СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОМЕНТОВ ПРОЛЕТА СНАРЯДОМ НАЧАЛА И КОНЦА ИЗВЕСТНОГО ИНТЕРВАЛА РАССТОЯНИЯ, РЛС ИЗМЕРЕНИЯ НАЧАЛЬНОЙ СКОРОСТИ СНАРЯДА Российский патент 2009 года по МПК G01S13/58 

Изобретения относятся к радиолокационной технике и могут быть использованы при создании электронных измерителей начальных скоростей снарядов

Известно [1], что при измерении начальной скорости баллистических объектов широко применяются простейшие доплеровские радиолокаторы, осуществляющие их наблюдение на траектории, причем наблюдение начинают через задаваемое время после вылета снаряда из ствола орудия.

При вычислении начальной скорости снаряда по дискретным значениям его текущей скорости, как известно [1], используют способ экстраполяции, согласно которому предполагают известным вид «скоростной» траектории снаряда, а по дискретным значениям его текущей скорости определяют параметры этой «скоростной» траектории, необходимые для экстраполяции скорости снаряда от начала его радиолокационного наблюдения до момента вылета из ствола орудия.

Известно [5] устройство для измерения скорости перемещения объекта, содержащее датчики по числу N точек измерения, мультиплексор, последовательно соединенные измеритель временных интервалов и вычислитель, делитель частоты, два элемента ИЛИ, счетчик, три элемента задержки сигнала, два формирователя импульсов, элемент И, генератор импульсов и RS-триггер, в котором в вычислителе производится расчет скорости V по формуле

V=S/t,

где S - заданное базовое расстояние между датчиками;

t - время прохождения расстояния между двумя срабатывающими датчиками,

и массо-габаритные и стоимостные характеристики которого определяются габаритами и стоимостью датчиков (по крайней мере двумя датчиками).

Одним из основных требований, предъявляемых к измерителям начальной скорости снарядов, является обеспечение высокой точности определения скорости снаряда в момент его вылета из ствола орудия при минимальных массогабаритных и стоимостных характеристиках изделий.

Целью изобретений является уменьшение массогабаритных и стоимостных характеристик измерителей начальной скорости снаряда.

Поставленная цель достигается за счет обнаружения снаряда всего лишь одним обнаружителем сигналов узкополосного спектра частот.

На фиг.1 и 2 приведены соответственно блок-схемы обнаружителя сигналов узкополосного спектра частот и РЛС измерения начальной скорости снаряда.

На фиг.3 приведена таблица данных, позволяющих оценить работу обнаружителя сигналов узкополосного спектра частот.

Обнаружитель сигналов узкополосного спектра частот (фиг.1) содержит амплитудный детектор 12, выход которого подключен к первому входу компаратора 13, второй вход которого подключен к шине 10 опорного напряжения, а выход через формирователь 14 импульса - к выходной шине 11, а также последовательно соединенные второй смеситель 15 с широкополосным фильтром 17 и генератор 16 сигнала непрерывной частоты, выход которого подключен к второму входу второго смесителя 15, первый вход которого подключен к входной шине 23, а выход широкополосного фильтра 17 через последовательно соединенные усилитель-ограничитель 18 и узкополосный полосовой фильтр 19 подключен к входу амплитудного детектора 12.

РЛС измерения начальной скорости снаряда (фиг.2) содержит приемопередающую антенну 5, вход антенны, работающей на передачу, которой подключен к высокомощному выходу передатчика 6 непрерывного сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно спадающему закону, а выход антенны, работающей на прием - подключен к первому входу смесителя 7, второй вход которого подключен к низкомощному выходу передатчика 6 непрерывного сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно спадающему закону, а выход - к входу фильтра 8 разностных частот, а также обнаружитель 9 сигналов узкополосного спектра частот, дополнительный вход которого подключен к шине 10 опорного напряжения, выход - к его выходной шине 11, а вход - к выходу фильтра 8 разностных частот, причем выход обнаружителя 9 сигналов узкополосного спектра частот подключен также через последовательно соединенные измеритель 20 интервала времени и вычислитель21 начальной скорости снаряда к второй выходной шине 22.

Проанализируем, в том числе на примерах способ определения моментов пролета целью начала и конца известного интервала расстояния и работу РЛС измерения начальной скорости снаряда (фиг.2).

Начальную скорость Vнач снаряда можно определить, вычислив выражение вида:

Vнач=2Do/tизм₂,

где Do - выбираемое постоянное базовое расстояние от РЛС, излучающей непрерывный сигнал с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно спадающему закону, до произвольной точки предполагаемой траектории движения удаляющегося снаряда;

tизм₂=(toб₂-toб₁) - измеряемый интервал времени пролета удаляющимся от РЛС снарядом известного расстояния (3Do+Di)-(Do+Di)=2Do,

где toб₁ - момент пролета удаляющимся от РЛС снарядом точки пространства, отстоящей от РЛС на удалении Do+Di=Do+(Vi/Vo)Do;

toб₂ - момент пролета удаляющимся от РЛС снарядом точки пространства, отстоящей от РЛС на удалении 3Do+Di=3Do+(Vi/Vo)Do;

Di - текущее расстояние от РЛС до удаляющегося от РЛС со скоростью Vi снаряда;

Vo - известная, минимально возможная начальная скорость снарядов.

Рассмотрим возможно ли это:

Пусть через приемопередающую антенну 5 (фиг.1) в пространство излучают и принимают отраженные от неподвижных объектов и удаляющегося от РЛС снаряда непрерывные сигналы с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно спадающему закону с, например, параметрами: fo=20 ГГц, Fm=20 кГц, dfm=25 мГц, удовлетворяющими, например, при базовом расстоянии Do=6 м и Vo=150 м/с условию:

Do/Vo=fo/Fmdfm=6 м / 150 (м/с) = 20 ГГц / 20 кГц 25 мГц = 0,04 с.

Данный сигнал формируют в передатчике 6 непрерывного сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно спадающему закону. В результате смешивания в смесителе 7 отраженного и излучаемого сигналов на его выходе формируют сигналы разностной частоты величиной [4]:

Fp_6-П=2DoFmdfm/С=20 кГц - сигналы помехи из отражений от точек Земли, расположенных на удалении в Do=6 м от РЛС;

Fp_12-П=22DoFmdfm/С=40 кГц - сигналы помехи из отражений от точек Земли, расположенных на удалении в 2 Do=12 м от РЛС;

Fp_18-П=23DoFmdfm/С=60 кГц - сигналы помехи из отражений от точек Земли, расположенных на удалении в 3 Do=18 м от РЛС;

Fp_12-Ц=[(2D₁₂)Fmdfm/С]-(2V₁₅₀fo/С)=20 кГц - сигнал из отражений от снаряда, удаляющегося от РЛС с минимально возможной радиальной скоростью Vo=V₁₅₀=150 м/с и находящегося на удалении в D₁₂=12 м от РЛС (в момент времени toб₁);

Fр_24-Ц=[(2D24)Fmdfm/С]-(2V₁₅₀fo/С)=60 кГц - сигнал из отражений от снаряда, удаляющегося от РЛС с минимально возможной радиальной скоростью Vo=V₁₅₀=150 м/с и находящегося на удалении в D₂₄=24 м от РЛС(в момент времени toб₂);

Fр_86-Ц=[(2D₈₆)Fmdfm/С]-(2V₂₀₀₀fo/С)=20 кГц - сигнал из отражений от снаряда, удаляющегося от РЛС с максимально возможной радиальной скоростью V₂₀₀₀=2000 м/с и находящегося на удалении в D₈₆=86 м от РЛС(в момент времени tоб₁);

Fр_98-Ц=[(2D₉₈)Fmdfm/С]-(2V₂₀₀₀fo/С)=60 кГц - сигнал из отражений от снаряда, удаляющегося от РЛС с максимально возможной радиальной скоростью V₂₀₀₀=2000 м/с и находящегося на удалении в D₉₈=98 м от РЛС(в момент времени toб₂);

Очевидно, что сигналы разностных частот в 20 кГц и 60 кГц особенные, так как они формируются на РЛС независимо от скорости удаления снаряда от РЛС, в моменты toб₂ и toб₁ пролета снарядом соответственно начала и конца известного интервала расстояния величиной в 2Do,

(3Do+Di)-(Do+Di)=2Do=12 м,

независимо от того, на каком удалении от РЛС этот интервал находится, а также от узких полосок земли, отстоящих от РЛС на удалении в 6 м и 18 м. Тогда, очевидно, зная длительность tизм₂=(toб₂-toб₁) интервала времени - время между моментами обнаружения на РЛС сигналов с частотами 60 кГц и 20 кГц можно начальную скорость Vнач снаряда определить, вычислив выражение:

Vнач=2Do/tизм₂.

Отметим, что отмеченную задачу можно успешно решить, применив известный [3, стр.4-6] локатор диапазона 94 ГГц на монолитных схемах. Причем использование миллиметрового диапазона волн, как будет видно из последующего, предпочтительнее, так как при прочих равных условиях можно получить более высокую частоту разностного сигнала, например Fp_6-П=Fp_12-Ц=Fp_86-Ц=100 кГц, при излучении частотно модулированного сигнала частотой 100 ГГц.

Фильтр 8 разностных частот выполняет в основном роль подавления суммарных частот преобразования, входных сигналов и сигнала гетеродина.

В обнаружителе 9 сигналов узкополосного спектра частот проводят сравнение величины амплитуды опорного напряжения, снимаемого с шины 10 опорного напряжения, с величиной амплитуды сигнала, преобразованного обнаружителем. При наступлении равенства амплитуд сигналов на выходе обнаружителя 9 сигналов узкополосного спектра частот (выходная шина 11) формируют короткий импульс, например, положительной полярности.

Обнаружитель сигналов узкополосного спектра частот, блок-схема которого приведена на фиг.1, позволяет обнаруживать только сигналы с частотами диапазона 20 кГц (+/-)420 Гц при выбранных выше параметрах излучаемого сигнала и отмеченном условии выбора этих параметров. Рассмотрим более подробно работу данного обнаружителя и способ, по которому он реализован.

Для реализации вышесказанного и обнаружения разностного сигнала частотой 20кГц широкополосный фильтр 17 обнаружителя 9 должен иметь полосу пропускания не более 8 кГц (от 37кГц до 43,5кГц), постоянную времени 1/6,5кГц=0,15·10^-3 и значительное подавление сигналов вне полосы пропускания. Для сравнения отметим, что при обнаружении разностного сигнала частотой 100 кГц (при излучении сигналов частотой 100 ГГц - сигналов миллиметрового диапазона волн) широкополосный фильтр 17 обнаружителя 9 должен уже будет иметь полосу пропускания не более 50 кГц (от 175 кГц до 225 кГц), постоянную времени 1/50 кГц = 0,02·10^-4, но также значительное подавление сигналов вне полосы пропускания. В качестве смесителя 15 в обнаружителе 9 сигналов узкополосного спектра частот можно использовать, например, микросхему 526ПС1 - балансный смеситель, обеспечивающий подавление входного сигнала на 65dБ.

Сигналы с разностной частотой преобразования, например частотой Fp (+/-) ΔFp=20 кГц (+/-) 420 Гц, с выхода фильтра 8 разностных частот (фиг.2) подают на вход смесителя 15, смешивают его с сигналом гетеродина - сигналом с выхода генератора 16 сигнала непрерывной частоты и преобразуют его в сигнал с частотой:

Fp (+/-) ΔFp + 20 кГц - 20 кГц (+/-) 420 Гц + 20 кГц = 40 кГц (+/-) 420 Гц,

попадающий в полосу пропускания широкополосного фильтра 17. Далее сигнал, снимаемый с выхода широкополосного фильтра 17, преобразуют усилителем-ограничителем 18 в меандр, содержащий, как известно, только нечетные гармоники, и узкополосным полосовым фильтром 19, имеющим, например, полосу пропускания в 21 кГц (от 829,5 кГц до 850,5 кГц) и большое подавление внеполосных сигналов, выделяют только пусть 21-ю гармонику сигнала частотой:

[40 кГц (+/-) 420 Гц] 21 = [840 кГц (+/-) 8,820 кГц]

и значительно подавляют все другие разностные сигналы и их гармоники. Сказанное подтверждается анализом данных, приведенных на фиг.3, и анализом всех величин частот нечетных гармоник от В=1 до В=29, получаемых после ограничения сигналов диапазона частот С=37 кГц - С=43,5 кГц и попадающих в диапазон частот А=829,5 кГц - А=850,5 кГц, пропускаемых узкополосным полосовым фильтром 19. Очевидно, что если не применять процесса повышения частоты разностного сигнала и селектировать сразу же сигнал частотой Fp (+/-) ΔFp=20 кГц (+/-) 420 Гц УПФ 19 с параметрами: fц=20 кГц - центральная частота; Δf=840 Гц - полоса пропускания и постоянной времени τ_ф19-1=1/840 Гц, то ошибка в измерении начальной скорости снаряда будет значительной. Сигнал с выхода узкополосного полосового фильтра 19 преобразуется амплитудным детектором 12 в постоянное напряжение и на компараторе 13 сравнивается с опорным напряжением, поступающим на второй вход компаратора 13 с шины 10 опорного напряжения. При превышении амплитуды входного сигнала над опорным на выходе компаратора 13 формируют короткий импульс, например обострителем переднего фронта, установленным на выходе компаратора 13, который, при необходимости, формирователем 14 импульса, например ждущим мультивибратором, преобразуется в импульс необходимой длительности.

Из сказанного можно заключить, что умножение частоты разностного сигнала позволяет обнаружить его за более короткое время, что является совместно с возможностью ограничить формирование мощности помехи узкими полосками местности, отстоящими от РЛС на удалении в 6 м и 18 м, новым на настоящее время и существенно отличает предлагаемый обнаружитель и предлагаемую РЛС измерения начальной скорости снарядов от известных.

Предлагаемый обнаружитель сигналов узкополосного спектра частот (фиг.1) позволяет обнаруживать не только сигналы с частотами диапазона 20 кГц (+/-) 420 Гц при выбранных выше параметрах излучаемого РЛС сигнала и отмеченном условии выбора этих параметров, но и сигналы с частотами диапазона 60 кГц (+/-) 420 Гц. Это стало возможным из-за применения в обнаружителе 9 сигналов узкополосного спектра частот смесителя 15 с разъединенными входами, на второй вход которого с генератора 16 сигнала непрерывной частоты подают сигнал с частотой, в частности, 20 кГц, а на первый вход смесителя 15 с входной шины 23 либо сигнал с частотой 60 кГц (+/-) 420 Гц либо сигнал с частотой 20 кГц (+/-) 420 Гц. Очевидно, что после преобразования данных сигналов на выходе смесителя 15 будет сформирован сигнал с одной и той же частотой 40 кГц (+/-) 420 Гц, то есть:

60 кГц (+/-) 420 Гц - 20 кГц = 40 кГц (+/-) 420 Гц

20 кГц (+/-) 420 Гц + 20 кГц = 40 кГц (+/-) 420 Гц,

который пропускается широкополосным фильтром 17 на вход усилителя-ограничителя 18.

Импульс, длительность которого соответствует длительности интервала времени tизм₂=(toб₂-toб₁), формируют формирователем 14 импульса обнаружителей 9 сигналов узкополосного спектра частот (например, триггером 530 ТМ2) и измеряют измерителем 20 интервала времени. Измеренную величину длительности импульса далее используют для вычисления по формуле

Vнач=2Do/tизм₂,

в реальном масштабе времени, начальной скорости снаряда вычислителем 21 начальной скорости снаряда.

Литература:

1. Патент RU 2250476, 30.09.2002 г.

2. Под редакцией Л.Г.Барулина, Радиоприемные устройства М., «Радио и связь», 1984 г. стр.223.

3. Информационно-рекламный сборник «Новости СВЧ-техники», №10 за 1995 г., ГНПП «Исток», г.Фрязино, Московская область.

4. В.В.Васин, О.В.Власов, П.И.Дудник, Б.М.Степанов, Авиационная радиолокация, издание ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского, 1964 г.

5. Авторское свидетельство SU №1737345 А1 - «Устройство для измерения скорости перемещения объекта».

Изобретения относятся к радиолокационной технике и могут быть использованы при создании измерителей начальных скоростей снарядов. Достигаемым техническим результатом является уменьшение массогабаритных и стоимостных характеристик измерителей начальной скорости снаряда. Указанный результат достигается за счет обнаружения снаряда обнаружителем сигналов узкополосного спектра частот, а также за счет того, что момент пролета снарядом начала известного интервала времени устанавливают по началу toб₁ возникновения и обнаружения на радиолокационной станции (РЛС) сигнала с разностной частотой, формируемого после перемножения излучаемого сигнала с соответствующими параметрами, с принимаемым, отраженным от удаляющегося от РЛС снаряда, излученным сигналом, а момент пролета снарядом конца известного интервала времени устанавливают по началу toб₂ возникновения и обнаружения на РЛС сигнала с той же разностной частотой в момент, когда между РЛС и удаляющимся от нее снарядом установится определяемое из соответствующего условия расстояние. РЛС измерения начальной скорости снаряда содержит приемопередающую антенну, передатчик непрерывного сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно спадающему закону, смеситель, фильтр разностных частот, обнаружитель сигналов узкополосного спектра частот, выполненный определенным образом, измеритель интервала времени и вычислитель начальной скорости снаряда, соединенные соответствующим образом между собой. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения моментов пролета снарядом начала и конца известного интервала расстояния снарядом, средство пуска которого изначально совмещено с радиолокационной станцией (РЛС), отличающийся тем, что момент пролета снарядом начала известного интервала времени устанавливают по началу toб₁ возникновения и обнаружения на РЛС сигнала с разностной частотой:
Fдо=2Vofo/C,
где Vo - минимально возможная величина радиальной скорости используемых снарядов;
fo - средняя частота излучаемого РЛС непрерывного сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно спадающему закону;
С - скорость света,
формируемого после перемножения излучаемого сигнала с параметрами выбираемыми из условия:
Do/Vo=fo/Fm dfm,
где Do - выбираемое постоянное базовое расстояние от РЛС до произвольной точки предполагаемой траектории движения удаляющегося снаряда;
Fm - частота модуляции излучаемого сигнала;
dfm - девиация частоты излучаемого сигнала,
с принимаемым, отраженным от удаляющегося от РЛС снаряда, излученным сигналом, то есть в момент, когда между РЛС и удаляющимся от нее с неизвестной радиальной скоростью Vi снарядом установится расстояние равное Do+(Vi/Vo)Do, а момент пролета снарядом конца известного интервала времени устанавливают по началу toб₂ возникновения и обнаружения на РЛС сигнала с той же частотой Fдо в момент, когда между РЛС и удаляющимся от нее снарядом установится расстояние равное 3Do+(Vi/Vo)Do.

2. Радиолокационная станция (РЛС) измерения начальной скорости снаряда, содержащая последовательно соединенные измеритель интервала времени и вычислитель начальной скорости снаряда, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены приемо-передающая антенна, вход антенны работающей на передачу которой подключен к высоко мощному выходу передатчика непрерывного сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно спадающему закону, а выход антенны работающей на прием подключен к первому входу смесителя, второй вход которого подключен к низко мощному выходу передатчика непрерывного сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно спадающему закону, а выход к входу фильтра разностных частот, а также обнаружитель сигналов узкополосного спектра частот, выход которого подключен к входу измерителя интервала времени, первый вход к выходу фильтра разностных частот, второй вход к шине опорного напряжения, при этом обнаружитель сигналов узкополосного спектра частот содержит амплитудный детектор, выход которого подключен к первому входу компаратора, второй вход которого подключен к шине опорного напряжения, а выход к формирователю импульса, а также последовательно соединенные второй смеситель с широкополосным фильтром и генератор сигнала непрерывной частоты, выход которого подключен к второму входу второго смесителя, первый вход которого подключен к выходу фильтра разностных частот, а выход широкополосного фильтра через последовательно соединенные усилитель-ограничитель и узкополосный полосовой фильтр подключен к входу амплитудного детектора, при этом измерителем интервала времени измеряют интервал времени tизм₂=(toб₂-toб₁) пролета удаляющимся от РЛС снарядом известного расстояния (3Do+Di)-(Do+Di)=2Do, где Do - выбираемое постоянное базовое расстояние от РЛС, излучающей непрерывный сигнал с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно спадающему закону, до произвольной точки предполагаемой траектории движения удаляющегося снаряда;
toб₁ - момент пролета удаляющимся от РЛС снарядом точки пространства, отстоящей от РЛС на удалении Do+Di=Do+(Vi/Vo)Do; toб₂ - момент пролета удаляющимся от РЛС снарядом точки пространства, отстоящей от РЛС на удалении 3Do+Di=3Do+(Vi/Vo)Do; Di - текущее расстояние от РЛС до удаляющегося от РЛС со скоростью Vi снаряда; Vo - известная, минимально возможная начальная скорость снарядов, а в вычислителе начальной скорости снаряда вычисляют выражение вида: Унач=2Do/tизм₂, определяющее начальную скорость снаряда.