СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ УРОВНЯ СИГНАЛА НА ВХОДЕ АВТОДИННОГО АСИНХРОННОГО ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКА СИСТЕМЫ РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ Российский патент 2023 года по МПК G01S13/74 

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

Известны РЛС с активным ответом, которые кроме определения координат объектов используются также для передачи различной телеметрической информации. Примером такого устройства служит система слежения за АРЗ, разработанная английской фирмой «Кроули» (см. стр. 78-82 [1]; стр. 38-41 [2]). Измерение дальности до АРЗ в этой системе производится по времени задержки приема ответного радиосигнала относительно запросного, угловых координат - по данным привода антенны. По этим данным вычисляются скорость и направление ветра. Блок телеметрии РЛС декодирует принятые сигналы и регистрирует метеорологические данные о состоянии атмосферы (давлении, влажности и температуры).

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 приемо-передающее устройство бортовой аппаратуры АРЗ, которая является по существу расходным материалом при зондировании, поскольку используется разово. Кроме того, большие габариты и вес этой аппаратуры создают угрозу безопасности для самолетов.

Предложенные в 50-е годы прошлого столетия сверхрегенеративные приемопередатчики (СПП) сначала использовались в авиационных системах опознавания «свой - чужой» (см. стр. 21, рис. 6 [1]). СПП отличаются предельной простотой конструкции, малыми весом и габаритами благодаря совмещению функций передатчика и приемника в одном каскаде - автогенераторе, работающем в сверхрегенеративном режиме. Позже СПП стали применять на борту АРЗ в качестве ответчиков в отечественных системах радиозондирования атмосферы (см. стр. 41-45 [2], авт. свид. SU 115078, 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 запросного радиоимпульса радиопередающего устройства РЛС. Достаточно мощное излучение СПП обеспечивает надежное сопровождение АРЗ по угловым координатам и дальности, а также одновременную передачу телеметрической информации о состоянии атмосферы до расстояний 100…150 км (см. авт. свид. SU 115078, опубл. 01.01.1958 [3]; стр. 61-67 [4]).

Весьма важным в использовании СПП является тот факт, что система определения координат и канал передачи телеметрической информации работают практически на одной частоте, что существенно упростило построение системы радиозондирования в целом. Это явилось решающим фактором при выборе типа приемопередатчика в пользу СПП как устройства разового применения. Дальнейшее развитие теории и техники СПП позволило снизить мощность передатчика запросного сигнала, повысить помехоустойчивость комплекса и скрытность работы наземной РЛС при увеличении дальности сопровождения АРЗ до 250…300 км [5, 6].

Среди наиболее совершенных технических решений известен способ, включающий подачу запросного сигала наземной РЛС на аэрологический радиозонд, его усиление и переизлучение с помощью СПП в направлении РЛС, отличающийся тем, что в качестве запросного сигнала используют когерентные радиоимпульсы РЛС, которые синхронизируют фазу радиоимпульсов СПП радиозонда, переизлучают их в направлении РЛС, выделяют из принятого излучения СПП когерентные ответные радиоимпульсы, определяют время задержки между запросными и ответными когерентными радиоимпульсами и определяют по времени задержки дальность до радиозонда (см. патент RU 2304290С2 от 10.08.2007, бюл. № 22 [7]).

Однако у систем радиозондирования, использующих в качестве радиолокационного ответчика СПП, имеются их общие существенные недостатки.

1. Недостаточная чувствительность устройства в режиме приема, которая ограничивается ударными колебаниями, присущими сверхрегенеративному режиму работы СВЧ-генератора при формировании переднего фронта радиоимпульса (см. стр. 140-146, книги [8]; фиг. 4 патента RU 2345379 С1, опубл. 27.01.2009, бюл. № 3 [9]; фиг. 4 патента RU 2470323C1, опубл. 20.12.2012, бюл. № 35 [10]; статью [11]).

2. Асинхронность процессов формирования приемного окна СПП и посылок запросных радиоимпульсов РЛС вызывает дополнительные флуктуации временного положения, глубины и продолжительности ответной паузы (см. фиг. 5 патента RU 2368916 С2, опубл. 27.09.2009, бюл. № 27 [12]; стр. 566, рис. 4.4.18 книги [6]). Этот фактор является причиной принципиально неустранимой составляющей дополнительной ошибки измерения наклонной дальности.

3. Реальное расхождение частот приема и передачи СПП из-за нестабильности параметров элементов, снижающее его чувствительность как приемника (см. фиг. 3 и 4 патента RU 2172965 C1, 27.08.2001 [13]; см. фиг. 5 патента RU 2470323C1, 20.12.2012, бюл. № 35 [10]; статья [14]).

4. Сложность настройки СПП, связанная с тем, что изменения одного из параметров влечет изменение другого, например, регулировка условий возбуждения колебаний вызывает изменение несущей частоты, что отмечено в патенте RU 2470323 C1, опубл. 20.12.2012, бюл. № 35 [10].

5. 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 [6]). Ширина спектра по уровню половинной мощности обычно составляет 6...8 МГц в зависимости от длительности формируемых радиоимпульсов (см. рис. 36, стр. 103 [15]; см. фиг. 2 патента RU 2368916 C2, опубл. 27.09.2009, бюл. 27 [12]).

Свободным от указанных недостатков является способ и устройство приема и обработки запросного сигнала, использующий в качестве приемопередатчика автодинный генератор, согласно патенту RU 2624993 C1, опубл. 11.07.2017, бюл. № 20 [16], который принят в качестве прототипа.

Способ приема и обработки запросного сигнала устройства-прототипа в соответствие с описанием принципа его действия состоит в следующей последовательности действий. Радиоимпульс сигнала запроса передающего устройства РЛС излучают посредством антенны РЛС в направлении АРЗ, принимают его на борту АРЗ посредством антенны, преобразуя его в электромагнитные колебания радиоимпульса запроса, направляют его в резонатор автодинного генератора, смешивая с собственными колебаниями автодинного генератора, полученную смесь на нелинейности автодинного генератора преобразуют в автодинный отклик в виде изменений с частотой биений амплитуды и частоты колебаний, а также среднего значения тока и напряжения в цепи смещения активного элемента, посредством устройства регистрации выделяют автодинный отклик генератора в виде радиоимпульса с частотой сигнала биений, после этого радиоимпульс последовательно усиливают по амплитуде, 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 колебания автодинного генератора и, соответственно, излучение антенны на борту АРЗ, приемным устройством РЛС принимают сигнал АРЗ и фиксируют в нем момент прерывания излучения, сравнивают момент посылки сигнала запроса и момент приема прерывания излучения, после этого определяют время задержки между ними и по времени задержки определяют дальность до АРЗ, при этом частоту автодинного генератора модулируют сигналом радиотелеметрии для передачи метеоданных с борта АРЗ на РЛС системы радиозондирования атмосферы, причем предварительно частоту запросного сигнала РЛС отстраивают от частоты автодинного генератора на величину более полуширины полосы синхронизации автодинного генератора.

Устройство-прототип содержит СВЧ-генератор с возможностью электрического управления частотой и связанную с ним антенну, причем к СВЧ-генератору подключены последовательно соединенные устройство выделения автодинного сигнала, усилитель, обнаружитель запросного сигнала и формирователь импульса ответной паузы, при этом выход формирователя импульсов ответной паузы связан с СВЧ-генератором, а обнаружитель запросного сигнала содержит последовательно соединенные полосовой фильтр, линейный амплитудный детектор, компаратор и временной селектор запросных импульсов, при этом АПП работает в режиме биений, когда частота СВЧ-генератора отстоит от частоты принимаемых радиоимпульсов запроса на величину более половины полосы синхронизации.

Однако у прототипа имеются следующие существенные недостатки.

В момент пуска АРЗ расстояние до запросного радиолокатора небольшое (десятки метров). При этом уровень сигнала запроса наибольший и в АПП может наблюдаться ряд нежелательных нелинейных явлений. Так, в режиме высокого уровня сигнала запроса полоса синхронизации значительно расширяется и может составлять порядка 10…20 МГц и более. Поскольку частота биений определяется как разность между частотой запросного сигнала и частотой ближайшей границы полосы синхронизации СВЧ-генератора (см. стр. 37-42 [17]), то частота преобразованного на выходе устройства регистрации автодинного сигнала уменьшается на половину полосы синхронизации (порядка 5…10 МГц и более). В результате такого смещения частоты биений преобразованный сигнал может, во-первых, выйти за пределы полосы пропускания полосового фильтра и тем самым нарушить нормальную работу АПП и, соответственно, системы радиозондирования. Во-вторых, при приближении частоты сигнала запроса к границе полосы синхронизации собственные колебания СВЧ-генератора подвергаются значительной амплитудной и частотной модуляции [18]. Спектр этих колебаний «рассыпается» на гармоники (см. фиг. 27 [19]) частоты биений, создающие дополнительные помехи радиосредствам. В таком случае преобразованный СВЧ-генератором сигнал формируется с ангармоническими искажениями (см. стр. 37-42, рис. 1.14 [17]), создающими проблемы при его обработке. Кроме того, в режиме высокого уровня сигнала запросного радиолокатора может происходить захват частоты АПП. При этом сигнал биений на выходе полосового фильтра отсутствует и происходит сбой в работе АПП. Отсюда следует основной недостаток прототипа - низкая надежность работа АПП и, соответственно, системы радиозондирования в диапазоне малых дальностей до АРЗ (от десятков до порядка нескольких сотен метров). При этом необходимо отметить, что данные о состоянии приземных слоев атмосферы на указанных высотах востребованы для многих служб прогноза погоды.

Указанные недостатки устраняет техническое решение, предложенное в патенте RU 2786415 С1, опубл. 21.12.2022, бюл. № 36 [20]. Предложенное устройство содержит антенну и последовательно соединенные СВЧ-генератор с возможностью электрического управления частотой, устройство регистрации автодинного сигнала, полосовой усилитель, детектор радиоимпульсов, компаратор с гистерезисом, временной селектор импульсов и формирователь импульсов ответной паузы, а также управляемый аттенюатор и устройство управления, причем управляемый аттенюатор высокочастотными портами включен между антенной и СВЧ-генератором, выход формирователя ответной паузы подключен к первому выводу устройства управления, а его второй вывод - к управляющему входу управляемого аттенюатора, а к третьему выводу устройства управления подключен выход детектора радиоимпульсов.

Сущность предложенного в [20] решения состоит в том, что вновь вводимые элементы и узлы на борту АРЗ образуют цепь автоматического регулирования, обеспечивающую практически постоянный уровень воздействующего на СВЧ-генератор запросного радиосигнала РЛС и формирование закона управления управляемым аттенюатором, обеспечивающего необходимые режимы для нормальной работы системы радиозондирования. Однако вновь вводимые элементы и узлы дополнительно усложняют и удорожают бортовую аппаратуру АРЗ, которая, как отмечалось выше, является по существу расходным материалом при зондировании, поскольку используется разово.

Таким образом, техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в необходимости поиска альтернативного технического решения, направленного на расширение рабочего диапазона системы радиозондирования по дальности и повышение устойчивости сопровождения АРЗ в процессе его подъема без усложнения и удорожания бортовой аппаратуры АРЗ при сохранении ее функциональных возможностей.

Для решения указанной проблемы предложен способ стабилизации уровня сигнала на входе автодинного асинхронного приемопередатчика системы радиозондирования атмосферы, включающий подачу запросных радиоимпульсов РЛС на АРЗ, их прием, усиление и возбуждение возмущенных по амплитуде и частоте колебаний автодинного генератора с частотой биений, причем возмущенные колебания автодинного генератора переизлучают в направлении РЛС в качестве ответного радиосигнала АРЗ, принимают этот радиосигнал, выделяя из него автодинные изменения частоты в виде сигнала на частоте биений, сравнивают амплитуду сигнала с опорным уровнем напряжения, и в случае превышения амплитудой сигнала опорного уровня выходную мощность передатчика РЛС уменьшают, а в обратном случае - повышают. При этом частоту запросного сигнала РЛС предварительно отстраивают от частоты автодинного генератора АРЗ на величину, по крайней мере, на порядок больше полуширины полосы синхронизации, частоту автодинного генератора модулируют сигналом радиотелеметрии, а из ответного радиосигнала АРЗ сигнал на частоте биений выделяют посредством частотного детектора.

Сущность изобретения поясняется представленной на фиг. 1 структурной схемой части системы радиозондирования, которая задействована в реализации предлагаемого способа.

В состав РЛС системы радиозондирования атмосферы для стабилизации уровня сигнала на входе автодинного асинхронного приемопередатчика на борту АРЗ входят (см. фиг. 1): импульсный передатчик 1, антенный переключатель 2, антенна 3 РЛС, приемное устройство 4, частотный детектор 5, резонансный усилитель 6, амплитудный детектор 7, устройство 8 сравнения, источник 9 опорного напряжения, регулятор 10 мощности и шлейф 11 выходных сигналов приемника. При этом в состав бортовой аппаратуры АРЗ системы радиозондирования атмосферы входят: автодинный генератор 12, выполненный с возможностью электрического управления частотой генерации, антенна 13 АРЗ и шлейф 14 «Данные телеметрии».

Импульсный передатчик 1 подключен к передающему порту антенного переключателя 2, приемный порт которого через последовательное соединение приемного устройства 4, частотного детектора 5, резонансного усилителя 6, амплитудного детектора 7, устройства 8 сравнения и регулятора 10 мощности подключен к входу управления импульсного передатчика 1, а антенный порт антенного переключателя 2 подключен к антенне 3 РЛС. Источник 9 опорного напряжения подключен к входу опорного напряжения устройства 8 сравнения, а клеммы выходных сигналов приемника 4 посредством шлейфа 11 связаны с блоками определения дальности до АРЗ и обработки метеорологических данных (на фиг. 1 не показаны). Антенна 3 РЛС через радиоканал связана с антенной 13 АРЗ, подключенной к высокочастотному порту автодинного генератора 12, вход управления частотой которого через шлейф 14 «Данные телеметрии» связан с блоком телеметрии АРЗ (на фиг. 1 не показан).

Указанные узлы и блоки могут быть выполнены на следующих элементах и интегральных микросхемах общего применения. Импульсный передатчик 1 может быть выполнен на основе автогенератора с диэлектрическим резонатором в цепи обратной связи и двухкаскадного усилителя мощности на мощных полевых или биполярных транзисторах (см. рис. 12 [5]). При этом он должен иметь частоту, отстоящую от частоты приемоответчика АРЗ на величину не менее половины полосы синхронизации автодинного генератора 12. Антенный переключатель 2 может быть выполнен на основе двух трехдецибельных направленных ответвителей на связанных линиях (см. стр. 193, рис. 2.54 [21]). Антенна 3 РЛС может быть выполнена в виде фазированной антенной решетки (см. патент RU 2161847 С1, опубл. 10.01.2001 [22]). Приемное устройство 4 может быть выполнено по схеме резонансного усилителя на малошумящем транзисторе (см. стр. 102, рис. 3.20 [23]).

Частотный детектор 5 может быть выполнен по балансной схеме с взаимно расстроенными контурами (см. стр. 209, рис. 5.49 [23]). При этом нагрузка частотного детектора 5 должна обеспечивать выделение сигнала на частоте биений. Резонансный усилитель 6 на частоту сигнала биений может быть выполнен по схеме транзисторного каскада с индуктивной связью между контурами (см. стр. 115, рис. 3.28 [23]). Амплитудный детектор 7 может быть выполнен по схеме последовательного диодного детектора (см. стр. 173, рис. 5.3 [23]), постоянная времени нагрузки которого должна, по крайней мере, на порядок превышать период повторения запросных радиоимпульсов РЛС. Этим достигается преобразование амплитуды принимаемых радиоимпульсов на частоте биений в постоянное напряжение.

Устройство 8 сравнения может быть выполнено на основе микросхемы операционного усилителя по схеме дифференциального усилителя (см. стр. 34, рис. 2.3а [24]). При этом первый вход дифференциального усилителя подключен к выходу амплитудного детектора 7, второй - к источнику 9 опорного напряжения, выполненного, например, на основе стабилитрона (см. стр. 130, рис. 7.8 [24]), а выход дифференциального усилителя - к входу регулятора 10 мощности импульсного передатчика 1. Регулятор 10 мощности может быть выполнен на микросхеме регулируемого стабилизатора напряжения (см., например, [25]) для питания импульсного передатчика 1. Как вариант, амплитудный детектор 7 и устройство 8 сравнения функционально могут быть объединены, если использовать последовательный диодный детектор с начальным запирающим смещением (см. стр. 174-176, рис. 5.6 [23]), выполняющим функцию источника 9 опорного напряжения.

Антенна 13 АРЗ может быть выполнена в виде четвертьволнового вибратора (см. фиг. 4 патента RU 2214614 С2, опубл. 20.10.2003 [26]). Автодинный генератор 12, выполненный с возможностью электрической перестройки частоты, может быть собран на полевом транзисторе по схеме, представленной на стр. 88, рис. 3.7 книги [27].

В структурной схеме, представленной на фиг. 1, не раскрыты некоторые узлы, блоки и связи между ними, которые не являются обязательными при рассмотрении предлагаемого способа. К ним относятся, например, общая схема синхронизации РЛС, цепь управления антенным переключателем 2 и приводом антенны 3 РЛС от микропроцессорной системы управления, а также внутренние структуры импульсного передатчика 2 с системой автоматической подстройки частоты (АПЧ), приемного устройства 4 и блоков определения дальности до АРЗ и обработки метеорологических данных.

В основе предлагаемого способа лежат использование особенностей проявления автодинного эффекта в автодинном генераторе 12 при воздействии на него внешнего запросного радиосигнала, частота которого находится за пределами полосы синхронизации, а также метод регистрации этого эффекта с помощью приемного устройства РЛС.

Более подробно суть предлагаемого способа рассмотрим на примере функционирования описанной выше реализации устройства.

При подаче на устройство напряжения питания в автодинном генераторе 12 (см. фиг. 1) возникают высокочастотные колебания, которые промодулированы узкополосной частотной модуляцией (ЧМ) сравнительно «медленным» (2,4 кбит/с) сигналом телеметрии с пакетным методом передачи информации (см. патент RU 2529177 C1, опубл. 27.09.2014, бюл. № 27 [28]). Для этого кодированный сигнал с метеорологическими данными от блока телеметрии (на фиг. 1 не показан) поступает по шлейфу 12 на встроенный в резонатор генератора 12 варикап. Полученные в генераторе 12 колебания через антенну 13 АРЗ в виде электромагнитных волн излучаются на несущей частоте по направлению РЛС радиозондирования атмосферы.

В соответствии с заложенным в работу РЛС принципом действия (см. стр. 74-87 [6]) антенна 3 РЛС принимает пришедшие от АРЗ электромагнитные волны, преобразует их в радиосигнал в виде электрических колебаний и направляет его через антенный переключатель 2 в приемное устройство 4 РЛС. В приемном устройстве 4 радиосигнал усиливается и по шлейфу 11 поступает в блок приема и обработки телеметрического сигнала (на фиг. 1 не показан). С другого выхода приемного устройства 4 радиосигнал поступает на частотный детектор 5, который рассчитан на детектирование радиосигналов с «быстрой» ЧМ. При этом детектирование «медленной» ЧМ, вызванной телеметрическим сигналом, в частотном детекторе 5 не производится и на его выходе присутствуют лишь собственные шумы приемного устройства 4. Эти шумы в полосе резонансного усилителя 6 усиливаются и далее детектируются амплитудным детектором 7. Порученное на выходе амплитудного детектора 7 напряжение, пропорциональное действующему значению шумов, сравнивается в устройстве 8 сравнения со значением напряжения источника 9 опорного напряжения. Поскольку напряжения источника 9 опорного напряжения установлено выше, чем напряжение, соответствующее уровню шумов, то на выходе устройства 8 сравнения устанавливается высокое значение напряжения, при котором регулятором 10 мощности устанавливается такое значение напряжения питания импульсного передатчика 1, при котором на его выходе формируются запросные радиоимпульсы наибольшей выходной мощности.

Импульсный передатчик 1 РЛС в соответствие с импульсами запуска вырабатывает периодические (с частотой повторения около 500 Гц) посылки коротких (порядка 1 мкс) радиоимпульсов запроса, которые через антенный переключатель 2 поступают в антенну 3 РЛС и излучаются в направлении АРЗ на частоте .

Принятое на борту АРЗ антенной 13 излучение преобразуется в электрические колебания, которые в виде запросных радиоимпульсов, имеющих частоту , поступают в резонатор автодинного генератора 12. Здесь они смешиваются с собственными колебаниями генератора 12, имеющими частоту . Образовавшаяся смесь колебаний, взаимодействуя на нелинейности активного элемента генератора 12, вызывает в этом генераторе автодинный эффект, который в зависимости от соотношения величины разности частот и полуширины полосы синхронизации генератора 12 проявляется по-разному (см. стр. 13-24 [17]).

Если разностная частота находится в пределах полуширины полосы синхронизации , то происходит захват частоты генератора 12 воздействующим сигналом и реакция генератора 12 на этом заканчивается. Если разностная частота находится за пределами полуширины полосы синхронизации , когда выполняется неравенство , то в генераторе 12 наблюдается режим биений. В этом режиме колебания генератора 12 сопровождаются сложной амплитудно-частотной модуляцией и значительными нелинейными искажениями автодинного сигнала [18]. При этом частота биений равна разности между частотой воздействующего сигнала и ближайшим к ней значением частоты края полосы синхронизации, то есть .

В случае выполнения сильного неравенства, когда , в автодинном генераторе 12 наблюдаются квазигармонические изменения амплитуды и частоты колебаний с частотой биений (см. стр. 19, 20 [29]):

где

- мгновенные значения колебаний на выходе автодинного генератора 12;

, - соответственно амплитуда и частота колебаний генератора 12 в стационарном режиме автономного генератора 12;

- коэффициент ослабления амплитуды радиосигнала на пути его распространения от РЛС до АРЗ, приведенный к порту антенны 13 АРЗ (см. стр. 23-24 книги [1]);

- средняя мощность радиосигнала на порте антенны 13 АРЗ;

- средняя мощность запросного радиосигнала РЛС;

, - коэффициенты усиления антенн 3 РЛС и 13 АРЗ соответственно;

- текущее расстояние от РЛС до АРЗ;

- длина волны излучения АРЗ в свободном пространстве;

- скорость распространения радиоволн;

, - коэффициенты автодинного усиления принимаемого сигнала и относительных отклонений частоты генерации соответственно от стационарных значений;

, - углы относительного фазового смещения автодинных характеристик;

, - коэффициенты неизодромности и неизохронности генератора 12 соответственно;

, - КПД и внешняя добротность резонатора генератора 12;

, , - дифференциальные параметры генератора 12, определяющие его приведенную крутизну инкремента, неизохронность и неизодромность соответственно в окрестности режима стационарных колебаний.

Максимальные изменения амплитуды и частоты колебаний генератора 12 в выражениях (1) и (2) определяются значениями множителей перед тригонометрическими функциями. Необходимо отметить, что коэффициент автодинного усиления при указанном множителе в (1) показывает, во сколько раз амплитуда отклика автодинного генератора 12 больше амплитуды принимаемого сигнала, причем его величина может быть (см. рис. 2, в, г, [29]). При этом множитель перед синусом в (2) определяет величину автодинной девиации частоты колебаний генератора 12 и численно равен полуширине его полосы синхронизации (см. стр. 25, 26, [29]):

В результате расчета полуширины полосы синхронизации по формуле (3) при , что соответствует случаю сильного сигнала и малого расстояния от РЛС до АРЗ (десятки метров), на частоте при , , и получаем , т.е. 2,37 МГц. Очевидно, что условию удовлетворяет выбор разности частот порядка , то есть 30 МГц и более.

Таким образом, за время действия запросного сигнала в одну микросекунду, в генераторе 12 при значении разности частот 30 МГц будут сформированы возмущенные колебания, модулированные по амплитуде и частоте не менее чем 30 периодами сигнала биений. В остальное время работы генератора 12 его колебания, как отмечалось выше, промодулированы сигналом телеметрии с пакетной передачей информации, скорость передачи которой (2,4 кбит/с) значительно ниже частоты сигнала биений.

Возмущенные колебания автодинного генератора 12, модулированные как сигналом биений, так и телеметрическими данными, в виде ответного радиосигнала АРЗ через антенну 13 АРЗ, пространство между АРЗ и РЛС, антенну 3 РЛС и антенный переключатель 2 поступают в приемное устройство 4 РЛС. Здесь после усиления, как отмечалось выше, сигнал разделяется на три канала. Первый предназначен для получения информации о дальности до АРЗ, второй - для приема и обработки телеметрического сигнала с борта АРЗ, а третий - для стабилизации уровня радиосигнала на входе автодинного приемопередатчика АРЗ путем управления мощностью передатчика РЛС. Телеметрический и дальномерный радиосигналы от приемного устройства 4 по шлейфу 11 поступают в блоки определения дальности до АРЗ и обработки метеорологических данных (на фиг. 1 не показаны). Кроме того, в блок обработки метеорологических данных поступают результаты измерения угловых координат АРЗ относительно РЛС от системы управления приводом антенны 3.

В канале стабилизации уровня радиосигнала возмущенный радиосигнал поступает на частотный детектор 5, на выходе которого демодулированный сигнал формируется в виде радиоимпульса, заполненного «быстрыми» колебаниями с частотой биений:

где

- амплитуда колебаний на выходе частотного детектора 5;

- частота биений;

- угол относительного фазового смещения автодинных изменений частоты колебаний генератора 12;

- частота колебаний генератора 12 в стационарном режиме;

- коэффициент ослабления амплитуды радиосигнала на пути его распространения от РЛС до АРЗ, приведенный к порту антенны 13 АРЗ;

- коэффициент относительного изменения частоты генерации от стационарного значения;

- коэффициенты неизохронности генератора 12;

- крутизна характеристики частотного детектора 5.

Как видно из (4), амплитуда колебаний внутри радиоимпульса на выходе частотного детектора 5 во время воздействия запросного радиоимпульса РЛС прямо пропорциональна уровню принятого от РЛС радиосигнала на входе автодинного приемопередатчика, который определяется величиной коэффициента .

Этот радиоимпульс после прохождения через резонансный усилитель 6 и амплитудный детектор 7 преобразуется в постоянное напряжение, величина которого прямо пропорциональна уровню принятого от РЛС радиосигнала на входе автодинного приемопередатчика 12:

где

- напряжение на выходе амплитудного детектора 7;

- коэффициент ослабления амплитуды радиосигнала на пути его распространения от РЛС до АРЗ, приведенный к порту антенны 13 АРЗ;

- частота колебаний генератора 12 в стационарном режиме;

- крутизна характеристики частотного детектора 5;

- коэффициент усиления резонансного усилителя 6;

- коэффициент передачи амплитудного детектора 7.

Далее в устройстве 8 сравнения выходное напряжение (5) амплитудного детектора 7 сравнивается с напряжением источника 9 опорного напряжения. В случае, если амплитуда запросных радиоимпульсов на входе автодинного генератора (приемопередатчика) 12 АРЗ и, соответственно, величина автодинной девиации частоты генерации с частотой биений настолько малы, что выходное напряжение амплитудного детектора 7 меньше опорного напряжения , то выходным напряжением устройства 8 сравнения на выходе регулятора мощности устанавливается наибольшее значение напряжения питания импульсного передатчика 1, обеспечивающего максимум его выходной мощности. В случаях, когда амплитуда запросных радиоимпульсов на входе автодинного приемопередатчика 12 АРЗ имеет высокое значение, например, при пуске АРЗ, величина выходного напряжения амплитудного детектора 7 превышает величину опорного напряжения . Тогда регулятор 10 мощности снижает значение напряжения питания импульсного передатчика 1, обеспечивая уменьшение его выходной мощности до значения, при котором напряжения и практически равны.

Таким образом, благодаря образовавшейся системе отрицательной обратной связи, включающей в себя цепь прямого воздействия на автодинный генератор 12 (импульсный передатчик 1 - антенный переключатель 2 - антенна 3 РЛС - антенна 13 АРЗ - автодинный генератор 12) и цепь информационной обратной связи о результате воздействия (автодинный генератор 12 - антенна 13 АРЗ - антенна 3 РПУ - антенный переключатель 2 - приемное устройство 4 - частотный детектор 5 - резонансный усилитель 6 - амплитудный детектор 7 - устройство сравнения 8 с источником 9 опорного напряжения - регулятор 10 мощности) на входе автодинного приемопередатчика 12 АРЗ обеспечивается стабилизация амплитуды запросных радиоимпульсов. Этим достигается расширение рабочего диапазона системы радиозондирования по дальности и повышение устойчивости сопровождения АРЗ в процессе его подъема. Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет по сравнению с прототипом значительно упростить конструкцию АПП, исключив из его функциональной схемы блок выделения автодинного сигнала, усилитель, обнаружитель запросного сигнала и формирователь импульса ответной паузы без ущерба функциональным возможностям устройства, что снижает затраты на его изготовление.

Результаты выполненных исследований транзисторного АПП на частоту 1680 МГц подтвердили осуществимость предложенного способа и его пригодность для использования в перспективной разработке системы радиозондирования атмосферы [29].

Литература

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

2. Хахалин В.С. Современные радиозонды. - М.: Госэнергоиздат, 1959. 65 с.

3. Авт. свид. SU 115078, опубл. 01.01.1958. Передатчик-ответчик для радиозонда / В.С. Хахалин, Б.В. Васильев, С.Ф. Калачинский.

4. Ефимов А.А. Принципы работы аэрологического информационно-вычислительного комплекса АВК-1. - М.: Гидрометеоиздат, 1989 г. - 148 с.

5. 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.

6. Иванов В.Э., Фридзон М.Б., Ессяк С.П. Радиозондирование атмосферы. Технические и метрологические аспекты разработки и применения радиозондовых измерительных средств / Под ред. В.Э. Иванова - Екатеринбург: УрО РАН, 2004. - 596 с.

7. Патент RU 2304290 C2, опубл. 10.08.2007, бюл. № 22. МПК (2006.01) G01S13/95. Способ определения дальности до аэрологического радиозонда / В.Э. Иванов.

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

9. Патент RU 2345379 С1, опубл. 27.01.2009, бюл. № 3. МПК (2006.01) G01S7/282. СВЧ-модуль сверхрегенеративного приемопередатчика радиозонда / В.Э. Иванов.

10. Патент RU 2470323 C1, опубл. 20.12.2012, бюл. № 35. МПК (2006.01) G01S13/95. Способ регулировки выходных параметров сверхрегенеративного приемопередатчика радиозонда / В.Э. Иванов, С.И. Кудинов, А.В. Гусев.

11. 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.

12. Патент RU 2368916 С2, опубл. 27.09.2009, бюл. № 27. МПК (2006.01) G01S13/74. Моноимпульсная система со сверхрегенеративным ответчиком / В.Э. Иванов.

13. Патент RU 2172965 C1, опубл. 27.08.2001, бюл. № 24. МПК (2000.01) G01S13/74. Сверхрегенеративный приемопередатчик / В.Э. Иванов.

14. 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.

15. Кудинов С.И. Транзисторные сверхрегенеративные приемопередающие устройства с повышенным потенциалом в системах радиолокации и связи / Диссертация к.т.н. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007. - 158 с.

16. Патент RU 2624993 C1, опубл. 11.07.2017, бюл. № 20. МКИ (2006.01) G01S13/74. Автодинный приемопередатчик системы радиозондирования атмосферы / В.Я. Носков, В.Э. Иванов, К.А. Игнатков и др.

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

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

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

20. Патент RU 2786415 С1, опубл. 21.12.2022, бюл. № 36. МКИ (2006.01) G01S13/74, G01S13/95. Автодинный асинхронный приемопередатчик системы радиозондирования атмосферы / В.Я. Носков, Р.Г. Галеев, Е.В. Богатырев, В.Э. Иванов, О.А. Черных.

21. Малорацкий Л.М. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. - М.: Советское радио, 1976. - 216 с.

22. Патент RU 2161847 C1, опубл. 10.01.2001. МПК⁷ H01Q1/38. Антенная система метеолокатора / В.Э. Иванов, С.Н. Шабунин, С.Т. Князев.

23. Радиоприемные устройства / Под ред. Н.Н. Фомина. - М.: Радио и связь, 2003. - 515 с.

24. Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях: Справочник. - Киев: Техника, 1983. - 213 с.

25. Микросхемы для линейных источников питания и их применение. - М.: Додека, 1998. - 400 с.

26. Патент RU 2214614 С2, опубл. 20.10.2003, МПК⁷ G01S7/00. Приемопередающая система аэрологического радиозонда и ее конструктив / В.Э. Иванов.

27. Баранов А.В., Кревский М.А. Транзисторные генераторы гармонических СВЧ- колебаний. - М.: Горячая линия - Телеком, 2021. - 276 с.

28. Патент RU 2529177 C1, опубл. 27.09.2014, бюл. № 27. МПК (2006.01) G01S13/95. Система радиозондирования атмосферы с пакетной передачей метеорологической информации / В.Э. Иванов, А.В. Гусев, О.В. Плохих.

29. 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.

Изобретение относится к радиолокации с активным ответом и может быть использовано в системах радиозондирования атмосферы. Техническим результатом является расширение рабочего диапазона системы радиозондирования по дальности и повышение устойчивости сопровождения АРЗ (аэрологического радиозонда) в процессе его подъема. Такой технический результат обеспечивается за счет того, что в направлении РЛС в качестве ответного радиосигнала АРЗ переизлучают возмущенные колебания автодинного генератора, затем на стороне РЛС принимают этот радиосигнал, выделяя из него автодинные изменения частоты в виде сигнала на частоте биений, сравнивают амплитуду сигнала с опорным уровнем напряжения, затем, в случае превышения амплитудой сигнала опорного уровня, выходную мощность передатчика РЛС снижают, а в обратном случае – повышают. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ стабилизации уровня сигнала на входе автодинного асинхронного приемопередатчика системы радиозондирования атмосферы, включающий подачу запросных радиоимпульсов РЛС на аэрологический радиозонд (АРЗ), их прием, усиление и возбуждение возмущенных по амплитуде и частоте колебаний автодинного генератора с частотой биений, отличающийся тем, что возмущенные колебания автодинного генератора переизлучают в направлении РЛС в качестве ответного радиосигнала АРЗ, принимают этот радиосигнал, выделяя из него автодинные изменения частоты в виде сигнала на частоте биений, сравнивают амплитуду сигнала с опорным уровнем напряжения, затем, в случае превышения амплитудой сигнала опорного уровня, выходную мощность передатчика РЛС снижают, а в обратном случае – повышают.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частоту запросного сигнала РЛС предварительно отстраивают от частоты автодинного генератора АРЗ на величину, по крайней мере, на порядок больше полуширины полосы синхронизации.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частоту автодинного генератора на борту АРЗ модулируют сигналом радиотелеметрии.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что из ответного радиосигнала АРЗ сигнал на частоте биений выделяют посредством частотного детектора.