НАКОПИТЕЛЬ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ Советский патент 2014 года по МПК G01S7/292 

Предлагаемое изобретение относится к области радиолокации. Оно может быть использовано в радиолокационных приемниках с аналоговым накоплением эхо-сигналов целей в течение нескольких периодов зондирования.

Известен накопитель групповых сигналов (гребенчатый фильтр), содержащий резистор в последовательной цепи и набор конденсаторов с ключами в параллельной цепи (см. М.И. Финкельштейн, Гребенчатые фильтры, М., "Сов. радио", 1969, стр.98-104). Недостатком такого простейшего известного накопителя является низкий коэффициент передачи и потери накопления, связанные с утечкой и перераспределением зарядов конденсаторов.

Известен также накопитель (синхронный фильтр), содержащий входной и выходной усилители, подключенные к элементам выборки и хранения, составленным из конденсаторов и ключей, управляемым от регистра сдвига (см. М. Лейнов, В. Желнов, Электросвязь, 1975, №1, стр.65-69). Указанное устройство наиболее близкое к заявляемому по сочетанию существенных признаков и достигаемому эффекту (прототип).

Недостатки известного накопителя обусловлены неидеальностью ключей и цепей их управления, используемых в реальной аппаратуре. Накопление эхо-сигналов в современных РЛС производится на дальности, соответствующей 100-300 элементов дальности и более. При этом накопитель (синхронный фильтр) содержит такое же число конденсаторов и ключей, соединенных параллельно, что создает значительную паразитную емкость, шунтирующую ячейки выборки и хранения. Это нарушает необходимое условие накопления без потерь: заряд конденсаторов должен происходить от генератора тока, а считывание накопленного напряжения не должен его разрушать. Вместо этого в известном устройстве происходит перетекание зарядов с конденсаторов ячеек выборки и хранения на паразитную шунтирующую емкость, а с нее - на другие ячейки (т.е. последовательное разрушение памяти с созданием паразитных наводок в соседние элементы дальности в процессе их последовательного многократного опроса). Кроме того, емкость, шунтирующая выход входного усилителя, расширяет длительность импульсов, заряжающих накопительные конденсаторы, и ухудшает разрешающую способность по дальности.

Другим недостатком известного устройства является прямое прохождение входного напряжения на выход помимо его накопления, за счет падения напряжения на сопротивлении ключей во время заряда конденсаторов.

Последний из недостатков в известном устройстве устраняется дублированием каждого из ключей и разнесением цепей заряда и считывания. Однако, помимо значительного усложнения ячеек и увеличения количества связей, это приводит к двукратному усугублению первого из указанных недостатков, т.к. увеличивается коммутируемая паразитная емкость и емкость линий связи.

Все это приводит к появлению потерь накопления (оптимальной фильтрации групповых сигналов), выражающихся в придании неравного веса отдельным эхо-сигналам группы, размывании сигнала, искажении его временного положения и ухудшении отношения сигнал/шум.

Например, при числе ячеек выборки (элементов дальности) 100, паразитной емкости каждой из них 3 пФ и емкости конденсаторов ячеек 10 нФ потери накопления составят 3 дБ для длительности группы 15 импульсов - за счет стекания 3% заряда конденсаторов при каждой их коммутации (и, соответственно 45% при 15 коммутациях). Одновременно разрешающая способность по дальности ухудшается почти вдвое (указанные величины получены при экспериментальной проверке).

Таким образом, недостаток известного накопителя радиолокационных сигналов заключается в больших потерях накопления.

Цель предполагаемого изобретения заключается в уменьшении потерь накопления групповых радиолокационных сигналов.

Поставленная цель достигается тем, что в накопитель радиолокационных сигналов, содержащий входной и выходной усилители, подключенные к N ячейкам выборки и хранения, включающим в себя конденсаторы и ключи, соединенные с регистром сдвига, введена дифференцирующая цепь, включенная посредством эмиттерного повторителя между точкой соединения ячеек выборки и хранения и неинвертирующим входом входного усилителя, блок управления и соединенные с ним ключи, установленные последовательно с входным усилителем, выходным усилителем и параллельно ячейкам выборки и хранения.

Введение дифференцирующей цели обеспечивает слежение за изменением напряжений на конденсаторах ячеек выборки и хранения и их подзаряд при каждой коммутации. Ключи, установленные последовательно с входным и выходным усилителями устраняют влияние переходных процессов в дифференцирующей цепи на накопление и считывание сигналов, а также непосредственное прохождение входного напряжения на выход. Ключ, установленный параллельно ячейкам выборки и хранения, устраняет самовозбуждение накопителя через входной усилитель и дифференцирующую цепь в нерабочих интервалах дальности. Блок управления осуществляет последовательное замыкание соединенных с ним ключей. В своей совокупности введение перечисленных элементов компенсирует отекание зарядов с конденсаторов ячеек выборки и хранения, в том числе на конденсаторы соседних ячеек, развязывает входные и выходные цели, что обеспечивает лучшее приближение к требуемой функции накопления (интегрирования) групповых сигналов и уменьшение потерь накопления.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.

Накопитель радиолокационных сигналов содержит N ячеек выборки и хранения, состоящих из конденсаторов 1, 2, 3 и ключей 4, 5, 6, управляющие входы которых соединены с выходами регистра сдвига 7. К точке объединения ячеек выборки подключены входной усилитель 8 и выходной усилитель 9, последовательно с которыми установлены ключи 10 и 11; эмиттерный повторитель 12 с дифференцирующей цепью 13; ключ 14, второй контакт которого подключен к общему проводу. Выход дифференцирующей цепи соединен с неинвертирующим входом входного усилителя 8. Управляющие входы ключей соединены с блоком управления 15.

Работает предлагаемый накопитель радиолокационных сигналов следующим образом.

На вход накопителя через ключ 10 поступают групповые радиолокационные сигналы. В процессе накопления они должны быть просуммированы с задержкой, равной целому числу периода зондирования. Указанное суммирование осуществляется раздельно в каждом из элементов дальности при помощи отдельных ячеек выборки и хранения.

Для каждого из элементов дальности, в котором в течение ряда периодов происходит накопление сигнала, открыт только один из ключей 4-6 из полного набора ячеек выборки. В этом элементе дальности происходят следующие операции над видеочастотным эхо-сигналом:

- открывается ключ 10, сигнал поступает на входной усилитель 8, который своим выходным током заряжает конденсатор открытой ячейки;

- ключ 10 закрывается и зарядный ток прекращается. На конденсаторе сохраняется разность потенциалов, определяющаяся его емкостью и поступившим зарядом (произведением зарядного тока на время заряда). Для первого отражения от цели напряжение на конденсаторе пропорционально амплитуде одного эхо-сигнала данного участка дальности, а для последующих отражений (периодов) - сумме амплитуд, т.е. накопленному сигналу, за счет суммирования зарядов без их утечки и разрушения;

- открывается ключ 11, и накопленный сигнал данного участка дальности через согласующий выходной усилитель 9 поступает на выход.

После истечения времени каждого данного участка дальности его ячейка выборки и хранения (соответствующий ключ 4-6) закрывается и открывается следующая ячейка. Операциями переключения ячеек управляет регистр сдвига 7. Частота сдвига выходных импульсов сдвига соответствует длине элементарных участков дальности и, как правило, не менее чем в 2 раза превышает максимальную частоту спектра эхо-сигнала. Это же относится и к частоте включения ключей 10 и 11, работающих синхронно с регистром сдвига 7. Совмещение накапливаемых сигналов от одних и тех же целей, отраженных в различных периодах зондирования, осуществляется синхронизацией начального положения регистра 7 с запуском передатчика РЛС.

Напряжение выхода усилителя 9 представляет собой последовательность выборок накопленного эхо-сигнала. Поскольку частота выборок (частота переключения регистра 7 и ключей 10, 11) согласована с разрешающей способностью (спектром) эхо-сигнала, среднее значение (огибающая) выходного напряжения совпадает с непрерывным накопленным сигналом.

Функция дифференцирующей цепи заключается в следующем. При каждом подключении новой ячейки выборки и хранения часть заряда конденсатора перетекает на паразитную емкость (параллельную ячейкам), заряжая ее до уже накопленного в ячейке напряжения. Вместе с тем это же напряжение поступает через эмиттерный повторитель 12 и на дифференцирующую цепь 13. На ее выходе при этом появляется треугольный импульс, амплитуда которого пропорциональна накопленному во включенной ячейке напряжению. Поступая на неинвертирующий вход усилителя 8, этот импульс создает дополнительный импульс тока, подзаряжающего конденсатор ячейки. Подзаряд осуществляется на величину части заряда, стекшего с конденсатора за время его общения с усилителем 8 и ключом 9.

Когда же имеет место заряд конденсатора ячейки от паразитной емкости, накопившей некоторый потенциал в предыдущем элементе дальности, на выходе дифференцирующей цепи появляется треугольный импульс противоположной полярности, компенсирующий паразитный заряд.

Попеременная работа ключей 10, 11 и усилителей 8, 9 обеспечивает устранение побочных эффектов, связанных с дифференцированием входного сигнала, который создает падение напряжения на внутреннем сопротивлении ключей 4-6. Кроме того, с их помощью достигнуто прохождение на выход только накопленного на конденсаторах сигнала с временной развязкой прямой связи между усилителями 8 и 9.

Ключ 14 закорачивает на корпус общую точку соединения ячеек выборки и хранения в двух случаях:

- после окончания интервала дальности, в котором накапливается сигнал (последовательного прохождения всех ячеек в данном периоде). Этим устранена возможность самовозбуждения входного усилителя 8 через дифференцирующую цель 13;

- в конце группы для сброса информации - разряда конденсаторов 1-3.

В результате действия накопителя регулярные эхо-сигналы суммируются алгебраически, а шумы и помехи - энергетически. Этим увеличивается отношения сигнал/помеха, улучшаются условия обнаружения полезных сигналов и измерения их параметров.

Экспериментальная проверка эффективности предлагаемого накопителя радиолокационных сигналов показала, что его потери (относительно оптимальной обработки сигналов) не превышают 0,5 дБ при объеме группы 10-20 импульсов, что примерно на порядок лучше, чем у известного устройства.

Кроме того, по сравнению с другими техническими решениями задачи накопления сигналов (рециркулятор с ультразвуковой линией задержки), предложенное в настоящей заявке обеспечивает меньшие габариты и вес аппаратуры, с возможностью ее миниатюризации.

Применение накопителя в РЛС обеспечит дополнительное повышение ее дальности на 10-20%, точности определения дальности до двух раз.

Изобретение относится к области радиолокационной техники. Достигаемый технический результат - уменьшение потерь сигнала при накоплении. Указанный результат достигается за счет того, что накопитель содержит входной и выходной усилители, первый блок управления и N ячеек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных ключа и элемента памяти, причем выход входного усилителя соединен с входами ключей, выходы первого блока управления соединены с управляющими входами ключей, содержит также входной ключ, ключ сброса, выходной ключ, второй блок управления, последовательно соединенные дифференцирующий блок, инвертор и сумматор, причем выход входного ключа соединен с вторым входом сумматора, выход которого соединен с входом входного усилителя, входы ключей соединены с входами дифференцирующего блока, ключа сброса и выходного ключа, выход которого соединен с входом выходного усилителя, а выходы второго блока управления соединены с управляющими входами входного ключа, ключа сброса и выходного ключа. 1 ил.

Накопитель радиолокационных сигналов, содержащий входной и выходной усилители, первый блок управления и N ячеек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных ключа и элемента памяти, причем выход входного усилителя соединен с входами ключей, а выходы первого блока управления соединены соответственно с управляющими входами ключей, отличающийся тем, что, с целью уменьшения потерь сигнала при накоплении, введены входной ключ, ключ сброса, выходной ключ, второй блок управления и последовательно соединенные дифференцирующий блок, инвертор и сумматор, причем выход входного ключа соединен с вторым входом сумматора, выход которого соединен с входом входного усилителя, входы ключей соединены с входами дифференцирующего блока, ключа сброса и выходного ключа, выход которого соединен с входом выходного усилителя, а выходы второго блока управления соединены с управляющими входами входного ключа, ключа сброса и выходного ключа.