Радиолокатор с доплеровским передатчиком

Предлагаемая полезная модель относится к области радиолокации и предназначена для использования в радиолокационных станциях (РЛС) или радиолокаторах с доплеровским передатчиком, а также в специфических следящих системах. Технической задачей предложенной полезной модели является создание такого радиолокатора с доплеровским передатчиком, в котором была бы значительно увеличена его дальность действия, повышены помехозащищенность и точность измерения текущих координат и параметров, исключена возможность разведки структуры зондирующего сигнала, при существенном упрощении схемы радиолокатора и соответствующим снижении объема оборудования и его стоимости. Поставленная техническая задача достигается за счет того, что радиолокатор с доплеровским передатчиком содержит антенну, вход-выход которой подключен к входу-выходу антенного переключателя, вход которого подключен к выходу передатчика, а выход соединен с входом приемника, имеет, по меньшей мере, первый и второй преобразователи, соединенные последовательно с приемником, эталон частоты, выход которого подключен ко второму входу первого преобразователя, и ко второму входу второго преобразователя, схема поиска и электронный ключ, выполненный с возможностью подключения входа передатчика к выходу второго преобразователя, или выходу схемы поиска, вход которой подключен к выходу приемника и первому входу первого преобразователя, первый выход которого подключен к первому входу второго преобразователя. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Предлагаемая полезная модель относится к области радиолокации и предназначена для использования в радиолокационных станциях (РЛС) или радиолокаторах с доплеровским передатчиком, а также в специфических следящих системах.

Основным отличием предлагаемого радиолокатора с доплеровским передатчиком, от существующих в настоящее время радиолокаторов с доплеровским передатчиком, является использование в нем сверхдлинных зондирующих сигналов.

В настоящее время известны различные радиолокаторы с доплеровским передатчиком, а также РЛС с доплеровским передатчиком, однако они обладают не достаточной точностью и надежностью измерений, имеют достаточно сложные схемы их реализации, в которых используется достаточно дорогое оборудование.

Так известна РЛС, содержащая передатчик ЧМ-сигнала, передающую антенну, приемник ЧМ-сигнала, отраженного от цели сигнала с усилителем, АЦП, процессор, осуществляющий преобразование время/частота, и соединенное с ним устройство управления [патент США 5972223, МКИ G01S 13/34].

Недостатком данной РЛС является недостаточная дальность действия.

Известен также радиолокатор для измерения малых расстояний до объекта, содержащий параллельно соединенные приемную антенну, смеситель, первый фильтр нижних частот и усилитель-ограничитель, а также последовательно соединенные СВЧ-генератор, управляемый по частоте напряжением, направленный ответвитель, передающую антену, преобразователь частота-напряжение и измеритель высоты с переменной шкалой, а также усилитель с автоматической регулировкой усиления, первую и вторую логическую схему И, первый и второй счетчики числа импульсов, а также цифровой сумматор [заявка РФ ИЗ 94037470, МПК G01S 13/34].

В данном радиолокаторе повышена точность и надежность измерения малых расстояний до объекта, но он обладает большей дальностью действия.

Наиболее близкими к данному изобретению по технической сущности являются способ сопровождения цели и устройство моноимпульсной РЛС, реализующей данный способ по патенту РФ на ИЗ 2338219, МПК G01S 13/44, выбранные в качестве прототипа.

Моноимпульсная РЛС, реализующая данный способ, содержит антенную моноимпульсную систему, первый вход-выход которой соединен со вторым входом-выходом антенного переключателя, возбудитель, квадратурно-фазовые детекторы суммарного и разностного каналов, синхронизатор, передатчик, соединенный с антенным переключателем, последовательно соединенные формирователь модулированного сигнала, формирователь опорного сигнала, и бортовую вычислительную машину.

В данном устройстве обеспечена возможность слежения как за сигналом цели, так и за шумовым источником помех при одновременном повышении потенциала радиолокации по сигналу цели за счет подавления на видеочастоте зеркальной шумовой полосы, однако данное устройство не обеспечивают достаточной дальности действия РЛС, достаточной помехозащищенности, и точности измерения текущих координат и параметров.

Технической задачей предложенной полезной модели является создание такого радиолокатора с доплеровским передатчиком, в котором была бы значительно увеличена его дальность действия, повышены помехозащищенность и точность измерения текущих координат и параметров, исключена возможность разведки структуры зондирующего сигнала, при существенном упрощении схемы радиолокатора и соответствующим снижении объема оборудования и его стоимости.

Поставленная техническая задача предложенной полезной модели достигается за счет того, что радиолокатор с доплеровским передатчиком содержит антенну, вход-выход которой подключен к входу-выходу антенного переключателя, вход которого подключен к выходу передатчика, а выход соединен с входом приемника, имеет, по меньшей мере, первый и второй преобразователи, соединенные последовательно с приемником, эталон частоты, выход которого подключен ко второму входу первого преобразователя, и ко второму входу второго преобразователя, схема поиска и электронный ключ, выполненный с возможностью подключения входа передатчика к выходу второго преобразователя, или выходу схемы поиска, вход которой подключен к выходу приемника и первому входу первого преобразователя, первый выход которого подключен к первому входу второго преобразователя.

Предпочтительно, чтобы радиолокатор с доплеровским передатчиком содержал фильтр и усилитель, соединенные последовательно, каждый из преобразователей был снабжен перемножителем и фильтром, соединенными последовательно, а передатчик имел усилитель.

В предпочтительном, и практически реализуемом варианте, с новой структурой зондирующих сигналов - PN MSK радиолокатор с доплеровским передатчиком снабжен генератором случайных комбинаций (ГСК), синхронизатором с памятью, первый вход которого подключен к выходу генератора случайных комбинаций (ГСК), преселектором, квадратором и каналом обнаружения, включенными последовательно между антенным переключателем и приемником, выход которого через последовательно соединенные фильтр формирователя и детектор, которые представляют собой формирователь корреляционных максимумов, подключен к первому входу вычислительного средства, второй и третий входы которого подключены к вторым выходам первого и второго преобразователей, а четвертый вход вычислительного средства подключен к входу схемы поиска и каналу обнаружения, при этом передатчик снабжен модулятором ПСП сигналов, первый вход которого подключен к выходу синхронизатора, второй вход подключен к выходу электронного ключа, а выход модулятора ПСП сигналов подключен к входу усилителя передатчика, канал обнаружения содержит первый сумматор, две параллельно подключенные между ним и приемником цепочки из первого узкополосного фильтра и первого детектора, а также из второго узкополосного фильтра и второго детектора, подключенные выходами детекторов к первому и второму входам сумматора, при этом приемник имеет два делителя частоты, схему задержки, второй сумматор и несколько перемножителей, выполненных с возможностью согласования НЧД с ПСП, и подключенных между схемой задержки и вторым сумматором таким образом, что выходы перемножителей приемника подключены к входам второго сумматора, выход которого подключен к входу фильтра, первые входы перемножителей приемника подключены к выходам схемы задержки, а вторые входы перемножителей приемника подключены к первым выходам делителей частоты, входы которых подключены к первым входам первого и второго преобразователей, первый из которых дополнительно содержит цепочку из последовательно соединенных второго перемножителя и второго фильтра, а второй также дополнительно содержит цепочку из последовательно соединенных второго перемножителя и второго фильтра, при этом первый и второй выходы эталона частоты подключены к вторым входам вторых перемножителей первого и второго преобразователей, а выходы фильтров первого и второго преобразователей подключены ко входам вторых перемножителей первого и второго преобразователей и к второму и третьему входам вычислительного средства.

Защищаемая новизна радиолокатора с доплеровским передатчиком заключается в компенсации доплеровского смещения частоты отраженного от цели сигнала путем изменения частоты зондирующего сигнала передатчика строго на текущую величину доплеровского смещения частоты отраженного сигнала, но с обратным знаком

f_{д отр}=|-f_{д изл}|.

Для более полного раскрытия изобретения далее приводится описание конкретных возможных вариантов его исполнения с соответствующими чертежами.

Фиг. 1 - структурная схема радиолокатора с доплеровским передатчиком.

Фиг. 2 - структурная схема радиолокатора с доплеровским передатчиком с PN MSK сигналами.

Фиг. 3 - структура изменения частот (доплеровской и компенсирующей).

Фиг. 4 - структура PN MSK сигнала.

Фиг. 5 - квадрированный спектр PN MSK сигнала.

Фиг. 6 - изометрическая проекция PN MSK сигнала. Радиолокатор с доплеровским передатчиком содержит передатчик 1, который может содержать усилитель 1.2 (Фиг. 1). Выход передатчика 1 соединен со входом антенного переключателя 2, вход-выход которого подключен ко входу-выходу антенны 3, а выход антенного переключателя 2 подключен ко входу приемника 4, который может содержать фильтр 4.1 и выпрямитель 4.2, выход которого подключен к первому входу первого преобразователя 5.1, второй вход которого подключен к выходу эталона частоты 6, выход которого подключен ко второму входу второго преобразователя 5.2, первый вход которого подключен к выходу первого преобразователя 5.1. Выход второго преобразователя 5.2 подключен ко входу электронного ключа 8, второй вход которого подключен к выходу схемы поиска 7, вход которой подключен к выходу приемника 4 и первому входу первого преобразователя 5.1, а выход электронного ключа 8 подключен ко входу передатчика 1. При этом первый преобразователь имеет перемножитель 5.1.1 и фильтр 5.1.2, а второй преобразователь имеет перемножитель 5.2.1 и фильтр 5.2.2.

Радиолокатор с доплеровским передатчиком работает следующим образом.

В исходном состоянии схема поиска 7 вырабатывает сигнал с частотой f₀, меняющейся по линейному закону в пределах всего доплеровского диапазона частот. Этот сигнал с выхода схемы поиска 7 через электронный ключ 8 поступает на вход передатчика 1. Там происходит его усиление, и через антенный переключатель 2 он поступает в антенну 3 и излучается. При появлении цели, в пределах диаграммы направленности антенны 3, наступает момент, когда, отраженный от цели сигнал с частотой f₀+f_Д принимается антенной 3, и с ее выхода, через антенный переключатель 2 попадает на вход приемника 4, усиливается в нем, и поступает на вход первого преобразователя 5.1, в котором производят преобразование частоты отраженного от цели сигнала с частотой f₀+f_Д. В первом преобразователе 5.1, ко второму входу которого подают постоянно с эталона частоты 6 сигнал с частотой f₀, преобразуют частоту входного сигнала, и формируют сигнал с частотой f ₀+f_Д-f₀, то есть сигнал с частотой f_Д, который поступает на первый вход второго преобразователя 5.2, ко второму входу которого подают постоянно с эталона частоты 6 сигнал с частотой f₀. Во втором преобразователе 5.2 производят преобразование входящего сигнала с частотой f _Д, в выходящий сигнал с частотой f₀+f_Д , который направляют через электронный ключ 8 в передатчик 1, а затем через антенный переключатель 2 в антенну 3 для передачи его в качестве зондирующего сигнала, после чего происходит непрерывное поддержание равенства частот f_Д=|-f_Д| замкнутой петлей системы, при котором мгновенное изменение частоты доплера передатчика 1f компенсируется соответствующим изменением частоты передатчика 1, в результате чего происходит замыкание системной петли обратной связи, образованной передатчиком 1, в котором управляют частотой его излучения.

Мгновенное изменение частоты Доплера f (Фиг. 3) компенсируется соответствующим изменением частоты передатчика 1, т.е. f_Д(t)=|-f_Д(t-T), где - время прохождения излученного сигнала до цели и обратно.

Результатом организации такой замкнутой системной петли обратной связи является принудительная компенсация доплеровского смещения частоты, т.е. цель, от которой принят отраженный сигнал, «как бы перестает перемещаться» в пространстве по признаку отсутствия в ее сигнале доплеровского смещения частоты, и, как следствие, возникают условия работы узкополосного приемника на постоянной частоте f₀.

Применение описанного выше радиолокатора с доплеровским передатчиком позволяет:

- во-первых реализовать потенциально предельный энергетический потенциал РЛС за счет за счет сужения полосы пропускания приемника до теоретически минимальной (вместо суммарной, при которой полоса приемника должна быть расширена для учета динамической составляющей спектра во входном сигнале), т.е. энергия сигнала оказывается максимальной, а энергия шума минимальной, причем сохраняются все информационные свойства сигнала (динамическая составляющая спектра, порожденная движением цели, и проявляющаяся в доплеровском смещении частоты оказывается скомпенсированной);

- во-вторых, в спектральных и корреляционных преобразованиях Фурье возникают условия для существенного увеличения пределов интегрирования (накопления энергии сигнала), а, следовательно, дополнительного повышения энергетических параметров радиолокатора (РЛС), т.к. на приведенной шкале времени ликвидируется «дефект времени», вызванный разными системами отсчета времени (частоты);

- в - третьих, такая компенсационная структура построения радиолокатора (РЛС) обеспечивает прием сигналов только от одной цели, т.к. сигналы, отраженные от всех других объектов (включая отражения от местных предметов подстилающей поверхности, пассивных и активных помех и прочих неподвижных и двигающихся объектов с частотой, отличной от компенсационной передатчика, не пройдут через узкополосный фильтр приемной системы;

- в-четвертых, не чувствительность приемника радиолокатора (РЛС) ко всем отраженным сигналам, за исключением одной сопровождаемой цели существенно разгрузит вычислительные и индикаторные средства радиолокатора (РЛС).

В описанном выше простейшем варианте радиолокатора с доплеровским передатчиком (РЛС) не оговаривались структуры применяемых сигналов и ряд других деталей. Поэтому основной задачей простейшего представленного радиолокатора являлась проблема изложить новый способ доплеровской радиолокации, который может быть адаптирован для конкретных условий (наземные, корабельные, авиационные, космические и т.д.)

Второй вариант реализации радиолокатора с доплеровским передатчиком (Фиг. 2), с перестройкой излучаемых передатчиком несущих, использующий новый структурный принцип, конкретизирован в части применения новых PN МСК сигналов (Pseudo Noise Minimum Shift Keying) широкополосных шумоподобных дискретных с минимальным сдвигом фаз и индексом манипуляции частот D=2 fT_d=0,5. Их структура во временной и спектральной областях изображена на фиг. 4 и 5, а на фиг. 6 изображена изометрическая проекция PN МСК сигнала. Эти сигналы по своему существу и свойствам значительно превосходят широко применяемые в настоящее время ФКМ, не говоря уже о таких устаревших, как AM, ЛЧМ и др. Основное их отличие и преимущество над известными сигналами заключается в том, что огибающие временной функции, огибающие спектра и корреляционной функции являются гладкими кривыми, не имеющими боковых лепестков фиг. 4 (при условии достаточно большого количества N, а практически когда максимальный уровень бокового лепестка будет не больше номинального уровня шума), следовательно, и функция неопределенности обладает единственным максимумом в центре плоскости.

Второй вариант реализации радиолокатора с доплеровским передатчиком (Фиг. 2) содержит, дополнительно к первому варианту радиолокатора с доплеровским передатчиком, синхронизатор 24 с памятью 23, первый вход которого подключен к выходу генератора случайных комбинаций (ГСК) 25, преселектор 9, квадратор 10, и канал обнаружения 4.1 включенные между антенным переключателем 2 и приемником 4, выход которого через последовательно соединенные фильтр 21 и детектор 22 подключен к первому входу вычислительного средства 26, при этом последовательно соединенные фильтр 21 и детектор 22 представляют собой формирователь корреляционных максимумов. Второй и третий входы вычислительного средства 26 подключены к вторым выходам первого 5.1 и второго 5.2 преобразователей, а четвертый вход вычислительного средства 26 подключен к входу схемы поиска 7, при этом передатчик 1 снабжен модулятором ПСП сигналов 1.1 и усилителем 1.2. Первый вход модулятора ПСП сигналов 1.1 подключен к выходу синхронизатора 24, второй вход подключен к выходу электронного ключа 8, а выход модулятора ПСП сигналов 1.1 подключен к входу усилителя передатчика 1.2. Канал обнаружения 4.1 содержит первый сумматор 15, две параллельно подключенные между ним и приемником цепочки из первого узкополосного фильтра 11 и первого детектора 13, а также из второго узкополосного фильтра 12 и второго детектора 14, подключенные к первому и второму входам первого сумматора 15.

Приемник 4 содержит схему задержки 18 с отводами, второй сумматор 20, несколько перемножителей 19 (19-1,9-n, 19-n-1), выполненных с возможностью согласования НЧД с ПСП, и подключенных между схемой задержки 18 и вторым сумматором 20, а также два делителя частоты 16 и 17, подключенных выходами к вторым входам перемножителей 19, а входами к первому 5.1 и второму 5.2 преобразователям, первый из которых дополнительно содержит цепочку из последовательно соединенных второго фильтра 5.1.3 и второго перемножителя 5.1.4, а второй дополнительно содержит цепочку из последовательно соединенных второго фильтра 5.2.3 и второго перемножителя 5.2.4.

Принцип работы второго варианта радиолокатора с доплеровским передатчиком, изображенного на фиг. 2, аналогичен тому, который был описан для первого варианта радиолокатора. Отличие состоит только в необходимости адаптировать упрощенный одноканальный и одночастотный вариант приемника, схему Фурье свертки во времени к двухчастотным PN MSK сигналам, а также в обеспечении защиты нового принципа обнаружения квадрированного сигнала по всплескам спектра на удвоенных НЧД.

Отличительной особенностью второго варианта радиолокатора является структура канала обнаружения 4.1, в которой при квадрировании (удвоении) частоты сигнала в структуре PN MSK сигнала появляются регулярные составляющие спектра, что теоретически приводит к появлению в нем компонент, в которых сосредоточено 50% энергии входного сигнала (Фиг. 4).

Используя это свойство для обнаружения сигнала существенно понижается порог чувствительности и резко возрастает отношение с/ш, не учитываемое в стандартных технических расчетах. Однако, отсутствие явной зависимости амплитуды остаточных боковых лепестков в выражении спектра от количества дискретов, заставляет налагать дополнительное условие: чтобы максимальная амплитуда бокового лепестка спектра не превосходила минимального уровня шума.

Защита структуры (комбинаторики ПСП) зондирующего сигнала производится путем использования ГСК 25, основу которого составляет генератор шума, поэтому даже разработчик аппаратуры не может предугадать структуру очередной комбинации ПСП.

Готовность к работе Фурье свертки во времени в течение всей посылки обеспечивается схемой памяти 23 в составе синхронизатора 24.

Как очевидно специалистам в данной области техники, данную полезную модель легко разработать в других конкретных формах, не выходя при этом за рамки сущности данной полезной модели.

При этом настоящие варианты осуществления необходимо считать просто иллюстративными, а не ограничивающими, причем объем полезной модели представлен ее формулой, и предполагается, что в нее включены все возможные изменения и область эквивалентности пунктам формулы данной полезной модели.

1. Радиолокатор с доплеровским передатчиком, содержащий антенну, вход-выход которой подключен к входу-выходу антенного переключателя, вход которого подключен к выходу передатчика, а выход соединен с входом приемника, отличающийся тем, что в него введены, по меньшей мере, первый и второй преобразователи, соединенные последовательно с приемником, эталон частоты, выход которого подключен ко второму входу первого преобразователя, и ко второму входу второго преобразователя, схема поиска и электронный ключ, выполненный с возможностью подключения входа передатчика к выходу второго преобразователя, или выходу схемы поиска, вход которой подключен к выходу приемника и первому входу первого преобразователя, первый выход которого подключен к первому входу второго преобразователя.

2. Радиолокатор по п. 1, отличающийся тем, что приемник содержит фильтр и усилитель, соединенные последовательно, каждый из преобразователей снабжен перемножителем и фильтром, соединенными последовательно, а передатчик имеет усилитель.

3. Радиолокатор по п. 2, отличающийся тем, что он снабжен генератором случайных комбинаций (ГСК), синхронизатором с памятью, первый вход которого подключен к выходу генератора случайных комбинаций (ГСК),преселектором, квадратором и каналом обнаружения, включенными последовательно между антенным переключателем и приемником, выход которого через последовательно соединенные фильтр и детектор, которые представляют собой формирователь корреляционных максимумов, подключен к первому входу вычислительного средства, второй и третий входы которого подключены к вторым выходам первого и второго преобразователей, а четвертый вход вычислительного средства подключен к входу схемы поиска и каналу обнаружения, при этом передатчик снабжен модулятором ПСП сигналов, первый вход которого подключен к выходу синхронизатора, второй вход подключен к выходу электронного ключа, а выход модулятора ПСП сигналов подключен к входу усилителя передатчика, канал обнаружения содержит первый сумматор, две параллельно подключенные между ним и приемником, цепочки из первого узкополосного фильтра и первого детектора, а также из второго узкополосного фильтра и второго детектора, подключенные выходами детекторов к первому и второму входам первого сумматора, при этом приемник имеет два делителя частоты, схему задержки, второй сумматор и несколько перемножителей, выполненных с возможностью согласования НЧД с ПСП и подключенных между схемой задержки и вторым сумматором таким образом, что выходы перемножителей приемника подключены к входам второго сумматора, выход которого подключен к входу фильтра, первые входы перемножителей приемникаподключены к выходам схемы задержки, а вторые входы перемножителей приемника подключены к первым выходам делителей частоты, входы которых подключены к первым входам первого и второго преобразователей, первый из которых дополнительно содержит цепочку из последовательно соединенных второго перемножителя и второго фильтра, а второй также дополнительно содержит цепочку из последовательно соединенных второго перемножителя и второго фильтра, при этом первый и второй выходы эталона частоты подключены к вторым входам вторых перемножителей первого и второго преобразователей, а выходы фильтров первого и второго преобразователей подключены ко входам вторых перемножителей первого и второго преобразователей и к второму и третьему входам вычислительного средства.