ВЕРТОЛЕТНАЯ РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01S13/04 

Предлагаемая станция относится к радиолокационной технике, а именно к вертолетным радиолокационным станциям с синтезированной апертурой, предназначенным для обнаружения и определения координат объектов, расположенных под поверхностью земли, снегового или ледового покрова, а также для определения координат течи в подземных трубопроводах систем нефтеперекачки, тепло- и водоснабжения.

Известны вертолетные радиолокационные станции (авт. свид. 1109700, 1810859; патенты США 3550130, 3778835; патенты Франции 1502412, 2060261; Грибанов А. С. Радиоэлектронные средства наблюдения, размещаемые на вертолетах. Зарубежная радиоэлектроника, 1991, 12, с. 15-33 и другие).

Из известных станций наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является "Вертолетная радиолокационная станция" (авт. свид. 1810859, G 01 S 13/04, 1991), которая и выбрана в качестве прототипа.

Устройство указанной вертолетной радиолокационной станции с синтезированной апертурой позволяет обнаружить и определить координаты объектов, расположенных под подстилающей поверхностью земли, снегового или ледового покровов снегового или ледового покровов с высокой угловой разрешающей способностью. При этом одновременно по цвету изображения можно судить о глубине расположения объектов под поверхностью земли.

Однако базовая станция не обеспечивает возможности для точного и однозначного определения координат течи в подземных трубопроводах систем нефтеперекачки, тепло- и водоснабжения.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей станции путем точного и однозначного определения координат течи в подземных трубопроводах.

Поставленная задача решается тем, что в вертолетной радиолокационной станции, содержащей четыре канала, каждый из которых состоит из последовательно включенных передатчика, синхронизирующий вход которого соединен с выходом синхронизатора, антенного переключателя, вход-выход которого соединен с антенной, а управляющий вход соединен с выходом переключателя сектора обзора, приемника, управляющий вход которого через генератор строб-импульсов соединен с выходом синхронизатора, и блока обработки, синхронизирующий вход которого соединен с выходом синхронизатора, а выход подключен к соответствующему входу индикатора, синхронизирующий вход которого соединен с выходом синхронизатора, каждый канал снабжен блоком регулируемой задержки, коррелятором, измерительным прибором, экстремальным регулятором, указателем глубины залегания трубопровода, фазометром и блоком регистрации, причем каждый передатчик выполнен в виде последовательно включенных генератора высокой частоты и фазового манипулятора, второй вход которого соединен с первым выходом генератора модулирующего кода, а выход является выходом передатчика, каждый приемник выполнен в виде последовательно подключенных к выходу антенного переключателя первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра, фильтра нижних частот, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом антенного переключателя, узкополосного фильтра, выход которого является первым выходом приемника и ключа, второй вход которого через триггер соединен с вторым выходом генератора модулирующего кода и первым выходом указателя глубины залегания трубопровода, а выход является вторым выходом приемника, к второму выходу генератора модулирующего кода последовательно подключены блок регулируемой задержки, коррелятор, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, измерительный прибор, экстремальный регулятор и указатель глубины залегания трубопровода, второй выход которого соединен с вторым входом блока регулируемой задержки, к второму выходу генератора высокой частоты последовательно подключены фазометр, второй вход которого соединен с выходом ключа, и блок регистрации.

Структурная схема предлагаемой вертолетной радиолокационной станции представлена на фиг.1. Взаимное расположение антенн на вертолете представлено на фиг.2. Структурная схема пятого приемника изображена на фиг.3. В табл. 1-3 представлены характеристики проникновения радиоволн вертолетной радиолокационной станции.

Вертолетная радиолокационная станция содержит четыре канала, каждый из которых состоит из последовательно включенных передатчики 2.1 (2.2, 2.3, 2.4), синхронизирующий вход которого соединен с выходом синхронизатора 1, антенного переключателя 3.1 (3.2, 3.3, 3.4), вход-выход которого соединен с антенной 4.1 (4.2, 4.3, 4.4), а управляющий вход соединен с выходом переключателя 5 сектора обзора, приемника 6.1 (6.2, 6.3, 6.4), управляющий вход которого через генератор 7 строб-импульсов соединен с выходом синхронизатора 1, и блока 8.1 (8.2, 8.3, 8.4) обработки, синхронизирующий вход которого соединен с выходом синхронизатора 1, а выход подключен к соответствующему входу индикатора 9, синхронизирующий вход которого соединен с выходом синхронизатора 1. Каждый передатчик выполнен в виде последовательно включенных генератора 10.1 (10.2, 10.3, 10.4) высокой частоты и фазового манипулятора 12.1 (12.2, 12.3, 12.4), второй вход которого соединен с первым выходом генератора 11.1 (11.2, 11.3, 11.4) модулирующего кода, а выход является выходом передатчика. Каждый приемник 6.1 (6.2, 6.3, 6.4) выполнен в виде последовательно подключенных к выходу антенного переключателя 3.1 (3.2, 3.3, 3.4) первого перемножителя 20.1 (20.2, 20.3, 20.4), второй вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра 23.1 (23.2, 23.3, 23.4), второй вход которого соединен с выходом антенного переключателя 3.1 (3.2, 3.3, 3.4), узкополосного фильтра 23.1 (23.2, 23.3, 23.4), выход которого является первым выходом приемника, и ключа 25.1 (25.2, 25.3, 25.4), второй вход которого через триггер 24.1 (24.2, 24.3, 24.4) соединен с вторым выходом генератора 11.1 (11.2, 11.3, 11.4) модулирующего кода и первым выходом указателя 17.1 (17.2, 17.3, 17.4) глубины залегания трубопровода, а выход является вторым выходом приемника 6.1 (6.2, 6.3, 6.4). К второму входу генератора 11.1 (11.2, 11.3, 11.4) модулирующего кода последовательно подключены блок 13.1 (13.2, 13.3, 13.4) регулируемой задержки, коррелятор 14.1 (14.2, 14.3, 14.4), второй вход которого соединен с выходом фильтра 21.1 (21.2, 21.3, 21.4) нижних частот, измерительный прибор 15.1 (15.2, 15.3, 15.4), экстремальный регулятор 16.1 (16.2, 16.3, 16.4) и указатель 17.1 (17.2, 17.3, 17.4) глубины залегания трубопровода, второй выход которого соединен с вторым входом блока 13.1 (13.2, 13.3, 13.4) регулируемой задержки. К второму выходу генератора 10.1 (10.2, 10.3, 10.4) высокой частоты последовательно подключены фазометр 18.1 (18.2, 18.3, 18.4), второй вход которого соединен с выходом ключа 25.1 (25.2, 25.3, 25.4), и блок 19.1 (19.2, 19.3, 19.4) регистрации. Вертолетная радиолокационная станция работает следующим образом. Вырабатываемые в синхронизаторе 1 импульсы запускают четыре передатчика 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 и управляют четырьмя блоками 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 обработки сигналов. Импульс синхронизатора так же управляет работой генератора 7 стробирующего импульса и цветного индикатора 9. Генератор 7 стробирующего импульса вырабатывает импульс, положение которого во времени и длительность определяют положение и протяженность наблюдаемого элемента земной поверхности по дальности. Этот импульс и подается на блоки обработки 8.1 (8.2, 8.3, 8.4).

Каждый передатчик работает на своей длине волны, которая определяет глубину проникновения электромагнитного излучения под подстилающую поверхность.

Работу вертолетной радиолокационной станции рассмотрим на примере первого канала, передатчик 2.1 которого выполнен в виде последовательно включенных генератора 10.1 высокой частоты и фазового манипулятора 12.1, второй вход которого соединен с первым выходом генератора 11.1 модулирующего кода.

Генератор 10.1 высокой частоты формирует гармоническое напряжение (фиг. 3,а)
U_c(t) = V_c•cos(ω_ct+ϕ_c),
0≤t≤T_c,
где V_c, ω_c, ϕ_c, T_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность напряжения, которое поступает на первый вход фазового манипулятора 12.1, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) (фиг.3,б) с выхода генератора 11.1. На выходе фазового манипулятора 12.1 образуется фазоманипулированный (ФМн) сигнал (фиг.3,в)
U₁(t) = V_c•cos[ω_ct+ϕ_k(t)+ϕ_c],
0≤t≤T_c,
где ϕ_к(t) = {O, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем ϕ_к(t) = const при Kτ_э<t<(K+1)τ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (К= 1, 2,..., N-1); τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_с(Т_с=Nτ_э), который через антенный переключатель 3.1 излучается антенной 4.1 в направлении подстилающей поверхности. При достижении ФМн-сигналом U₁(t) трубопровода 26, находящегося под слоем грунта 25, происходит его частичное отражение в сторону поверхности земли (точка А).

Отраженный ФМн-сигнал (фиг.3.г)

0≤t≤T_c,
где - время запаздывания отраженного от трубопровода сигнала по отношению к зондирующему сигналу; Н - высота полета вертолета (определяется бортовыми приборами); h - глубина залегания трубопровода; - скорость распространения сигнала в грунте; С - скорость распространения радиоволны; ε - диэлектрическая проницаемость грунта, улавливается антенной 4.1 и через антенный переключатель 3.1 поступает на входы перемножителей 20.1 и 22.1. На второй вход перемножителя 20.1 с выхода узкополосного фильтра 23.1 подается опорное напряжение (фиг.3,д)
U₀(t) = V₀•cos(ω_ct+ϕ₂).
В результате перемножения указанных сигналов образуется результирующее напряжение

где V₁=1/2K₁•V_c•V₀; K₁ - коэффициент передачи перемножителя.

Аналог модулирующего кода (фиг.3,е)
U₃(t) = V₁•cosϕ_k(t-τ_T)
выделяется фильтром 21.1 нижних частот и поступает на второй вход перемножителя 22.1, на выходе которого образуется гармоническое напряжение (фиг.3,д)
0≤t≤T_c,
где V₃=1/2K₁•V₁•V₂; V₀=2V₃.

Данное напряжение выделяется узкополосным фильтром 23.1 и подается на второй вход перемножителя 20.1.

На границе раздела воздух-грунт, характеризующийся скачком относительной диэлектрической проницаемости и удельного затухания, формируется отраженный сигнал (S₂), который также улавливается антенной 4.1. Это обстоятельство снижает точность обнаружения трубопровода 26 в грунте 25 и разрешающую способность по глубине. Для устранения этого недостатка используются блок 13.1 регулируемой задержки, триггер 24.1 и ключ 25.1. Модулирующий код M(t) (фиг. 3, б) с второго выхода генератора 11.1 поступает на установочный вход триггера 24.1. Триггер 24.1 переводится в первое (нулевое) состояние, при котором на его выходе формируется отрицательное напряжение. Управляющий сигнал, задержанный на τ_г с первого выхода указателя 17.1 глубины залегания трубопровода поступает на второй вход триггера 24.1. Последний переводится во второе (единичное) состояние, при котором на его выходе формируется положительное напряжение. Это напряжение поступает на управляющий вход ключа 25.1 и открывает его. В исходном состоянии ключ 25.1 всегда закрыт. Указатель 17.1 глубины залегания трубопровода обеспечивает устранение влияния сигналов, отраженных от границы раздела воздух - грунт и от слоев грунта с различной глубиной залегания.

Сигналы, отраженные от различных слоев грунта и от различных объектов, находящихся в грунте, обрабатываются в блоке 8.1 обработки по алгоритму синтезирования апертуры. В этом же блоке учитывается эффект изменения дальности от антенны 4.1 до цели, вызванный перемещением антенны 4.1 по окружности в процессе синтезирования. В блоке 8.1 обработки обрабатываются сигналы, принятые только с определенного участка дальности, положение и протяженность которого определяются стробирующим импульсом, подаваемым с генератора 7 стробирующего импульса. С блока 8.1 обработки сигналы поступают на индикатор 9 с цветовым изображением, причем сигналы с каждого блока 8.1-8.4 обработки соответствуют изображению в определенном цвете.

Для определения места течи в подземном трубопроводе 26 создается электромагнитное зондирование грунта 25 вдоль трассы трубопровода, а в качестве параметра электромагнитного поля используется сдвиг фаз между излучаемым в грунт и отраженным от трубопровода 26 ФМн-сигналами. При этом следует отметить, что измеряемый фазовый сдвиг может превышать 360^o, что приводит к неоднозначности фазовых измерений. Для того, чтобы фазовые скачки в ФМн-сигналах не влияли на фазовые измерения фазовый сдвиг измеряют между напряжением U_c(t) высокой частоты генератора 10.1 и опорным напряжением U₀(t), выделенным из отраженного ФМн-сигнала.

Для точного и однозначного измерения фазового сдвига ΔФ между указанными напряжениями
ΔФ = 2π(K+p),
где К - целое число фазовых циклов в 2π; р - дробная часть последнего фазового цикла; используются две шкалы: временная и фазовая. При этом временная шкала измерений, формируемая корреляционной обработкой зондирующего и отраженного фазоманипулированных сигналов, является грубой, но однозначной шкалой измерения фазового сдвига
ΔФ = 2πK.
Фазовая шкала измерений является точной, но неоднозначной шкалой измерения дробной части последнего фазового цикла
Δϕ = 2πp.
Опорное напряжение U₀(t) (фиг.3,д) с выхода узкополосного фильтра 23.1 через открытый ключ 25.1 поступает на второй вход фазометра 18.1, на первый вход которого подается гармоническое напряжение U_c(t) (фиг.3,а) с второго выхода генератора 10.1 высокой частоты. Фазометр 18.1 измеряет фазовый сдвиг Δϕ = ϕ_c-ϕ_г, который регистрируется блоком 19.1 регистрации. Так формируется фазовая шкала измерений фазового сдвига.

Модулирующий код M(t) (фиг.3,б) с второго выхода генератора 11.1 модулирующего кода через блок 13.1 регулируемой задержки поступает на первый вход коррелятора 14.1, на второй вход которого подается аналог модулирующего кода U₃(t) (фиг.3,е). Получаемая на выходе коррелятора 14.1 корреляционная функция R(τ) поддерживается с помощью экстремального регулятора 16.1, воздействующего на блок 13.1 регулируемой задержки. Шкала блока 13.1 регулируемой задержки (указатель 17.1 глубины залегания трубопровода Н+h) градуируется непосредственно в значениях дальности, так формируется временная шкала измерений фазового сдвига.

Измеряемый сдвиг фаз
ΔФ = 2π(K+p)
определяется частотой ω_c зондирующего сигнала, расстоянием от антенны 4.1 до трубопровода 26 (Н+h) и электрическими параметрами грунта 25. Этот сдвиг фаз остается неизменным при зондировании грунта над неповрежденными участками трубопровода 26, поскольку все определяющие его величины остаются постоянными.

При зондировании грунта над поврежденным участком 27 трубопровода 26 (точка В), как излучаемый в грунт ФМн-сигнал, так и отраженный от трубопровода 26 ФМн-сигнал частично проводят по влажному слою 28 грунта 25, образованному при вытекании жидкости из контролируемого трубопровода 26. При прохождении электромагнитной волны по влажному грунту, имеющему отличные от сухого грунта электрические параметры (большую проводимость и диэлектрическую проницаемость), изменяется фазовая скорость распространения волны. Это приводит к изменению сдвига фаз ΔФ, которое регистрируется блоком 19.1 регистрации и указателем 17.1 глубины залегания трубопровода, и по которому судят о наличии течи на участке трубопровода 26, расположенным над точкой R.

Применение вертолетной радиолокационной станции облегчает нахождение с борта вертолета трассы подземного трубопровода, так как при отклонении в сторону от трассы будет зафиксировано отсутствие отраженного ФМн-сигнала.

Каждая антенна, расположенная на конце вращающейся лопасти, подключается к своему передатчику и приемнику только в момент прохождения определенного заранее установленного сектора обзора. Это осуществляется с помощью переключателя 5 сектора обзора, который представляет собой электрический контакт, выполненный в виде четырех щеток, расположенных под соответствующими лопастями, перемещающихся в процессе вращения по неподвижному токопроводящему сегменту, который в свою очередь может устанавливаться в фиксированном положении вокруг оси винта. Каждый передатчик и приемник подключаются к антенне только в период прохождения соответствующей щетки по сегменту. Положение сегмента определяет положение сектора обзора в пространстве.

Следовательно, на четырехцветном индикаторе 9 можно наблюдать послойное изображение подповерхностной структуры и расположенные в этой структуре объекты с высокой угловой разрешающей способностью. Причем цвет изображения объектов определяется их глубиной, которая увеличивается с увеличением длины рабочей волны (см. табл.1).

Использование вертолетной радиолокационной станции с синтезированной апертурой с антеннами, расположенными на концах вращающихся лопастей несущего винта и работающих на разных частотах позволяет получить результаты, недостижимые в обычных вертолетных радиолокационных станциях с синтезированной апертурой, с одной антенной, расположенной на конце вращающейся лопасти при работе на одной частоте.

Анализ возможностей использования предлагаемой радиолокационной станции на существующих вертолетах типа МИ-6, МИ-8, МИ-24, МИ-26 с длиной лопасти 10-20 м, числом оборотов винта 200 об/мин, позволяет получить следующие значения угловой разрешающей способности на разных глубинах, соответствующих длинам рабочих волн, значения которой при эффективной длине синтезированной апертуры 20 м приведены в табл.2
Для сравнения в табл.3 приведены значения угловой разрешающей способности при различных длинах волн, которые можно обеспечить без синтезирования при ширине лопасти d=600 мм (α = λ/d).
Совместное рассмотрение табл. 2 и 3 позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое устройство позволяет повысить угловую разрешающую способность при тех же длинах волн приблизительно в 100 раз.

Вертолетная радиолокационная станция с синтезированной апертурой позволяет обнаружить и определить координаты объектов, расположенных под подстилающей поверхностью земли, снегового или ледового покровов с высокой угловой разрешающей способностью. При этом одновременно по цвету изображения можно судить о глубине расположения объектов под поверхностью.

Предлагаемая вертолетная радиолокационная станция по сравнению с прототипом дополнительно обеспечивает точное и однозначное определение координат течи в подземных трубопроводах систем нефтеперекачки, тепло- и водоснабжения. Это достигается использованием в качестве измеряемого параметра фазового сдвига между зондирующим и отраженным от трубопровода сигналами и сложного фазоманипулированного сигнала, у которого произведение длительность T_c на ширину спектра Δf_с значительно превышает единицу (В=Т_c•Δf_c>>1, где В - база сигнала), а корреляционная функция R(τ) имеет один центральный лепесток, значительно превышающий уровень боковых лепестков, что дает большие преимущества в смысле повышения точности, увеличения глубинности, улучшения разрешающей способности, а также использованием двух шкал измерений: фазовой шкалы, которая является точной, но неоднозначной, и временной шкалы, которая является грубой, но однозначной и основана на корреляционной обработке зондирующего и отраженного ФМн-сигналов.

Тем самым функциональные возможности вертолетной радиолокационной станции расширены.

Предлагаемая вертолетная радиолокационная станция относится к радиолокационной технике, в частности к вертолетным радиолокационным станциям с синтезированной апертурой, предназначенной для обнаружения и определения координат объектов, расположенных под поверхностью земли, снегового или ледового покрова, а также для определения координат течи в подземных трубопроводах систем нефтеперекачки, тепло- и водоснабжения. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей радиолокационной станции путем точного и однозначного определения координат течи в подземных трубопроводах систем нефтеперекачки, тепло- и водоснабжения. Это достигается тем, что вертолетная радиолокационная станция содержит синхронизатор, передатчики, антенные переключатели, антенны, переключатель сектора обзора, приемники, генератор, строб-импульсов, блоки обработки, индикатор, генераторы, высокой частоты, фазовые манипуляторы, генераторы модулирующего кода, блоки регулируемой задержки, корреляторы, измерительные приборы, экстремальные регуляторы, указатели глубины залегания трубопровода, фазометры, блоки регистрации, перемножители, фильтры нижних частот, узкополосные фильтры, триггеры и ключи. 3 табл., 3 ил.

Вертолетная радиолокационная станция, содержащая синхронизатор, переключатель сектора обзора, генератор строб-импульсов и индикатор, а также содержащая четыре канала, каждый из которых состоит из последовательно включенных передатчика, синхронизирующий вход которого соединен с выходом синхронизатора, антенного переключателя, вход-выход которого соединен с антенной, а управляющий вход соединен с выходом переключателя сектора обзора, приемника, управляющий вход которого через генератор строб-импульсов соединен с выходом синхронизатора, и блока обработки, синхронизирующий вход которого соединен с выходом синхронизатора, а выход подключен к соответствующему входу индикатора, синхронизирующий вход которого соединен с выходом синхронизатора, отличающаяся тем, что каждый канал снабжен блоком регулируемой задержки, коррелятором, измерительным прибором, экстремальным регулятором, указателем глубины залегания трубопровода, фазометром и блоком регистрации, причем каждый передатчик выполнен в виде последовательно включенных генератора высокой частоты и фазового манипулятора, второй вход которого соединен с первым выходом генератора модулирующего кода, а выход является выходом передатчика, каждый приемник выполнен в виде последовательно подключенных к выходу антенного переключателя первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра, фильтра нижних частот, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом антенного переключателя, узкополосного фильтра, выход которого является первым выходом приемника, и ключа, второй вход которого через триггер соединен с вторым выходом генератора модулирующего кода и первым выходом указателя глубины залегания трубопровода, а выход является вторым выходом приемника, к второму выходу генератора модулирующего кода последовательно подключены блок регулируемой задержки, коррелятор, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, измерительный прибор, экстремальный регулятор и указатель глубины залегания трубопровода, второй выход которого соединен с вторым входом блока регулируемой задержки, к второму выходу генератора высокой частоты последовательно подключены фазометр, второй вход которого соединен с выходом ключа, и блок регистрации.