Устройство для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации с использованием преобразователя Гильберта Российский патент 2023 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к радиолокации (радиотехнике) и предназначено для определения в реальном масштабе времени показателя преломления атмосферы по траектории распространения и в интересах выявления волноводных каналов распространения радиоволн и расчета эффективности системы наблюдения корабля ВМФ.

Наличие информация о значениях показателя преломления атмосферы по траектории распространения радиоволн позволяет прогнозировать ожидаемые и требуемые дальности действия корабельных радиотехнических средств в интересах расчета и формирования системы наблюдения за окружающей радиоэлектронной обстановкой, ведения радиоэлектронной борьбы и применения оружия с заданной эффективностью.

Известно устройство, предназначенное для регистрации параметров окружающей среды (атмосферного давления, температуры и влажности воздуха, направления и силы ветра) до высот 20-30 км и автоматизированного расчета градиента показателя преломления среды с высотой в интересах радиолокации и передачи полученных результатов на наземный (корабельный) пункт управления. (Патент №167931 Российская Федерация, МПК G01W 1/08, G01W 1/04, B64D 17/34. Парашютный измеритель параметров среды в интересах радиолокации, авторы / Фатыхов P.M., Крючков А.Н., Юрченко Е.Н. и др. Патентообладатели: Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования «Тихоокеанское высшее военно-морское училище имени С.О. Макарова» Министерства обороны Российской Федерации (г. Владивосток), Фатыхов Раис Мухаматнурович. Заявл. 04.07.2016; опубл. 12.01.2017; бюл. №2.

Недостатком устройства является то, что оно ограничено по времени нахождения в воздухе, и не может охватывать всю зону наблюдения радиоэлектронных средств корабля.

Известно устройство, предназначенное для регистрации параметров окружающей среды (атмосферного давления, температуры и влажности воздуха, направления и силы ветра), автоматизированного расчета градиента показателя преломления среды с высотой в интересах радиолокации и передачи полученных результатов на корабельный или наземный пункт управления радиозондом. (Патент №200288 Российская Федерация, МПК G01W 1/08, G01W 1/04, B64D 17/34. Радиозонд многоразового использования, автор/ Фатыхов P.M. Патентообладатель: Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования «Тихоокеанское высшее военно-морское училище имени С.О. Макарова» Министерства обороны Российской Федерации (г. Владивосток). Заявл. 30.06.2020; опубл. 15.10.2020; бюл. №29).

Основным недостатком устройства является то, что измерения параметров атмосферы производятся только в вертикальной плоскости.

В настоящее время на кораблях Военно-морского флота Российской Федерации для измерения метеорологических параметров атмосферы и расчета показателя преломления атмосферы применяются автоматизированные гидрометеорологические станции. Измеренные параметры используются для расчета показателя преломления атмосферы (балла) радиолокационной наблюдаемости с использованием Руководства по определению и прогнозированию радиолокационной наблюдаемости или программы, заложенной в программное обеспечение корабельных информационно-управляющих систем.

У рассмотренных и существующих средств измерения параметров атмосферы имеются следующие недостатки:

1. Привлечение специализированных приборов измерения и средств их доставки в районы применения сил флота, где необходимо произвести измерения показателя преломления атмосферы.

2. Применение средств измерения ограничены по времени и не могут произвести измерения показателя преломления атмосферы по траектории распространения радиоволн в зоне обзора радиолокационных средств.

Для проведения измерений показателя преломления атмосферы по траектории распространения радиоволн в интересах радиолокации из технических средств, стоящих на вооружении кораблей и судов ВМФ, могут выступить только сами радиолокационные станции.

Известно устройство, предназначенное для измерения показателя преломления атмосферы по траектории распространения радиоволн в интересах радиолокации, принятое за прототип.(Патент №2795575 Российская Федерация, МПК G01W 1/00. Устройство для измерения показателя преломления среды в интересах радиолокации, авторы/ Фатыхов P.M., Крючков А.Н. Патентообладатель: Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования «Тихоокеанское высшее военно-морское училище имени С.О. Макарова» Министерства обороны Российской Федерации (г. Владивосток). Заявл. 06.04.2022; опубл. 05.05.2023; бюл. №13).

Устройство для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации, содержит синхронизатор, последовательно соединенные с ним модулятор, генератор сверхвысокой частоты, антенный переключатель, антенно-фидерное устройство, состоящее из остронаправленной антенны и волноводной линии, приемник, индикатор. В его состав дополнительно введен блок для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации, включающий в себя первый и второй умножители, входы которых параллельно соединены с выходом приемника, а выходы соединены соответственно с первым и вторым фильтрами нижних частот, выходы которых соединены с соответствующими входами первого и второго аналого-цифровых преобразователей, выходы которых соединены с фазовым детектором, первый выход которого последовательно соединен с линией задержки и далее с первым сумматором и вычитающим устройством, а второй выход фазового детектора последовательно соединен со вторым сумматором и далее с вычитающим устройством, выход которого последовательно соединен с третьим сумматором и далее вычислителем фазовой скорости, выход которого соединен с индикатором для отображения показателя преломления атмосферы по траектории распространения радиоволн в интересах радиолокации; при этом содержащийся в блоке для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации высокостабильный гетеродинный генератор последовательно соединен с фазосдвигающей цепочкой, выходы которой соединены соответственно с первым и вторым умножителем.

Основным недостатком прототипа является:

- в блоке для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации не предусмотрена возможность измерения показателя преломления атмосферы для радиолокационных станций, работающих с широкополосными сигналами.

На устранение указанного недостатка направлено новое техническое решение Устройство для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации с использованием преобразователя Гильберта.

Реализация указанной технической задачи предлагаемого изобретения позволяет достигнуть следующий технический результат:

- повышение тактико-технических параметров и расширение возможностей применения радиолокационных средств, работающих в широкополосном диапазоне волн в интересах обнаружения воздушных и надводных объектов, расчета ожидаемых и требуемых дальностей обнаружения на основе высокой точности определения координат, путем учета измеренного профиля групповой скорости электромагнитной волны по траектории распространения радиоволн;

- повышение эффективности боевого применения РЛС и системы освещения обстановки.

Указанный технический результат достигается тем, что разработано новое устройство для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации с использованием преобразователя Гильберта, содержащее синхронизатор, последовательно соединенные с ним модулятор, генератор сверхвысокой частоты, антенный переключатель, антенно-фидерное устройство, состоящее из остронаправленной антенны и волноводной линии, приемник, индикатор и блок для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации, содержащий фазовый детектор, первый выход которого последовательно соединен с линией задержки и далее с первым сумматором и вычитающим устройством, второй выход фазового детектора последовательно соединен со вторым сумматором и далее с вычитающим устройством. Выход вычитающего устройства последовательно соединен с третьим сумматором и далее вычислителем групповой скорости, выход которого соединен с индикатором для отображения показателя преломления атмосферы по траектории распространения радиоволн в интересах радиолокации.

Принципиальным отличием от прототипа является то, что в блок для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации дополнительно введен компенсатор частотной дисперсии, вход которого соединен с выходом приемника, а выход соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом дополнительно введенного преобразователя Гильберта, выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами фазового детектора.

Применение этого устройства позволяет оперативно, с включением радиолокационной станции на излучение, произвести анализ условий распространения радиоволн в зоне обзора этой радиолокационной станции.

Сущность изобретения поясняется чертежом:

Фигура 1. Устройство для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации с использованием преобразователя Гильберта. Функциональная схема.

На фигуре 1 представлена функциональная схема устройства для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации с использованием преобразователя Гильберта, включающая:

1. Синхронизатор.

2. Модулятор.

3. Генератор сверхвысокой частоты (Генератор СВЧ).

4. Антенный переключатель.

5. Антенно-фидерное устройство (АФУ), состоящее из остронаправленной антенны и волноводной линии.

6. Приемник.

7. Индикатор.

8. Блок для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации:

8.1. Компенсатор частотной дисперсии.

8.2. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

8.3. Преобразователь Гильберта;

8.4. Фазовый детектор;

8.5. Линия задержки (ЛЗ);

8.6. Второй сумматор;

8.7. Первый сумматор;

8.8. Вычитающее устройство;

8.9. Третий сумматор;

8.10. Вычислитель групповой скорости.

В функциональной схеме синхронизатор, модулятор, генератор СВЧ, приемник, индикатор, блок для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации на фигуре 1 соединены между собой электрическими линиями связи.

Генератор СВЧ, антенный переключатель, АФУ, состоящее из остронаправленной антенны и волноводной линии на фигуре 1 соединены между собой волноводными линиями связи.

Первый выход синхронизатора 1 соединен с входом модулятора 2.

Второй выход синхронизатора 1 соединен с первым входом приемника 6.

Третий выход синхронизатора 1 соединен с первым входом индикатора 7.

Выход модулятора 2 соединен с входом генератора сверхвысокой частоты 3.

Выход генератора сверхвысокой частоты 3 соединен с первым входом антенного переключателя 4.

Первый выход антенного переключателя 4 соединен с первым входом антенно-фидерного устройства 5, состоящего из остронаправленной антенны и волноводной линии, а первый выход антенно-фидерного устройства 5 соединен со вторым входом антенного переключателя 4.

Второй выход антенного переключателя 4 соединен со вторым входом приемника 6.

Первый выход приемника 6 соединен со вторым входом индикатора 7.

Второй выход приемника 6 соединен с первым входом компенсатора частотной дисперсии 8.1, выход которого соединен с аналого-цифровым преобразователем 8.2.

Выход аналого-цифрового преобразователя 8.2 соединен с входом преобразователя Гильберта 8.3.

Первый и второй выходы преобразователя Гильберта 8.3 соединены соответственно с первым и вторым входами фазового детектора 8.4.

Первый выход фазового детектора 8.4 соединен с первым входом ЛЗ 8.5, а выход ЛЗ 8.5 соединен с входом первого сумматора 8.7.

Второй выход фазового детектора 8.4 соединен с входом второго сумматора 8.6, выход которого соединен с первым входом вычитающего устройства 8.8.

Выход первого сумматора 8.7 соединен со вторым входом вычитающего устройства 8.8, выход которого соединен с входом третьего сумматора 8.9.

Выход третьего сумматора 8.9 соединен с входом вычислителя групповой скорости 8.10, выход которого соединен с третьим входом индикатора 7.

Устройство для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации с использованием преобразователя Гильберта работает следующим образом

Измерение показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации с использованием преобразователя Гильберта заключается в том, что излученный широкополосный сигнал, проходя через окружающую атмосферу, собирает информацию, состоящую из информационного сигнала об ее параметрах.

Постоянный контроль значения показателя преломления атмосферы позволяет в реальном масштабе времени оценивать и контролировать зону обзора пространства радиолокационной станции в течение ее работы на излучение с учетом влияния окружающей атмосферы, своевременно обнаруживать волноводные каналы распространения радиоволн. Оценить влияние волноводных каналов на распространение радиоволн и обнаружение как надводных, так и воздушных целей.

С включением радиолокационной станции синхронизатор создает запускающие импульсы, управляющие и координирующие по времени работу остальных устройств радиолокационной станции. Под действием запускающих импульсов модулятор вырабатывает импульсы напряжения определенной длительности, определяемые выбором шкалы дальности. Импульсы с модулятора запускают генератор сверхвысокой частоты, создающий мощные радиоимпульсы сверхвысокой частоты, которые через антенный переключатель, антенно-фидерное устройство излучаются в окружающее пространство. Отраженные сигналы принимаются антенной и через антенный переключатель для обработки подаются в приемник. Сигналы в приемнике преобразуются в видеосигналы и подаются в индикатор.

Индикатор преобразует напряжение принятых отраженных сигналов в видимое изображение и выдает координаты объектов (например пеленг, дальность, высота).

А также с приемника после предварительного усиления отраженный широкополосный сигнал поступает в блок для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации 8 на вход компенсатора частотной дисперсии 8.1, который компенсирует по времени частотную дисперсию сигнала и сигнал подается в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8.2, где подвергается дискретизации.

Частота дискретизации выбирается в соответствие с теоремой Котельникова. С выхода АЦП 8.2 оцифрованный сигнал поступает на вход преобразователя Гильберта 8.3, который формирует его составляющие, действительную и мнимую. При этом мнимая составляющая сигнала приобретает фазовый сдвиг относительно действительной составляющей на 90 ⁰ по всем элементам спектра широкополосного сигнала. Действительная и мнимая составляющие сигнала поступают на входы фазового детектора 8.4.

Фазовый детектор 8.4 преобразует действительную и мнимую составляющие комплексной огибающей в дискретную функцию фазы дискретизированного сигнала.

Отсчеты фазы сигнала с выхода фазового детектора 8.4 поступают параллельно на первый и второй сумматоры 8.7 и 8.6. При этом первый сумматор 8.7 принимает отсчеты фазы с задержкой на один шаг, осуществляемый линией задержки 8.5.

Первый и второй сумматоры 8.7 и 8.6 осуществляют пошаговое суммирование совокупности отсчетов значения фазы соответственно на каждый дискретный момент времени.

Полученные значения поступают на вычитающее устройство 8.8.

После вычитания сигналы поступают на третий сумматор 8.9, где выделяется последовательность приращения фазы сигнала, соответствующая изменчивости групповой скорости электромагнитной волны при прохождении неоднородных слоев атмосферы.

Сформированная последовательность приращений поступает в вычислитель групповой скорости электромагнитной волны 8.10, с выхода которого снимается последовательность отсчетов групповой скорости, соответствующая распределению неоднородностей атмосферы вдоль трассы распространения сигнала и подается на вход индикатора.

Таким образом, предложенное устройство для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации с использованием преобразователя Гильберта позволяет:

- получать информацию об изменяющихся условиях атмосферы вдоль траектории распространения широкополосного сигнала непосредственно на используемой РЛС;

- отказаться от трудоемких и малоэффективных расчетов по оценке и прогнозированию радио- и радиолокационной наблюдаемости;

- автоматизировать процесс корректуры измеренных координат целей с учетом неоднородностей атмосферы распространения сигналов внесением конструктивных доработок в РЛС;

- повысить эффективность боевого использования и радиоэлектронной защиты радиолокационных средств.

Информация о значениях показателя преломления атмосферы позволяет прогнозировать ожидаемые и требуемые дальности действия корабельных радиотехнических средств в интересах освещения обстановки, ведения радиоэлектронной борьбы и применения высокоточного оружия.

Таким образом, технический результат данного изобретения заключается в создании нового устройства, учитывающего влияние параметров атмосферы на условия распространения радиоволн. Это позволяет повысить тактико-технические характеристики радиоэлектронных средств в интересах освещения обстановки на основе измерения профиля групповой скорости электромагнитной волны по траектории с определением показателя преломления атмосферы по траектории распространения радиоволн. Устройство позволяет применять его на радиолокационных станциях различного диапазона волн для обработки широкополосных сигналов.

Заявленное устройство промышленно применимо, так как при его изготовлении могут быть использованы широко распространенные устройства и компоненты.

Устройство относится к средствам для измерения показателя преломления атмосферы. Сущность: устройство содержит синхронизатор (1), модулятор (2), генератор сверхвысокой частоты (3), антенный переключатель (4), антенно-фидерное устройство (5), приемник (6), индикатор (7) и блок (8) для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации. При этом блок (8) для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации содержит компенсатор (8.1) частотной дисперсии, аналого-цифровой преобразователь (8.2), преобразователь (8.3) Гильберта, фазовый детектор (8.4), линию (8.5) задержки, три сумматора (8.6, 8.7, 8.9), вычитающее устройство (8.8) и вычислитель (8.10) групповой скорости. Технический результат: измерение показателя преломления атмосферы. 1 ил.

Устройство для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации с использованием преобразователя Гильберта, содержащее синхронизатор, последовательно соединенные с ним модулятор, генератор сверхвысокой частоты, антенный переключатель, антенно-фидерное устройство, состоящее из остронаправленной антенны и волноводной линии, приемник, индикатор и блок для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации, содержащий фазовый детектор, первый выход которого последовательно соединен с линией задержки и далее с первым сумматором и вычитающим устройством, второй выход фазового детектора последовательно соединен со вторым сумматором и далее с вычитающим устройством; выход вычитающего устройства последовательно соединен с третьим сумматором и далее вычислителем групповой скорости, выход которого соединен с индикатором для отображения показателя преломления атмосферы по траектории распространения радиоволн в интересах радиолокации, отличающееся тем, что в блок для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации дополнительно введен компенсатор частотной дисперсии, вход которого соединен с выходом приемника, а выход соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен со входом дополнительно введенного преобразователя Гильберта, выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами фазового детектора.