Автодинный радиолокатор Советский патент 1992 года по МПК G01S13/02 

Изобретение относится к радиолокационным устройствам и может быть использовано при измерении радиальной скорости движения объектов.

Известны автодинные радиолокаторы, которые, благодаря отсутствию развязывающих элементов и совмещению в автодин- ном генераторе одновременно функций передатчика и приемника, обеспечивают простейшую конструкцию радиолокационного устройства.

Наиболее близким по технической сущности, принципу действия и достигаемому положительному эффекту является автодин- ный радиолокатор, содержащий приемопередающую антенну, соединенную с резонатором, генераторный диод, помещенный в резонатор, и блок выделения и обработки автодинного сигнала. Кроме того, известное устройство содержит соединенный с первым резонатором .через развязывающий вентиль второй резонатор, в который помещен второй генераторный диод. При этом к цепи питания второго генератора диода подключен блок выделения и обработки автодинного пиг мала, содержащий последовательно соединенные развязывающий широкополосный трансформатор, усилитель промежуточной частоты, частотный дискриминатор и измеритель частоты. Первый и второй генераторные диоды, помещенные в одноименные резонаторы, образуют соответственно первый и второй СВЧ-генераторы. Выделение сигнала ..доплеровской частоты в известном устройстве происходит за счет частотного детектирования автодинных изменений частоты автоколебаний первого СВЧ-генератора, находящегося под воздействием отраженного излучения. Второй СВЧ-генератор при этом осуществляет перенос спектра первого СВЧ-генератора на промежуточную частоту.

Недостатками известного устройства являются следующие.

Наличие второго СВЧ-генератора, вентиля и элементов связи между первым и вто- рым СВЧ-генераторами значительно усложняет и удорожает конструкцию и увеличивает вдвое расход электрической энергии автодинного радиолокатора-прототипа по сравнению с устройствами - аналогами,

со

с

XI

VJ ел о чэ о

что ограничивает широкое использование их в экономичных устройствах массового применения.

Целью изобретения является упрощение конструкции и снижение энергопотребления.

Поставленная цель достигается объединением функций автодинного приемопередатчика (автодина) и преобразователя несущей частоты на промежуточную (автодинного преобразователя частоты) в одном функциональном узле, выполненном на основе двухчастотного асинхронного генератора, содержащего всего один генераторный диод.

Сущность изобретения состоит в том, что в автодинном радиолокаторе, содержащем приемопередающую антенну, соединенную с резонатором, генераторный диод, помещенный в резонатор, и блок выделения и обработки автодинного сигнала, содержащий последовательно соединенные развязывающий широкополосный трансформатор, усилитель промежуточной частоты, частотный дискриминатор и измеритель частоты, для достижения поставленной цели введен связанный с генераторным диодом второй резонатор, имеющий некратную частоту с первым, при этом блок выделения и обработки автодинного сигнала подключен к цепи питания генераторного диода.

На чертеже представлена структурная электрическая схема автодинного радиолокатора.

Автодинный радиолокатор содержит двухчастотный СВЧ-генератор 1, выполненный на основе генераторного диода 2 и связанных с ним первого и второго резонаторов 3 и 4, приемопередающую антенну б, подсоединенную к первому резонатору 3, и подключенный к цепи питания генераторного диода 2 блока 7 выделения и обработки автодинного сигнала, состоящий из последовательно соединенных развязывающего широкополосного трансформатора 8, усилителя 9 промежуточной частоты (ПЧ), частотного дискриминатора 10 (ЧД) и измерителя частоты 11.

Автодинный радиолокатор работает следующим образом.

При подаче напряжения от источника питания (не показан) в двухчастотном СВЧ- генераторе 1 возникают асинхронные колебания, приложенные к генераторному диоду 2, одновременно на частотах ш и а%, определяемых резонансными частотами первого и второго резонаторов 3 и 4. Колебания, выделяемые первым резонатором 3, поступают в приемопередающую антенну 6

0

и излучаются в пространство. Одновременное существование на нелинейности генераторного диода 2 колебаний с -частотами MI и вызывает изменения среднего значения тока через генераторный диод 2 с разностной частотой а)р ш - ад I, которые выделяются в цепи питания диода 2 с помощью развязывающего широкополосного трансформатора 8 в виде сигнала про0 межуточной частоты, усиливаемого далее

усилителем 9 ПЧ r«h4 при условии (Dp -

Отраженное от движущихся объектов

электромагнитное излучение поступает через

приемопередающую антенну 6 о двухчастот5 ный СВЧ-генератор 1, где, взаимодействуя с полем первого резонатора 3, изменяет режим работы генераторного диода 2, что проявляется в автодинных изменениях амплитуды Mi(t) и частоты wi (t) автоколебаний пер0 вого резонатора 3 с доплеровской частотой Д Ai (t) Г Ал Кд cos((5 +/3), «д (t) ало + AftJimSin (д +гр), где Г |Рс1/Ро1 - коэффициент затухания (по амплитуде) излучения при его распространении

5 до отражающего объекта и обратно: РС1, POI - мощности отраженного сигнала и излучаемого колебания соответственно AOI, сою - амплитуда и частота автономных колебаний в первом резонаторе 3; Кд - коэффициент автодиниого усиления, показывающий во сколько раз величина автодинного изменения амплитуда AAi(t) автоколебаний больше амплитуды принимаемого сигнала; д (t)r- набег фазы излучения при его распространении за время г до отражающего объекта и обратно; г 2l(t)c; l(t) - расстояние до движущегося отражающего объекта; .с - скорость распространения ра0 диоволн; /, ij) - фазовые углы смещения автодинных изменений амплитуды и частоты; Ac/Jim Г (.BH.iSi) - амплитуда (девиация) автодинных изменений частоты колебаний первого резонатора 3; QBH.I 5 внешняя добротность первого резонатора 3; Si - фактор стабилизации частоты, который для асинхронного режима равен единице.

Вследствие неизохронности генератора

Q изменения амплитуды колебаний ДАi(t) первого резонатора 3 вызывают также автодинные изменения амплитуды AAa(t) и частоты с&М колебаний второго резонатора 4: ДА1 М

X К21, W2(t) Ч20 +Д «1т«21 Sin(54-),L

5 где (OZQ - частота автономных колебаний второю резонатора 4; k2i - коэффициент переноса автодинных изменений амплитуды колебаний с первого парциального резонатора 3 на второй 4; Oi - фактор автодинных изменений частоты колебаний

второго резонатора 4 при воздействии отраженного излучения на первый резонатор 3. Однако изменениями режима автоколебаний второго резонатора 4 в рассматриваемом случае можно пренебречь, поскольку К21 « 1 (из-за асинхронности колебаний).

В результате преобразования колебаний первого и второго резонаторов 3 и 4 на нелинейности генераторного диода 2 выходной сигнал усилителя 9 ПЧ, имеющий полосу пропускания 2 Aft 2 Awim, промодулирован по частоте: Wp (t) (Op0 ± Awim sin (д +), где wpo - I O)Q - и/20 I разностная промежуточная частота при отсутствии отраженного излучения; знак перед Аг/лт зависит от знака разности частотл ю и одо. Полагая, что отражающий объект движется с радиальной скоростью v, выходной сигнал uns(t) усилителя 9 ПЧ в пренебрежении начальной фазой колебаний описывается выражением U.n4(t)Uri4(t) t 4- mi sin (Оц t + V- U где Un4(t) - амплитуда; mi Ao) ин- деке частотной модуляции; QQ 2 м V/c - доплеровская частота. После амплитудного ограничения в усилителе 9 ПЧ или в ЧД 10 (если он выполнен в виде дробного детектора), зависимость амплитуды колебаний вызванной автодинной модуляцией исключается: Un4(t) Un.4. Полезный сигнал на выходе ЧД 9, на выходе которого, как правило, предусмотрен фильтр нижних частот (ФНЧ), имеющий граничную частоту Q-p, соответствующую максимальной до- плеровской частоте: Q-p Оцмакс. имеет вид: Usfl(t) Uuocos(fi t + i/;)- где JM 5чд AftJim амплитуда полезного сигнала на выходе ЧД; 5чд - крутизна характеристики ЧД. Доплеровский сигнал с выхода ЧД 9 далее поступает в измеритель частоты 11. который обеспечивает измерение скорости движущихся объектов.

Перенос спектра колебаний первого резонатора 3, содержащих в спектре низкочастотные доплеровские составляющие, в область ПЧ (от десятков до сотен мегагерц), фильтрация и частотное детектирование полученного сигнала с индексом частотной модуляции mi 1 поскольку Оц, обеспечивают так же как и в прототипе подавление низкочастотных фликкерных флуктуации колебаний СВЧ-генератора 1, высокое значение энергетического потенциала и соответственно увеличенную дальность действияавтодионного радиолокатора по отношению к устройствам-аналогам. Отсутствие второго СВЧ-генератора, развязывающего вентиля. элементов связи позволило упростить конструкцию и снизить энергопотребление автодинного радиолокатора по отношению к прототипу при сохранении тех же функций и характеристик. Использование общего для первого и второго резонаторов 3 и 4 5 генераторного диода 2 уменьшило температурный уход-разностной (промежуточной) частоты колебаний в цепи питания диода 2 благодаря идентичности законов изменения собственных частот колеба: ни резона- 10 торов 3 и 4, что обеспечило дополнительное преимущество предлагаемого устройства относительно прототипа в более высокой стабильности параметров в диапазоне температур.

15 Автодинный радиолокатор реализован в 3-см диапазоне длин волн на диоде Ганна типа АА715Е. Двухчастотный генератор 1 выполнен в соответствии с известной конструкцией генератора, в которой подбирались

0 длины первого и второго (коаксиальных) резонаторов 3 и 4 такими, чтобы обеспечить асинхронный режим колебаний с разностью частот 60 МГц (при отсутствии отраженного излучения). Широкополосный развязываю5 щий трансформатор 7 выполнен по схеме с

трансформаторно-емкостной связью конту ра в цепи ПЧ.Усилитель 8 ПЧ с центральной

частотой 60 МГц и полосой пропускания 10

МГц собран на интегральных схемах серии

0 К175, выход которого подключен к ЧД 9, выполненному по схеме дробного детектора, выходной сигнал которого зависит только от отклонения частоты и практически не зависит от изменений амплитуды, вызван5 ных действием помех, шумов и автодинной модуляцией. Энергетический потенциал радиолокатора в полосе доплеровских частот 100 Гц-20 кГц при отношении сигнал/шум 2 составил 100 - 110 дБ в зависимости от

0 экземпляра диода Ганна. Натурные испытания автодинного радиолокатора с рупорной антенной, имеющей ширину диаграммы направленности 15° х 15°, показали, что дальность действия по измерению скорости

5 движения автомобиля РАФ-2203 составляет 500 - 600 м, т. е. предлагаемое устройство не уступает по данному техническому показателю доплеровскому измерителю скорости (ДИС) ФАРА (ГМ1.000.002 ТО).

0 применяемому в ГАИ,

По сравнению с прототипом использование предлагаемого изобретения позволяет разработать автодинные радиолокационные устройства с более простой конструкцией,

5 уменьшенным энергопотреблением и улучшенной температурной стабильностью хаЬактеоистик, что особенно важно при создании миниатюрных, экономичных и чув- |Ствительных радиолокационных систем массового применения

Формула изобретения Автодииный радиолокатор, содержащий приемопередающую антенну и блок выделения и обработки автодинного сигнала, содержащий последовательно соединенные развязывающий широкополосный трансформатор, усилитель промежуточной частоты, частотный дискриминатор и измеритель частоты, отличающийся тем, что, с целью упрощения и снижения энергопотребления, введен двухчастотный асинхронный сверхвысокочастотный генератор, вход и выход которого соединены соответ0

ственно с приемопередающей антенной и входом блока выделения и обработки автодинного сигнала, при этом двухчастотный асинхронный сверхвысокочастотный генератор содержит источник питания, генераторный диод и первый и второй резонаторы, соединенные с первым выходом генераторного диода, второй вывод которого соединен с источником питания, а входом и выходом двухчастотного асинхронного сверхвысокочастотного генератора соответственно являются вход первого резонатора и второй вывод генераторного диода.

Сущность изобретения: радиолокатор содержит 1 двухчастотный сверхвысокочастотный генератор, содержащий 1 генераторный диод,2 резонатора и 1 блок питания, . 1 периемопередающую антенну и 1 блок выделения и обработки автодинного сигнала, содержащий 1 развязывающий широкополосный трансформатор, 1 усилитель промежуточной частоты, 1 частотный дискриминатор и 1 измеритель частоты. 1 ил.