_з определяется по средней частоте биений между принятым и опорным сигналами (1).

Частота биений F_б выделяется после перемножения принятого сигнала с сигналом, поступающим от передатчика и выражается следующей формулой:
F_б= K_м τ_з (2) где Δf_D девиация частоты;
Т_м период модуляции;
К_м коэффициент закона модуляции.

Для несимметричной линейной пилы, симметричной пилы и синусоиды соответственно К_м 1, 2, 2.

С учетом F_б, значение высоты высотомера с ЧМ может быть определено по формуле:
H (3)
Основными недостатками ЧМ-радиолокаторов малой дальности являются:
функциональная сложность, вызванная наличием большого числа сложных радиоустройств (модулятора и ЧМ-передатчика, приемной и передающей антенны, супергетеродинного приемника, различных схем слежения и т.д.);
недостаточная точность измерения малых дальностей не лучше 10^-2 от дальности или примерно 1 м (1) из-за возникновения шаговой ошибки измерения частоты, причем принимаемые меры по ее устранению (двойная ЧМ-модуляция) зачастую недопустимо усложняют схему радиовысотомера.

Целью изобретения является повышение точности и упрощение радиолокатора.

Для этого предлагается радиолокатор малых локальностей, содержащий антенну, подключенную к приемо-передатчику, и частотомер.

Согласно изобретению, приемопередатчик выполнен в виде отрезка волновода, ненагруженный конец которого снабжен короткозамыкателем, на удалении четверти длины волны от которого установлен усилитель сверхвысоких частот (СВЧ) отражательного типа, катод которого соединен с волноводом, а к анодной цепи последовательно подключены фильтр нижних частот и частотомер в качестве индикатора высоты.

Усилитель СВЧ выполнен на диоде Ганна или лавинопролетном диоде.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства; на фиг.2 эквивалентная схема системы с ЗОС.

Предлагаемая схема основана на представлении радиолокатора (радиовысотомера) в виде простого ретранслятора радиосигнала, которая в совокупности с цепью запаздывания радиосигнала ретранслятор плоская поверхность земли ретранслятор образует систему с задержанной обратной связью (ЗОС). Система с ЗОС включает собственно усилитель (ретранслятор) и цепь задержки обратной связи τ_з.

Теория системы с ЭОС показывает, что амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) подобной системы имеет гребенчатый вид, у которой максимумы эквивалентно расположены по частоте через частотные интервалы Ω .

Если усиление усилителя (ретранслятора) превышает затухание сигнала обратной связи, то образуется автогенератор, возбуждаемый на одной из собственных частотах.

Предлагаемый радиолокатор (фиг.1) содержит приемопередающую антенну 1 и подключенный к ней приемопередатчик ретрансляционного типа, представляющий собой усилитель 2 сверхвысоких частот (СВЧ) отражательного типа, расположенный внутри отрезка волновода 3, противоположный от антенны 1 конец которого снабжен короткозамыкателем 4. Усилитель СВЧ 2 установлен на удалении четверти длины волны λ_в/4 от короткозамыкателя 4, при этом катод генератора 2 соединен с волноводом, а к аноду подключены последовательно фильтр нижних частот (ФНЧ) 5 и частотомер 6 в качестве индикатора. В качестве усилителя СВЧ 2 может быть использован лавинопролетный диод либо диод Ганна.

Как показывают экспериментальные исследования подобный автогенератор на диоде Ганна с ЗОС генерирует периодическую последовательность очень коротких радиоимпульсов (доли н.с.) с периодом повторения, равным величине τ_з запаздывания волны по цепи: ретранслятор поверхность ретранслятор.

Генерация периодической последовательности радиоимпульсов одновременно сопровождается детектированием этой последо- вательности диодом Ганна усилителя СВЧ-2.

Именно эти два главнейших фактора: генерирование периодической последовательности с периодом запаздывания τ_з и возможность выделения этой величины τ_з запаздывания с анода диода усилителя 2 положены в основу предложения.

В данном случае измерение дальности (высоты Н эквивалентно выделению с анодной цепи первой гармоники видеопоследовательности Ω₁= фильтром нижних частот (ФНЧ)-5 и измерению этой частоты частотомером 6.

Предлагаемый радиолокатор (на примере высотомера) работает следующим образом.

Собственные шумы усилителя СВЧ 2 через приемопередающую антенну 1 излучаются в сторону плоской поверхности (земли). Если усиление ретранслятора, включающего антенну 1 и усилитель 2, превышает затухание обратной связи по цепи: ретранслятор земля ретранслятор, то ретранслятор самовозбуждается и генерирует периодическую последовательность радиоимпульсов с периодом τ_з, которая детектируется диодом усилителя 2 и преобразуется в периодическую видеопоследовательность сигнала, из которой с помощью ФНЧ 5 выделяется первая гармоника.

Далее с помощью частотомера 6 осуществляется измерение частоты этой гармоники. Зная Ω₁ нетрудно пересчетом получить τ_з и Н, т.е. время задержки и высоту. На практике путем однократной градуировки переводят шкалу частотомера в значение высоты.

Предлагаемое устройство отличается большей функциональной простотой РЛС (радиовысотомера малых высот), вызванной отсутствием каких бы то ни было схем формирования зондирующего сигнала и сопряженных с подобными сигналами радиоприемных устройств (в предлагаемом устройстве передатчик, приемник и детектор объединены в одном кристалле диода Ганна); более высокой точностью измерения (на несколько порядков), вызванной простотой схемы и отсутствием дестабилизирующих факторов, связанных с преобразованиями радиосигнала и др.

Использование: измерение дальности. Сущность изобретения: радиолокатор малых дальностей содержит приемопередающую антену 1, усилитель 2 сверхвысоких частот отражательного типа, расположенный внутри отрезка волновода 3, короткозамыкатель 4, фильтр нижних частот 5 и частотомер 6. 1 - 2 - 5 - 6. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. РАДИОЛОКАТОР МАЛЫХ ДАЛЬНОСТЕЙ, содержащий антенну, подключенную к приемопередатчику, и частотомер, отличающийся тем, что приемопередатчик выполнен в виде отрезка волновода, ненагруженный на антенну конец которого снабжен короткозамыкателем, на удалении четверти волны от короткозамыкателя установлен усилитель сверхвысоких частот (СВЧ) отражательного типа, катод которого соединен с волноводом, а к анодной цепи последовательно подключены фильтр нижних частот и частотомер. 2. Радиолокатор по п. 1, отличающийся тем, что усилитель СВЧ отражательного типа выполнен на диоде Ганна. 3. Радиолокатор по п. 1, отличающийся тем, что усилитель СВЧ отражательного типа выполнен на лавинопролетном диоде.