ИМИТАТОР ДОППЛЕРОВСКОГО СДВИГА ЧАСТОТЫ Российский патент 2001 года по МПК G01S7/40 

Изобретение относится к СВЧ-технике и может быть использовано для контроля работоспособности самолетных БРЛС с допплеровским обужением луча.

Более конкретно оно относится к устройствам, имитирующим допплеровский сдвиг частоты, работающим на принципе отражательного электромеханического фазовращателя непрерывного действия.

Такие имитаторы известны (см. Виницкий А.С. "Очерк основ радиолокации при непрерывном излучении, М., Сов. радио, 1961, стр.462, а также патенты:
ПНР N 54810, НКИ 21а 48/01 МКИ,
США N 3216014, МКИ G 01 G).

Принцип действия этих имитаторов основан на приеме зондирующего сигнала (РЛС) с помощью СВЧ-антенны, допплеровского "сдвига" частоты этого сигнала за счет отражения его от движущегося внутри волновода отражателя (в виде мембраны, штырька, диэлектрической неоднородности, отверстия связи и т.д.) и ретрансляции этого сигнала в направлении контролируемой РЛС.

Наиболее часто встречаются имитаторы в виде скрученного в кольцо волновода с щелью по широкой стенке, вдоль которой двигается штырек, связанный с ротором электромотора.

Допплеровский сдвиг частоты такого устройства:

где R - радиус вращения отражательного элемента,
N - число оборотов (с) оси ротора электромотора,
λ - длина волны.

Одним из недостатков этих устройств является небольшой диапазон имитированных допплеровских частот из-за ограниченной механической прочности движущихся элементов устройства при больших скоростях.

Наиболее совершенным устройством, в котором устранен этот недостаток, является имитатор допплеровского сдвига частоты: патент Р.Ф. N 2101725, G 01 S 7/40, взятый за прототип.

Устройство содержит антенно-волноводный тракт, n-плечий циркулятор и n-1 отражательных высокооборотных фазовращателей непрерывного действия, причем антенно-волноводный тракт подключен к 1-му плечу циркулятора, а каждое из n-1 плеч циркулятора соединено с соответствующим фазовращателем. При этом заданная имитированная частота Допплера F_g, количество плеч циркулятора и допплеровский сдвиг F_i, каждого 2-го фазовращателя связаны соотношением:

Таким образом в этом устройстве расширение диапазона имитированных допплеровских частот достигнуто за счет суммирования с помощью циркулятора допплеровских сдвигов частоты каждого отражающего фазовращателя, взятого в отдельности.

Устройство имитатора просто по своей конструкции и надежно в эксплуатации, однако оно не может быть применено для контроля РЛС с допплеровским обужением луча (например, РЛС бокового обзора, предназначенных для картографирования местности).

Для контроля работоспособности таких РЛС необходимо имитировать по меньшей мере две допплеровские частоты, разнесенные между собой на заданную минимальную величину, соответствующую разрешающей способности РЛС (т.е. имитировать допплеровские сдвиги частоты от двух радиоконтрастных объектов на местности, которые надо различить между собой).

Применение с этой целью двух однотипных устройств, реализованных по патенту Р.Ф. N 2101725 (наш прототип), не может решить эту задачу из-за относительной нестабильности частот указанных имитаторов.

Стабильность допплеровской частоты, имитируемой каждым устройством, должна составлять ≈ 10^-4 F_g.

Такая стабильность продиктована тем, что реальный допплеровский сдвиг частоты эхо сигнала F_pg от радиоконтрастного объекта, находящегося в пределах диаграммы направленности антенны РЛС при реальных скоростях самолета, составляет 10-20 кГц, а полоса пропускания элементарного допплеровского фильтра РЛС (из набора допплеровских фильтров, осуществляющих селекцию эхо сигналов по частоте) составляет 3-5 Гц.

При данной конструкции имитатора реализовать указанную стабильность частоты каждого имитатора практически невозможно.

Целью настоящего предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей имитатора допплеровского сдвига частоты (патент Р.Ф. N 2101725 - наш прототип), а именно, - обеспечение возможности производить контроль работоспособности радиолокационных станций с допплеровским обужением луча.

Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее n-плечий циркулятор, антенно-волноводный тракт, подсоединенный к первому плечу циркулятора, и n-2 отражательных электромеханических высокооборотных фазовращателей непрерывного действия, подключенных каждый к соответствующему плечу циркулятора, дополнительно введены направленный ответвитель половинной мощности, два низкооборотных отражательных электромеханических фазовращателя и поглощающая нагрузка, причем первое плечо направленного ответвителя подключено к n-му плечу циркулятора, второе плечо направленного ответвителя подключено ко входу первого низкооборотного фазовращателя, третье плечо направленного ответвителя подключено ко входу второго низкооборотного фазовращателя, четвертое плечо направленного ответвителя подсоединено к поглощающей нагрузке, а роторы обоих низкооборотных фазовращателей соединены общей осью. При этом допплеровские сдвиги частоты, имитируемые устройством, равны:


где F_i - допплеровский сдвиг частоты каждого i-го высокооборотного фазовращателя, i = 1, 2, 3 ... n-2;
r₁, r₂ - радиусы вращения отражательных элементов первого и второго низкооборотных отражательных фазовращателей;
N - число оборотов (с) общей оси, соединяющей роторы низкооборотных отражателей;
λ - длина волны.

Сущность изобретения заключается в том, что, несмотря на нестабильность во времени допплеровских сдвигов F_g1 и F_g2 из-за нестабильности первого слагаемого разница этих сдвигов: является стабильной во времени за счет синхронизации оборотов обоих низкооборотных фазовращателей с помощью общей оси, а также за счет высокой стабильности низких оборотов N этих фазовращателей, которые обычно составляют 1-2 оборота в секунду.

Это позволяет применять указанное устройство для контроля работоспособности РЛС с допплеровским обужением луча, включая такой важный параметр, как разрешающая способность РЛС.

На чертеже представлена блок-схема имитатора допплеровского сдвига частоты.

Имитатор содержит:
Антенно-волноводный тракт 1, n-плечий циркулятор 2, n-2 высокооборотных электромеханических фазовращателей 3-1, 3-2, 3-3 ... 3-i .... 3 - (n-2), направленный ответвитель половинной мощности - 4, первый низкооборотный отражательный фазовращатель - 5, второй низкооборотный отражательный фазовращатель - 6, поглощающую нагрузку - 7.

Имитатор работает следующим образом: зондирующий СВЧ-сигнал, контролируемый РЛС, поступает в антенну имитатора и, пройдя антенно-волноводный тракт - 1, поступает в первое плечо циркулятора - 2.

Из первого плеча циркулятора - 2 сигнал поступает во второе плечо циркулятора 2, к которому подсоединен первый высокооборотный отражательный фазовращатель 3-1. Отраженный от движущего элемента (штырька) фазовращателя 3-1 СВЧ-сигнал приобретает допплеровский сдвиг.

где R - радиус вращения отражательного элемента первого высокооборотного фазовращателя 3-1;
N₁ - число оборотов в секунду ротора этого фазовращателя.

Далее СВЧ-сигнал из второго плеча циркулятора 2 попадает в его третье плечо, к которому подсоединен второй высокооборотный отражательный фазовращатель 3-2, создающий дополнительный допплеровский сдвиг частоты

Таким образом сигнал, отраженный от подвижного элемента второго высокооборотного фазовращателя 3-2, имеет допплеровский сдвиг частоты, равный сумме допплеровских частот F₁ и F₂, т.е.

Пройдя последовательно все n-2 высокооборотных отражательных фазовращателя, СВЧ-сигнал приобретает общий сдвиг допплеровской частоты:

где допплеровский сдвиг частоты каждого i-го высокооборотного фазовращателя.

Обычно при реализации имитатора за F_Σ берут реальный допплеровский сдвиг F_pg эхо-сигнала РЛС от реального радиоконтрастного объекта на местности (находящегося в пределах диаграммы направленности антенны РЛС) при реальной скорости летательного аппарата, т.е.

В случае, когда параметры всех n-2 высокооборотных фазовращателей идентичны:
F_pg = (n - 2)F; (3)
Пройдя все n-2 отражательных фазовращателей, СВЧ-сигнал со сдвигом частоты (1) попадает в n-е плечо циркулятора - 2. Из n-го плеча циркулятора - 2 СВЧ-сигнал поступает в первое плечо направленного ответвителя половинной мощности - 4.

Половина мощности сигнала с выхода второго плеча направленного ответвителя - 4 поступает на вход первого низкооборотного отражательного фазовращателя 5, а другая половина мощности СВЧ-сигнала через третье плечо направленного ответвителя 4 поступает на вход второго низкооборотного отражательного фазовращателя 6. Отразившись от подвижного элемента первого низкооборотного фазовращателя 5, СВЧ-сигнал со сдвигом частоты (1) приобретает дополнительный допплеровский сдвиг

где r₁ - радиус вращения отражательного элемента первого низкооборотного фазовращателя - 5;
N - число оборотов (с) общей оси, связывающей роторы обоих фазовращателей 5 и 6.

При этом общий сдвиг частоты СВЧ-сигнала становится равным:

Половина мощности этого сигнала попадает через четвертое плечо ответвителя 4 в согласованную нагрузку 7, а вторая половина, пройдя направленный ответвитель 4 в обратном направлении через его первое плечо, поступает вновь в n-е плечо циркулятора 2.

Аналогично, отразившись от подвижного элемента второго низкооборотного фазовращателя 6, СВЧ-сигнал с допплеровским сдвигом (1) приобретает дополнительный сдвиг где r₂ - радиус вращения отражательного элемента второго низкооборотного фазовращателя - 6, и общий сдвиг частоты этого сигнала становится равным:

Половина мощности этого сигнала, пройдя направленный ответвитель 4 в обратном направлении (от третьего плеча ответвителя к его первому плечу), попадает в n-е плечо циркулятора 2. Таким образом в n-м плече циркулятора 2 СВЧ-сигнал имеет одновременно две допплеровские частоты:


где i = 1, 2, 3 ... n-2.

Очевидно, что эти частоты разнесены между собой на величину:

которая стабильна за счет синхронизации оборотов обоих низкооборотных фазовращателей 5 и 6 с помощью общей оси, связывающей их роторы, и за счет малой величины N, обычно составляющей 1-2 оборота (с).

Из плеча n циркулятора - 2 СВЧ-сигнал с допплеровскими сдвигами (4) и (5) поступает в первое плечо циркулятора - 2 и, пройдя антенно-волноводный тракт 1, излучается в направлении антенны контролируемой РЛС.

Для различения ("разрешения") сигналов между собой РЛС производит селекцию принятых сигналов по частотам допплера с помощью многоканального устройства, состоящего из набора допплеровских фильтров (см. Радиолокационные станции бокового обзора под редакцией А.П. Реутова. М., Сов. радио, 1970 г., стр. 166-167).

Если параметры имитатора выбраны так, что величина ΔF из (6) равна полосе пропускания Δ F_ф каждого порциального допплеровского фильтра РЛС, т.е.

то на индикаторе РЛС будут наблюдаться две различные отметки, расстояние между которыми в угловых единицах будет соответствовать величине разрешающей способности РЛС по азимуту.

Следует отметить, что в предлагаемом устройстве вместо высокооборотных отражательных электромеханических фазовращателей, обеспечивающих требуемый суммарный сдвиг частоты, можно применить один "проходной" электронный амплитудно-фазовый модулятор АФМ, создающий аналогичный допплеровский сдвиг частоты. При этом вход АФМ должен быть подсоединен ко второму плечу циркулятора 2, выход АФМ подсоединен к третьему плечу циркуляра 2, а первое плечо направленного ответвителя 4 подсоединено к четвертому плечу циркулятора 2.

Очевидно в этом случае циркулятор становится четырехплечим, т.е. более простым. Однако при этом снижается надежность имитатора из-за сложности электронного устройства АФМ.

Для технической реализации устройства при известных параметрах РЛС: λ, Δ F_ф и F_pg, параметры имитатора: F_i, R_i, r₁ и r₂ задаются произвольно, исходя из условий простоты и удобства реализации устройства, а параметры n, N_i и N определяются из уравнений (2), (3) и (7).

Пример:
Имеется РЛС с параметрами λ = 3 см; Δ F_ф = 5 Гц; F_pg = 12 кГц. Требуется определить параметры имитатора n, N_i и N при заданных: F_i = 4 кГц; R_i = 10 см; r₁ = 12 см; r₂ = 10 см.

Для случая, когда все n-2 высокооборотных фазовращателя одинаковы (т.е. F₁ = F₂ = F₃ ... = F_i = 4 кГц), имеем:
- из формулы (3) - требуемое число плеч 4 циркулятора
,
при этом число высокооборотных фазовращателей n-2 = 5-2 = 3,
- из формулы (2) - число оборотов ротора каждого из 3-х высокооборотных фазовращателей:
,
- из формулы (7) - число оборотов роторов низкооборотных фазовращателей, связанных общей осью
.

Согласно выражениям (4) и (5) данное устройство имитирует допплеровские сдвиги:


Со стабильной разницей Δ F = F_g1 - F_g2 = 5 Гц, равной полосе пропускания каждого порционального допплеровского фильтра контролируемой РЛС.

Очевидно, что предлагаемое устройство имитирует в этом случае допплеровские частоты от двух контрастных объектов, которые при работоспособной РЛС будут различимы (т.е. "разрешены") на экране индикатора РЛС.

Введение новых элементов: направленного ответвителя, двух низкооборотных фазовращателей, связанных общей осью вращения, и согласованной нагрузки - выгодно отличает предлагаемый имитатор от прототипа, так как расширяет его функциональные возможности, а именно, позволяет проводить контроль работоспособности "РЛС с допплеровским обужением луча" (например, самолетных РЛС бокового обзора, предназначенных для картографирования местности).

Это преимущество обеспечивается тем, что устройство имитирует одновременно два допплеровских сдвига частоты с относительной стабильностью этих частот ≈ 10^-4, что позволяет в наземных условиях контролировать такой важный параметр РЛС, как разрешающая способность при картографировании.

В настоящее время из-за отсутствия доступных, достоверных наземных средств контроля, работоспособность указанных РЛС проверяется, как правило, в (натурных), летных испытаниях, стоимость которых достаточно высока.

Применение предложенного имитатора позволяет существенно повысить качество предполетной подготовки авиационной техники и получить определенный экономический эффект.

Наряду с расширением функциональных возможностей, имитатор обладает простотой конструкции, надежностью, универсальностью и автономностью, что очень важно при работе в полевых условиях.

Имитатор допплеровского сдвига частоты содержит n-плечий циркулятор, антенно-волноводный тракт, подключенный к первому плечу циркулятора, n-2 высокооборотных отражательных электромеханических фазовращателей, подключенных каждый к соответствующему плечу циркулятора, направленный ответвитель половинной мощности, первый и второй низкооборотные отражательные электромеханические фазовращатели, поглощающую нагрузку, причем первое, второе, третье и четвертое плечи направленного ответвителя подключены соответственно к n-му плечу циркулятора, ко входу первого низкооборотного фазовращателя, ко входу второго низкооборотного фазовращателя, к поглощающей нагрузке, роторы обоих низкооборотных фазовращателей соединены между собой общей осью вращения, при этом допплеровские сдвиги частоты, имитируемые устройством, рассчитываются по приведенным формулам, в зависимости от длины волны, допплеровского сдвига частоты каждого i-го выскооборотного фазовращателя, радиусов вращения отражательного элемента первого и второго низкооборотных отражательных фазовращателей и числа оборотов в секунду общей оси, соединяющей роторы низкооборотных фазовращателей. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей. 1 ил.

Имитатор допплеровского сдвига частоты, содержащий n-плечий циркулятор, антенно-волноводный тракт, подключенный к первому плечу циркулятора и n-2 высокооборотных отражательных электромеханических фазовращателей, подключенных каждый к соответствующему плечу циркулятора, отличающийся тем, что в него введены направленный ответвитель половинной мощности, первый низкооборотный отражательный электромеханический фазовращатель, второй низкооборотный отражательный электромеханический фазовращатель и поглощающая нагрузка, причем первое плечо направленного ответвителя подключено к n-му плечу циркулятора, второе плечо направленного ответвителя подключено ко входу первого низкооборотного фазовращателя, третье плечо направленного ответвителя подключено ко входу второго низкооборотного фазовращателя, четвертое плечо направленного ответвителя соединено с поглощающей нагрузкой, а роторы обоих низкооборотных фазовращателей соединены между собой общей осью вращения, при этом допплеровские сдвиги частоты, имитируемые устройством, равны


где F_i - допплеровский сдвиг частоты каждого i-го высокооборотного фазовращателя i = 1, 2, 3,...n-2;
r₁ и r₂ - радиусы вращения отражательного элемента первого и второго низкооборотных отражательных фазовращателей соответственно;
N - число оборотов в секунду общей оси, соединяющей роторы низкооборотных фазовращателей;
λ - длина волны.