СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА МЕСТА МАЛОВЫСОТНЫХ ЦЕЛЕЙ Российский патент 1995 года по МПК G01S13/02 

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

Известен способ измерения углов места, используемый в угломерном устройстве радиолокационной станции, который содержит прием радиолокационных сигналов тремя разнесенными по высоте антеннами и измерение сдвигов фаз принятых сигналов [1] Результаты измерения сдвигов фаз используют для определения угла места воздушной цели или иного источника радиоизлучения.

Однако используемая для реализации этого способа антенная система состоит из трех разнесенных по высоте антенн и, следовательно, громоздка и имеет большой вертикальный размер.

Известен также способ определения высоты или угла места, используемый в РЛС с качающейся диаграммой направленности антенны, который содержит излучение и прием импульсных радиолокационных сигналов с помощью приемопередающей антенны, имеющей узкую угломестную диаграмму направленности и качающейся в вертикальной плоскости.

Недостатком способа является то, что при работе в секторе малых углов места антенна РЛС принимает как прямые эхо-сигналы цели, так и эхо-сигналы цели, отраженные от земли. Последние мешают работе РЛС, снижают точность измерения угла места маловысотных целей, а при очень малых углах места приводят к срыву работы РЛС. Кроме того, данный способ содержит технически сложную операцию вращения антенны по углу места.

Наиболее близким к изобретению является способ измерения угла места и сопровождения целей в угломестной плоскости, используемый в моноимпульсной радиолокационной системе фазовой пеленгации, который содержит излучение и прием импульсных радиолокационных сигналов с помощью двух одинаковых симметричных разнесенных по высоте антенн, связанных с передатчиком при передаче и с двумя приемниками при приеме сигналов, фазовое детектирование принятых сигналов и использование сигнала рассогласования с выхода фазового детектора для управления электродвигателем, автоматически вращающим антенную систему в вертикальной плоскости при сопровождении цели по углу места [3] При этом угол места цели определяют по текущему угломестному положению антенной системы. Антенны такой радиолокационной системы направлены одинаково и излучают радиоволны одинаковой (например, вертикальной) поляризации. Информация об угле места цели содержится в фазах принимаемых эхо-сигналов. Когда ось антенной системы точно направлена на цель, сигнал рассогласования на выходе фазового детектора равен нулю и электродвигатель не вращает антенную систему. При отклонении цели по углу места от направления оси антенны появляется сигнал рассогласования, который вызывает вращение электродвигателя и антенн по углу места до совпадения оси антенной системы с направлением на цель.

Однако для реализации способа-прототипа необходима антенная система из двух разнесенных по высоте антенн, которая громоздка и имеет большой вертикальный размер. Кроме того, данный способ почти не позволяет измерять углы места маловысотных целей в секторе малых углов места от нуля до половины угломестной ширины диаграммы направленности антенны. При этом измерение угла места цели производится с большими ошибками, а при горизонтальном направлении оси антенн измерение угла места и угломестное сопровождение цели становится невозможным. Это объясняется тем, что в секторе малых углов места антенны РЛС принимают приходящие от цели эхо-сигналы прямых и отраженных от земли радиоволн одновременно. Отраженные от земли эхо-сигналы цели искажают фазы прямых эхо-сигналов и содержащуюся в этих фазах информацию об угле места цели. Недостатком прототипа является также наличие технически сложной операции вращения антенной системы по углу места.

Техническими задачами изобретения являются уменьшение вертикального размера используемой антенной системы за счет совмещения апертур двух антенн, устранение сложной операции вращения антенной системы по углу места, а также обеспечение возможности измерения углов места маловысотных целей в секторе малых углов места над землей и повышение точности измерений в этом секторе за счет устранения вредного влияния отраженных от земли эхо-сигналов цели и использование этих сигналов для достижения положительного эффекта.

Для этого в способе измерения угла места маловысотных целей, содержащем излучение и прием импульсных радиолокационных сигналов с помощью двух одинаковых симметричных горизонтально направленных линейно поляризованных антенн, связанных с передатчиком при передаче и с двумя приемниками при приеме сигналов, фазовые центры антенн совмещают и одну из них поворачивают на 90^о в плоскости апертуры, измеряют сдвиг фаз Δ ϕ принимаемых сигналов вертикальной и горизонтальной поляризации на выходе приемников, а угол места цели θ определяют путем решения следующего трансцендентного уравнения:
2arg ×
× e+e
2arg e
+ e Δϕ 0, (1) где ε σ и h_н относительная диэлектрическая проницаемость, проводимость и средняя высота мелкомасштабных неровностей земной поверхности соответственно;
λ длина волны;
h высота подъема фазового центра антенны над землей;
arg обозначение операции вычисления аргумента комплексного числа.

На фиг. 1 показана упрощенная структурная схема реализующего способ устройства; на фиг. 2 зависимость сдвига фаз Δ ϕ от угла места цели θ в рабочем секторе РЛС.

Реализующая предложенный способ РЛС содержит антенны вертикальной 1 и горизонтальной 2 поляризации, фазовые центры которых совпадают, антенный переключатель 3, подключающий антенны к передатчику 4 при передаче зондирующих сигналов и к соответствующим приемникам вертикальной 5 и горизонтальной 6 поляризации при приеме эхо-сигналов цели, фазометр 7, измеряющий сдвиг фаз Δ ϕ напряжений , на выходе приемников 5 и 6 сигналов вертикальной и горизонтальной поляризации соответственно, и спецвычислитель 8, определяющий по измеренному сдвигу фаз Δ ϕ угол места цели θ путем решения трансцендентного уравнения (1) на интервале угломестного рабочего сектора РЛС. При этом полагается, что входящие в уравнение (1) длина волны λ высота h подъема над землей фазового центра антенн, относительная диэлектрическая проницаемость ε, проводимость σ и средняя высота h_н мелкомасштабных неровностей земной поверхности (высота травяного покрова, кустарника, волн на море и т.п.) вблизи РЛС известны или заранее измерены каким-либо известным способом. Антенная система рассматриваемой РЛС может быть выполнена в виде антенной решетки из симметричных вертикальных и горизонтальных вибраторов (на фиг. 1 показаны один вертикальный и один горизонтальный вибраторы). Приемники 5 и 6 должны иметь идентичные фазовые характеристики. Возможность практической реализации предложенного способа подтверждается тем, что показанные на фиг. 1 используемые элементы РЛС: передатчик 4, приемники 5, 6 и фазометр 7 представляют собой обычные известные устройства, серийно выпускаемые отечественной промышленностью, а в качестве спецвычислителя 8 можно использовать обычную микроЭВМ.

Антенная система РЛС излучает и принимает как прямые, так и отраженные от земли вертикально и горизонтально поляризованные радиоволны. При этом отраженные от земли радиоволны эхо-сигналов цели, мешающие работе прототипа, в данном случае принципиально необходимы и используются для достижения положительного эффекта. Комплексные амплитуды напряжений , принимаемых эхо-сигналов цели на выходах приемников 5 и 6 определяются следующими формулами:
F2в

(θ) ×
× e+ e^×
× (2) на выходе приемника вертикальной поляризации 5 и
F2г(θ) ×
× e+ e^×
× (3) на выходе приемника горизонтальной поляризации 6, где , комплексные коэффициенты усиления приемников 5 и 6 (приемники одинаковы);
λ длина волны;
G_мв, G_мг -максимальные коэффициенты усиления антенн вертикальной и горизонтальной поляризации;
r наклонная дальность от точки расположения антенной системы на поверхности земли до цели;
Р мощность передатчика;
R_пв, R_пг входные сопротивления приемников 5 и 6;
σ_цв, σ_цг эффективные отражающие поверхности цели для радиоволн вертикальной и горизонтальной поляризации соответственно;
θ угол места цели;
F_в (θ),F_г (θ) нормированные диаграммы направленности в вертикальной плоскости в свободном пространстве симметричных антенн 1 и 2;
ϕ_ов, ϕ_ог изменения фаз радиоволн вертикальной и горизонтальной поляризации при отражении от цели;
h высота подъема над землей фазового центра антенн;
ε σ, h_н относительная диэлектрическая проницаемость, проводимость и средняя высота мелкомасштабных неровностей земной поверхности на площадке вблизи антенны РЛС.

Известно, что при отражении радиоволн вертикальной и горизонтальной поляризации от воздушных шаров, боеголовок, ракет и других простых по форме целей, приближенно имеющих осевую симметрию, изменения фазы радиоволны ϕ_ов, ϕ_ог будут примерно одинаковыми для обоих поляризаций, т.е. ϕ_ов ≈ϕ_ог. Предложенный способ предназначен для измерения углов места таких целей. Вычисляя из формул (2) и (3) сдвиг фаз комплексных амплитуд напряжений и с учетом приведенных выше замечаний, получим трансцендентное уравнение (1) для определения угла места цели θ.

Таким образом, отмеченные выше отличительные признаки являются существенными и принципиально необходимы для реализации предложенного способа.

Для однозначного определения угла места цели необходимо обеспечить, чтобы трансцендентное уравнение (1) имело единственное решение на интервале угломестного рабочего сектора РЛС. Расчеты показали, что это требование выполняется в пределах нижнего интерференционного лепестка диаграмм направленности антенн с учетом влияния земли. Для обеспечения этого требования необходимо, чтобы угломестная ширина диаграмм направленности антенн в свободном пространстве не превышала удвоенной ширины нижнего интерференционного лепестка, т. е. необходимо использовать низкорасположенные над землей антенны. Это является существенным недостатком предложенного способа. Следует отметить, что аналогичный недостаток присущ и прототипу, который может однозначно измерять угловую координату только в пределах одного интерференционного лепестка диаграммы направленности разнесенной антенной системы. Кроме того, прототип практически не работоспособен в секторе малых углов места над землей.

Для подтверждения возможности практической реализации предложенного способа на фиг. 2 представлена расчетная зависимость сдвига фаз Δ ϕ принимаемых эхо-сигналов вертикальной и горизонтальной поляризации от угла места цели θ в пределах нижнего интерференционного лепестка диаграмм направленности антенн с учетом влияния подстилающей поверхности. Этот график рассчитан по формуле (1) для РЛС с длиной волны λ 1,8 м и высотой подъема фазового центра антенн h 11,5 м над взволнованным морем со средней высотой волн h_н 0,5 м. Угломестная ширина нижнего интерференционного лепестка в этом случае равна 4,5^о, при этом необходимо использовать антенны с угломестной шириной диаграммы направленности 9^о. Как видно на фиг. 2, в этом случае в угломестном рабочем секторе РЛС, равном верхней половине главного лепестка диаграмм направленности антенн, уравнение (1) имеет единственное решение и способ обеспечивает однозначное определение угла места маловысотных целей в рабочем секторе от 0 до 4,5^о.

Таким образом, предложенный способ может быть практически реализован.

РЛС, реализующая предложенный способ, работает следующим образом.

Антенная система РЛС заранее выполнена так, что фазовые центры антенн совмещены и одна из антенн повернута на 90^о в плоскости апертуры, поэтому одна из антенн имеет вертикальную поляризацию, а другая горизонтальную. Передатчик 4 формирует высокочастотный импульсный зондирующий сигнал. Антенный переключатель 3 при передаче подключает обе антенны параллельно к выходу передатчика 4. Антенны 1 и 2 излучают радиоволны вертикальной и горизонтальной поляризации соответственно. Радиоволны отражаются от воздушной цели и приходят к антеннам РЛС. Каждая из антенн принимает сигналы соответствующей поляризации. При приеме антенный переключатель 3 подключает антенну 1 к входу приемника 5 сигнала вертикальной поляризации, а антенну 2 к входу приемника 6 сигнала горизонтальной поляризации. Приемники 5 и 6 усиливают сигналы и преобразуют их на промежуточную частоту. Фазометр 7 измеряет сдвиг фаз Δ ϕ выходных напряжений приемников 5 и 6 на промежуточной частоте приемников. Результат измерения сдвига фаз Δ ϕ поступает на спецвычислитель 8, который определяет угол места цели θ путем решения трансцендентного уравнения (1). При этом в программу работы спецвычислителя 8 заранее введены известные значения параметров λ h ε σ, h, h_н.

Таким образом, предложенный способ практически реализуем, имеет существенные отличительные признаки, устраняет все отмеченные выше недостатки прототипа и обеспечивает однозначное определение углов места маловысотных целей в секторе малых углов места над землей.

Использование: в радиолокации, в частности в способах измерения угла места маловысотных целей. Сущность изобретения: способ предусматривает излучение и прием импульсных радиолокационных сигналов двумя одинаковыми симметрично линейно поляризованными антеннами, совмещение фазовых центров антенн и поворот одной из них на 90° в плоскости апертуры. Затем ведут измерение сдвига фаз принимаемых сигналов вертикальной и горизонтальной поляризации и определение угла места путем решения трансцендентного уравнения, определяющего связь этого сдвига фаз с углом места цели, известными параметрами РЛС и земной поверхности вблизи антенн. 2 ил.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА МЕСТА МАЛОВЫСОТНЫХ ЦЕЛЕЙ, заключающийся в том, что излучают и принимают импульсные радиолокационные сигналы с помощью двух одинаковых симметричных горизонтально направленных антенн, соединенных с передатчиком и двумя приемниками, отличающийся тем, что излучение и прием импульсных радиолокационных сигналов осуществляют с помощью линейно поляризованных антенн, фазовые центры которых совмещены и одну из них поворачивают на 90^o в плоскости апертуры так, что одна антенна излучает сигналы горизонтальной поляризации, а другая вертикальной поляризации, измеряют сдвиг фаз Δϕ принимаемых сигналов вертикальной и горизонтальной поляризаций на выходе приемников, а угол места q определяют по формуле

где Δϕ сдвиг фаз принимаемых сигналов вертикальной и горизонтальной поляризации;
относительная диэлектрическая проницаемость, проводимость и средняя высота мелкомасштабных неровностей земной поверхности соответственно;
λ длина волны;
h высота подъема фазового центра антенны над землей.