ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2015 года по МПК G01S7/285 G01S7/282 

Предлагаемое изобретение относится к радиолокационным устройствам ближнего радиуса действия и может быть использовано в качестве приемопередающего устройства (ППУ) для радиодальномера когерентно-импульсного (импульсно-доплеровского) типа, принцип действия которого рассмотрен в [1, стр.120-121].

Известны «Способ и устройство для сбора данных, обнаружения и (или) анализа минимум одного объекта» [2], «Способ и устройство формирования ВЧ сигналов для определения расстояния и/или скорости объекта» [3]. Наиболее близким аналогом к предлагаемому устройству является «Способ и устройство формирования ВЧ сигналов для определения расстояния и/или скорости объекта».

Прототип [3] содержит первый автогенератор (АГ) 1, первый направленный ответвитель (НО), второй АГ 2, второй НО, первый смеситель (М 1), первый вход которого соединен с первым выходом первого НО, а второй вход соединен с первым выходом второго НО, полосовой фильтр (ПФ) 7, вход которого соединен с выходом первого смесителя М 1, первое устройство управления амплитудой (УУА) 8, первый вход которого соединен с выходом ПФ 7, передающая антенна 20, вход которой соединен с выходом первого УУА 8, антенну приемную 22, малошумящий усилитель (МШУ) 14, вход которого соединен с выходом антенны приемной 22, второй смеситель М 2, первый вход которого соединен со вторым выходом первого НО, а второй вход соединен с выходом МШУ 14, усилитель промежуточной частоты (УПЧ) 14¹, вход которого соединен с выходом второго смесителя М 2, второе УУА 15, первый вход которого соединен с выходом УПЧ 14¹, третий НО, вход которого соединен с выходом второго УУА 15, третий смеситель М 3, первый вход которого соединен со вторым выходом второго НО, а второй вход соединен с первым выходом третьего НО, усилитель сигнала доплеровской частоты 16, вход которого соединен с выходом третьего смесителя М 3, а выход является когерентным выходом 23 устройства, амлитудный детектор (АД) 17, вход которого соединен со вторым выходом третьего НО, усилитель широкополосный импульсный (УШИ) 18 [4, стр.693], вход которого соединен с выходом АД 17, а выход 22 является некогерентным выходом устройства, первый модулятор 12, выход которого соединен со вторым входом второго УУА 15, второй модулятор 13, выход которого соединен со вторым входом первого УУА 8, блок управления (БУ) 11, выход которого соединен с входами первого 12 и второго 13 модуляторов.

Прототип [3] когерентно-импульсного типа работает с двойным преобразованием частоты в приемнике. На выходе первого смесителя М 1 в результате смешения высокостабильных синусоидальных сигналов первого АГ 1 с частотой f_Г1 второго АГ 2 с частотой f_Г2 образуются синусоидальные сигналы суммарной и разностной частот (f_Г1±f_Г2). Сигнал несущей частоты f_С=(f_Г1+f_Г2) выделяется на выходе ПФ 7, после первого УУА 8 радиоимпульсы через антенну передающую 20 излучаются в пространство. Задержанные радиоимпульсы с выхода антенны приемной 22 через МШУ 14 поступают на второй вход второго смесителя М 2, на первый вход которого поступает гетеродинный сигнал с частотой f_Г1. С выхода второго смесителя М 2 радиоимпульсы с первой промежуточной частотой f_Г2 поступают на вход УПЧ 14¹ и далее через третий НО 15 с первого выхода на второй вход третьего смесителя М 3, на второй вход которого поступает гетеродинный сигнал с частотой f_Г2. На выходе третьего смесителя М 3 после второго преобразования частоты выделяются задержанные видеоимпульсы относительно излученных радиоимпульсов на время распространения сигнала в пространстве до цели и обратно, амплитуда которых изменяется по косинусоидальному закону с частотой Доплера. Видеоимпульсы усиливаются усилителем доплеровской частоты 16 и поступают на когерентный выход 23 устройства. На выходе АД 17 выделяются задержанные видеоимпульсы, которые поступают на вход УШИ 18 и далее на некогерентный выход 22 устройства. К недостатку вышеприведенного устройства следует отнести недостаточную помехозащищенность от прицельных по частоте помех любого типа.

Целью предлагаемого изобретения является обеспечение помехозащищенности ППУ от прицельных по частоте помех.

Указанная цель достигается тем, что в ППУ, содержащее первый АГ, первый НО, вход которого соединен с выходом первого АГ, первый смеситель (См), первый вход которого соединен с первым выходом первого НО, второй АГ, второй НО, вход которого соединен с выходом второго АГ, антенну передающую, первое УУА, первый УПЧ, второй См, УШИ, выход которого соединен с выходом ППУ, БУ, вход которого соединен с первым входом ППУ, первый ПФ, антенну передающую, МШУ, второе УУА, третий См, дополнительно введены вентиль, вход которого соединен со вторым выходом первого НО, фазовращатель (ФВ), первый вход которого соединен с выходом вентиля, второй вход соединен с третьим выходом БУ, а выход соединен с первым входом первого УУА, усилитель мощности (УМ), вход которого соединен с выходом первого УУА, а выход соединен с входом антенны передающей, фильтр нижних частот (ФНЧ), вход которого соединен с выходом второго См, а выход соединен с входом УШИ, второй ПФ, вход которого соединен со вторым выходом второго НО, а выход соединен со вторым входом третьего См, третий ПФ, вход которого соединен с выходом антенны приемной, защитное устройство (ЗУ), вход которого соединен выходом третьего ПФ, первый аттенюатор (Ат), первый вход которого соединен с выходом ЗУ, второй вход соединен с четвертым входом ППУ, а выход соединен с входом МШУ, четвертый ПФ, вход которого соединен с выходом второго УУА, а выход соединен с первым входом третьего См, пятый ПФ, вход которого соединен с выходом третьего См, второй УПЧ, вход которого соединен с выходом пятого ПФ, второй Ат, первый вход которого соединен с выходом второго УПЧ, второй вход соединен с пятым входом ППУ, а выход соединен с первым входом второго См, причем вход первого УПЧ соединен с выходом первого См, а выход соединен со вторым входом второго См, первый выход БУ соединен со вторым входом первого УУА, а второй выход соединен со вторым входом второго УУА, вход первого ПФ соединен с первым выходом второго НО, а выход соединен со вторым входом первого См, вход первого АГ соединен со вторым входом, а вход второго АГ соединен с третьим входом ППУ, выход МШУ соединен с первым входом второго УУА.

Предлагаемое ППУ когерентно-импульсного типа по аналогии с прототипом работает с двойным преобразованием частоты в приемном канале. Первый автогенератор управляемый напряжением (АГУН) работает на несущей частоте в качестве возбудителя в передающем канале для формирования излученного радиосигнала. Второй АГУН работает в приемном канале для формирования опорного сигнала третьего См на частоте, превышающей частоту излученного радиосигнала на величину первой промежуточной частоты. После первого преобразования радиоимпульсы на выходе третьего См переносятся на первую промежуточную частоту. Опорный сигнал для второго См на первой промежуточной частоте формируется после преобразования сигналов первого АГУН и второго АГУН на выходе первого См. После второго преобразования радиоимпульсы на первой промежуточной частоте преобразуются на выходе второго См в видеоимпульсы. Принцип формирования фазы опорного сигнала второго См как разницы фаз второго АГУН и первого АГУН при их синхронной перестройке позволяет сохранять первую промежуточную частоту преобразованных радиоимпульсов постоянной и обеспечивает когерентную обработку принятого радиосигнала. Помехозащищенность от прицельных по частоте помех обеспечивается в результате синхронной перестройки частоты первого и второго АГУН таким образом, чтобы сигнал помехи выводился за пределы полосы пропускания пятого ПФ на выходе третьего См и фильтра низкой частоты (ФНЧ) на выходе второго См. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков, связями между блоками. Таким образом, можно сделать вывод, что заявляемое устройство соответствует критериям «новизна» и «существенные отличия».

На фиг.1 приведена блок-схема ППУ. На фиг.2 - эпюры, поясняющие работу ППУ.

ППУ содержит антенну передающую 1, УМ 2, выход которого соединен с входом антенны передающей 1, первое УУА 3, выход которого соединен с входом УМ 2, ФВ 4, выход которого соединен с первым входом первого УУА 3, вентиль 5, выход которого соединен с первым входом ФВ 4, первый НО 6, второй выход которого соединен с входом вентиля 5, первый См 7, первый вход которого соединен со вторым выходом первого НО 6, первый УПЧ 8, вход которого соединен с выходом первого См 7, второй См 9, второй вход которого соединен с выходом первого УПЧ 8, ФНЧ 10, вход которого соединен с выходом второго См 9, УШИ 11, вход которого соединен с выходом ФНЧ 10, а выход соединен с выходом ППУ, БУ 12, вход которого соединен с первым входом ППУ, первый выход соединен со вторым входом первого УУА 3, а третий выход соединен со вторым входом ФВ 4, первый АГУН 13, вход которого соединен со вторым входом ППУ, а выход соединен с входом первого НО 6, второй АГУН 15, вход которого соединен с третьим входом ЦПУ, а выход соединен с входом второго НО 16, первый ПФ 14, вход которого соединен с первым выходом второго НО 16, а выход соединен со вторым входом первого См 7, второй ПФ 17, вход которого соединен со вторым выходом второго НО 16, антенну приемную 18, третий ПФ 19, вход которого соединен с выходом антенны приемной 18. ЗУ 20, вход которого соединен с выходом третьего ПФ 19, первый аттенюатор (Ат) 21, первый вход которого соединен с выходом ЗУ 20, а второй вход соединен с четвертым входом ППУ, МШУ 22, вход которого соединен с выходом первого Ат 21, второй УУА 23, первый вход которого соединен с выходом МШУ 22, а второй вход соединен со вторым выходом БУ 12, четвертый ПФ 24, вход которого соединен выходом второго УУА 23, третий См 25, первый вход которого соединен выходом четвертого ПФ 24, а второй вход соединен с выходом второго ПФ 17, пятый ПФ 26, вход которого соединен с выходом третьего См 25, второй УПЧ 27, вход которого соединен с выходом пятого ПФ 26, второй Ат 28, первый вход которого соединен с выходом второго УПЧ 27, второй вход соединен с пятым входом ППУ, а выход соединен с первым входом второго См 9.

ППУ работает следующим образом. Первый АГУН 13 с перестройкой частоты варикапом [4, стр.335] управляется внешним напряжением, поступающим со второго входа ППУ от блока обработки (БО) радиодальномера. Фазу сигнала на выходе АГУН 13 запишем в виде:

где

π=180°;

f_Н - нижнее значение частоты первого АГУН 13;

k=0, 1, 2, … - номер литеры, число литер определяется полосой и дискретом перестройки частоты АГУН 13;

Δf - дискрет перестройки частоты АГУН 13;

t - время;

Ф₀₁ - начальная фаза сигнала первого АГУН 13.

В дальнейшем для простоты изложения постоянным набегом фазы в элементах передающего и приемного трактов будем пренебрегать и учитывать только начальные фазы сигналов первого АГУН 13 и второго АГУН 15. Синусоидальный сигнал с выхода первого АГУН 13 поступает на вход первого НО 6 [5, стр.130-137] и далее со второго выхода НО 6 через вентиль 5 [4, стр.277] на первый вход дискретного ФВ 4 [6, стр.128]. На вход БУ 12 с первого выхода ППУ поступает периодическая последовательность прямоугольных импульсов (фиг.2а). Под действием управляющего напряжения (фиг.2б), поступающего с третьего выхода БУ 12, фаза сигнала на выходе ФВ 4 переключается от периода к периоду в пределах (0-π/2). Фазу сигнала на выходе дискретного ФВ 4 запишем в виде:

где

m - номер периода повторения прямоугольных импульсов;

T_П - период повторения прямоугольных импульсов;

T_И - длительность прямоугольных импульсов.

Фазоманипулированный сигнал с выхода ФВ 4 поступает на первый вход первого УУА 3 [5, стр.148-157]. БУ 12 формирует управляющий сигнал требуемой амплитуды и длительности (фиг.2в), который с первого выхода БУ 12 поступает на второй вход первого УУА 3. На выходе первого УУА 3 формируется периодическая последовательность радиоимпульсов требуемой длительности и мощности. Радиоимпульсы с выхода первого УУА 3 поступают на вход УМ 2 с внешним возбуждением [4, стр.339-346]. С выхода УМ 2 радиоимпульсы требуемой мощности поступают на вход антенны передающей 1 и излучаются в пространство. Радиосигнал на выходе антенны передающей 1 запишем в виде:

где

U_C - амплитуда радиосигнала;

В дальнейшем для простоты изложения будем полагать коэффициенты передачи элементов приемного тракта равными 1. Радиоимпульсы, отраженные от цели, с выхода антенны приемной 18 через третий ПФ 19, предназначенный для защиты приемника от мощных внеполосных помех, поступают на вход ЗУ 20 [5, стр.165-169]. С выхода ЗУ 20 радиоимпульсы поступают на первый вход первого Ат 21 [5, стр.158-164] и далее на вход МШУ 22. ЗУ 20 предназначено для защиты МШУ 22 от мощных помех в диапазоне рабочих частот, а первый АТ 21 предназначен для предотвращения перегрузки МШУ 22 ограниченным сигналом помехи с выхода ЗУ 20. На второй вход первого Ат 21 поступает управляющее напряжение с четвертого входа ППУ, под действием которого осуществляется плавная регулировка мощности радиоимпульсов и помехи на выходе Ат 21. Радиоимпульсы с выхода первого Ат 21 поступают на первый вход второго УУА 23, на второй вход которого поступают импульсы бланка (фиг.2г) со второго выхода БУ 12 по времени совпадающие с импульсами управления (фиг.2в) первого УУА 3. В моменты поступления импульсов бланка второе УУА 23 запирается, при этом предотвращается перегрузка приемного тракта излученными радиоимпульсами, которые поступают в приемный тракт из-за конечной развязки между передающей 1 и приемной 18 антеннами. Радиоимпульсы с выхода второго УУА 23 через четвертый ПФ 24, предназначенный для устранения влияния на чувствительность приемного тракта шумов МШУ 22 в диапазоне зеркальных частот, поступают на первый вход третьего См 25. Радиосигнал на первом входе третьего См 25 запишем в виде:

где

R - дальность до цели;

V - скорость сближения (-) или удаления (+) цели;

с - скорость света.

С выхода второго АГУН 15 через второй НО 16 и второй ПФ 17 на второй вход третьего См 25 в качестве гетеродинного поступает сигнал с фазой, определяемой соотношением:

где

f_ПЧ1 - первая промежуточная частота;

Ф₀₂ - начальная фаза второго АГУН 15.

Используя соотношения (2, 6, 8), преобразованный сигнал на выходе третьего См 25 запишем в виде:

Радиоимпульсы на первой промежуточной частоте через пятый ПФ 26 и второй УПЧ 27 поступают на первый вход второго регулируемого Ат 28, на второй вход которого поступает управляющее напряжение с пятого входа ППУ, под действием которого осуществляется плавная регулировка мощности радиоимпульсов на выходе второго Ат 28. Пятый ПФ 26 предназначен для ослабления сигнала помехи при перестройке частоты второго АГУН 15 до уровня, исключающего перегрузку второго УПЧ 27. Под действием внешнего управляющего напряжения аттенюаторы Ат 21 и Ат 28, которые входят в контур автоматической регулировки усиления, осуществляют плавную регулировку уровня мощности принятых радиоимпульсов таким образом, чтобы поддерживать амплитуду сигнала на выходе УШИ 11 постоянной во всем диапазоне измеряемых дальностей. С выхода второго Ат 28 радиоимпульсы на первой промежуточной частоте поступают на первый вход второго См 9, на второй вход которого в качестве гетеродинною поступает сигнал с выхода первого См 7 через первый УПЧ 8. Сигнал первой промежуточной частоты на выходе первого См 7 формируется в результате смешения гетеродинного сигнала, поступающего на второй вход См 7 с выхода второго АГУН 15 через второй НО 16 и первый ПФ 14, а также сигнала с выхода первого АГУН 13, поступающего на первый вход второго См 7 с первого выхода первого НО 6. Первый ПФ 14 и второй ПФ 17 настраиваются в диапазоне рабочих частот второго АГУН 15 и предназначены для ослабления до необходимого минимального уровня просачивающегося сигнала первого АГУН 13 с первого входа первого См 7 на второй вход третьего См 25. Используя соотношения (1, 8) фазу гетеродинного сигнала, поступающего на второй вход второго См 9, запишем в виде:

Используя соотношения (9, 10), преобразованный сигнал на выходе второго См 9 запишем в виде:

Используя соотношения (7, 11), сигнал на выходе второго См 9 после преобразований запишем в виде:

где

На выходе второго См 9 принятый сигнал можно рассматривать как две периодические последовательности видеоимпульсов с периодом повторения 2 T_П, огибающая которых изменяется соответственно по косинусоидальному (фиг.2д) закону для нечетных периодов и синусоидальному (фиг.2е) закону для четных периодов. Наличие двух последовательностей видеоимпульсов, огибающая которых находится в квадратуре, позволяет при обработке сигнала не терять контакт с медленно перемещающейся целью, когда частота Доплера близка к нулевому значению. Результирующий сигнал (фиг.2ж) с выхода второго См 9 через ФНЧ 10 и УШИ 11 поступает на выход ППУ и далее в БО радиодальномера. ФНЧ 10 предназначен для ослабления мощности отстроенного по частоте сигнала помехи до уровня, не превышающего собственные шумы на выходе УШИ 11.

Таким образом, в предлагаемом ППУ по сравнению с прототипом осуществляется синхронная перестройка частот первого АГУН 13 и второго АГУН 15, при этом помеха выводится за полосу пропускания приемного канала, в результате чего обеспечивается помехозащищенность ППУ от прицельных по частоте помех.

Список литературы

1. Справочник по радиоэлектронным системам, том 2. Под редакцией кандидата технических наук Б.Х. Кривицкого. Москва, Энергия, 1979.

2. «Изобретение стран мира» №3 - 2007, стр.85. «Способ и устройство для сбора данных, обнаружения и (или) анализа минимум одного объекта» (заявка США №978132 от 29.10.2004).

3. «Изобретение стран мира» №8 - 2007, стр.75. «Способ и устройство формирования ВЧ сигналов для определения расстояния и (или) скорости объекта»» (заявка США №491089 от 29.03.2004).

4. «Радиотехника». «Энциклопедия». Под редакцией Ю.Л. Мазора, Е.А. Мачусского, В.И. Правды. Москва, Издательский дом «Додэка XXI», 2002.

5. А.В. Морозов, П.Н. Наумов, А.Н. Нырцов. Устройства сверхвысоких частот и антенны, часть 1. Издательство «Радиотехника», Москва - 2009.

6. Н.Т. Бова, П.А. Стукало, В.А. Храмов. Управляющие устройства СВЧ. Издательство «Техника», Киев - 1973.

Изобретение относится к когерентно-импульсным радиолокационным устройствам ближнего радиуса действия. Достигаемый технический результат изобретения - обеспечение помехозащищенности приемопередающего устройства от прицельных по частоте помех. Указанный результат достигается за счет фильтрации сигнала помехи в результате синхронной перестройки частоты задающего генератора в передающем канале и частоты гетеродина для первого смесителя в приемном канале, а также за счет формирования гетеродинного сигнала для второго смесителя в приемном канале в результате преобразования в третьем смесителе гетеродинного сигнала и сигнала задающего генератора передающего канала с получением второго гетеродинного сигнала разностной частоты. 2 ил.

Приемопередающее устройство, содержащее первый автогенератор, первый направленный ответвитель, вход которого соединен с выходом первого автогенератора, первый смеситель, первый вход которого соединен с первым выходом первого направленного ответвителя, второй автогенератор, второй направленный ответвитель, вход которого соединен с выходом второго автогенератора, антенну передающую, первое устройство управления амплитудой, первый усилитель промежуточной частоты, второй смеситель, усилитель широкополосный импульсный, выход которого соединен с выходом приемопередающего устройства, блок управления, вход которого соединен с первым входом приемопередающего устройства, первый полосовой фильтр, антенну передающую, малошумящий усилитель, второе устройство управления амплитудой, третий смеситель, отличающееся тем, что вход первого усилителя промежуточной частоты соединен с выходом первого смесителя, а выход соединен со вторым входом второго смесителя, первый выход блока управления соединен со вторым входом первого устройства управления амплитудой, а второй выход соединен со вторым входом второго устройства управления амплитудой, вход первого полосового фильтра соединен с первым выходом второго направленного ответвителя, а выход соединен со вторым входом первого смесителя, вход первого автогенератора соединен со вторым входом, а вход второго автогенератора соединен с третьим входом приемопередающего устройства, выход малошумящего усилителя соединен с первым входом второго устройства управления амплитудой, дополнительно введены вентиль, вход которого соединен со вторым выходом первого направленного ответвителя, фазовращатель, первый вход которого соединен с выходом вентиля, второй вход соединен с третьим выходом блока управления, а выход соединен с первым входом первого устройства управления амплитудой, усилитель мощности, вход которого соединен с выходом первого устройства управления амплитудой, а выход соединен с входом антенны передающей, фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом второго смесителя, а выход соединен с входом усилителя широкополосного импульсного, второй полосовой фильтр, вход которого соединен со вторым выходом второго направленного ответвителя, а выход соединен со вторым входом третьего смесителя, третий полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом антенны приемной, защитное устройство, вход которого соединен выходом третьего полосового фильтра, первый аттенюатор, первый вход которого соединен с выходом защитного устройства, второй вход соединен с четвертым входом приемопередающего устройства, а выход соединен с входом малошумящего усилителя, четвертый полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом второго устройства управления амплитудой, а выход соединен с первым входом третьего смесителя, пятый полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом третьего смесителя, второй усилитель промежуточной частоты, вход которого соединен с выходом пятого полосового фильтра, второй аттенюатор, первый вход которого соединен с выходом второго усилителя промежуточной частоты, второй вход соединен с пятым входом приемопередающего устройства, а выход соединен с первым входом второго смесителя.