Сверхкороткоимпульсное приемно-передающее устройство ближней радиолокации Российский патент 2021 года по МПК G01S13/08 G01S7/18 

Изобретение относится к техническим средствам ближней радиолокации, в частности – к высотомерам.

Известны приемно-передающие устройства ближней радиолокации. См., например, Коган И.М. Ближняя радиолокация (теоретические основы). М.: «Сов. радио». 1973 г., 272 с., где подробно описаны так называемые автодины – простые и ранее широко применявшиеся устройства радиолокации с непрерывным излучением. В автодинах функции приема и передачи сигнала полностью совмещены в одном приемно-передающем тракте: приемно-передающая антенна является частью колебательного контура генератора. Амплитуда отраженного сигнала зависит от расстояния до объекта локации, например, подстилающей поверхности (грунт, трава, снег, и т.д.), и после соответствующей аппаратной обработки приводит к срабатыванию порогового устройства после достижения необходимой дальности. Отражающие свойства различных подстилающих поверхностей весьма различаются. По этой причине точность оценки высоты посредством автодина невысока и не всегда соответствует современным требованиям к устройствам ближней радиолокации. Непрерывное излучение автодина имеет весьма высокую спектральную плотность мощности и легко обнаруживается современными средствами.

Этих недостатков частично удается избежать посредством построения систем, так называемой, импульсной радиолокации – см. Импульсная РЛС. // патент № 2106654, автор – Зыбин М.Н. В этом устройстве используется зондирующий импульс большой длительности (единицы микросекунд), что не обеспечивает достаточный уровень скрытности.

Упомянутые выше недостатки частично устранены в сверхкороткоимпульсных устройствах – см. Dekawave EVK-1000 https://www.decawave.com/product/evk1000-evaluation-kit.

Это малогабаритное радиолокационное устройство содержит тактовый генератор, блок формирования стробов, генератор зондирующих импульсов, антенную систему, приемник и микроконтроллер, где последовательно связаны между собой тактовый генератор, блок формирования стробов, генератор зондирующих импульсов и антенная система, при этом приемник связан с антенной системой, блоком формирования стробов и микроконтроллером, а микроконтроллер дополнительно связан с тактовым генератором и блоком формирования стробов.

Это техническое решение наиболее близко к заявляемому устройству и принимается за прототип.

Недостатком этого устройства является недостаточная скрытность его функционирования, которая определяется заметными по величине спектральной плотностью мощности и длительностью зондирующего импульса. Сокращение длительности зондирующего импульса и расширение его спектра для снижения спектральной плотности мощности в прототипе ограничено схемой формирования зондирующих импульсов путем вырезания пачки гармонических колебаний из непрерывной последовательности колебаний несущей частоты (форма зондирующего импульса в прототипе изображена на фиг. 1) и временем переключения ключевых транзисторов в генераторе зондирующих импульсов, которое на современном уровне техники составляет более 0,5 нс, а также схемой приемника с преобразованием частоты, которая требует для своего функционирования отраженного сигнала, содержащего несколько периодов колебания несущей частоты, что в совокупности ограничивает скрытность функционирования.

Предлагаемое сверхкороткоимпульсное приемно-передающее устройство ближней радиолокации, содержащее тактовый генератор, блок формирования стробов, генератор зондирующих импульсов, антенную систему, приемник и микроконтроллер, где последовательно связаны между собой тактовый генератор, блок формирования стробов, генератор зондирующих импульсов и антенная система, при этом приемник связан с антенной системой, блоком формирования стробов и микроконтроллером, а микроконтроллер дополнительно связан с тактовым генератором и блоком формирования стробов, отличается тем, что генератор зондирующих импульсов выполнен по релаксационной схеме на дрейфовом диоде с резким восстановлением (ДДРВ), а приемник выполнен по схеме прямой регистрации отраженного сигнала в быстродействующем устройстве выборки-хранения аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется фиг. 2. Как и прототип, оно содержит тактовый генератор (1), блок формирования стробов (2), генератор зондирующих импульсов (3), антенную систему (4), приемник (5) и микроконтроллер (6), где последовательно связаны между собой тактовый генератор (1), блок формирования стробов (2), генератор зондирующих импульсов (3) и антенная система (4), при этом приемник (5) связан с антенной системой (4), блоком формирования стробов (2) и микроконтроллером (6), а микроконтроллер (6) дополнительно связан с тактовым генератором (1) и блоком формирования стробов (2).

В отличие от прототипа, генератор зондирующих импульсов (3) выполнен по релаксационной схеме на ДДРВ, что позволит сократить длительность зондирующего импульса в 5 раз, поскольку время коммутации тока у ДДРВ значительно меньше, чем у транзисторов, применяемых для коммутации в прототипе (может достигать величины 0,1 нс), а приемник (5) построен по схеме прямой регистрации отраженного сигнала в быстродействующем устройстве выборки-хранения АЦП, что позволит регистрировать импульсные сигналы длительностью до 0,1 нс, что недоступно для схемы с преобразованием частоты, примененной в прототипе.

При необходимости приемник (5) может быть дополнен каскадом прямого усиления с соответствующими частотными характеристиками, включенным перед устройством выборки-хранения АЦП.

Применение генератора зондирующих импульсов, выполненного по релаксационной схеме на ДДРВ (зависимость напряжения на антенной системе от времени изображена на фиг. 3), и приемника, построенного по схеме прямой регистрации отраженного сигнала, позволит синтезировать зондирующий сигнал и обрабатывать отраженный сигнал сверширокой (около 10 ГГц) полосы частот, намного большей, чем в прототипе.

Расширением спектра зондирующего сигнала в такой полосе частот будет достигнуто приблизительно 2-х кратное уменьшение радиуса обнаружения предлагаемого устройства и пропорциональное снижение вероятности постановки наиболее энергетически эффективной сигналоподобной помехи, в результате чего будет достигнуто существенное повышение помехозащищенности устройства.

Следует иметь в виду, что по конструктивно-технологическим соображениям возможно объединение отдельных блоков устройства в одной или нескольких микросхемах. Это дополнительно снизит производственные затраты, и повысит надежность за счет снижения числа паяных соединений, а также повысит устойчивость устройства к механическим воздействиям, характерным для высокодинамичных объектов.

Необходимо отметить, что в устройстве может быть применен, например, микроконтроллер (6) 1986ВЕ93У производства АО «ПКК Миландр» и генератор зондирующих импульсов (3) на дрейфовом диоде с резким восстановлением КД524В производства АО «Оптрон». Тактовый генератор (1), блок формирования стробов (2) и приемник (5) могут быть, например, объединены и выполнены на БИС 1354ХК7У производства ПАО «Микрон». Перечисленная выше электронная компонентная база освоена отечественными предприятиями микроэлектроники, следовательно, предлагаемое техническое решение может быть реализовано промышленно с применением в критически важных блоках отечественной элементной базы.

Устройство относится к техническим средствам ближней радиолокации, в частности высотомерам. Техническим результатом является сокращение длительности и средней спектральной плотности мощности зондирующего импульса, что позволяет снизить заметность устройства для средств обнаружения и повысить его помехозащищенность против сигналоподобных помех. Устройство содержит последовательно связанные между собой тактовый генератор, блок формирования стробов, генератор зондирующих импульсов, антенную систему, приемник, а также микроконтроллер. Приемник связан с антенной системой, блоком формирования стробов и микроконтроллером. Микроконтроллер дополнительно связан с тактовым генератором и блоком формирования стробов. При этом генератор зондирующих импульсов выполнен по релаксационной схеме на дрейфовом диоде с резким восстановлением, а приемник выполнен по схеме прямой регистрации отраженного сигнала в быстродействующем устройстве выборки-хранения аналого-цифрового преобразователя. 3 ил.

Сверхкороткоимпульсное приемно-передающее устройство ближней радиолокации, содержащее тактовый генератор, блок формирования стробов, генератор зондирующих импульсов, антенную систему, приемник и микроконтроллер, причем здесь последовательно связаны между собой тактовый генератор, блок формирования стробов, генератор зондирующих импульсов и антенная система, при этом приемник связан с антенной системой, блоком формирования стробов и микроконтроллером, а микроконтроллер дополнительно связан с тактовым генератором и блоком формирования стробов, отличающееся тем, что генератор зондирующих импульсов выполнен по релаксационной схеме на дрейфовом диоде с резким восстановлением, а приемник выполнен по схеме прямой регистрации отраженного сигнала в быстродействующем устройстве выборки-хранения аналого-цифрового преобразователя.