СОВМЕЩЕННАЯ СИСТЕМА РАДИОЛОКАЦИИ И СВЯЗИ НА РАДИОФОТОННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ Российский патент 2019 года по МПК H04B10/2575 

Изобретение относится к системам обмена данными между источниками информации, расположенными на воздушных или наземных подвижных объектах (ПО), и может быть использовано в системе из радиолокационных станций (РЛС) с активными фазированными антенными решетками (АФАР).

Известен радиолокатор с активной фазированной антенной решеткой [1].

Он состоит из АФАР с унифицированными приемо-передающими модулями, задающего генератора, многоканального приемника СВЧ сигналов с аналого-цифровым преобразователем, многопроцессорной цифровой вычислительной системы.

Формирование диаграммы направленности (ДН) антенной решетки (АР) на передачу реализуется за счет сложения во внешнем пространстве энергии сигналов, подведенной к излучателям от общего источника или от автономных генераторов, размещенных в канале излучателей. При этом фазовое распределение в раскрыве АР изменяется системой управления лучом (СУЛ) с помощью электрически управляемых фазовращателей. В тракт каждого излучателя АФАР включается активный элемент, работающий в качестве синхронизируемого генератора или усилителя мощности.

В РЛС с модульным принципом форомирования ДН на прием обработка принимаемых сигналов реализуется в следующей последовательности: сначала производится суммирование СВЧ сигналов в каждом из модулей (подрешеток) АР, затем реализуется обычная фильтровая обработка принимаемых колебаний подрешеток (усиление на СВЧ, преобразование частоты, усиление на промежуточной частоте), после чего с помощью фазового детектора реализуется формирование квадратурных составляющих на видеочастоте. В дальнейшем квадратурные составляющие принимаемых сигналов преобразуются в цифровую форму с помощью преобразователя «напряжение-код».

Цифровое преобразование сигналов включает два этапа: дискретизация по времени и квантование по амплитуде. При цифровом формировании лучей приемной ДН необходимо многоразрядное квантование выборок напряжения при высокой частоте временной дискретизации (порядка 5 и более МГц).

Для цифрового формирования ДН обычно используется способ, основанный на введении сдвигов фазы в сигналы, принятые элементами решетки.

К недостаткам аналога следует отнести то, что у одиночного радиолокатора мала зона обслуживания и такое построение РЛС не позволяет сформировать как сверхкороткие импульсы (до десятых долей не), так и импульсы со сверхбольшой базой, и, следовательно, увеличить разрешающую способность по дальности, а также организовать на ее базе систему радиосвязи с другими объектами.

Известна радиолокационная станция на основе элементов радиофотоники, которая и принята за прототип [2, рис. 1]. Она включает в себя следующие основные блоки: синтезатор опорных частот, синхронизатор, передатчик с устройством формирования зондирующего сигнала (УФЗС), система управления лучом (СУЛ), АФАР, оптический цифровой приемник, устройства первичной (ПО) и вторичной (ВО) обработки и автоматизированное рабочее место (АРМ). Оператор с АРМ дает команду синхронизатору о начале работы РЛС. Синхронизатор обеспечивает временную синхронизацию системы, вырабатывая тактовые импульсы с частотой синхронизации (f_синх), полученной от синтезатора опорных частот.

Синтезатор опорных частот вырабатывает сетку рабочих частот, обеспечивая синфазность работы РЛС. Радиофотонные опорные синтезаторы имеют более чем на порядок лучшие характеристики по шумам и стабильности при одновременном уменьшении на два порядка габаритов и энергопотребления [2].

Синхронизатор посылает стартовый импульс (S_cтapт) на УФЗС, который генерирует зондирующие сигналы (ЗС) на оптической несущей, которые подводятся к активной фазированной антенной решетке по многомодовому оптическому волокну. Таким образом формируется зондирующий сигнал на оптической несущей и передается к АФАР по волоконно-оптической линии связи (ВОЛС), что значительно снижает потери в тракте передачи и уменьшает чувствительность РЛС к внешнему электромагнитному воздействию. Кроме того, схема разводки оптического сигнала позволяет за счет использования ВОЛС снизить энергетические потери в тракте передачи, увеличить стабильность и идентичность оптических характеристик, выделенных групп приемо-передающих каналов АФАР.

Формируемые оптические зондирующие сигналы усиливаются в оптическом усилителе оптического приемо-передающего модуля АФАР, после чего, попадают на перестраиваемую оптическую линию задержки, обеспечивающую угол поворота фазы радиочастотной составляющей для формирования диаграммы направленности АФАР в нужном направлении. Перестраиваемая оптическая линия задержки управляется сигналами, поступающими от системы управления лучами. После попадания оптического импульса на фотодетектор выделяется радиочастотная компонента на выходе фотоприемника, которая поступает на вход цепочки усилителей. После оконечного усилительного каскада радиосигнал через циркулятор попадает на канальный излучатель антенны.

Для защиты малошумящего усилителя АФАР от мощного зондирующего сигнала на вход каждого приемо-передающего модуля АФАР с выхода синхронизатора подается бланкирующий строб. С (N+1)-го выхода системы управления лучами на (N+1)-й вход видеосигналов АФАР подается управляющий сигнал, регулирующий уровень мощности оконечного усилителя каждого приемопередающего модуля АФАР. С (N+1)-го оптического выхода передатчика по ВОЛС на (N+1)-й вход оптического цифрового приемника поступает сигнал рабочей частоты переданного зондирующего сигнала.

При приеме, пройдя канальную антенну, принятая смесь сигнала и шума через циркулятор АФАР попадает на защитное устройство (ЗУ), предотвращающее перегрузку приемного тракта. В малошумящем усилителе (МШУ) отраженный эхосигнал (ЭС) усиливается и передается на электрооптический модулятор (ЭОМ) приемного тракта, на который в паузах между передаваемыми сигналами на излучение подается когерентная оптическая несущая. Оптическая несущая модулируется принятым сигналом и по многомодовому оптическому волокну поступает на вход оптического цифрового приемника. Оптический цифровой приемник разнесен с антенным полотном. Это позволяет уменьшить массо-габаритные параметры антенного полотна РЛС и за счет использования ВОЛС снизить энергетические потери в тракте приема.

Концепция разделения приемо-передающей аппаратуры и антенного полотна АФАР позволяет снизить воздействия климатических условий, и как следствие, увеличить стабильность характеристик.

В оптическом цифровом приемнике сигналы из N каналов АФАР оцифровываются и поступают на блок постобработки, в котором формируется суммарная и разностные приемные диаграммы направленности, осуществляется многоканальная пространственно-временная обработка сигналов и подавление активных помех [2, 3].

Структура оптического цифрового приемника с применением оптической предобработки сигнала позволяет производить аналого-цифровое преобразование коротких и быстрых сигналов, используя аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) с малой частотой выборки, что позволяет реализовать на существующей элементной базе прием и оцифровку принимаемых сигналов.

Далее оцифрованные эхосигналы поступают на устройство первичной обработки, в котором выполняется обнаружение сигнала на фоне помех и формирование единичных отметок от цели (пороговая обработка, измерение параметров сигнала и координат).

Обнаружение траекторий цели в зоне ответственности РЛС и оценка параметров обнаруженных траекторий производится в устройстве вторичной обработки. Информация от устройств первичной и вторичной обработки поступает на АРМ. Управление режимами работы РЛС осуществляется с пульта управления, входящего в состав АРМ.

Известно, что на системном уровне радиофотоника позволяет создавать пространственно разнесенные, распределенные посредством волоконно-оптических линий связи радиооптические активные фазированные антенные решетки РЛС, которые имеют существенные преимущества перед традиционными активными фазированными антенными решетками, например, они позволяют реализовать их интеграцию в конструкцию носителей, создавая «интеллектуальную обшивку», например, фюзеляжа самолета, как основу для организации радиолокационных систем большой дальности и радиоэлектронной борьбы [3, 4].

Недостатками прототипа являются:

- отсутствие возможности организации связи с воздушными и наземными получателями информации, хотя за счет «интеллектуальной обшивки» носителя имеется возможность формирования диаграммы направленности ФАР по азимуту круговой формы;

- зона обнаружения (ответственности) одиночной РЛС ограничена ее энергетическими характеристиками, что снижает помехозащищенность;

- затруднено управление РЛС подвижного носителя (объекта) и не используется информация РЛС, если он беспилотный.

Основной технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение функциональных возможностей радиолокатора, а именно, реализация, наряду с основным режимом радиолокации, режима обмена данными между воздушными и наземными РЛС системы путем использования приемо-передающих узлов РЛС и введения дополнительный блоков.

Указанный технический результат достигается тем, что в совмещенную систему радиолокации и связи на радиофотонных элементах, состоящую из радиолокационных станций (РЛС) на радиофотонных элементах, причем каждая из РЛС содержит N-канальную активную фазированную антенную решетку, включающую N оптических приемо-передающих модулей и соединенную через первую N-канальную волоконно-оптическую линию связи с N выходами передатчика, через вторую N-канальную ВОЛС с N входами оптического цифрового приемника, N входов видеосигналов АФАР подключены к N выходам системы управления лучами, синхронизатор двухсторонними связями соединен с синтезатором опорных частот, первый выход синхронизатора соединен с (N+1)-м входом АФАР, подключенным к входу каждого защитного устройства приемопередающего модуля АФАР, а второй выход синхронизатора подключен к первому входу системы управления лучами, выходы тактовых импульсов синхронизатора подключены к соответствующим синхровходам передатчика, устройство первичной обработки соединено с автоматизированным рабочим местом (АРМ) как напрямую, так и через устройство вторичной обработки, первый и второй выходы управления автоматизированного рабочего места подключены к соответствующим входам синхронизатора и системы управления лучами, первый вход передатчика подключен к соответствующему выходу синтезатора опорных частот, (N+1)-й выход системы управления лучами соединен с (N+1)-м входом каждого оптического приемо-передающего модуля АФАР, соединенного с входами N перестраиваемых оптических линий задержки, (N+1)-й оптический выход передатчика по первой ВОЛС соединен с (N+5)-м входом оптического цифрового приемника, дополнительно введены первый и второй коммутаторы, аппаратура передачи данных (АПД), приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем с антенной, синхровыход которого подключен одновременно к входам автоматизированного рабочего места и синхронизатора, а координатный выход соединен с соответствующим входом АРМ, третий, четвертый, пятый и шестой выходы управления автоматизированного рабочего места подключены к управляющим входам первого и второго коммутаторов, передатчика и синтезатора опорных частот соответственно, группа из М параллельных выходов оптического цифрового приемника через первый коммутатор подключена к устройству первичной обработки информации, а (М+1) выход оптического цифрового приемника через первый коммутатор подключен к АПД, третий выход синхронизатора подключен к синхровходу аппаратуры передачи данных, а четвертый выход - к первому информационному входу второго коммутатора, второй информационный вход которого подключен к выходу аппаратуры передачи данных, выход второго коммутатора подключен к входу передатчика, АПД и АРМ связаны между собой двухсторонними связями, в АФАР установлены четыре оптических приемных модуля, антенны которых соответствующей поляризации сдвинуты относительно друг друга на 90°, выходы четырех оптических приемных модулей через 4-х канальную волоконно-оптическую линию связи подключены к соответствующим входам оптического цифрового приемника, четыре видеочастотных выхода которого соединены со схемой преобразования вызывного сигнала, выход которой через первый коммутатор подключен к одному из входов АПД, выходы тактовых импульсов синхронизатора подключены к соответствующим синхровходам оптического цифрового приемника, управление таблицей сигналов осуществляется с АРМ в режимах «радиолокация-связь», синхровходы ЦАП соединены с соответствующим выходом тактовых импульсов синхронизатора, оптический выход синтезатора опорных частот по второй ВОЛС подключен к (N+6)-y оптическому входу оптического цифрового приемника, вход/выход АРМ является низкочастотным входом/выходом системы, а вход/выход АФАР является высокочастотным входом/выходом системы, который по среде распространения радиоволн соединен с К другими РЛС, выполненными на радиофотонных элементах.

В оптический цифровой приемник дополнительно введены четыре параллельных схемы, каждая из которых состоит из последовательно соединенных первого фотодетектора и АЦП, причем ко входам первых фотодетекторов подключена 4-х канальная ВОЛС, а выходы всех АЦП подключены к соответствующим входам схемы преобразования вызывного сигнала, при этом синхровходы АЦП соединены с соответствующим выходом тактовых импульсов синхронизатора.

В АФАР дополнительно введены четыре оптических приемных модуля, каждый из которых состоит из последовательно соединенных антенны, защитного устройства, малошумящего усилителя, первого электронно-оптического модулятора, причем к оптическим выходам через 4-х канальную ВОЛС подключены соответствующие входы оптического цифрового приемника, а оптический выход синтезатора опорных частот через вторую ВОЛС, второй разветвитель АФАР подключен к соответствующим входам первых четырех электронно-оптических модуляторов оптических приемных модулей.

На фиг. 1 представлена структурная схема совмещенной системы радиолокации и связи на радиофотонных элементах, состоящей из радиолокационных станций (РЛС) на радиофотонных элементах и введены обозначения:

1 - синтезатор опорных частот;

2 - синхронизатор;

3 - передатчик;

4 - система управления лучом АФАР 5;

6 - оптический цифровой приемник;

7 - устройство первичной обработки информации;

8 - устройство вторичной обработки;

9 - автоматизированное рабочее место (АРМ);

10 - первая N-канальная волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС);

11- вторая N-канальная ВОЛС;

12- первая ВОЛС;

13 - высокочастотный вход/выход АФАР системы;

14 - первый коммутатор;

15 - второй коммутатор;

16 - аппаратура передачи данных (АПД);

17 - радиолокационные станции системы;

18 - приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем с антенной;

19 - 4-х канальная ВОЛС;

20 - схема преобразования вызывного сигнала;

21 - низкочастотный вход/выход системы;

49 - вторая ВОЛС.

На фиг. 2 представлена структурная схема оптического цифрового приемника 6 и введены обозначения:

22 - N приемных каналов;

23 - диспергирующая среда;

24 - демультиплексор;

25 - первый фотодетектор;

26 - аналоговой цифровой преобразователь (АЦП);

27 - блок постобработки.

На фиг. 3 представлена структурная схема АФАР 5 на базе фотоники и введены обозначения:

28 - оптический приемо-передающий модуль;

29 - первый оптический усилитель;

30 - перестраиваемая оптическая линия задержки;

31 - второй фотодетектор;

32 - оконечный усилитель;

33 - циркулятор;

34 - антенна;

35 - защитное устройство;

36 - малошумящий усилитель;

37 - первый электрооптический модулятор;

38 - оптический приемный модуль;

50 - второй разветвитель.

На фиг. 4 представлена структурная схема передатчика 3 на радиофотонике и введены обозначения:

39 - таблица сигналов;

40 - канал передачи;

41 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП);

42 - фильтр нижних частот;

43 - квадратурный модулятор;

44 - второй электрооптический модулятор;

45 - второй оптический усилитель;

46 - первый разветвитель;

47 - переключатель;

48 - лазер.

Радиолокационная система на радиофотонных элементах работает в рамках единых системы координат, привязанной к электронной карте местности, времени, частотного плана связи и локации, обеспечивающих электромагнитную совместимость объектов 17 и взаимоувязанный алгоритм функционирования.

Объекты 17 системы разделяют на обслуживаемые и не обслуживаемые (беспилотные). Единое время в системе организуется за счет синхронизации всех средств обработки объектов 17 метками точного времени с выхода приемников 18 сигналов глобальных навигационных спутниковых систем с антенной. Различие радиолокационных станций 17 системы состоит в том, что в не обслуживаемых объектах от автоматизированного рабочего места 9 остается только вычислитель, а программы алгоритмов работы, движения, локации и связи задаются при предстартовой подготовке по низкочастотному входу/выходу 21. В системе назначается ведущая РЛС, например, (К+1)-я - обычно обслуживаемая оператором, на которую с других объектов 17 передаются данные об их местоположении и параметрах движения, обнаруженных целях и их характеристиках, типах помех и координатах постановщика, состоянии оборудования и другие сведения. Алгоритм вычислительных средств АРМ 9 и АПД 16 построены так, что количество бит в сообщении, используемом при обмене данными, обычно не превышает 96. Если за один обзор РЛС 17 появится, например, 100 таких сообщений и полоса передающего 40 и приемного 22 каналов АФАР 5 составляет 5 МГц, то требуемое время сеанса связи будет составлять 2 мс, что существенно меньше длительности одного периода повторения РЛС 17. Благодаря обмену данными между ведущей РЛС 17_К+1 и объектами системы в каждом АРМ 9 или заменяющем его вычислителе не обслуживаемого объекта хранятся данные о местоположении и параметрах движения всех объектов системы. Кроме того ведущая РЛС 17_К+1, сканируя воздушное пространство, также определяет параметры объектов 17 системы и на их основе уточняет данные об их координатах и параметрах движения.

Режимы работы РЛС 17 зависят от положения ее в пространстве: наземная или воздушная. Наземными РЛС 17 обнаруживаются воздушные и наземные цели в пределах прямой видимости РЛС. В РЛС 17 воздушного базирования значительно увеличивается зона обнаружения тех же целей в зависимости от высоты полета. За счет интеграции в конструкцию объектов 17 приемопередающих модулей АФАР 5 создается «интеллектуальная обшивка», например, на фюзеляже самолета, что позволяет организовать за счет применения радиофотонных элементов, радиолокационную систему с круговой зоной обнаружения большей, чем у одиночного наземного радиолокатора [4, 5] и радиосистему передачи данных с зоной обслуживания, охватывающей все объекты 17 системы. На время передачи данных управляемые с помощью вычислителя АРМ 9 системы 4 управления лучом, перестраиваемые оптические линии 30 задержки и оптические приемо-передающие модули 28 диаграммы направленности передающей и приемной АФАР 5 для организации связи должны быть направлены друг на друга.

Для исключения не синхронных импульсных помех из-за зондирующих сигналов других РЛС 17 системы зондирующие сигналы формируются в один и тот же интервал времени, но на разных частотах выделенного радиочастотного спектра и являются ортогональными относительно других зондирующих сигналов и радиосигналов связи, например, с использованием составных сигналов, представляющих функции Уолша и кодов Баркера [5, 6, 7]. Для повышения помехозащищенности может быть использована псевдослучайная перестройка рабочей частоты локации и связи. Такие процедуры усложняют постановку прицельных помех. Для организации обмена данными, если они имеются, каждой РЛС 17 отводится общая для всех объектов 17 системы рабочая частота связи на заданный (известный всем) промежуток времени, не совпадающая с частотами зондирующих сигналов, имеющая свой интервал времени существования, например, следующий период повторения после передачи на вызываемую РЛС 17 сообщения о запросе связи с адресом получателя сообщений, адресом источника сообщений с его координатами. Принимается вызывное сообщение четырьмя оптическими приемными модулями 38 АФАР 5, каждый из которых работает в своей полусфере: передней, задней и двух боковых. Построение оптических приемных модулей 38 аналогичное структуре приемной части оптических приемопередающих модулей 28 АФАР 5 (без циркулятора): антенна 34_N+1-34_N+4, защитное устройство 35_N+1-35_N+4, малошумящий усилитель 36_N+1-36_N+4, электронно-оптический модулятор 37_N+1-37_N+4 c входом для оптической несущей и выходом на оптическое волокно одного из каналов четырех канальной ВОЛС 19. Управление защитными устройствами 35_N+1-35_N+4 осуществляется также от синхронизатора 2. На время сеанса связи в АРМ 9 блокируется прием сообщений от схемы 20 преобразования вызывного сигнала. Пройдя в АФАР 5 последовательно соединенные узлы: антенну 34, циркулятор 33, защитное устройство 35, малошумящий усилитель 36, радиосигналы в электронно-оптическом модуляторе 37 преобразуются в оптические и по 4-х канальной ВОЛС 19 поступают на оптический цифровой приемник 6, в котором, пройдя через соответствующий (из четырех) первый фотодетектор 25 на аналогово-цифровой преобразователе 26 преобразуются в цифровую форму. Затем дискретные сигналы передаются на схему 20 преобразования вызывного сигнала, в которой из четырех сигналов выбирается лучший, например, по отношению сигнал/шум и отобранный сигнал транслируется через первый коммутатор 14, АПД 16 на соответствующий вход АРМ 9 для обработки. В АРМ 9 при достоверном приеме оценивается адрес получателя и координаты отправителя вызывного сообщения и, если адрес совпадает с собственным, то начинают подготовку к приему информации, начиная со следующего периода повторения. Для этого с АРМ 9 выдаются команды на синтезатор 1 опорных частот для установки на следующий период повторения частоты связи, на синхронизатор 2 для выдачи: на АЦП 26 оптического цифрового приемника 6, на цифро-аналоговые преобразователи 41 передатчика 3 импульсов дискретизации по времени, систему 4 управления лучом АФАР 5 для наведения главного лепестка АФАР 5 на вызывающий объект 17. К следующему периоду повторения вызываемая РЛС должна подготовиться к приему сообщения, автоматически, направив главный лепесток диаграммы направленности АФАР 5 в направлении на вызывающий объект и отключив вход устройства 7 первичной обработки от оптического цифрового приемника 6 с помощью команды от вычислителя АРМ 9, подаваемой на управляющий вход первого коммутатора 14. Одновременно в АРМ 9 подготавливается сообщение, состоящее из адреса вызывающего объекта 17, обработанной информации о целях и помехах, собственном местоположении и параметрах движения, текущем времени, собственном адресе, состоянии оборудования и другие. В момент начала интервала времени, отведенного для организации обмена данными, сформированное в АРМ 9 сообщение через АПД 16, где для повышения помехоустойчивости оно кодируется, второй коммутатор 15, управляемый АРМ 9, поступает в передатчик 3. В передатчике 3 могут быть проведены, например, следующие процедуры: сообщение распределяется по N-каналам и в соответствии с известной всем объектам 17 системы таблицей 39 сигналов формируются 2 N квадратурных сигналов, которые раздельно обрабатываются в цифро-аналоговом преобразователе 41, фильтруются в фильтре 42 нижних частот, преобразуются в радиосигнал несущей (связной) частоты в квадратурном модуляторе 43, переносятся в оптический диапазон с помощью второго оптоэлектронного модулятора 44, в качестве несущей в котором используется излучение лазера 48, прошедшее через переключатель 47 и распределенное по N оптическим усилителям 45, и по соответствующим линиям первой N-канальной волоконно-оптической линии 10 связи поступают на входы оптических приемопередающих модулей 28 АФАР 5. Если оптической мощности после разветвления не хватает для нормальной работы вторых оптоэлектронных модуляторов 44, то устанавливают вторую группу узлов: 48, 47, 46, третью и так далее. В оптических приемо-передающих модулях 28 оптические сигналы усиливаются в первых оптических усилителях 29 задерживаются в перестраиваемой оптической линии 30 задержки, управляемой системой 4 управления лучом АФАР 5, преобразуются в радиосигнал во втором фотодетекторе 31, усиливаются в оконечном усилителе 32 и через циркулятор 33 и антенну 34 излучаются в сторону вызывающего объекта 17. Излучатели антенн 34 выбираются таким образом, чтобы их параметры перекрывали весь выделенный для радиолокации и связи частотный диапазон. В качестве излучателей антенн 34 могут быть применены, например, легкие плоские ленточные антенны, наклеиваемые через диэлектрик на «заземленную» металлическую поверхность фюзеляжа или токопроводящую пластину, что позволит уменьшить число отводимых под антенны выступающих поверхностей на объекте 17, а, следовательно, улучшить его аэродинамические характеристики увеличить скорость и уменьшить расход горючего. Марка материалов лент и диэлектрика для излучателей определяются волновым сопротивлением, диапазоном частот и другими требованиями [8, 9].

На вызывающем объекте 17 оборудование подготавливается к работе в режиме связи: с помощью АРМ 9: устанавливается в синтезаторе 1 опорных частот несущая частота связи и подается в передатчик 3, в синхронизаторе 2 в известном по времени интервале связи формируются тактовые импульсы для АЦП 16 оптического цифрового приемника 6, ЦАП 41 передатчика 3, первый коммутатор 14 с помощью команды с АРМ 9 переключает свой информационный выход на АПД 16. С выхода АПД 16 декодированная информация поступает на АРМ 9 для анализа и хранения. При недостоверном приеме с АРМ 9 через АПД 16, второй коммутатор 15, передатчик 3, первую N-канальную ВОЛС 10, АФАР 5 посылается повторное вызывное сообщение. При правильном приеме со следующего периода повторения работа объекта 17 в режиме радиолокатора возобновляется.

Для начала работы в обслуживаемом объекте 17 оператор с АРМ 9 посылает команду на синхронизатор 2 о работе в режиме радиолокатора. Синхронизатор 2 совместно с приемником 18 сигналов глобальных навигационных спутниковых систем с антенной обеспечивает временную синхронизацию системы, вырабатывая тактовые импульсы с частотой синхронизации, полученной от синтезатора 1 опорных частот. В не обслуживаемом объекте 17 команда на синхронизатор 2 о начале работы в режиме радиолокатора задается автоматически при его старте. Переход на совместный режим работы «радиолокатор-связь» осуществляется по команде с ведущей РЛС 17_К+1 или в случае прихода вызывного радиосигнала на оптические приемные модули 38, работающие в качестве дежурных приемников. Синтезатор 1 опорных частот по команде с АРМ 9 в соответствии с заданным по входу 21 планом работы вырабатывает сетку рабочих частот передатчика 5 для радиолокации или связи, обеспечивая синфазность работы оборудования объекта 17. Для постоянного обеспечения оптической несущей четырех первых электронно-оптических модуляторов 37_N+1-37_N+4 оптических приемных модулей 38 она подается к ним с синтезатора 1 опорных частот по второй ВОЛС 49 через второй разветвитель 50 АФАР 5.

Синхронизатор 2 в режиме радиолокатора формирует стартовый импульс и посылает его на передатчик 3, который генерирует зондирующие сигналы на оптической несущей, которые в свою очередь подводятся к активной фазированной антенной решетке 5 по многомодовому оптическому волокну первой N-канальной волоконно-оптической линии 10 связи, что значительно снижает потери в трактах передачи радиосигналов, уменьшает чувствительность РЛС к внешнему электромагнитному воздействию, увеличивает стабильность и идентичность оптических характеристик оптических приемо-передающих модулей 28 АФАР 5. Формируемые оптические зондирующие сигналы усиливаются в оптическом усилителе 29 оптического приемо-передающего модуля 28 АФАР 5, после чего попадают на перестраиваемую оптическую линию 30 задержки, обеспечивающую угол поворота фазы радиочастотной составляющей для формирования диаграммы направленности АФАР 5 в нужном направлении. Перестраиваемая оптическая линия задержки 30 управляется сигналами, поступающими от системы 4 управления лучами. После попадания оптического импульса на второй фотодетектор 31 выделяется радиочастотная компонента, которая поступает на вход оконечного усилителя 32, управляемого с АРМ 9 в зависимости от расстояния между абонентами. После оконечного усилителя 32 радиосигнал через циркулятор 33 попадает на канальный излучатель антенны 34 и через него на высокочастотный вход/выход 13 АФАР системы. Для защиты малошумящего усилителя 36 АФАР 5 от мощных зондирующего или связного радиосигнала на вход каждого защитного устройства 35 оптического приемопередающего модуля 28 АФАР 5 с выхода синхронизатора 2 подается бланкирующий строб. С (N+1)-го оптического выхода передатчика 3 по первой ВОЛС 12 на (N+1)-й вход диспергирующей среды 23, выполненной, например, на Брегговской решетке [9], подсвеченной оптическим сигналом с узла 3, каждого из N приемных каналов 22 оптического цифрового приемника 6. В демультиплексере 24 оптические сигналы в зависимости от частоты распределяются по соответствующим ветвям, состоящим из последовательно соединенных узлов 25 и 26, через которые и напрямую подключены к блоку постобработки 27. При приеме, пройдя канальную антенну 34, принятая смесь сигнала и шума через циркулятор 33 АФАР 5 попадает на защитное устройство 35, управляемое синхронизатором 2 и предотвращающее перегрузку малошумящего усилителя 36, в котором отраженный эхосигнал или связной сигнал усиливается и передается на электрооптический модулятор 37, на который в паузах между зондирующими сигналами и во время связных радиосигналов подается соответствующая когерентная оптическая несущая, которая модулируется принятым сигналом и по многомодовому оптическому волокну второй N-канальной ВОЛС 11 поступает на вход оптического цифрового приемника 6, разнесенного с антенным полотном АФАР 5, что позволяет уменьшить массо-габаритные характеристики антенного полотна АФАР 5 и за счет использования второй N-канальной ВОЛС 11 снизить энергетические потери и искажения радиосигналов в тракте приема.

Четыре оптических приемных модуля 38 в АФАР 5 выполняют роль постоянно настроенных на частоту связи дежурных приемников. Частота связи и временной интервал ее существования известны всем объектам 17 системы из плана связи, разрабатываемого в ведущей РЛС, например, в 17_К+1. На время передачи зондирующего или связного сигнала с оконечного усилителя 32 прием радиосигналов блокируется с помощью узла 35 импульсами с синхронизатора 2. Формирование вызывного сигнала и подготовка к передаче данных с источника информации (объекта 17) о параметрах обнаруженных и сопровождаемых целей в следующий период повторения осуществляется после окончания передачи в эфир зондирующего сигнала. На весь этот период повторения с помощью первого коммутатора 14 отключается вход устройства первичной обработки 7 от выхода оптического цифрового приемника 6. Интервалы локации и связи разделены по времени и по частоте, для локации и связи применены ортогональные сигналы поэтому новый режим работы практически не ухудшает вероятность правильного обнаружения. Не обслуживаемые объекты 17 могут быть отведены с помощью других объектов 17 от потенциально конфликтных ситуаций. При наличии помех для обхода наиболее опасных направлений объекты 17 могут быть использованы в качестве ретрансляторов сообщений. Низкочастотный вход/выход 21 системы может быть использован для сопряжения с автоматизированными системами управления различного назначения.

Концепция разделения приемо-передающей аппаратуры и антенного полотна АФАР позволяет снизить степень воздействия климатических условий, увеличить стабильность характеристик системы. Блочно-модульная конструкция построения АФАР 5 дает широкие возможности по управлению формой и созданию многолучевых диаграмм направленности, обеспечивает гибкость в управлении АФАР 5 на передачу и прием в режимах радиолокации и связи, позволяет унифицировать базовые сменные модули, что улучшает эксплуатационные характеристики системы.

Обнаружение траекторий цели в зоне ответственности РЛС и оценка параметров обнаруженных траекторий производится в режиме «Радиолокация» с помощью устройства 8 вторичной обработки. Информация от устройств первичной и вторичной обработки поступает на АРМ. Управление режимами работы РЛС осуществляется с пульта управления, входящего в состав АРМ.

Введенные узлы 14-20, 38, 49, 50 могут быть выполнены на серийных модулях и ИМС. Остальные элементы структурной схемы предлагаемой системы общие с прототипом.

По сравнению с одиночной РЛС 17 [2, рис. 1], представленной в описании прототипа, предлагаемая совмещенная система радиолокации и- связи на радиофотонных элементах имеет: выше помехозащищенность, вероятность правильного обнаружения и сопровождения целей, так как все РЛС 17 работают на разных частотах и с ортогональными зондирующими сигналами, больше зону обнаружения и количество распознаваемых целей, так как в этом случае «суммируются» зоны обнаружения всех РЛС 17, дополнительное оборудование связи, обеспечивающее взаимодействие между объектами 17 для более оперативного решения вопросов по сложившейся ситуации.

Литература:

1. Кузьмин С.З. Цифровая радиолокация. Введение в теорию. - Киев: Издательство КВIЦ, 2000. - 428 с.

2. Шумов А.В., Нефедов С.И., Бикметов А.Р. Концепция построения радиолокационной станции на основе элементов радиофотоники. Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон, журн. 2016. №05. С. 41-65 (прототип).

3. Митяшев М.Б К реализации технологий радиофотоники в АФАР радиолокационных комплексов.

4. https://fpi.defence.ru/article/fpi-sozdaet-radiofotonnie-radari-kotorie-smogut-obnaruzhit-bespilotniki/

5. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны / В.Н. Антипов, В.Т. Горяинов, А.Н. Кулин и др.; Под ред. ВТ. Горяинова - М.: Радио и связь, 1988-304 с.

6. Ратынский М.В. Основы сотовой связи / Под ред. Д.В. Зимина. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 2000-248 с.

7. Патент РФ №2516868.

8. Патент РФ №2627686.

9. Зайцев Д.Ф. Нанофотоника и ее применение. М.: Фирма «АКТЕОН», 2011. - 427 с.

Изобретение относится к системам обмена данными между источниками информации, расположенными на воздушных или наземных подвижных объектах (ПО), и может быть использовано в системе из радиолокационных станций (РЛС) с активными фазированными антенными решетками (АФАР). Технический результат состоит в расширении функциональных возможностей радиолокатора, а именно реализации, наряду с основным режимом радиолокации, режима обмена данными между воздушными и наземными РЛС системы путем использования приемо-передающих узлов РЛС. Для этого обеспечивается единая система единого времени и вводятся четыре приемных модуля вызывных сигналов, два коммутатора, приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем с антенной, аппаратура передачи данных и схема преобразования вызывных сигналов. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Совмещенная система радиолокации и связи на радиофотонных элементах, состоящая из радиолокационных станций (РЛС) на радиофотонных элементах, причем каждая из РЛС содержит N-канальную активную фазированную антенную решетку (АФАР), включающую N оптических приемо-передающих модулей и соединенную через первую N-канальную волоконно-оптическую линию связи (ВОЛС) с N выходами передатчика, через вторую N-канальную ВОЛС с N входами оптического цифрового приемника, N входов видеосигналов АФАР подключены к N выходам системы управления лучами, синхронизатор двухсторонними связями соединен с синтезатором опорных частот, первый выход синхронизатора соединен с (N+1)-м входом АФАР, подключенным к входу каждого защитного устройства приемо-передающего модуля АФАР, а второй выход синхронизатора подключен к первому входу системы управления лучами, выходы тактовых импульсов синхронизатора подключены к соответствующим синхровходам передатчика, устройство первичной обработки соединено с автоматизированным рабочим местом (АРМ) как напрямую, так и через устройство вторичной обработки, первый и второй выходы управления автоматизированного рабочего места подключены к соответствующим входам синхронизатора и системы управления лучами, первый вход передатчика подключен к соответствующему выходу синтезатора опорных частот, (N+1)-й выход системы управления лучами соединен с (N+1)-м входом каждого оптического приемо-передающего модуля АФАР, соединенного с входами N перестраиваемых оптических линий задержки, (N+1)-й оптический выход передатчика по первой ВОЛС соединен с (N+5)-м входом оптического цифрового приемника, отличающаяся тем, что введены первый и второй коммутаторы, аппаратура передачи данных (АПД), приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем с антенной, синхровыход которого подключен одновременно к входам автоматизированного рабочего места и синхронизатора, а координатный выход соединен с соответствующим входом АРМ, третий, четвертый, пятый и шестой выходы управления автоматизированного рабочего места подключены к управляющим входам первого и второго коммутаторов, передатчика и синтезатора опорных частот соответственно, группа из М параллельных выходов оптического цифрового приемника через первый коммутатор подключена к устройству первичной обработки информации, а (М+1) выход оптического цифрового приемника через первый коммутатор подключен к АПД, третий выход синхронизатора подключен к синхровходу аппаратуры передачи данных, а четвертый выход - к первому информационному входу второго коммутатора, второй информационный вход которого подключен к выходу аппаратуры передачи данных, выход второго коммутатора подключен к входу передатчика, АПД и АРМ связаны между собой двухсторонними связями, в АФАР установлены четыре оптических приемных модуля, антенны которых соответствующей поляризации сдвинуты относительно друг друга на 90°, выходы четырех оптических приемных модулей через 4-х канальную волоконно-оптическую линию связи подключены к соответствующим входам оптического цифрового приемника, четыре видеочастотных выхода которого соединены со схемой преобразования вызывного сигнала, выход которой через первый коммутатор подключен к одному из входов АПД, выходы тактовых импульсов синхронизатора подключены к соответствующим синхровходам оптического цифрового приемника, управление таблицей сигналов осуществляется с АРМ в режимах «радиолокация-связь», синхровходы ЦАП соединены с соответствующим выходом тактовых импульсов синхронизатора, оптический выход синтезатора опорных частот по второй ВОЛС подключен к (N+6)-y оптическому входу оптического цифрового приемника, вход/выход АРМ является низкочастотным входом/выходом системы, а вход/выход АФАР является высокочастотным входом/выходом системы, который по среде распространения радиоволн соединен с К другими РЛС, выполненными на радиофотонных элементах.

2. Совмещенная система радиолокации и связи на радиофотонных элементах по п. 1, отличающаяся тем, что в оптический цифровой приемник введены четыре параллельных схемы, каждая из которых состоит из последовательно соединенных первого фотодетектора и АЦП, причем ко входам первых фотодетекторов подключена 4-х канальная ВОЛС, а выходы всех АЦП подключены к соответствующим входам схемы преобразования вызывного сигнала, при этом синхровходы АЦП соединены с соответствующим выходом тактовых импульсов синхронизатора.

3. Совмещенная система радиолокации и связи на радиофотонных элементах по п. 1, отличающаяся тем, что в АФАР введены четыре оптических приемных модуля, каждый из которых состоит из последовательно соединенных антенны, защитного устройства, малошумящего усилителя, первого электронно-оптического модулятора, причем к оптическим выходам через 4-х канальную ВОЛС подключены соответствующие входы оптического цифрового приемника, а оптический выход синтезатора опорных частот через вторую ВОЛС, второй разветвитель АФАР подключен к соответствующим входам первых четырех электронно-оптических модуляторов оптических приемных модулей.