СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СИНХРОННОГО ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ ЗАПРОСНОГО СИГНАЛА В АВТОДИННОМ ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКЕ СИСТЕМЫ РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ Российский патент 2022 года по МПК G01S13/00 

Изобретение относится к радиолокации с активным ответом, и может быть использовано в аэрологических радиозондах (АРЗ) систем радиозондирования атмосферы для измерения наклонной дальности до радиозонда импульсным методом, пеленгации по угловым координатам и передачи телеметрической информации на одной несущей частоте.

Известно устройство радиолокационного зондирования с активным ответом, которое кроме определения координат АРЗ используется также для передачи различной телеметрической информации. Примером применения этого устройства служит система слежения за метеорологическим АРЗ, разработанная английской фирмой Кроули (см. стр. 78-82, [1]; стр. 38-41, [2]). В этой системе координаты АРЗ определяются наземным радиолокационным запросчиком по полученным сигналам ответчика, который размещается на борту АРЗ. Одновременно с определением координат производится регистрация телеметрической информации о состоянии атмосферы (давлении, влажности и температуре), передаваемой ответчиком.

Сложность, громоздкость и большое потребление энергии известной системы радиозондирования являются ее недостатками. Наличие отдельных антенн, передатчика и приемника на разные диапазоны частот (см. рис. 26, стр. 79, [1]; стр. 40, рис. 20, [2]) значительно усложняет и удорожает приемопередающее устройство бортовой аппаратуры АРЗ, которая является разовой. Кроме того, большие габариты и вес этой аппаратуры создают угрозу безопасности для авиации.

Предложенные в 50-е годы прошлого столетия сверхрегенеративные приемопередатчики (СПП) сначала использовались в авиационных системах опознавания «свой - чужой» (см. стр. 21, рис. 6, [1]). Эти приемопередатчики отличаются предельной простотой конструкции, малыми весом и габаритами за счет многофункциональности автогенератора в сверхрегенеративном режиме. Позже, благодаря отмеченным качествам, СПП стали применять на борту АРЗ в качестве ответчиков в отечественных системах радиозондирования атмосферы (см. стр. 41-45, [2], авт.свидетельство СССР: SU115078, опубл. 01.01.1958, [3]).

Высокая чувствительность СПП к радиоимпульсному запросному сигналу позволяет сформировать ответный сигнал по дальности в виде короткой паузы в излучении приемопередатчика при пониженной мощности радиоимпульса радиопередающего устройства запросной радиолокационной системы (РЛС). Достаточно мощное излучение СПП обеспечивает надежное сопровождение АРЗ по угловым координатам и дальности, а также одновременную передачу посредством модуляции частоты суперирующих импульсов телеметрической информации о состоянии атмосферы до расстояний 100…150 км [3]. Дальнейшее развитие теории и техники СПП позволило улучшить его параметры и увеличить дальность сопровождения АРЗ практически вдвое [4, 5].

Способ приема и обработки запросного сигнала, используемый в работе известных СПП с внешней суперизацией, состоит в том, что электромагнитное СВЧ излучение наземной РЛС системы радиозондирования атмосферы принимают антенной, преобразуют его в СВЧ колебания радиоимпульсов запроса, воздействуют на СВЧ-генератор в момент начала регенеративного процесса нарастания амплитуды автоколебаний, усиливают и детектируют реакцию СВЧ-генератора с цепью инерционного автосмещения активного элемента, а затем формируют в излучении СВЧ-генератора ответную паузу при условии воздействия запросного радиоимпульса достаточной амплитуды. При этом параметры суперирующих импульсов модулируют по частоте сигналом радиотелеметрии для передачи метеоданных с борта АРЗ на наземную РЛС системы радиозондирования атмосферы (см. патент РФ RU2345379 C1, опубл. 27.01.2009, бюл. №3)

Известны приемопередатчики, входящие в состав аппаратуры АРЗ, предназначенные для приема запросных радиоимпульсов, формирования ответной паузы и передачи телеметрической информации о параметрах атмосферы (см. авт.свидетельства СССР SU1106262, опубл. 10.01.1997, бюл. №32; SU1236906 A2, опубл. 20.11.1997, бюл. №32; патенты РФ RU2172965 C1, опубл. 27.08.2001, бюл. №24; RU2214614 C2, опубл. 20.10.2003, бюл. №29; RU 2291467 С2, опубл. 10.01.2007, бюл. №27; RU2470323 C1, опубл. 20.12.2012, бюл. №35; полезные модели РФ RU49283 U1, опубл. 10.11.2005, бюл. №31; RU 50682 U1, опубл. 20.01.2006, бюл. №2; RU56001 U1, опубл. 28.03.2006, бюл. №24; RU67729 U1, опубл. 27.10.2007, бюл. №30; RU93546 U1, опубл. 27.04.2010, бюл. №12; RU104326 U1, опубл. 10.05.2011, бюл. №13). Известные приемопередатчики выполнены на основе связанного с антенной СВЧ-генератора, работающего в сверхрегенеративном режиме.

Однако у известного способа и устройств его реализующих имеются существенные недостатки.

1. Недостаточная чувствительность СПП в режиме приема, которая ограничивается ударными колебаниями, присущими сверхрегенеративному режиму работы СВЧ-генератора при формировании переднего фронта радиоимпульса (см. стр. 140-146, монографии [6]; фиг. 4, патента РФ RU2345379 C1, опубл. 27.01.2009, бюл. №3; фиг. 4, патента РФ RU2470323 C1, опубл. 20.12.2012, бюл. №35; статью [7]).

2. Асинхронность процессов формирования приемного окна СПП и посылок запросных радиоимпульсов наземной РЛС вызывает дополнительные флуктуации временного положения, глубины и продолжительности ответной паузы (см. фиг. 5 патента РФ RU2368916 C2, опубл. 27.09.2009, бюл. №27; стр. 566, рис. 4.4.18 монографии [5]). Это является причиной принципиально неустранимой составляющей дополнительной ошибки измерения наклонной дальности.

3. Недостаточная помехозащищенность СПП от воздействия активных помех. При появлении помех на частоте приема СПП формирует ложные ответные паузы, которые при продолжительном воздействии помех нарушают работу каналов измерения дальности и приема телеметрической информации системы радиозондирования.

4. Широкий спектр излучения СПП и его шумовой характер создает проблемы электромагнитной совместимости, например, работе систем ГЛОНАСС/GPS (см. стр. 532-537, рис. 4.3.34, [5]). Ширина спектра по уровню половинной мощности обычно составляет 6…8 МГц в зависимости от длительности формируемых радиоимпульсов (см. рис. 36, стр. 103, [8]; см. фиг. 2 патента РФ RU2368916 C2, опубл. 27.09.2009, бюл. 27).

Свободными от указанных недостатков являются способ асинхронного приема и обработки запросного сигнала и автодинный приемопередатчик (АПП) его реализующий согласно патенту РФ RU2624993 C1 (опубл. 11.07.2017, бюл. №20) [9].

Способ асинхронного приема и обработки запросного сигнала известного аналога в соответствие с описанием принципа его действия состоит в следующей последовательности действий. Радиоимпульс сигнала запроса в виде электромагнитного СВЧ излучения наземной РЛС системы радиозондирования атмосферы принимают антенной АПП, преобразуют его в СВЧ колебания радиоимпульса запроса, направляют колебания в резонансную систему СВЧ-генератора, смешивают их с собственными колебаниями СВЧ-генератора, посредством СВЧ-генератора полученную смесь преобразуют в автодинный отклик в виде изменений с частотой биений амплитуды колебаний и среднего значения тока и напряжения в цепи смещения активного элемента, посредством устройства регистрации выделяют автодинный отклик СВЧ-генератора в виде радиоимпульса с частотой сигнала биений, после этого радиоимпульс с частотой сигнала биений усиливают по амплитуде и фильтруют полосовым фильтром, далее путем амплитудного детектирования преобразуют радиоимпульс в видеоимпульс, сравнивают его амплитуду с пороговым уровнем, выполняют селекцию по временным параметрам запросного сигнала и формируют импульс ответной паузы, которым прерывают излучение СВЧ-генератора, при этом частоту СВЧ-генератора предварительно отстраивают от частоты запросного сигнала РЛС на величину более полуширины полосы синхронизации, реализуя асинхронный прием запросного сигнала и его перенос на частоту биений, а частоту СВЧ-генератора в промежутки времени между моментами приема запросных сигналов и формированием ответной паузы модулируют сигналом радиотелеметрии для передачи метеоданных с борта АРЗ на наземную РЛС системы радиозондирования атмосферы.

Устройство известного аналога, принятого в качестве прототипа, содержит СВЧ-генератор с возможностью электрического управления частотой и связанную с ним антенну, причем к СВЧ-генератору подключены последовательно соединенные блок (устройство) выделения автодинного сигнала, усилитель, полосовой фильтр, линейный амплитудный детектор, компаратор, временной селектор запросных импульсов и формирователь импульса ответной паузы, причем выход формирователя импульсов ответной паузы связан с входом управления прерыванием излучения СВЧ-генератора, при этом СВЧ-генератор выполнен на частоту, отстоящую от частоты принимаемых радиоимпульсов запроса на величину более половины полосы синхронизации.

Однако у известного аналога способа и прототипа устройства имеются следующие существенные недостатки.

1. Поведение АПП, реализующего способ аналога, сложным образом зависит от соотношения частоты биений и полосы синхронизации СВЧ-генератора. Для нормального функционирования АПП необходимо в СВЧ-генераторе обеспечить режим близкий к линейному, при котором форма биений приближается к синусоидальной. При этом частота биений ω_б должна быть вдали от полосы синхронизации СВЧ-генератора: ω_б>>Δω_пс, где Δω_пс - значение полуширины полосы синхронизации (см. стр. 38, [10]). Однако значение частоты биений ω_б ограничено сверху граничной частотой СВЧ-генератора, наличие которой обусловлено его внутренней инерционностью. Эта инерционность характеризуется постоянной времени τ_а автодинного отклика, по значению которой можно рассчитать граничную частоту Ω_гр (см. формулу (34) статьи [11]):

где

Ω_гр - граничная частота, на которой уровень сигнала по амплитуде падает в раза по сравнению с уровнем сигнала в области низких частот;

τ_а - характеристическая постоянная времени (время релаксации) автодинного отклика;

ω₀ - центральная (рабочая) частота СВЧ-генератора АПП;

ρ - коэффициент неизодромности СВЧ-генератора АПП;

K_a - коэффициент автодинного усиления СВЧ-генератора;

Q_вн - внешняя добротность колебательной системы СВЧ-генератора.

Коэффициент автодинного усиления K_a в (1) показывает во сколько раз автодинные изменения амплитуды колебаний СВЧ-генератора больше амплитуды пришедшего в его резонатор запросного сигнала РЛС. Предпочтительным является выбор такого режима работы СВЧ-генератора, при котором значение коэффициент автодинного усиления K_a больше единицы. При таком условии снижается влияние собственных шумов СВЧ-генератора на его чувствительность как приемника. Но увеличение этого коэффициента, как видно из (1), влияет также на величину граничной частоты Ω_гр. Возьмем для примера компромиссное значение K_a=2. При остальных, входящих в (1) значениях параметров: ω₀=2π×1,7×10⁹; ρ=0; Q_вн=100, получим частоту Ω_гр=2π×8,5×10⁶, т.е. 8,5 МГц. Отсюда следует ограничение сверху на выбор частоты сигнала биений, т.е. частота биений должна быть не более величины Ω_гр граничной частоты (ω_б≤Ω_гр). В данном примере значение частоты составляет 8,5 МГц.

С другой стороны, в АПП должно выполняться отмеченное выше сильное неравенство ω_б>>Δω_пс, где полуширина полосы Δω_пс синхронизации СВЧ-генератора. Величина Δω_пс, в свою очередь, определяется относительным уровнем запросного сигнала (см. стр. 257-262, формулу (5.73), [12]):

где

Δω_пс - полуширина полосы синхронизации СВЧ-генератора АПП;

Г_с=(P_зап/P_вых)^1/2 - коэффициент относительного уровня сигнала запроса;

Р_зап - мощность запросного сигнала РЛС, приходящего в резонатор СВЧ-генератора АПП;

Р_вых - выходная мощность СВЧ-генератора АПП;

ω₀ - центральная (рабочая) частота СВЧ-генератора АПП;

Q_вн - внешняя добротность колебательной системы СВЧ-генератора АПП;

θ=arctg(γ) - угол между линией прибора (активного элемента) СВЧ-генератора и его линией годографа импеданса колебательной системы и нагрузки (см. рис. 5.16, стр. 260, [12]);

γ - коэффициент неизохронности генератора.

В результате расчета полуширины полосы синхронизации по формуле (2) при (Р_зап/Р_вых)=0,01, что соответствует расстоянию в десятки метров от РЛС до АРЗ, на частоте ω₀=2π×1,7×10⁹ при Q_вн=100 и cosθ=0,5 получаем Δω_пс=2π×34×10⁶, т.е. 34 МГц. Это означает, что в диапазоне малых расстояний, от пуска АРЗ и порядка нескольких сотен метров, расширение полосы синхронизации препятствует нормальной работе АПП.

Отсюда следует ограничение параметров известного аналога способа по дальности действия. Известный способ приема и обработки сигнала запроса не обеспечивает нормальную работоспособность системы радиозондирования атмосферы в диапазоне малых расстояний (от десятков до порядка сотен метров), где данные о состоянии приземных слоев атмосферы также востребованы для многих потребителей.

2. Поскольку частота ω_зап запросного сигнала согласно известного аналога способа может находиться как ниже, так и выше относительно средней (рабочей) частоты ω₀ АПП на величину частоты ω_б сигнала биений (ω_б=|ω₀-ω_зап|), то занимаемая системой радиозондирования полоса частот Δω_арз, как минимум, равна удвоенному значению частоты сигнала биений Δω_арз=2ω_б, и может составлять исходя из полученных выше расчетов порядка 17 МГц. Тогда как ширина спектра запросного сигнала РЛС не более 1 МГц (см. рис. 13б, [13]). Поэтому полоса разноса несущих частот излучения АПП и запросной РЛС является неоправданно широкой и создает проблемы электромагнитной совместимости иным радиосистем, например, работе систем ГЛОНАСС/GPS (см. стр. 532-537, рис. 4.3.34, [5]).

3. В диапазоне малых дальностей от РЛС до АРЗ, как отмечалось, сигнал запроса является сильным и в АПП аналога может наблюдаться ряд нежелательных нелинейных явлений. Так, в режиме высокого уровня сигнала запроса полоса синхронизации значительно расширяется (2) и ее граничное значение может приближаться к частоте запросного сигнала. При этих условиях собственные колебания СВЧ-генератора подвергаются значительной амплитудной и частотной модуляции (см. стр. 37-42, [10]). Спектр этих колебаний «рассыпается» на гармоники (см. фиг. 27, [14]) частоты ω_б биений, создающие дополнительные помехи радиосредствам. В таком случае выходной низкочастотный сигнал биений на выходе СВЧ-генератора АПП формируется с ангармоническими искажениями (см. стр. 37-42, рис. 1.14, [10]; статью [15]), создающими проблемы при его обработке. Кроме того, в режиме высокого уровня сигнала запросной РЛС может происходить выход сигнала биений из полосы пропускания полосового фильтра, а также захват частоты АПП. В обоих случаях сигнал биений на выходе АПП аналога отсутствует и система радиозондирования не может функционировать нормально. Отсюда следует еще один недостаток способа аналога - ограничение динамического диапазона АПП сверху по уровню входного сигнала запроса.

4. Большие проблемы работе АРЗ в составе системы радиозондирования атмосферы создают радиоимпульсные помехи со структурой, близкой к структуре зондирующего сигнала РЛС. Для постановщика помех импульсная помеха является наиболее энергетически выгодной (см. стр. 60, [16]). Постановка синхронных радиоимпульсных помех является попыткой постановщика помех имитации запросного сигнала с целью «захвата» АРЗ и получения полных метеоданных в течение его полета. Такая ситуация может случаться при энергетическом превосходстве постановщика помех и наличии у него алгоритма дешифрации телеметрических сигналов. Другая цель постановщика помех - нарушить работу системы радиозондирования путем формирования асинхронных радиоимпульсных помех, которые излучают независимо от приема зондирующего сигнала на основе ранее разведанных параметров РЛС, является наиболее доступной и вероятной. Дело в том, что используемая в аналоге селекция запросного сигнала по его длительности не отличается высокой надежностью защиты АПП от формирования ложной ответной паузы при постановке преднамеренных помех (см. стр. 138-141, [16]). Генерация помех в виде хаотической последовательности радиоимпульсов вызывает информационный ущерб системе радиозондирования путем нарушения нормальной работы АПП (см. стр. 127-130, [17]). При этом возможны отказы работы каналов измерения дальности и приема телеметрической информации в РЛС системы радиозондирования. Отсюда следует, что у известного аналога способа и прототипа устройства недостаточная защищенность к воздействию активных помех.

Таким образом, техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в необходимости одновременного решения ряда разнородных задач: расширения рабочего диапазона расстояний от РЛС до АРЗ в область малых дальностей (от десятков до порядка сотен метров) системы радиозондирования атмосферы; сужения рабочей полосы частот, занимаемой системой радиозондирования; расширения динамического диапазона по уровню сигнала запроса; повышения помехозащищенности АПП к воздействию активных помех; предотвращения несанкционированного доступа к получению метеоданных.

Сложность решения указанной проблемы состоит в том, что предлагаемое устройство является многофункциональным, оно выполняет одновременно функции приемника и радиолокационного ответчика сигналов в системе радиозондирования, а также передатчика телеметрических данных о состоянии атмосферы. При этом входом и выходом АПП является одна и та же антенна, работающая как на прием, так и на передачу. В случае приема запросного сигнала стоит задача ограничения и стабилизации уровня сигнала запроса, получаемого в результате его преобразования СВЧ-генератором, а в случае формирования ответной паузы желательно полное прерывание излучения СВЧ-генератора в антенну. Вторая функция устройства - передача телеметрической информации о состоянии атмосферы, она должна осуществляться в промежутках времени между моментами приема запросных радиосигналов без потери выходной мощности излучения СВЧ-генератора в антенне.

Решение указанной проблемы основано на использовании свойств радиосигналов, передаваемых от РЛС системы радиозондирования атмосферы к АРЗ, режимов работы автодинных приемопередатчиков и методов повышения помехозащищенности радиосистем. Суть этого решения заключается в использовании в качестве несущей запросного радиоимпульса колебания с периодической внутриимпульсной частотной модуляцией, применении этой модуляции в качестве поднесущей для передачи запросного кода, в переводе СВЧ-генератора из режима асинхронного автодинного преобразователя частоты в режим синхронного детектора (преобразователя) частотной модуляции и применении методов кодирования и декодирования сигнала запроса.

Для решения указанной проблемы предложен способ синхронного приема и обработки запросного сигнала в автодинном приемопередатчике системы радиозондирования атмосферы, заключающийся в том, что посредством антенны принимают электромагнитное излучение в виде СВЧ колебаний радиоимпульса запросного сигнала, при этом несущая частота этого радиоимпульса промодулирована квазигармонической поднесущей, которая в свою очередь подвергнута дополнительной частотной или фазовой модуляции двоичным кодом запросного сигнала, воздействуют СВЧ колебаниями радиоимпульса запросного сигнала на СВЧ-генератор, вызывая захват и синхронизацию частоты колебаний СВЧ-генератора, а также автодинные изменения с частотой поднесущей запросного сигнала амплитуды его колебаний, средних значений тока и напряжения в цепи смещения активного элемента СВЧ-генератора, далее выделяют автодинные изменения СВЧ-генератора в виде радиоимпульса с частотой поднесущей запросного сигнала, после этого данный радиоимпульс на частоте поднесущей запросного сигнала последовательно усиливают по амплитуде, фильтруют, преобразуют в видеоимпульс и сравнивают его амплитуду с пороговым уровнем, при этом радиоимпульс на частоте поднесущей запросного сигнала после фильтрации одновременно демодулируют по частоте или фазе, получают при этом двоичную последовательность кода запросного сигнала, которую в декодере при условии превышения амплитудой видеоимпульса порогового уровня преобразуют в двоичный параллельный код, далее сравнивают его с кодом, предварительно внесенным в постоянное запоминающее устройство и при их совпадении формируют импульс ответной паузы, которым прерывают излучение СВЧ-генератора, при этом частоту СВЧ-генератора в промежутках времени между приемом запросных сигналов и формированием ответной паузы модулируют сигналом радиотелеметрии, причем среднюю частоту модулированных колебаний СВЧ-генератора предварительно совмещают со средней частотой СВЧ колебаний радиоимпульса запросного сигнала, несущая частота которого промодулирована квазигармонической поднесущей, а девиацию частоты запросного сигнала ограничивают условием ее нахождения внутри полосы синхронизации СВЧ-генератора.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом синхронном автодинном приемопередатчике (САПП) системы радиозондирования атмосферы, содержащим формирователь импульсов ответной паузы и последовательно соединенные антенну, СВЧ-генератор с возможностью электрического управления частотой и прерыванием его излучения, устройство регистрации (выделения) автодинного сигнала, усилитель, полосовой фильтр, амплитудный детектор и компаратор, при этом выход формирователя импульсов ответной паузы подключен к входу управления прерыванием излучения СВЧ-генератора, для решения указанной проблемы между выходом полосового фильтра и входом формирователя импульсов ответной паузы дополнительно введены последовательно соединенные демодулятор субнесущей частотной модуляции и декодер запросного сигнала, причем выход компаратора подключен к управляющему входу декодера запросного сигнала, при этом СВЧ-генератор, работающий в синхронном режиме преобразования частотно-модулированных сигналов запроса, выполнен на среднюю частоту принимаемых радиоимпульсов запроса.

Техническая сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что перевод СВЧ-генератора из режима асинхронного приема запросного сигнала в синхронный режим, в котором производится первичная демодуляция запросного сигнала с внутриимпульсной частотной модуляцией несущей, сужает полосу частот, занимаемую системой радиозондирования, и исключает ряд описанных выше нелинейных явлений, которые ограничивают динамический диапазон по уровню радиосигналов запроса и диапазон рабочих дальностей действия системы радиозондирования. Применение модуляции поднесущей частотной модуляции запросного сигнала РЛС уникальным кодом и последующий прием, демодуляция поднесущей и декодирование этого сигнала обеспечивают в САПП возможность правильной идентификации сигналов запроса РЛС, формирование ответной паузы, повышение защищенности к воздействию активных помех и несанкционированному доступу к метеоданным АРЗ.

Предлагаемый способ предназначен для приема и обработки запросного сигнала в виде СВЧ радиоимпульса, несущая частота которого промодулирована квазигармонической поднесущей, которая в свою очередь подвергнута дополнительной частотной или фазовой модуляции цифровым кодом запросного сигнала. Тогда как способ, заложенный в принцип действия устройства-аналога согласно патенту РФ RU2624993 C1 (опубл. 11.07.2017, бюл. №20) [9], предназначен для приема и обработки запросного сигнала в виде СВЧ радиоимпульса несущая частота которого не модулирована. Поэтому способ, заложенный в принцип действия устройства-аналога, не является прототипом предлагаемого способа. Кроме того, поиск источников информации с публикацией данных об альтернативных решениях в данной и смежных областях применения описанного способа показал их отсутствие.

Сравнение заявляемого устройства с прототипом показывает наличие вновь вводимых элементов и устройств, а также дополнительных связей между ними. В результате поиска альтернативных решений в данной и смежных областях применения АПП и радиолокационных приемоответчиков среди различных источников установлено, что предлагаемое устройство нигде не встречается. Среди этих источников просмотрены авт.свидетельства СССР SU671515 A1 (опубл. 30.03.1984, бюл. №12); SU854163 A1 (опубл. 30.05.1992, бюл. №20); SU1818605 A1 (опубл. 30.05.1993, бюл. №20); патенты РФ RU2096805 C1 (опубл. 20.11.1997); RU2191403 C1 (опубл. 20.10.2002, бюл. №29); RU2193783 C2 (опубл. 27.11.2011, бюл. №33); RU2242020 C2 (опубл. 10.07.2004, бюл. №19); RU2321021 C1 (опубл. 27.03.2008, бюл. №9); RU2338221 C1 (опубл. 10.11.2008, бюл. №31); RU2343501 C1 (опубл. 10.01.2009, бюл. №1); патенты РФ на полезную модель RU166135 U1 (опубл. 20.11.2016, бюл. №32), RU87542 U1 (опубл. 10.10.2009, бюл. №28), RU116650 U1 (опубл. 27.05.2012, бюл. №15); фиг. 1 и 2 патента США US5486830A (опубл. 23.01.1996) и литература (см. стр. 706, фиг. 13.8, [18]; стр. 658-659, рис. 23.2, 23.3, [19]; стр. 489, рис. 7, [20]; стр. 497-501, рис. 11.1, [21]; стр. 83-86, рис. 3.18, [22]; стр. 758-774, рис. 14.12, [23]; стр. 43-47, рис. 2.18, [24]). Таким образом, результаты поиска позволяют сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию «Новизна».

Вновь вводимые устройства и их свойства описаны в общедоступной литературе. Однако их включение в соответствии с вышеуказанными связями дает возможность стабилизировать режим работы СВЧ-генератора в широком диапазоне амплитуд радиосигналов запроса, расширить рабочий диапазон расстояний от РЛС до АРЗ в область малых дальностей, избежать ангармонических искажений преобразованного сигнала, блокировать несанкционированный доступ к данным радиозондирования атмосферы, исключить влияние асинхронных радиоимпульсных помех, что в совокупности повышает надежность работы системы радиозондирования атмосферы. Такое решение явным образом не следует из уровня техники, что соответствует критерию «Изобретательский уровень».

Изобретение направлено на улучшение характеристик работы систем радиозондирования, предназначенных для получения метеорологических данных о состоянии атмосферы, что необходимо для различных отраслей деятельности человека. Таким образом, заявляемое изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость».

Сущность изобретения поясняется чертежом на фиг. 1, на котором представлена структурная схема синхронного автодинного приемопередатчика (САПП). На фиг. 2 представлены характеристики и временные диаграммы, поясняющие принцип преобразования радиосигнала с частотной модуляцией в информационный сигнал, содержащий данные уникального кода, посредством синхронизированного СВЧ-генератора. Суть предложенного способа приема и обработки запросного сигнала будет рассмотрена ниже при описании работы устройства.

САПП системы радиозондирования атмосферы содержит (см. фиг. 1) последовательно соединенные антенну 1, СВЧ-генератор 2 с возможностью электрического управления частотой и его прерыванием излучения, устройство 3 регистрации (выделения) преобразованного сигнала, усилитель 4, полосовой фильтр 5, амплитудный детектор 6, компаратор 7, декодер 8 сигнала запроса и формирователь 9 импульсов ответной паузы, выход которого подключен к входу управления прерыванием излучения СВЧ-генератора 2, при этом между выходом полосового фильтра 5 и сигнальным входом декодера 8 включен демодулятор 10 сигнала поднесущей.

Антенна 1 может иметь различное исполнение, зависящее от требований к диаграмме направленности и рабочего диапазона частот, например, в виде несимметричного четвертьволнового вибратора согласно фиг. 4 и 8 патента РФ RU2214614 C2 (опубл. 20.10.2003, бюл. №29), щелевого или полоскового вибратора, рупорной, диэлектрической стержневой, спиральной антенны или типа «волновой канал» (см. соответственно стр. 115, 149, 218, 239, 260, [25]).

СВЧ-генератор 2, может быть выполнен, например, в виде СВЧ генераторного модуля на основе транзистора (см. фиг. 7 и 8 патента RU 2345379 С1, опубл. 27.01.2009, бюл. №3), на диоде Ганна или лавинно-пролетном диоде (см. стр. 194, 195, рис. 4.24 и 4.25, [26]). Для обеспечения модуляции частоты генерации сигналом телеметрии в резонатор СВЧ-генератора может быть помещен варикап (см. стр. 80-84, [27]) или использован метод модуляции изменением питающего напряжения (см. рис. 18, статьи [28]).

Устройство 3 регистрации автодинного сигнала также имеет альтернативные технические решения. Например, при регистрации сигнала в цепи питания СВЧ-генератора 2 устройство 3 может быть выполнено в соответствие с одной из схем, представленных на рис. 14 статьи [28], или по схеме с трансформаторно-емкостной связью контуров (см. рис. 74, монографии [29]). В случае регистрации сигнала по изменению амплитуды колебаний устройство 3 регистрации автодинного сигнала обычно выполняется на основе детекторного диода. Этот диод помещается непосредственно в резонатор СВЧ генератора 2 или в связанную с резонатором передающую линию, как показано на фиг. 2 патента РФ RU2295911 С1 (опубл. 27.03.2007, бюл. №9) и на рис. 6а и 9а статьи [28].

Усилитель 4 автодинного сигнала может быть выполнен в виде обычного полосового усилителя с линейной или логарифмической амплитудной характеристикой в рабочем диапазоне уровней сигнала (см., например, стр. 60, рис. 4.3, [30]).

В качестве полосового фильтра 5 может использоваться фильтр на поверхностных акустических волнах (ПАВ), с центральной частотой, равной частоте поднесущей радиоимпульсов запроса, а полоса П_ПАВ пропускания его определяется условием неискаженного прохождения радиоимпульса запроса на частоте поднесущей: П_ПАВ ≈ 6 / t_и, где t_и - длительность импульса (см. рис. 4.21, стр. 72, стр. 241-243, [30]).

В качестве амплитудного детектора 6 может использоваться диодный амплитудный детектор, выполненный по последовательной или параллельной схеме (см. рис. 7.1, стр. 123, рис. 7.8, стр. 131, [30]). Постоянная времени τ_н нагрузки этого детектора выбирается из условия быстрого установления его выходного напряжения после действия запросного импульса:

τ=R_нС_н<<0,1Т_п,

где

τ_н - постоянная времени нагрузки;

R_н, С_н - сопротивление и емкость нагрузки;

T_п=1 / F_n - период повторения запросных импульсов.

Компаратор 7 с гистерезисом может быть выполнен на микросхеме К521СА3 согласно электрической схеме, приведенной на рис. 6.7, б стр. 170, [31].

Декодер 8 запросного сигнала может иметь различные технические решения, направленные на преобразование сигналов логических уровней последовательного двоичного кода в цифровой параллельный код с помощью дешифратора, сравнение посредством схемы совпадений полученного цифрового кода с предварительно заданным в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) кодом и выдаче на выход декодера команды «Совпадение» при их идентичности. Вопросы реализации вариантов декодера 8 широко рассмотрены в патентной и технической литературе (см., например, авт.свидетельство СССР SU668446 A1 (опубл. 28.02.1991, бюл. №8); патенты РФ RU2206103 C2 (опубл. 10.06.2003, бюл. №16), RU2550083 C1 (опубл. 10.05.2015, бюл. №13); заявка США US20120001788 A1 (опубл. 05.01.2012); стр. 83-86 справочника [22]. Декодеры с различными параметрами и возможностями выпускаются многими фирмами в виде микросхем (см. стр. 123-130, 135-144, 249-253 справочника [32]).

Формирователь 9 импульса ответной паузы может быть выполнен на микросхеме К564АГ1 (см. на схеме рис. 2.83α генератор G1, стр. 287-290 справочника [33]).

Демодулятор 10 предназначен для преобразования модулированных колебаний поднесущей в сигналы логических уровней последовательного двоичного кода. Реализация демодулятора 10 зависят от типа используемой модуляции сигнала поднесущей и выбора элементной базы. Для демодуляции сигнала поднесущей с фазовой модуляцией (ФМ) может использоваться известная аналоговая или цифровая схемы Костаса (см. рис. 8.11 на стр. 292 и рис. 8.12 на стр. 296 книги [34]), а для сигнала поднесущей с частотной модуляцией (ЧМ) - устройство для приема частотно-манипулированных сигналов согласно авт.свидетельству СССР SU1518910 A2 (опубл. 30.10.1989, бюл. №40), квадратурный частотный детектор (см. рис. 8.20 на стр. 312 книги [34]).

САПП работает следующим образом.

При подаче на устройство напряжения питания в СВЧ-генераторе 2 (см. фиг. 1) возникают колебания СВЧ на частоте ω₀, которые излучаются антенной 1 в виде электромагнитных волн в окружающее пространство. При этом сигнал телеметрии U_CT, подаваемый на встроенный в резонатор СВЧ-генератора 2 варикап или в цепь его питания (см. рис. 18, статьи [28]) вызывает узкополосную частотную модуляцию этого излучения.

В соответствии с заложенным в работу радиолокационной станции (РЛС) принципом действия (см. стр. 74-87, [5]) радиоприемное устройство РЛС посредством направленной антенны осуществляет прием телеметрического сигнала с борта АРЗ, его детектирование и дешифрацию, а также регистрацию данных. При этом системами привода и управления антенной выполняется измерение угловых координат положения АРЗ относительно РЛС, которые совместно с данными о расстоянии до АРЗ обеспечивают определение скорости и направления ветра. Отметим, что в процессе приема сигналов АРЗ системой автоматической подстройки частоты (АПЧ) РЛС производится коррекция частоты задающего генератора передатчика на частоту, близкую средней частоте ω₀ излучения СВЧ-генератора 2 САПП.

Радиопередающее устройство РЛС вырабатывает периодические СВЧ радиоимпульсы запроса на частоте ω_запр с периодом повторения Т_п и длительностью t_зап. Например, ω_запр=2π×1780, Т_п=2 мс, t_зап=1…2 мкс.

Заполняющие эти радиоимпульсы СВЧ колебания являются несущими, они подвергнуты частотной модуляции с постоянной величиной девиации частоты квазигармоническими колебаниями, имеющими частоту порядка 20…30 МГц. Последние, в свою очередь, являются поднесущими колебаниями (см. стр. 233-240, [35]), они внутри каждого радиоимпульса несут в себе информацию об уникальном коде запросного сигнала. Этим кодом в виде бинарной цифровой (двоичной) последовательности производится модуляция поднесущих колебаний по фазе или частоте. При этом для передачи цифровой последовательности кода могут использоваться, например, бинарная фазовая модуляция, дифференциальная бинарная фазовая модуляция или бинарная частотная модуляция с разрывной или непрерывной фазой (см. соотв. стр. 99-101, 106-107, 114-119, [34]). Сформированные таким образом в передатчике РЛС радиоимпульсы далее с помощью направленной антенны РЛС излучаются в виде электромагнитных волн в направлении АРЗ.

Принятое на борту АРЗ антенной 1 электромагнитное излучение на частоте ω_запр преобразуется в электрические колебания, которые в виде запросных радиоимпульсов с внутриимпульсной частотной модуляцией несущей и цифровой модуляцией частоты или фазы колебаний поднесущей поступают в резонатор СВЧ-генератора 2. Здесь они смешиваются с собственными колебаниями СВЧ-генератора 2, имеющими частоту ω₀, которая может несколько отличаться от частоты ω_запр вследствие температурных уходов при подъеме АРЗ и естественных нестабильностей. Образовавшаяся в резонаторе смесь колебаний, взаимодействуя на нелинейности активного элемента СВЧ-генератора 2, вызывает ряд нелинейных явлений в его автоколебательной системе.

Одно из фундаментальных явлений, характерных этим системам, состоит в том, что если частота воздействующего на СВЧ-генератор 2 сигнала находится внутри полосы его синхронизации, то происходит захват его частоты и ее удержание (синхронизация) с точностью до фазового сдвига. При этом изменения частоты и фазы воздействующего радиосигнала вызывают соответствующие изменения частоты и амплитуды колебаний СВЧ-генератора 2, а также среднего значения величины смещения (тока или напряжения) активного элемента. Данное явление широко описано в литературе [10, 12, 14], а также отмечены области его применения, например, оно используется для детектирования частотно-модулированных (ЧМ) колебаний (см. стр. 175-178, [36]).

На фиг. 2 представлены диаграммы, поясняющие принцип демодуляции ЧМ посредством синхронизированного СВЧ-генератора 2. На диаграммах под литерой «А» приведены нормированные относительно максимальных значений амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) а_н(χ), полученные для различных значений коэффициента у неизохронности СВЧ-генератора 2: γ=0 (кривая 1); γ=0,5 (кривая 2); γ=1 (кривая 3); γ=5 (кривая 4) [13]. Эти характеристики показывают зависимость нормированной величины изменений амплитуды колебаний СВЧ-генератора 2 а_н(χ) (соответственно и отклик в цепи питания), от величины относительной отстройки частоты χ запросного сигнала от центральной частоты ω₀ СВЧ-генератора 2 в пределах границ полосы синхронизации, где

χ=Δω_с / Δω_син - относительная отстройка частоты ω_с запросного сигнала от центральной частоты ω₀ СВЧ-генератора 2;

- полуширина полосы синхронизации;

Δω_с=ω_запр - ω₀ - абсолютная величина отстройки частоты запросного сигнала от середины полосы синхронизации;

ω₀ - серединная частота полосы синхронизации СВЧ-генератора 2;

- коэффициент относительного уровня сигнала запроса;

Р_с, Р₀ - мощность принятого запросного сигнала и выходная мощность СВЧ-генератора 2 соответственно;

γ - коэффициент неизохронности СВЧ-генератора 2;

Q_вн - внешняя добротность колебательной системы СВЧ-генератора 2.

На диаграмме под литерой «Б» приведена временная диаграмма χ(t) мгновенных изменений частоты сигнала запроса, воздействующего на СВЧ-генератор 2 в центре полосы синхронизации. Величина девиации частоты этого сигнала для наглядности примера принята равной половине полуширины полосы синхронизации.

На диаграмме под литерой «В» приведена временная диаграмма а_н(t) выходного сигнала (отклика) для случая СВЧ-генератора 2, имеющего коэффициент неизохронности γ=5 (см. кривую 4 на диаграмме под литерой «А»). Большая величина коэффициента γ является характерной для реальных СВЧ-генераторов, выполненных на полупроводниковых приборах (см. рис. 2.10, стр. 48, рис. 2.22, стр. 64, [36]). Кроме того, наличие варикапа в колебательной системе, как правило, увеличивает значение коэффициента у неизохронности СВЧ-генератора 2.

Из представленных графиков видно, что с увеличением коэффициента γ неизохронности АЧХ синхронизированного СВЧ-генератора 2 вырождается практически в прямую линию (см. кривую 4 на диаграмме под литерой «А»). Такой вид АЧХ обеспечивает высокую линейность преобразования ЧМ в изменения амплитуды колебаний. При этом детектирование изменений амплитуды колебаний с помощью внешнего детектора или автодетектирования их в цепи питания посредством устройства 3 регистрации обеспечивает практически линейную демодуляцию ЧМ.

Необходимо отметить, что по обеим осям АЧХ (см. фиг. 2) денормированные переменные ΔА (по вертикали) и Δω_с (по горизонтали) одинаково (прямо пропорционально) зависят от величины относительного уровня сигнала запроса Г_с:

где

ΔА - абсолютные изменения амплитуды колебаний СВЧ-генератора 2;

а_н(χ) - нормированная величина изменений амплитуды колебаний СВЧ-генератора 2;

А₀ - амплитуда стационарных колебаний автономного СВЧ-генератора 2;

- коэффициент относительного уровня сигнала запроса;

Р_с, Р₀ - мощность принятого запросного сигнала и выходная мощность СВЧ-генератора 2 соответственно;

K_a - коэффициент автодинного усиления СВЧ-генератора 2;

Δω_с=ω_запр-ω₀ - абсолютная величина отстройки частоты запросного сигнала от середины полосы синхронизации СВЧ-генератора 2;

χ=Δω_с/Δω_син - относительная отстройка частоты ω_с запросного сигнала от центральной частоты ω₀ СВЧ-генератора 2;

- полуширина полосы синхронизации;

ω₀ - серединная частота полосы синхронизации СВЧ-генератора 2;

γ - коэффициент неизохронности СВЧ-генератора 2;

Q_вн - внешняя добротность колебательной системы СВЧ-генератора 2.

Беря отношение выражений (3) и (4) с учетом того, что максимальные значения а_н(χ)=χ=1, получим формулу для расчета крутизны характеристики преобразования СВЧ-генератором 2 ЧМ запросного радиоимпульса в напряжение преобразованного сигнала:

Из полученной формулы (5) видно, что крутизна S_ЧM характеристики преобразования ЧМ в автодинный отклик СВЧ-генератора 2 не зависит от уровня сигнала запроса. Расчет при А₀=5 В, K_a=2, Q_вн=100 и γ=5 при частоте несущей ω₀=2π×1780×10⁶ дает значение крутизны S_ЧM=18 мВ/МГц. При величине девиации частоты, например, 0,5 МГц амплитуда преобразованного сигнала на выходе СВЧ-генератора 2 и, соответственно, на выходе устройства 3 регистрации сигнала по изменению амплитуды колебаний (с помощью, так называемого, внешнего детектора) составляет 9 мВ. При выделении сигнала с помощью устройства регистрации 3 в цепи питания амплитуда сигнала определяется его параметрами преобразования изменений тока или напряжения смещения активного элемента в напряжение выходного сигнала.

Таким образом, сигнал запроса в виде СВЧ радиоимпульса с постоянной девиацией частоты посредством СВЧ-генератора 2 преобразуется в сигнал радиоимпульса, заполненного колебаниями поднесущей, амплитуда которого также пропорциональна амплитуде запросного радиоимпульса. При этом девиация частоты запросного радиосигнала выбирается при его минимальном уровне, который соответствует максимальной дальности от РЛС до АРЗ системы радиозондирования атмосферы. Этим обеспечивается устойчивость работы САПП во всем диапазоне дальностей.

Выходной сигнал устройства 3 регистрации в виде колебаний на частоте поднесущей, содержащий информацию о коде запросного сигнала в виде фазовой или узкополосной частотной модуляции (см. стр. 75-128, [34]), после усиления в усилителе 4 поступает на входы амплитудного детектора 6 и демодулятора 10. Амплитудный детектор 6 преобразует принимаемые радиоимпульсы на частоте поднесущей в видеоимпульсы, амплитуда которых прямо пропорциональна амплитуде радиоимпульсов, и передает их на вход компаратора 7. В случае превышения видеоимпульсами порогового уровня компаратора 7 далее они поступают на управляющий вход декодера 8 запросного кода в виде команды «Разрешения» декодирования.

В демодуляторе 10 производится преобразование сигнала поднесущей с частотной или фазовой модуляцией в цифровой бинарный сигнал во временной области, который в виде последовательности импульсов уровней «нуль» и «единица» далее поступает на сигнальный вход декодера 8. Декодер 8 при поступлении с выхода компаратора 7 на управляющий вход сигнала «Разрешения» производит преобразование поступающей от демодулятора 10 цифровой бинарной последовательности импульсов уровней «нуль» и «единица» во временной области в параллельный код, сравнивает его с установленным в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) кодом (см. стрелку «Код» на фиг. 1) и при их совпадении формирует на выходе декодера 8 команду «Совпадение» в виде импульса.

Выходной импульс «Совпадение» декодера 8 поступает на вход запуска формирователя 9 импульсов ответной паузы, выполненного в виде одновибратора, который в ответ на воздействие переднего фронта выходного импульса декодера 8 формирует на своих выходах импульс ответной паузы имеющего длительность t_oп порядка 2…3 мкс. Импульс ответной паузы производит прерывание передачи электромагнитных колебаний от СВЧ-генератора 2 в антенну 1. Данное прерывание может достигаться в простейшем случае путем отключения питания СВЧ-генератора 2 или иными техническими решениями, например, коммутатором на pin-диодах.

В соответствии с заложенным в работу РЛС принципом действия (см. стр. 74-87, [5]) по временному положению принятой радиоприемным устройством РЛС паузы относительно момента посылки запросного радиоимпульса измеряется наклонная дальность до АРЗ, необходимая наряду с угловыми координатами для определения текущих координат нахождения радиозонда. При этом вносимая предлагаемым устройством временная задержка, связанная с приемом, обработкой и формированием ответной паузы, легко учитывается при калибровке РЛС.

СВЧ-генератор 2 в предлагаемом устройстве работает практически при непрерывном излучении в режиме стационарных колебаний синхронного автодинного преобразования узкополосных частотно-модулированных запросных радиоимпульсов. В промежутках времени между приемом радиосигналов от запросной РЛС СВЧ-генератор 2 работает в качестве передатчика с узкополосной частотной модуляцией излучения сигналов телеметрического канала. Узкополосная частотная модуляция и формирование ответных пауз путем кратковременных прерываний СВЧ-генератора 2 не оказывает существенного влияния на его режим работы и спектр излучения. Исключение разноса частот между запросной РЛС и САПП значительно уменьшило полосу занимаемых системой радиозондирования атмосферы частот по сравнению с аналогом и прототипом, чем достигнуто уменьшение вероятности создания непреднамеренных помех работе других радиотехнических систем, включая системы ГЛОНАСС/GPS.

Таким образом, предлагаемый САПП системы радиозондирования атмосферы, реализующий разработанный нами способ синхронного приема и обработки сигналов запроса, при сохранении функциональных возможностей аналога и прототипа обеспечивает достижение технического результата изобретения - повышение устойчивости режима и надежности работы СВЧ-генератора 2 в широком диапазоне расстояний, от места пуска АРЗ до его предела по дальности, ограниченного энергетическим потенциалом САПП и рельефом местности, а также расширение динамического диапазона по уровню сигнала запроса, решение задачи электромагнитной совместимости с другими системами, улучшение защищенности устройства от воздействия хаотических импульсных помех и несанкционированного доступа.

При этом необходимо добавить, что использование предлагаемого САПП в составе существующих систем радиозондирования потребует лишь несущественных конструктивных изменений в РЛС, связанных с введением частотного детектора в канал приема телеметрического сигнала и частотного модулятора запросного передатчика для передачи кодовой последовательности. Результаты теоретических исследований САПП получили подтверждение первичными экспериментальными данными, полученными для макета приемопередатчика, выполненного на основе транзисторного СВЧ-генератора на частоту 1780 МГц [13].

Представленное описание предлагаемого САПП приведено на примере выполнения блоков и узлов на полупроводниковых приборах и интегральных схемах. Учитывая широкую потребность АРЗ на сети метеорологического зондирования атмосферы предлагаемый САПП может быть реализован в интегральном исполнении с цифровой обработкой и формированием сигналов при сохранении его отличительных признаков. При этом конструкция САПП будет отличаться незначительной потреблением энергии бортового питания и не приведет к увеличению габаритов и массы АРЗ.

Литература

1. Смирнов Т.Д., Горбачев В.П. Радиолокационные системы с активным ответом. - М.: Воениздат, 1962. 116 с.

2. Хахалин B.C. Современные радиозонды. -М.: Госэнергоиздат, 1959. 65 с.

3. Авт.свидетельство СССР SU115078, опубл. 01.01.1958. Передатчик-ответчик для радиозонда / B.C. Хахалин, Б.В. Васильев, С.Ф. Калачинский.

4. Иванов В.Э., Гусев А.В., Игнатков К.А. и др. Современное состояние и перспективы развития систем радиозондирования атмосферы в России // Успехи современной радиоэлектроники. 2015. №9. С. 3-49.

5. Иванов В.Э., Фридзон М.Б., Ессяк СП. Радиозондирование атмосферы. Технические и метрологические аспекты разработки и применения радиозондовых измерительных средств, под ред. В.Э. Иванова. Екатеринбург. УрО РАН. 2004. 596 с.

6. Кудинов С.И., Гусев А.В., Иванов В.Э. Исследование методов совмещения частот приема и передачи в транзисторных сверхрегенеративных приемопередатчиках радиозондов // 23-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2015). Севастополь, 2013. С. 1026-1027.

7. Белкин М.К., Кравченко Г.И., Скоробутов Ю.Г., Стрюков Б.А. Сверхрегенераторы. - М.: Радио и связь, 1983, 248 с.

8. Кудинов С.И., Иванов В.Э. Исследование влияния флуктуационных и ударных колебаний на чувствительность сверхрегенеративных приемопередающих устройств // Ural Radio Engineering Journal. 2019. Т. 3. №2. С. 170-194.

9. Патент РФ RU2624993 С1, опубл. 11.07.2017, Бюл. №20. Заявка №2016121285 от 30.05.2016. МКИ (2006.01) G01S13/74. Автодинный приемопередатчик системы радиозондирования атмосферы / В.Я. Носков, В.Э. Иванов, К.А. Игнатков, С.И. Кудинов, А.В. Гусев.

10. Демьянченко А.Г. Синхронизация генераторов гармонических колебаний. - М.: Энергия, 1976. - 240 с.

11. Носков В.Я., Игнатков К.А., Шайдуров К.Д. Определение динамических параметров автодинов методом биений // Ural Radio Engineering Journal. 2019. Т. 3. №3. С. 261-285.

12. Полупроводниковые приборы в схемах СВЧ / Под ред. М. Хауса, Д. Моргана. - М.: Мир, 1979. - 443 с.

13. Носков В.Я., Иванов В.Э., Гусев А.В. и др. Применение автодинов в перспективных системах радиолокационного зондирования атмосферы // Ural Radio Engineering Journal. 2022. Т. 6. №1. С.11-53.

14. Курокава К. Принудительная синхронизация твердотельных СВЧ-генераторов // ТИИЭР, 1973, т.61, №10, стр. 12-40.

15. Минаев М.И. Низкочастотный спектр автодинного преобразователя частоты // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1989. №. 7. С. 12-14.

16. Защита от радиопомех / Под ред. М.В. Максимова. - М.: Советское радио, 1976. - 496 с.

17. Куприянов А.И., Сахаров А.В. Теоретические основы радиоэлектронной борьбы. - М.: Вузовская книга, 2007. - 356 с.

18. Сколник М. Введение в технику радиолокационных систем. - М.: Мир, 1965, 747 с.

19. Радиолокационные устройства (теория и принципы построения) / Под ред. В.В. Григорина-Рябова. - М.: Сов. радио, 1970, 680 с.

20. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. Нью-Йорк, 1970: Пер. с англ. Том 3. Радиолокационные устройства и системы / Под ред. А.С Виницкого. - М.: Сов. радио, 1978. - 528 с.

21. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1983. - 536 с.

22. Давыдов П.С., Сосновский А.А., Хаймович И.А. Авиационная радиолокация: Справочник. - М.: Транспорт, 1984. - 223 с.

23. Авиационные радиолокационные комплексы и системы / П.И. Дудник, Г.С. Кондратенков, Б.Г. Татарский и др. Под ред. П.И. Дудника. - М.: Изд. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2006. - 1112 с.

24. Радиоэлектронная авионика / Э.А. Болелов, И.Б. Губерман, А.Т. Кудинов, С.Б. Стукалов. - М.: ИД Академии Жуковского, 2020. - 80 с.

25. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. / Под ред. Д.И. Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1972, 320 с.

26. Малышев В.А. Бортовые активные устройства сверхвысоких частот.- Л.: Судостроение, 1990, 264 с.

27. Царапкин Д.П. Генераторы СВЧ на диодах Ганна. - М.: Радио и связь, 1982, 112 с.

28. Носков В.Я., Смольский С.М., Игнатков К.А., Мишин Д.Я., Чупахин А.П. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Часть 11. Основы реализации автодинов // Успехи современной радиоэлектроники. 2019. №2. С. 5-33.

29. Костылев С.А., Гончаров В.В., Соколовский И.И., Челядин А.В. Полупроводники с объемной отрицательной проводимостью в СВЧ полях: Электронные процессы и функциональные возможности. - Киев: Наук, думка, 1987.- 144 с.

30. Радиоприемные устройства / Под ред. А.П. Жуковского. М.: Высшая школа, 1989, 342 с.

31. Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. - М.: Радио и связь, 1991. - 376 с.

32. Справочник: Микросхемы для телефонии и средств связи. - М.: Додека, 1998.-400 с.

33. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. - М.: Металлургия, 1988. - 321 с.

34. Галкин В.А. Цифровая мобильная радиосвязь. - М.: Горячая линия -Телеком, 2007. - 432 с.

35. Гоноровский И.С. Частотная модуляция и ее применения. М.: Связьиздат, 1948. -283 с.

36. Радиотехнические устройства СВЧ на синхронизированных генераторах / Под ред. Н.Н. Фомина. - М.: Радио и связь, 1991. - 192 с.

Изобретение относится к радиолокации. Технический результат заключается в расширении рабочего диапазона расстояний системы радиозондирования атмосферы; сужении рабочей полосы частот; расширении динамического диапазона по уровню сигнала запроса; повышении помехозащищенности приемопередатчика к воздействию активных помех; предотвращении несанкционированного доступа к получению метеоданных. Технический результат достигается за счет использования свойств радиосигналов, передаваемых от РЛС системы радиозондирования атмосферы к АРЗ (аэрологическому радиозонду), режимов работы автодинных приемопередатчиков и методов повышения помехозащищенности радиосистем при использовании в качестве несущей запросного радиоимпульса колебания с периодической внутриимпульсной частотной модуляцией, применении этой модуляции в качестве поднесущей для передачи запросного кода, в переводе СВЧ-генератора из режима асинхронного автодинного преобразователя частоты в режим синхронного детектора (преобразователя) частотной модуляции и применении методов кодирования и декодирования сигнала запроса. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ синхронного приема и обработки запросного сигнала в автодинном приемопередатчике системы радиозондирования атмосферы, заключающийся в том, что посредством антенны принимают электромагнитное излучение в виде СВЧ-колебаний радиоимпульса запросного сигнала, при этом несущая частота этого радиоимпульса промодулирована квазигармонической поднесущей, которая в свою очередь подвергнута дополнительной частотной или фазовой модуляции двоичным кодом запросного сигнала, воздействуют СВЧ-колебаниями радиоимпульса запросного сигнала на СВЧ-генератор, вызывая захват и синхронизацию частоты колебаний СВЧ-генератора, а также автодинные изменения с частотой поднесущей запросного сигнала амплитуды его колебаний, средних значений тока и напряжения в цепи смещения активного элемента СВЧ-генератора, далее выделяют автодинные изменения СВЧ-генератора в виде радиоимпульса с частотой поднесущей запросного сигнала, после этого данный радиоимпульс на частоте поднесущей запросного сигнала последовательно усиливают по амплитуде, фильтруют, преобразуют в видеоимпульс и сравнивают его амплитуду с пороговым уровнем, при этом радиоимпульс на частоте поднесущей запросного сигнала после фильтрации одновременно демодулируют по частоте или фазе, получают при этом двоичную последовательность кода запросного сигнала, которую в декодере при условии превышения амплитудой видеоимпульса порогового уровня преобразуют в двоичный параллельный код, далее сравнивают его с кодом, предварительно внесенным в постоянное запоминающее устройство, и при их совпадении формируют импульс ответной паузы, которым прерывают излучение СВЧ-генератора, при этом частоту СВЧ-генератора в промежутках времени между приемом запросных сигналов и формированием ответной паузы модулируют сигналом радиотелеметрии, причем среднюю частоту модулированных колебаний СВЧ-генератора предварительно совмещают со средней частотой СВЧ-колебаний радиоимпульса запросного сигнала, несущая частота которого промодулирована квазигармонической поднесущей, а девиацию частоты запросного сигнала ограничивают условием ее нахождения внутри полосы синхронизации СВЧ-генератора.

2. Синхронный автодинный приемопередатчик системы радиозондирования атмосферы, содержащий формирователь импульсов ответной паузы и последовательно соединенные антенну, СВЧ-генератор с возможностью электрического управления частотой и прерыванием его излучения, устройство регистрации автодинного сигнала, усилитель, полосовой фильтр, амплитудный детектор и компаратор, при этом выход формирователя импульсов ответной паузы подключен к входу управления прерыванием излучения СВЧ-генератора, отличающийся тем, что между выходом полосового фильтра и входом формирователя импульсов ответной паузы дополнительно введены последовательно соединенные демодулятор и декодер запросного сигнала, причем выход компаратора подключен к управляющему входу декодера запросного сигнала.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что СВЧ-генератор, работающий в синхронном режиме преобразования частотно-модулированных сигналов, выполнен на среднюю частоту принимаемых радиоимпульсов запросного сигнала.