НАЗЕМНЫЙ МАЛОВЫСОТНЫЙ РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УГЛА МЕСТА ЦЕЛИ Российский патент 1995 года по МПК G01S13/44 

Изобретение относится к радиолокации, в частности к основам построения и конструкции радиолокационных станций обнаружения маловысотных целей, и может быть использовано, например, в наземных радиолокационных высотомерах и трехкоординатных РЛС для измерения угла места (или высоты) маловысотных целей.

Известна моноимпульсная амплитудно-разностная РЛС, в которой для определения направления на цель (в частности, угла места цели) сравниваются амплитуды сигналов, принимаемых в двух каналах станции [1] Диаграммы направленности антенны этих двух приемных каналов смещены по углу места и образуют равносигнальное направление. Принимаемые каждой из антенн сигналы усиливаются отдельными приемными устройствами, детектируются и затем подаются на вычитающее устройство. При этом напряжение на выходе вычитающего устройства будет прямо пропорционально углу отклонения цели в вертикальной плоскости от равносигнального направления.

Недостатком такой РЛС является то, что она практически не может измерять углы места маловысотных целей в секторе малых углов места. Это объясняется следующим. Когда равносигнальное направление горизонтально, каждая из антенн принимает сигналы от маловысотной цели, пришедшие как прямой волной, так и волной, отраженной от земли. В верхней антенне сигнал прямой волны от маловысотной цели будет больше, чем сигнал отраженной от земли волны, а в нижней антенне наоборот. При этом амплитуды результирующих напряжений на выходах первого и второго приемных каналов будут почти равны друг другу. В результате напряжение на выходе вычитающего устройства будет близко к нулю и перестает зависеть от угла места маловысотной цели, измерение угла места и сопровождение маловысотной цели становится невозможным.

Известна также серийная РЛС типа S 600 фирмы Маркони, предназначенная для измерения высоты воздушных целей с помощью антенны, качающейся в вертикальной плоскости [2] В состав этого радиолокационного высотомера входят импульсный передатчик, приемник, антенный переключатель и приемопередающая антенна, качающаяся по углу места. Такая РЛС измеряет угол места воздушной цели путем непрерывного механического качания антенны в вертикальной плоскости, в которой находится цель. Отметки эхо-сигналов, возникающих при пересечении антенны лучом воздушной цели, отображаются на индикаторе дальность-высота.

Однако эта РЛС измеряет высоту маловысотных целей в секторе малых углов места (меньших ширины диаграммы направленности антенны) с большими ошибками. Эти ошибки обусловлены вредным влиянием радиоволн, отраженных от земной поверхности и попадающих в главный лепесток диаграммы направленности антенны при малых углах наклона ее оси.

Наиболее близкой к изобретению является радиолокационная система сопровождения целей, находящихся на малых углах места [3] Эта РЛС принимает эхо-сигналы маловысотных целей двумя направленными антеннами, диаграммы которых сформированы таким образом, что их отношение четно-симметрично относительно горизонтальной оси антенны. При приеме определяется отношение сигналов, принятых указанной парой антенн. Это отношение характеризует угол места цели. Для определения угла места цели в прототипе не требуется сканировать диаграммы направленности антенн в вертикальной плоскости.

В состав данной РЛС входят приемная антенная система в виде решетки из разнесенных по высоте излучающих элементов со сложной диаграммообразующей схемой, формирующей две диаграммы направленности сложной специальной формы, связанные с двумя приемными каналами, на выходе которых установлены два умножителя, делитель напряжения и электрическая цепь с коэффициентом передачи, равным квадратному корню из входного напряжения. Устройство-прототип содержит также передатчик с передающей антенной, излучающей зондирующие сигналы в секторе малых углов места.Диаграммообразующая схема приемной антенной системы прототипа состоит из фазовращателей, цепей связи этой схемы с излучающими элементами приемной антенной решетки, усилителей и других элементов и представляет собой известную, но сложную и дорогую конструкцию. Приемная антенна прототипа формирует две диаграммы направленности сложной специальной формы таким образом, что отношение этих диаграмм четно-симметрично относительно горизонтальной оси антенны, в частности, прямо пропорционально квадрату угла места. Это позволяет измерить угол места маловысотной цели без сканирования диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости путем определения отношения сигналов, принятых указанной парой диаграмм направленности. При этом напряжение на выходе устройства-прототипа прямо пропорционально углу места маловысотной цели.

Недостатком данной РЛС является то, что приемная антенная система, состоящая из антенной решетки с большим количеством излучающих элементов и диаграммообразующей схемы, имеет сложную конструкцию, которая дорога и не надежна при эксплуатации. Поэтому представляется целесообразным исключить из состава устройства сложную диаграммообразующую схему и сократить до минимума количество излучающих элементов приемной антенной решетки.

Кроме того, данная РЛС не может работать при очень малых углах места максимума верхнего луча второй диаграммы направленности приемной антенной системы. Это объясняется тем, что одна или обе диаграммы направленности приемной антенны прототипа в вертикальной плоскости в свободном пространстве имеют провал в горизонтальном направлении. Этот провал существенно ослабляет приходящие с очень малых углов места эхо-сигналы, которые и без того сильно ослаблены из-за противофазной интерференции прямых и отраженных от земли радиоволн. В результате принимаемый сигнал во втором или в обоих каналах приема окажется ниже уровня собственных шумов приемника и работа прототипа в области этого провала становится невозможной.

При этом данная РЛС имеет низкую точность измерения углов места целей. Это объясняется неидентичностью и нестабильностью коэффициентов усиления К_уд, К_ув, приемных каналов прототипа. Обусловленная этим относительная погрешность Δθ/θ измерения угла места цели у прототипа не зависит от угла места θ и равна
Δθ/θ -1.

Задачей изобретения является улучшение возможности приема сигналов при очень малых углах места, повышение точности измерения высоты целей при не очень малых углах места и упрощение конструкции приемной антенной системы.

Для этого в наземный маловысотный радиолокационый измеритель угла места цели, содержащий передатчик с передающей антенной, двухканальный приемник и приемную антенную систему.В состав дополнительно введены сумматор, суммирующий напряжения с выходов каналов приемника на промежуточной частоте, три амплитудных детектора, детектирующих сигналы с выходов приемных каналов и сумматора, и спецвычислитель, определяющий угол места маловысотной цели θ по формуле
θ arcsinarccos · , где U_mΣUm_н, Um_в амплитуды напряжений сигнала на выходах сумматора, нижнего и верхнего каналов приемника соответственно;
λ- длина волны;
h высота над землей нижнего излучающего элемента.

На чертеже представлена упрощенная структурная схема предлагаемого наземного маловысотного радиолокационного измерителя.

Наземный маловысотный радиолокационный измеритель состоит из передатчика 1 с передающей антенной 2, направленной горизонтально и излучающей зондирующие сигналы в секторе малых углов места, нижнего 3 и верхнего 4 излучающих элементов приемной антенной системы (диаграммы направленности этих элементов одинаковы и направлены горизонтально), приемников нижнего 5 и верхнего 6 каналов непосредственно связанных с нижним 3 и верхним 4 излучающими элементами приемной антенной системы, сумматора 7, суммирующего напряжения с выходов приемных каналов на промежуточной частоте, трех амплитудных детекторов 8-10, детектирующих сигналы с выходов приемников нижнего и верхнего каналов и сумматора соответственно и спецвычислителя 11, на вход которого поступают напряжения с выходов амплитудных детекторов.

Принцип действия предложенного измерителя поясняется следующим. Эхо-сигнал от маловысотной цели приходит к приемной антенне РЛС двумя путями: прямой волной и волной, отраженной от земной поверхности. При этом комплексная амплитуда напряжения сигнала на выходе приемного канала определяется известным соотношением
U K_у F_пер(θ)Φ_пер(θ) ×
× F_пр(θ)Φ_пр(θ)e , (1) где θ- угол места цели;
r наклонная дальность от РЛС до цели;
К_y- коэффициент усиления приемного канала;
R_вх входное сопротивление приемника;
Р мощность передатчика;
σ_ц эффективная отражающая поверхность цели;
Δϕ_ц изменение фазы радиоволн при отражении от цели;
G, G максимальные коэффициенты усиления передающей и приемной антенн соответственно;
F_пер (θ), F_пр (θ) нормированные диаграммы направленности в вертикальной плоскости передающей и приемной антенн соответственно;
Φ_пер (θ), Φ_пр( θ) интерференционные множители земли для передающей и приемной антенн соответственно. Здесь интерференционные множители определяются известным соотношением
Φ(θ)e+ e, (2) где h_а высота антенны над землей;
F_a нормированная диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости в свободном пространстве;
комплексный коэффициент отражения радиоволн от земной поверхности.

Известно, что при малых углах скольжения комплексный коэффициент отражения радиоволн от земли = -1 при любой поляризации радиоволн. Кроме того, полагается, что диаграммы направленности антенн РЛС в вертикальной плоскости симметричны и оси антенн направлены горизонтально. При этом F_a (-θ)/F_a (θ) 1. Учитывая эти замечания, получим из формулы (2) следующие выражения для интерференционных множителей нижнего и верхнего излучающих элементов приемной антенной системы соответственно
Φ_н(θ) j2sinhsin; (3)
Φ_в(θ) j2sinhsin, (4) гдe h высота нижнего излучающего элемента приемной антенной системы измерителя над землей.

Подставляя (3) и (4) в (1), можно найти комплексные амплитуды напряжений на выходах нижнего и верхнего приемных каналов и, суммируя их, определить комплексную амплитуду напряжения на выходе сумматора = + Далее найдем отношение напряжений (-)/ которое можно записать в виде (U U)/U_mΣ где U_mΣ, U, U амплитуды напряжений на выходах сумматора, нижнего и верхнего приемных каналов соответственно.

В результате из (3), (4) и (1) получим
. (5)
При этом полагалось, что коэффициенты усиления нижнего и верхнего приемных каналов одинаковы.

В секторе малых углов места аргументы косинусов в формуле (5) меньше π/2 и косинус положителен, поэтому знаки модуля в этой формуле можно опустить. В результате для малых углов места получим
. (6)
Из формулы (6) находим угол места маловысотной цели
θ arcsinarccos · . (7)
Амплитуды напряжений U, U и U_mΣ определяются амплитудными детекторами 8-10 и поступают на спецвычислитель 11, который определяет угол места цели по формуле (7). Из формул (5) и (7) видно, что предложенный измеритель может измерять углы места целей только в секторе θ O÷arcsin в пределах нижнего лепестка интерференционного множителя для верхнего элемента антенны и не может при больших углах места, т.е. необходимый угломестный рабочий сектор измерителя определен высотой подъема над землей верхнего излучающего элемента приемной антенной системы.

Следует отметить, что при больших по сравнению с длиной волны значениях высоты h подъема над землей нижнего излучающего элемента аргумент косинуса в формуле (5) может отказаться больше 3π /2 и косинус снова становится положительным. В подобных случаях измеритель будет неправильно измерять углы места целей, летящих на средних и больших высотах и находящихся выше угломестного рабочего сектора измерителя. Для устранения этого недостатка необходимо исключить возможность приема эхо-сигналов за пределами угломестного рабочего сектора. Это обеспечивается тем, что высота h нижнего излучающего элемента выбирается такой, чтобы она не превышала половины вертикального размера апертуры передающей антенны. При этом цели на больших и средних высотах вне рабочего угломестного сектора окажутся за пределами главного лепестка диаграммы направленности передающей антенны, эхо-сигналы от них будут очень слабы и потеряются в собственных шумах приемника.

Перечисленные выше элементы структурной схемы предложенного устройства выполнены следующим образом.

Сумматор 7 и амплитудные детекторы 8-10 выполнены по обычным известным схемам. Спецвычислитель 11 может быть реализован в аналоговой или цифровой форме. В последнем случае в его состав должны входить аналого-цифровые преобразователи, преобразующие поступающие на спецвычислитель напряжения в цифровую форму.

Излучающие элементы 3 и 4 приемной антенной системы одинаковы, имеют симметричные в вертикальной плоскости диаграммы направленности и направлены горизонтально. Высота над землей верхнего элемента вдвое больше, чем у нижнего. Эти излучающие элементы могут быть выполнены, например, в виде известных рупорных или зеркальных антенн. Ширина диаграммы направленности такого излучающего элемента в вертикальной плоскости не имеет принципиального значения, может быть значительно шире, чем у передающей антенны, и выбирается из соображений получения коэффициента усиления, достаточного для работы приемной системы.

В качестве передающей антенны 2 можно использовать, например, обычную зеркальную антенну, у которой размер вдвое больше высоты над землей нижнего приемного излучающего элемента 3. Для обзора пространства по азимуту и измерения азимутов целей все антенны измерителя могут синхронно и синфазно вращаться по азимуту с помощью электропривода. Все антенны направлены горизонтально, сканирование антенн по углу места не предусмотрено.

Другие элементы предложенного устройства, указанные на структурной схеме такие же, как у прототипа. При этом коэффициенты усиления приемников 5 и 6 должны быть одинаковы, как и в прототипе.

Следует отметить, что передающую антенну 2 целесообразно дополнительно использовать как приемнопередающую в отдельном приемном канале измерения дальности целей. В таком случае измеритель можно использовать как трехкоординатную РЛС.

Измеритель работает следующим образом.

Передатчик с передающей антенной формирует и излучает зондирующие сигналы. Приемная антенная система принимает эхо-сигналы, отраженные от цели, и передает их на входы приемников, непосредственно связанных с нижним и верхним элементами приемной антенны. Напряжения сигнала с выходов приемников верхнего и нижнего каналов на промежуточной частоте суммируются сумматором, детектируются амплитудными детекторами и поступают на вход спецвычислителя, который определяет угол места или высоту цели в реальном масштабе времени.

В предложенном устройстве приемная антенная система, состоящая только из двух излучающих элементов и фидеров, непосредственно соединяющих эти элементы с приемниками, заменяет многоэлементную антенную решетку со сложной диаграммообразующей схемой у прототипа, что существенно упрощает и удешевляет конструкцию приемной антенной системы. Другие узлы, дополнительно включенные в состав предложенного устройства, (сумматор, амплитудные детекторы и спецвычислитель) равнозначны по сложности конструкциям других элементов, исключенных из состава прототипа (умножителям, делителю напряжения и цепям с различными коэффициентами передачи).

По сравнению с прототипом конструкция предложенного устройства проще и дешевле при прочих равных условиях.

Все антенны предложенного устройства ориентированы горизонтально и максимумы их диаграмм направленности в вертикальной плоскости в свободном пространстве направлены под нулевым углом места. Это позволяет существенно улучшить возможности приема сигналов при очень малых углах места по сравнению с прототипом, у которого одна или обе диаграммы направленности приемной антенной системы в вертикальной плоскости в свободном пространстве имеют провал под нулевым углом места.

Неидентичность и нестабильность коэффициентов усиления верхнего К_уви нижнего К_ун приемных каналов в предложенном устройстве приводят так же, как и в прототипе, к дополнительным ошибкам в измерении угла места θ(или высоты) цели. Из формул (6) и (7) видно, что обусловленная этим относительная погрешность измерения угла места цели Δθ/θ в предложенном устройстве зависит от угла θ и равна
arcsinarccoscossin 1 (8) где λ- длина волны;
h высота над землей нижнего излучающего элемента приемной антенны. При уменьшении угла места относительная погрешность возрастает.

Использование: обнаружение маловысотных целей. Сущность изобретения: измеритель содержит передатчик 1, передающую антенну 2, приемную антенну из двух разнесенных по высоте излучающих элементов 3 и 4, приемник с двумя каналами 5 и 6, сумматор 7, три амплитудных детектора 8 - 10 и вычислитель 11 угла места. 1-2-3-4-5-6-9-11, 5-8-11, 6-7-10-11, 5-7. 1 ил.

НАЗЕМНЫЙ МАЛОВЫСОТНЫЙ РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УГЛА МЕСТА ЦЕЛИ, содержащий передатчик, соединенный с передающей антенной, двухканальный приемник, входы каналов которого соединены с приемной антенной системой из разнесенных по высоте излучающих элементов, отличающийся тем, что введены сумматор, входы которого соединены с выходами каналов приемника, три амплитудных детектора, входы которых соединены соответственно с выходами каналов приемника и сумматора, а выходы с входами вычислителя угла места цели по формуле

где θ угол места цели;
амплитуды напряжений сигнала на выходах сумматора и каналов приемника;
λ длина волны;
h высота над Землей нижнего излучающего элемента приемной антенной системы.