УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ПОМЕХ МАЛОВЫСОТНОГО ДАЛЬНОМЕРА Российский патент 1995 года по МПК G01S7/36 

Изобретение относится к радиолокации, в частности к основам построения и конструкции импульсных радиолокационных дальномеров, и может быть использовано в маловысотных дальномерах для защиты от ответных импульсных и прицельных радиопомех.

Известен адаптивный компенсатор активных помех для радиолокационного приемника, принимающего отраженные от цепи сигналы передатчика совместно с сигналами активных помех, создаваемых постановщиком помех [1] Антенная фидерная система разделяет приходящие сигналы на два канала в соответствии с двумя взаимно ортогональными линейными поляризациями сигналов. В состав каждого канала входит алгебраический сумматор, выходной сигнал которого подается на один из двух входов адаптивного компенсатора. На второй вход компенсатора, относящегося к второму каналу, подается входной сигнал сумматора первого канала. Выходной сигнал второго компенсатора поступает на один из входов второго сумматора, на второй вход которого подается входной сигнал второго канала. Амплитуды очищенных от активных помех сигналов двух каналов сравниваются в компараторе, и сигнал с большей амплитудой подается на выход устройства.

Однако такой компенсатор не может подавлять ответные импульсные помехи и другие прицельные помехи, длительность которых равна или меньше длительности импульса зондирующего сигнала передатчика. Это объясняется тем, что для автоматической настройки в режим подавления помехи в процесса работы адаптивный компенсатор затрачивает время, превышающее длительность импульса эхо-сигнала цепи. В результате эхо-сигнал цели не будет подавляться компенсатором (в отличие от продолжительной помехи). Активные помехи в виде импульсов короткой длительности таким компенсатором подавляться не успевают так же, как и эхо-сигналы цели.

Известна также радиолокационная система обнаружения низколетящих целей [2] которую можно использовать для измерения дальности маловысотных целей. Цель обнаруживается с помощью радиолокационного приемопередатчика, антенна которого излучает радиоимпульс в течение интервала передачи и принимает отраженный от цели эхо-сигнал в течение интервала приема. Высокочастотная энергия в течение одного из этих интервалов разделяется на две компоненты с помощью двух разнесенных по вертикали излучателей. Между приемопередатчиком и антенной высокочастотная энергия распространяется по двум параллельным ветвям, которые затем объединяются в суммарном и разностном каналах. Для обнаружения цели выбирается тот канал, в котором интенсивность сигнала выше.

Однако такая радиолокационная система не защищена от ответных импульсных и других помех на несущей частоте передатчика (прицельных).

Наиболее близким к изобретению является обычный импульсный радиолокационный дальномер, передатчик которого излучает колебания сверхвысокой частоты в виде периодически повторяющихся зондирующих импульсов [3] В промежутках времени между зондирующими импульсами происходит прием отраженных от цели импульсов. С выхода приемника принятые импульсы поступают на индикаторное устройство, позволяющее измерять интервал времени между началом излучения зондирующего импульса и началом приема отраженного от цели импульса, а следовательно, определить расстояние до цели.

Однако этот дальномер не защищен от ответных импульсных и других прицельных помех, несущая частота которых совпадает с несущей частотой зондирующих сигналов дальномера.

Ответные импульсы помехи имеют ту же длительность, несущую частоту и частоту следования импульсов, что и эхо-сигналы цели, но другое время запаздывания. В результате на индикаторах дальномера появляется множество отметок ложных целей, выделить среди которых отметку истинной цели весьма затруднительно.

Задачей изобретения является защита маловысотного дальномера от ответных импульсных помех, приходящих по верхней части главного лепестка и верхним боковым лепесткам диаграммы направленности антенны.

Для этого в устройстве защиты от помех маловысотного дальномера, содержащем импульсный передатчик, приемник, антенный переключатель "прием-передача" и приемопередающую антенну, антенна дальномера выполнена в виде синфазной эквидистантной антенной решетки из разнесенных по высоте одинаковых горизонтально направленных симметричных излучающих элементов, имеет косинусоидальное амплитудное распределение по высоте апертуры решетки, а вертикальный размер этой апертуры равен максимальной высоте антенны над Землей, верхняя половина антенной решетки связана с приемником верхнего канала, а нижняя половина с приемником нижнего канала, в состав дальномера дополнительно включены сумматор, суммирующий напряжения с выходов канала приемника на промежуточной частоте, три амплитудных детектора, детектирующих сигналы с выходов приемных каналов и сумматора, и два устройства вычитания, вычитающий модуль разности видеосигналов нижнего и верхнего приемных каналов из видеосигнала суммарного канала.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 диаграммы направленности нижней и верхней половины антенной решетки; на фиг. 3 зависимость отношения сигнал/шум на выходе предложенного устройства от угла, места цели при различных значениях отношения плотностей мощности прямых радиоволн эхо-сигналов и помехи; на фиг. 4 зависимость отношения сигнал/помеха на выходе приемника прототипа.

Устройство защиты от помех состоит из импульсного передатчика 1, антенного переключателя 2, переключающего антенну дальномера с передачи на прием, приемопередающей синфазной антенной решетки 3 из разнесенных по высоте одинаковых излучающих элементов, нижняя половина которой связана через антенный переключатель 2 с приемником нижнего канала 4, а верхняя половина с приемником верхнего канала 5, сумматора 6, суммирующего напряжения с выходов приемных каналов на промежуточной частоте, трех амплитудных детекторов 7-9, детектирующих сигналы с выходов приемников нижнего, верхнего каналов и сумматора соответственно, устройства 10 вычитания, на вход которого поступают напряжения U_mн и U_mввидеосигналов нижнего и верхнего каналов приема, а на выходе образуется модуль разности этих напряжений I U_mн U_mв I, устройства 11 вычитания, на вход которого поступают видеосигнал суммарного канала U_mΣ и напряжение с выхода устройства 10 вычитания, а на выходе выделяется видеосигнал цели U_c U_mΣ- I U_mн U_mв I.

Для борьбы с ответными импульсами и другими прицельными помехами, приходящими по верхней части главного лепестка или по верхним боковым лепесткам диаграммы направленности антенны, использованы следующие два часто встречающиеся на практике отличия помехи и эхо-сигнала:
угломестное направление прихода помехи отличается от направления прихода эхо-сигнала маловысотной цели;
фаза помехи почти никогда точно не совпадает с фазой эхо-сигнала.

При этом также учитывается, что уровень помехи может значительно превышать уровень эхо-сигналов цели.

Предложенное устройство обладает следующим важным свойством: напряжение принимаемых сигналов на выходе устройства отлично от нуля, когда источник радиоизлучения (постановщик радиопомех или переотражающая зондирующие сигналы цель) находится в угломестном секторе 0 < θ < arcsin (λ длина волны; h средняя высота антенны над землей), и напряжение на выходе равно нулю при углах места источника θ ≥ arcsin несмотря на то, что антенна принимает помехи от этого источника по верхней части главного луча и верхним боковым лепесткам диаграммы направленности антенны.

Для доказательства этого свойства ниже приводятся необходимые математические формулы
Положим, что антенна направлена по азимуту на источник радиоизлучения. Тогда комплексная амплитуда напряжения на выходе нижнего или верхнего приемного канала (до детектора) определяется известным выражением
KF_a(θ)Φ(θ)e^jϕ, (1) где λ длина волны; К_у коэффициент усиления приемного канала; R_вх входное сопротивление приемника; G_m максимальный коэффициент усиления всей антенны; S плотность потока мощности прямой радиоволны от источника вблизи РЛС; ϕ фаза радиоволны, приходящей от источника в точку расположения антенны РЛС на поверхности земли; θ угол места источника радиоизлучения; Fa (θ) нормированная диаграмма направленности приемной антенны (нижней или верхней половины решетки) в вертикальной плоскости в свободном пространстве; Φ (θ) интерференционный множитель, учитывающий влияние земли на поле радиоволн.

Применительно к антенне предложенной конструкции формулу (1) можно представить в следующем виде
K e^jϕ ×
sine +e (2) для нижнего приемного канала и
K e^jϕ ×
× sine +e (3) для верхнего приемного канала, где , комплексные амплитуды напряжений на выходах нижнего и верхнего приемных каналов; F_э (θ) нормированная диаграмма направленности в вертикальной плоскости в свободном пространстве излучающего элемента антенной решетки; N количество излучающих элементов всей антенной решетки (N четное); n текущий номер излучающего элемента (нумерация снизу вверх); h средняя высота всей антенны над землей; К 2 π / λ волновое число; θ угол места источника; комплексный коэффициент отражения радиоволн от земной поверхности при вертикальной или горизонтальной поляризации радиоволн.

При этом учитывалось, что все излучающие элементы антенной решетки одинаковы, направлены горизонтально, имеют симметричные диаграммы направленности в вертикальной плоскости, расположены на одинаковых расстояниях друг от друга и запитываются синфазно, а амплитудное распределение на всей антенной решетке косинусоидальное.

Известно, что при малых углах скольжения комплексный коэффициент отражения радиоволн от земли =-1 при любой поляризации радиоволн, а при горизонтальной поляризации и высокой проводимости подстилающей поверхности практически при любых углах скольжения. Учитывая это и используя известные математические формулы для сумм тригонометрических функций, формулу Эйлера и другие формулы тригонометрии, можно представить формулы (2) и (3) в следующем виде
= A ef_н(θ); (4)
= A ef_в(θ), (5) где
A K_уλ ; (6) f_н (θ), f_в(θ) диаграммы направленности в вертикальной плоскости нижней и верхней половины антенной решетки с учетом влияния земли, равные
f_н(θ) 2F_э(θ)sin; (7)
f_в(θ) 2F_э(θ)sin ×
× 2tgsin(khsinθ)-tg. (8)
Полагается, что коэффициенты усиления Ky нижнего и верхнего приемных каналов одинаковы.

Из формул (4-8) видно, что напряжения и на выходах нижнего и верхнего приемных каналов в зависимости от угла места θ источника радиоизлучения будут либо в фазе, либо в противофазе и не могут иметь какого-либо иного сдвига фаз между ними, т.е. могут отличаться знаком. Знаки этих напряжений определяются знаком соответствующих лепестков диаграмм направленности f_н (θ), f_в(θ) нижней и верхней половины антенной решетки с учетом влияния земли.

Расчеты по формулам (4) и (5) показали, что напряжения , (или диаграммы f_н,f_в) имеют одинаковые знаки только в сравнительно узком угломестном секторе 0 < θ < < arcsin (т.е. в пределах нижнего интерференционного лепестка для верхней половины антенной решетки) и имеют разные знаки при θ > arcsin . Это можно видеть на фиг. 2, где представлены диаграммы направленности f_н(θ) f_в(θ) нижней и верхней (штриховая кривая) половины антенной решетки в вертикальной плоскости с учетом влияния земли. Эти графики рассчитаны для частной реализации предложенной антенны (длина волны λ 0,35, средняя высота антенны h 8 м, количество излучающих элементов N 80) при использовании ненаправленных в вертикальной плоскости излучающих элементов решетки, например, горизонтальных вибраторов (F_э (θ) 1). На фиг. 2 видно, что знаки f_н(θ), f_в(θ) совпадают только в указанном узком рабочем угломестном секторе, а вне его нули диаграммы совпадают и знаки лепестков противоположны. Напряжение на выходе предложенного устройства определено выражением
U_c= U_mΣ-U-U+--. (9)
Из формулы (9) видно, что напряжение на выходе предложенного устройства U_c равно нулю, когда напряжения , имеют разные знаки, и отлично от нуля, когда знаки , одинаковы.

Таким образом, эхо-сигнал цели, находящейся в указанном угломестном рабочем секторе, пройдет на выход предложенного устройства, а напряжение помехи от постановщика помех, находящегося вне рабочего сектора при углах места θ_п ≥ arcsin , не пройдет на выход устройства и помеха будет подавлена, несмотря на то, что антенны устройства принимают помеху по верхней части главного луча или верхним боковым лепесткам. Основное свойство предложенного устройства доказано.

Верхний граничный угол θ_o угломестного рабочего сектора приближенно определяется соотношением
θ_o arcsin (10)
Эта формула справедлива при большом (несколько десятков) количестве N излучающих элементов антенной решетки. При малом количестве N элементов антенной решетки этот угол можно найти из решения трансцендентного уравнения (8):
2tgsin(khsinθ_o)-tg 0. (11)
Из формулы (11) видно, что при большом количестве N элементов решетки тангенсы можно заменить аргументами, при этом верхний граничный угол θ_о не будет зависеть от N и определяется формулой (10). Разумеется, что количество N элементов антенной решетки должно быть четным.

При наличии ответных импульсных помех от постановщика, находящегося под углом места θ_п>θ_o импульсы помех и эхо-сигналов маловысотной цели зачастую приходят к антенне РЛС в разное время. В этом случае предложенное устройство полностью подавляет ответные импульсные помехи и выделяет на выходе импульсы эхо-сигналов маловысотной цели, т.е. обеспечивает эффективную борьбу с ответными импульсными помехами.

Следует отметить, что указанное основное свойство предложенного устройства выполняется только при использовании антенны предложенной конструкции. Изменения этой конструкции, например увеличение высоты подъема антенны по сравнению с вертикальным размером апертуры, изменение амплитудного и фазового распределения на апертуре, нарушение идентичности, симметрии и направления излучающих элементов решетки и т.п. приводят к нарушению указанного свойства устройства. Поэтому указанные отличительные признаки антенны (синфазность, косинусоидальное амплитудное распределение, эквидистантность, идентичность, горизонтальная направленность и симметрия излучающих элементов) являются существенными и принципиально необходимы для работы устройства.

Предложенное устройство позволяет также вести эффективную борьбу с протяженными прицельными помехами на несущей частоте дальномера, приходящими по верхней части главного луча и верхним боковым лепесткам антенны. В этом случае эхо-сигналы цели и помеха приходят к антенне дальномера одновременно, когда импульсов эхо-сигналов цели нет, такая помеха полностью подавляется и не проходит на выход устройства. При одновременном наличии помехи и эхо-сигнала цели напряжение на выходе устройства будет равно
U_c= Af_н(θ_ц)+f_в(θ_ц)+ [f_н(θ_п)+f_в(θ_п)e
f_н(θ_ц)+f_н(θ_п)e-f_в(θ_ц)+f_в(θ_п)e, (12) где S_ц, S_п плотности мощности прямой волны эхо-сигнала цели и помехи вблизи антенны дальномера соответственно; θ_ц, θ_п углы места маловысотной цели и постановщика помех; А коэффициент, определенный формулой (6); f_н, f_в диаграммы направленности в вертикальной плоскости с учетом влияния земли нижней и верхней половины антенной решетки (7,8); Δ ϕ разность фаз прямых радиоволн помехи и эхо-сигнала в точке расположения антенны дальномера на поверхности земли.

Формула (12) записана для наиболее неблагоприятного случая, когда азимуты постановщика помех и цели одинаковы.

Из формулы (12) видно, что напряжение на выходе устройства равно нулю, когда помеха и эхо-сигнал находятся в фазе или противофазе (Δ ϕ=0 или Δ ϕ), и отлично от нуля при иных сдвигах фаз помехи и эхо-сигнала. Максимальное значение напряжения на выходе устройства будет при сдвиге фаз Δ ϕ Практически помеха и эхо-сигнал почти никогда не бывают точно в фазе или противофазе и сдвиг фаз между ними постоянно изменяется в широких пределах. Это позволяет обнаружить маловысотную цель с помощью предложенного устройства при наличии интенсивной прицельной помехи, приходящей с углов места θ_п ≥ θ_o.

Расчеты по формуле (12) показали, что при наличии эхо-сигнала маловысотной цели и протяженной прицельной помехи от высоколетящего постановщика помех напряжение на выходе предложенного устройства зависит не только от сдвига фаз помехи и эхо-сигнала, но и от интенсивности помехи, т.е. от отношения S_ц/S_п плотностей мощности прямых радиоволн от цели и постановщика помех вблизи антенны РЛС. При повышении интенсивности помехи уровень напряжения на выходе устройства уменьшается, т.е. интенсивная помеха ухудшает отношение сигнал/шум приемника на выходе устpойства, несмотря на то, что при отсутствии эхо-сигнала эта помеха полностью подавляется и на выход устройства не проходит.

Сравнительная оценка помехозащищенности предложенного устройства от прицельных помех, приходящих с углов места θ_п ≥ θ_o по сравнению с прототипом поясняется с помощью расчетных графиков, изображенных на фиг. 3 и 4. На фиг. 3 представлены зависимости отношения Р_с/Р_ш сигнал/шум на выходе предложенного устройства от угла места θ_ц маловысотной цели при различных значениях отношения S_ц/S_п плотностей мощности прямых радиоволн эхо-сигналов и помехи вблизи РЛС для помехи, приходящей с угла места θ_п1^о и сдвига фаз помехи и сигнала Δ ϕ 90^о. На фиг. 4 представлены аналогичные графики отношения Р_с/Р_п сигнал/помеха на выходе приемника прототипа при прочих равных условиях. При этом полагалось, что уровень собственных шумов приемников предложенного устройства и прототипа одинаков и на 20 дБ ниже максимального значения уровня эхо-сигнала цели в прототипе в рассматриваемом угломестном секторе. Эти расчеты проведены для частной реализации приемопередающей антенной решетки РЛС (длина волны λ 0,35 м, средняя высота антенны h 8 м, количество элементов антенной решетки N 80). Сравнение графиков на фиг. 3 и 4 показывает, что предложенное устройство позволяет улучшить отношение сигнал/шум на 15-20 дБ при воздействии интенсивной прицельной помехи по сравнению с прототипом при прочих равных условиях. При этом выигрыш возрастает при использовании приемников с низким коэффициентом шума и возрастании интенсивности помех. Перечисленные выше элементы структурной схемы предложенного устройства выполнены следующим образом. Сумматор 6, амплитудные детекторы 7-9 и устройства 10 и 11 вычитания выполнены по обычным известным схемам. При этом модуль разности видеосигналов нижнего и верхнего приемных каналов I U_mн-U_mв I на выходе устройства 10 вычитания может быть получен, например, с помощью известной мостовой диодной схемы, широко используемой в двухполупериодных выпрямителях. Антенный переключатель 2 имеет обычную известную конструкцию и подключает передатчик одновременно к обеим половинам антенной решетки при передаче, а при приеме верхнюю половину решетки подключает к приемнику 5, а нижнюю к приемнику 4. Излучающие элементы приемопередающей антенны 3 одинаковы и могут быть выполнены, например, в виде симметричных горизонтальных вибраторов или рупорных излучателей. Косинусоидальное амплитудное распределение на апертуре антенной решетки установлено с помощью элементов связи излучающих элементов с общим фидерным трактом. Другие элементы, показанные на фиг. 1, ничем не отличаются от соответствующих элементов прототипа.

Устройство защиты от помех работает следующим образом.

Передатчик формирует импульсный зондирующий сигнал, антенный переключатель подключает его ко всей антенной решетке, которая излучает этот сигнал в секторе малых углов места. Эхо-сигналы маловысотной цели в угломестном рабочем секторе 0 < θ_ц< θ_о принимаются верхней и нижней половиной антенной решетки и поступает соответственно в верхний и нижний приемные каналы. Аналогично принимаются ответные импульсные или другие прицельные помехи, приходящие с углов места θ_п ≥ θ_o Напряжения с выходов приемников нижнего и верхнего каналов на промежуточной частоте суммируются сумматором, детектируются амплитудными детекторами и поступают на устройства вычитания, которые вычитают модуль разности видеосигналов нижнего и верхнего приемных каналов из видеосигналов суммарного канала. При этом помехи на выходе предложенного устройства подавляются.

Следует отметить, что при отсутствии помех уровень эхо-сигнала маловысотной цели на выходе предложенного устройства примерно на 3 дБ ниже, чем у равноценного прототипа. Поэтому при отсутствии помех целесообразно использовать сигнал не с выхода устройства, а с выхода амплитудного детектора 9 суммарного канала. При этом и при отсутствии помех предложенное устройство ничем не будет уступать прототипу, а при наличии помех предложенное устройство значительно эффективнее последнего.

Для эффективной работы предложенного устройства желательно, чтобы коэффициент отражения радиоволн от подстилающей поверхности был близок к = 1. Поэтому в предложенном дальномере целесообразно использовать радиоволны горизонтальной поляризации и применять дальномер на позициях в морском секторе. При использовании предложенного дальномера в сухопутных районах целесообразно вырубить растительность вблизи антенны и выровнять площадку, а при необходимости эффективно бороться с помехами, приходящими с больших углов места, целесообразно покрыть площадку вблизи антенны металлической сеткой.

Таким образом, предложенное устройство позволяет почти полностью подавить ответные импульсные помехи, приходящие по верхней части главного луча и верхним боковым лепесткам диаграммы направленности антенны, а также улучшить отношение сигнал/шум на 15-20 дБ по сравнению с прототипом при борьбе с протяженными прицельными помехами.

Использование: защита от помех радиолокационных дальномеров. Сущность изобретения: устройство содержит передатчик 1, антенный переключатель 2, приемопередающую антенну 3, приемник из двух каналов 4 и 5, сумматор 6, три амплитудных детектора 7 - 9 и два блока 10 и 11 вычитания. 1-2-3-2-4-6-9-11, 3-2-5-6, 4-7-10, 5-8-10. 4 ил.

УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ПОМЕХ МАЛОВЫСОТНОГО ДАЛЬНОМЕРА, содержащее импульсный передатчик, соединенный через антенный переключатель с приемопередающей антенной, и двухканальный приемник, отличающееся тем, что приемопередающая антенна выполнена в виде синфазной эквидистантной антенной решетки из разнесенных по высоте одинаковых горизонтально направленных симметричных излучающих элементов, имеет косинусоидальное амплитудное распределение по высоте апертуры решетки, а вертикальный размер апертуры равен максимальной высоте антенны над Землей, верхняя и нижняя половины антенной решетки связаны через антенный переключатель соответственно с верхним и нижним каналами приемника, а также включены сумматор, три амплитудных детектора и два блока вычитания, при этом входы сумматора соединены с выходами верхнего и нижнего каналов приемника, входы амплитудных детекторов соединены с выходами каналов приемника и сумматора, а выходы амплитудных детекторов сигналов верхнего и нижнего каналов соединены с входами первого блока вычитания, выход которого и выход амплитудного детектора суммарного сигнала соединены с входами второго блока вычитания.