Гомодинный радиолокатор с многоканальным приемо-передающим трактом 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 (см. фиг. 1), в котором используется одна приемно-передающая антенна и обеспечивается расширенный динамический диапазон принимаемых сигналов, при минимизации боковых лепестков сигнальной функции.

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, разрешающая способность по задержке (по дальности) ограничена полосой излучаемого зондирующего сигнала, причем наиболее узкополосным элементом тракта зачастую оказывается антенная система (например, выполненная в виде волноводно-щелевой решетки). Расширить полосу пропускания таких антенн возможно за счет их секционирования (применения многоточечной запитки) как это сделано в прототипе радиолокатора (патент №2626405). Недостатком данного радиолокатора, использующего многоканальный приемо-передающий тракт является применение дорогостоящих малошумящих усилителей СВЧ (усиление на несущей частоте). Кроме того в таком радиолокаторе (патент №2626405) используются аналоговые квадратурные демодуляторы, имеющие погрешности ортогональности квадратурных каналов и требующие двойное количество сумматоров.

Для устранения этих недостатков в предлагаемом изобретении используются аддитивные смесители и малошумящие усилители сигнала биений на видеочастоте на выходе которых требуется только один сумматор. На выходе сумматора используется амплитудный модулятор, позволяющий существенно снизить влияние сигнала просачки передатчика (нулевой и боковых спектральных компонент) и помехи от зон обращения ЛЧМ-сигнала, как это предлагается в гомодинном радиолокаторе (патент №2626405).

Использование изобретения позволит расширить функциональные возможности радиолокатора за счет увеличения полосы зондирующего сигнала, что позволяет улучшить разрешающую способность радиолокатора за счет использования многоточечной запитки антенной системы и снижения стоимости радиолокатора за счет усиления принятого сигнала на видеочастоте, что позволяет сократить количество дорогих СВЧ компонентов в составе РЛС.

Заявленный технический результат достигается тем, что гомодинный радиолокатор с многоканальным приемо-передающим трактом, содержит N параллельных приемо-передающих каналов, каждый из которых содержит приемно-передающую антенну, и последовательно соединенные:

- трехплечий циркулятор (второе плечо соединено с антенной, третье - со смесителем),

- аддитивный смеситель,

- усилитель сигналов биений,

- передатчик (оконечный усилитель зондирующего сигнала);

вход многоканального передатчика соединен с выходом формирователя зондирующих СВЧ сигналов, а выходы соединены с входами первых плеч трехплечих циркуляторов, в свою очередь выходы малошумящих усилителей сигнала биений соединены с входами сумматора, выход которого соединен со входом амплитудного модулятора, на который поступает управляющий сигнал с генератора функции временного окна, а выход амплитудного модулятора соединен со входом усилителя с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой, выход которого является выходом системы.

Суть изобретения поясняется Фигурами 1-5.

На Фиг. 1 изображена структурная схема известного гомодинного радиолокатора (патент №2626405).

На Фиг. 2 изображена структурная схема гомодинного радиолокатора с многоканальным приемо-передающим трактом, где приняты следующие обозначения:

1. Многоканальный передатчик (многоканальный оконечный усилитель) зондирующего сигнала

2. Циркулятор

3. Многоканальная приемно-передающая антенна

4. Смесители

5. Многоканальный малошумящий усилитель сигнала биений

6. Амплитудный модулятор

7. Усилитель с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) (который представляет собой последовательно соединенные усилители, первое и второе пропорционально дифференцирующие звенья)

8. Генератор функции временного окна

9. Формирователь зондирующих СВЧ сигналов

10. Устройство параллельного суммирования

На Фигуре 3 представлен закон изменения частоты зондирующего (утолщенная линия) и принятого сигналов.

На Фигуре 3 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 4 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 АЧХ.

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

Гомодинный радиолокатор с многоканальным приемо-передающим трактом работает следующим образом.

Выходной сигнал генератора ЗС (9) (Фиг. 2), частота которого изменяется по линейному закону (ЛЧМ) (фиг 3), поступает через многоканальный передатчик (многоканальный оконечный усилитель) (1) на вход первых плеч циркуляторов (2). С выхода вторых плеч циркуляторов (2) сигналы подаются на многоканальную приемно-передающую антенну (3) и излучаются в пространство.

Отраженный от объекта сигнал принимается многоканальной приемно-передающей антенной (3). Сигналы с выхода многоканальной приемно-передающей антенны (3) поступают на вторые плечи циркуляторов (2) и с минимальными потерями проходит на входы аддитивных смесителей (4). На эти же входы аддитивных смесителей (4) поступают так же гетеродинные сигналы, ослабленные за счет обратного прохождения через циркуляторы (2) из первых плеч в третьи плечи (на схеме фиг. 2 показаны пунктиром). Аддитивные смесители (4) реализуют перемножение принятых и гетеродинных сигналов и низкочастотную фильтрацию. Далее сигналы всех каналов гомодинного радиолокатора с многоканальным приемо-передающим трактом усиливаются в многоканальном малошумящем усилителе сигнала биений (5), суммируются в сумматоре (10) и поступают на амплитудный модулятор (6), где модулируются функцией окна, формируемого генератором функции временного окна (8), после чего нормируются в усилителе с квадратичной АЧХ (7).

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

Для реализации частотного экспандирования и уменьшения динамического диапазона сигнала биений в гомодинном радиолокаторе используется зависимость интенсивности принятых сигналов от дальности (пропорциональной частоте биений), путем применения квадратичной АЧХ усилителя (7). Применение усилителя с квадратичной АЧХ (7) 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. 4).

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. 5) модулируется по амплитуде функцией «временного окна» 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 отличии от функции , огибающая спектра сигнала биений, модулированная функцией «временного окна» S_mod(ω), на выходе усилителя с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) 7 (Фиг. 5) 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, 2 не показано).

Технический результат от использования изобретения заключается в возможности увеличения полосы зондирующего сигнала, что позволяет улучшить разрешающую способность радиолокатора за счет использования многоточечной запитки антенной системы и снижения стоимости радиолокатора за счет усиления принятого сигнала на видеочастоте, что позволяет сократить количество дорогих СВЧ компонентов в составе РЛС.

Изобретательский уровень предложенного технического решения подтверждается формулой изобретения.

Изобретение относится к области радиолокации, а именно к гомодинным радиолокаторам. Технический результат - улучшение разрешающей способности радиолокатора. Указанный результат достигается за счет того, что гомодинный радиолокатор содержит многоканальный приемо-передающий тракт, в котором усиление принятого сигнала осуществляется на видеочастоте, и в приемном канале после многоканального сумматора содержатся амплитудный модулятор, генератор функции временного окна и усилитель с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой. 5 ил.

Гомодинный радиолокатор с многоканальным приемо-передающим трактом, содержащий многоканальный передатчик, N параллельных приемопередающих каналов, каждый из которых содержит приемно-передающую антенну и последовательно соединенные трехплечий циркулятор, аддитивный смеситель, малошумящий усилитель сигналов биений, устройство параллельного суммирования, выход которого соединен с входом амплитудного модулятора, на который поступает управляющий сигнал с генератора функции временного окна, выход амплитудного модулятора соединен с входом усилителя с квадратической амплитудно-частотной характеристикой, выход которого является выходом гомодинного радиолокатора, при этом в каждом канале второе плечо трехплечего циркулятора соединено с приемно-передающей антенной, третье - с аддитивным смесителем, кроме того, вход многоканального передатчика соединен с выходом формирователя зондирующих сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов, выходы многоканального передатчика соединены с входами первых плеч трехплечих циркуляторов в каждом канале, причем многоканальный передатчик представляет собой многоканальный оконечный усилитель зондирующего СВЧ-сигнала.