СПОСОБ РАДИОЛОКАЦИИ С ПЕРЕСТРОЙКОЙ НЕСУЩЕЙ ЧАСТОТЫ ОТ ИМПУЛЬСА К ИМПУЛЬСУ Российский патент 2023 года по МПК H04B1/403 G01S13/02 

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано при построении бортовых радиолокационных станций с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу.

Известен способ радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу (см. стр. 8, рис. 1, [1]), заключающийся в использовании одновременно перестраиваемых по частоте передатчика и приемника.

Реализация способа [1] заключается в следующем.

В передатчике с перестройкой частоты формируются излучаемые радиоимпульсы несущей частоты, которые излучаются в направлении цели. Отраженные сигналы принимаются приемником, в котором частота настройки изменяется с помощью перестраиваемого по частоте гетеродина. Частоты передатчика и гетеродина приемника перестраиваются таким образом, чтобы разностная частота всегда имела постоянное значение, равное промежуточной частоте приемника. Оптимальная фильтрация отраженных сигналов обеспечивается на промежуточной частоте частотно-избирательным устройством (ЧИУ), полоса пропускания которого согласована со спектром излучаемого радиоимпульса.

Недостатками способа [1] являются:

– сложность сопряжения частот передатчика и гетеродина приемника при их перестройке в рабочем диапазоне частот;

– необходимость обеспечения долговременной стабильности частотных параметров задающего генератора передатчика, гетеродина и частотно-избирательного устройства при эксплуатации РЛС.

Известен способ радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу (см. стр. 503–506, рис. 13.4, [2]), заключающийся в использовании системы автоматической подстройки частоты (АПЧ) гетеродина приемника, обеспечивающей сопряжение несущей частоты передатчика с частотой настройки приемника.

Реализация способа [2] заключается в следующем.

В передатчике формируются радиоимпульсы несущей частоты, которые излучаются в направлении цели. Часть мощности сигнала передатчика поступает в систему АПЧ гетеродина приемника и за время, равное длительности излучаемого радиоимпульса, система АПЧ подстраивает частоту гетеродина приемника. Частота дискриминатора системы АПЧ, равная разности несущей частоты передатчика и частоты гетеродина приемника, совпадает с промежуточной частотой приемника.

Отраженный от цели сигнал поступает в приемник, частота настройки которого с помощью системы АПЧ гетеродина во время излучения радиоимпульса подстроена под несущую частоту передатчика, при этом полоса пропускания линейной части приемника согласована с шириной спектра радиоимпульса передатчика. Это равенство обеспечивает условие оптимального приема отраженного сигнала.

Недостатками способа [2] являются:

– необходимость обеспечения стабильности частотных характеристик дискриминатора системы АПЧ гетеродина и амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилителя промежуточной частоты (УПЧ) приемника;

– наличие остаточной расстройки в системе АПЧ гетеродина, не позволяющей обеспечить полное согласование полосы пропускания линейной части приемника с шириной спектра радиоимпульса передатчика, т.е. его оптимальность;

– наличие ограничений на длительность излучаемых радиоимпульсов при перестройке их несущей частоты ввиду инерционности системы АПЧ гетеродина.

Известен способ радиолокации с изменением несущей частоты от импульса к импульсу [3], заключающийся в формировании излучаемого сигнала и фильтрации отраженного сигнала одним ЧИУ с применением метода прямого и возвратного гетеродинирования с изменением несущей частоты перестройкой частоты гетеродинного сигнала и детектировании отраженного сигнала на промежуточной частоте, причем излучаемый сигнал получают прямым гетеродинированием вниз на промежуточную частоту входного собственного шума приемного устройства, усилением, его последующей узкополосной фильтрацией на промежуточной частоте ЧИУ с получением квазигармонического шума промежуточной частоты, возвратным гетеродинированием вверх квазигармонического шума с промежуточной частоты на несущую частоту, усилением, ограничением амплитуды сверху этого шума, его амплитудно-импульсной манипуляцией, усилением до требуемого уровня излучаемой импульсной мощности с последующим излучением передающей антенной.

Основным недостатком способа [3] является слабая степень когерентности колебаний формируемых радиоимпульсов из-за применения в качестве опорного источника сигнала квазигармонического шума приемного устройства. Это является причиной, ограничивающей предельную дальность действия импульсно-доплеровских радиолокаторов. Кроме того, способ [3] отличается сложностью его реализации.

Известен способ радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу [4], заключающийся в получении сигнала несущей частоты методом прямого гетеродинирования радиоимпульсов фиксированной частоты вверх по частоте на величину частоты гетеродинного сигнала и приеме отраженного сигнала методом возвратного гетеродинирования сдвигом его вниз по частоте с последующей фильтрацией в ЧИУ отраженного сигнала на частоте радиоимпульсов фиксированной частоты, при этом перестройку несущей частоты осуществляют изменением частоты гетеродинного сигнала, при прямом гетеродинировании в качестве радиоимпульсов фиксированной частоты используют отклик ЧИУ на сверхкороткое импульсное воздействие, а после возвратного гетеродинирования фильтрацию отраженного сигнала производят этим же ЧИУ, причем прямое и возвратное гетеродинирование осуществляют одним и тем же устройством.

Недостатками способа [4] являются:

– отсутствие возможности управления длительностью радиоимпульса, формируемого в ЧИУ;

– жесткие требования к форме АЧХ ЧИУ;

– отсутствие возможности оптимизации режима преобразования радиосигнала с промежуточной частоты на несущую (излучаемую) частоту и с несущей (принимаемой) частоты на промежуточную частоту методом прямого и возвратного гетеродинирования при использовании одного и того же устройства;

– большое потребление тока по цепи питания;

– наличие утечки излучения источника непрерывного сигнала с перестройкой частоты осложняет решение задачи электромагнитной совместимости и скрытности работы в условиях возросшего количества радиосредств.

Первый недостаток связан с зависимостью длительности радиоимпульсного отклика ЧИУ на импульсное воздействие ( пс) от полосы пропускания ЧИУ как , где – полоса пропускания ЧИУ, т.е. увеличение длительности радиоимпульса возможно только при уменьшении полосы пропускания ЧИУ, что технически не всегда реализуемо (см. стр. 303–311, [5]). Это приводит к ограничению диапазона измеряемых дальностей.

Второй недостаток обусловлен зависимостью огибающей радиоимпульса от формы АЧХ ЧИУ, при которой возможно появление в осциллограмме формируемого радиоимпульса «хвостов» и «предвестников» (см. стр. 305–307, рис. 5.30, 5.31, [5]).

Третий недостаток связан с необходимостью использования для прямого и возвратного гетеродинирования преобразующего устройства взаимного типа на основе диодного смесителя, режим работы которого при приеме отраженных радиоимпульсов (режим работы приемного смесителя) должен обеспечивать минимальный уровень вносимого шума, а при формировании излучаемых сигналов (режим работы смесителя сдвига) – максимальный коэффициент преобразования, что технически реализовать на одном устройстве достаточно сложно. Таким образом, неоптимальность прямого и возвратного гетеродинирования с помощью одного и того же устройства приводит к необходимости введения дополнительных каскадов в усилителе мощности, что ухудшает массогабаритные характеристики и снижает общий КПД приемо-передающего устройства.

Четвертый и пятый недостатки обусловлены постоянством режима работы источника непрерывного сигнала с перестройкой частоты.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемому способу является способ радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу (Соловьев Н.А. Использование сигнала с синтезом спектра для построения дальностного портрета и инверсного синтеза апертуры // Наука и Образование: научно-техническое издание: 77-30569/249869. Научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана, ноябрь, 2011 [6]), заключающийся в формировании излучаемого радиоимпульса переносом радиоимпульсного сигнала генератора, частота которого фиксирована и равна промежуточной частоте приемника, на несущую частоту методом гетеродинирования с использованием перестраиваемого по частоте непрерывного гетеродинного сигнала, и приеме отраженного сигнала супергетеродинным приемником с использованием этого же гетеродинного сигнала.

Реализация способа-прототипа заключается в следующем.

Из сигнала (см. поз. 1 на фиг. 1) источника радиоимпульсов фиксированной частоты (см. эпюру «а» на фиг. 2) и непрерывного гетеродинного сигнала (см. поз. 2 на фиг. 1) с частотой источника с перестройкой частоты (см. эпюру «б» на фиг. 2) методом прямого гетеродинирования вверх по частоте первым смесителем (см. поз. 2 на фиг. 1) формируется радиоимпульсный сигнал несущей частоты (см. эпюру «в» на фиг. 2) , который после усиления усилителем мощности (см. поз. 3 на фиг. 1) излучается в направлении цели.

Отраженный от цели радиосигнал (см. эпюру «г» на фиг. 2) после усиления малошумящим усилителем (см. поз. 5 на фиг. 1) методом возвратного гетеродинирования вторым смесителем (см. поз. 6 на фиг. 1) смещается вниз на промежуточную частоту , на которой сигнал промежуточной частоты (см. эпюру «д» на фиг. 2) фильтруется согласованным со спектром излучаемого сигнала ЧИУ (см. поз. 7 на фиг. 1) с полосой пропускания .

Таким образом, при равенстве частоты источника радиоимпульсов промежуточной частоте , на которой осуществляется фильтрация, , для любой несущей частоты излучаемого сигнала будет обеспечена настройка приемника на эту частоту.

Недостатками способа-прототипа [6] являются:

– необходимость поддержания в эксплуатации равенства частот источника радиоимпульсов передатчика частоте настройки ЧИУ приемника;

– сложность схемы, реализующей данный способ;

– большое потребление тока по цепи питания;

– наличие утечки излучения источника непрерывного сигнала с перестройкой частоты осложняет решение задачи электромагнитной совместимости и скрытности работы в условиях возросшего количества радиосредств.

Первый недостаток обусловлен сложностью обеспечения долговременной стабильности частотных параметров передатчика и ЧИУ приемника при старении и дестабилизирующих факторах внешней среды.

Второй недостаток обусловлен наличием двух смесителей, из которых первый (смеситель сдвига) методом прямого гетеродинирования формирует в передатчике сигнал несущей частоты, второй в приемнике возвратным гетеродинированием преобразует отраженный сигнал несущей частоты в сигнал промежуточной частоты.

Третий и четвертый недостатки обусловлены постоянством режима работы источника непрерывного сигнала с перестройкой частоты.

Таким образом, техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в необходимости обеспечения оптимального приема отраженных сигналов при перестройке несущей частоты излучаемых радиоимпульсов от импульса к импульсу без предъявления требований к долговременной стабильности частотных параметров входящих устройств и при более простой практической реализации, а также уменьшение энергопотребления, снижение уровня паразитных сигналов и наводок по цепям питания и управления.

Решение указанной проблемы достигается тем, что предложен способ радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу, заключающийся в том, что на высокочастотный (ВЧ) генератор ударно воздействуют последовательностью парных импульсов запуска с крутыми фронтами, формируя при этом в течение каждого радиоимпульса когерентные колебания относительно импульсов запуска, причем частоты колебаний радиоимпульсов каждой пары смещают относительно друг друга на величину промежуточной частоты, первые радиоимпульсы каждой пары являются зондирующими, а вторые – гетеродинными, сформированные в ВЧ генераторе зондирующие радиоимпульсы каждой пары излучают в контролируемое пространство, принимают от находящейся в этом пространстве цели отраженные радиоимпульсы и смешивают их в смесителе с колебаниями ВЧ генератора во время формирования гетеродинных радиоимпульсов каждой пары, выделяют с последующей фильтрацией отраженные радиосигналы на промежуточной частоте, при этом частоты зондирующих и гетеродинных радиоимпульсов от такта к такту перестраивают изменением собственной частоты резонатора ВЧ генератора с сохранением в каждом такте разности частот радиоимпульсов равной промежуточной частоте.

Получение наилучшего результата в умножении частоты достигается тем, что в способе радиолокации с перестройкой частоты от импульса к импульсу длительность фронта импульсов ударного воздействия выбирают такой, чтобы она равнялась половине периода колебаний ВЧ генератора, а амплитуда импульсов была не менее чем на порядок выше уровня собственных шумов ВЧ генератора.

Способ радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу поясняют следующие фигуры.

На фигуре 1 приведена функциональная схема, поясняющая способ-прототип радиолокации с изменением несущей частоты от импульса к импульсу. На ней показаны: 1 – источник радиоимпульсов (ИРИ) фиксированной частоты; 2 – первый смеситель (См-1), осуществляющий прямое гетеродинирование; 3 – усилитель мощности (УМ); 4 – источник непрерывного сигнала с перестройкой частоты (ИПЧ); 5 – малошумящий усилитель (МШУ); 6 – второй смеситель (См-2), осуществляющий обратное гетеродинирование; 7 – ЧИУ промежуточной частоты.

На фигуре 2 приведены эпюры напряжения сигналов, поясняющие способ-прототип радиолокации с изменением несущей частоты от импульса к импульсу, где:

«а» – радиоимпульсные сигналы фиксированной частоты ;

«б» – перестраиваемый по частоте непрерывный гетеродинный сигнал с текущей частотой ;

«в» – излучаемые радиоимпульсные сигналы несущей частоты , полученные методом прямого гетеродинирования;

«г» – отраженные сигналы несущей частоты ;

«д» – отраженные сигналы промежуточной частоты , полученные методом возвратного гетеродинирования.

Предлагаемый способ радиолокации с изменением несущей частоты от импульса к импульсу поясняют следующие фигуры.

На фигуре 3 приведена функциональная схема, поясняющая предлагаемый способ радиолокации с изменением несущей частоты от импульса к импульсу. На ней показаны: 1 – генератор импульсов ударного воздействия (ГИУВ) с крутым фронтом; 2 – ВЧ генератор (ВЧГ), выполненный с возможностью управления частотой; 3 – усилитель мощности (УМ); 4 – малошумящий усилитель (МШУ); 5 – смеситель (См); 6 – частотно-избирательное устройство (ЧИУ) промежуточной частоты.

На фигуре 4 приведены эпюры напряжения сигналов, поясняющие предлагаемый способ радиолокации с изменением несущей частоты от импульса к импульсу, где:

«а» – выходное напряжение генератора импульсов ударного воздействия;

«б» – выходные колебания ВЧ генератора при формировании пар радиоимпульсов на первой и второй частотах соответственно;

«в» – колебания отраженных от цели радиоимпульсов;

«г» – преобразованные колебания частоты на выходе смесителя;

«д» – сигналы промежуточной частоты , полученные на выходе частотно-избирательное устройство ЧИУ.

Предлагаемый способ радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса импульсу и оптимальным приемом отраженных сигналов осуществляется следующим образом.

На высокочастотный (ВЧГ) генератор (см. поз. 2 на фиг. 3) ударно воздействуют последовательностью парных импульсов запуска с крутыми фронтами (см. эпюру «а» на фиг. 4), которые сформированы в ГИУВ (см. поз. 1 на фиг. 3). При условии, что длительность фронта импульсов запуска приблизительно равна половине периода колебаний ВЧ генератора, а амплитуда импульсов не менее чем на порядок выше уровня собственных шумов ВЧ генератора, в нем наиболее эффективно возбуждаются, так называемые, ударные колебания на собственной частоте настройки резонатора ВЧ генератора (см. раздел 5.6. «Примерный порядок проектирования и расчета РПЧ», стр. 103–108, книги [7]). Ударные колебания в ВЧ генераторе навязывают начальную фазу [8] колебаний каждого радиоимпульса и обеспечивают их когерентность относительно частоты импульсов запуска [9, 10].

При перестройке собственной частоты резонатора ВЧ генератора с частоты на частоту в процессе формирования первого и второго радиоимпульсов каждой пары обеспечивается получение когерентных колебаний радиоимпульсов на частотах соответственно и , кратных частоте импульсов запуска , где , – коэффициенты умножения частоты первого и второго радиоимпульсов (см. эпюру «б» на фиг. 4). Разность частот и выбирается равной промежуточной частоте путем выбора коэффициентов и умножения.

Первые радиоимпульсы (зондирующие) каждой пары на частоте поступают на гетеродинный вход смесителя (см. поз. 5 на фиг. 3) и на вход усилителя мощности (см. поз. 3 на фиг. 3). С выхода последнего зондирующие радиоимпульсы далее через передающую антенну излучаются в контролируемое радиолокатором пространство в направлении цели.

Отраженные от находящейся в контролируемом пространстве цели радиоимпульсы на частоте (см. эпюру «в» на фиг. 4) через приемную антенну и малошумящий усилитель МШУ (см. поз. 4 на фиг. 3) направляются в смеситель См (см. поз. 5 на фиг. 3), на гетеродинный вход которого поступают гетеродинные радиоимпульсы каждой пары, сформированные ВЧ генератором на частоте (см. эпюру «б» на фиг. 4). Далее с выхода смесителя См радиоимпульсы (см. эпюру «г» на фиг. 4) промежуточной частоты проходят через ЧИУ (см. поз. 6 на фиг. 3) в виде сигнала (см. эпюру «д» на фиг. 4). Амплитудно-частотная характеристика ЧИУ по полосе пропускания согласована со спектром принимаемых радиоимпульсов, чем обеспечивается их оптимальный прием.

От такта к такту формирования, излучения зондирующих и приема отраженных радиоимпульсов собственную частоту резонатора ВЧ генератора перестраивают при сохранении для каждого такта условия равенства разности частот и промежуточной частоте: . Этим достигается изменение несущей частоты зондирующих радиоимпульсов от импульса к импульсу и прием отраженных от цели радиосигналов на частоте излучения. Для уменьшения паразитного излучения в пространство целесообразно отключать усилитель мощности УМ в режиме «Прием», а в режиме «Передача» желательно отключение МШУ для исключения возможной его перегрузки.

При практической реализации способа радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу ЧИУ может быть выполнено в виде полосно-пропускающего фильтра, полоса пропускания которого определяется длительностью зондирующего радиоимпульса (см. стр. 244, [11]): .

Следует отметить, что для предлагаемого способа радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу жесткие требования к частотной стабильности реализующих его устройств в условиях действия дестабилизирующих факторов и старении не предъявляются.

Предлагаемый способ радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу позволяет по сравнению с прототипом:

– поддерживать в эксплуатации равенство частот источника радиоимпульсов передатчика частоте настройки ЧИУ приемника;

– обеспечить оптимальный прием отраженного сигнала во всем диапазоне перестройки несущей частоты зондирующих радиоимпульсных сигналов;

– снизить требования к ЧИУ по форме АЧХ и полосе пропускания;

– независимый выбор параметров длительности радиоимпульсов, времени задержки между зондирующим и гетеродинным радиоимпульсами, соответственно, расширить диапазон измеряемых дальностей (за счет расширения диапазона длительностей зондирующих радиоимпульсов) до цели, а также период повторения парных радиоимпульсов;

– формирование зондирующих и гетеродинных радиоимпульсов с помощью одного и того же устройства – ВЧ генератора, работающего в импульсном режиме, что снижает энергетические затраты и упрощает практическую реализацию данного способа, а также уменьшает уровень паразитных сигналов и наводок по цепям питания и управления;

– снизить требования к долговременной стабильности частотных параметров реализующих данный способ устройств.

Таким образом, предлагаемый способ радиолокации обладает существенными преимуществами перед прототипом и аналогами.

Изобретение относится к области радиолокационной техники. Технический результат – обеспечение оптимального приема отраженных сигналов при перестройке несущей частоты излучаемых радиоимпульсов от импульса к импульсу без предъявления требований к долговременной стабильности частотных параметров входящих устройств и при более простой практической реализации. Указанный результат достигается за счет того, что получение зондирующих и гетеродинных радиоимпульсов осуществляется ударным воздействием на ВЧ генератор последовательностью парных импульсов, формируя в течение каждого радиоимпульса когерентные частоты запускающих импульсов колебания, которые смещают относительно друг друга на величину промежуточной частоты. Излучают зондирующие радиоимпульсы каждой пары, принимают отраженные радиоимпульсы и смешивают их в смесителе с колебаниями ВЧ генератора во время формирования гетеродинных радиоимпульсов каждой пары, выделяют с последующей фильтрацией отраженные радиосигналы на промежуточной частоте. Частоты зондирующих и гетеродинных радиоимпульсов от такта к такту перестраивают изменением собственной частоты резонатора ВЧ генератора с сохранением в каждом такте разности частот радиоимпульсов, равной промежуточной частоте. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу, заключающийся в том, что в контролируемое пространство излучают зондирующие радиоимпульсы, принимают от находящейся в этом пространстве цели отраженные радиоимпульсы, смешивают колебания отраженных радиоимпульсов с гетеродинными колебаниями высокочастотного (ВЧ) генератора в смесителе, затем выделяют на выходе смесителя с последующей фильтрацией отраженные радиоимпульсы на промежуточной частоте, отличающийся тем, что зондирующие и гетеродинные радиоимпульсы получают ударным воздействием на ВЧ генератор последовательностью парных импульсов запуска с крутыми фронтами, формируя при этом в ВЧ генераторе пары радиоимпульсов, в которых первые являются зондирующими, вторые – гетеродинными, а их колебания являются когерентными относительно импульсов запуска, их частоты смещают относительно друг друга на величину промежуточной частоты, причем частоты зондирующих и гетеродинных радиоимпульсов перестраивают от такта к такту изменением собственной частоты резонатора ВЧ генератора с сохранением разности частот радиоимпульсов в каждом такте, равной промежуточной частоте.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длительность фронта импульсов ударного воздействия выбирают такой, чтобы она равнялась половине периода колебаний ВЧ генератора, а амплитуда импульсов была не менее чем на порядок выше уровня собственных шумов ВЧ генератора.