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

Изобретение относится к радиолокации, в частности к основам построения и конструкции наземных импульсных радиолокационных измерителей угла места цели, и может быть использовано в маловысотных измерителях для защиты от ответных импульсных радиопомех.

Известен способ определения направления прихода электромагнитных колебаний на основе разности фаз между двумя пространственно разнесенными антеннами и устройство для этого (заявка ФРГ N 1923351, кл. G 01 S 3/48, 1972). В случае измерения угла места целей это устройство состоит из двух pазнесенных по высоте антенн. Измеряют сдвиг фаз эхо-сигналов, принимаемых этими антеннами, и по нему определяют угол места (или высоту) цели.

Однако такое устройство не защищено от ответных импульсных помех, которые сильно затрудняют обнаружение цели и зачастую срывают работу устройства.

Кроме того, это устройство почти не может измерять высоту маловысотных целей из-за вредного влияния отраженных от земли радиоволн.

Известен также адаптивный компенсатор активных помех для радиолокационного приемника, принимающего эхо-сигналы цели совместно с сигналами активных помех [1] 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, подавляющий помеху и выделяющий эхо-сигнал цели. Для обнаружения цели выбирается канал, в котором интенсивность сигнала выше.

Однако это устройство 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 процессе работы адаптивный компенсатор затрачивает время, превышающее длительность импульса эхо-сигнала цели. В результате эхо-сигнал цели не будет подавлен компенсатором, а продолжительная помеха эффективно подавляется. Активные помехи в виде импульсов короткой длительности и ответные импульсные помехи такой компенсатор подавить не успевает так же, как и эхо-сигналы цели.

Наиболее близкой к изобретению является радиолокационная система сопровождения целей, находящихся на малых углах места, которая принимает эхо-сигналы маловысотных целей двумя направленными антенными диаграммами специальной формы [2] При приеме определяется отношение сигналов, принятых указанной парой диаграмм направленности. Это отношение характеризует угол места цели. Для определения угла места цели в прототипе не требуется сканировать диаграммы направленности антенн в вертикальной плоскости.

В состав устройства-прототипа входят приемная антенная система в виде решетки из разнесенных по высоте излучающих элементов и диаграммообразующая схема, формирующая две диаграммы направленности специальной формы, связанные с двумя приемными каналами, на выходе которых установлены два умножителя, делитель напряжений и электрическая цепь с коэффициентом передачи, равным квадратному корню из входного напряжения. В состав прототипа входят также передатчик с передающей антенной, излучающей зондирующие сигналы в секторе малых углов места.

Приемная антенная система прототипа с диаграммообразующей схемой формирует две диаграммы направленности специальной формы таким образом, что отношение этих диаграмм четно-симметрично относительно горизонтальной оси антенны, в частности прямо пропорционально квадрату угла места. Это позволяет измерять 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.

Однако данное устройство не защищено от ответных импульсных помех, которые затрудняют обнаружение цели и приводят к срыву работы устройства.

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

Для этого в помехозащищенном маловысотном измерителе угла места цели, содержащем импульсный передатчик, двухканальный приемник и антенную систему, для приема эхо-сигналов использованы два двухканальных одинаковых приемника и две антенны одинаковой конструкции, но разной высоты, выполненные в виде синфазных эквидистантных антенных решеток из разнесенных по высоте одинаковых горизонтально направленных симметричных излучающих элементов, имеющих косинусоидальные амплитудные распределения по высотам апертур решеток, а вертикальные размеры этих апертур равны соответствующим разным максимальным высотам антенн над землей, верхние половины антенных решеток связаны с верхними каналами соответствующих приемников у первой приемопередающей антенны через антенный коммутатор, а у второй приемной антенны непосредственно, нижние половины этих антенных решеток аналогично связаны с нижними каналами приемников, в тракте каждого приемника установлены сумматоры, суммирующие напряжения с выходов каналов приемников на промежуточной частоте, амплитудные детекторы, детектирующие сигналы с выходов приемных каналов и сумматоров, и устройства вычитания, вычитающие модули разности видеосигналов нижних и верхних приемных каналов из видеосигналов суммарных каналов, выходы этих устройств вычитания связаны со спецвычислителем, который определяет угол места θ маловысотной цепи путем решения на интервале угломестного рабочего сектора измерителя следующего трансцендентного уравнения:
· ×
× , (1) где U_c1, U_c2 напряжения видеосигналов, поступающих на вход спецвычислителя с устройств вычитания первого и второго приемников;
N₁, N₂ количество излучающих элементов первой и второй антенных решеток;
V sinθ, (2) где λ- длина волны;
L расстояние между соседними элементами антенной решетки.

При этом из состава устройства-прототипа исключены диаграммообразующая схема приемной антенной системы, делитель и умножители выходных напряжений приемных каналов, а также электрическая цепь с коэффициентом передачи, равным квадратному корню из входного напряжения.

На фиг. 1 представлена упрощенная структурная схема предлагаемого помехозащищенного маловысотного измерителя угла места цели; на фиг. 2 диаграммы направленности верхней и нижней половины антенной решетки первого приемника в вертикальной плоскости с учетом влияния земли; на фиг. 3 зависимость отношения напряжений видеосигналов от угла места цели.

Помехозащищенный маловысотный измеритель состоит из импульсного передатчика 1, связанного через антенный переключатель 2 с верхней и нижней половинами первой приемопередающей антенной решетки 3, состоящей из N₁ разнесенных по высоте излучающих элементов, второй приемной антенной решетки 4 аналогичной конструкции, состоящей из N₂ разнесенных по высоте излучающих элементов, и двух двухканальных приемников. Нижняя половина приемопередающей антенной решетки 3 связана через антенный переключатель 2 с нижним каналом 5 первого приемника, а верхняя половина с верхним каналом 6 первого приемника. Нижняя и верхняя половины приемной антенной решетки 4 непосредственно связаны с нижним 7 и верхним 8 каналами второго приемника соответственно. Выходные напряжения нижнего и верхнего каналов на промежуточной частоте в первом и втором приемниках соответственно суммируются сумматорами 9 и 10. Выходные напряжения этих сумматоров , и выходные напряжения нижнего и верхнего каналов первого , и второго , Uв₂ приемника детектируются амплитудными детекторами 11-13 и14-16 соответственно. Видеосигналы с выходов амплитудных детекторов первого U_mΣ1, U, U и второго U_mΣ2, U, U приемников поступают на последовательно включенные устройства вычитания 17, 18 и 19, 20, которые вычитают модули разности видеосигналов нижнего и верхнего каналов первого и второго приемниковU-U|U- U| из соответствующих видеосигналов суммарных каналов U_mΣ1, U_mΣ2. Очищенные от помех напряжения видеосигналов U_c1 U_mΣ1U-U| U_c2U_mΣ2-|U U с выходов устройств 18 и 20 вычитания поступают на устройство 21, которое определяет по этим напряжениям угол места цели θ. Очищенный от помех видеосигнал U_c1 с выхода устройства 18 вычитания поступает также в тракт измерения дальности цели D.

Предложенное устройство обладает следующими свойствами: напряжения принимаемых сигналов U_c1, U_c2 на выходах устройств 18 и 20 вычитания отличны от нуля, когда источник радиоизлучения (постановщик помех или переотражающая зондирующие сигналы цель) находится в угломестном секторе 0 < θ < arcsin ( λ- длина волны, N количество элементов антенной решетки, L расстояние между соседними элементами), и напряжения на выходах равно нулю, при углах места ис- точника θ ≥ arcsin несмотря на то, что антенны принимают помехи от этого источника по верхней части главного луча или по верхним боковым лепесткам диаграмм направленности.

Для доказательства этого свойства ниже приводятся необходимые математические формулы.

Положим, что антенны направлены по азимуту на источник радиоизлучения. Тогда комплексная амплитуда напряжения на выходе какого-либо приемного канала (до детектора) определяется известным выражением
AF_a(θ)Φ(θ), (3) где A K_уλ e^jϕ; (4)
λ- длина волны;
К_y коэффициент усиления приемного канала;
R_вх входное сопротивление приемника;
G_m максимальный коэффициент усиления всей антенны;
S плотность мощности прямой радиоволны от источника вблизи антенны;
ϕ- фаза радиоволны, приходящей от источника в точку расположения антенны на поверхности земли;
θ- угол места источника радиоизлучения;
F_a(θ) нормированная диаграмма направленности приемной антенны (нижней или верхней половины одной или другой решетки) в вертикальной плоскости в свободном пространстве;
Φ(θ) интерференционный множитель, учитывающий влияние земли на поле радиоволн.

Применительно к антеннам предложенной конструкции формулу можно представить в следующем виде
Asine^j(2n-1)V+e, (5) где комплексная амплитуда напряжения на выходе соответствующего канала;
А определено формулой (4);
F_э(θ) нормированная диаграмма направленности в вертикальной плоскости в свободном пространстве излучающего элемента антенных решеток;
N количество излучающих элементов всей антенной решетки (N N₁ для антенной решетки 3 и N N₂ для антенной решетки 4, N₁ > N₂, N₁ и N₂ четные);
n текущий номер излучающего элемента решетки (нумерация снизу вверх);
V определено формулой (2);
n₁ 1, n₂ N/2- для нижних половин антенных решеток и n₁ N/2+ 1, n₂ N для верхних половин этих решеток;
комплексный коэффициент отражения радиоволн от земной поверхности при вертикальной или горизонтальной поляризации радиоволн.

При этом учитывалось, что все излучающие элементы антенных решеток одинаковы, направлены горизонтально, имеют симметричные диаграммы направленности в вертикальной плоскости, расположены на одинаковых расстояниях L друг от друга, запитываются синфазно, а амплитудные распределения на апертурах решеток косинусоидальные.

Известно, что при малых углах скольжения комплексный коэффициент отражения радиоволн от земли -1 при любой поляризации радиоволн, при горизонтальной поляризации и высокой проводимости подстилающей поверхности почти при всех углах скольжения. Учитывая это и используя известные математические формулы для сумм тригонометрических функций, формулу Эйлера и другие формулы тригонометрии, можно представить формулу (5) в следующем виде
= jAf_н(θ) (6) для комплексных амплитуд напряжений на выходах нижних каналов приемников и
= jAf_в(θ) (7) для верхних каналов приемника, где f_н (θ), f_в (θ) диаграммы направленности в вертикальной плоскости нижних и верхних половин антенных решеток с учетом влияния земли, равные
f_н(θ) 2F_э(θ)sin; (8)
f_в(θ) f_н(θ)2tgsinNVctgV-1. (9)
Полагается, что коэффициенты усиления К_y всех приемных каналов одинаковы.

Из формул (6-9) видно, что напряжения , на выходах нижнего и верхнего приемных каналов в зависимости от угла места θ источника радиоизлучения как в первом, так и во втором приемниках 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) нижних и верхних половин антенных решеток с учетом влияния земли.

Расчеты по формулам (6) и (7) 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 соответствующей антенной решетки) и имеют разные знаки при θ > arcsin Это можно видеть на фиг. 2, где представлены диаграммы направленности f_н1 (θ) и f_в1(θ) нижней и верхней (штриховая кривая) половины антенной решетки 3 первого приемника в вертикальной плоскости с учетом влияния земли. Эти графики рассчитаны для частной реализации предложенной антенны (длина волны λ= 0,35 м, количество излучающих элементов N₁ 80, расстояние между соседними элементами L 0,2 м) при использовании ненаправленных в вертикальной плоскости излучающих элементов решетки, например горизонтальных вибраторов (F_э(θ)= 1). Из этих графиков видно, что знаки f_н1(θ) и f_в1(θ) совпадают только в узком рабочем угломестном секторе 0 < θ < arcsin, а вне его нули диаграмм совпадают и знаки лепестков противоположны.

Напряжения видеосигналов U_c1, U_c2 на выходах устройств 18 и 20 вычитания определяются выражениями
U_c1= UU-U+-- (10)
U_c2= UU-U+-- (11)
Из этих формул видно, что напряжения U_c1 и U_c2 равны нулю, когда напряжения и (или соответственно и ) имеют разные знаки, и отличны от нуля, когда знаки одинаковы.

Таким образом, эхо-сигнал цели, находящейся в указанном угломестном рабочем секторе, пройдет на выход устройств 18 и 20 вычитания и поступит на устройство 21, а напряжение помехи от постановщика помех, находящегося вне рабочего сектора при углах места θ_п≥ arcsin не пройдет на выходы устройств вычитания, будет полностью подавлено и поступать на устройство 21 не будет, несмотря на то, что антенны устройства принимают помеху по верхней части главного луча или верхним боковым лепестком.

Основное свойство предложенного устройства доказано.

Напряжения видеосигналов U_c1 и U_c2, поступающие на устройство 21, очищены от помех и несут в себе информацию об угле места цели. Находя отношение этих напряжений из формул (6-11 и 4), получим уравнение (1) для определения угла места цели. При этом учтено, что коэффициенты усиления G_m антенных решеток 3 и 4 прямо пропорциональны количеству излучающих элементов решетки N₁ и N₂ соответственно.

В угломестном рабочем секторе 0 < θ < arcsin уравнение (1) имеет единственное решение. Это можно видеть из расчетного графика на фиг. 3, где представлена зависимость отношения напряжений U_c1/U_c2 от угла места цели θ, рассчитанная по формуле (1) для частной реализации предложенного устройства (длина волны λ= 0,35 м, количество элементов антенных решеток N₁ 80, N₂ 50, расстояние между элементами L 0,2 м). Если помехоноситель или высоко летящая цель находятся выше указанного угломестного рабочего сектора, то их сигналы не будут поступать на устройство 21, так как для них напряжение U_c1 0. В этом случае предложенное устройство полностью подавляет ответные импульсные помехи и выделяет на входы устройства 21 и в тракт измерения дальности только очищенные от помех сигналы маловысотных целей, т.е. обеспечивает эффективную борьбу с ответными импульсными помехами.

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

Количества элементов N₁,N₂ антенных решеток 3 и 4 обязательно должны быть четными и разными, так как при N₁ N₂ уравнение (1) решения не имеет и измерение угла места целей становится невозможным.

Перечисленные выше элементы структурной схемы предложенного устройства (фиг. 1) выполнены следующим образом. Сумматоры 9 и 10, амплитудные детекторы 11-16 и устройства 17-20 вычитания, выполнены по обычным известным схемам. При этом модули разностей видеосигналов нижних и верхних приемных каналов на выходах устройств 17 и 19 вычитания могут быть получены, например, с помощью известных мостовых диодных схем, широко используемых в двухполупериодных выпрямителях. Антенный переключатель 2 имеет обычную известную конструкцию и подключает обычный импульсный передатчик 1 одновременно к обеим половинам приемопередающей антенной решетки 3 при передаче, а при приеме верхнюю половину этой решетки подключает к верхнему каналу 6 первого приемника, а нижнюю к нижнему каналу 5 этого приемника. Приемные каналы 5-8 первого и второго приемников одинаковы, имеют одинаковые коэффициенты усиления и выполнены по обычным супергетеродинным схемам. Излучающие элементы антенных решеток 3 и 4 одинаковы и могут быть выполнены, например, в виде симметричных горизонтальных вибраторов или рупорных излучателей. Косинусоидальные амплитудные распределения на апертурах антенных решеток установлены с помощью элементов связи излучающих элементов с фидерными трактами. Устройство 21 может быть реализовано в аналоговой или в цифровой форме. В последнем случае в его состав должны входить аналого-цифровые преобразователи, преобразующие поступающие на устройство 21 напряжения в цифровую форму. Это устройство определяет угол места маловысотной цели путем решения трансцендентного уравнения (1) в интервале угломестного рабочего сектора измерителя в реальном масштабе времени. Для сокращения времени вычислений целесообразно заранее рассчитать зависимость (1) (фиг. 3) для конкретной реализации устройства и записать ее в виде таблицы в память устройства 21. Тогда в реальном масштабе времени последнее будет просто выбирать из этой таблицы значение угла места, соответствующее текущему отношению видеосигналов U_c1/U_c2, и уточнит этот угол путем интерполяции.

Помехозащищенный маловысотный измеритель угла работает следующим образом.

Передатчик 1 формирует импульсный зондирующий сигнал, антенный переключатель 2 подключает его к всей антенной решетке 3, которая излучает этот сигнал в секторе малых углов места. Эхо-сигналы маловысотной цели в угломестном рабочем секторе 0 < θ < arcsin принимаются верхними и нижними половинами антенных решеток 3 и 4 и поступают соответственно в верхние и нижние каналы первого и второго приемников. Аналогично принимаются ответные импульсные помехи, приходящие с углов места θ_п>arcsin. Напряжения ,, и c выходов приемных каналов на промежуточной частоте суммируются сумматорами 9 и 10, детектируются амплитудными детекторами 11-16 и поступают на устройства 17-20 вычитания, которые вычитают модули разностей видеосигналов нижних и верхних приемных каналов из видеосигналов суммарных каналов. При этом помехи на выходах устройств 18 и 20 вычитания подавляются. Напряжения видеосигналов U_c1, U₂ с выходов этих устройств вычитания поступают на устройство 21, которое определяет по этим напряжениям угол места маловысотной цели θ в реальном масштабе времени.

Расчеты показали, что предложенное устройство можно также использовать для борьбы с протяженными прицельными помехами, приходящими с больших углов места и принимаемыми одновременно с эхо-сигналами маловысотных целей. В этом случае помехи также будут подавляться. РЛС сможет обнаруживать маловысотные цели, измерять их дальность, то интенсивные протяженные прицельные помехи существенно снижают точность измерения угла места и высоты целей. При борьбе с ответными импульсными помехами импульсы помех зачастую имеют иное время запаздывания, чем импульсы эхо-сигналов маловысотных целей. При этом такие помехи почти полностью подавляются и не снижают точность измерения высоты маловысотных целей. Поэтому предложенное устройство особенно эффективно при борьбе с ответными импульсными помехами.

Таким образом, предложенное устройство в условиях применения противником ответных импульсных помех значительно эффективнее прототипа, который в таких условиях практически работать не может.

Использование: радиолокация. Сущность изобретения: помехозащищенный измеритель угла места цели содержит передатчик 1, антенный переключатель 2, приемопередающую антенну 3, приемную антенну 4, каналы 5 и 6 первого приемника, каналы 7 и 8 второго приемника, сумматоры 9 и 10, амплитудные детекторы 11 - 16, устройства 17 - 20 вычитания и устройство 21 вычисления угла места цели. 3 ил.

ПОМЕХОЗАЩИЩЕННЫЙ МАЛОВЫСОТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УГЛА МЕСТА ЦЕЛИ, содержащий импульсный передатчик, соединенный с антенным переключателем, двухканальный приемник и антенную систему, отличающийся тем, что введены второй двухканальный приемник, два сумматора, шесть амплитудных детекторов, четыре устройства вычитания и устройство вычисления угла места цели, при этом антенная система выполнена в виде двух синфазных эквидистанных антенных решеток, которые состоят из разного числа идентичных горизонтально направленных симметричных излучающих элементов, разнесенных по высоте, имеющих косинусоидальное амплитудное распределение по высотам апертур решеток, а вертикальные размеры этих апертур равны соответствующим разным максимальным высотам антенны над землей, верхние половины антенных решеток первой приемопередающей антенны связаны с входами верхних каналов соответствующих приемников через антенный переключатель, а второй приемной антенны - непосредственно, нижние половины этих антенных решеток аналогично связаны с входами нижних каналов приемника, выходы верхних и нижних каналов первого приемника соединены с входами первого сумматора и входами соответствующих амплитудных детекторов, выходы верхних и нижних каналов второго приемника соединены с входами второго сумматора и входами соответствующих амплитудных детекторов, выходы сумматоров соединены с входами соответствующего амплитудного детектора, выходы амплитудных детекторов, связанных с верхним и нижним каналами первого приемника, соединены с входами первого устройства вычитания, выход которого и выход амплитудного детектора, связанного с первым сумматором, соединены с входами второго устройства вычитания, выходы амплитудных детекторов, связанных с верхним и нижним каналами второго приемника, соединены с входами третьего устройства вычитания, выход которого и выход амплитудного детектора, связанного с вторым сумматором, соединены с входами четвертого устройства вычитания, выходы второго и четвертого устройств вычитания соединены с входами устройства вычисления угла места цели по формуле

где напряжения видеосигналов на входах устройства вычисления угла места цели;
N₁, N₂ количество излучающих элементов первой и второй антенных решеток;

l длина волны;
L расстояние между элементами антенной решетки;
q угол места цели.