ДАЛЬНОМЕР ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ МАЛОВЫСОТНЫХ МАЛОСКОРОСТНЫХ ЦЕЛЕЙ НА ФОНЕ ПОМЕХОВЫХ ОТРАЖЕНИЙ ОТ ЗЕМЛИ Российский патент 1995 года по МПК G01S13/44 

Изобретение относится к радиолокации, в частности к основам построения и конструкции маловысотных РЛС, и может быть использовано в РЛС для подавления обратных помеховых отражений зондирующих сигналов от земной поверхности.

Известны способ и устройство подавления пассивных помех в допплеровском радиолокаторе, содержащее передатчик и приемник эхо-сигналов [1] Из принятых сигналов формируются сигналы, включающие допплеровские частотные компоненты, которые подаются на устройство обработки сигналов, содержащее допплеровский процессор. Этот процессор осуществляет избирательную частотную фильтрацию сигналов. В допплеровском процессоре формируется по крайней мере один отфильтрованный сигнал, который сравнивается с принятым сигналом в устройстве амплитудного сравнения. В результате сравнения последнее устройство вырабатывает выходные сигналы первого или второго уровня. Сигнал первого уровня вырабатывается в тех случаях, когда отношение интенсивностей сравниваемых сигналов лежит в пределах заданного диапазона величин. Сигнал второго уровня вырабатывается когда указанное соотношение лежит вне заданного диапазона. Выходной сигнал с устройством амплитудного сравнения подается на стробирующее устройство, через которое избирательно пропускается выходной сигнал радиолокатора с подавленными отражениями от пассивных помех. Сигнал проходит через стробирующее устройство только в том случае, когда отношение прошедшего через фильтр сигнала к приятому сигналу превышает заданный уровень.

Однако такое устройство не может обнаруживать маловысотные малоскоростные и неподвижные воздушные цели на фоне обратных помеховых отражений, зондирующих сигналов передатчика от земной поверхности. Эхо-сигналы таких целей почти не имеют допплеровского смещения частоты и не будут селектированы допплеровским процессором этого устройства. В результате эхо-сигнал цели не пройдет через стробирующее устройство и цель не будет обнаружена.

Известна также когерентно-импульсная система селекции движущихся целей (СДЦ) [2] В этой системе в качестве опорных колебаний, с которыми сравниваются принимаемые эхо-сигналы, используются колебания специального так называемого когерентного гетеродина. Эти колебания жестко синхронизированы по фазе с колебаниями передатчика. Фазирование когерентного гетеродина производится на промежуточной частоте.

Импульсы высокочастотной энергии передатчика излучаются антенной в пространство. Колебания передатчика, преобразованные при помощи напряжения местного гетеродина в импульсы промежуточной частоты (фазирующие импульсы), подаются также на когерентный гетеродин для его фазирования. При фазировании частота и фаза колебаний когерентного гетеродина равна частоте и фазе колебаний фазирующего импульса. Таким путем обеспечивается когерентность колебаний передатчика и когерентного гетеродина.

Сфазированное напряжение когерентного гетеродина подается на фазовый детектор, на который подается также и принимаемый эхо-сигнал, проеобразованный при помощи того же местного гетеродина в сигнал промежуточной частоты.

Для эхо-сигналов от неподвижных объектов видеосигналы на выходе фазового детектора имеют постоянную амплитуду от периода к периоду импульсов, а для эхо-сигналов от движущейся цели на выходе фазового детектора появятся видеоимпульсы, амплитуда которых от периода к периоду изменяется по косинусоидальному закону с частотой Допплера.

После фазового детектора сигналы подаются в компенсирующее устройство. В последнем осуществляется череспериодное вычитание видеосигналов с выхода фазового детектора, причем видеосигналы с неизменной амплитудой подавляются, а импульсы, амплитуда которых изменяется от периода к периоду, выделяются. Таким образом, для сигналов от неподвижных объектов (земной поверхности, облако и т.п.) сигнал на выходе компенсирующего устройства равен нулю, а для сигналов от движущейся цели отличен от нуля.

Недостатком такой когерентно-импульсной РЛС является то, что она не может обнаруживать малоскоростные и неподвижные воздушные цели на фоне обратных помеховых отражений зондирующих сигналов передатчика от земной поверхности. Эхо-сигналы таких целей почти не имеют допплеровского смещения частоты и будут подавлены описанной выше системой СДЦ так же, как и пассивные помехи.

Наиболее близкой к изобретению является радиолокационная система обнаружения низколетящих целей [3] В этой системе маловысотные цели обнаруживаются с помощью радиолокационного приемопередатчика, антенна которого излучает энергию сантиметрового диапазона в течение интервала передачи приема. Принимаемая высокочастотная энергия в течение интервала приема разделяется на две раздельно распространяющиеся компоненты. Это разделение осуществляется с помощью двух разнесенных по вертикали излучателей, образующих часть антенны приемопередатчика. Между антенной и приемником высокочастотная энергия распространяется по двум параллельным ветвям, которые затем объединяются в суммарном и разностном каналах, образуя суммарную и разностную компоненты принимаемого сигнала. Для обнаружения маловысотных целей выбирается тот канал, в котором имеется более интенсивный сигнал. При этом разностный канал образуется с помощью высокочастотного устройства вычитания, на вход которого поступают сигналы, принимаемые нижним и верхним излучающими элементами антенной системы, а суммарный канал с помощью высокочастотного сумматора. Для переключения антенны с передачи на прием использован антенный переключатель, а для выбора лучшего приемного канала использовано вычислительное устройство и переключатель каналов со своим устройством управления.

Однако данная радиолокационная система не может обнаруживать цели на фоне обратных помеховых отражений зондирующих сигналов от земной поверхности. При нахождении цели в области таких помеховых отражений уровень пассивной помехи от земли зачастую значительно превышает уровень эхо-сигнала цели. В этом случае уровень помехи в суммарном канале обычно будет выше, чем в разностном канале. При этом, вычислительное устройство прототипа будет чаще выбирать суммарный приемный канал, ориентируясь на более высокий уровень помехи. В результате эхо-сигнал цели будет потерян в пассивных помехах, обнаружение цели и измерение ее дальности в области помеховых отражений от земли становится невозможным.

Задачей изобретения является подавление обратных помеховых отражений зондирующих сигналов передатчика от земной поверхности и улучшение тем самым возможности обнаружения маловысотных малоскоростных и неподвижных воздушных целей в области этих отражений.

Для этого в дальномере для обнаружения маловысотных малоскоростных целей, содержащем импульсный передатчик, приемник, антенный переключатель, антенную систему из двух разнесенных по высоте одинаковых излучающих элементов и высокоскоростное устройство вычитания, вычитающее эхо-сигналы, принимаемые нижним и верхним элементами антенной системы, между нижним элементом антенной системы и устройством вычитания включен управляемый фазовращатель, периодически изменяющий фазу принимаемых сигналов синхронно с зондирующими импульсами передатчика обратно пропорционально времени запаздывания эхо-сигналов над ровной подстилающей поверхностью или по закону
Δϕ (t) Z_o+h+ZZ-2Z_o-2h+1+ ×
× 1+ 1- 1- 1- -
(Z_o+h_в)²+ZZ-2Z_o-2h + 1+ ×
× 1+ 1- 1- 1- (1) на трассе со сложным рельефом местности, где Δϕ(t) сдвиг фаз, на который фазовращатель изменяет фазу принимаемого сигнала;
t время запаздывания;
λ- длина волны;
с скорость света;
h_н, h_в высоты над землей нижнего и верхнего элементов антенны;
а_э эквивалентный радиус Земли;
Z_о- высота над уровнем моря точки расположения дальномера;
Z( Z) -высотный профиль рельефа местности на трассе между дальномером и целью.

При этом в качестве передающей антенны использован только верхний излучающий элемент антенной системы, переключаемый с передачи на прием с помощью антенного переключателя, и из состава устройства-прототипа исключены суммарный канал с сумматором, переключатель суммарного и разностного каналов со своим устройством управления и вычислительное устройство, выбирающее лучший канал.

Техническая сущность и принцип действия предложенного.

На фиг. 1, 2 представлены упрощенная структурная схема предлагаемого дальномера для обнаружения маловысотных малоскоростных целей на фоне помеховых отражений от земли и принцип его действия соответственно; на фиг. 3 зависимость фазы фазовращателя от времени запаздывания; на фиг. 4 нормированные зоны видимости в вертикальной плоскости для прототипа над ровной подстилающей поверхностью (пунктирная кривая), для предложенного устройства над сложным горным рельефом (штриховая кривая) и для предложенного устройства над ровной землей.

Дальномер состоит из импульсного передатчика 1, связанного через антенный переключатель 2 "прием-передача" с верхним приемопередающим излучающим элементом 3 антенной системы, нижний элемент 4 которой использован только для приема сигналов. Сигналы, принимаемые верхним и нижним элементами антенной системы, вычитаются в высокочастотном устройстве 5 вычитания и поступают на приемник 6 и далее в индикатор 8 для измерения дальности цели. Между нижним элементом 4 антенной системы и устройством 5 вычитания включен управляемый с помощью синхронизатора 9 фазовращатель 7, периодически изменяющий (задерживающий) фазу сигналов, принимаемых этим элементом по указанному выше закону.

Принцип действия предложенного устройства поясняется следующим. Эхо-сигналы маловысотной цели приходят к элементам приемной антенной системы дальномера двумя путями: прямой волной и волной, отраженной от земной поверхности. Пассивные помехи, представляющие собой результат обратного рассеяния энергии зондирующих импульсов передатчика на элементах земной поверхности, приходят к антенне дальномера в основном с отрицательных углов места только прямой волной. Это схематически показано на фиг. 2, где изображены нижний и верхний элементы антенной системы дальномера, маловысотная цель, высотный профиль рельефа местности Z(D) на трассе между антенной и целью и лучи радиоволн эхо-сигналов цели и обратных помеховых отражений от текущей ячейки разрешения с τ/2 (с скорость света, τ- длительность зондирующего импульса) на земной поверхности. Когда цель находится в области помеховых отражений от земли, эхо-сигналы цели и помеховые отражения от соответствующей ячейки разрешения приходят к антенне дальномера одновременно, это затрудняет обнаружение цели, эхо-сигнал которой теряется в этих помеховых отражениях.

Фаза помеховых отражений в верхнем элементе приемной антенной системы обычно отстает от фазы этих отражений в нижнем элементе антенны, так как расстояние r_в от текущей ячейки разрешения на земной поверхности до верхнего элемента антенны больше, чем соответствующее расстояние r_ндо нижнего элемента антенны (фиг. 2). Если задержать фазу помеховых отражений с нижнего элемента антенны на величину
Δϕ (r_в-r_н) (2) с помощью управляемого фазовращателя и вычесть помеховые отражения с верхнего и нижнего элементов антенны с помощью высокочастотного устройства вычитания, то на выходе этого устройства помеховые отражения от земли будут почти полностью подавлены. При этом полагается, что верхний и нижний элементы антенны одинаковы, направлены горизонтально и имеют симметричные диаграммы направленности вертикальной плоскости в свободном пространстве. Это обеспечивает примерное равенство амплитуд помеховых отражений от земли, принимаемых этими элементами.

Эхо-сигналы маловысотной малоскоростной цели на выходе устройства 5 вычитания, в отличие от помеховых отражений, не будут полностью подавлены и зачастую их уровень будет выше, чем в каком-либо одном из элементов антенны. Это объясняется следующим. Эхо-сигналы маловысотной цели приходят к нижнему или верхнему элементу антенны двумя путями: прямой волной и волной, отраженной от земли. При этом комплексная амплитуда напряжения эхо-сигнала цели на выходе какого-либо приемного элемента антенны (верхнего или нижнего) определяется известной формулой
λ F_э(θ)ee+e, (3) где λ- длина волны;
G_m коэффициент усиления элемента антенны;
R_вх входное сопротивление фидерного тракта;
S плотность мощности прямой радиоволны от цели вблизи антенны;
F_э(θ) нормированная диаграмма направленности элемента антенны в вертикальной плоскости в свободном пространстве;
θ- угол места цели;
ϕ- фаза радиоволны, приходящей от цели в точку расположения антенны на поверхности земли;
К 2 π/λ- волновое число;
h_а высота элемента антенны над землей (h_a h_н для нижнего элемента и h_a h_в для верхнего элемента);
комплексный коэффициент отражения радиоволн от земной поверхности при вертикальной или горизонтальной поляризации.

Известно, что при малых углах скольжения комплексный коэффициент отражения от земли -1 при любой поляризации радиоволн. Учитывая это, можно представить формулу (3) для комплексной амплитуды напряжения на выходе приемного элемента антенны в следующем виде
2λ F_э(θ)esin(kh_asinθ) (4)
Из этой формулы видно, что напряжения эхо-сигналов маловысотной цели на выходах нижнего и верхнего элементов антенны находятся либо в фазе, либо в противофазе и не могут иметь какого-либо иного сдвига фаз. Кроме того, эти напряжения (в отличие от соответствующих напряжений помеховых отражений) обычно отличаются друг от друга по амплитуде. Из этого следует, что сдвиг фазы напряжения эхо-сигнала цели с нижнего элемента антенны в управляемом фазовращателе отличается на Δϕ(формула (2)) и последующее вычитание напряжений эхо-сигнала с верхнего элемента антенны и с выхода фазовращателя обычно не приводит к полному подавлению эхо-сигнала цели на выходе устройства вычитания.

Таким образом, на выходе устройства вычитания эхо-сигнал маловысотной цели будет выделен, а обратные помеховые отражения от земной поверхности будут почти полностью подавлены. При этом эхо-сигнал цели может не иметь заметного допплеровского сдвига частоты, т.е. предлагаемое устройство сможет эффективно обнаруживать малоскоростные маловысотные воздушные цели на фоне интенсивных помеховых отражений от земной поверхности.

Сдвиг фаз Δϕ, который должен обеспечивать управляемый фазовращатель 7 для обеспечения последующего подавления помеховых отражений от земли, определяется формулой (2) (со знаком минус) и зависит от времени запаздывания t, так как с течением времени отражающая радиоволны ячейка разрешения сτ/2 на поверхности земли перемещается вдоль трассы и соответственно изменяются расстояния r_в, r_н от этой ячейки до верхнего и нижнего элементов приемной антенны дальномера. Используя геометрию рисунка (фиг. 2) и теорему косинусов, можно представить зависимость сдвига фаз Δϕ(t), фазовращателя 7 от времени запаздывания t, т.е. формулу (2), в последующем виде
Δϕ(t)
, (5) где D горизонтальная дальность от дальномера до текущей ячейки разрешения по поверхности земли, изменяющаяся с течением времени запаздывания t по формуле
D , (6) где с скорость света;
λ- длина волны;
h_н, h_в высоты над землей нижнего и верхнего элементов антенной системы;
а_э эквивалентный радиус земли;
Z_о -высота над уровнем моря точки расположения дальномера;
Z(D) высотный рельеф местности на трассе между дальномером и целью.

Формула (5) не удобна для расчетов, так как в ней под радикалами имеются малые разности очень больших величин. Представляя косинус малого аргумента cos степенным рядом и используя элементарные математические преобразования, можно представить формулу (5) в более удобном для расчетов виде (1).

Над ровной подстилающей поверхностью или над морем (Z(D) 0) формула (1) существенно упрощается:
Δϕ(t) -1 ≈ h2н

Примеры расчетных зависимостей фазы Δϕ(t) фазовращателя 7 от времени запаздывания t представлены на фиг. 3. Эти графики рассчитаны для частной реализации предложенного устройства (длина волны λ=0,35 м, высоты над землей излучателей антенны h_н 15 м и h_в 30 м) для ровной подстилающей поверхности (штриховая кривая) и для частного примера сложного горного рельефа местности на трассе между дальномером и целью. Эти примеры показывают, что необходимые для работы устройства фазовые характеристики фазовращателя могут быть реализованы с помощью известных конструкций управляемых фазовращателей.

Перечисленные выше элементы структурной схемы предложенного устройства (фиг. 1) выполнены следующим образом. Нижний 4 и верхний 3 излучающие элементы антенной системы одинаковы, направлены горизонтально и имеют симметричные диаграммы направленности в вертикальной плоскости в свободном пространстве. В качестве этих элементов можно использовать, например, обычные рупорные или зеркальные антенны. Высоты подъема этих элементов над землей обязательно должны быть разные. Большой (по сравнению с длиной волны) разнос этих элементов по высоте не целесообразен, так как это увеличивает необходимый интервал изменения фазы управляемого фазовращателя 7. Кроме того, при большом разносе этих элементов по высоте в области помеховых отражений от земли появляются значительные по размерам участки, затененные для нижнего элемента и не затененные для верхнего. Помеховые отражения от таких участков, принимаемые только верхним элементом, не будут подавляться устройством 5 вычитания. Малый разнос по высоте излучающих элементов 3 и 4 также не целесообразен, так как при этом устройство будет сильно ослаблять эхо-сигналы маловысотных целей, поэтому для каждой конкретной позиции дальномера на сложной местности можно найти оптимальные высоты подъема нижнего h_н и верхнего h_в элементов над землей, при которых использование предложенного устройства в заданном ответственном секторе будет наиболее эффективным.

Управляемый фазовращатель 7 может быть реализован, например, в виде ферритового фазовращателя, для подмагничивания которого следует использовать импульсы постоянного тока с крутым передним и медленно спадающим задним фронтом. Частота следования этих импульсов должна быть равна частоте следования зондирующих импульсов передатчика.

Другая реализация управляемого фазовращателя 7 возможна, например, в виде набора коротких отрезков полосковых линий, переключаемых p i n диодами. Для подключения таких линий следует использовать управляющие прямоугольные импульсы постоянного напряжения соответствующей длительности. При этом частота следования управляющих импульсов для p i n диодов также должна быть равна частоте следования зондирующих импульсов передатчика.

Другие элементы предлагаемого устройства, показанные на фиг. 1, ничем не отличаются от соответствующих элементов прототипа.

Дальномер работает следующим образом.

Передатчик 1 формирует, а верхний элемент 3 антенной системы излучает зондирующий радиоимпульс в течение интервала передачи. В течение интервала приема элементы 3 и 4 антенной системы принимают эхо-сигналы цели и помеховые отражения от земной поверхности. Помеховые отражения от земли, принятые элементом 4 антенной системы, сравниваются по фазе с соответствующими помеховыми отражениями с верхнего элемента 3 с помощью управляемого фазовращателя 7 и поступают на высокочастотное устройство 5 вычитания. На это же устройство поступают через антенный переключатель 2 также помеховые напряжения (и эхо-сигналы цели), и принятые верхним элементом 3 антенной системы. На выходе устройства 5 вычитания помеховые отражения от земли почти полностью подавляются, а эхо-сигналы маловысотных целей выделяются и поступают далее в тракт приема и измерения дальности.

Для сравнительной оценки возможностей прототипа и предложенного устройства по обнаружению маловысотных целей были рассчитаны зоны видимости дальномеров в вертикальной плоскости. Результаты расчетов представлены на фиг. 4, где построены нормированные зоны видимости в вертикальной плоскости (т.е. зависимость дальности обнаружения r_m от угла места θ) для прототипа над ровной подстилающей поверхностью (пунктирная кривая), для предложенного устройства над сложным горным рельефом (штриховая кривая) и для предложенного устройства над ровной землей. Нормировка зон видимости проведена относительно максимальной дальности обнаружения r_mo в свободном пространстве для дальномеров с приемопередающей антенной из одного излучающего элемента того же типа, что и в предложенном устройстве.

Как видно на фиг. 4, предложенное устройство вполне обеспечивает обнаружение маловысотных целей в секторе малых углов места. За пределами области помеховых отражений от земли возможности предложенного устройства не на много уступают прототипу. В области же помеховых отражений предложенное устройство значительно превосходит прототип и может обнаруживать маловысотные малоскоростные цели на фоне интенсивных помеховых отражений от земли, а прототип в этой области такие цели практически обнаруживать не может.

Использование: в радиолокации для обнаружения маловысотных малоскоростных целей на фоне помех. Сущность изобретения: дальномер содержит передатчик 1, антенный переключатель 2, антенную систему из двух излучающих элементов 3 и 4, устройство 5 вычитания, приемник 6, управляемый фазовращатель 7, индикатор 8 и синхронизатор 9. 9-1-2-5-6-8, 3-2, 4-7-5, 9-7, 9-1, 9-6, 9-8. 4 ил.

ДАЛЬНОМЕР ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ МАЛОВЫСОТНЫХ МАЛОСКОРОСТНЫХ ЦЕЛЕЙ НА ФОНЕ ПОМЕХОВЫХ ОТРАЖЕНИЙ ОТ ЗЕМЛИ, содержащий антенную систему из двух разнесенных по высоте одинаковых излучающих элементов, импульсный передатчик, соединенный с верхним излучающим элементом антенной системы через антенный переключатель, приемник, выход которого соединен с индикатором, синхронизатор, соединенный с передатчиком, приемником и индикатором, высокочастотное устройство вычитания, выход которого соединен с входом приемника, а вход с верхним излучающим элементом антенной системы через антенный переключатель, отличающийся тем, что между нижним элементом антенной системы и другим входом высокочастотного устройства вычитания включен соединенный с синхронизатором по входу управления управляемый фазовращатель, периодически изменяющий фазу принимаемых сигналов синхронно с зондирующими импульсами передатчика обратно пропорционально времени запаздывания эхо-сигналов над ровной подстилающей поверхностью или на трассе со сложным рельефом местности по закону

где Δϕ(t) сдвиг фаз управляемого фазовращателя;
t время запаздывания;
λ длина волны;
c скорость света;
h_н, h_в высоты над Землей нижнего и верхнего элементов антенной системы;
a_э эквивалентный радиус Земли;
z₀ высота над уровнем моря точки расположения дальномера;
высотный профиль рельефа местности на трассе между дальномером и целью.