ГОМОДИННЫЙ РАДИОЛОКАТОР СО СКАНИРОВАНИЕМ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННЫ Российский патент 2024 года по МПК G01S13/04 G01S13/06 H04B7/05 

Изобретение относится к области радиолокации, а именно к гомодинному радиолокатору. В настоящее время решение различных боевых задач возлагается на беспилотные летательные аппараты (БЛА). При этом основным направлением повышения эффективности боевого применения БЛА является их групповое применение [1, 2]. Поэтому предъявляются жесткие требования к характеристикам средств радиолокационной разведки, обеспечивающим целеуказаниями системы активной защиты важных объектов от огневого воздействия со стороны противника. В частности, одним из важных требований к радиолокационным средствам разведки и целеуказания является обеспечение высокого темпа обзора пространства [2, 3]. В этом отношении наиболее подходящими для решения указанных задач являются гомодинные радиолокаторы вследствие относительной простоты их технической реализации и возможности обеспечения минимального, по сравнению с импульсными РЛС, радиуса «мертвой» зоны (единицы-доли метра), что важно при организации активной защиты объектов от атакующих боеприпасов.

Известен гомодинный радиолокатор по патенту [4], содержащий генератор зондирующего сигнала, генератор модулирующего сигнала, выход которого подключен ко входу управления частотой генератора зондирующего сигнала, смеситель, приемную и передающую антенны,, соединенные последовательно с выходом смесителя, усилитель и фильтр, настроенный на частоту модуляции или ее гармонику, синхронный детектор или квадратурный синхронный детектор, подключенный одним входом к генератору модулирующего сигнала, вторым входом - к выходу фильтра, а выходами - к выходам устройства. К недостаткам данного радиолокатора относятся: чрезвычайно большой динамический диапазон выходного сигнала, что затрудняет подбор аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с соответствующим динамическим диапазоном, а также большой радиус «слепой зоны» и низкое быстродействие.

Указанные недостатки частично устранены в техническом решении по патенту [5], в котором предложенный гомодинный радиолокатор, в котором используется одна приемно-передающая антенна и обеспечивается расширенный динамический диапазон принимаемых сигналов, при минимизации боковых лепестков сигнальной функции. Кроме того, радиолокатор содержит последовательно соединенные с выходом смесителя усилитель, амплитудный модулятор, реализующий функцию «временного окна», и усилитель с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ).

В то же время недостатками предложения [5] являются применение дорогостоящих малошумящих усилителей на несущей частоте, а также применение аналоговых квадратурных демодуляторов, имеющих погрешности ортогональности квадратурных каналов и требующих двойное количество сумматоров.

Общим недостатком известных технических предложений [4-6] является отсутствие у гомодинных радиолокаторов функции не только электронного, но даже механического радиолокационного обзора пространства, что практически исключает возможность применения таких радиолокаторов в качестве систем целеуказания в составе комплексов активной защиты важных объектов при организации противодействия боевым БЛА. В особенности при групповом применении БЛА, когда опасность может угрожать охраняемому объекту с любого направления.

Ближайшим аналогом предлагаемого технического решения является гомодинный радиолокатор со сканированием диаграммы направленности по патенту [7], принятый в качестве прототипа.

Выбранный прототип содержит приемно-передающую антенну и последовательно соединенные генератор зондирующего сигнала, цирку-лятор, смеситель, усилитель, амплитудный модулятор, второй вход которого соединен с выходом генератора функции временного окна, и усилитель с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой. Кроме того, прототип содержит вращающийся переход, первый вход-выход которого соединен с входом-выходом приемно-передающей антенны, второй вход-выход вращающегося перехода соединен с входом-выходом циркулятора, устройство сканирования, выход которого соединен с приемно-передающей антенной, и устройство параллельного спектрального анализа, вход которого соединен с выходом усилителя с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой. Выход устройства параллельного спектрального анализа является выходом гомодинного радиолокатора. Прототип имеет следующие достоинства.

1.Применение усилителя с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой позволяет выравнивать амплитуды сигналов биений, соответствующих сигналам от объектов наблюдения с одинаковой эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР), но расположенных на различных дальностях. При этом динамический диапазон всех сигналов сужается до динамического диапазона наблюдаемой сцены.

2.Для устранения эффекта возрастания уровня боковых лепестков функции неопределенности ЛЧМ-сигнала, маскирующей сигнал от следующего объекта, в прототипе применен модулятор, в котором сигнал биений модулируется по амплитуде функцией «временного окна».

3. В устройстве параллельного спектрального анализа формируется спектр сигнала биений, временное положение амплитудного выброса которого соответствует дальности до цели.

Вместе с тем, необходимо отметить следующие недостатки прототипа.

1.Электромеханичесое управление диаграммой антенны, а также визуальный съем информации оператором с экрана индикатора кругового обзора не обеспечивают выполнение одного из основных требований к гомодинному радиолокатору в условиях противодействия БЛА при их групповом применении - высокий темп обзора пространства.

2. Прототип не обеспечивает обзор пространства по гибкой программе, согласованной с темпом обзора азимутальных секторов в зависимости от априорной информаци о плотности потока целей в пределах указанных секторов.

3. Прототип не обеспечивает возможность автоматического сопровождения одновременно нескольких целей на основе разделения во времени процессов измерения текущих координат в отдельных точках их траекторий.

В соответствии с изложенным целями изобретения являются:

1. Повышение темпа обзора пространства на основе комбинированного управления диаграммой направленности антенны - электромеханического при круговом обзоре и электронного - при секторном.

2. Повышение пропускной способности гомодинного радиолокатора на основе разделения во времени процессов измерения текущих координат сопровождаемых одновременно нескольких целей.

3. Повышение точности измерения координат целей на основе автоматизации процессов первичной и вторичной обработки радиолокационной информации

Указанные цели достигаются тем, что в состав гомодинного радиолокатора со сканированием диаграммы направленности антенны, содержащего приемно-передающую антенну и последовательно соединенные генератор зондирующего сигнала, циркулятор, смеситель, усилитель, амплитудный модулятор, второй вход которого соединен с выходом генератора функции временного окна, и усилитель с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой, вращающийся переход, первый вход-выход которого соединен с входом-выходом приемно-передающей антенны, второй вход-выход вращающегося перехода соединен с входом-выходом циркулятора, устройство сканирования, выход которого соединен с приемно-передающей антенной, и устройство параллельного спектрального анализа, вход которого соединен с выходом усилителя с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой, согласно предлагаемому техническому решению дополнительно введен блок первичной и вторичной обработки радиолокационной информации, вход которого соединен с выходом устройства параллельного спектрального анализа, а выход подключен к информационному входу устройства сканирования и является выходом предлагаемого гомодинного радиолокатора, а в качестве приемно-передающей антенны применена антенная решетка с комбинированным управлением диаграммой направленности - электромеханическим при круговом обзоре пространства и электронном при секторном обзоре.

Технический результат изобретения заключается в создании гомодинного радиолокатора, обеспечивающего высокий темп обзора пространства благодаря комбинированному сканированию пространства диаграммой направленности антенны, в качестве которой применена антенная решетка, повышенную точность измерения координат целей на основе автоматизации процессов первичной и вторичной обработки радиолокационной информации, высокую пропускную способность на основе применения гибких процедур обзора пространства при поиске и сопровождении одновременно нескольких целей. При этом не исключается возможность подключения радиолокатора к типовому рабочему месту оператора (РМО), на дисплее которого поддерживается изображение целевой обстановки в верхней полусфере относительно локатора по аналогии с индикатором кругового обзора (ИКО), однако в этом случае ИКО играет вспомогательную роль, например, контроль процесса функционирования радиолокатора.

Таким образом, отличия предлагаемого технического решения от его прототипа обеспечивают достижение поставленных перед изобретением целей.

Суть предлагаемого технического решения поясняется рисунком на фиг. 1, на котором изображена структурная схема предлагаемого гомодинного радиолокатора со сканирующей антенной, где приняты следующие обозначения:

1- генератор зондирующего сигнала (ЗС);

2 - циркулятор;

3 - приемно-передающая антенна;

4 - смеситель;

5 - усилитель;

6 - амплитудный модулятор;

7 - усилитель с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой;

8 - генератор функции временного окна;

9 - вращающийся переход;

10 - устройство сканирования;

11 - устройство параллельного спектрального анализа;

12 - блок первичной и вторичной обработки радиолокационной информации.

Предлагаемый гомодинный радиолокатор со сканированием диаграммы направленности антенны работает следующим образом.

Выходной сигнал генератора ЗС 1 (фиг. 1), частота которого изменяется по закону непрерывной линейной частотной модуляции (ЛЧМ), поступает через циркулятор 2 на вход вращающегося перехода 9. С выхода вращающегося перехода 9 сигнал подается на приемно-передающую антенну 3 и излучается в пространство.

Отраженный от объекта локации сигнал принимается приемно-передающей антенной 3. Сигнал с выхода приемно-передающей антенны 3 поступает через вращающийся переход 9 на второе плечо циркулятора 2 и через его третье плечо с минимальными потерями проходит на вход аддитивного смесителя 4. На этот же вход (аддитивного смесителя 4) поступает также гетеродинный сигнал от генератора 1 ЗС, ослабленный за счет обратного прохождения через циркулятор 2 из первого плеча в третье плечо (на фиг. 1 показан пунктиром). Аддитивный смеситель 4 реализует перемножение принятых и гетеродинных сигналов, а также низкочастотную фильтрацию. Далее сигнал гомодинного радиолокатора усиливается в малошумящем усилителе 5, модулируется функцией «окна» в амплитудном модуляторе 6, нормируются в усилителе с квадратичной АЧХ 7 и подвергаются процедуре спектрального анализа в устройстве параллельного спектрального анализа 11.

Учитывая низкий уровень сигналов, отраженных от объектов с малой величиной эффективной площади рассеяния (ЭПР), выходной сигнал смесителя 4 (сигнал биений), как и в прототипе, усиливается в малошумящем усилителе 5.

Для уменьшения (сужения) динамического диапазона сигнала биений в прототипе используется усилитель 7 с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Применение усилителя сигнала биений 7 с квадратичной АЧХ позволяет выравнивать мощность сигналов, принятых от объектов, расположенных на различных дальностях и имеющих одинаковую величину ЭПР. При этом динамический диапазон всех сигналов сужается до динамического диапазона наблюдаемой сцены.

Однако кроме отмеченного положительного эффекта сужения динамического диапазона, возникает проблема возрастания уровня боковых лепестков функции неопределенности зондирующего ЛЧМ-сигнала. Это возрастание создает существенные помехи сигналу, следующему за сигналом, который соответствует отражению от данного объекта.

Для устранения этого эффекта, а также устранения влияния зон обращения ЛЧМ и паразитной амплитудной модуляции генератора зондирующего сигнала, в прототипе применяется амплитудный модулятор 6, в котором сигнал биений модулируется по амплитуде функцией «временного окна». В результате в гомодинном радиолокаторе не будет наблюдаться нежелательного роста уровня боковых лепестков функции неопределенности ЛЧМ-сигнала.

В устройстве параллельного спектрального анализа 11 осуществляется преобразование сигналов биений в их спектр, амплитудные выбросы которого представляют собой радиолокационные отметки от целей, временное положение которых соответствуют дальностям до целей, которые при данном положении луча диаграммы направленности находятся в пределах ее главного лепестка. Информация с выхода устройства 11 параллельного спектрального анализа поступает на вход введенного в предлагаемое устройство блока 12 первичной и вторичной обработки радиолокационной информации, представляющего собой цифровое вычислительное устройство, которое осуществляет аналогово-цифровое преобразование информации и цифровую реализацию процедур обнаружения отраженных от целей сигналов, по которым формирует траектории всех обнаруженных целей и осуществляет одновременное их автоматическое сопровождение за счет разделения во времени процессов измерения координат отдельных точек сопровождаемых траекторий [3].

Генератор зондирующего сигнала 1, генератор функции «временного окна» 8 и блок 12 первичной и вторичной обработки радиолокационной информации синхронизируются по времени (на фиг. 1 цепи синхронизации не показаны).

Результаты оценки целевой обстановки поступают на информационный вход устройства сканирования 10, которое реализует режимы управления диаграммой направленности приемно-передающей антенны 3, в качестве которой в предлагаемом гомодинном радиолокаторе применена антенная решетка с комбинированным управлением диаграммой направленности: электромеханическое круговое сканирование при поиске новых целей и электронное секторное автоматическое сопровождение обнаруженных целей. Таким образом обеспечивается многоканальный режим функционирования предлагаемого гомодинного радиолокатора, описанный в [3].

Таким образом, отличия предлагаемого устройства от прототипа являются существенными, так как обеспечивают:

повышение темпа обзора пространства на основе комбинированного управления диаграммой направленности антенны - электромеханического при круговом обзоре и электронного - при секторном;

повышение пропускной способности гомодинного радиолокатора на основе разделения во времени процессов измерения текущих координат сопровождаемых одновременно нескольких целей;

повышение точности измерения координат целей на основе автоматизации процессов первичной и вторичной обработки радиолокационной информации.

Проведенный авторами анализ научно-технической и патентной информации позволяет сделать вывод о патентной новизне предлагаемого гомодинного радиолокатора со сканированием диаграммы направленности антенны.

Предлагаемое устройство гомодинного радиолокатора может быть использовано в качестве системы целеуказания в составе комплексов активной защиты важных объектов для организации противодействия боевым БЛА при их групповом применении.

Источники информации

1. Макаренко С.И., Тимошенко А.В., Васильченко А.С.Анализ средств и способов противодействия беспилотным летательным аппаратам. Часть 1. Беспилотные летательные аппараты как объекты обнаружения и поражения \\ Системы управления, связи и безопасности.- 2020 г. -№1.- с. 109-146.

2. Ананенков А.Е., Марин Д.В., Нуждин В.М., Расторгуев В.В., Соколов П.В. К вопросу о наблюдении малоразмерных беспилотных летательных аппаратов \\ Труды МАИ - 2016 г. - вып.91 .- с. 1-18.

3. Шишов Ю.А., Ворошилов В.А. Многоканальная радиолокация с временным разделением каналов\\ М.: Радио и связь, 1987. - 144 с.

4. Кошуринов Е.И. Приемно-передающее устройство гомодинного радиолокатора. Патент №2189055 (Россия), МПК G01S 13/00, Опубл. 10.09.2002.

5. Ананенков А.Е., Коновальцев А.В., Нуждин В.М., Расторгуев В.В., Соколов П.В. Гомодинный радиолокатор. Патент №2626405 (Россия), МПК G01S 13/00, Опубл. 03.07.2017. Бюл.№21.

6. Ровкин А.Е., Сваровский О.Ю., Христенко А.В., Осипов М.В., Хлусов В.А. Повышение динамического диапазона приемного СВЧ-тракта РЛС непрерывного излучения с ЛЧМ-сигналом.// Динамика систем, механизмов и машин. - 2016, №4, с. 191-196.

7. Ананенков А.Е., Коновальцев А.В., Нуждин В.М., Расторгуев В.В., Соколов П.В. Гомодинный радиолокатор со сканированием диаграммы направленности антенны. Патент №2702190(Россия), МПК G01S 13/08, Опубл. 07.10.2019. Бюл. №28.

Изобретение относится к области радиолокации, а именно к гомодинному радиолокатору. Технический результат изобретения - создание гомодинного радиолокатора с повышенной пропускной способностью, обеспечивающего высокий темп обзора пространства на основе комбинированного (электромеханического и электронного) сканирования пространства диаграммой направленности антенны. Технический результат достигается за счет того, что в гомодинный радиолокатор, содержащий генератор зондирующего сигнала, циркулятор, приемно-передающую антенну, смеситель, усилитель, амплитудный модулятор, усилитель с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой, генератор функции временного окна, вращающийся переход, устройство сканирования и устройство параллельного спектрального анализа, определенным образом связанные между собой, дополнительно включен блок первичной и вторичной обработки радиолокационной информации, а в качестве приемно-передающей антенны применена антенная решетка с комбинированным управлением диаграммой направленности: электромеханическим при круговом обзоре и электронным - при секторном. 1 ил.

Гомодинный радиолокатор со сканированием диаграммы направленности антенны, содержащий приемно-передающую антенну и последовательно соединенные генератор зондирующего сигнала, циркулятор, смеситель, усилитель, амплитудный модулятор, второй вход которого соединен с выходом генератора функции «временного окна», и усилитель с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой, вращающийся переход, первый вход-выход которого соединен с входом-выходом приемно-передающей антенны, второй вход-выход вращающегося перехода соединен с входом-выходом циркулятора, устройство сканирования, выход которого соединен с приемно-передающей антенной, и устройство параллельного спектрального анализа, вход которого соединен с выходом усилителя с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой, отличающийся тем, что дополнительно содержит блок первичной и вторичной обработки радиолокационной информации, вход которого соединен с выходом устройства параллельного спектрального анализа, а выход подключен к информационному входу устройства сканирования и является выходом предлагаемого гомодинного радиолокатора, а в качестве приемно-передающей антенны применена антенная решетка с комбинированным управлением диаграммой направленности - с электромеханическим при круговом обзоре и поиске новых целей и электронным при секторном обзоре и автоматическом сопровождении ранее обнаруженных целей.