МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ РАДИОЛОКАТОР Российский патент 2006 года по МПК G01S13/56 G01S13/93 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиолокации, и может быть использовано для обзора передней полусферы и измерения высоты полета легких маневренных самолетов и вертолетов, имеющих минимум приборного оборудования. Также может быть использовано для предупреждения столкновений с другими летательными аппаратами, высоковольтными линиями электропередач, вышками, трубами и т.д.

Легкомоторная авиация (ЛА) - это вид авиации малого тоннажа (1-3 т) и пассажировместимости (4-12) человек, включая пилота. Этот вид авиации очень широко распространен в США, Канаде, Австралии и других странах, так, например, в США общее число легкомоторных самолетов достигает нескольких сот тысяч. В настоящее время легкомоторная авиация получает широкое распространение и в России, если ранее широко выпускался только один вид легкомоторного самолета (широкоизвестный Ан-2), то в настоящее время, почти все самолетостроительные фирмы выпускают легкомоторные самолеты, например Бе-103, Че-25 и др. Особенностью таких самолетов (включая зарубежные) является минимум приборного пилотажного оборудования: в основном это указатель скорости, приемник воздушного давления с датчиком угла атаки и скольжения, и высотомер, даже авиагоризонт ставится далеко не на всех типах, а радиолокатор не ставится нигде, по вполне понятным причинам, хотя необходимость и желательность его применения очевидна. С развитием микросхемотехники и микроволновой техники эта задача становится реальностью.

Следует также отметить, что в ЛА обычно применяются барометрические указатели высоты полета, что вполне достаточно при полетах на равнинной местности, но не в холмистой, тем более в горной, особенно в условиях плохой видимости. Желательно иметь радиовысотомер, но это, конечно, увеличение веса: вместе с индикатором, антеннами (передающей и приемной) даже при современном уровне микроэлектроники это ≈4 кГ, что далеко не всегда приемлемо.

Поэтому при наличии на борту радиолокатора напрашивается использовать синхронизирующую вычислительную и индикаторную часть обзорного радиолокатора для измерения и индикации высоты полета, антенная система радиовысотомера, конечно, будет отдельная. Это значительно уменьшит габаритно-массовые характеристики (ГМХ) радиовысотомера. Кроме того, себестоимость также значительно снизится.

Известен самолетный радиолокатор обзора передней полусферы и земной поверхности, который устанавливаются почти на всех средне и дальнемагистральных самолетах гражданской авиации СССР, России и СНГ, см. «Развитие авиационной науки и техники в СССР», М.: Наука, 1980 г., стр.386, 391. Этот радиолокатор, а точнее радиолокационный визир (РЛВ) «Гроза» служит для определения местоположения самолета относительно контрастных в радиолокационном отношении ориентиров и выявления безопасных проходов в грозовых фронтах.

При удачной конструкции и приемлемых тактико-технических характеристик этот РЛВ обладает также большими ГМХ и потребляемой мощностью, т.е. о применении его на самолетах легкомоторной авиации говорить не приходится.

Известны спутниковые системы навигации, т.е. определение местонахождения самолета в данный конкретный момент, показывающие географическую широту и долготу, также воздушную обстановку в радиусе 10-15 км от данного самолета, см. «Портативные приемники» в Интернете Garvin.ru, авиационные приемники, GPS 12 Pilot+.

При крайне малых ГМХ эта система обладает следующими недостатками:

- довольно дорогая, порядка нескольких тысяч долларов;

- не показывает (не сигнализирует) об опасном сближении с другим самолетом.

В настоящее время в тяжелой и средней (по тоннажу) авиации широко используется международная «Система предупреждения столкновений TCAS», которой пользуется почти вся мировая авиация, для предупреждения столкновений в воздухе и с земной поверхностью. Эта система довольно дорога, имеет довольно большие ГМХ, требует наличия двух выступающих антенн, не показывает радиолокационный рельеф земной поверхности, например земля/вода, не показывает наличие грозовых фронтов, требует оборудования всех самолетов активными ответчиками.

Известен радар (радиолокатор) CRS для вертолета боевой поддержки Longbow (Хью Кобра), который обладает следующими техническими характеристиками:

- дальность действия 8 км;

- ультракороткий диапазон;

- обнаружение и сопровождение воздушных целей в передней полусфере;

- радиолокационная обстановка земной поверхности (земля/вода);

- выдача информации на индикатор.

Недостатки: большие ГМХ: длина 175 см, диаметр 17,8 см, масса 49 кг. Находится на внешней подвеске на пилоне, отсюда излишнее лобовое сопротивление, а также функциональная избыточность для ЛА.

Известен «Моноимпульсный когерентный радиолокатор», см. патент РФ №2234714, в котором при минимальных ГМХ получены высокие технические характеристики, но нет радиовысотомера, т.е. недостаточно функционален - ПРОТОТИП.

Технической задачей изобретения является повышение безопасности полета легкомоторного самолета за счет:

- выдачи визуальной информации (отображение ее на экране индикатора) пилоту о воздушной и наземной радиолокационной обстановке в передней полусфере;

- выдача тревожной звуковой (речевой) и световой информации об опасном сближении с другим самолетом или высоким наземным препятствием (типа вышки, трубы, линии ЛЭП и др.);

- выдача на экране индикатора визуальной информации о высоте полета над рельефом местности, что особенно важно в горных условиях.

Для решения поставленной задачи предлагается многофункциональный радиолокатор, содержащий фазированную антенную решетку, опорный кварцевый генератор, импульсный усилитель мощности, антенный переключатель, малошумящий усилитель, видеодетектор, цифровое вычислительное устройство и жидкокристаллический индикатор, отличающийся тем, что в него дополнительно введены вторые опорный кварцевый генератор, импульсный усилитель мощности, антенный переключатель, фазированная антенная решетка, малошумящий усилитель и видеодетектор со следующими соединениями: выход цифрового вычислительного устройства через управляющие входы первого и второго усилителей мощности и через первый и второй антенные переключатели входом/выходом соединен с первой и второй фазированной антенной решеткой соответственно; выходы первого и второго антенного переключателя через первый и второй малошумящие усилители и видеодетектор соединены с цифровым вычислительном устройством, выход которого соединен с жидкокристаллическим индикатором, выход второго малошумящего усилителя и выход второго опорного кварцевого генератора дополнительно соединены с цифровым вычислительным устройством, первый и второй опорные кварцевые генераторы соединены с частотными входами первого и второго усилителей мощности соответственно; обе фазированные антенные решетки состоят из четырех диполей, расположенных ромбом, а точки возбуждения этих диполей соединены с выходами диаграммо-образующих схем антенных переключателей таким образом, что первый и второй диполи образуют линейку горизонтальной составляющей поляризации, а третий и четвертый - вертикальной; первая фазированная антенная решетка расположена в носовой части перпендикулярно продольной оси самолета, а вторая - под или за пассажирской кабиной параллельно горизонтальной плоскости самолета; жидкокристаллический индикатор имеет с края вертикальную ленточную шкалу, на которой высвечивается текущая высота полета, и сегментную шкалу, на которой высвечивается радиолокационная обстановка передней полусферы, причем сближение с самолетом или препятствием высвечивается яркостной отметкой цели красного цвета, а удаление - зеленого, также рядом или над яркостной отметкой высвечивается дальность до цели и скорость сближения или удаления.

На фиг.1 показана структурная схема многофункционального радиолокатора, на фиг.2 - панель ЖКИ с отметками высоты и целей, на фиг.3 - схема расположения диполей фазированных антенных решеток, на которых изображены: 1 и 2 - опорные кварцевые генераторы (ОКГ) (первый и второй соответственно), 3 и 4 усилители мощности, 5 и 6 - первый и второй антенные переключатели (АП) с диаграммо-образующими схемами, 7 и 8 - первый и второй малошумящие усилители (МШУ), 9 и 10 - первый и второй видеодетекторы (ВД), 11 - цифровое вычислительное устройство (ЦВУ), 12 - жидкокристаллический индикатор (ЖКИ), 13 и 14 - первая и вторая фазированные антенные решетки (ФАР).

Многофункциональный радиолокатор содержит фазированные антенные решетки 13 и 14, опорные кварцевые генераторы 1 и 2, импульсные усилители мощности 3 и 4, антенные переключатели 5 и 6, малошумящие усилители 7 и 8, видеодетекторы 9 и 10, цифровое вычислительное устройство 11, жидкокристаллический индикатор 12 со следующими соединениями: выход цифрового вычислительного устройства 11 через управляющие входы первого и второго усилителей мощности 3, 4 и через первый и второй антенные переключатели 5, 6 входом/выходом соединен с первой и второй фазированными антеннами решетками 13, 14 соответственно; выходы первого и второго антенных переключателей 5, 6 через первый и второй малошумящие усилители 7, 8 и видеодетекторы 9, 10 соединены с цифровым вычислительным устройством 11, выход которого соединен с жидкокристаллическим индикатором 12, выход второго малошумящего усилителя 8 и выход второго опорного кварцевого генератора 2 дополнительно соединены с цифровым вычислительным устройством 11, первый и второй опорные кварцевые генераторы 1, 2 соединены с частотными входами первого и второго усилителей мощности 3, 4 соответственно.

Указанные узлы и блоки многофункционального радиолокатора могут быть выполнены на следующих ЭРЭ и ИМС: ОКГ - по схеме, см. «Полупроводниковая схемотехника» У.Титце и К.Шенк, М.: Мир, 1982, стр.300-301; импульсные усилители мощности по схеме, см. «Радиоприемные устройства» под ред. Н.Н.Фомина, М, Р и С, 1996 г, стр.84; АП - см. «Антенны и устройства СВЧ» под ред. Д.И.Воскресенского, М.: Р и С, 1994, стр.329-333; ферритовые циркуляры 6 по схеме, см. «Антенны и устройства СВЧ» под ред. Д.И.Воскресенского, М.: Р и С, 1994, стр.329-333; МШУ - см. «Микроэлектронные устройства СВЧ» под ред. Г.Н.Веселова, М.: Высшая школа, 1988, стр. 173, 201; ВД - см. «Радиоприемные устройства» под ред. Н.Н.Фомина, М.: Р и С, 1996 г., стр.314; ЦВУ - это, например, микропроцессор фирмы Jntel 80C 188 ЕС-16, см. Каталог «Сектор электронных компонентов. Россия-99», М.: ДОДЕКА, 1999, стр.487; ЖКИ - фирмы POWERTYPPG-12864A 128×64 точки с подсветкой, см. Aktiv-Matrix-LCD's LDE052T-12 320×40 5,1 N 46029, TECHNISCHER KATALOG 96/97г., фирмы Setron, стр. 466 38032, Brauschweig, Germany; фазированные антенные решетки, см. патент РФ №2234714, усилители мощности 3 и 4, см. Справочник по радиолокации, т.4, под ред. М. Скольника, М.: Сов. Радио, 1978, стр.178.

Многофункциональный радиолокатор работает следующим образом. ЦВУ 11 определяет все временные соотношения радиолокатора в целом и его частот между собой. Подается сигнал на управляющие входы импульсных усилителей мощности 3 и 4, по которому на их выходах образуются радиоимпульсы с частотами заполнения f₁ и f₂ соответственно, которые через АП1 и АП2 поступают на первую 13 и вторую 14 антенны, где через диполи излучаются в пространство. Первая антенна 13 вместе с АП5, МШУ7, ВД9, ОКГ1 и импульсным усилителем мощности 3 образует тракт радиовысотомера, а вторая антенна 14 с АП5, МШУ 8, ВД 10 и импульсным усилителем мощности 4 образует дальномерный тракт. После излучения радиоимпульса в каждом тракте по сигналу ЦВУ 11 антенные переключатели 5 и 6 переключаются на прием. Отраженные радиоимпульсы от земной поверхности и от цели, например, встречного самолета принимаются антеннами 13 и 14 соответственно и через АП5 и АП поступают на МШУ 7 и МШУ 8 также соответственно, где усиливаются, затем детектируются на ВД 9 и ВД 10 и поступают на ЦВУ 11, где по известной формуле L=v·t/2 определяется расстояние до земной поверхности (высота) и до цели, а по эффекту Доплера определяется скорость сближения (в дальномерном тракте).

L - расстояние до земной поверхности (высота) и до цели в км;

V - скорость распространения радиоволн ≈300000 км/сек;

t - время между излучаемым и отраженным радиоимпульсами, в сек.

Обработанные импульсы поступают на ЖКИ 12, где высвечивается индикация: радиовысота в виде вертикального столбца с цифровой индикацией, а дальность до цели в виде яркостной отметки с указанием скорости сближения.

Данное построение радиолокатора и его конструктив позволяют минимизировать электронную схему и в небольших габаритах вычислительной части и индикатора, совместить измерение высоты и дальности. Фазированные антенные решетки 13 и 14 имеют каждая четыре дипольных излучателя, сами решетки имеют габариты 25×25×10 см, весом до 1 кг, что достаточно мало. При этом технические характеристики по результатам испытаний следующие.

Примерные данные предлагаемого радиолокатора следующие (при частоте излучения непосредственно радиолокатора 1,2-1,3 ГГц, радиовысотомера 4,2 ГГц): общий вес радиолокатора вместе с обеими антеннами не более 3 кг, дальность действия радиолокатора 12-15 км, определение высоты (Н) 50-500 м с погрешностью 0,01 Н, мощность в импульсе менее 100 Вт, τ имп = 100 мкс (с перестройкой по времени), частота повторения 10 кГц, ширина ДН 20°, общая ДН игольчатая не менее 5° по вертикали и горизонтали, число излучателей в каждой антенне (при приведенных данных) равно 4, сложение мощностей излучателей - пространственное.

Вес современных радиовысотомеров типа А-052, А-053 вместе с антеннами и индикатором составляет 3-4 кГ, что для ЛА великовато.

Построение же конструктива по предложенному способу, т.е. совмещение определения высоты и дальности с одним блоком управления, вычисления и индикации приводит к значительному снижению ГМХ при вполне удовлетворительных технических характеристиках. Данный конструктив радиолокатора позволяет оснастить ими большинство самолетов малой авиации, что значительно повысит безопасность полетов. Предлагаемый радиолокатор позволяет дополнительно отслеживать радиорельеф местности (суша/вода) и обнаруживать грозовые фронты, что еще более увеличивает комфортность управления.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиолокации, и может быть использовано для обзора передней полусферы, измерения высоты полета легких маневренных самолетов и вертолетов, имеющих минимум приборного оборудования, а также для предупреждения столкновений с другими летательными аппаратами, высоковольтными линиями электропередач, вышками, трубами и т.д. Техническим результатом является повышение безопасности полета легкомоторного самолета за счет радиолокатора, совмещающего функции непосредственно обзорного радиолокатора и радиовысотомера. Многофункциональный радиолокатор содержит фазированную антенную решетку, опорный кварцевый генератор, импульсный усилитель мощности, антенный переключатель, малошумящий усилитель, видеодетектор, цифровое вычислительное устройство и жидкокристаллический индикатор, при этом в него дополнительно введены вторые опорный кварцевый генератор, импульсный усилитель мощности, антенный переключатель, фазированная антенная решетка, малошумящий усилитель и видеодетектор. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Многофункциональный радиолокатор, содержащий фазированную антенную решетку, опорный кварцевый генератор, импульсный усилитель мощности, антенный переключатель, малошумящий усилитель, видеодетектор, цифровое вычислительное устройство и жидкокристаллический индикатор, отличающийся тем, что в него дополнительно введены вторые: опорный кварцевый генератор, импульсный усилитель мощности, антенный переключатель, фазированная антенная решетка, малошумящий усилитель и видеодетектор со следующими соединениями: выход цифрового вычислительного устройства через управляющие входы первого и второго усилителей мощности и через первый и второй антенные переключатели входом/выходом соединен с первой и второй фазированной антенной решеткой соответственно, выходы первого и второго антенного переключателя через первый и второй малошумящие усилители и видеодетектор соединены с цифровым вычислительным устройством, выход которого соединен с жидкокристаллическим индикатором, выход второго малошумящего усилителя и выход второго опорного кварцевого генератора дополнительно соединены с цифровым вычислительным устройством, первый и второй опорные кварцевые генераторы соединены с частотными входами первого и второго усилителей мощности соответственно.2. Многофункциональный радиолокатор по п.1, отличающийся тем, что обе фазированные антенные решетки состоят из четырех диполей, расположенных ромбом, а точки возбуждения этих диполей соединены с выходами диаграммообразующих схем антенных переключателей таким образом, что первый и второй диполи образуют линейку горизонтальной составляющей поляризации, а третий и четвертый - вертикальной.3. Многофункциональный радиолокатор по п.1, отличающийся тем, что первая фазированная антенная решетка расположена в носовой части перпендикулярно продольной оси самолета, а вторая - под или за пассажирской кабиной параллельно горизонтальной плоскости самолета.4. Многофункциональный радиолокатор по п.1, отличающийся тем, что жидкокристаллический индикатор имеет с краю вертикальную ленточную шкалу, на которой высвечивается текущая высота полета, и сегментную шкалу по центру, на которой высвечивается радиолокационная обстановка передней полусферы, причем сближение с самолетом или препятствием высвечивается яркостной отметкой цели красного цвета, а удаление - зеленого, также рядом или над яркостной отметкой высвечивается дальность до цели и скорость сближения или удаления.