МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МНОГОДИАПАЗОННАЯ МАСШТАБИРУЕМАЯ РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Российский патент 2013 года по МПК G01S13/00 

Изобретение относится к области радиолокации и предназначено для выполнения широкого круга задач в режимах «воздух-поверхность», «воздух-воздух», «метео» и «маловысотный полет» при использовании на летательных аппаратах.

Известны РЛС для летательных аппаратов, предназначенные для обнаружения, сопровождения объектов, измерения их координат, обнаружения грозовых фронтов, обнаружения и измерения высоты наземных препятствий и выполнения других функций.

Например, двухдиапазонный моноимпульсный радиолокатор со встроенным контролем, заявка №2001104500 от 20.02.2001 г. Радиолокатор содержит антенну с диапазонным суммарно-разностным устройством и вспомогательными антеннами, два приемо-передающих тракта. Решены задачи моноимпульсной пеленгации при работе в двух диапазонах. Однако радиолокатор имеет следующие недостатки: приемный тракт - аналоговый, низкие помехозащищенность и разрешение по координатам, не обеспечена многофункциональность.

В радиолокаторе, защищенным патентом WO 2010090564, достигнуто высокое разрешение по координатам при работе в двух диапазонах. К недостаткам относятся: низкая помехозащищенность, отсутствует моноимпульсная пеленгация, не обеспечена многофункциональность.

Известна также многофункциональная радиолокационная станция для летательных аппаратов (RU патент №2319173, МПК G01S 13/90), принятая за прототип. Структура приведена на фиг.1, где обозначены:

1. Щелевая антенна;

2. Передающее устройство;

3. Циркулятор;

4. Коммутатор приема;

5. Приемное устройство;

6. Аналого-цифровой процессор;

7. Усилитель мощности;

8. Модулятор;

9. Синтезатор частот - синхронизатор;

10. Задающий генератор;

11. Цифровой процессор сигналов;

12. Цифровой процессор данных;

13. Индикатор;

14. СВЧ-приемник;

15. Усилитель промежуточной частоты;

16. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

17. Датчик угла;

18. Приемо-передающий блок.

Данная РЛС выполняет функции обнаружения грозовых фронтов и кучевых облаков, обзора земной поверхности, обнаружения и измерения высоты наземных препятствий при полете на малых высотах. Функция измерения с заданной точностью высоты наземных препятствий обеспечивается путем обужения луча антенны в угломестной плоскости на прием. Это достигается тем, что в щелевой антенне кроме суммарной диаграммы формируется разностная диаграмма в угломестной плоскости.

Для реализации задачи обужения в угломестной плоскости суммарной диаграммы используется сигнал разностной диаграммы для чего в цифровой процессор сигналов введено устройство обужения, включающее коммутатор, первое устройство памяти (U_∑), второе устройство памяти (U_Δ), устройство разности, первое и второе устройство умножения (см. фиг.2).

Данная РЛС имеет следующие недостатки: работа в одном диапазоне, отсутствует моноимпульсная пеленгация по азимуту, нет высокого разрешения по координатам, синтезатор частот аналоговый, что не позволяет наращивать функции.

Учитывая современные требования к реализуемым функциям радиолокационных систем летательных аппаратов, к повышению разрешения, точности и надежности решения задач при жестких ограничениях на габариты аппаратуры, задачей изобретения является создание многофункциональной, многодиапазонной, малогабаритной, масштабируемой системы.

Решение поставленной задачи достигается тем, что предлагаемая РЛС (см. фиг.3) содержит i, $$i=\overline{\mathrm{1,}N}$$ радиочастотных модулей (РЧМ) различных диапазонов длин волн, каждый из которых состоит из антенного модуля (1), содержащего волноводно-щелевую антенную решетку (ВЩАР) (2) и привод (3), передатчика (9), циркулятора (7), приемозадающего модуля (5), содержащего четырехканальный сверхвысокочастотный приемник (СВЧ-приемник) (6), цифровой приемник (ЦПРМ) (8), цифровой синтезатор частот и синхросигналов управления (СЧС) (10), при этом ЦПРМ содержит четырехканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС 1) обработки информации и управления, программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС 2) ввода-вывода, при этом первые входы АЦП подключены к соответствующим выходам СВЧ-приемника по четырем приемным каналам - суммарному, разностному по наклону, разностному по азимуту и компенсационному - на промежуточной частоте, выходы АЦП подключены к ПЛИС 1 обработки информации и управления, «вход-выход» которой посредством интерфейсной связи соединен с «входом-выходом» ПЛИС 2 ввода-вывода, которая в свою очередь посредством последовательного высокоскоростного интерфейса (SRIO) (типа точка-точка) соединена с бортовой цифровой вычислительной машиной (БЦВМ), первый выход СЧС соединен с входом передатчика, второй выход - с входом СВЧ-приемника, третий выход - со вторым входом АЦП, четвертый выход - с ПЛИС 1 цифрового приемника и с БЦВМ, а вход СЧС - с БЦВМ посредством мультиплексного канала информационного обмена (МКИО). На фиг.3 обозначены:

1. Антенный модуль;

2. Волноводно-щелевая антенная решетка (ВЩАР);

3. Привод антенны;

4. Радиочастотный модуль i, $$i=\overline{\mathrm{1,}N}$$ ;

5. Приемозадающий модуль;

6. СВЧ-приемник;

7. Циркулятор;

8. Цифровой приемник;

9. Передатчик;

10. Синтезатор частот и синхросигналов управления;

11. БЦВМ;

МКИО - мультиплексный канал информационного обмена;

SRIO - последовательный высокоскоростной интерфейс.

На фиг.4 представлена блок-схема цифрового приемника, где обозначены:

12. АЦП1 суммарного канала ∑;

13. АЦП2 разностного канала по наклону Δн;

14. АЦП3 разностного канала по азимуту Δa;

15. АЦП4 компенсационного канала К;

16. Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС 1) обработки информации и управления;

17. Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС 2) ввода-вывода информации;

На фиг.5 приведена блок-схема цифрового синтезатора частот и синхросигналов управления, где обозначены:

18. Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС 3) управления;

19. Цифровой гетеродин;

20. Цифровой квадратурный смеситель;

21. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП);

22. Генератор опорных частот;

23. Смеситель.

Построение предлагаемой многофункциональной многодиапазонной масштабируемой радиолокационной системы основывается на применении современных цифровых методов и устройств обработки, приема и передачи информации и программного обеспечения (ПО) реального времени. Это позволило создать малогабаритные с высокой степенью интеграции радиочастотные модули, которые объединены с БЦВМ в составе РЛС интерфейсами информационного обмена и практически не имеют ограничений по взаимному размещению.

Предлагаемая в соответствии с фиг.3 радиолокационная система состоит из i, $$i=\overline{\mathrm{1,}N}$$ идентичных радиочастотных модулей (4), в зависимости от числа используемых частотных диапазонов и единой БЦВМ (11), которая связана с каждым из i модулей (4) последовательным высокоскоростным интерфейсом (SRIO i) и управляющим интерфейсом МКИО 1.

Излучение зондирующего сигнала производится по суммарному (z) каналу ВЩАР (2), для чего выход передатчика (9) соединен с входом циркулятора (7), а «вход-выход» циркулятора (7) соединен с суммарным каналом ВЩАР (2).

Прием отраженных зондирующих сигналов осуществляется с помощью антенного модуля (1) через ВЩАР (2) по суммарному (∑), разностному по наклону (Δн), разностному по азимуту (Δa) и компенсационному (К) каналам. Для передачи принимаемого ВЩАР (2) сигнала по суммарному каналу (∑) выход циркулятора (7) соединен с первым входом СВЧ-приемника (6). Для передачи принимаемого сигнала по каналу разностному по наклону (Δн) второй выход ВЩАР (2) соединен со вторым входом СВЧ-приемника (6). Для передачи принимаемого сигнала по каналу разностному по азимуту (Δа) третий выход ВЩАР (2) соединен с третьим входом СВЧ-приемника (6). Для передачи принимаемого сигнала по каналу компенсационному (К) четвертый выход ВЩАР (2) соединен с четвертым входом СВЧ-приемника (6). Выходы соответствующих каналов СВЧ-приемников (6) на промежуточной частоте подключены соответственно к первым входам АЦП1 (12), АЦП2 (13), АЦП3 (14), АЦП4 (15) цифрового приемника (8), структура которого приведена на фиг.4. В цифровом приемнике (8) «оцифрованные» сигналы каналов приема ∑, Δн, Δа и К с выходов АЦП1 (12), АЦП2 (13), АЦП3 (14), АЦП4 (15) соответственно поступают на первый, второй, третий и четвертый входы ПЛИС 1 обработки информации и управления (16), где осуществляется цифровое гетеродинирование, демодуляция сигналов с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ) и компенсация изменений фазы принятого сигнала, обусловленных движением носителя. Для обмена данными цифрового приемника (8) «вход-выход» ПЛИС 1 (16) подсоединен к «входу-выходу» ПЛИС 2 (17) ввода-вывода, которая в свою очередь посредством последовательного высокоскоростного интерфейса SRIO соединена с «входом-выходом» БЦВМ (11).

Формирование сигналов тактового интервала (ТИ) и частоты выборок (Fв), используемых в цифровом приемнике (8) и БЦВМ (11), производится в СЧС (10), представленном на фиг.5, четвертый выход которого с обозначением ТИ подключен к входу ПЛИС 1 обработки информации и управления (16) цифрового приемника (8) и БЦВМ (11), а третий выход с обозначением fb подключен ко вторым управляющим входам АЦП1 (12), АЦП2 (13), АЦПЗ (14), АЦП4 (15) цифрового приемника (8).

Для передачи сигнала частоты гетеродина (Fг) второй выход СЧС (10) подсоединен к пятому входу СВЧ-приемника (6).

Для передачи сигнала несущей частоты F₀ первый выход СЧС (10) подсоединен к входу передатчика (9).

Управление СЧС (10) производится от БЦВМ по каналу МКИО 1 посредством ПЛИС 3 управления (18), выходные сигналы которой поступают на цифровой квадратурный смеситель (20) и генератор опорных частот (22).

Для первого частотного преобразования формируемого сигнала несущей частоты F₀ со второго выхода генератора опорных частот (22) сигнал первого гетеродина Fг1 через вход и последующий выход цифрового гетеродина (19) подается на первый вход цифрового квадратурного смесителя (20).

Для формирования сигнала F₀ со сложными законами модуляции и оперативной «перестройкой от импульса к импульсу» «модуляционная» составляющая этого сигнала по внутренней шине с первого выхода ПЛИС 3 (18) подается на второй вход цифрового квадратурного смесителя (20), с выхода которого формируемый сигнал в цифровой форме подается на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) (21), где преобразуется в аналоговый сигнал и поступает на смеситель (23). На второй вход смесителя (23) с генератора опорных частот (22) поступает сигнал частоты гетеродина Fг. В смесителе (23) формируется сигнал несущей частоты F₀, который подается на вход передатчика (9).

Предлагаемая архитектура РЛС и построение описанных устройств обеспечивают получение широких информационных возможностей, высоких разрешения и точности за счет формирования сложных широкополосных зондирующих сигналов и последующей предварительной, первичной и вторичной обработки принимаемых сигналов.

Ниже приведен пример обработки сигналов, реализующий режим детального разрешения (ДР), и показаны возможности РЛС по использованию новых высокоэффективных методов обработки сигналов.

На фиг.6 изображена схема реализации режима ДР. Обработка радиолокационных сигналов осуществляется в три этапа. На первом этапе выполняется предварительная обработка в цифровом приемнике (8). При этом производится:

- измерение максимального уровня сигнала;

- удаление постоянной составляющей в сигнале;

- цифровое гетеродинирование (компенсация изменений фазы принимаемого сигнала от отсчета к отсчету и от импульса к импульсу из-за движения носителя);

- демодуляция ЛЧМ-сигналов.

На этапе два выполняется первичная обработка сигналов на первом микропроцессоре центрального процессора БЦВМ (11). При этом осуществляется преобразование частотно-манипулированного сигнала, включающее в себя:

- БПФ (быстрое преобразование Фурье) по дальности;

фазовую коррекцию, компенсирующую зависимость задержки принимаемого сигнала от расстояния;

- обратное БПФ по дальности;

- формирование выборки (коррекцию фазы сигнала для устранения зависимости доплеровской частоты от расстояния и изменения расстояния от импульса к импульсу внутри такта работы РЛС, стыковка фрагментов выборки во временной области);

- запись выборок (радиоголограмм) в память.

На этапе три выполняется вторичная обработка сигналов на втором микропроцессоре центрального процессора БЦВМ (11). При этом осуществляются:

- автофокусировка сигналов;

- сжатие сигналов по азимуту с помощью БПФ;

- фазовая коррекция миграции сигналов по элементам дальности;

- сжатие сигналов по дальности с помощью БПФ;

- некогерентное суммирование сигналов по нескольким несущим частотам для уменьшения спекл-эффекта;

- формирование радиолокационного изображения (РЛИ) (компенсация амплитудной модуляции, вызванной действием автоматической регулировки усиления сигнала (АРУС), влиянием диаграммы направленности антенны (ДНА) по азимуту и наклону, а также изменением уровня сигнала от расстояния, вычисление экранных координат точек РЛИ, формирование массива амплитуд в формате индикатора, преобразование динамического диапазона амплитуд сигналов к динамическому диапазону РЛИ, выдача информации на индикатор по интерфейсу RS 343A).

Синхронизация работы РЛС и информационного обмена процессоров обработки сигналов осуществляется под управлением третьего микропроцессора центрального процессора БЦВМ (11), который также выполняет:

- формирование зоны обзора;

- управление модулями РЧМ;

- прием информации от навигационной системы по МКИО 2 (на фиг.3 не показан);

- расчет траектории движения летательного аппарата;

- вычисление параметров, необходимых для выполнения обработки принимаемых сигналов.

Таким образом, посредством разработанного ПО в предлагаемой РЛС обеспечивается решение задач прототипа, а также дополнительно реализуются следующие функции и свойства:

1. Одновременная или выборочная работа в разных частотных диапазонах, например, миллиметровом, сантиметровом и дециметровом, что позволяет, используя особенности распространения и отражения радиосигналов в разных средах, интегрально получить более высокие характеристики по дальности, точности, разрешающей способности в простых и сложных помеховых и метеоусловиях, а также обеспечить обнаружение и наблюдение объектов, скрытых растительным или другим радиопрозрачным покровом для используемых диапазонов частот.

2. Картографирование с реальным лучом и синтезированием апертуры.

3. Информационное обеспечение маловысотного полета с формированием профильного (по вертикали и горизонтали) и квазитрехмерного радиолокационного изображения поверхности земли и объектов (включая обнаружение проводов ЛЭП).

4. Селекция движущихся, в том числе малоскоростных объектов.

5. Определение зон повышенной турбулентности и низковысотных «сдвигов ветра».

6. Обзор, обнаружение и дискретное сопровождение воздушных целей.

7. Масштабируемость, позволяющая для решения конкретных задач и для конкретных носителей при сохранении общего управления от БЦВМ выбрать тот или иной состав и размещение радиочастотных модулей.

Изобретение относится к радиолокационным системам летательных аппаратов. Достигаемый технический результат - создание многофункциональной, многодиапазонной, малогабаритной, масштабируемой радиолокационной системы. Это достигается за счет интеграции цифровых устройств, входящих в систему (синтезатора частот, синхронизатора, приемника, центрального вычислителя с высокой производительностью, высокоскоростных интерфейсов передачи информации), в единый макромодуль, а также наличия четырех приемных каналов с разностными диаграммами направленности в наклонной и азимутальной плоскостях, суммарного и компенсационного, применения соответствующих методов моноимпульсной пеленгации, что повышает разрешающую способность по азимуту. В предлагаемой системе формируются зондирующие сигналы с различными видами модуляции и оперативной перестройкой частот от импульса к импульсу по случайному закону, что повышает разрешающую способность по дальности, скрытость работы и помехозащищенность. 6 ил.

Многофункциональная многодиапазонная масштабируемая радиолокационная система для летательных аппаратов, содержащая радиочастотный модуль (РЧМ) и бортовую цифровую вычислительную машину (БЦВМ), отличающаяся тем, что она содержит i РЧМ, $$i=\overline{\mathrm{1,}N}$$ , каждый из которых имеет свой рабочий диапазон длин волн, состоит из антенного модуля, содержащего волноводно-щелевую антенную решетку (ВЩАР) и привод, передатчика, циркулятора, приемозадающего модуля, содержащего четырехканальный сверхвысокочастотный приемник (СВЧ-приемник), цифровой приемник, цифровой синтезатор частот и синхросигналов управления (СЧС), и имеет связь с БЦВМ, при этом для излучения зондирующего сигнала выход передатчика соединен через циркулятор с суммарным каналом ВЩАР, а для приема отраженного сигнала по суммарному каналу ВЩАР соединена через циркулятор с суммарным каналом СВЧ-приемника, для приема по разностным каналам по наклону и по азимуту ВЩАР соединена с соответствующими разностными каналами СВЧ-приемника и для приема по компенсационному ВЩАР соединена с компенсационным каналом СВЧ-приемника, выходы которого на промежуточной частоте соединены соответственно с четырьмя входами цифрового приемника, содержащего четырехканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС 1) обработки информации и управления, программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС 2) ввода-вывода, при этом выходы четырехканального АЦП соединены с четырьмя входами ПЛИС 1, а «вход-выход» ПЛИС 1 соединен с «входом-выходом» ПЛИС 2, которая, в свою очередь, посредством высокоскоростного последовательного интерфейса SRIO соединена с БЦВМ, при этом первый выход СЧС - выход сигнала несущей частоты F_о соединен с входом передатчика, второй выход - выход сигнала гетеродина частоты F_г соединен с входом СВЧ-приемника, третий выход - выход сигнала частоты выборок F_в соединен с управляющим входом четырехканального АЦП цифрового приемника, четвертый выход - выход сигналов тактового интервала ТИ соединен с управляющим входом ПЛИС 1 цифрового приемника и БЦВМ, а вход СЧС соединен с БЦВМ посредством мультиплексного канала информационного обмена.