РАДИОДАТЧИК Российский патент 1997 года по МПК G01S13/32 

Изобретение относится к области радиолокации, в частности к импульсно-доплеровским радиолокационным системам, осуществляющим когерентную обработку принятых сигналов с целью выделения доплеровской частоты, пропорциональной относительной скорости между радиодатчиком и целью, а также выделение видеоимпульсов, задержка которых относительно излученных радиоимпульсов пропорциональна расстоянию до цели.

Изобретение может быть использовано в радиолокационных системах миллиметрового диапазона длин волн для измерения скорости и дальности объектов (целей).

Известна радиолокационная станция с когерентным излучением и импульсной модуляцией (патент Франции N 1602645) с регулируемой длительностью излученного импульса и следящего строба в зависимости от измеряемой дальности, что обеспечивает хорошую разрешающую способность на малых дальностях и высокую чувствительность на больших дальностях.

РЛС содержит соединенные известным образом задающий генератор, модулятор, усилитель мощности, дуплексер, антенну, смеситель, стробируемый усилитель промежуточной частоты, когерентный детектор, ряд доплеровских фильтров, индикатор уровня сигнала, индикаторы расстояния и скорости. К недостатку рассмотренной РЛС следует отнести снижение точности измеряемой дальности с увеличением расстояния вследствие увеличения длительности излученного радиоимпульса.

Из выявленных аналогов ближайшим прототипом является импульсно-доплеровская РЛС GERA с высокой разрешающей способностью, работающей на частоте 35 ГГц. РЛС содержит блок синхронизации, соединенные последовательно модулятор, вход которого соединен с четвертым выходом блока синхронизации, соединенные последовательно генератор, вход которого соединен с первым выходом блока синхронизации, смеситель передатчика, второй вход которого соединен с третьим выходом блока синхронизации, первый циркулятор, первый фильтр, второй циркулятор, третий циркулятор, второй вход которого соединен с выходом импульсного оконечного каскада, четвертый циркулятор, согласующее устройство, антенну, соединенные последовательно пятый циркулятор, вход которого соединен с вторым выходом первого циркулятора, шестой циркулятор, соединенные последовательно второй фильтр, седьмой циркулятор, второй вход которого соединен с выходом шестого циркулятора, третий фильтр, соединенные последовательно первый регулируемый аттенюатор, первый вход которого соединен с вторым входом четвертого циркулятора, а второй вход соединен с вторым выходом блока синхронизации, четвертый фильтр, первый и второй смесители приемника, входы которых соединены с выходами третьего и четвертого фильтров, соединенные последовательно предварительный усилитель промежуточной частоты, первый вход которого соединен с выходом первого смесителя, а второй соединен с выходом второго смесителя, второй регулируемый аттенюатор, логарифмический усилитель промежуточной частоты, синхронный детектор, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора.

К недостатком следует отнести высокую стоимость разработки и изготовления данной РЛС из-за наличия сложных в технологическом исполнении СВЧ-элементов:
автоколебательного (автодиодного) смесителя,
передатчика на диоде Ганна,
импульсного синхронизируемого оконечного каскада.

Целью изобретения являются снижение стоимости разработки и изготовления радиодатчика.

Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее блок синхронизации, модулятор, первый вход которого соединен с выходом блока синхронизации, генератор модулирующей частоты, генератор передатчика, антенну передающую, соединенные последовательно первый регулируемый аттенюатор, полосовой фильтр, первый смеситель, второй смеситель, соединенные последовательно предварительный усилитель, второй регулируемый аттенюатор, соединенные последовательно усилитель промежуточной частоты (УПЧ), блок синхронных детекторов, причем второй вход модулятора соединен с выходом генератора модулирующей частоты, первый вход первого смесителя соединен с выходом полосового фильтра, а выход первого смесителя соединен с входом предварительного усилителя, первый вход второго смесителя соединен с выходом второго регулируемого аттенюатора, а выход соединен с входом УПЧ, дополнительно введены первый направленный ответвитель (НО), вход которого соединен с выходом генератора передатчика, фазовращатель, первый вход которого соединен с первым выходом первого НО, второй вход которого соединен с выходом модулятора, а выход соединен с входом антенны передающей, соединенные последовательно гетеродин, второй НО, второй выход которого соединен с вторым входом первого смесителя, третий смеситель, первый вход которого соединен с вторым выходом первого НО, второй вход которого соединен с первым выходом второго НО, а выход соединен с вторым входом второго смесителя, усилитель низкой частоты (УНЧ), вход которого соединен с выходом второго смесителя, схема автоматической регулировки усилителя (АРУ), вход которой соединен с выходом УНЧ, первый выход которой соединен с вторым входом первого регулируемого аттенюатора, второй выход которой соединен с вторым входом регулируемого аттенюатора, блок однополосной модуляции (ОМ), первый вход которого соединен с выходом генератора модулирующей частоты, второй вход которого соединен с выходом УНЧ, первый и второй выходы которого соединены соответственно с вторым и третьим входами блока синхронных детекторов, антенна приемная, выход которой соединен с первым входом первого регулируемого аттенюатора.

В предлагаемом устройстве, излучая непрерывный сигнал, с приходом импульса запуска модулятор формирует радиоимпульс, который поступает на фазовый модулятор, при этом фаза излученного сигнала изменяется в пределах с частотой заполнения радиоимпульса. Частота принятого сигнала преобразуется в первую промежуточную частоту, после усиления в предварительном усилителе во втором смесителе осуществляется когерентное смешивание принятого сигнала с опорным сигналом, сформированным в результате преобразования сигналов генератора передатчика и гетеродина. После когерентной обработки на выходе второго смесителя выделяются непрерывный сигнал доплеровской частоты и радиоимпульсы с частотой фазовой модуляции, сдвинутой на доплеровскую частоту. В блоке однополосной модуляции (ОМ) осуществляется сдвиг модулирующей частоты на частоту доплера. На выходах синхронных детекторов, работающих в квадратуре, выделяются видеоимпульсы, задержка которых пропорциональна измеряемой дальности.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков, связями между блоками и исполнением устройств формирования зондирующего и обработки принятого сигналов.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Введение новых блоков и связей между блоками позволяет исключить из схемы радиодатчика сложные в техническом исполнении смеситель передатчика, импульсный оконечный каскад, существенно упростить формирование зондирующего сигнала, а значит, снизить стоимость разработки и изготовления устройства.

Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 приведена блок-схема радиодатчика; на фиг. 2 эпюры, поясняющие работу радиодатчика.

Радиодатчик содержит генератор модулирующей частоты 3, соединенные последовательно блок синхронизации 1, первый вход модулятора 2, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующей частоты 3, генератор передатчика 4, первый направленный ответвитель 5, вход которого соединен с выходом генератора передатчика 4, соединенные последовательно фазовращатель 6, первый вход которого соединен с первым выходом первого направленного ответвителя 5, второй вход которого соединен с выходом модулятора 2, передающую антенну 7, соединенные последовательно гетеродин 12, второй направленный ответвитель 11, третий смеситель 10, первый вход которого соединен с вторым выходом первого направленного ответвителя 5, а второй вход соединен с первым выходом второго направленного ответвителя 11, соединенные последовательно антенну приемную 22, первый вход первого регулируемого аттенюатора 21, полосовой фильтр 20, первый вход первого смесителя 19, предварительный усилитель 18, первый вход второго регулируемого аттенюатора 17, первый вход второго смесителя 16, второй вход которого соединен с выходом третьего смесителя 10, усилитель промежуточной частоты (УПЧ) 15, первый вход блока синхронных детекторов 14, усилитель низкой частоты (УНЧ) 9, вход которого соединен с выходом второго смесителя 16, блок однополосной модуляции 8, первый вход которого соединен с выходом генератора модулирующей частоты 3, а второй вход соединен с выходом УНЧ 9, первый и второй выходы которого соединены соответственно с вторым и третьим входами блока синхронных детекторов 14, схему автоматической регулировки усиления (АРУ) 13, вход которой соединен с выходом УНЧ 9, первый выход которой соединен с вторым входом первого регулируемого аттенюатора 21, а второй выход соединен с вторым входом второго регулируемого аттенюатора 17.

Составные части предлагаемого радиодатчика имеют традиционное построение и особых пояснений не требуют.

Радиопередатчик работает следующим образом. Синусоидальный непрерывный сигнал с выхода генератора передатчика 4, выполненного на диоде Ганна, частотой f₀ через направленный ответвитель 5, фазовращатель 6 [2, с. 128] антенну передающую 7 излучается в пространство. Часть мощности сигнала генератора 4 с второго выхода направленного ответвителя 5 в качестве опорного сигнала поступает на второй вход третьего смесителя 10. Импульсная последовательность (фиг. 2, а) с выхода блока синхронизации 1 поступает на первый вход модулятора 2, на второй вход которого поступает непрерывный синусоидальный сигнал частотой f_м с первого выхода генератора модулирующей частоты 3, при этом на выходе модулятора 2 формируется последовательность радиоимпульсов (фиг. 2, б). При поступлении радиоимпульса на второй вход фазовращателя 6 осуществляется фазовая модуляция излученного сигнала по синусоидальному закону в пределах в течение длительности радиоимпульса τ_и с частотой модуляции f_м.

Фазу излученного сигнала запишем в виде:

где f₀ частота генератора передатчика;
f_м частота фазовой модуляции;

τ_и длительность излучаемых радиоимпульсов;
Т_п период следования радиоимпульсов.

Отраженный сигнал с выхода антенны приемной 22 через регулируемый аттенюатор 21, полосовой фильтр 20 поступает на первый вход первого смесителя 19, на второй вход которого поступает с второго выхода второго направленного ответвителя 11 сигнал гетеродина 12, выполненного на диоде Ганна, частотой f_г.

Полосовой фильтр 20 предназначен для защиты приемного тракта от помехи по зеркальному каналу.

Фазу принятого сигнала запишем в виде:

где задержка принятого сигнала (3);
R₀ дальность до цели;
V скорость сближения (знак "-"), удаления (знак "+") цели;
c скорость света.

Фазу преобразованного сигнала на выходе первого смесителя 19 запишем в виде:

В общем виде, считая коэффициенты передачи элементов премного тракта равными 1, сигнал на выходе первого смесителя 19 запишем в виде:

где P_c непрерывная мощность излученного сигнала;
N_рл ослабление сигнала в радиолокации.

Если обозначить то, используя соотношение для функции Бесселя целого порядка [3, с. 781] запишем после преобразований сигнал на выходе первого смесителя 19 в виде:

В момент времени, когда функция включения , функции Бесселя имеют значения J₀(0)= 1, J_2k(0)=0, J_2k-1(0)=0, при этом на выходе первого смесителя 19 выделяется непрерывный сигнал с частотой
В момент времени, когда функция включения η (t-τ-mT_п)= 1, на выходе первого смесителя 19 образуются радиоимпульсы с частотами заполнения

С выхода первого смесителя 19 сигнал поступает на вход предварительного усилителя 18.

С учетом выражения (6), фильтрующих свойств предварительного усилителя 18 после преобразований сигнал на его выходе запишем в виде

С учетом соотношений (3) и (9) видно, что на выходе предварительного усилителя 18 выделяется непрерывный сигнал с частотой

и импульсный радиосигнал с частотой заполнения

с выхода предварительного усилителя 18 через второй регулируемый аттенюатор 17 сигнал поступает на первый вход второго смесителя 16, на второй вход которого с выхода третьего смесителя 10 в качестве опорного приходит сигнал с фазой:
Φ_оп(t) = 2π(f_г-f_o)t (12)
Опорный сигнал формируется в результате преобразования в третьем смесителе 10 сигналов генератора передатчика 4 и гетеродина 12, поступающих соответственно с второго выхода направленного ответвителя 5 и с первого выхода направленного ответвителя 11.

С учетом соотношения (3) после преобразования сигнал на выходе второго смесителя 16 запишем в виде:

Сигнал с выхода второго смесителя 16 поступает на входы УНЧ 9 и УПЧ 15. С учетом фильтрации непрерывный сигнал (фиг. 2, в) на выходе УНЧ 9 запишем в виде:

С учетом фильтрации сигнал (фиг. 2, г) на выходе УПЧ 15 запишем в виде:

Сигнал доплеровской частоты с выхода УНЧ 9 поступает на ВЫХ 1 радиодатчика, а также через схему АРУ 13 на вторые входы регулируемых аттенюаторов 17 и 21. При этом амплитуда выходных сигналов УНЧ и УПЧ поддерживается в требуемых пределах при изменении мощности принятого сигнала в широких пределах. Одновременно сигнал с выхода УНЧ поступает на второй вход блока однополосной модуляции 8, на первый вход которого поступает сигнал генератора модулирующей частоты 3. Блок однополосной модуляции 8 осуществляет сдвиг модулирующей частоты f_м на частоту Доплера F_д1 и по принципу действия аналогичен схеме, приведенной в [4, с. 327] формирует два опорных сигнала суммарной частоты, сдвинутых на 90^o.

Используя соотношение (14), фазу сигнала разностной частоты на выходе блока однополосной модуляции 8 запишем в виде:

Используя соотношения (15) и (17), с учетом фильтрации высокочастотных составляющих сигналы на выходах блока синхронных детекторов 14 запишем в виде:


Из полученных выражений видно, что на выходах блока синхронных детекторов 14 (ВЫХ 2, ВЫХ 3 радиодатчика) формируются последовательности видеоимпульсов (фиг. 2, д, е), огибающая которых изменяется по синусоидальному закону со сдвигом по фазе на 90^o с доплеровской частотой

Проведем сравнительный анализ заявляемого устройства и прототипа. В отличие от прототипа в заявленном устройстве с выходов блока синхронных детекторов снимаются видеоимпульсы, огибающая которых изменяется с доплеровской частотой, пропорциональной более низкой модулирующей частоте f_м, а не частоте излученного сигнала f₀.

Более низкая доплеровская частота позволяет сделать более узкой полосу фильтра доплеровских частот, что приводит к улучшению чувствительности приемного устройства.

Будем полагать, что обработка сигнала в заявляемом устройстве и прототипе осуществляется по схеме [5, рис 4.13, б, с. 238] Накопитель в простейшем случае состоит из последовательно включенных селектора дальности на видеочастоте и фильтра доплеровских частот.

С учетом двухполосной свертки шумов в блоке синхронных детекторов мощность шумов на выходе доплеровского фильтра запишем в виде:

где k=1,38•10^-23 Дж/к постоянная Больцмана;
T_ш эквивалентная шумовая температура приемника, приведенная к его входу;
τ_и длительность селекторных импульсов, равная длительности принятых видеоимпульсов;
T_п период следования видеоимпульсов;
ΔF_ФДЧ шумовая полоса фильтра доплеровских частот.

Будем считать, что полоса фильтра определяется максимальной доплеровской частотой, тогда для прототипа ΔF_ФДЧ1≈ F_g1max, а для заявляемого устройства ΔF_ФДЧ2≈ F_g2max.

Из соотношения 2.4.12 [5, с. 96] следует, что амплитуда гармоники доплеровской частоты равна постоянной составляющей последовательности немодулированных видеоимпульсов A₀/2.

где U_m амплитуда видеоимпульсов;
τ_и длительность видеоимпульсов;
T_п период следования видеоимпульсов.

Используя соотношение (22), мощность сигнала на выходе доплеровского фильтра прототипа запишем в виде:

где P_имп импульсная излученная мощность;
N_рл ослабление сигнала в радиолинии.

Используя соотношения (18), (19), (22), мощность сигнала на выходе доплеровского фильтра радиодатчика запишем в виде:

Используя соотношения (16), (21), (23), отношение сигнал/шум на выходе доплеровского фильтра прототипа запишем в виде:

Используя соотношения (20), (21), (24), отношение сигнал/шум на выходе доплеровского фильтра радиодатчика запишем в виде:

Приравнивания соотношения (25) и (26), определим мощность непрерывного сигнала радиодатчика через импульсную мощность прототипа в виде:

С учетом двухполосной свертки шумов в смесителе 16 мощность шумов приемника на выходе УНЧ 9 радиодатчика запишем в виде:

где ΔF_УНЧ шумовая полоса УНЧ, определяемая максимальной доплеровской частотой из соотношения (16).

Используя соотношение (14), мощность непрерывного сигнала на выходе УНЧ запишем в виде:
P_унч=P_с•N_рл (29)
Используя соотношения (16), (28), (29), отношение сигнал/шум на выходе УНЧ запишем в виде:

Используя соотношения (26), (30), определим частоту модуляции через параметры зондирующего сигнала в виде:

Поскольку сигнал с выхода УНЧ 9 через блок однополосной модуляции 8 используется в качестве опорного для блока синхронных детекторов 14, то необходимо обеспечить q₃≥10, при этом q₂≥1.

Если полагать, для сравнения, что f₀ ≈35•10³ МГц, q₃/q₂=10, то частота фазовой модуляции, определяемая соотношением (31), должна быть не менее 105 МГц, а для обеспечения одинакового энергетического потенциала требуемая мощность непрерывного сигнала радиодатчика с учетом соотношения (27) может быть в 100 раз меньше импульсной мощности прототипа.

Таким образом, за счет введения периодической фазовой модуляции короткими радиоимпульсами непрерывного сигнала удается исключить из схемы радиодатчика сложные в техническом исполнении автоколебательный смеситель передатчика, а также импульсный синхронизируемый оконечный каскад, что существенно снизит стоимость разработки и изготовления устройства.

Использование: для выделения доплеровской частоты, пропорциональной скорости движения цели, а также для выделения видеоимпульсов, задержка которых пропорциональна расстоянию до цели. Радиодатчик, содержащий блок синхронизации, модулятор, генератор модулирующей частоты, генератор передатчика, первый направленный ответвитель, фазовращатель, антенну передающую, антенну приемную, первый регулируемый аттенюатор, полосовой фильтр, первый смеситель, гетеродин, второй направленный ответвитель, предварительный усилитель, второй регулируемый аттенюатор, второй и третий смесители, усилитель промежуточной частоты, блок синхронных детекторов, усилитель низкой частоты, схему автоматической регулировки усиления, блок однополосной модуляции, излучает в пространство непрерывный сигнал с периодической фазовой модуляцией в пределах короткими радиоимпульсами, сформированными из сигнала генератора модулирующей частоты, частота принятого сигнала на выходе первого смесителя преобразуется в первую промежуточную частоту, на выходе третьего смесителя из сигналов генератора передатчика и гетеродина формируется опорный сигнал первой промежуточной частоты, на выходе второго смесителя выделяется непрерывный сигнал доплеровской частоты и короткие, задержанные в пространстве, радиоимпульсы второй промежуточной частоты, с выхода усилителя низкой частоты сигнал доплеровской частоты выдается на выход радиодатчика, а также через схему АРУ управляет первым и вторым регулируемыми аттенюаторами, в блоке однополосной модуляции осуществляет сдвиг на частоту доплера сигнал генератора модулирующей частоты, который используется в качестве опорного для блока синхронных детекторов, с выхода усилителя промежуточной частоты радиоимпульсы поступают в блок синхронных детекторов, где преобразуются в задержанные видеоимпульсы, выдаваемые на квадратурные выходы радиодатчика, амплитуда которых модулирована доплеровской частотой, определяемой частотой фазовой модуляции излученного сигнала и скоростью движения цели. 2 ил.

Радиодатчик, содержащий блок синхронизации, модулятор, первый вход которого соединен с выходом блока синхронизации, генератор модулирующей частоты, генератор передатчика, передающую антенну, первый смеситель, второй смеситель, соединенные последовательно первый регулируемый аттенюатор, полосовой фильтр, соединенные последовательно предварительный усилитель, второй регулируемый аттенюатор, соединенные последовательно усилитель промежуточный частоты, блок синхронных детекторов, отличающийся тем, что второй вход модулятора соединен с выходом генератора модулирующей частоты, первый вход первого смесителя соединен с выходом полосового фильтра, выход первого смесителя соединен с входом предварительного усилителя, первый вход второго смесителя соединен с выходом второго регулируемого аттенюатора, а выход соединен с входом усилителя промежуточной частоты, дополнительно введены первый направленный ответвитель, вход которого соединен с выходом генератора передатчика, фазовый модулятор, первый вход которого соединен с первым выходом первого направленного ответвителя, второй вход фазового модулятора соединен с выходом модулятора, а выход соединен с входом передающей антенны, соединенные последовательно гетеродин, второй направленный ответвитель, второй выход которого соединен с вторым входом первого смесителя, третий смеситель, первый вход которого соединен с вторым выходом первого направленного ответвителя, второй вход смесителя соединен с первым выходом второго направленного ответвителя, а выход соединен с вторым входом второго смесителя, усилитель низкой частоты, вход которого соединен с выходом второго смесителя, блок автоматической регулировки усиления, вход которого соединен с выходом усилителя низкой частоты, первый выход блока автоматической регулировки усиления соединен с вторым входом первого регулируемого аттенюатора, второй выход блока автоматической регулировки усиления соединен с вторым входом второго регулируемого аттенюатора, блок однополосной модуляции, первый вход которого соединен с выходом генератора модулирующей частоты, второй вход блока однополосной модуляции соединен с выходом усилителя низкой частоты, первый и второй выходы блока однополосной модуляции соединены соответственно с вторым и третьим входами блока синхронных детекторов, приемная антенна, выход которой соединен с первым входом первого регулируемого аттенюатора.