Интерферометрический гомодинный радиолокатор Российский патент 2019 года по МПК G01S13/08 

Изобретение относится к области радиолокации, а именно к гомодинным радиолокаторам.

Известен гомодинный радиолокатор (патент №2626405) с непрерывным частотно-модулированным зондирующим сигналом, в котором используется одна приемно-передающая антенна и обеспечивается расширенный динамический диапазон принимаемых сигналов, при минимизации боковых лепестков сигнальной функции. В этом гомодинном радиолокаторе, дополненным известным устройством параллельного спектрального анализа [И.С. Гоноровский. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Радио и связь, 1994 г.], позиция 10 на фиг. 1, реализуется измерение дальностей Rn, до объектов, находящихся в антенном луче.

Однолучевые гомодинные радиолокаторы находят применение в бортовых радиолокационных станциях (РЛС) бокового обзора пространства с синтезированием апертуры для формирования детального радиолокационного изображения местности. Однако в таких РЛС отсутствует возможность определения высоты (возвышения) лоцируемого объекта над поверхностью.

Для устранения этого недостатка и расширения функциональных возможностей РЛС предлагается ввести второй приемный гомодинный канал с второй приемной антенной, смещенной по вертикали на базу d по отношению к первой. В заявляемом радиолокаторе измеряются дальности до лоцируемых объектов R_n и формируются оценки разности фаз сигналов, принятых (приемными) антеннами (фиг. 2), которые позволяют рассчитать высоты лоцируемых объектов по следующим аналитическим соотношениям:

, определяющему разность хода электромагнитной волны (ЭМВ), причем первый член выражения определяет разность хода для ровной горизонтальной поверхности,

, определяющему разность фаз, измеряемую предлагаемым радаром,

, определяющему высоту объекта лоцирования либо поверхности.

где - волновой коэффициент, H - высота фазового центра антенной системы, d - база антенной системы, h - высота объекта, R₀ - средняя дальность до объекта.

Использование изобретения позволит расширить функциональные возможности радиолокатора за счет измерения второй координаты (высоты) лоцируемого объекта.

Заявленный технический результат достигается тем, что в известном интерферометрическом гомодинный радиолокатор, содержащий генератор зондирующего сигнала, генератор функции временного окна, приемо-передающий канал, состоящий из последовательно соединенных приемо-передающей антенны, циркулятора, аддитивного смесителя, усилителя сигналов биений, амплитудного модулятора, к второму входу которого подключен выход генератора функции временного окна, усилителя с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой, согласно заявляемому изобретению дополнительно введены два устройства параллельного спектрального анализа, многоканальное устройство измерения разности фаз, полусумматор, направленный ответвитель СВЧ сигналов, вход которого соединен с генератором зондирующего сигнала, а первый выход соединен со вторым входом циркулятора; и дополнительный приемный канал, состоящий из последовательно соединенных приемной антенны, сумматора, второй вход которого соединен со вторым выходом направленного ответвителя СВЧ сигналов, второго аддитивного смесителя, второго усилителя сигналов биений, второго амплитудного модулятора, к второму входу которого подключен второй выход генератора функции временного окна, второго усилителя с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой; выходы обоих усилителей с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой приемного и приемо-передающих каналов соединены со входами устройств спектрального анализа, первые выходы которых соединены с входами многоканального устройства измерения разности фаз, а вторые выходы устройств спектрального анализа соединены с входами полусумматора, причем выход полусумматора является первым выходом радиолокатора, выдающим значение оценки средней дальности R_n, выходы многоканального устройства измерения разности фаз являются вторым выходом радиолокатора, обеспечивающими формирование оценки разности фаз и нахождение высот h_n лоцируемых объектов (для n-го номера спектрального канала) по формуле:

где - волновой коэффициент, H - высота фазового центра антенной системы, d - база антенной системы, h_n - высота объекта, R_n - средняя дальность до объекта, полученная с выхода полусумматора, выдающего оценку средней дальности

Суть изобретения поясняется Фигурами 1-6.

На фиг. 1 приведена структурная схема гомодинного радиолокатора-прототипа с устройством параллельного спектрального анализа.

На фиг. 2 изображена геометрия визирования интерферометрического гомодинного радиолокатора

На Фиг. 3 изображена структурная схема интерферометрического гомодинного радиолокатора, где приняты следующие обозначения:

1. Генератор зондирующего сигнала

2. Циркулятор

3. Приемно-передающая антенна

4. Аддитивные смесители

5. Усилители сигналов биений

6. Амплитудные модуляторы

7. Усилители с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой (которые представляют собой последовательно соединенные усилители, первое и второе пропорционально дифференцирующие звенья)

8. Генератор функции временного окна

9. Направленный ответвитель СВЧ сигналов

10. Устройства параллельного спектрального анализа (формирования спектра)

11. Многоканальное устройство измерения разности фаз

12. Полусумматор (выдающий оценку средней дальности

13. Сумматор

14. Приемная антенна

На Фигуре 4 представлен закон изменения частоты зондирующего и принятого сигналов. На Фигуре 4 обозначено:

ƒ₀ - несущая частота зондирующего сигнала (ЗС), ƒ - частота, t - время,

ƒ_б - частота биений, прямо пропорциональная дальности до объекта R,

ƒ_min и ƒ_max - минимальная и максимальная частота зондирующего сигнала с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ),

Δƒ_Д - девиация частоты ЗС,

t_R - временная задержка отраженного сигнала, пропорциональная дальности до объекта R,

Т_м - период модуляции ЗС.

На Фигуре 5 представлены нормированные спектры сигнала биений для нулевых дальностей, S₁(f) - спектр сигнала биений без коррекции, S₂(f) - спектр сигнала биений с учетом частотной коррекции в усилителе с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой.

На Фигуре 6 представлен спектр сигнала биений 5(f) и спектр сигнала биений, модулированный функцией временного окна S_mod(f).

Интерферометрический гомодинный радиолокатор работает следующим образом.

Выходной сигнал генератора ЗС 1 (Фиг. 3), частота которого изменяется по линейному закону (ЛЧМ) (фиг 4), поступает через направленный ответвитель (9) на вход первого плеча циркулятора (2). С выхода второго плеча циркулятора (2) сигнал подается на приемно-передающую антенну (3) и излучается в пространство.

Отраженный от объекта сигнал принимается приемно-передающей антенной (3) и приемной антенной (14). Сигнал с выхода приемно-передающей антенны (3) поступает на второе плечо циркулятора (2) и с минимальными потерями проходит на вход первого аддитивного смесителя (4). На этот же вход (первого аддитивного смесителя (4)) поступает так же гетеродинный сигнал, ослабленный за счет обратного прохождения через циркулятор (2) из первого плеча в третье плечо (на схеме фиг. 3 показан пунктиром). Сигнал с выхода приемной антенны (14) поступает на вход сумматора (13), где суммируется с гетеродинным сигналом, поступающим с направленного ответвителя (9), и далее с выхода сумматора подается на вход второго аддитивного смесителя (4). Аддитивные смесители (4) реализуют перемножение принятых и гетеродинных сигналов и низкочастотную фильтрацию. Далее сигналы обоих каналов интерферометрического гомодинного радиолокатора усиливаются в (малошумящем) усилителе сигнала биений (5), модулируются функцией окна в (6), нормируются в усилителях с квадратической АЧХ (7) и подвергаются процедуре спектрального анализа (10).

Учитывая низкий уровень сигналов, отраженных от объектов с малой величиной эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) - S_эф, выходной сигнал смесителя 4 (сигнал биений) сначала усиливается в усилителе сигнала биений (5) (усилителе с малой величиной коэффициента шума).

Для реализации частотного эспандирования и уменьшения динамического диапазона сигнала биений в гомодинном радиолокаторе используется зависимость интенсивности принятых сигналов от дальности (пропорциональной частоте биений), путем применения квадратичной амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилителя (7). Применение усилителя (7) с квадратичной АЧХ позволяет выравнивать мощность сигналов, принятых от объектов, расположенных на различных дальностях и имеющих одинаковую величину S_эф. При этом динамический диапазон всех сигналов сужается до динамического диапазона наблюдаемой сцены (Фиг. 5).

Однако кроме отмеченного положительного эффекта сужения динамического диапазона, возникает проблема возрастания уровня боковых лепестков функции неопределенности ЛЧМ зондирующего сигнала. Это возрастание создает существенные помехи на радиолокационном изображении сцены - пространственную засветку экрана по дальности, следующую за сигналом, который соответствует отражению от объекта.

Для устранения этого эффекта, а также устранения влияния зон обращения ЛЧМ и паразитной амплитудной модуляции генератора зондирующего сигнала, в гомодинном радиолокаторе применяется амплитудный модулятор (6), в котором сигнал биений (Фиг. 6) модулируется по амплитуде функцией «временного окна», например, в виде функции:

Несложно показать, что в этом случае огибающая спектра сигнала биений на выходе амплитудного модулятора (6) будет иметь вид функции:

где: ω_б - частота биений,

S(ω) - спектральная плотность сигнала биений.

В отличие от функции огибающая спектра сигнала биений, модулированная функцией «временного окна» S_mod(ω), на выходе усилителя с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) (7) (Фиг. 6) имеет более широкий основной лепесток и боковые лепестки, которые спадают, обратно пропорционально третьей степени частоты.

Таким образом, умножение сигнала в амплитудном модуляторе (6) на функцию окна, приводит к компенсации сомножителя , и, следовательно, спектр огибающей сигнала биений будет иметь вид функции:

В результате в гомодинном радиолокаторе не будет наблюдаться нежелательного роста уровня боковых лепестков функции неопределенности ЛЧМ сигнала.

Генератор зондирующего сигнала (1) и генератор функции временного окна (8) синхронизируются по времени (на фиг. 1, 3 не показано).

В устройствах параллельного спектрального анализа (10) осуществляются преобразования сигналов биений в их спектры, которые подаются на многоканальное устройство измерения разности фаз (11), обеспечивающее формирование оценки разности фаз для нахождения высот h_n лоцируемых объектов по формуле (оценка разности фаз может быть сформирована различными способами, например после оцифровки сигналов и их спектрального анализа как arctg отношения квадратур спектров сигналов с выхода 10):

, определяющему высоту объекта лоцирования либо поверхности.

где - волновой коэффициент, H - высота фазового центра антенной системы, d - база антенной системы, h_n - высота объекта, R_n - средняя дальность до объекта, полученная с выхода полусумматора (12), выдающего оценку средней дальности

Спектры сигналов биений с устройства (10) подаются так же на полусумматор (12). Выход полусумматора является выходом системы, выдающим оценки дальностей R_n.

Таким образом, технический результат от использования предложенного технического решения заключается в повышении функциональных возможностей гомодинного радиолокатора за счет одновременного определения дальности и высоты объектов или измерения рельефа подстилающей поверхности.

Изобретательский уровень предложенного технического решения подтверждается отличительной частью формулы изобретения.

Изобретение относится к области радиолокации, а именно к гомодинным радиолокаторам. Достигаемый технический результат - возможность определения высоты лоцируемого объекта. Отличием изобретения является то, что гомодинный радиолокатор содержит приемо-передающий и приемный каналы (антенны которых разнесены на базу d), устройства формирования спектра (например, с помощью БПФ) и многоканальное устройство измерения разности фаз. 6 ил.

Интерферометрический гомодинный радиолокатор, содержащий генератор зондирующего сигнала, генератор функции временного окна, приемо-передающий канал, состоящий из последовательно соединенных приемо-передающей антенны, циркулятора, аддитивного смесителя, усилителя сигналов биений, амплитудного модулятора, к второму входу которого подключен выход генератора функции временного окна, усилителя с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой, отличающийся тем, что дополнительно введены два устройства параллельного спектрального анализа, многоканальное устройство измерения разности фаз, полусумматор, направленный ответвитель СВЧ сигналов, вход которого соединен с генератором зондирующего сигнала, а первый выход соединен со вторым входом циркулятора; и дополнительный приемный канал, состоящий из последовательно соединенных приемной антенны, сумматора, второй вход которого соединен со вторым выходом направленного ответвителя СВЧ сигналов, второго аддитивного смесителя, второго усилителя сигналов биений, второго амплитудного модулятора, к второму входу которого подключен второй выход генератора функции временного окна, второго усилителя с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой; выходы обоих усилителей с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой приемного и приемо-передающих каналов соединены со входами устройств спектрального анализа, первые выходы которых соединены с входами многоканального устройства измерения разности фаз, а вторые выходы устройств спектрального анализа соединены с входами полусумматора, причем выход полусумматора является первым выходом радиолокатора, выдающим значение оценки средней дальности R_n, выходы многоканального устройства измерения разности фаз являются вторым выходом радиолокатора, обеспечивающими формирование оценки разности фаз и нахождение высот h_n лоцируемых объектов для n-го номера спектрального канала по формуле:

где - волновой коэффициент, Н - высота фазового центра антенной системы, d - база антенной системы, h_n - высота объекта, R_n - средняя дальность до объекта, полученная с выхода полусумматора, выдающего оценку средней дальности