СИСТЕМА АДАПТИВНОЙ КОМПЕНСАЦИИ РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРАСТА НАЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2003 года по МПК F41H3/00 G01S7/38 

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для защиты наземных металлических объектов от поражения боеприпасами с радиометрическими системами самонаведения путем адаптивной компенсации радиометрического (радиояркостного) контраста объекта на фоне подстилающей поверхности.

Известно, что в атмосферных окнах прозрачности 35, 95, 140 ГГц земля, растительность ведут себя как черное тело со степенью эмиссии (коэффициентом излучения), близкой к 1, в то время как металлические объекты имеют степень эмиссии, близкую к 0, и соответственно степень ремиссии (коэффициент отражения) около единицы.

При радиометрических измерениях сверху можно зафиксировать, что в ясный день от металлических объектов отражается микроволновое излучение неба с радиояркостной температурой около 30 К на частоте 35 ГГц. Подстилающая поверхность имеет уровень излучения, определяемый типом поверхности (лес, песок, пашня, бетон, луг и т.д.) и ее термодинамической температурой. Т.о., при радиометрических измерениях сверху металлические объекты на фоне подстилающей поверхности ведут себя как холодные тела в теплой окружающей среде, т.е. имеют отрицательный контраст /1, 2, 3, 4, 5/.

Это явление используется в снарядах, ракетах и различных боеприпасах для определения местоположения объекта и самонаведения на него.

Очевидно, что путем уменьшения поверхностного контраста объектов можно обеспечить его защиту от поражения снарядами и ракетами с радиометрическими головками самонаведения (ГСН).

Известна военная система радиопротиводействия для компенсации характерных признаков цели /6/.

Она содержит последовательно соединенные генератор, аттенюатор и антенну, а также устройство регулирования аттенюатора, управляемое компаратором, на один вход которого подаются сигналы, представляющие излучение ландшафта, а на второй вход - однажды заранее измеренные и записанные сигналы, соответствующие уровню излучения объекта, равного уровню излучения неба. Система предназначена для сглаживания радиояркостного контраста объекта путем установки выходной мощности генератора аттенюатором в соответствии с разницей между уровнями сигналов, поступающих на входы компаратора.

Недостатком данного устройства является низкая точность компенсации отрицательного контраста объекта, а также возможность его перекомпенсации.

Как следует из материалов патента /6/, в данном устройстве не производится измерений текущих значений излучения неба. Для вычисления контраста объекта используются ранее измеренные значения излучения неба при ясной погоде. Это приведет к перекомпенсации контраста объекта, поскольку радиояркостная температура неба в зависимости от погодных условий изменяется в значительных пределах. Так, на частоте 35 ГГц при ясной погоде она составляет 25 К, при пасмурной - 65 К, при умеренном дожде - 130 К /2, 3/.

Еще одним недостатком данного устройства является несоответствие структуры сигналов, излучаемых генератором, и структуры сигналов от подстилающей поверхности. Последний представляет собой широкополосный шум, а из материалов патента можно сделать вывод, что генератор излучает либо монохроматический сигнал с изменяющейся частотой, либо узкополосный шум с изменяющейся средней частотой. Спектральные различия сигналов могут быть использованы для выявления действия помехи и ее нейтрализации.

Известно также устройство для выравнивания собственного излучения металлического объекта до излучения окружающей среды с помощью активных излучателей широкополосного шумового сигнала /7/. Оно наиболее близко по технической сущности к заявляемому и принято в качестве прототипа.

Прототип содержит последовательно соединенные генератор шума, управляемый аттенюатор и передающую всенаправленную антенну, а также устройство управления и два сенсора в виде радиометров, состоящих из радиометрического приемника и приемной антенны каждый, причем выходы сенсоров подключены по входу устройства управления, выход которого подключен к управляющему входу аттенюатора.

В данном устройстве структура излучаемого сигнала соответствует структуре сигналов от подстилающей поверхности и объекта, поскольку излучается широкополосный шум.

Также производится оперативное измерение уровня излучения неба (соответствующего излучению объекта) и уровня фона и вычисление текущего значения радиометрического контраста объекта. Однако для измерения радиояркостной температуры неба и подстилающей поверхности используются разные измерители (радиометры), характеристики которых не могут быть полностью идентичными в нормальных условиях, тем более в условиях воздействия дестабилизирующих факторов (нестабильность источников питания, изменение температуры и т.д.).

Величина нескомпенсированного радиометрического контраста объекта остается достаточной для обнаружения защищаемого объекта на фоне подстилающей поверхности ГСН снарядов и ракет. Радиометрические системы наведения обладают высокой чувствительностью и разрешающей способностью и позволяют выделить объект при малой величине радиояркостного контраста объекта. В то же время величина нескомпенсированного контраста может достигать 40-100 К, что вполне достаточно для обнаружения объекта /5/.

Задачей данного изобретения является повышение точности компенсации радиометрического контраста объекта на фоне подстилающей поверхности.

Данная задача решается тем, что в систему адаптивной компенсации радиометрического контраста наземных объектов, содержащую две приемные антенны, радиометрический приемник (РМ), передающую антенну, последовательно соединенные генератор шума и регулируемый аттенюатор, дополнительно введены два электрически управляемых переключателя, делитель мощности, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), запоминающее устройство (ЗУ), вычислительное устройство (ВУ), устройство сравнения (УС), формирователь сигналов (ФС), блок синхронизации, при этом первая антенна соединена с первым входом, а вторая антенна - со вторым входом первого переключателя, его выход соединен с первым входом второго переключателя, второй вход которого соединен с первым выходом делителя мощности, второй выход делителя мощности соединен с передающей антенной, вход делителя мощности соединен с выходом регулируемого аттенюатора, выход второго переключателя соединен с входом радиометрического приемника, выход которого соединен с сигнальным входом АЦП, выход АЦП соединен с первым входом запоминающего устройства и первым входом устройства сравнения. Запоминающее устройство соединено прямой связью со вторым входом устройства сравнения, а также прямой и обратной связью - с вычислительным устройством, устройство сравнения соединено прямой связью с формирователем сигналов, который соединен прямой связью с ЦАП, выход ЦАП соединен с управляющим входом регулируемого аттенюатора, блок синхронизации соединен прямыми связями с АЦП, запоминающим устройством, формирователем сигналов, управляющими входами первого и второго переключателей.

Заявляемая система свободна от недостатков, присущих прототипу, поскольку:
- измерения уровней излучения земли, неба и выходной мощности генератора шума производятся одним измерителем (радиометрическим приемником), т.о. исключаются ошибки за счет неидентичности характеристик различных каналов;
- введена цепь обратной связи, позволяющая автоматически минимизировать величину нескомпенсированного контраста объекта на фоне подстилающей поверхности путем сопоставления величины компенсируемого контраста с фактическим уровнем мощности, излучаемой генератором шума.

Это обеспечивает более высокую точность компенсации радиометрического контраста на фоне подстилающей поверхности.

Изобретение поясняется чертежами:
фиг. 1 - структурная схема системы адаптивной компенсации радиометрического контраста наземных объектов;
фиг.2 - структурная схема блока синхронизации;
фиг.3 - временная диаграмма сигналов.

Система адаптивной компенсации радиометрического контраста наземных объектов содержит (фиг.1) первую приемную антенну 1, вторую приемную антенну 2, передающую антенну 3, генератор шума 4, электрически управляемые переключатели 5 и 6, делитель мощности 7, регулируемый аттенюатор 8, радиометрический приемник 9, блок синхронизации 10, формирователь сигналов 11, цифроаналоговый преобразователь 12, аналогово-цифровой преобразователь 13, запоминающее устройство 14, вычислительное устройство 15, устройство сравнения 16.

Приемная антенна 1 предназначена для приема излучений земли, а приемная антенна 2 - для приема излучений неба.

Передающая антенна 3 предназначена для излучения в верхнюю полусферу широкополосного шумового сигнала, формируемого генератором шума 4.

Делитель мощности 7 предназначен для ответвления части мощности излучаемого шумового сигнала и подачи его на вход 2 переключателя 6.

Переключатель 5 предназначен для попеременного подключения к входу 1 переключателя 6 антенн 1 и 2.

Переключатель 6 предназначен для подключения ко входу радиометрического приемника 9 выхода переключателя 5 или 1-го выхода делителя мощности 7.

Регулируемый аттенюатор 8 предназначен для регулировки мощности выходного шумового сигнала.

Радиометрический приемник 9 предназначен для усиления и детектирования входных сигналов.

АЦП 13 преобразует выходной сигнал РМ 9 в двоичный код.

Запоминающее устройство 14 предназначено для запоминания уровней сигналов, поступающих от антенн 1 и 2, а также результатов вычислений, произведенных вычислительным устройством 15.

Вычислительное устройство 15 предназначено для вычисления величины контраста объекта путем вычисления разности уровней сигналов от земли и неба, принятых антеннами 1 и 2 соответственно.

Устройство сравнения 16 предназначено для сравнения уровня излучаемого сигнала с величиной контраста объекта и выработки сигналов управления формирователем сигналов 11.

Формирователь сигналов 11 предназначен для выработки сигналов управления регулируемым аттенюатором 8.

ЦАП 12 предназначен для преобразования цифровых сигналов в аналоговые.

Блок синхронизации 10 предназначен для формирования циклически повторяющихся сигналов управления переключателями 5 и 6, ЗУ 14, АЦП 13, ФС 11, обеспечивающих работу системы на прием и излучение, а также для формирования тактовых импульсов, необходимых для работы АЦП 13 и ФС 11, ЗУ 14 и ЦАП 12.

Система работает в двух режимах:
- приема (измерение контраста объекта);
- излучения (компенсации контраста).

Суммарное время работы в режиме приема и излучения составляет полный цикл работы системы. Эти циклы непрерывно повторяются. Режим приема реализуется за два такта. В первом осуществляется прием излучений земли антенной 1. Во втором - прием излучений неба антенной 2. Время первого и второго тактов приема T₁ и Т₂, а также время излучения Т₃ выбираются исходя из условий использования системы.

При включении питания система начинает работу в режиме приема. Антенна 1 через переключатели 5 и 6 подключается ко входу радиометрического приемника 9. Сигналы с выхода РМ 9 преобразуются в двоичный код АЦП 13, и их уровень, соответствующий уровню излучения земли, запоминается в ЗУ 14. На этом такт работы на прием излучений земли заканчивается. За ним следует второй такт работы системы на прием. Блок синхронизации 10 подключает ко входу радиометрического приемника 9 антенну 2, принимающую излучения неба. Эти сигналы по той же цепи поступают в ЗУ 14. Сигналы, соответствующие уровню излучения земли и неба, поступают в ВУ 15, где производится вычисление их разности (контраста объекта). Эта величина записывается в ЗУ 14. После этого система переходит в режим излучения. По сигналу блока синхронизации 10 переключатель 6 подключает ко входу РМ 9 первый выход делителя мощности 7. Сигнал через РМ 9 и АЦП 13 поступает на первый вход устройства сравнения 16. На второй вход его поступают сигналы с выхода ЗУ 14, соответствующие величине контраста объекта. УС 16 вырабатывает сигналы управления, поступающие в формирователь сигналов 11, который по ним вырабатывает сигналы управления регулируемым аттенюатором 8. Эти сигналы через ЦАП 12 поступают на управляющий вход регулируемого аттенюатора 8. В режиме приема регулируемый аттенюатор 8 находится в положении максимального затухания. По сигналам УС 16 формирователь 11 уменьшает затухание аттенюатора 8, выравнивая уровни сигналов на входах УС 16. Сигнал, определяющий время излучения, также вырабатывается блоком синхронизации 10. По окончании времени излучения блок синхронизации 10 устанавливает АЦП 13, ЗУ 14, ФС 11 в исходное состояние и начинается новый цикл работы системы.

Система адаптивной компенсации радиометрического контраста реализуется известными способами на основе выпускаемых промышленностью узлов и устройств.

Переключатели СВЧ 5 и 6 реализуются на р - i - n диодах. Работа их описывается таблицей истинности.

Такие переключатели выпускаются промышленностью /8/.

Запоминающее устройство 14, вычислительное устройство 15, формирователь сигналов 11 и блок синхронизации 10 реализуются на известных элементах цифровой схемотехники /9, 10/.

Вычислительное устройство 15 может быть реализовано на полувычитателях, полных вычитателях, полусумматорах и т.д.

Устройство сравнения 16 реализуется, например, на цифровом компараторе. Он производит сравнение двух сигналов и вырабатывает на выходе один из трех сигналов.

А₌ - когда уровни сигналов на входах 1 и 2 равны;
A_< - когда сигнал на входе 1 меньше сигнала на входе 2;
А_>> - когда сигнал на входе 1 больше сигнала на входе 2.

Формирователь сигналов 11 может быть реализован на основе реверсивного счетчика и схемы "И-НЕ". В исходном состоянии на выходах счетчика во всех разрядах устанавливаются единицы. Этим обеспечивается максимальное затухание регулируемого аттенюатора 8. На входы счетчика, определяющие направление счета, подаются с компаратора сигналы A_< и А_>>. На счетный вход подаются тактовые импульсы через схему "И-НЕ" с выхода блока синхронизации 10.

При поступлении с компаратора сигнала A_< счетчик считает в обратном направлении, уменьшая затухание аттенюатора 8. При сигнале А_>> счетчик считает в прямом направлении, увеличивая затухание аттенюатора, чем исключается перекомпенсация контраста объекта. При равенстве сигналов на входах компаратора вырабатываемый на его выходе сигнал А₌ блокирует прохождение сигналов тактовых импульсов через схему "И-НЕ", и счетчик останавливается.

Запоминающее устройство 14 может быть реализовано на трех регистрах, в один из которых записываются сигналы излучения земли, во второй - сигналы, соответствующие излучению неба, а в третий - результат вычисления контраста объекта вычислительным устройством 15. Первый и второй регистры подключаются параллельно к выходу АЦП 13. Регистры управляются блоком синхронизации 10.

Вариант реализации блока синхронизации 10 для случая T₁=T₂=Т₃ и временная диаграмма сигналов представлены на фиг.2 и 3.

На фиг.2 обозначено:
17 - генератор тактовых импульсов (ГТИ);
18 - делитель частоты (ДЧ);
19 - распределитель тактов (РТ).

ГТИ формирует тактовые импульсы. ДЧ делит их частоту следования с заданным коэффициентом деления.

Тактовые импульсы с выхода 1 обеспечивают работу АЦП 13, ЗУ 14, ФС 11, ЦАП 12.

На выходах "а", "b", "с" РТ последовательно формируются сигналы, определяющие время работы системы на прием и передачу. Сигналы на выходе "а" соответствуют тактам приема излучений земли, а на выходе "b" - тактам приема излучений неба. Сигналы на выходе "с" соответствуют времени работы системы на излучение.

Все другие сигналы, которые могут потребоваться для синхронизации работы устройств системы, могут быть сформированы из сигналов ДЧ (выход 2) и сигналов РТ (с выходов "а", "b", "с"), представленных на фиг.3, с помощью известных элементов цифровой схемотехники /9, 10/.

ЛИТЕРАТУРА
1. "Weather Affects Missile Guidance Systems", "Microwaves", September 1977, 62-102.

2. J. Hank Rainwater. "Radiometers Electronic E - yes That "See" Noise". Microwaves, Sep. 1978, pp.58-62.

3. J.M. Schuchardt, J.M. Newton, T.P. Morton, J.A. Gagliano. "The coming of mm - wave Forward Looking Imaging Radiometers". Microwave Journal, vol. 24, 6, June 1981, pp.45-62.

4. Андреев Г. А., Гладышев Г.А., Станкевич O.K. Радиолокационные контрасты природных образований на MM-волнах. - Радиотехника и электроника, 1998, т. 43, 5, с. 552-558.

5. Быстров Р.П., Краснянский А.Д., Новиков С.С. Пассивные радиолокационные системы скрытного обнаружения наземных объектов. - Электромагнитные волны и электронные системы, 1, т. 1, 1996, с. 64-71.

6. Патент США 4743904, G 01 S 7/38, F 41 H 3/00, F 41 J 9/13, публикация 05.10.88.

7. Патент Германии 2848072, F 41 H 3/00, G 01 S 7/38, публикация 14.05.80.

8. Б.И.Кочемасов. Зарубежные радиокомпоненты: (Обзор каталогов зарубежных фирм): Справ. ЗАО "Иформсвязьиздат", М., 1998, с.80.

9. Р. Токхейм. Основы цифровой электроники, М., "Мир", 1988.

10. Е.Л.Угрюмов. Цифровая схемотехника. С.-Петербург, 2000.

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для защиты наземных металлических объектов от поражения боеприпасами с радиометрическими системами самонаведения путем адаптивной компенсации радиометрического (радиояркостного) контраста объекта на фоне подстилающей поверхности. В состав системы входят две приемные антенны, передающая антенна, радиометрический приемник, генератор шума, делитель мощности, регулируемый аттенюатор, два электрически управляемых переключателя, запоминающее устройство, вычислительное устройство, устройство сравнения, аналого-цифровое устройство, цифроаналоговое устройство, формирователь сигналов и блок синхронизации. Построение системы предусматривает прием излучений неба и земли (подстилающей поверхности), вычисление радиометрического контраста, сравнение контраста с сигналом, формируемым генератором шума. В результате сравнения вырабатывается сигнал управления уровнем излучаемой мощности. Изобретение позволяет повысить точность компенсации радиометрического контраста объекта на фоне подстилающей поверхности. 3 ил., 1 табл.

Система адаптивной компенсации радиометрического контраста наземных объектов, содержащая две приемные антенны, радиометрический приемник, передающую антенну, последовательно соединенные генератор шума и регулируемый аттенюатор, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены два электрически управляемых переключателя, делитель мощности, аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, запоминающее устройство, вычислительное устройство, устройство сравнения, формирователь сигналов, блок синхронизации, при этом первая антенна соединена с первым входом, а вторая антенна - со вторым входом первого переключателя, а его выход соединен с первым входом второго переключателя, второй вход которого соединен с первым выходом делителя мощности, второй выход делителя мощности соединен с передающей антенной, вход делителя мощности соединен с выходом регулируемого аттенюатора, выход второго переключателя соединен с входом радиометрического приемника, выход которого соединен с сигнальным входом аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом запоминающего устройства и первым входом устройства сравнения, запоминающее устройство соединено прямой связью со вторым входом устройства сравнения, а также прямой и обратной связью - с вычислительным устройством, устройство сравнения соединено прямой связью с формирователем сигналов, который соединен прямой связью с цифроаналоговым преобразователем, выход цифроаналогового преобразователя соединен с управляющим входом регулируемого аттенюатора, блок синхронизации соединен прямыми связями с аналого-цифровым преобразователем, запоминающим устройством, формирователем сигналов, управляющими входами первого и второго переключателей.