РАДИОЛОКАТОР С ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ЗОНДИРУЮЩЕГО СИГНАЛА Российский патент 1996 года по МПК G01S13/34 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиолокационным системам обнаружения и измерения координат и параметров движения объектов.

Изобретение может быть использовано в радиолокационных системах обнаружения и наблюдения воздушной обстановки и в системе управления движением объектов в воздушном пространстве.

Радиолокатор непрерывного излучения с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) зондирующего сигнала по треугольному закону не может разрешать групповые объекты из-за малой разрешающей способности по дальности используемого сигнала. Из-за отсутствия режекторных фильтров сигналы, отраженные от местных предметов, не подавляются. Использование сложного импульсного радиосигнала с внутриимпульсной ЛЧМ по треугольному закону в импульсе позволяет иметь высокое разрешение по дальности, но разрешать групповые объекты с помощью такого сигнала нельзя, так как при многих целях появляется неоднозначность дальности и скорости из-за невозможности отбора нужных пар импульсов (В. М. Свистов, см. Радиолокационные сигналы и их обработка, М. Сов. радио, 1977, рис. 8.14, с. 395).

Наиболее близким к предложенному техническому решению по сущности принципа формирования ЛЧМ сигнала и наибольшему количеству общих признаков является радиолокатор по патенту США N 4388622, НКИ 343-14 (кл. G 01 S 13/34), 1983.

Однако, во-первых, этот радиолокатор не обеспечивает селекцию (выделение) одиночного объекта из группы, так как имеет малое разрешение по дальности, определя-
емое выражением ΔД_лчм= ΔF_ф, где
С скорость распространения радиосигна-
ла; β скорость изменения частоты
ЛЧМ сигнала; ΔF девиация частоты, τ_м период модуляции; ΔF_ф полоса пропускания фильтра в гребенке или элемента частотного разрешения в процессоре БПФ. Во-вторых, селекция объектов в группе невозможна из-за того, что для получения информации о скорости объекта используется принцип сложения при перемножении сигналов, полученных при приеме раздельно от восходящей и нисходящей ветвей ЛЧМ сигналов на смесителе частоты, который не работает в случае нескольких объектов. При перемножении сигналов от N_об объектов на смесителе частоты получается N_ΣN_об(2N_об-1) суммарных сигналов, из которых L= 2(N2об

-N_об) ложные. Такой механизм образования ложных сигналов будет действовать также и при многих мощных сигналах, отраженных от местных предметов, расположенных на разных дальностях. Это существенно ухудшает их подавление в режекторном фильтре, так как на выходе смесителя частоты образуются комбинационные ложные суммарные сигналы L, которые выходят по частоте из полосы подавления режекторного фильтра. Кроме
того, частотный сдвиг f_R= R отра-
женных сигналов местников с большой дальности R соизмерим с доплеровским смещени-
ем движущихся объектов f_д=
что также выводит эти сигналы по частоте из полосы подавления режекторного фильтра.

Предложенный радиолокатор устраняет недостатки прототипа, обрнаруживает малоскоростные объекты, разрешает (селектирует) каждый движущийся объект в группе, подавляет сигналы, отраженные от местных предметов с любой дальности, и сигналы пассивных помех. Для решения этой технической задачи в зондирующий ЛЧМ сигнал радиолокатора вводится почечная импульсная модуляция, осуществляется корреляционно-фильтровая обработка принятого сигнала и используется новый способ селекции движущихся целей (СДЦ), основанный на вычитании (подавлении) спектральных составляющих сигналов неподвижных объектов по частоте симметричных относительно частоты режекции, разделяющей положительные и отрицательные доплеровские частоты.

Указанные преимущества достигаются тем, что в радиолокатор с линейной частотной модуляцией зондирующего сигнала, содержащий передающее устройство, состоящее из последовательно соединенных возбудителя, первого смесителя частоты, к второму входу которого подключен генератор линейно-частотно-модулированного сигнала, и первого полосового фильтра, и также из передающей антенны и гетеродина смещения частоты, и приемное устройство, состоящее из приемной антенны и последовательно соединенных второго полосового фильтра, второго смесителя частоты и третьего полосового фильтра и также из режекторного фильтра, в передающее устройство введены первый модулятор передатчика, третий смеситель частоты и антенный переключатель, а в приемное устройство n каналов корреляционно-фильтровой матрицы (КФМ), каждый канал которой содержит последовательно соединенные селекторный смеситель частоты, четвертый полосовой фильтр, режекторный фильтр, четвертый смеситель частоты, гребенку фильтров, опросное устройство фильтров гребенки, а также опросное устройство каналов КФМ, первое и второе устройства памяти и усреднения, вычитатель, индикатор с устройствами разверток, n канальных модуляторов, генератор стробов, устройство наведения по частоте, синтезатор частот и синхронизатор, причем первый вход третьего смесителя частоты подключен к выходу первого полосового фильтра, а выход соединен через антенный переключатель с передающей антенной, выход гетеродина смещения частоты соединен через модулятор передатчика с вторым входом третьего смесителя частоты, все первые входы n каналов КФМ соединены между собой и подключены к выходу третьего полосового фильтра, а выходы этих n каналов КФМ соединены через опросное устройство каналов КФМ с входами первого и второго устройств памяти и усреднения, выходы которых соответственно соединены с первым и вторым входами вычитателя, выход гетеродина смещения частоты соединен также с входами синхронизатора и синтезатора частот, первый выход которого соединен через соответствующие канальные модуляторы с вторыми входами соответствующих каналов КФМ, а второй выход соединен через устройство наведения по частоте с третьими входами всех n каналов КФМ, каждый выход синхронизатора соединен соответственно с входами индикатора с устройствами разверток, генератора линейно-частотно-модулированного сигнала, опросного устройства каналов КФМ, с четвертыми входами всех n каналов КФМ и генератора стробов, выходы которого соединены соответственно с управляющими входами модулятора передатчика, всех n канальных модуляторов и антенного переключателя, выход вычитателя соединен с сигнальным входом индикатора с устройствами разверток и является выходом радиолокатора.

Таким образом сущность изобретения заключается в том, что для повышения разрешения по дальности в сигнал, имеющий ЛЧМ, введена пачечно-импульсная модуляция и для оптимального приема такого сигнала введена корреляционно-фильтровая обработка, а также в том, что для селекции движущихся целей и подавления сигналов местных предметов применен впервые частотный компенсационный метод, основанный на том, что корреляционно принятые сигналы целей и местных предметов получают для целей в виде частотно-асимметричных спектральных составляющих относительно центральной частоты режекции, разделяющей положительные и отрицательные доплеровские частоты, а для местных предметов (неподвижных) в виде частотно симметричных спектральных составляющих относительно той же центральной частоты.

Это позволяет произвести компенсацию симметричных спектральных составляющих путем опроса выходных сигналов гребенчатых фильтров, поступающих на вычитатель, "елочкой", т.е. при приеме сигналов пачки восходящей ветви ЛЧМ фильтры опрашиваются в порядке от центральной частоты в сторону более высоких частот разрешения, а при приеме сигналов пачки нисходящей ветви ЛЧМ фильтры опрашиваются в обратном порядке от той же центральной частоты, но в сторону более низких частот разрешения. Поэтому на выходе вычитателя сигналы местных предметов (неподвижных) с любой дальности подавляются, а сигналы движущихся целей эффективно выделяются. Кроме того, введенные память и усреднение величины сигналов местных предметов перед вычитанием позволяют увеличить их подавление, так как усреднение величины принятых сигналов за несколько зондирований уменьшает влияние флюктуаций. Особо следует отметить, что примененный новый способ СДЦ устраняет чисто "слепые" скорости, не зависящие от дальности цели, не требует обязательной смены нониусных частот повторения импульсов в пачке, что выгодно отличает предложенный радиолокатор от известных, так как смена частот повторения импульсов требует дополнительно затрат мощности и времени (см. Справочник по радиолокации./Под ред. М. Сколник, М. Сов. радио, 1979, т. 3, гл. 5).

На фиг. 1 изображена структурная схема радиолокатора; на фиг. 2 опорный сигнал на выходе первого полосового фильтра; на фиг. 3 зондирующий сигнал радиолокатора; на фиг. 4 структурная схема дальностного канала, корреляционно-фильтровой матрицы (КФМ).

Радиолокатор с линейной частотной модуляцией зондирующего сигнала (см. фиг. 1) состоит из передающего устройства, содержащего генератор 1, соединенный с первым смесителем 2, к второму входу которого подключен генератор линейно-частотно-модулированного сигнала 3, выход первого смесителя 2 соединен через последовательно соединенные первый полосовой фильтр 4, третий смеситель 5 и антенный переключатель 6 с передающей антенной 7, выход гетеродина смещения частоты 8 соединен через модулятор 9 с вторым входом третьего смесителя 5, также радиолокатор состоит из приемного устройства, содержащего приемную антенну 10, которая подключена через последовательно соединенные антенный переключатель 6, второй полосовой фильтр 11, второй смеситель 12 и третий полосовой фильтр 13 к объединенным между собой первым входам n каналов корреляционно-фильтровой матрицы (КФМ) 14.

Каждый выход всех n каналов КФМ соединен через опросный блок каналов КФМ 15 с входами первого 16 и второго 17 блоков памяти и усреднением, выходы которых соответственно соединены с первым и вторым входами вычитателя 18.

Выход гетеродина смещения частоты 8 соединен также с входами синхронизатора 19 и синтезатора частот 20, первый выход которого соединен через соответствующие канальные модуляторы 21 с вторыми входами соответствующих каналов КФМ 14, а второй выход соединен через блок наведения по частоте 22 с третьими входами всех n каналов КФМ 14. Каждый выход синхронизатора 19 соединен соответственно с входами индикатора с блоком разверток 23, генератора линейно-частотно-модулированного сигнала 3, опросного блока каналов КФМ 15, с четвертыми входами всех n каналов КФМ 14 и генератора стробов 24, выходы которого соединены с соответствующими управляющими входами модулятора 9, всех n канальных модуляторов 21 и антенного переключателя 6, выход вычитателя 18 соединен с сигнальным входом индикатора с блоком разверток 23 и является выходом радиолокатора.

Канал (каждый) корреляционно-фильтровой матрицы 14 (см. фиг. 3) содержит последовательно соединенные селекторный смеситель частоты (дальностный) 25, полосовой фильтр 26, режекторный фильтр 27, смеситель частоты (скоростной) 28, n фильтров 29 и опросный блок фильтров 30.

Радиолокатор работает следующим образом.

Сигнал несущей частоты ω_о генератора 1 (см. фиг. 1) смешивают сначала с сигналом I, имеющим ЛЧМ по возрастающему закону, ( ω₁-ω₂), причем ω₂>ω₁ затем с сигналом II, имеющим ЛЧМ по убывающему закону (ω₂-ω₁), поступающими с выхода генератора в первом смесителе. В отфильтрованные первым полосовым фильтром 4 сигналы I (ω_о+ ω₁)-(ω_о+ω₂) и II (ω_о+ ω₂)-( ω_о+ ω₁) (см. фиг. 2) вводят пачечную импульсную модуляцию с помощью третьего смесителя 5 (смесительный клистрон), на вход 2 которого с выхода модулятора 9 поступает пачечный импульсный сигнал промежуточной частоты гетеродина смещения частоты 8 ω_см. Выходной сигнал блока 5, прокоммутированный антенным переключателем 6, поступает в передающую антенну 7 и излучается вид зондирующего сигнала показан на фиг. 3. Сигналы, отраженные от подвижных и неподвижных объектов, принимают приемной антенной 10, коммутируют антенным переключателем 6, фильтруют вторым полосовым фильтром 11 и смешивают принятые сигналы во втором смесителе (СВЧ) 12 с опорным сигналом, поступающим с выхода первого полосового фильтра 4 (см. фиг. 2), имеющим только ЛЧМ по законам излученного сигнала.

Преобразованные и частотно-демодулированные сигналы фильтруют с помощью третьего полосового фильтра 13, причем сигналы близко расположенных местных предметов достаточно мощные и имеют малую величину дальностного смещения час-
тоты f_R= R оказываются вне
полосы пропускания полосового фильтра, построенного так, что и центральная частота, разделяющая положительные и отрицательные доплеровские частоты также глубоко режектируется. С выхода третьего полосового фильтра 13 сигналы поступают на вход всех n каналов корреляционно-фильтровой матрицы КФМ.

Структурная схема дальностного канала КФМ представлена на фиг. 4. В канале КФМ принятые сигналы, спектральные составляющие которых имеют дальностное и доплеровское смещения частоты, сначала стробируются по дальности в селекторном смесителе частоты 25, потом фильтруются четвертым полосовым фильтром 26, режекторным фильтром 27 и преобразуются четвертым смесителем 28 на частоту, обеспечивающую узкополосную фильтрацию блоком 29, которые осуществляют спектральный анализ совместно с опросным устройством фильтров (гребенки) 30. При использовании процессора БПФ адресная коммутация выполняет функции опросного устройства. Таким образом каждый канал КФМ осуществляет спектральный анализ сигналов с дискретной дальности, обеспечивающей высокую разрешающую способность радиолокатора. Частотно-расфильтрованные сигналы каждого канала КФМ опрашиваются опросным устройством каналов КФМ 15. Синхронный опрос сигналов фильтров гребенки 20 в каждом канале КФМ 14 и опрос каналов КФМ совместно с синхронными развертками индикатора 23 позволяют построить изображение на экране индикатора 23 лоцируемых объектов в координатах дальность скорость. Также для указанной индикации служит синхронная работа генератора стробов 24, формирующего управляющие импульсы для модулятора 9, антенного переключателя 6 и для n канальных модуляторов 21, импульсы которых перекрывают всю неоднозначную дальность, определяемую длительностью периода повторения импульсов в пачке Т_п.

Синтезатор частот 20, используя частоту ω_см гетеродина смещения частоты 8, формирует сигнал гетеродина, модулированного импульсами в канальных модуляторах 21, для селекторных смесителей частоты 25 всех n каналов КФМ 14 и опорный сигнал для устройства наведения по частоте 22, представляющего из себя перестраиваемый по частоте генератор, управляемый оператором наведения (или перестраиваемый синтезатор частот также управляемый оператором), сигнал которого служит гетеродином для четвертых смесителей частоты 28, обеспечивающим перестройку диапазона частотного анализа в каждом канале КФМ 14, что позволяет уменьшить этот диапазон и существенно сократить объем аппаратуры блока n фильтров 29.

При приеме I сигналов (первого полупериода восходящей ветви ЛЧМ) выходные сигналы гребенки фильтров (или процессора БПФ) 29 во всех каналах КФМ 14 опрашиваются (или адресно коммутируются), начиная с фильтра гребенки, имеющего центральную частоту, разделяющую положительные и отрицательные доплеровские частоты, в направлении фильтров, частоты которых увеличиваются. При приеме II сигналов (второго полупериода нисходящей ветви ЛЧМ) выходные сигналы блока 29 во всех каналах КФМ 14 опрашиваются (или адресно коммутируются) в обратном порядке, начиная с фильтра гребенки, имеющего ту же центральную частоту, но в направлении фильтров, частоты которых уменьшаются. Такой опрос называют "елочкой" и все величины опрошенных сигналов при приеме сигналов нисходящей ветви ЛЧМ каждого канала КФМ 14 поступают для запоминания в первое устройство памяти и усреднения 16, где за несколько зондирований величина каждого отфильтрованного сигнала усредняется. Также все величины опрошенных сигналов при приеме I сигналов восходящей ветви ЛЧМ каждого канала КФМ 14 поступают для запоминания во второй блок памяти и усреднения 17, где за несколько зондирований величина каждого отфильтрованного сигнала усредняется.

В вычитателе 18 производят для каждого канала КФМ 14 и каждого отфильтрованного сигнала вычитание из усредненной величины, полученную при опросах вторых полупериодов, взятую из первого блока памяти 16, усредненную величину, полученную при опросах первых полупериодов, взятую из второго блока памяти 17. Таким образом для вычитания берутся попарно величины сигналов, частоты которых являются симметричными относительно центральной частоты. В результате вычитания в вычитателе 18 на выходе получают подавление сигналов, отраженных от неподвижных местных предметов с любой дальности, и выделяют сигналы движущихся объектов, которые поступают на сигнальный вход индикатора с устройствами разверток 23 для их индикации и на выход радиолокатора для получения информации о координатах и параметрах движения движущихся объектов.

Использование: радиолокационные системы обнаружения и измерения координат и параметров движения объектов. Сущность изобретения: радиолокатор с линейной частотной модуляцией зондирующего сигнала имеет передающее устройство, содержащее генератор сигнала несущей частоты, два смесителя, генератор линейно - частотно-модулированного сигнала, полосовой фильтр, передающую антенну, гетеродин смещения частоты, модулятор, антенный переключатель, приемное устройство, содержащее приемную антенну, два полосовых фильтра, смеситель, опросный блок, n каналов корреляционно - фильтровой матрицы, два блока памяти и усреднения, вычитатель, индикатор с блоком разверток, n канальных модуляторов, генератор стробов, блок наведения по частоте, синтезатор частот, синхронизатор, каждый из n каналов корреляционно-фильтровой матрицы содержит селекторный смеситель частоты, полосовой фильтр, режекторный фильтр, смеситель, n параллельно соединенных фильтров, опросный блок n параллельно соединенных фильтров. Это позволяет обнаружить малоскоростные объекты, селектировать каждый движущийся объект в группе, подавлять сигналы, отраженные от местных предметов с любой дальности, и сигналы пассивных помех. 4 ил.

Радиолокатор с линейной частотной модуляцией зондирующего сигнала, содержащий передающее устройство, состоящее из последовательно соединенных генератора сигнала несущей частоты, первого смесителя, к второму входу которого подключен генератор линейно-частотно-модулированного сигнала, и первого полосового фильтра, а также состоящее из передающей антенны и гетеродина смещения частоты, содержащий также приемное устройство, состоящее из приемной антенны и последовательно соединенных второго полосового фильтра, второго смесителя частоты, третьего полосового фильтра, а также из режекторного фильтра, отличающийся тем, что в передающее устройство введены модулятор, третий смеситель и антенный переключатель, в приемное устройство введены n каналов корреляционно-фильтровой матрицы (КФМ), каждый канал которой содержит последовательно соединенные селекторный смеситель частоты, четвертый полосовой фильтр, режекторный фильтр, четвертый смеситель, n параллельно соединенных фильтров, опросный блок n параллельно соединенных фильтров, также введены опросный блок n каналов КФМ, первый и второй блоки памяти и усреднения, вычитатель, индикатор с блоком разверток, n канальных модуляторов, генератор стробов, блок наведения по частоте, синтезатор частот и синхронизатор, причем первый вход третьего смесителя подключен к выходу первого полосового фильтра, а выход через антенный переключатель соединен с передающей антенной, выход гетеродина смещения частоты соединен с первым входом модулятора, выход которого соединен с вторым входом третьего смесителя, первые входы n каналов КФМ соединены между собой и подключены к выходу третьего полосового фильтра, n выходов n каналов КФМ соединены с соответствующими n входами опросного блока каналов КФМ, (n + 1)-й вход которого соединен с первым выходом синхронизатора, первый выход опросного блока КФМ соединен через первый блок памяти и усреднения с первым входом вычитателя, второй выход опросного блока памяти и усреднения соединен через второй блок памяти и усреднения с вторым входом вычитателя, выход которого соединен с сигнальным входом индикатора с блоком разверток и является выходом устройства, выход гетеродина смещения частоты соединен также с входами синхронизатора и синтезатора частот, первый выход которого через соответствующие n канальные модуляторы соединен с вторыми входами соответствующих n каналов КФМ, второй выход синтезатора частот через блок наведения по частоте соединен с третьими входами соответствующих n каналов КФМ, второй выход синхронизатора соединен с вторым входом индикатора и блоком разверток, третий выход синхронизатора соединен с входом генератора стробов, четвертый выход синхронизатора соединен с четвертыми входами соответствующих n каналов КФМ, пятый выход синхронизатора соединен с входом генератора линейно-частотно-модулированного сигнала, первый выход генератора стробов соединен с управляющим входом модулятора, второй выход соединен с управляющим входом антенного переключателя, остальные n выходов генератора стробов соединены с управляющими входами соответствующих n канальных модуляторов, второй вход блока наведения по частоте является входом сигнала управления наведением.