СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗЫ РАДИОЛОКАЦИОННОГО СИГНАЛА Российский патент 2009 года по МПК G01S13/04 

Изобретение относится в области радиолокации и предназначено для измерений радиолокационных характеристик объектов, а именно для измерения фазы отраженных радиоволн.

Известно устройство для измерения «нелинейных» радиолокационных характеристик (RU пат. № 2265230, G01R 29/08, G01S 13/04, Бюл. № 33, от 27.11.2005). Это устройство содержит: задающий генератор, полосовой фильтр, передающую и приемную антенны, регистратор, последовательно соединенные усилитель, блок стабилизации частоты гетеродина и гетеродин. Между приемной антенной и регистратором последовательно включены разделитель поляризаций и два приемных параллельных канала. Каждый канал состоит из последовательно соединенных смесителя и усилителя приемного канала. Выходы усилителей присоединены к соответствующим входам регистратора, а вторые их выходы подключены к фазовому детектору, выход которого подключен к регистратору. Направленный ответвитель включен между задающим генератором и полосовым фильтром. К боковому выходу ответвителя последовательно присоединены усилитель и блок стабилизации частоты гетеродина. Передающая антенна выполнена с круговой поляризацией излучения. Два выхода гетеродина подключены к смесителям соответствующих приемных каналов, а третий выход - к блоку стабилизации частоты, а выход полосового фильтра подсоединен к передающей антенне. Известное устройство измеряет фазу между ортогональными составляющими отраженного сигнала и не позволяет измерять фазу отраженных радиоволн при излучении и приеме радиоволн одной поляризации.

Известен одноантенный измеритель обратного рассеяния и способ его работы, который принят за прототип изобретения (СССР авт. св. № 302810, H03J 5/00, Бюл. № 15, от 28.04.71.) Это устройство содержит: генератор, основной и опорный каналы, поляризатор, устройство разделения и регистрации падающих и рассеянных волн и приемопередающую антенну. Устройство разделения излучаемых антенной и рассеянных объектом измерения радиоволн выполнено в виде волноводного направленного разделителя поляризаций с основной линией квадратного или круглого сечения и с двумя боковыми линиями прямоугольного сечения. Широкие стенки боковых волноводов взаимно перпендикулярны. Измеритель обратного рассеяния предназначен для измерения комплексных элементов (амплитуд и фаз) матрицы рассеяния М объекта измерений при закреплении его на жесткой опоре.

где σ_yy, σ_хх и σ_yx, σ_xy - эффективные поверхности рассеяния объекта измерений при параллельном и ортогональном приеме рассеянных объектом радиоволн в выбранном поляризационном базисе;

φ_yy, φ_хх и φ_yx, φ_xy - фазы сигналов в регистраторе при параллельном и ортогональном приеме рассеянных объектом радиоволн.

Одноантенный измеритель позволяет измерять фазы рассеянных объектом радиоволн относительно фазы излучений генератора. При таких условиях объект измерения должен быть установлен на жесткой опоре и вращаться вокруг неподвижной оси, поэтому этот измеритель не может быть применен в условиях открытых полигонов, где объекты измерения крепятся на мягкой подвеске - стропах. Ось вращения объекта на мягкой подвеске во время измерения изменяет свое положение в пространстве относительно антенны измерителя, что приводит к невозможности измерения фаз с опорной фазой излучений генератора, из-за больших погрешностей, превышающих значения измеряемой величины.

Техническим результатом изобретения является измерение фазы радиоволн, отраженных от объекта измерения, закрепленного на мягкой подвеске, и увеличение точности измерения.

Изобретение поясняется чертежами, представленными на фиг.1 и 2.

Фиг.1. Блок-схема установки для реализации способа.

Фиг.2. Вырезка в металлическом корпусе объекта измерения с установленным преобразователем несущей частоты сигнала задающего генератора в его гармоники.

На фигурах введены обозначения: 1 - задающий генератор с несущей частотой сигнала f (Гf); 2 - направленный ответвитель (НО); 3 - приемопередающая антенна сигнала несущей частоты; 4, 14 - фильтры промежуточной частоты (Фпч); 5, 11 - смесители (См); 6-делитель-преобразователь (Пр) одной гармоники несущей частоты nf (n=2, или 3, или 4, или 5 и т.д.) в несущую частоту f излучаемого сигнала; 8 - приемная антенна сигнала гармоник nf несущей частоты; 9 - делитель на два канала сигнала промежуточной частоты, отраженного от объекта измерения; 10 - гетеродин (Гт); 12 - амплитудный детектор (АД); 13 - фазовый детектор (ФД); 15 - амплитудный регистратор (АР); 16 - фазовый регистратор (ФР); 17 - антенна преобразователя несущей частоты в ее гармоники; 18 - объект измерения; 19 - несущий трос системы подвески объекта измерения; 20 - мачта системы подвески объекта измерения; 21 - стропы системы подвески объекта измерения; 22 - поворотное устройство системы подвески объекта измерения; 23 - металлический корпус объекта измерения; 24 - диэлектрическая втулка; 25 - диод преобразователя несущей частоты в ее гармоники nf.

Описание способа измерения фазы радиолокационного сигнала

Способ измерения фазы радиолокационного сигнала, отраженного от объекта измерения (фиг.1 и 2), состоит в том, что на внешней поверхности объекта измерения 18 устанавливают антенну 17, нагруженную на диод 25 (фиг.2), которые являются частями преобразователя несущей частоты сигнала генератора 1 в ее гармоники nf. Антенну 17 устанавливают на поверхности объекта соосно вертикальной оси. Оптимальное выполнение антенны 17 в виде металлического штыря, когда его ось соосно вертикальной оси, проходящей через центр масс объекта измерения 18. После установки антенны 17 с диодом 25 на объект измерения 18 одну клемму диода соединяют с концом штыря 17, который установлен в диэлектрической втулке 24, а другую клемму диода соединяют с металлическим корпусом 23 объекта измерения 18.

После установки антенны 17 на объекте измерения 18 его закрепляют на стропах 21 системы подвески объектов измерения и облучают антенну 17 и объект 18 сигналом генератора с несущей частотой f. Одновременно антенной 3 принимают радиолокационный сигнал несущей частоты f, отраженный от объекта измерения 18, а антенной 8 принимают сигнал, переизлученный антенной 17 на частоте одной гармоники несущей частоты nf. Гармоники несущей частоты переизлучения антенны 17 образуются за счет ее нелинейной нагрузки детектором 25 (фиг.2).

В месте приема сигнал одной гармоники, переизлученный антенной 17, с помощью преобразователя 6 преобразуют в несущую частоту сигнала генератора 1.

Преобразованный сигнал, переизлученный антенной 17, и сигнал, отраженный от объекта измерения 18, с помощью гетеродина 10 и смесителей 5 и 11 преобразуют в сигналы одной промежуточной частоты. Оба сигнала подают на соответствующие входы фазового детектора (сигнальный вход и вход опорного сигнала, которым является сигнал, переизлученный антенной 17 и преобразованный преобразователем 6 в сигнал несущей частоты).

Описание установки для реализации способа измерения фазы

Предложенный способ измерения фазы радиолокационного сигнала может быть реализован на установке, блок-схема которой приведена на фиг.1

Установка содержит: задающий генератор 1 с несущей частотой сигнала f (Гf); направленный ответвитель (НО) 2; приемопередающую антенну сигнала несущей частоты 3; фильтры промежуточной частоты (Фпч) первый 4 и второй 14; смесители (См) первый 5 и второй 11; делитель-преобразователь (Пр) 6 гармоники несущей частоты nf (n=2, или 3, или 4, или …) в несущую частоту f излучаемого сигнала; приемную антенну 8 сигнала гармоник nf несущей частоты f; делитель (ДС) 9 на два канала сигнала промежуточной частоты, отраженного от объекта измерения; гетеродин (Гт) 10; амплитудный детектор (АД) 12; фазовый детектор (ФД) 13; амплитудный регистратор (АР) 15; фазовый регистратор (ФР) 16; антенну 17 преобразователя несущей частоты f в его гармоники nf; объект измерения 18; диод 25 преобразователя несущей частоты в его гармоники nf.

Выход Гf1 соединен с входом основного плеча НО 2, а его выход соединен с входом антенны 3. Выход бокового плеча НО 2 соединен с сигнальным входом См 5, второй вход смесителя соединен с выходом Гт 10. Выход См 5 соединен с входом Фпч 4, выход которого соединен через ДС 9 с входом АД 12. Выход АД 12 соединен с входом АР 15.

Выход антенны 8 через фильтр Фnf 7 соединен с входом Пр 6, выход которого соединен с сигнальным входом второго смесителя См 11. Второй вход См 11 соединен с выходом Гт 10. Выход См 11 через Фпч 14 соединен с входом опорного сигнала ФД 13. Сигнальный вход ФД 13 соединен с вторым выходом ДС 9, а выход ФД 13 соединен со входом ФР 16.

Установка работает следующим образом.

Сигнал генератора 1 поступает на вход основного плеча направленного ответвителя (НО) 2, с выхода которого сигнал поступает на вход антенны 3. Антенна 3 излучает сигнал в направлении объекта измерения 18. Отраженный от объекта измерения сигнал на несущей частоте генератора 1 поступает на выход основного плеча НО 2, а из него на вход его бокового плеча. С выхода бокового плеча НО 2 сигнал поступает на первый смеситель (См) 5, на другой вход которого поступает сигнал гетеродина 10. С выхода См 5 сигнал промежуточной частоты поступает через делитель сигнала (ДС) 9 на вход амплитудного детектора (АД) 12, а с выхода АД 12 на вход амплитудного регистратора (АР) 15, где он и записывается.

Антенна 3 одновременно с объектом измерения 18 облучает антенну 17. Преобразованный диодом 25 сигнал несущей частоты в ее гармоники переизлучается антенной 17 в эфир и улавливается антенной 8. С выхода антенны 8 сигнал с гармоникой несущей частоты через фильтр гармоник 7 (например, фильтр третьей гармоники) поступает на вход преобразователя 6, где делится на три и тем самым преобразуется в несущую частоту f. После чего сигнал несущей частоты поступает на вход второго смесителя 11, на второй вход которого поступает сигнал гетеродина 10. С выхода См 11 сигнал через фильтр промежуточной частоты 14 поступает на вход опорного сигнала фазового детектора 13. На сигнальный вход ФД 13 поступает сигнал со второго выхода делителя сигналов 9. С выхода ФД 13 сигнал поступает на вход фазового регистратора 16, где он и записывается.

Описанная установка позволяет измерять фазу отраженного от объекта радиолокационного сигнала независимо от перемещения объекта измерения 18 вдоль электрической оси антенны 3, так как опорный сигнал, необходимый для измерения фазы отраженного радиолокационного сигнала, поступает с антенны 17, жестко связанной с объектом измерения 18.

Калибровку амплитуды измеренных отраженных сигналов в значениях эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) можно произвести с помощью металлического шара, размещенного на месте измеряемого объекта.

Практическая реализация установки

Установка выполнена по блок-схеме фиг.1.

Генератор 1 выполнен по схеме автогенератора с частотой сигнала 10 ГГц с усилителем мощности на лампе бегущей волны, которая обеспечивает мощность излучения генератора 100 Вт.

Направленный ответвитель 2 выполнен волноводным на волноводе с поперечным сечением 10×23 мм.

Приемопередающая антенна 3 выполнена рупорной с размерами апертуры 20×20 см.

Фильтры промежуточной частоты 4 и 14 выполнены по П-образной схеме фильтра на индуктивностях и емкостях на 30 МГц.

Смесители 5 и 11 выполнены на полупроводниковых диодах.

Делитель-преобразователь 6 выполнен в виде делителя частоты на три.

Приемная антенна 8 выполнена в виде рупора с рабочей частотой 30 ГГц.

Делитель на два канала 9 выполнен на потенциометре.

Гетеродин 10 выполнен на клистроне.

Амплитудный 12 и фазовый 13 детекторы выполнены на полупроводниковых диодах.

Амплитудный 15 и фазовый 16 регистраторы выполнены на цифровых самописцах.

Антенна 17 выполнена в виде латунного штыря длиной 15 мм.

Диод 25 полупроводниковый.

Мачты 20 системы мягкой подвески выполнены деревянными и установлены на земле так, что закрепленный на их верхушках в горизонтальной плоскости несущий трос 19 находится под острым углом к электрической оси антенны 3. Несущий трос 19 и стропы 21 крепления объекта измерений 18 выполнены из синтетических волокон.

Объект измерения должен иметь металлический корпус, а если объект измерения имеет диэлектрический корпус, то необходимо в него вмонтировать металлическую шайбу, в которой закрепляется диэлектрическая втулка 24 с антенной 17 и одна клемма диода 25 соединяется с шайбой.

Технический результат изобретения достигнут. Предложенный способ измерения позволяет измерять фазу радиолокационного сигнала, отраженного от объекта измерения, закрепленного на мягкой подвеске. За счет установки на объекте измерения источника опорного сигнала устранена зависимость точности измерения от положения объекта на его оси вращения, тем самым увеличена точность измерения. Погрешность измерения фазы таким способом не превышает нескольких электрических градусов.

Заявлен способ измерения фазы радиолокационного сигнала, отраженного от объекта измерения, основанный на облучении объекта измерения радиоволнами и приеме радиолокационного сигнала. Достигаемым техническим результатом является увеличение точности измерения. Указанный результат достигается за счет того, что на внешней поверхности корпуса объекта измерения устанавливают штыревую антенну, нагруженную на диод, облучают установленную антенну и объект измерения радиоволнами несущей частоты, одновременно принимают сигнал, отраженный от объекта измерения на несущей частоте, и сигнал, переизлученный антенной на частоте одной гармоники несущей частоты, в месте приема гармонику сигнала, переизлученного антенной, установленной на корпусе объекта, преобразуют в сигнал несущей частоты, преобразованный сигнал и сигнал, отраженный от объекта измерения, преобразуют в сигналы промежуточной частоты и подают оба сигнала на соответствующие входы фазового детектора, на выходе которого регистрируют измеренное значение фазы радиолокационного сигнала. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения фазы радиолокационного сигнала, отраженного от объекта измерения, основанный на облучении объекта измерения радиоволнами с заданным значением несущей частоты, приеме отраженных от объекта измерения радиолокационного сигнала на несущей частоте, измерении фазы отраженного объектом измерения радиолокационного сигнала несущей частоты, отличающийся тем, что на внешней поверхности корпуса объекта измерения устанавливают антенну, нагруженную на диод, при этом объект измерения должен иметь металлический корпус, с которым соединяют одну из клемм диода, либо металлическую шайбу, вмонтированную в корпус объекта измерения, с которой соединяют одну из клемм диода, облучают установленную антенну и объект измерения сигналом на несущей частоте, принимают одновременно сигнал, отраженный от объекта измерения на несущей частоте, и сигнал, переизлученный антенной, на частоте гармоники несущей частоты, в месте приема преобразуют гармонику сигнала, переизлученного антенной, установленной на внешней поверхности корпуса объекта измерения, в сигнал несущей частоты, преобразованный сигнал и сигнал, отраженный от объекта измерения, преобразуют в сигналы промежуточной частоты и подают оба сигнала на соответствующие входы фазового детектора, на выходе которого регистрируют измеренное значение фазы радиолокационного сигнала, отраженного от объекта измерения.

2. Способ измерения фазы радиолокационного сигнала, отраженного от объекта измерения, по п.1, отличающийся тем, что антенна, установленная на внешней поверхности корпуса объекта измерения, выполнена в виде металлического штыря.

3. Способ измерения фазы радиолокационного сигнала, отраженного от объекта измерения, по п.2, отличающийся тем, что антенну, выполненную в виде металлического штыря, устанавливают на внешней поверхности корпуса объекта измерения соосно вертикальной оси, проходящей через центр масс объекта измерения.