СИСТЕМА ОПЕРАТИВНОГО РАДИОЛОКАЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ Российский патент 1999 года по МПК G01S13/95 

Изобретение относится к технике дистанционного зондирования Земли из космоса и может использоваться в спутниковых комплексах метеорологического и природно-ресурсного назначения.

Система оперативного радиолокационного зондирования поверхности Земли, содержащая последовательно соединенные антенну, переключатель прием-передача, приемник, аналого-цифровой преобразователь, накопитель, выход которого является первым информационным выходом системы оперативного радиолокационного зондирования поверхности Земли, а также задающий генератор, генератор импульсов зондирования и оконечный усилитель мощности, выход которого через второй направленный ответвитель подключен к второму входу переключателя прием-передача [1].

Однако такая система оперативного радиолокационного зондирования поверхности Земли потребляет много мощности, имеет громоздкую и тяжелую конструкцию и не позволяет зондировать поверхность Земли в течение длительного времени с высокой точностью. Это связано с использованием простого импульсного сигнала, что требует большой импульсной мощности передатчика и, как следствие, громоздкость и большую массу конструкции. Низкая точность измерений вызвана невозможностью точно прокалибровать приемопередающий тракт при наличии мощного импульсного излучения.

Известно устройство зондирования, предназначенное для обнаружения и измерения параметров явлений и процессов, происходящих в околоземном пространстве, в составе которого имеется канал приема информации и канал контроля и калибровки [2].

Однако и это устройство имеет недостаточную точность зондирования и высокое потребление мощности, что не позволяет использовать его в качестве постоянно работающей оперативной системы зондирования поверхности Земли.

Известно радиолокационное устройство, в котором для обеспечения развязки между передатчиком и приемником, работающим на одну антенну используется часть излучаемой передатчиком энергии [3].

Это достигается переотражением части излучаемого передатчиком сигнала на вход приемника. При этом амплитуда и фаза сигнала, отраженного на вход приемника устанавливается такой, чтобы он скомпенсировал сигнал утечки через переключатель прием-передача.

Однако данное устройство, обеспечивая развязку между передатчиком и приемником, не решает задачи повышения точности измерений, поскольку не калибрует весь приемопередающий тракт.

Известны также устройства [4,5], в которых с целью снижения импульсной мощности зондирующего сигнала, а следовательно, и снижения потребляемой мощности, веса и упрощения конструкции всей системы в передатчике используется сложный сигнал с фазовой модуляцией, а в приемнике с помощью корреляционной обработки сигнал сжимается с получением радиолокационного изображения.

Однако и данные устройства, решая часть задачи снижения веса и потребляемой мощности, не обеспечивает высокой точности зондирования поверхности Земли в течение длительного времени.

Наиболее близким техническим решением является система оперативного радиолокационного зондирования поверхности Земли, содержащая последовательно соединенные антенну, переключатель прием-передача, разрядник защиты приемника, первый направленный ответвитель, малошумящий усилитель, фильтр зеркального канала, первый смеситель, усилитель промежуточной частоты и детектор, а также первый аналого-цифровой преобразователь, накопитель, выход которого является первым информационным выходом системы оперативного радиолокационного зондирования поверхности Земли, первый задающий генератор, генератор импульсов зондирования, выход которого подключены к первому управляющему входу накопителя, и генератор тактовых импульсов, выход которых подключен к второму управляющему входу накопителя и к управляющему входу первого аналого-цифрового преобразователя, оконечный усилитель мощности, выход которого через второй направленный ответвитель подключен к второму входу переключателя прием-передача, акустическую линию задержки и третий направленный ответвитель, причем третий управляющий вход накопителя является входом сигнала оперативного считывания информации [1].

Однако такая система оперативного радиолокационного зондирования поверхности Земли потребляет много мощности, имеет громоздкую и тяжелую конструкцию и не позволяет зондировать поверхность Земли в течение длительного времени с высокой точностью. Это связано с использованием простого импульсного сигнала, недостатками в калибровке всего приемопередающего тракта и проникновением части излучаемого сигнала на вход приемника. Что связано как с отсутствием специальных средств для компенсации такого проникновения, так и с высокой импульсной мощностью передатчика, при которой точно скомпенсировать это проникновение невозможно ввиду его непостоянства, вызванного особенностями конструкции антенно-фидерного тракта, рассчитанного на высокую мощность передатчика.

Таким образом, все известные устройства, предназначенные для радиолокационного зондирования поверхности Земли из космоса, имеют либо недостаточную точность, либо громоздкую конструкцию при большой потребляемой мощности, что не позволяет их использовать в качестве оперативных постоянно действующих систем.

Технической задачей, решаемой в предложенном изобретении, является снижение потребляемой мощности, обеспечение компактности, облегчение конструкции и повышение точности зондирования поверхности Земли в течение длительного времени.

Для решения этой задачи в систему оперативного радиолокационного зондирования поверхности Земли, содержащую последовательно соединенные антенну, переключатель прием-передача, разрядник защиты приемника, первый направленный ответвитель, малошумящий усилитель, фильтр зеркального канала, первый смеситель, усилитель промежуточной частоты и детектор, а также первый аналого-цифровой преобразователь, накопитель, выход которого является первым информационным выходом системы оперативного радиолокационного зондирования поверхности Земли, первый задающий генератор, генератор импульсов зондирования, выход которого подключен к первому управляющему входу накопителя, и генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к второму управляющему входу накопителя и к управляющему входу первого аналого-цифрового преобразователя, оконечный усилитель мощности, выход которого через второй направленный ответвитель подключен к второму входу переключателя прием-передача, акустическую линию задержки и третий направленный ответвитель, причем третий управляющий вход накопителя является входом сигнала оперативного считывания информации.

Введены и последовательно включены между вторым выходом второго направленного ответвителя и вторым входом первого направленного ответвителя первый аттенюатор, циркулятор и четвертый направленный ответвитель, введены и последовательно включены между первым выходом третьего направленного ответвителя и вторым входом четвертого направленного ответвителя второй аттенюатор и фазовращатель, введены и последовательно включены между выходом первого задающего генератора и входом оконечного усилителя умножитель частоты, второй смеситель и предварительный усилитель мощности, введены генератор кода, фазовый манипулятор, фазосдвигатель, блок сжатия сигнала по дальности, второй аналого-цифровой преобразователь, первый и второй блоки формирования управляющих сигналов и долговременный запоминающий блок, выход которого является вторым информационным выходом системы оперативного радиолокационного зондирования поверхности Земли, а вход подключен к выходу накопителя, детектор выполнен в виде двух фазовых детекторов, первые входы которых объединены и являются входом детектора, вторые входы фазовых детекторов являются соответственно первым и вторым управляющими входами детектора, а выходы фазовых детекторов являются первым и вторым выходами детектора и через соответственно первый и второй аналого-цифровые преобразователи подключены к соответствующим входам блока сжатия сигнала по дальности, выход которого подключен к входу накопителя, а первый и второй управляющие входы блока сжатия сигнала по дальности соединены соответственно с выходом генератора кода и с выходом генератора тактовых импульсов, первый и второй входы генератора кода соединены соответственно с выходами генератора тактовых импульсов и генератора импульсов зондирования, а выход подключен к первому входу фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом второго задающего генератора, а выход подключен к второму входу второго смесителя, выход второго задающего генератора подключен к первому управляющему входу детектора непосредственно, а к второму управляющему входу детектора - через фазосдвигатель, причем выход умножителя подключен к второму входу первого смесителя, а второй выход третьего направленного ответвителя подключен к второму входу циркулятора, при этом управляющий вход второго аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом генератора тактовых импульсов, входы первого и второго блока формирования управляющих сигналов объединены и соединены с выходом накопителя, выход первого блока формирования управляющих сигналов подключен к управляющему входу третьего аттенюатора, который включен между выходом акустической линии задержки и входом третьего направленного ответвителя, а выход второго блока формирования управляющих сигналов подключен к управляющему входу усилителя промежуточной частоты.

На фиг.1 приведена структурная электрическая схема системы оперативного радиолокационного зондирования поверхности Земли.

На фиг. 2 приведена структурная электрическая схема блока сжатия сигнала по дальности.

На фиг. 3 приведена структурная электрическая схема формирователя управляющего сигнала.

Система оперативного радиолокационного зондирования поверхности Земли, содержит антенну 1, переключатель 2 прием-передача, разрядник 3 защиты приемника, первый направленный ответвитель 4, малошумящий усилитель 5, фильтр 6 зеркального канала, первый смеситель 7, усилитель 8 промежуточной частоты, детектор 9, накопитель 10, первый задающий генератор 11, оконечный усилитель мощности 12, второй направленный ответвитель 13, акустическую линию 14 задержки, третий направленный ответвитель 15, первый аттенюатор 16, циркулятор 17, четвертый направленный ответвитель 18, второй аттенюатор 19, фазовращатель 20, второй смеситель 21, предварительный усилитель мощности 22, генератор 23 импульсов зондирования, фазовый манипулятор 24, генератор 25 кода, генератор 26 тактовых импульсов, умножитель 27 частоты, второй задающий генератор 28, фазосдвигатель 29, первый и второй аналого-цифровые преобразователи 30-1 и 30-2, блок 31 сжатия сигнала по дальности, первый и второй формирователи 32 и 33 управляющего сигнала, долговременный запоминающий блок 34, и третий аттенюатор 35, при этом блок 31 сжатия сигнала по дальности два блока 36-1 и 36-2 оперативной памяти, два арифметико-логических блока 37-1 и 37-2, кольцевой сдвиговый регистр 38 и блок 39 возведения в квадрат и сложения. Первый и второй формирователи 32 и 33 управляющего сигнала каждый состоят из блока 40 оперативной памяти, арифметико-логического блока 41, блока 42 постоянной памяти и цифро-аналогового преобразователя 43.

Устройство работает следующим образом.

Первый задающий генератор 11 формирует исходный гармонический сигнал частотой F_з1, который умножается в N раз в умножителе 27 и подается на первый вход второго смесителя 21 и на второй вход первого смесителя 7. Второй задающий генератор 28 формирует гармонический сигнал частотой F_з2, который подается на первый вход фазового манипулятора 24, который по второму входу управляется сигналом с генератора 25 кода. С выхода второго смесителя 21 сигнал частотой N^*F_з1 + F_з2 с фазовой модуляцией подается через предварительный усилитель 22, оконечный усилитель 12, направленный ответвитель 13 на переключатель 2 и с него на антенну 1. Зондирующий сигнал, отраженный от поверхности Земли, принимается антенной 1, поступает на переключатель 2 прием-передача и с него через разрядник 3 защиты приемника и направленный ответвитель 4 поступает на малошумящий усилитель 5. Усиленный сигнал проходит через фильтр 6, где подавляется сигнал зеркального канала, и подается на первый смеситель 7, на который также подается гетеродинный сигнал частотой N^*F_з1 с умножителя 27. Полученный на выходе смесителя 7 сигнал промежуточной частоты усиливается в усилителе 8 и подается на блок фазовых детекторов 9, на который также подаются два ортогональных сигнала, один напрямую с второго задающего генератора 28, а второй - через фазосдвигатель 29. Выделенные сигналы (синусный и косинусный) переводятся в цифровую форму аналого-цифровыми преобразователями 30-1 и 30-2 и подаются на блок 31 сжатия сигнала по дальности. Арифметико-логические блоки 37-1 и 37-2 производят корреляционную обработку цифровых сигналов с фазовых детекторов, поступающих на блоки 36-1 и 36-2 оперативной памяти, используя в качестве опорного сигнала, циркулирующий в кольцевом сдвиговом регистре 38 кодовый сигнал, поступивший туда от генератора 25 кода. Сигналы, являющиеся результатом корреляционной обработки в темпе тактовой частоты подаются на блок 39, который формирует на выходе сигнал, равный сумме квадратов входных сигналов.

С выхода блока 31 сигнал поступает на накопитель 10, где производится некогерентное накопление сигналов в соответствующих ячейках памяти. Накопление производится по L импульсам зондирования, где L выбирается исходя из конкретных параметров радиолокатора и орбиты спутника, на котором он установлен.

Полученный на выходе накопителя 10 сигнал радиолокационного изображения поверхности Земли запоминается в долговременном запоминающем блоке 34 и передается по каналу связи только в предусмотренные сеансы связи. Радиолокационный сигнал, получаемый во время сеанса связи, может передаваться непосредственно с накопителя 10, минуя долговременный запоминающий блок 34.

Для повышения точности и стабильности радиолокационного зондирования в течение длительного периода наблюдений в выходном сигнале присутствует сигнал калибровки, который формируется следующим образом.

Когда сигнал с оконечного усилителя 12 проходит через направленный ответвитель 13, часть сигнала ответвляется и через аттенюатор 16, циркулятор 17 и направленный ответвитель 15 поступает на акустическую линию задержки 14. Через определенное время задержки τ отраженный сигнал с линии 14 задержки проходит обратно через направленный ответвитель 15, циркулятор 17, направленный ответвитель 18 и через второй вход направленного ответвителя 4 поступает в приемный тракт. В результате в каждой строке радиолокационного изображения присутствует отрезок с калиброванной величиной сигнала, относительно которой можно судить о величинах сигналов от наблюдаемых фрагментов земной поверхности. Поскольку при оценке отраженного сигнала от суши и от морской поверхности оптимальная величина калибровочного сигнала существенно различна, первый формирователь управляющего сигнала 32 управляет третьим аттенюатором 35 в зависимости от величины отраженного сигнала в большинстве ячеек памяти накопителя 10. Обеспечивается это в первом формирователе управляющего сигнала 32 путем накопления в ячейках блока 40 оперативной памяти усредненных значений сигналов, принятых с различных дальностей и сравнении их с опорными значениями, хранящимися в блоке 42 постоянной памяти. Усреднение и сравнение производит арифметико-логический блок 41, выходной цифровой сигнал которого цифро-аналоговый преобразователь 43 преобразует в сигнал управления, подаваемый на третий аттенюатор 35.

Также по ключевым сигналам в ячейках памяти, соответствующих наибольшей дальности второй формирователь управляющего сигнала 33 формирует сигнал управления усилением усилителя 8 промежуточной частоты, обеспечивая оптимальный режим усиления радиолокационного сигнала, отраженного от поверхности Земли.

В приемный тракт также подмешивается передающий сигнал, снимаемый с второго выхода направленного ответвителя 15 и подаваемый через аттенюатор 19, фазовращатель 20 и направленный ответвитель 18. Этот сигнал с помощью аттенюатора 19 и фазовращателя 20 настраивают таким образом, чтобы он компенсировал сигнал, просачивающийся через переключатель 2 прием-передача на вход приемного тракта.

Использование сложного сигнала позволяет в тысячи раз снизить импульсную мощность излучения передатчика, что позволяет снизить вес антенно-фидерного тракта, перевести блоки передатчика на другую элементную базу, характеризующуюся меньшими потерями мощности. Таким образом, за счет снижения потребляемой мощности, обеспечения компактности, облегчения конструкции и калибровки всего приемопередающего тракта, повышается точность зондирования поверхности Земли в течение длительного времени, обеспечивая при той же энерговооруженности космического аппарата, что и в прототипе, непрерывное радиолокационное зондирование поверхности Земли между сеансами связи.

Источники информации, принятые во внимание
1. Авторское свидетельство СССР N 1679426, кл. G 01 S 13/95, 1988 г.

2. Европейский патент EP N 0080927 A2, кл. G 01 S 13/95, 1983 г.

3. Патент США N 4270127, кл. G 01 S 13/95, 1981 г.

4. Патент США N 4725842, кл. G 01 C 13/32, 1988 г.

5. Заявка Франции N 2621203, кл. H 04 N 5/31, 1989 г.

6. "Радиолокация поверхности Земли из космоса" под. ред. Л.М. Митнина и С.В. Викторова, Ленинград, Гидрометеоиздат, 1990 г., стр. 38 - 41.

Изобретение относится к технике дистанционного зондирования Земли из космоса и может использоваться в спутниковых комплексах метеорологического и природно-ресурсного назначения. Для достижения технического результат - снижения потребляемой мощности, обеспечения компактности, облегчения конструкции и повышения точности зондирования поверхности Земли в течение длительного времени в систему оперативного радиолокационного зондирования поверхности Земли, содержащую антенну, переключатель прием-передача, разрядник защиты приемника, первый направленный ответвитель, малошумящий усилитель, введен канал компенсации, включающий последовательно соединенные аттенюатор и фазовращатель, обеспечивающие подачу сигнала, компенсирующего просачивание излучаемого сигнала на вход приемного тракта, введен регулируемый аттенюатор в канал калибровки для подбора сигнала калибровки под тип зондируемой поверхности, введен формирователь управляющих сигналов регулировки усиления в приемном тракте также по типу зондируемой поверхности, введены генератор кода, фазовый манипулятор и блок сжатия сигнала по дальности, обеспечившие использование сложного фазоманипулированного сигнала с соответствующим снижением импульсной мощности передатчика и упрощением конструкции антенно-фидерного тракта. 3 ил.

Система оперативного радиолокационного зондирования поверхности Земли, содержащая последовательно соединенные антенну, переключатель прием - передача, разрядник защиты приемника, первый направленный ответвитель, малошумящий усилитель, фильтр зеркального канала, первый смеситель, усилитель промежуточной частоты и детектор, а также первый аналого-цифровой преобразователь, накопитель, выход которого является первым информационным выходом системы оперативного радиолокационного зондирования поверхности Земли, первый задающий генератор, генератор импульсов зондирования, выход которого подключен к первому управляющему входу накопителя, и генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к второму управляющему входу накопителя и управляющему входу первого аналого-цифрового преобразователя, оконечный усилитель мощности, выход которого через второй направленный ответвитель подключен к второму входу переключателя прием - передача, акустическую линию задержки и третий направленный ответвитель, причем третий управляющий вход накопителя является входом сигнала оперативного считывания информации, отличающаяся тем, что введены и последовательно включены между вторым выходом второго направленного ответвителя и вторым входом первого направленного ответвителя первый аттенюатор, циркулятор и четвертый направленный ответвитель, введены и последовательно включены между первым выходом третьего направленного ответвителя и вторым входом четвертого направленного ответвителя второй аттенюатор и фазовращатель, введены и последовательно включены между выходом первого задающего генератора и входом оконечного усилителя умножитель частоты, второй смеситель и предварительный усилитель мощности, введены генератор кода, фазовый манипулятор, фазосдвигатель, блок сжатия сигнала по дальности, второй аналого-цифровой преобразователь, первый и второй блоки формирования управляющих сигналов и долговременный запоминающий блок, выход которого является вторым информационным выходом системы оперативного радиолокационного зондирования поверхности Земли, а вход подключен к выходу накопителя, детектор выполнен в виде двух фазовых детекторов, первые входы которых объединены и являются входом детектора, вторые входы фазовых детекторов являются соответственно первым и вторым управляющими входами детектора, а выходы фазовых детекторов являются первым и вторым выходами детектора и через соответственно первый и второй аналого-цифровые преобразователи подключены к соответствующим входам блока сжатия сигнала по дальности, выход которого подключен к входу накопителя, а первый и второй управляющие входы блока сжатия сигнала по дальности соединены соответственно с выходом генератора кода и выходом генератора тактовых импульсов, первый и второй входы генератора кода соединены соответственно с выходами генератора тактовых импульсов и генератора импульсов зондирования, а выход подключен к первому входу фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом второго задающего генератора, а выход подключен к второму входу второго смесителя, выход второго задающего генератора подключен к первому управляющему входу детектора непосредственно, а к второму управляющему входу детектора - через фазосдвигатель, причем выход умножителя подключен к второму входу первого смесителя, а второй выход третьего направленного ответвителя подключен к второму входу циркулятора, при этом управляющий вход второго аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом генератора тактовых импульсов, входы первого и второго блоков формирования управляющих сигналов объединены и соединены с выходом накопителя, выход первого блока формирования управляющих сигналов подключен к управляющему входу третьего аттенюатора, который включен между выходом акустической линии задержки и входом третьего направленного ответвителя, а выход второго блока формирования управляющих сигналов подключен к управляющему входу усилителя промежуточной частоты.