УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫСОТЫ Российский патент 2001 года по МПК G01S13/04 

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в системах поиска и многоцелевого сопровождения воздушных объектов.

Известен радиолокатор, выполненный в виде устройства определения высоты, описанный в патенте N 2002277, автор Часовской, 1993 г., бюл. 39, 40. В нем используется передатчик, излучающий импульсы с частотой 10-50 кГц и один приемник. Однако время обзора увеличивается при увеличении количества целей в поле зрения передающей и приемной антенн.

Известно устройство определения высоты, описанное в патенте N 2119176, 1998 г., бюл. 26, автор Часовской А.А.

Принцип его работы заключается в следующем.

Формирователь импульсов формирует импульсы для запуска блока управления фазированием при возвратно-поступательном перемещении луча. Длительность импульсов равна времени сканирования луча с помощью фазированной антенной решетки в одном направлении, а промежуток между импульсами равен времени остановки луча в конце сканирования. Блок управления фазированием выдают команды в виде кодов на ускоренное скачкообразное перемещение луча с остановками в конце сканирования на время максимального запаздывания отраженного от объекта сигнала. Одновременно с командами блоку фазирования, блок управления фазированием выдает сигнал-команды на излучение импульсов импульсному передатчику, которые излучаются с помощью фазированной антенной решетки после каждого скачка с частотой 10-50 кГц. Прием отраженной электромагнитной энергии происходит с помощью приемной антенны, общий угол поля зрения которой равен зоне сканирования фазированной антенной решетки. Далее электромагнитная энергия поступает в приемник, где преобразуется в электрические сигналы, которые так же выделяются по необходимым характеристикам. Выделенные сигналы поступают в блок определения амплитуды, который может представлять из себя преобразователь амплитуды в код.

Блок определения временного рассогласования между началом сканирования и сигналом с приемника, представляющий из себя преобразователь временного рассогласования выдает код временного рассогласования для записи в оперативное запоминающее устройство по адресу, поступающему с преобразователя амплитуды в код. Команды, разрешающие запись или считывание, поступают с блока управления фазированием при возвратно-поступательном перемещении луча. Разность временных рассогласований соответственно при прямом и обратном ходе луча сигналов, имеющих равные амплитуды, определяется в вычитателе. Это и есть информация о дальности, а направление определяется с помощью блоков, подсчитывающих временное рассогласование между началом сканирования и серединой разности временных рассогласований. По известным дальности и направлению в вычислителе высоты определяется высота, а отображение дальности, направления и высоты осуществляется в индикаторе. Однако при осуществлении возвратно-поступательного сканирования в зоне сканирования могут появиться 2 и большее количество объектов, имеющих равную амплитуду отраженных сигналов, что так же, как и в первом аналоге, увеличит время анализа информации, а следовательно, и время определения дальности и направления.

С помощью предлагаемого устройства уменьшается время определения дальности и направления. Для достижения этого используется вместо блока управления сканированием при возвратно-поступательном движении луча блок управления сканированием при попеременном перемещении луча с разными скоростями и используется вместо преобразователя временного рассогласования в код, преобразователь углового рассогласования в код, а так же вводится вычитатель с контролируемой разностью и постоянное запоминающее устройство, при этом первый, второй входы и выход вычитателя с контролируемой разностью соответственно соединены; с выходом преобразователя углового рассогласования в код, с выходом оперативного запоминающего устройства и через постоянное запоминающее устройство, с первым входом вычитателя, имеющего выход, соединенный с первыми входами вычислителя высоты и индикатора.

На фиг. 1 и в тексте приняты следующие обозначения:
1 - блок управления сканированием при попеременном перемещении луча с разными скоростями;
2 - блок фазирования;
3 - импульсный передатчик;
4 - фазированная антенная решетка;
5 - формирователь импульсов;
6 - приемник;
7 - приемная антенна;
8 - преобразователь амплитуды в код;
9 - преобразователь углового рассогласования в код;
10 - вычислитель высоты;
11 - индикатор;
12 - оперативное запоминающее устройство;
13 - вычитатель с контролируемой разностью;
14 - постоянное запоминающее устройство;
15 - вычитатель;
при этом вход и первый, второй, третий и четвертый выходы блока управления сканированием при попеременном перемещении луча с разными скоростями 1 соответственно соединены: с выходом формирователя импульсов 5, соединенным также с первым входом преобразователя углового рассогласования в код 9, через импульсный передатчик 3 с первым входом фазированной антенной решетки 4, через блок фазирования 2 со вторым входом фазированной антенной решетки и с первым и вторым входами оперативного запоминающего устройства 12, третий, четвертый вход и выход которого соответственно соединены: через преобразователь амплитуды в код 8, с выходом приемника 6, с выходом преобразователя угловых рассогласований в код 9 и со вторым входом вычитателя с контрольной разностью 13, соединенным также со вторым входом вычитателя 15, и имеющего первый вход, соединенный с выходом преобразователя углового рассогласования в код 9, второй вход которого соединен через приемник 6 с выходом приемной антенны 7, жестко связанной с фазированной антенной решеткой 4, а выход вычитателя с контролируемой разностью 13 соединен со вторыми входами вычислителя высоты 10 и индикатора 11 и через постоянное запоминающее устройство 14 соединен с первым входом вычитателя 13, выход которого соединен с первыми входами вычислителя высоты 10 и индикатора 11, имеющего третий вход, соединенный с выходом вычислителя высоты 10.

Устройство работает следующим образом.

Формирователь импульсов 5 формирует импульсы для запуска блока управления сканированием при попеременном перемещении луча с разными скоростями 1. Длительность импульсов равна времени сканирования луча, то есть попеременно следуют импульсы разной длительности. Промежуток между импульсами равен времени остановки луча в конце сканирования. Блок управления сканированием выдает при попеременном перемещении луча с разными скоростями 1 команды в виде кодов на ускоренное перемещение луча с остановками в конце сканирования на время максимального запаздывания отраженного сигнала. Одновременно с командами блоку фазирования 2, блок управления сканированием при попеременном перемещении луча с разными скоростями 1 выдает сигнал - команды на излучение импульсов импульсному передатчику 3, которые излучаются с помощью фазированной антенной решетки 4 с частотой, например, 40-50 кГц. В частности, при попеременном скачкообразном перемещении луча с частотами, то 50 кГц, то 40 кГц, частота работы импульсного передатчика так же от обзора к обзору будет попеременно меняться, то есть после каждого скачка излучается один импульс. При этом, для обеспечения постоянной импульсной мощности, независимо от частоты излучения импульсов, время накопления импульсной мощности не должно превышать величину скважности между импульсами, следующими с большей частотой.

Пример конкретного исполнения блока управления сканированием при попеременном перемещении луча с разными скоростями 1, который может работать по любой заданной программе, и блока фазирования 2 представлен в вышеупомянутом первом аналоге (патент N 2002277). Прием отраженной электромагнитной энергии происходит с помощью приемной антенны 7, общий угол поля зрения которой равен зоне сканирования.

Для увеличения коэффициента усиления приемная антенна 7 может иметь несколько лепестков и определенное количество высокочастотных трактов, равных количеству лепестков и сходящихся с помощью, например, высокочастотного сумматора в один тракт, подходящий к приемнику 6.

В приемнике 6 электромагнитная энергия преобразуется в электрические сигналы, которые так же выделяются по известным характеристикам. Выделенные сигналы поступают в преобразователь амплитуды в код 8 и в преобразователь углового рассогласования в код 9, где определяется угловое рассогласование между началом сканирования и сигналом с приемника 6, которое в виде кода поступает на запись в оперативное запоминающее устройство 12 по адресу с преобразователя амплитуды в код 8. При разных скоростях сканирования одному и тому же времени прихода сигнала с приемника 6 будут соответствовать разные коды, так как скорости счета времени будут разные. Преобразователь углового рассогласования в код 9 работает аналогично преобразователю дальности, представленному, например, в книге Васин и др. "Справочник - задачник по радиолокации", 1977 г. , в котором в зависимости от длительности строба (в нашем устройстве он поступает с формирователя импульсов 5) меняется и скорость счета, а следовательно, и скорость изменения угловых величин, так как сканирование в период одного обзора осуществляется равномерно. Команды, разрешающие запись и считывание, поступают с блока управления сканированием при попеременном перемещении луча с разными скоростями 1. В частности, запись осуществляется в период меньшей скорости сканирования. Дальность определяется как разность величин перемещений луча относительно начала сканирования и до моментов приема сигналов. При большей скорости сканирования луч переместится на большую величину. Для пояснения воспользуемся фиг. 2, где показаны два вектора (АД и М) угловых перемещений луча соответственно при меньшей и большей скорости сканирования.

Пусть два объекта находятся на разных дальностях, и моменты излучения импульсов соответствуют точкам B и N. Моменты приема отраженных сигналов 18 и 20 для ближнего объекта находятся в точках B₁ и N₁, а сигналы 19, 21 для дальнего объекта в точках B₂ и N₂. Поэтому дальность до ближнего объекта характеризует отрезок "a", а дальность до дальнего объекта - отрезок "b". Таким образом, чем больше дальность, тем больше угловая расходимость между сигналами, образованными в результате сканирования то с меньшей, то с большей скоростью. Максимальное значение расходимости может быть равно, например, 2^o. Остановка в конце сканирования нужны для приема сигналов от объектов, находящихся на максимальной дальности, излучаемых в крайних точках сканирования C и E. Однако, так как скорости сканирования разные, то и разные длительности отрезков CD и EF, выражающие величины перемещения луча, если бы он продолжал двигаться. Так как сканирование осуществляется равномерно, то угловые значения перемещений луча выражаются непрерывно изменяющимися угловыми значениями. В вычитателе с контролируемой разностью 13 определяется разность запомненного и текущего углового рассогласования сигналов, имеющих одинаковую амплитуду и находящихся в угловом промежутке, не превышающем строго определенную величину, зависящую от максимальной дальности обнаружения и скорости сканирований. Эта угловая величина характеризует дальность. Пример исполнения узлов, в том числе с применением вычитателей, осуществляющих контроль информации представлен в книге И.А. Орлов и В.Ф. Корнюшко "Основы вычислительной техники и организации вычислительных работ", 1984 г., М., Энергоатомиздат, стр. 139, рис. 54.

Разность с выхода вычитателя с контролируемой разностью 13, характеризующая дальность, поступает в постоянное запоминающее устройство 14, где для каждой разности зашита соответствующая угловая величина между положением луча в моменты излучения импульса и положением луча в моменты приема сигнала при сканировании с меньшей скоростью. Она необходима для определения направления и зависит от дальности, так как эта угловая величина увеличивается с увеличением дальности.

На фиг. 2 угловая величина показана в виде отрезка BB₁. В вычитателе 15 осуществляется определение направления на объект путем вычитания из запомненной угловой величины, угловой величины с постоянного запоминающего устройства 14. Разность и представляет из себя угловое направление на объект.

На фиг. 2 этому угловому значению будет соответствовать точка B. Вычислитель высоты 10 на основании информации о дальности с вычитателя 13 и направления с вычитателя 15 определяет методом соотношения сторон и углов треугольника высоту объекта, которая вместо с дальностью и направлением отображается на индикаторе 11.

Пусть скорости сканирования зоны меняются от обзора к обзору на 20% и соответствуют частотам скачкообразных перемещений луча, и излучениям зондирующих импульсов соответственно 40 и 50 кГц. Тогда для дальностей 200, 100 и 50 км разности угловых рассогласований будут соответственно равны: 2, 1 и 05 градуса. Длительность зондирующих импульсов может составлять 0,1 мкс. Точности определения дальностей и угловых направлений зависят от равномерности сканирования луча и от быстродействия интегральных схем.

Точность определения дальности можно увеличить благодаря использованию метода, изложенного в патенте N 2007742, 1993 г., бюл. N 3 под названием "Устройство дискретного измерения времени радиолокационной станции", автор Часовской А.А.

Погрешность определения дальности может составлять 50 м.

Предлагаемое устройство может быть использовано в системах управления воздушным движением в районах аэродромов, в ожидаемых направлениях. При этом частота облучений объектов может составлять, например, 100-500 Гц при времени обзора 2-10 мс, что улучшает энергетические характеристики и увеличивает дальность обнаружения, так как все цели постоянно облучаются импульсами. Однако устройство можно использовать и для поиска объектов в широких углах поля зрения, в том числе и с применением круговых решеток. При этом по сравнению с существующими системами уменьшается время обзора.

Предлагаемый метод можно использовать и при осуществлении непрерывного и квазенепрерывного излучения так же при вращающихся линзовых антеннах, скорости вращения которых могут меняться от оборота к обороту. Данный метод может быть использован наряду с другими методами в одной радиотехнической системе, что улучшает функциональные возможности системы.

Вероятность же появления двух пар сигналов, имеющих равную амплитуду в зоне, равной 2^o меньше, чем в главном аналоге, например, в 40 раз, что и обеспечивает уменьшение времени определения дальности.

В устройстве определения высоты используется вместо блока управления сканированием при возвратно-поступательном движении луча блок управления сканированием при попеременном перемещении луча с разными скоростями и используется вместо преобразователя временного рассогласования в код, преобразователь углового рассогласования в код, а также вводится вычитатель с контролирующей разностью и постоянное запоминающее устройство, при этом первый, второй входы и выход вычитателя с контролирующей разностью соответственно соединены выходом преобразователя углового рассогласования в код, с выходом оперативного запоминающего устройства и через постоянное запоминающее устройство с первым входом вычитателя, имеющего выход, соединенный с первыми входами вычислителя высоты и индикатора. Технический результат заключается в уменьшении времени определения дальности и направления. 2 ил.

Устройство определения высоты, состоящее из блока фазирования, импульсного передатчика, фазированной антенной решетки, формирователя импульсов, приемника, приемной антенны, преобразователя амплитуды в код, вычислителя высоты, индикатора, оперативного запоминающего устройства и вычитателя, где выход вычислителя высоты соединен с третьим входом индикатора, а выход вычитателя - с первыми входами вычислителя высоты и индикатора, отличающееся тем, что введены блок управления сканированием при попеременном перемещении луча с разными скоростями, преобразователь углового рассогласования в код, вычитатель с контролируемой разностью и постоянное запоминающее устройство, при этом вход и первый - четвертый выходы блока управления сканированием при попеременном перемещении луча с разными скоростями соответственно соединены с выходом формирователя импульсов, соединенным также с первым входом преобразователя углового рассогласования в код, через импульсный передатчик- с первым входом фазированной антенной решетки, через блок фазирования - с вторым входом фазированной антенной решетки и с первым и вторым входами оперативного запоминающего устройства, третий, четвертый входы и выход которого соответственно соединены через преобразователь амплитуды в код с выходом приемника, с выходом преобразователя угловых рассогласований в код и с вторым входом вычитателя с контролируемой разностью, соединенным также с вторым входом вычитателя, и имеющего первый вход, соединенный с выходом преобразователя углового рассогласования в код, второй вход которого соединен через приемник с выходом приемной антенны, жестко связанной с фазированной антенной решеткой, выход вычитателя с контролируемой разностью соединен с вторыми входами вычислителя высоты и индикатора, а через постоянно запоминающее устройство с первым входом вычитателя.