ПОМЕХОЗАЩИЩЕННАЯ РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ ОБНАРУЖЕНИЯ МАЛОВЫСОТНЫХ ЦЕЛЕЙ Российский патент 1995 года по МПК G01S13/02 G01S7/36 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в РДС обнаружения маловысотных целей и в наземных приемных установках радиолиний связи для защиты от интенсивных активных радиопомех, частота которых точно совпадает с рабочей частотой устройства.

Известен адаптивный компенсатор активных помех для радиолокационного приемника. Приемник этого устройства принимает эхо-сигналы цели совместно с сигналами активных помех. 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, который подавляет помеху и выделяет эхо-сигнал цели. Для обнаружения цели выбирают канал, в котором интенсивность сигнала выше.

Существенным недостатком этого устройства является то, что оно не может подавлять прицельные радиопомехи, длительность которых равна или меньше длительности импульса зондирующего сигнала РЛС. 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 радиоимпульсов короткой длительности такой компенсатор подавить не успевает, так же, как и короткие эхо-сигналы цели. И, наоборот, полезные сигналы большой протяженности такой компенсатор будет подавлять, как помехи.

Известна радиолокационная система обнаружения низколетящих целей, которую можно использовать для обнаружения маловысотных целей и измерения их дальности. Цель обнаруживается с помощью радиолокационного приемопередатчика, антенная система которого излучает радиоимпульс в течение интервала передачи и принимает отраженные от цели эхо-сигналы в течение интервала приема. Высокочастотная энергия в течение одного из этих интервалов (например, интервала приема) разделяется на два канала с помощью двух разнесенных по высоте антенн. Между антенной системой и приемной частью РЛС энергия распространяется по двум параллельным ветвям, которые затем объединяются в суммарном и разностном каналах. Для обнаружения цели выбирается тот канал, в котором интенсивность принимаемых сигналов выше.

Существенным недостатком прототипа является то, что он не защищен от активных радиопомех, частота которых равна несущей частоте принимаемых полезных эхо-сигналов. При наличии таких помех высокой интенсивности прототип всегда будет выбирать тот приемный канал, в котором интенсивность помех выше, что приводит к невозможности обнаружения целей.

Целью изобретения является защита от активных прицельных радиопомех высокой интенсивности, приходящих по верхней части главного лепестка и верхним ближним боковым лепесткам диаграммы направленности антенны.

Это достигается благодаря тому, что в устройстве, содержащем две разнесенные по высоте симметричные горизонтально направленные антенны, каждая из которых связана со своим каналом приема, и сумматор, суммирующий принимаемые антеннами сигналы, на выходах каждого из приемников по промежуточной частоте до сумматора установлены амплитудные ограничители с узкополосными усилителями промежуточной частоты, вертикальный размеp апертуры верхней антенны равен средней высоте подъема этой антенны над землей при косинусоидальном амплитудном распределении на апертуре, а высота подъема нижней антенны вдвое меньше, чем у верхней антенны. При этом из устройства исключены высокочастотное устройство вычитания разностного канала приема, переключатель суммарного и разностного каналов с устройством управления коммутацией и вычислительное устройство, выбирающее суммарный или разностный канал.

На фиг.1 представлена упрощенная структурная схема приемной части предложенной помехозащищенной РЛС обнаружения маловысотных целей, а также условно показаны верхняя приемная антенная решетка с косинусоидальным амплитудным распределением на апертуре, нижняя приемная антенна и их диаграммы направленности.

Приемная часть предложенного устройства состоит из верхней приемной антенной решетки 1 с косинусоидальным амплитудным распределением на апертуре, вертикальный размер которой L равен средней высоте подъема 2h верхней антенны над землей, нижней антенны 2, высота подъема которой над землей h вдвое меньше, чем у верхней антенны, приемников 3, 4 верхней и нижней антенн соответственно, входы которых непосредственно связаны с соответствующими антеннами, амплитудных ограничителей 5, 6 и узкополосных усилителей 7, 8 промежуточной частоты, установленных на выходах каналов приема верхней и нижней антенн соответственно, и сумматора 9, суммирующего выходные сигналы верхнего и нижнего каналов приема на промежуточной частоте. Выходное напряжение сумматора детектируется в детекторе 10, затем через видеоусилитель 11 подается в индикатор 12 для обнаружения и измерения дальности цели. В состав РЛС входят также импульсный передатчик с передающей антенной (на чертеже не показаны).

Принцип действия предложенного устройства поясняется следующим. Для борьбы с активными прицельными помехами высокой интенсивности и произвольной протяженности на несущей частоте полезного эхо-сигнала (в том числе и с ответными импульсными помехами) использовано отличие углов прихода помехи и эхо-сигнала. Полезный эхо-сигнал маловысотной цели приходит под малыми углами места вблизи горизонтально направленной оси приемных антенн РЛС, а углы прихода помехи больше и расположены в угломестном секторе верхней части главного лепестка диаграммы направленности антенны и в районе верхних ближних (двух-трех) боковых лепестков диаграммы направленности верхней антенны. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости в свободном пространстве нижней приемной антенны шире, чем у верхней антенны, и перекрывает главным лепестком указанные верхние боковые лепестки верхней антенны. Обе приемные антенны имеют симметричные в вертикальной плоскости диаграммы направленности и направлены горизонтально под одинаковым азимутом. При этом обе антенны принимают как прямые радиоволны помехи и эхо-сигнала, так и отраженные от земли радиоволны, т.е. на направленные свойства антенн в вертикальной плоскости существенное влияние оказывает земная поверхность. Диаграмма направленности f(θ) любой из этих двух приемных антенн в вертикальной плоскости с учетом влияния земли определяется известной формулой
f(θ) F(θ)Φ(θ) (1) где F(θ) нормированная диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости в свободном пространстве;
θ угол места;
Φ(θ) интерференционный множитель земли.

Известно, что в секторе малых углов места коэффициент отражения радиоволн от земли близок к -1 при любой поляризации радиоволн и любых реальных параметрах земной поверхности. Высота подъема над землей нижней антенны h вдвое меньше, чем высота подъема над землей 2h верхней антенны. При этом интерференционный множитель земли в секторе малых углов места будет
Φ(θ)=2sin sin (2) для нижней антенны и
Φ(θ)=2sin sin (3) для верхней антенны ( λ длина волны).

Диаграммы направленности f_н(θ), f_в(θ) нижней и верхней антенн в вертикальной плоскости с учетом влияния земли в секторе малых углов места соответственно будут
f_н(θ)=2F_н(θ)sin sin (4) для нижней антенны и
f_в(θ)= 2F_в(θ)sin sin (5) для верхней антенны (F_н(θ), F_в(θ) диаграммы направленности нижней и верхней антенн в вертикальной плоскости в свободном пространстве соответственно; θ угол места).

Из формул (4), (5) видно, что в пределах нижнего интерференционного лепестка верхней антенны при
0<θ<arcsin (6) знаки диаграмм направленности f_н(θ), f_в(θ) одинаковы и, следовательно, полезные эхо-сигналы, принимаемые верхней и нижней антеннами, в этом рабочем секторе будут складываться в сумматоре в фазе. Помехи приходят с углов места выше этого рабочего сектора. Для подавления помех необходимо обеспечить, чтобы знаки диаграмм направленности f_н(θ), f_в(θ) в секторе подавления помех были противоположны, а амплитуды интенсивной помехи на выходах приемных каналов нижней и верхней антенн были одинаковы. Тогда на выходе сумматора помеха будет полностью подавлена.

Равенство амплитуд интенсивной помехи на выходах приемных каналов верхней и нижней антенн обеспечено с помощью установленных в каждом канале амплитудных ограничителей 5, 6 с одинаковым порогом ограничения. Узкополосные усилители промежуточной частоты 7, 8 с одинаковыми коэффициентами усиления обеспечивают синусоидальную форму напряжения помехи после ограничения, что способствует более полному подавлению помехи на выходе сумматора.

Противоположные знаки диаграмм направленности f_в(θ), f_н(θ) верхней и нижней антенн в угломестном секторе подавления помех обеспечены следующим образом. На апертуре верхней антенны (например, антенной решетки) установлено косинусоидальное амплитудное распределение, а вертикальный размер L апертуры верхней антенны выбран равным средней высоте 2h подъема этой антенны над землей. Высота подъема h нижней антенны над землей вдвое меньше, чем у верхней антенны, кроме того, вертикальный размер апертуры нижней антенны меньше, чем у верхней антенны. При этом в угломестном секторе подавления помех
arcsin <θ<θ_он (7) знаки диаграмм направленности f_н(θ), f_в(θ) нижней и верхней антенн в вертикальной плоскости с учетом влияния земли будут противоположны (θ_он угол места первого верхнего нуля диаграммы направленности F_н(θ) нижней антенны вертикальной плоскости в свободном пространстве).

На фиг. 2 представлены расчетные диаграммы направленности f_в(θ), f_н(θ) верхней и нижней антенн в вертикальной плоскости с учетом влияния земли. Эти диаграммы направленности рассчитаны для частной реализации приемной антенной системы предложенного устройства со следующими параметрами: длина волны λ= 0,35 м; средняя высота подъема над землей верхней антенной решетки 2h 5 м; вертикальный размер апертуры верхней антенной решетки L 5 м; амплитудное распределение по высоте апертуры верхней антенной решетки косинусоидальное; высота подъема над землей нижней антенны (антенной решетки) h 2,5 м; вертикальный размер апертуры нижней антенной решетки L_н 2,5 м; амплитудное распределение по высоте апертуры нижней антенной решетки 1-sin, где l расстояние, отсчитываемое вверх или вниз от центра апертуры нижней антенны; излучающие элементы обеих антенных решеток одинаковые горизонтальные вибраторы с рефлектором.

Такое построение антенной системы позволяет использовать излучающие элементы в нижней части апертуры верхней антенной решетки одновременно как в верхней, так и в нижней антенных решетках. При этом косинусоидальное амплитудное распределение по высоте апертуры верхней антенной решетки установлено с помощью делителей напряжения. У элемента в нижней части апертуры верхней антенны напряжение с делителя использовано в фидерном тракте верхней антенны, а оставшаяся часть напряжения с этого же делителя использована в фидерном тракте нижней антенны. Это позволяет обеспечить совместное расположение в пространстве апертур верхней и нижней антенн при заданных размерах апертур и высотах подъема антенн.

Из графиков на фиг.2 видно, что в угломестном рабочем секторе 0<θ<arcsin от 0 до 2^о знаки диаграмм направленности f_b(θ),f_н(θ) верхней и нижней антенн в вертикальной плоскости с учетом влияния земли одинаковы, а в секторе подавления помех arcsin <θ<θ_он от 2 до 11^о знаки этих диаграмм противоположны. Поэтому полезные эхо-сигналы, принимаемые верхней и нижней антеннами в рабочем угломестном секторе, будут сложены сумматором предложенного устройства в фазе, а помехи, принимаемые этими антеннами в секторе подавления помех, складываются сумматором в противофазе и будут подавлены на выходе сумматора.

Таким образом, указанные отличительные признаки приемной антенной системы предложенного устройства (вертикальный размер апертуры верхней антенны, косиносуидальное амплитудное распределение на апертуре и высоты подъема антенн над землей) обеспечивают противоположность знаков диаграмм направленности f_н(θ), f_в(θ) антенн в угломестном секторе подавления помех и принципиально необходимы для эффективной работы предложенного устройства.

При углах прихода помехи выше угломестного сектора подавления помех противоположность знаков диаграмм направленности антенн f_н(θ), f_в(θ) не гарантирована, поэтому такие помехи не всегда будут подавляться предложенным устройством. Для ослабления таких помех, приходящих с больших углов места θ_n > θ_он следует обеспечить низкий уровень верхних боковых лепестков диаграммы направленности нижней антенны и дальних верхних боковых лепестков верхней антенны, что обеспечено спадающим к краям амплитудным распределением по высоте апертур приемных антенн. Это легко обеспечить для нижней приемной антенны, которая является вспомогательной, служит для приема интенсивных помех и не требует высокого коэффициента усиления антенны.

Комплексные амплитуды напряжений , сигналов и помех на выходах приемников 4, 3 нижней и верхней антенн соответственно определяются следующими выражениями
hsin + (8)
hsin + (9)
где θ_c, θ_n углы места прихода сигнала и помехи;
h высота подъема над землей нижней антенн;
λ длина волны;
К_у коэффициент усиления приемника (приемники одинаковы);
R_вх. входное сопротивление приемника;
G_mн, G_mв максимальные коэффициенты усиления нижней и верхней антенн;
F_н(θ), F_в(θ) нормированные диаграммы направленности нижней и верхней антенн в вертикальной плоскости в свободном пространстве;
S_c, S_n плотность потока мощности прямой волны сигнала и помехи вблизи РЛС;
ϕ_c, ϕ_n фазы прямой волны сигнала и помехи в точке расположения приемных антенн на поверхности земли.

Из формул (8), (9) видно, что результирующее напряжение на выходе сумматора 9 предложенного устройства будет зависеть от сдвига фаз Δϕ ϕ_n ϕ_c напряжений помехи и сигнала. Расчеты показали, что наиболее неблагоприятный случай будет, когда эти напряжения находятся в фазе Δϕ=0 или в противофазе Δϕ= ± 180^o а наиболее благоприятный случай будет при сдвиге фаз Δϕ= ± 90^o Сдвиг фаз помехи и сигнала постоянно изменяется и процессе работы РЛС и реальные помехи и сигнал почти никогда не бывают точно в фазе или в противофазе. Это гарантирует возможность обнаружения маловысотной цели предложенным устройством при наличии интенсивных прицельных помех на частоте РЛС в указанном секторе подавления помех.

Для сравнительной оценки выигрыша предложенного устройства по сравнению с РЛС, имеющей один приемный канал без амплитудного ограничителя и одну приемную антенну с параметрами верхней антенны, при прочих равных условиях были рассчитаны отношения Рс/Рп мощности сигнала к мощности помехи на выходах такой РЛС и предложенного устройства при наличии интенсивных прицельных активных помех (сравнивать с прототипом не представляется возможным, так как он при наличии таких помех практически не работоспособен).

Результаты расчетов отношения сигнал/помеха Р_с/Р_п в зависимости от угла места маловысотной цели θ_c при различных отношениях плотности потока мощности прямых радиоволн сигнала и помехи S_c/S_n вблизи РЛС и угле прихода помехи θ_п= 2,4^о представлены на графиках фиг.3. Эти расчеты проведены для рассмотренного выше варианта построения антенной системы предложенного устройства при сдвиге фаз помехи и эхо-сигнала Δϕ= 90^о. При этом уровень собственных шумов приемника был принят на 20 дБ ниже, а порог ограничения амплитудных ограничителей на 10 дБ выше максимального уровня эхо-сигнала в канале приема верхней антенны. Сплошные кривые на этих графиках соответствуют предложенному устройству, а штриховые кривые соответствуют РЛС, с которой производится сравнение. Из графиков на фиг.3, видно, что предложенное устройство улучшает отношение сигнал/помеха на 10-30 дБ по сравнению с указанной РЛС без помехозащиты. При этом с повышением интенсивности помехи выигрыш возрастает.

Предложенная РЛС позволяет подавлять прицельные помехи произвольной протяженности, в том числе и ответные импульсные помехи, а указанный аналог не может подавлять помехи, длительность которых равна или меньше импульса эхо-сигнала.

Перечисленные элементы структурной схемы предложенного устройства выполнены следующим образом: приемники 3, 4, амплитудные ограничители 5, 6, узкополосные усилители промежуточной частоты 7, 8 и сумматор 9 выполнены по обычным известным схемам, приемные каналы верхней и нижней антенн одинаковы. Высокая идентичность коэффициентов усиления приемников 3, 4 не требуется, но требуется высокая идентичность порогов ограничения амплитудных ограничителей 5, 6 и коэффициентов усиления узкополосных УПЧ 7, 8.

Динамика работы предложенного устройства осуществляется следующим образом.

Передатчик РЛС с передающей антенной, в качестве которой можно использовать антенную решетку 1, излучает зондирующий радиоимпульс в направлении маловысотной цели. Приемные антенны 1, 2 принимают эхо-сигнал в рабочем угломестном секторе и интенсивную помеху в секторе подавления помех. Эхо-сигналы в приемных каналах верхней и нижней антенн будут в фазе, а помехи в противофазе. Приемники 3, 4 усиливают сигналы и помехи и преобразуют их на промежуточную частоту с помощью смесителей и общего гетеродина. Амплитудные ограничители 5, 6 выравнивают амплитуды принятых помех. Узкополосные УПЧ 7, 8 обеспечивают синусоидальную форму напряжений помех после ограничения, что способствует более полному подавлению помехи на выходе сумматора 9, при сложении в котором синфазные сигналы возрастают, а противофазные помехи почти полностью подавляются. Выходное напряжение сумматора 9 далее детектируется и используется в тракте обнаружения и измерения дальностей маловысотных целей.

Предложенное устройство значительно эффективнее прототипа, который при наличии интенсивных прицельных помех становится не работоспособным.

Использование: радиолокация для обнаружения маловысотных целей. Сущность изобретения: устройство обнаружения содержит приемные антенны 1, 2, приемники 3, 4, амплитудные ограничители 5, 6, узкополосные усилители промежуточной частоты 7,8, сумматор 9, детектор 10, видеоусилитель 11 и индикатор 12. 1 3 5 7 9 10 11 12, 2 4 6 8 9. 3 ил.

ПОМЕХОЗАЩИЩЕННАЯ РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ ОБНАРУЖЕНИЯ МАЛОВЫСОТНЫХ ЦЕЛЕЙ, содержащая две разнесенные по высоте симметричные горизонтально направленные антенны, каждая из которых соединена с входом соответствующего приемника, и последовательно соединенные сумматор, детектор, видеоусилитель и индикатор, отличающаяся тем, что к выходу каждого из приемников подключены последовательно соединенные амплитудный ограничитель и узкополосный усилитель промежуточной частоты, выходы последних соединены с входами сумматора, вертикальный размер апертуры верхней антенны равен средней высоте подъема антенны над Землей при косинусоидальном амплитудном распределении на апертуре, а высота подъема нижней антенны вдвое меньше, чем верхней антенны.