РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УГЛА МЕСТА ВОЗДУШНЫХ ЦЕЛЕЙ Российский патент 1995 года по МПК G01S13/02 

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в наземных РЛС различного назначения для измерения углов места воздушных целей во всем угломестном секторе положительных углов места.

Известно угломерное устройство радиолокационной станции [1] содержащее три разнесенные по высоте антенны, связанные с тремя каналами приема сигналов, устройство измерения сдвигов фаз принимаемых сигналов и операционный блок с устройством памяти, определяющий по измеренным сдвигам фаз направление на цель.

Недостатком этого устройства является то, что антенная система состоит из трех разнесенных по высоте антенн и поэтому громоздка и имеет большой вертикальный размер.

Известна также РЛС с качающейся диаграммой направленности антенны [2] содержащая приемопередающую антенну, имеющую узкую по углу места диаграмму направленности. Такая РЛС измеряет угол места цели путем непрерывного механического качания (вращения) антенны в вертикальной плоскости цели.

Недостатком этой РЛС является то, что антенна должна иметь узкую диаграмму направленности в вертикальной плоскости и, следовательно, большой по сравнению с длиной волны вертикальный размер апертуры. Кроме того, необходимо качать эту громоздкую антенну по углу места.

Наиболее близкой к изобретению является моноимпульсная радиолокационная система фазовой пеленгации [2] используемая например, для измерения угла места и сопровождения целей в вертикальной плоскости, приемная часть которой содержит две разнесенные по высоте идентичные антенны, принимающие радиоволны одинаковой (например, вертикальной) поляризации, два приемника, соответственно связанные с этими антеннами, фазовращатель на 90^о в одном из каналов приема, фазовый детектор, детектирующий выходные напряжения приемников, и электродвигатель с редуктором и усилителем сигнала рассогласования, управляемый выходным напряжением фазового детектора и вращающий антенную систему по углу места. Два одинаковых приемника прототипа преобразуют принимаемые сигналы на промежуточную частоту с помощью смесителей и общего гетеродина, усиливают сигналы в усилителях промежуточной частоты и ограничивают их по амплитуде с помощью ограничителей. Информация об угле места цели содержится в фазах принимаемых сигналов. Когда ось антенной системы совпадает с направлением 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. При этом угол места цели определяют по текущему угломестному положению антенной системы. В состав прототипа входит также импульсный передатчик с передающей антенной. В качестве передающей антенны можно использовать приемную антенную систему, переключая ее с передачи на прием с помощью антенного переключателя.

Недостатками данной радиолокационной системы являются неоднозначность определения угла места цели, для устранения которой используют антенны с узкими диаграммами направленности, что приводит к значительному увеличению вертикального размера апертуры антенны, а также наличие электропривода вращения антенн по углу места. Кроме того, при работе в секторе малых углов места отраженные от земли эхо-сигналы цели мешают работе устройства и снижают точность измерения угла места.

Техническими задачами изобретения являются устранение неоднозначности определения угла места цели во всем угломестном секторе положительных углов места, исключение сложной операции вращения антенной системы по углу места, а также устранение вредного влияния отраженных от земли эхо-сигналов цели на точность измерения угла места путем использования в работе устройства только этих сигналов для достижения положительного эффекта.

Для этого в радиолокационном измерителе угла места воздушных целей, содержащем приемопередающую антенную систему, излучающую и принимающую линейно поляризованные радиоволны, импульсный передатчик, два приемника и антенный переключатель, подключающий антенную систему к передатчику при передаче и к соответствующим приемникам при приеме эхо-сигналов целей, антенная система выполнена в виде одной зеркальной антенны с расположенным в фокусе параболического зеркала облучателем из двух взаимно перпендикулярных симметричных вибраторов с общим металлическим контррефлектором, а ось параболического зеркала антенны наклонена вниз по углу места на половину угломестной ширины диаграммы направленности антенны по нулям, вертикальный вибратор облучателя связан через антенный переключатель с приемником сигналов вертикальной поляризации, а горизонтальный вибратор с приемником горизонтальной поляризации, в состав устройства дополнительно включены фазометр, измеряющий сдвиг фаз Δ ϕ принимаемых сигналов, и спецвычислитель, определяющий по этому сдвигу фаз угол места цели θ путем решения следующего трансцендентного уравнения:
2arg-
2arg Δϕ 0, (1) где λ длина волны;
ε σ относительная диэлектрическая проницаемость и проводимость земной поверхности вблизи антенны соответственно;
arg обозначение операции вычисления аргумента комплексного числа.

При этом антенну по углу места не вращают и из состава прототипа устранены фазовращатель на 90^о, фазовый детектор и электродвигатель вращения антенны по углу места с редуктором и усилителем сигнала рассогласования. Полагается также, что входящие в уравнение (1) электрические параметры (ε и σ) земной поверхности на площадке вблизи антенны известны или заранее измерены каким-либо известным способом.

На фиг. 1 представлена упрощенная структурная схема предложенного устройства, а также конструкция антенны, ее диаграмма направленности и луч отраженной от земли радиоволны; на фиг. 2 расчетная зависимость сдвига фаз Δ ϕ принимаемых сигналов от угла места цели θ.

Радиолокационный измеритель угла места воздушных целей содержит металлическое параболическое зеркало 1 приемопередающей антенны, вертикальный 2 и горизонтальный 3 симметричные вибраторы облучателя, общий металлический контррефлектор 4 облучателя, антенный переключатель 5, который подключает при передаче оба вибратора 2 и 3 параллельно к импульсному передатчику, а при приеме вибратор 2 к приемнику 7 сигнала вертикальной поляризации и вибратор 3 к приемнику 8 горизонтальной поляризации, фазометр 9, измеряющий сдвиг фаз Δ ϕ напряжений , сигналов вертикальной и горизонтальной поляризации на выходах приемников 7 и 8 по промежуточной частоте, и спецвычислитель 10, определяющий угол места цели θ по измеренному сдвигу фаз Δ ϕ путем решения трансцендентного уравнения (1) в секторе положительных углов места.

Принцип действия предложенного устройства поясняется следующим. Ось зеркальной антенны устройства наклонена вниз по углу места на половину угломестной ширины диаграммы направленности антенны по нулям, поэтому антенна практически излучает и принимает только отражающиеся от земли радиоволны вертикальной и горизонтальной поляризации, а прямые радиоволны антенна-цель и цель-антенна устройство почти не излучает и не принимает.

Приемники 7 и 8 также, как и в прототипе, имеют одинаковые фазовые характеристики. С учетом этих замечаний, комплексные амплитуды напряжений , сигналов вертикальной и горизонтальной поляризации на выходах приемников 7 и 8 определяются следующими формулами: F2в

(θ_o-θ) ×
× K (2) на выходе приемника вертикальной поляризации 7 и
F2г(θ_o-θ) ×
× K (3) на выходе приемника горизонтальной поляризации 8, где , комплексные коэффициенты усиления приемников 7 и 8;
λ длина волны;
G_мв, G_мг максимальные коэффициенты усиления зеркальной антенны для вертикально и горизонтально поляризованных радиоволн;
r наклонная дальность по углу отраженной от земли волны между антенной и целью;
P мощность передатчика;
R_пв, R_пг входные сопротивления приемников 7 и 8;
σ_цв, σ_цг эффективные отражающие поверхности цели для радиоволн вертикальной и горизонтальной поляризации;
θ угол места цели;
θ_о угол наклона вниз оси зеркала антенны (положительный);
F_в(θ_o-θ), F_г(θ_o-θ) нормированные диаграммы направленности зеркальной антенны в вертикальной плоскости для вертикально и горизонтально поляризованных радиоволн;
ϕ_ов, ϕ_ог изменение фаз радиоволн вертикальной и горизонтальной поляризации при отражении от цели;
К_ш коэффициент шероховатости, учитывающий ослабление интенсивности волны из-за рассеяния на мелкомасштабных неровностях земли (вещественный и не зависит от поляризации);
ε σ относительная диэлектрическая проницаемость и проводимость земной поверхности.

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 и ϕ_ог будут примерно одинаковыми для обеих поляризаций. т.е. ϕ_ов ≈ ϕ_ог. Предложенное устройство предназначено для измерения углов места таких целей.

Вычисляя из формул (2) и (3) сдвиг фаз напряжений и c учетом приведенных выше замечаний, получим трансцендентное уравнение (1) для определения угла места цели θ. Уравнение (1) имеет единственное решение во всем угломестном секторе положительных углов места, что полностью устраняет присущую прототипу неоднозначность определения угла места при любых размерах антенны. Это можно видеть на фиг. 2, где представлена расчетная зависимость сдвига фаз Δ ϕ от θ угла места цели. Эта зависимость имеет монотонно возрастающий характер, что гарантирует единственность решения трансцендентного уравнения (1) и однозначное определение угла места. Этот график рассчитан по формуле (1) для длины волны λ 0,35 м над морем.

Таким образом, предложенное устройство может быть практически реализовано, а приведенные выше отличительные признаки являются существенными и принципиально необходимы для реализации устройства.

Перечисленные выше элементы структурной схемы предложенного устройства (фиг. 1) выполнены следующим образом. Зеркало 1 антенны металлическое сплошное и выполнено в виде вырезки из параболоида вращения или параболического цилиндра. Облучатель антенны состоит из вертикального и горизонтального симметрических вибраторов 2 и 3, расположенных в фокусе зеркала, а общий контррефлектор 4 выполнен в виде металлического диска. Остальные элементы устройства выполнены по обычным известным схемам, а в качестве спецвычислителя 10 можно использовать обычную микроЭВМ.

Радиолокационный измеритель работает следующим образом.

Передатчик 6 формирует высокочастотный импульсный зондирующий сигнал, который через антенный переключатель 5 поступает к вибраторам 2 и 3 облучателя зеркальной антенны. Антенна устройства излучает и принимает вертикально и горизонтально поляризованные радиоволны только в нижней полусфере, а в верхней полусфере антенна почти не излучает и не принимает. Излучаемые антенной радиоволны отражаются от земной поверхности и приходят к цели. Отраженный от цели эхо-сигнал после отражения от земли принимается антенной, а прямые радиоволны цель-антенна почти не принимаются. Принятый эхо-сигнал вертикальной поляризации через антенный переключатель 5 поступает на приемник 7, а эхо-сигнал горизонтальной поляризации на приемник 8. Фазометр 9 измеряет сдвиг фаз Δ ϕ принятых сигналов, а спецвычислитель 10 определяет по этому сдвигу фаз и известным параметрам λ ε и σ угол места цели θ путем решения трансцендентного уравнения (1).

Следует отметить, что предложенное устройство может быть использовано также для пеленгации по углу места линейно поляризованных источников радиоизлучения, вектор поляризации которых имеет вертикальную и горизонтальную составляющие.

Таким образом, предложенное устройство может быть практически реализовано, имеет существенные отличительные признаки, полностью устраняет неоднозначность определения угла места цели во всем угломестном секторе положительных углов, позволяет не менее чем вдвое сократить вертикальный размер антенной системы при прочих равных условиях, устраняет сложную операцию вращения антенн по углу места и вредное влияние отраженных от земли эхо-сигналов цели на точность измерения угла места, при этом использует в работе только эти сигналы для достижения положительного эффекта.

Использование: в радиолокации, в частности в устройствах для измерения угла места воздушных целей. Сущность изобретения: измеритель содержит приемопередаточную антенную систему, включающую параболическое зеркало 1, вертикальный 2 и горизонтальный 3 симметричные вибраторы облучателя, металлический контррефлектор 4, антенный переключатель 5, импульсный передатчик 6, приемники 7 и 8 сигналов вертикальной и горизонтальной поляризации соответственно, фазометр 9 и вычислитель 10. 2 ил.

РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УГЛА МЕСТА ВОЗДУШНЫХ ЦЕЛЕЙ, содержащий приемопередающую антенную систему, импульсный передатчик, два приемника и антенный переключатель антенны с передачи на прием, отличающийся тем, что антенная система выполнена в виде зеркальной антенны с облучателем из двух взаимно перпендикулярных вертикального и горизонтального симметричных вибраторов с общим контррефлектором, а ось параболического зеркала антенны наклонена вниз по углу места на половину угломестной ширины диаграммы направленности по нулям, вертикальный вибратор облучателя связан через антенный переключатель с приемником сигналов вертикальной поляризации, а горизонтальный вибратор с приемником сигналов горизонтальной поляризации, и дополнительно введены фазометр для измерения сдвига фаз принимаемых сигналов вертикальной и горизонтальной поляризации и вычислитель для определения угла q места цели по формуле

где Dv сдвиг фаз принятых сигналов вертикальной и горизонтальной поляризации;
l длина волны;
e,σ относительная диэлектрическая проницаемость и проводимость земной поверхности вблизи антенны соответственно.