РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ ОБНАРУЖЕНИЯ МАЛОВЫСОТНЫХ МАЛОСКОРОСТНЫХ ЦЕЛЕЙ НА ФОНЕ ПОМЕХОВЫХ ОТРАЖЕНИЙ ОТ ЗЕМЛИ Российский патент 1995 года по МПК G01S13/02 

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для защиты наземных маловысотных РЛС от интенсивных обратных помеховых отражений зондирующих сигналов земной поверхностью при обнаружении маловысотных малоскоростных воздушных целей в области этих отражений, а также для уменьшения количества глубоких интерференционных провалов в зоне обнаружения РЛС за пределами области помеховых отражений.

Известны способ и устройство подавления пассивных помех в доплеровском радиолокаторе. Это устройство предназначено для обнаружения целей на фоне пассивных помех, например обратных помеховых отражений от земной поверхности. Устройство содержит приемник, принимающий эхо-сигналы цели и пассивные помехи, доплеровский процессор, отфильтровывающий составляющие принимаемого сигнала, имеющие доплеровское смещение частоты, устройство амплитудного сравнения принятых и отфильтрованных сигналов и стробирующее устройство, управляемое специальными сигналами, вырабатываемыми устройством амплитудного сравнения. В устройстве амплитудного сравнения сравнивают сигнал, отфильтрованный доплеровским процессором, с сигналом, принятым приемником. В результате этого сравнения вырабатывается управляющий сигнал того или много уровня, открывающий или запирающий стробирующее устройство. Последнее пропускает на выход сигнал, отфильтрованный доплеровским процессором, лишь в том случае, когда отношение прошедшего через фильтр сигнала к принятому сигналу превысит заданный уровень. При отсутствии эхо-сигнала цели достаточного уровня помеха не пройдет на выход стробирующего устройства.

Недостатком аналога является то, что он не может обнаруживать малоскоротные цели на фоне интенсивных пассивных помех. Эхо-сигналы малоскоростных целей (как и обратные помеховые отражения от земли) почти не содержат доплеровского смещения частоты. Поэтому сигнал на выходе доплеровского процессора будет близок к нулю, стробирующее устройство будет всегда закрыто и малоскоростная цель не будет обнаружена.

В качестве прототипа выбрана моноимпульсная радиолокационная система с фазовой пеленгацией, которую можно использовать, например, для сопровождения воздушных целей по углу места, а также для обнаружения целей и измерения их дальности. В этом случае приемная часть содержит антенную систему из двух одинаковых разнесенных по высоте приемных антенн, каждая из которых связана со своим приемным каналом. Оси диаграмм направленности этих антенн параллельны. В приемных каналах принимаемые антеннами сигналы усиливаются, преобразуются на промежуточную частоту с помощью смесителей и общего гетеродина, ограничиваются по амплитуде двумя амплитудными ограничителями и поступают на фазовый детектор. Амплитудные ограничители в каждом из приемных каналов служат для уменьшения влияния неидентичности и нестабильности усиления приемных каналов. В одном из приемных каналов установлен фазовращатель на 90^о, который обеспечивает получение пеленгационной характеристики с центральной симметрией. Напряжение на выходе фазового детектора будет пропорционально угломестному отклонению цели от направления оси антенной системы. При нулевом отклонении напряжение на выходе фазового детектора равно нулю. Сигнал рассогласования с выхода фазового детектора подается на следящую систему, которая непрерывно совмещает ось антенной системы с угломестным направлением на цель путем вращения антенной системы по углу места с помощью электродвигателя. Сигнал, принимаемый каким-либо одним приемным каналом (до фазового детектора), можно использовать также для обнаружения цели и измерения дальности цели. В состав системы входит также импульсный передатчик с передающей антенной.

Недостатком прототипа является то, что он не может обнаруживать и сопровождать малоскоростные воздушные цели в секторе малых углов места в области обратных помеховых отражений зондирующих сигналов передатчика от земной поверхности. Известные доплеровские системы помехозащиты, которые можно было бы использовать в прототипе для подавления пассивных помех, окажутся в данном случае малоэффективными, так как эхо-сигналы малоскоростных целей и обратные помеховые отражения от земли почти не содержат доплеровского сдвига частоты.

Другим недостатком прототипа является то, что при работе в секторе малых углов места и большой по сравнению с длиной волны высоте подъема антенн в диаграммах направленности антенн и зоне обнаружения РЛС возникает большое количество интерференционных провалов. Эти провалы обусловлены интерференцией прямых и отраженных от земли радиоволн сигнала и существенно затрудняют обнаружение маловысотных целей и сопровождение их по дальности.

Целью изобретения является защита РЛС от интенсивных обратных помеховых отражений землей зондирующих сигналов и обеспечение обнаружения маловысотных малоскоростных целей в области этих отражений, а также сокращение количества глубоких интерференционных проводов в диаграмме направленности приемной антенной системы РЛС за пределами области помеховых отражений.

Это достигается благодаря тому, что в устройстве, содержащем приемную антенную систему из разнесенных по высоте одинаковых симметричных антенн, связанных с двумя приемными каналами, в которых установлены два амплитудных ограничителя и один фазовращатель на 90^опредусмотрены приемная антенная система, которая выполнена из трех горизонтально направленных антенн, разнесенных по высоте на одинаковые расстояния, крайние антенны связаны с высокочастотным устройством вычитания, включенным в один из приемных каналов, на выходе приемных каналов установлен сумматор, суммирующий выходные напряжения этих каналов на промежуточной частоте.

При этом антенную систему РЛС по углу места не вращают и цель по углу места не сопровождают, так как задача предложенной импульсной РЛС состоит только в обнаружении маловысотных целей в секторе малых углов места и измерений дальности целей как в области помеховых отражений от земли, так и за пределами этой области. Кроме того, из состава известного устройства исключены фазовый детектор и электродвигатель вращения антенн по углу места с усилителем сигнала рассогласования, редуктором и другими элементами угломестной следящей системы.

На фиг. 1 представлена упрощенная структурная схема приемной части предложенного устройства, а также условно показаны три разнесенные по высоте приемные антенны, цель и лучи радиоволн эхо-сигналов цели и обратных помеховых отражений от ячейки разрешения на земной поверхности.

Приемная часть предложенного устройства состоит из трех одинаковых симметричных горизонтально направленных приемных антенн 1-3, которые разнесены по высоте на одинаковом расстоянии d, высокочастотного устройства вычитания 4, вычитающего напряжение сигнала, принимаемого нижней антенной 1, из напряжения сигнала, принимаемого верхней антенной 3, одинаковых приемников 5, 6 крайних и средней антенн, фазовращателя 7, изменяющего форму напряжения в приемном канале крайних антенн на 90^о, амплитудных ограничителей 8, 9 с одинаковым порогом ограничения и сумматора 10, суммирующего выходные напряжения приемных каналов на промежуточной частоте, детектора 11, видеоусилителя 12 и индикатора 13.

Выходное напряжение вых. с выхода сумматора 10 детектируется и используется в тракте обнаружения маловысотных целей и измерения их дальности. В состав предложенного устройства входит также импульсный передатчик с передающей антенной (на чертеже не показаны). В качестве передающей антенны можно использовать, например, нижнюю приемную антенну 1, которую при этом следует переключать с приема на передачу с помощью антенного переключателя.

Все приемные антенны РЛС одинаковы, симметричны и направлены горизонтально. При этом они одновременно принимают прямые и отраженные от земли радиоволны эхо-сигналов цели, а также прямые радиоволны обратных помеховых отражений от ячейки разрешения земной поверхности, удаленной от РЛС на расстояние, равное дальности до цели. С учетом этих замечаний можно записать следующее выражение для комплексной амплитуды напряжения эхо-сигнала цели на выходе средней антенны
=λ eF(θ_ц)1+e (1)
где λ длина волны;
R_вх входное сопротивление приемника;
G_m максимальный коэффициент усиления приемной антенны;
ρ_ц плотность потока мощной прямой радиоволны эхо-сигнала цели вблизи антенны РЛС;
ϕ_ц фаза прямой волны эхо-сигнала цели в центре апертуры средней приемной антенны;
θ_ц угол места цели (положительный);
F(θ_ц) значение нормированной диаграммы направленности антенны в свободном пространстве в направлении цели;
R_вг комплексный коэффициент отражения радиоволн от земной поверхности при вертикальной или горизонтальной поляризации;
К=2π / λ волновое число;
r₂, r₂' дальности по лучу прямой и отраженной от земли радиоволн от центра апертуры средней антенны до цели.

Известно, что при малых углах скольжения коэффициент отражения радиоволн от земли R_вг ≈ 1 при любой поляризации радиоволн и любых реальных электрических параметрах земной поверхности, а при горизонтальной поляризации над морем это выполняется в более широком секторе углов скольжения. Учитывая это, а также то, что дальность до цели обычно значительно больше высоты подъема антенны над землей, можно упростить формулу (1) и записать ее в виде
=2λ e^jπ/2e e F(θ_ц)sin(khsinθ_ц) (2)
где h высота подъема средней антенны над землей.

По аналогии с формулой (2) можно записать следующие выражения для комплексных амплитуд напряжений , эхо-сигнала цели на выходах верхней и нижней антенн соответственно
=2λ e^jπ/2ee F(θ_ц)sin[k(h+d)sinθ_ц] (3)
=2λ e^jπ/2ee F(θ_ц)sin[k(h-d)sinθ_ц] (4)
где d разнос антенн по высоте.

Используя формулы (2), (3), (4), можно записать выражения для комплексных амплитуд напряжений , эхо-сигналов цели на выходах приемных каналов средней и крайних антенн соответственно
=K_у2λ e^jπ/2ee F(θ_ц)sin(khsinθ_ц) (5)
(6)
где K_у коэффициент усиления приемника (oба приемника одинаковы). При этом учтено, что фазовращатель 7 в приемном канале крайних антенн изменяет фазу напряжения на -90^о.

Из формул (5), (6) следует, что напряжения эхо-сигнала цели на выходах приемных каналов при малых положительных углах места цели θ_цсдвинуты по фазе на 90^о и отличаются по амплитуде, которая обычно ниже порога ограничения амплитудных ограничителей 8, 9. При этом комплексная амплитуда напряжения эхо-сигнала цели на выходе предложенного устройства будет
(7)
Отсюда следует, что диаграмма направленности f_ц(θ_ц) приемной антенной системы предложенного устройства в секторе малых положительных углов места с учетом влияния земли при одновременном приеме прямых и отраженных от земли радиоволн эхо-сигналов маловысотной цели будет
f_ц(θ_ц)=2F(θ_ц) (8)
Приемные антенны РЛС принимают также прямые радиоволны обратных помеховых отражений от земли, приходящие с малых отрицательных углов места. Комплексные амплитуды напряжений , , этих помеховых отражений на выходах нижней, средней и верхней антенн соответственно будут
=λ e F(θ_п)e (9)
=λ e F(θ_п); (10)
=λ e F(θ_п)e (11)
где ρ_п плотность потока мощности пассивной помехи вблизи антенны РЛС;
ϕ_п фаза радиоволн пассивной помехи в центре апертуры средней антенны;
Fθ_п текущий угол места пассивной помехи (отрицательный);
F(θ_п) значение нормированной диаграммы направленности антенны в направлении пассивной помехи.

На основании формул (9)-(11) и структурной схемы предложенного устройства (см. фиг.1) можно записать следующие выражения для комплексных амплитуд напряжений , пассивной помехи обратных отражений от земли на выходах приемных каналов средней и крайних антенн
=K_уλ F(θ_п)e; (12)
=K_уλ 2 sin(kdsinθ_п)F(θ_п)e (13)
для слабой пассивной помехи и
=u_oe; (14)
= sign(sin(kdsinθ_п))u_oe (15) для интенсивной помехи, уровень которой выше порога ограничения U_оамплитудных ограничителей 8, 9, где К_у коэффициенрт усиления приемника (оба приемника одинаковы); sign знак числа.

Из формул (12)-(15) следует, что при малых отрицательных углах места θ_п пассивной помехи напряжения помехи , на выходах приемных каналов противофазны. Амплитудные ограничители 8, 9 с одинаковым порогом ограничения выравнивают амплитуды напряжений интенсивных пассивных помех и при сложении противофазных напряжений помех в сумматоре 10 помеха на выходе предложенного устройства будет почти полностью подавлена. Эхо-сигналы маловысотной цели не будут подавлены при сложении в сумматоре 10, так как напряжения U_ц1, U_ц2эхо-сигналов на выходах приемных каналов сдвинуты по фазе на 90^о. Из формул (12)-(15) следует, что диаграмма направленности f_n(θ_п) приемной антенной системы предложенного устройства в секторе малых отрицательных углов места при приеме обратных помеховых отражений от земли слабой интенсивности будет
f_n(θ_п)= F(θ_п) 1+2 sin (kd sin θ_п| (16) а при приеме обратных помеховых отражений высокой интенсивности (выше порога ограничения U_o амплитудных ограничителей 8, 9) помеха на выход предложенного устройства не пройдет.

Для подтверждения указанных свойств предложенного устройства были рассчитаны по формулам (8), (16) диаграммы направленности f_ц(θ_ц), f_п(θ_п) устройства при приеме эхо-сигналов маловысотной цели с малых положительных углов места цели θ_ц и обратных помеховых отражений от земли с малых отрицательных углов места помехи θ_n.

Результаты расчета диаграмм направленности f_ц, f_п от угла места θ представлены на графиках (см. фиг.2). Сплошными кривыми показаны диаграмма направленности f_ц, а также диаграмма направленности f_п при слабых помеховых отражениях. При сильных помеховых отражениях диаграмма направленности f_п показана пунктирной кривой. Для сравнения штриховыми кривыми показаны аналогичные диаграммы направленности f_ц, f_п нижней антенны прототипа, такой же, как и нижняя антенна предложенного устройства. Графики на фиг.2 рассчитаны для частной реализации предложенного устройства со следующими параметрами:
длина волны λ= 0,35 м;
высота подъема средней антенны h 40 м;
разнос антенн по высоте d 10 м;
вертикальный размер апертуры антенны L 2 м;
горизонтальный размер апертуры антенны 6 м;
амплитудное распределение на апертуре косинусоидальное;
поляризация радиоволн горизонтальная;
азимутальная ширина диаграммы направленности антенны по половинной мощности 4^о;
коэффициент усиления антенны G_m 520;
угломестный рабочий сектор РЛС θ=0-10^о;
длительность радиоимпульса τ= 10 мкс;
импульсная мощность передатчика Р500 кВт;
чувствительность приемника 0,5 мкВ.

Как видно из графиков на фиг.2, предложенное устройство имеет существенные преимущества по сравнению с прототипом. Количество глубоких интерференционных провалов в рабочем угломестном секторе втрое меньше, чем у прототипа. В секторе отрицательных углов места θ_п= 0 минус 1^опредложенное устройство почти полностью подавляет интенсивную пассивную помеху от земли. При углах места θ_п < -1^o пассивная помеха подавляться не будет, но пассивные помехи с таких углов места не представляют опасности, так как соответствуют очень малым дальностям (менее 3 км), когда цели не обнаруживаются и обычно находятся в мертвой воронке зоны обнаружения РЛС. Слабая пассивная помеха от земли в секторе θ_ц= 0-минус 1^о будет подавляться предложенным устройством лишь частично. Существенным недостатком предложенного устройства является то, что оно почти не подавляет слабые пассивные помехи от земли при очень малых отрицательных углах места. Однако интенсивные пассивные помехи от земли подавляются почти полностью.

Одинаковый разнос приемных антенн 1, 2, 3 по высоте и горизонтальная направленность антенн необходимы для обеспечения противофазности напряжений пассивных помех на выходах приемных каналов средней и крайних антенн. Таким образом, указанные выше отличительные признаки предложенного устройства являются существенными и принципиально необходимы для работы этого устройства.

Для сравнительной оценки предложенного устройства с прототипом были рассчитаны отношения Р_с/Р_п мощности сигнала к мощности пассивной помехи на выходе предложенной РЛС и на выходе приемного канала нижней антенны прототипа при прочих равных условиях в зависимости от горизонтальной дальности R маловысотной малоскоростной цели, летящей на высоте h_ц=100 м над морем и имеющей эффективную отражающую поверхность σ_ц= 0,1 м². Результаты расчетов представлены на фиг.3, где сплошной кривой показана зависимость отношения Р_с/Р_п сигнал/помеха от горизонтальной дальности цели R для предложенного устройства, а штриховой кривой 4- для канала нижней антенны прототипа. Расчеты проводились для частной реализации предложенного устройства с указанными выше параметрами. При этом для передачи зондирующих сигналов была использована нижняя антенна приемной антенной системы РЛС. Полагалось также, что коэффициент обратного радиолокационного рассеяния радиоволн от взволнованной поверхности моря был равен σ_o= -40 дБ, а также учитывалась нормальная рефракция радиоволн в атмосфере и сферичность морской поверхности. Порог ограничения амплитудных ограничителей был принят равным минимальному уровню пассивной помехи в приемных каналах на заданном интервале дальностей.

Как видно из графиков на фиг.3, предложенное устройство обеспечивает выигрыш отношения Р_с/Р_п сигнал/помеха от 10 до 40 дБ по сравнению с прототипом.

Элементы структурной схемы предложенного устройства выполнены следующим образом.

Антенны 1, 2, 3 одинаковы, симметричны и направлены горизонтально. В качестве этих антенн можно использовать, например, обычные зеркальные антенны. Высокочастотное устройство вычитания 4, приемники 5, 6 фазовращатель 7, амплитудные ограничители 8, 9 и сумматор 10 выполнены по обычным известным схемам. Приемники 5, 6 одинаковы. Высокая идентичность коэффициентов усиления этих приемников не требуется, но требуется высокая идентичность порогов ограничения амплитудных ограничителей 8, 9.

Динамика работы предложенного устройства осуществляется следующим образом. Передатчик с передающей антенной излучают импульсный зондирующий сигнал в секторе малых углов места. Приемная антенная система РЛС принимает эхо-сигналы маловысотной малоскоростной воздушной цели и обратные помеховые отражения от земной поверхности. Сигналы, принятые крайними антеннами 3, 1, вычитаются высокочастотным устройством вычитания 4 и поступают в приемник крайних антенн 5, а сигналы средней антенны 2 поступают в приемник средней антенны 6. Принятые сигналы усиливаются в двух приемных каналах и преобразуются на промежуточную частоту. Фазовращатель 7 в приемном канале крайних антенн изменяет фазу напряжения на -90^о. При этом пассивные помехи от земли на выходе двух приемных каналов будут противофазны, а полезные эхо-сигналы маловысотной цели будут сдвинуты по фазе на 90^о. Амплитудные ограничители 8, 9 с одинаковым порогом ограничения выравнивают амплитуды интенсивных пассивных помех от земли в приемных каналах. После этого сигналы и помехи складываются на промежуточной частоте сумматором 10. На выходе этого сумматора интенсивная пассивная помеха от земли будет почти полностью подавлена, а полезный эхо-сигнал маловысотной цели не будет подавлен. Эхо-сигналы с выхода сумматора 10 далее детектируются и используются в тракте обнаружения и измерения дальности цели.

Для эффективной работы предложенного устройства подавления пассивных помех не требуется обязательного наличия доплеровского смещения частоты эхо-сигнала цели, т.е. предложенное устройство может обнаруживать малоскоростные цели в области обратных помеховых отражений от земной поверхности.

Использование: радиолокация. Сущность изобретения: радиолокационная станция обнаружения содержит приемные антенны 1, 2, 3, высокочастотное устройство вычитания 4, приемники 5, 6, фазовращатель 7, амплитудные ограничители 8, 9, сумматор 10, детектор 11, видеоусилитель 12 и индикатор 13. 1 4 5 7 8 10 11 12 13, 2 6 9 10, 3 4. 3 ил.

РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ ОБНАРУЖЕНИЯ МАЛОВЫСОТНЫХ МАЛОСКОРОСТНЫХ ЦЕЛЕЙ НА ФОНЕ ПОМЕХОВЫХ ОТРАЖЕНИЙ ОТ ЗЕМЛИ, содержащая приемную антенную систему, два приемника, два амплитудных ограничителя, фазовращатель на 90^o и последовательно соединенные детектор, видеоусилитель и индикатор, отличающаяся тем, что в нее введены высокочастотное устройство вычитания и сумматор, при этом приемная антенная система выполнена из трех одинаковых симметричных горизонтально направленных антенн, разнесенных по высоте на одинаковые расстояния, крайние антенны связаны с входами высокочастотного устройства вычитания, выход которого соединен с входом приемника крайних антенн, средняя антенна соединена с входом своего приемника, выход которого через амплитудный ограничитель соединен с одним входом сумматора, выход приемника крайних антенн через последовательно соединенные фазовращатель на 90^o и второй амплитудный ограничитель соединен с другим входом сумматора, выход которого соединен с входом детектора.