МАЛОВЫСОТНАЯ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННАЯ РЛС Российский патент 1995 года по МПК G01S7/36 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в наземных РЛС обнаружения маловысотных целей и в приемных установках радиолиний связи для защиты от активных прицельных радиопомех высокой интенсивности, угол прихода которых не совпадает с углом места полезного сигнала.

Известен адаптивный компенсатор активных помех для радиолокационного приемника (патент США N 4544926, кл. G 01 S 7/36, опубл. 1985). Приемник этого устройства принимает эхо-сигналы щели совместно с сигналами активных помех. Прием сигналов осуществляется двумя антеннами, имеющими взаимно ортогональную линейную поляризацию. Эти антенны связаны с двумя приемными каналами, в каждом из которых имеется компенсатор с обратной связью, который подавляет помеху и выделяет эхо-сигнал цели. Для обнаружения цели выбирают канал, в котором интенсивность сигнала выше.

Однако это устройство не может подавлять прицельные радиопомехи, длительность которых равна или меньше длительности импульса зондирующих сигналов РЛС. Это объясняется тем, что для автоматической настройки в режим подавления помехи в процессе работы адаптивный компенсатор затрачивает время, превышающее длительности импульса эхо-сигнала цели. В результате эхо-сигнал цели не будет подавлен компенсатором, а продолжительная помеха эффективно подавляется. Активные помехи в виде радиоимпульсов короткой длительности такой компенсатор подавить не успевает, так же как и короткие эхо-сигналы цели, и, наоборот, полезные сигналы большой протяженности такой компенсатор будет подавлять как помехи.

Наиболее близкой к предлагаемой является амплитудно-разностная РЛС (Радиолокационные устройства/Под ред. В. В.Григоряна-Рябова. М. Сов.радио, 1970, с. 442), которую можно использовать, например, для обнаружения целей, измерения дальности и угла места цели и сопровождения цели по углу места. В этом случае зеркальная приемная антенна прототипа содержит два одинаковых разнесенных по высоте облучателя, первый из которых расположен выше фокуса параболического зеркала антенны, а второй ниже фокуса. Зеркальная антенна формирует две одинаковые, смещенные по углу места диаграммы направленности, первая из которых смещена по углу места вниз по оси зеркала, а вторая вверх. Равносигнальное направление совпадает с осью зеркала антенны.

Принимаемые эхо-сигналы цели с выходов первого и второго облучателей антенны подаются соответственно в первый и второй каналы приема. В этих двух приемных каналах сигналы усиливаются, преобразуются на промежуточную частоту с помощью смесителей и общего гетеродина, детектируются и подаются на устройство вычитания. Напряжение на выходе устройства вычитания содержит информацию об угле места цели и пропорционально этому углу. Это напряжение может быть также использовано в системе управления антенной при автосопровождении цели по углу места. Импульсный эхо-сигнал цели, принимаемый по одному из двух приемных каналов до устройства вычитания, можно использовать также для обнаружения цели и измерения дальности цели.

Недостатком прототипа является то, что он практически не может обнаружить цели и измерять координаты целей при наличии интенсивных прицельных активных радиопомех на рабочей частоте РЛС. Когда источник таких радиопомех не находится на борту цели и угломестное направление на этот источник не совпадает с углом места цели, прототип может лишь пеленговать источник радиопомех по углу места, а обнаружение и сопровождение цели сильно затруднено и зачастую невозможно.

Задачей изобретения является защита от интенсивных активных прицельных радиопомех произвольной длительности, угол прихода которых не совпадает с углом места маловысотной цели.

Для этого в маловысотную помехозащищенную РЛС, содержащую двухлучевую приемную зеркальную антенну с двумя одинаковыми облучателями, один из которых расположен выше фокуса зеркала, а другой ниже, два приемных канала, входы которых связаны с соответствующими облучателями антенны, амплитудный детектор и устройство вычитания, вычитающее выходные напряжения приемных каналов, введен измеритель угла места Q_п постановщика помех, нижний луч двухлучевой приемной антенны направлен горизонтально, а верхний луч смещен вверх по углу места на половину угломестной ширины его диаграммы направленности по нулям, в каждом приемном канале до устройства вычитания установлены амплитудные ограничители с одинаковым порогом ограничения, амплитудный детектор установлен на выходе устройства вычитания, в приемном канале верхнего луча между выходом приемника по промежуточной частоте и амплитудным ограничителем установлен управляемый фазовращатель, изменяющий фазу выходного напряжения приемника верхнего луча на величину
ϕ · sinθ_п+ [1+signF(θ_п-2θ_o)-signF(θ_п)] (1) где h высота подъема антенны над земной поверхностью;
λ длина волны;
θ_п угол прихода помехи, измеренный измерителем угла места постановщика помех;
θ_o угол наклона оси зеркала антенны вверх, равный четверти угломестной ширины диаграммы направленности верхнего луча антенны по нулям;
F(θ_п-2θ_о,F θ_п) значения нормированных диаграмм направленности верхнего и нижнего лучей антенны соответственно в направлении постановщика помех;
sign знак числа.

При этом приемную антенну РЛС по углу места не вращают и цель по углу места не сопровождают, так как задача предложенной РЛС состоит только в обнаружении маловысотных целей при наличии интенсивных прицельных радиопомех и измерении дальности и азимута такой цели. Кроме того, из состава устройства-прототипа исключен один из двух амплитудных детекторов и схема управления антенной по углу места.

На фиг. 1 представлена упрощенная структурная схема приемной части предлагаемого устройства, а также условно показаны приемная двухлучевая вертикальная антенна РЛС с двумя облучателями, антенная система измерителя угла постановщика помех и диаграммы направленности антенн.

Маловысотная помехозащищенная РЛС содержит измеритель 1 угла места постановщика помех 1 со своей антенной системой 2 в виде двух разнесенных по высоте элементов, принимающих помеху, двухлучевую приемную зеркальную антенну, состоящую из параболического зеркала 3 и облучателей 4 и 5 нижнего и верхнего лучей соответственно, приемники 6 и 7, управляемый фазовращатель 8, амплитудные ограничители 9 и 10, блок 11 вычитания, амплитудный детектор 12, блок 13 обнаружения и измерения дальности до цели и передатчик 14.

Принцип действия предложенного устройства поясняется следующим. Для борьбы с активными прицельными помехами высокой интенсивности и произвольной длительности на несущей частоте полезного эхо-сигнала (в том числе и с ответными импульсными помехами) использовано отличие углов прихода помехи и эхо-сигнала в угломестной плоскости.

Нижний луч приемной зеркальной антенны является основным и принимает эхо-сигналы маловысотных целей, а также попадающие в него помехи. Верхний луч приемной зеркальной антенны является вспомогательным и принимает главным образом помеху, которая затем используется для подавления помехи в основном приемном канале (приемник 6) нижнего луча. Эхо-сигналы маловысотных целей верхний луч приемной зеркальной антенны 3 почти не принимает, так как нижний первый нуль этого луча направлен в горизонтальном направлении. Кроме того, верхний луч приемной зеркальной антенны 3 практически не принимает отраженные от земли радиоволны. С учетом этих замечаний комплексная амплитуда напряжения помехи на выходе приемника 7 верхнего луча определяется следующим выражением:
= K_уλ F(θ_п-2θ_o)ee, (2) где К_у коэффициент усиления приемника;
λ длина волны;
R_вх входное сопротивление приемника;
G_m максимальный коэффициент усиления антенны;
S_n плотность потока мощности прямой волны помехи вблизи РЛС;
ϕ_п фаза прямой волны помехи в точке расположения антенны на поверхности земли;
θ_п угол места постановщика помех;
θ_o угол наклона вверх оси зеркала антенны (верхний луч антенны смещен по углу места вверх на величину 2 θ_o, равную половине его угломестной ширины по нулям).

F(θ_п-2θ_o) значение нормированной диаграммы направленности верхнего луча антенны в направлении постановщика помех;
n высота подъема антенны над земной поверхностью.

Нижний луч антенны 3 направлен горизонтально, почти симметричен в вертикальной плоскости относительно горизонтали и по форме одинаков с верхним лучом. Этот луч принимает как прямые, так и отраженные от земли радиоволны. При этом комплексная амплитуда напряжения помехи на выходе приемника 6 нижнего луча определена формулой
= K_уλ F(θ_п)ee+e, (3) где F(θ_п) значение нормированной диаграммы направленности нижнего луча антенны в направлении постановщика помех (с учетом знака).

коэффициент отражения радиоволн от земной поверхности при вертикальной или горизонтальной поляризации.

Известно, что при малых углах скольжения ≈ -1 при любой поляризации радиоволн, а при горизонтальной поляризации над морем это условие выполняется в более широком секторе углов скольжения. При этом формула (3) упрощается:
= K_уλ F(θ)sin sine. (4)
Из формул (2) и (4) найдем сдвиг фаз ϕ ϕ_н ϕ_в напряжений помехи и на выходах приемников 6 и 7. Этот сдвиг фаз ϕ определен формулой (1). Для подавления интенсивной помехи следует выравнять фазы и амплитуды напряжений помех , и вычесть эти напряжения в блоке 11 вычитания. Выравнивание амплитуд напряжений интенсивных помех осуществляется амплитудными ограничителями 9 и 10 с одинаковым порогом ограничения. Выравнивание фаз напряжений , осуществляет управляемый фазовращатель 8, который изменяет фазу напряжения в приемном канале верхнего луча (приемник 7) на ϕ в соответствии с формулой (1) по заранее измеренному углу места θ_п постановщика помех. После этого интенсивная помеха на выходе блока 11 вычитания будет почти полностью подавлена. Полезный эхо-сигнал маловысотной цели не будет подавлен в блоке 11 вычитания, так как угол места цели θ_c отличен от угла места постановщика помех θ_п сдвиг фаз эхо-сигналов в приемных каналах нижнего и верхнего лучей иной, чем у помех, и управляемый фазовращатель 8 не выравнивает фазы напряжений эхо-сигналов.

У прототипа амплитудные детекторы приемных каналов включены перед блоком вычитания. В предложенном устройстве это недопустимо, так как в этом случае при наличии интенсивной помехи напряжение на выходе блока вычитания было бы близко к нулю и обнаружение цели стало бы практически невозможно. Следовательно, в предложенном устройстве следует использовать только один амплитудный детектор и включить его на выходе блока 11 вычитания.

Таким образом, указанные выше отличительные признаки предложенного устройства (наличие измерителя угла места постановщика помех, управляемого фазовращателя и амплитудных ограничителей, место включения амплитудного детектора и направленные свойства двухлучевой зеркальной антенны) являются существенными и принципиально необходимы для работы предложенного устройства.

Для сравнительной оценки выигрыша предложенного устройства по сравнению с прототипом были рассчитаны отношения Р_с/Р_п мощности сигнала к мощности помехи на выходе предложенной РЛС и на выходе нижнего приемного канала прототипа при прочих равных условиях в зависимости от угла места θ_п постановщика помех при фиксированном угле места θ_с 0,335^о маловысотной цели. Результаты расчетов представлены на фиг. 2, где сплошной кривой показана зависимость Р_с/Р_п для предложенного устройства, а штриховой для нижнего канала прототипа.

Эти расчеты проведены для частной реализации предложенного устройства со следующими параметрами:
длина волны λ 0,35 м;
высота подъема антенны над земной поверхностью h 15 м;
вертикальный размер параболического зеркала антенны θ_o 10 м;
угол наклона оси зеркала антенны вверх θ_o= 1,5;
угломестная ширина диаграммы направленности одного луча антенны по нулям 4θ_o 6^о;
угол наклона верхнего луча вверх 2 θ_o 3^о;
угломестный рабочий сектор маловысотной РЛС θ 0-3^о.

При этом полагалось, что уровень собственных шумов приемника был на 20 дБ ниже максимального уровня эхо-сигнала, а порог ограничения амплитудных ограничителей на 10 дБ выше максимального уровня эхо-сигнала маловысотной цели. Кроме того, полагалось, что плотность мощности прямой радиоволны помехи вблизи РЛС была на 40 дБ выше плотности мощности прямой волны эхо-сигнала маловысотной цели.

Как видно на фиг. 2, предложенное устройство нигде не уступает прототипу по отношению сигнал/помеха, а выигрыш достигает 30 дБ.

Перечисленные выше элементы структурной схемы предложенного устройства (фиг.1) выполнены следующим образом. Двухлучевая приемная зеркальная антенна имеет два одинаковых (например, рупорных) облучателя, один из которых смещен вверх из фокуса зеркала, а другой на такое же расстояние вниз. Величина смещения облучателей из фокуса выбрана таким образом, чтобы верхний луч был смещен по углу места относительно нижнего луча на половину угломестной ширины диаграммы направленности луча по нулям. Ось зеркала смещена вверх по углу места на четверть угломестной ширины этой диаграммы направленности. При этом нижний луч антенны будет направлен горизонтально.

В качестве измерителя 1 угла места постановщика помех 1 можно использовать, например, известную фазоразностную приемную систему с двумя разнесенными по высоте антенными элементами (например, рупорами). Для того, чтобы отраженные от земли радиоволны помех не снижали точность измерения угла места постановщика помех, целесообразно антенную систему 2 наклонить вверх по углу места так, чтобы она принимала прямые радиоволны помехи и не принимала отраженные от земли радиоволны. Высокий коэффициент усиления у антенной системы 2 не требуется. Для того, чтобы эхо-сигналы не снижали точности измерения угла места постановщика помех, целесообразно на время проведения текущего измерения этого угла включать передатчик РЛС.

Приемники 6 и 7, управляемый фазовращатель 8, амплитудные ограничители 9 и 10, блок 11 вычитания на промежуточной частоте приемника и амплитудный детектор 12 выполнены по обычным известным схемам. Приемники 6 и 7 одинаковы. Высокая идентичность коэффициентов усиления приемников не требуется, но требуется высокая идентичность порогов ограничения амплитудных ограничителей 9 и 10. Управляемый фазовращатель 8, амплитудные ограничители 9 и 10, блок 11 вычитания и амплитудный детектор 12 целесообразно реализовать в цифровом виде с помощью спецвычислителя с соответствующей программой работы в реальном масштабе времени. В состав спецвычислителя при этом должны входить аналого-цифровые преобразователи, преобразующие выходные напряжения приемников 6 и 7 и измеренный угол места постановщика помех в цифровую форму.

Маловысотная помехозащищенная РЛС работает следующим образом.

Сначала измеряют угол места θ_п постановщика помех измерителя 1. По этому углу места и формуле (1) определяют сдвиг фаз ϕ и устанавливают этот сдвиг фаз на управляемом фазовращателе 8. Далее включают передатчик РЛС и излучают зондирующий сигнал в направлении маловысотной цели. Зеркальная антенна РЛС принимает эхо-сигналы цели и помеху от постановщика помех. Принятые сигналы усиливаются приемниками 6 и 7 нижнего и верхнего лучей антенны и преобразуются на промежуточную частоту с помощью смесителей и общего гетеродина. Фазовращатель 8 выравнивает фазы помех в обоих каналах приема, а амплитудные ограничители 9 и 10 выравнивают интенсивные помехи по амплитуде. В блоке 11 вычитания помехи подавляются, а эхо-сигнал маловысотной цели остается, детектируется амплитудным детектором 12 и используется далее в блоке 13 обнаружения и измерения дальности цели.

Расчеты показали, что при наличии интенсивных прицельных помех предложенное устройство почти полностью подавляет помеху на выходе блока 11 вычитания и обеспечивает выигрыш в отношении сигнал/помеха до 30 дБ по сравнению с прототипом.

Однако при малой интенсивности помех предложенное устройство не дает существенных преимуществ по сравнению с прототипом и в отдельных случаях может даже привести к отрицательным результатам, когда верхний луч антенны принимает помеху малой интенсивности, которая нижним лучом не принимается.

Поэтому предложенное устройство целесообразно использовать лишь при наличии прицельных помех высокой интенсивности, а при отсутствии помех и при помехах малой интенсивности канал приема верхнего луча следует отключать. Целесообразно также использовать в предложенной РЛС радиоволны с горизонтальной поляризацией и размещать РЛС на морском побережье.

Использование: наземные РЛС обнаружения маловысотных целей. Сущность изобретения: РЛС содержит измеритель 1 угла места постановщика помех, антенную систему 2, двухлучевую приемную зеркальную антенну 3, облучатели 4 и 5 для приема нижнего и верхнего лучей соответственно, приемники 6 и 7, управляемый фазовращатель 8, амплитудные ограничители 9 и 10, блок 11 вычитания, амплитудный детектор 12 и блок 13 обнаружения и измерения дальности до цели, что позволяет при наличии интенсивных прицельных помех подавить помеху и обеспечить выигрыш в отношении сигнал/помеха. 3-4-6-9-11-12-13, 3-5-7-8-10-11, 2-1-8. 2 ил.

МАЛОВЫСОТНАЯ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННАЯ РЛС, содержащая передатчик, двухлучевую приемную зеркальную антенну с двумя облучателями, один из которых расположен выше фокуса параболического зеркала, а другой ниже, приемник нижнего луча и приемник верхнего луча, вход каждого из которых соединен с соответствующим облучателем двухлучевой приемной зеркальной антенны, блок вычитания и амплитудный детектор, выход которого соединен с блоком обнаружения и измерения дальности до цели, отличающаяся тем, что введен измеритель угла места θ_п постановщика помех, облучатель для приема нижнего луча двухлучевой приемной зеркальной антенны направлен горизонтально, облучатель для приема верхнего луча смещен вверх по углу места на половину угломестной ширины его диаграммы направленности по нулям, выход приемника нижнего луча соединен через первый амплитудный ограничитель с первым входом блока вычитания, выход приемника верхнего луча через последовательно соединенные управляемый фазовращатель и второй амплитудный ограничитель соединен с вторым входом блока вычитания, выход которого соединен с входом амплитудного детектора, при этом выход измерителя угла места постановщика помех соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя, а фаза управляемого фазовращателя изменяется в соответствии с формулой

где h высота подъема антенны над земляной поверхностью;
λ длина волны;
F(θ_п-2θ_o), F(θ_п) значения нормированных диаграмм направленности верхнего и нижнего лучей антенны в направлении постановщика помех;
sign знак числа;
θ_o угол наклона оси зеркала антенны вверх.