МОНОИМПУЛЬСНЫЙ РАДИОЛОКАТОР Российский патент 2002 года по МПК G01S13/44 G01S7/40 H01Q3/00 

Изобретение относится к радиолокации, в частности к области моноимпульсных вторичных радиолокаторов, обладающих повышенной точностью измерения угловых координат, и может быть использовано в системах управления воздушным движением.

При разработке моноимпульсных радиолокаторов (МРЛ), обладающих повышенной точностью, важнейшей проблемой является обеспечение высокой стабильности амплитудно-фазовых характеристик входящих в МРЛ функциональных узлов [1].

Известны МРЛ, в которых поддержание высокой стабильности производится с помощью генератора внутреннего контрольного сигнала (ВКС), по которому определяются величина и знак фазовой ошибки и осуществляется соответствующая коррекция измеряемых азимутов [2].

Однако коррекция фазовых ошибок приводит к смещению рабочего участка пеленгационной характеристики от центра диаграммы направленности, что, при значительных ошибках, нарушает симметрию ветвей пеленгационной характеристики и уменьшает реальную чувствительность.

Указанные недостатки преодолеваются, если вместо коррекции ошибок осуществить автоматическую подстройку фаз в параллельных каналах [3].

Такой МРЛ содержит суммарно-разностную антенну, выходы которой через каналы высокой и промежуточной частот соединены со входами фазового детектора, узел автоматической подстройки фазы (АПФ), информационный вход которого подключен к выходу фазового детектора, а выход соединен со входом управляемого фазовращателя.

В МРЛ [3] суммарная и разностная диаграммы направленности используются для измерения азимута, при этом суммарная диаграмма одновременно используется для формирования суммарного приемного канала обнаружения цели.

В рассмотренных выше аналогах корректировка фазовой ошибки может быть осуществлена лишь в той части моноимпульсных каналов, которая охватывается внутренним контрольным сигналом, то есть, в основном, в приемнике.

Высокая стабильность характеристик, а следовательно, и точность измерения азимута цели достигаются в МРЛ [4]. В нем используются однородные, чисто фазовые, сквозные моноимпульсные тракты, в которых по внешним сигналам контрольного ответчика (КО) осуществляется автоматическая подстройка фазы (АПФ), охватывающая моноимпульсные тракты от входа антенны до выхода приемника. Данный МРЛ является прототипом заявленного изобретения.

Моноимпульсный радиолокатор - прототип [4] содержит (фиг.1) антенну 1, выполненную в виде двух идентичных каналов - левого 2 и правого 3 относительно направления излучения с возможностью формирования двух одинаковых диаграмм направленности с разнесенными фазовыми центрами и диаграмм подавления боковых лепестков, при этом левый и правый каналы состоят из групп излучателей 4-1. . .4-n и 5-1...5...n, расположенных симметрично относительно оси антенны, и центрального излучателя 6, расположенного на оси антенны и являющегося общим для обоих каналов, излучатели левого и правого каналов через первый 7 и второй 8 делители мощности соединены со входами первых плеч - первого 9 и второго 10 направленных ответвителей, выходы первых плеч которых соединены с выходами левого Л и правого П каналов антенны, равноплечие делители мощности - первый 11 и второй 12, включенные боковыми выводами соответственно между входами и выходами вторых плечей направленных ответвителей 9 и 10, а центральными выводами подключенные соответственно к центральному излучателю 6 и входу (выходу) сигналов подавления боковых лепестков, выходы левого и правого каналов соответственно через первый 13 и второй 14 управляемые фазовращатели подключены к общим выводам первого 15 и второго 16 переключателей прием-передача, передающие выводы которых через равноплечный делитель мощности 17 соединены со входом сигнала передатчика, а приемные выводы которых соединены соответственно с первыми входами первого 18 и второго 19 смесителей, вторые входы которых подключены к выходам гетеродина 20, первый 21 и второй 22 усилители промежуточной частоты, соединенные своими входами с выходами соответствующих смесителей, а выходами - со входами фазового детектора 23, узел автоматической подстройки фазы 24, информационный вход которого (и) подключен к выходу фазового детектора, а стробирующий вход (с) соединен с выходом формирователя строба контрольного ответчика 25, первый и второй выходы узла 24 подключены к входам соответственно первого 13 и второго 14 управляемых фазовращателей, контрольный ответчик 26, используемый в качестве генератора внешнего контрольного сигнала.

В МРЛ - прототипе [4] отсутствуют какие-либо суммарно-разностные преобразования сигналов, как это имеет место в аналоге [3]. Поэтому формирование передающей суммарной диаграммы обнаружения осуществляется путем ввода сигналов передатчика в оба канала через делитель мощности 17, а формирование приемной суммарной диаграммы обнаружения осуществляется, например, с помощью сумматора, указанного на фиг.1 пунктиром.

Далее сигналы обнаружения поступают на аппаратуру канала обнаружения, выполняемую одним из известных способов (см., например, [1, 5]).

В МРЛ - прототипе формирование суммарных сигналов обнаружения также, как и возбуждение обеих половин антенны, осуществляется с участием управляемых фазовращателей 13 и 14. Эти фазовращатели, выравнивая фазовые соотношения в сквозных моноимпульсных каналах, одновременно обеспечивают синфазное возбуждение обеих половин антенны, что необходимо для формирования оптимальных суммарных диаграмм обнаружения.

Однако указанное синфазное возбуждение левой и правой половин антенны будет происходить лишь при условии фазовой стабильности моноимпульсных приемных трактов, расположенных за переключателями 15, 16 (см. фиг.1).

Если же фазовая стабильность моноимпульсных приемных трактов нарушится, то управляемые фазовращатели 13, 14, компенсируя расфазирование приемных трактов, вызовут при этом расфазирование высокочастотных трактов.

В результате сквозные моноимпульсные каналы останутся сфазированными, точность измерения азимута не уменьшится, но возбуждение левой и правой половин антенны расфазируется, что приведет к искажениям суммарных диаграмм направленности МРЛ, росту уровня боковых лепестков, ухудшению характеристик обнаружения.

Поэтому в МРЛ, выполняемых по принципу прототипа, должны применяться специальные меры для локальной стабилизации фазовых характеристик моноимпульсных приемных трактов, что усложняет их конструкцию.

Кроме того, в прототипе [4] нарушение работы цепей сквозной АПФ или управляемых фазовращателей скажется не только на работе моноимпульсных каналов, но и на характеристиках обнаружения, которые могут существенно ухудшиться и привести к полному выходу из строя МРЛ, тогда как при выходе из строя моноимпульсных каналов МРЛ мог бы продолжать успешно функционировать с несколько ухудшенными характеристиками, как обычный (немоноимпульсный) радиолокатор.

Таким образом, в МРЛ - прототипе характеристики обнаружения зависят от работоспособности моноимпульсных каналов, что существенно снижает общую надежность МРЛ.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности МРЛ, что достигается путем формирования суммарных передающих и приемных диаграмм направленности с характеристиками, не зависящими от работоспособности моноимпульсных каналов, при сохранении однородных моноимпульсных каналов со сквозной АПФ по внешним контрольным сигналам.

Поставленная задача решается следующим образом.

В моноимпульсном радиолокаторе, содержащим антенну, выполненную в виде двух идентичных каналов - левого и правого относительно направления излучения с возможностью формирования двух одинаковых диаграмм направленности с разнесенными фазовыми центрами и диаграмм подавления боковых лепестков, при этом левый и правый каналы состоят из групп излучателей, расположенных симметрично относительно оси антенны, и центрального излучателя, расположенного на оси антенны и являющегося общим для обоих каналов, излучатели левого и правого каналов соответственно через первый и второй делители мощности соединены со входами первых плеч первого и второго направленных ответвителей, первый и второй равноплечие делители мощности, включенные боковыми выводами соответственно между входами и выходами вторых плеч направленных ответвителей, а центральными выводами подключенные соответственно к центральному излучателю и входу сигналов подавления боковых лепестков, а вне антенны содержащий первый и второй управляемые фазовращатели, первый и второй смесители, гетеродин, первый и второй усилители промежуточной частоты, входами соединенные с выходами соответствующих смесителей, а выходами подключенные ко входам фазового детектора, узел автоматической подстройки фазы, информационным входом подключенный к входу фазового детектора, стробирующим входом соединенный с выходом формирователя строба контрольного ответчика, а первым и вторым выходами подключенный к входам соответственно первого и второго управляемых фазовращателей, контрольный ответчик, используемый в качестве генератора внешнего контрольного сигнала,
антенна выполнена с возможностью формирования независимых суммарных диаграмм направленности по передаче и приему путем введения в нее первого и второго циркуляторов, делителя-сумматора мощности, первого и второго выходных делителей мощности, при этом упомянутые циркуляторы подключены первыми выводами к боковым выводам делителя-сумматора мощности, центральный вывод которого является входом сигнала передатчика, вторыми выводами упомянутые циркуляторы подключены к выводам первых плеч соответственно первого и второго направленных ответвителей, а третьим и четвертым выводами включены соответственно между центральными и первыми боковыми выводами первого и второго выходных делителей мощности, вторые боковые выводы которых подключены соответственно к выходам левого и правого каналов антенны, которые соединены соответственно с первыми входами первого и второго смесителей, вторые входы которых через первый и второй управляемые фазовращатели подключены к выходам гетеродина, причем центральный вывод делителя-сумматора мощности одновременно используется в качестве выхода суммарных приемных сигналов обнаружения.

Работа устройства поясняется фиг.1а, где представлена общая блок-схема МРЛ.

МРЛ (см. фиг.1а) содержит антенну 1, выполненную в виде двух идентичных каналов - левого 2 и правого 3 относительно направления излучения с возможностью формирования двух одинаковых диаграмм направленности с разнесенными фазовыми центрами и диаграмм подавления боковых лепестков.

При этом каждый канал состоит из группы излучателей 4-1...4-n и 5-1... 5-n, расположенных симметрично относительно оси антенны, и центрального излучателя 6, расположенного на оси антенны и являющегося общим для обоих каналов, излучатели левого и правого каналов соответственно через первый 7 и второй 8 делители мощности соединены со входами первых плеч первого 9 и второго 10 направленных ответвителей, первый 11 и второй 12 равноплечие делители мощности, включенные боковыми выводами соответственно между входами и выходами вторых плеч направленных ответвителей, а центральными выводами подключенные соответственно к центральному излучателю 6 и входу (выходу) сигналов подавления боковых лепестков. За пределами антенны, в параллельных каналах МРЛ включены первый 13 и второй 14 управляемые фазовращатели, первый 15 и второй 16 смесители, гетеродин 17, первый 18 и второй 19 усилители промежуточной частоты, входами соединенные с выходами соответствующих смесителей, а выходами подключенные ко входам фазового детектора 20, узел автоматической подстройки фазы 21, информационным (и) входом подключенный к выходу фазового детектора, стробирующим (с) входом соединенный с выходом формирователя строба контрольного ответчика 22, а первым и вторым выходами подключенный к входам соответственно первого и второго управляемых фазовращателей 13 и 14, контрольный ответчик 23, используемый в качестве генератора внешнего контрольного сигнала.

Антенна 1 выполнена с возможностью формирования независимых суммарных диаграмм направленности по передаче и приему, что осуществляется путем введения в нее первого 24 и второго 25 циркуляторов, делителя-сумматора мощности 26, первого 27 и второго 28 выходных делителей мощности, при этом упомянутые циркуляторы 24 и 25 подключены первыми выводами (а) к боковым выводам делителя-сумматора мощности 26, центральный вывод которого является входом сигнала передатчика, вторыми выводами (б) упомянутые циркуляторы 24 и 25 подключены к выходам первых плеч соответственно первого 9 и второго 10 направленных ответвителей, а третьим (в) и четвертым (г) выводами включены соответственно между центральными и первыми боковыми выводами первого 27 и второго 28 выходных делителей мощности, вторые боковые выводы которых подключены соответственно к выходам левого и правого каналов антенны Л и П, которые соединены соответственно с первыми входами первого 15 и второго 16 смесителей, вторые входы которых через первый 13 и второй 14 управляемые фазовращатели подключены к выходам гетеродина 17, причем центральный вывод делителя-сумматора мощности 26 одновременно используется в качестве выхода суммарных приемных сигналов обнаружения.

В динамике заявляемый МРЛ работает следующим образом.

В режиме передачи сигнал передатчика поступает на вход суммирующего равноплечего делителя-сумматора мощности 26, а далее в левом 2 и правом 3 каналах антенны проходит соответственно через первый (а) и второй (б) выводы циркуляторов 24 и 25, направленные ответвители 9 и 10, делители мощности 7 и 8 и поступает на группы излучателей 4 и 5. Одновременно часть мощности сигнала передатчика через направленные ответвители 9 и 10 и равноплечий делитель мощности 11 поступает на вход центрального излучателя 6. В результате осуществляется синфазное возбуждение всего раскрыва антенны и формируется независимая суммарная передающая диаграмма направленности с низким уровнем боковых лепестков.

В режиме передачи сигналы подавления боковых лепестков через равноплечий делитель мощности 12, направленные ответвители 9 и 10, равноплечий делитель 11 поступают на вход центрального излучателя 6. Одновременно часть мощности сигналов подавления через направленные ответвители 9 и 10 поступает на делители 7 и 8 и излучатели 4 и 5.

В результате формируется слабонаправленная диаграмма подавления с острым провалом в направлении главного луча.

В режиме приема независимая суммарная приемная диаграмма направленности обнаружения также формируется всем раскрывом антенны. Одновременно с суммарными сигналами осуществляется прием сигналов левого и правого каналов антенны, в которых формируются две одинаковые диаграммы направленности с разнесенными фазовыми центрами.

Возможность одновременного формирования суммарной приемной диаграммы обнаружения и диаграмм левого и правого каналов осуществляется благодаря использованию циркуляторов 24, 25 и выходных делителей мощности 27, 28.

Приемные сигналы с групп излучателей 4 и 5 соответственно через делители 7, 8 и направленные ответвители 9 и 10, смешиваясь в последних с приемным сигналом центрального излучателя 6, проходят через второй (б) и третий (в) выводы циркуляторов 24, 25 и далее на входы выходных делителей мощности 27, 28, в которых сигналы делятся на две равные части и проходят с одних выходов непосредственно на выходы каналов антенны - Л и П, а с других выходов возвращаются в циркуляторы 24 и 25 через их четвертые (г) выводы.

Через первые выводы упомянутых циркуляторов приемные сигналы поступают на делитель-сумматор мощности 26.

Сигналы, снимаемые с центрального вывода делителя-сумматора 26, являются суммарными приемными сигналами обнаружения, образованными полным раскрывом антенны.

Следует отметить, что деление мощности в выходных делителях 27, 28 не уменьшает дальность обнаружения, так как для качественного подавления боковых лепестков требуется уменьшать мощность основного канала вдвое. Если бы не было выходных делителей, то указанное уменьшение следовало бы сделать искусственно.

Сигналы, прошедшие на выходы Л и П, являются приемными сигналами сквозных, чисто фазовых, моноимпульсных каналов, левого и правого, в которых формируются две одинаковые диаграммы направленности с разнесенными фазовыми центрами.

Приемные сигналы высокой частоты преобразуются в сигналы промежуточной частоты смесителями 15, 16 и гетеродином 17, усиливаются усилителями 18, 19 и поступают на фазовый детектор 20.

Связь выходов гетеродина 17 со смесителями производится через управляемые фазовращатели 13, 14, с помощью которых выравниваются фазы в моноимпульсных каналах.

Процесс выравнивания фаз аналогичен этому процессу в МРЛ - прототипе. Напряжение на выходе фазового детектора 20 зависит от утла прихода сигнала. Это напряжение поступает на информационный вход (и) узла АПФ 21, на стробирующий вход которого (с) поступает сигнал с выхода формирователя строба 22 КО 23. В узле АПФ 21 по измеренному выходному напряжению фазового детектора 21, известным пеленгационной характеристике и угловому положению антенны определяется азимут КО, сравнение которого с истинным значением позволяет определить ошибку измерения, которая пропорциональна фазовой ошибке в сквозных моноимпульсных трактах. Сигнал ошибки измерения с выхода АПФ 21 управляет фазовращателями 13 и 14, компенсирующими фазовую ошибку в сквозных трактах.

Сигналы подавления в режиме приема формируются аналогично режиму передачи.

Таким образом, в заявляемом МРЛ, в отличие от МРЛ - прототипа, осуществляется формирование не только диаграмм направленности левого и правого каналов, имеющих разнесенные фазовые центры, и диаграмм подавления, но и формируются независимые передающая и приемная диаграммы обнаружения, использующие весь раскрыв антенны и имеющие фазовые центры, расположенные на оси антенны.

В результате заявленный МРЛ сохраняет свойства МРЛ - прототипа - в нем также используются однородные, чисто фазовые, сквозные моноимпульсные каналы, в которых с помощью внешнего контрольного сигнала осуществляется автоматическая подстройка фазы, что позволяет повысить точность измерения азимута.

В то же время в заявленном МРЛ реализовано новое свойство - в нем созданы передающий и приемный каналы обнаружения, характеристики которых совершенно не зависят от работоспособности моноимпульсных каналов.

Создание в заявляемом МРЛ независимых каналов обнаружения позволяет существенно повысить общую надежность и работоспособность МРЛ. При этом ухудшение фазовой стабильности приемных моноимпульсных трактов заявленного МРЛ не влияет на диаграммы обнаружения. Выход же из строя моноимпульсных каналов не приведет к отказу МРЛ, а лишь снижает точность измерения азимута и разрешающую способность.

Создание в МРЛ независимых каналов обнаружения позволяет также упростить аппаратуру.

К приемному моноимпульсному тракту заявленного МРЛ не предъявляется требований к локальной фазовой стабильности, что упрощает его конструкцию.

Благодаря независимости каналов обнаружения в заявленном МРЛ управляемые фазовращатели располагаются не в приемнопередающих каналах, а в выходных цепях гетеродина приемника, что позволяет упростить их конструкцию и схему управления. При этом потери в фазовращателях никак не влияют на дальность действия МРЛ.

Экспериментальный образец заявляемого устройства изготовлен на базе обзорного вторичного МРЛ - прототипа (фиг.1), в котором реализованы все предложенные в заявленном МРЛ (фиг.1а) функциональные связи. При этом элементы, участвующие в формировании суммарных диаграмм, - циркуляторы 24, 25, делители мощности 27, 28 и делитель-сумматор 26 выполнены на единой печатной подложке в виде законченной фазостабильной платы.

Проведенные испытания подтвердили полную независимость передающей и приемной диаграмм обнаружения от работоспособности моноимпульсных каналов. При нарушении работоспособности моноимпульсных каналов МРЛ продолжает работать как обычный (немоноимпульсный) радиолокатор.

Все остальные характеристики МРЛ сохранились такими же, как в прототипе.

Заявленный МРЛ соответствует требованиям и рекомендациям международной организации ICAO, обладает повышенными точностью и надежностью и может эффективно использоваться для управления воздушным движением.

Источники информации
1. А.И. Леонов, К.И. Фомичев. Многоимпульсная радиолокация. М., "Радио и связь", 1984 г.

2. Патент США 4994810, кл. G 01 S 13/44, опубл. 19.02.91, ИСМ 14, 1992 г.

3. Патент США 3883870, кл. G 01 S 13/40, опубл. 13.05.75 г.

4. Патент РФ 2122218, кл. G 01 S 13/44, опубл. 20.11.98, Бюллетень 32 1998 г.

5. Авт. свид СССР 1047292, кл. G 01 S 13/74 от 07.08.81.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в системах управления воздушным движением. Достигаемый технический результат - повышение надежности моноимпульсного радиолокатора (МРЛ) при одновременном упрощении конструкции, что обеспечивается путем формирования суммарных передающих и приемных диаграмм направленности с характеристиками, не зависящими от работоспособности моноимпульсных каналов, при сохранении однородных моноимпульсных каналов со сквозной автоматической подстройкой фазы (АПФ) по внешним контрольным сигналам. Указанный моноимпульсный радиолокатор содержит антенну 1, выполненную в виде двух идентичных каналов 2 и 3, расположенных симметрично относительно оси антенны, тракты высокой и промежуточной частоты 15-19, фазовый детектор 20, генератор контрольных сигналов в виде вынесенного контрольного ответчика 23, сигналы которого выделяются формирователем координатного строба 22, и узел АПФ 21, компенсирующий с помощью управляемых фазовращателей 15 и 16 фазовую ошибку в сквозных трактах, которая обнаруживается путем сравнения измеренного азимута контрольного ответчика с его известным истинным значением. С помощью введенных в каналы антенны циркуляторов 24, 25, соединенных с выходами антенны через делители мощности 27 и 28, и делителя-сумматора 26 осуществляется формирование независимых диаграмм обнаружения по передаче и приему. 2 ил.

Моноимпульсный радиолокатор, содержащий антенну, выполненную в виде двух идентичных каналов - левого и правого относительно направления излучения, с возможностью формирования двух одинаковых диаграмм направленности с разнесенными фазовыми центрами и диаграмм подавления боковых лепестков, при этом левый и правый каналы состоят из групп излучателей, расположенных симметрично относительно оси антенны, и центрального излучателя, расположенного на оси антенны и являющегося общим для обоих каналов, излучатели левого и правого каналов соответственно через первый и второй делители мощности соединены со входами первых плечей первого и второго направленных ответвителей, первый и второй равноплечные делители мощности, включенные боковыми выводами соответственно между входами и выходами вторых плечей направленных ответвителей, а центральными выводами подключенные соответственно к центральному излучателю и входу сигналов подавления боковых лепестков, а вне антенны содержащий первый и второй управляемые фазовращатели, первый и второй смесители, гетеродин, первый и второй усилители промежуточной частоты, входами соединенные с выходами соответствующих смесителей, а выходами подключенные ко входам фазового детектора, узел автоматической подстройки фазы, информационным входом подключенный к выходу фазового детектора, стробирующим входом соединенный с выходом формирователя строба контрольного ответчика, а первым и вторым выходами подключенный к входам соответственно первого и второго управляемых фазовращателей, контрольный ответчик, используемый в качестве генератора внешнего контрольного сигнала, отличающийся тем, что антенна выполнена с возможностью формирования независимых суммарных диаграмм направленности по передаче и приему путем введения в нее первого и второго циркуляторов, делителя-сумматора мощности, первого и второго выходных делителей мощности, при этом упомянутые циркуляторы подключены первыми выводами к боковым выводам делителя-сумматора мощности, центральный вывод которого является входом сигнала передатчика, вторыми выводами упомянутые циркуляторы подключены к выходам первых плеч соответственно первого и второго направленных ответвителей, третьим и четвертым выводами включены соответственно между центральными и первыми боковыми выводами первого и второго выходных делителей мощности, вторые боковые выводы которых подключены соответственно к выходам левого и правого каналов антенны, которые соединены соответственно с первыми входами первого и второго смесителей, вторые входы которых через первый и второй управляемые фазовращатели подключены к выходам гетеродина, причем центральный вывод делителя-сумматора мощности одновременно используется в качестве выхода суммарных приемных сигналов обнаружения.