Устройство измерения угловой координаты воздушного объекта
Полезная модель относится к радиолокационным устройствам и может использоваться в радиолокационных станциях (РЛС) обнаружения, обзора и целеуказания с цифровой обработкой радиолокационной информации. Задачей полезной модели является увеличение точности определения угловой координаты воздушного объекта по параметрам пачки отраженных и бинарно оцифрованных сигналов в условиях несимметричности характеристики направленности антенны и других факторов, приводящих искажениям дружнофлюктуирующей пачки отражений. Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в известном устройстве посредством введения дополнительных блоков и межблочных связей реализуется способность РЛС оптимальным образом оценивать положение эффективного центра пачки отражений, не всегда совпадающего с серединой пачки. Находить угловую координату эффективного центра пачки предлагается на основе теории статических моментов аналогично нахождению механического центра масс сложной технической конструкции. Осуществляется и реализуется это введением в известное устройство пульта управления стробами, системы синхронизации, логического элемента «НЕ», второго и третьего счетчиков, блока определения положения эффективного центра пачки, интегратора, блока определения статических моментов сигналов, блока определения номера импульса в пачке, а также двух умножителей. При этом соответствующим образом изменяются межблочные связи. Качество работы предлагаемого устройства индифферентно к ошибкам определения начала и конца пачки, так как отсутствующие до пачки и после конца пачки сигналы не вносят искажений в определение положения эффективного центра пачки. Предлагаемое устройство целесообразно использовать в импульсных РЛС обнаружения с цифровой обработкой информации, квантованием отраженных сигналов и системой передачи результатов обнаружения и измерения на другие системы обслуживания воздушных объектов.
Полезная модель относится к радиолокационным устройствам и может использоваться в радиолокационных станциях (РЛС) обнаружения, обзора и целеуказания с цифровой обработкой радиолокационной информации.
Известно устройство измерения угловой координаты воздушного объекта [1], содержащее запоминающее устройство (ЗУ), N/2 выходов которого с первого по N/2-й подключены к соответствующим первым входам первого сумматора, а выходы с (N/2+1)-го по N-й, где N - число импульсов в пачке, содержащихся в интервале взаимодействия характеристики направленности антенны с воздушным объектом при определенной скорости вращения антенны и выбранном периоде повторения импульсов РЛС, соединены с соответствующими первыми входами второго сумматора, вторые входы которого с первого по N/2-й подключены к соответствующим с (N/2+1)-го по N-й выходам постоянного запоминающего устройства, выходы с первого по N/2-й которого связаны с соответствующими с первого по N/2-й вторыми входами первого сумматора, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого связан с выходом второго сумматора, а выход - одновременно с входами Z индикаторов, где Z - число разрядов двоичного кода, используемых для обозначения величины угловой координаты объекта, вход каждого z-го индикатора соединен с соответствующим выходом первого счетчика (счетчика масштабных импульсов угловой координаты), вход которого связан с выходом генератора масштабных импульсов. В соответствии с описанием способа измерения угловой координаты [1] и принципами извлечения исходной радиолокационной информации [1-6] предполагается, что вход ЗУ соединен с выходом бинарного амплитудно-временного квантизатора, первый вход которого связан с выходом приемника и входом системы стробирования, выход которой подключен к второму входу бинарного квантизатора, первый выход системы управления антенной механически связан с антенной, вход-выход которой соединен с вход-выходом антенного переключателя, вход которого подключен к выходу передатчика, а выход - к первому входу приемника.
Данное устройство способно определять угловую координату воздушного объекта с привлечением квазиоптимального алгоритма оценки угловой координаты объекта при равномерном сканировании антенны с симметричной характеристикой направленности, включающего:
запоминание принимаемых сигналов в движущемся окне, ширина которого соответствует длительности пачки;
взвешивание амплитуд каждого принимаемого сигнала в соответствии со значениями соответствующих весовых коэффициентов;
образование полусумм взвешенных амплитуд, принятых в движущемся окне сигналов слева и справа от нулевого значения весовой функции;
сравнение полусумм и фиксация позиции, где результат сравнения проходит через нулевое значение.
При использовании устройства [1] приемлемая точность оценки угловой координаты воздушного объекта (ВО) может быть достигнута лишь при симметрии характеристики направленности антенны относительно равносигнального направления и при стабильном положении ВО, т.е. при стабильном отраженном сигнале от ВО. Если же характеристика направленности антенны (ХНА) не отличается симметрией формы, а тем более при наличии шумов и помех и при амплитудных флюктуациях отраженных от ВО сигналов, точность оценки угловой координаты объекта становится низкой, что не может удовлетворять потребителей радиолокационной информации РЛС обнаружения.
Задачей полезной модели является увеличение точности определения угловой координаты ВО по параметрам пачки отраженных и бинарно оцифрованных сигналов в условиях несимметричности ХНА и других факторов, приводящих искажениям дружнофлюктуирующей пачки отражений.
Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в устройстве [1] посредством введения дополнительных блоков и межблочных связей реализуется способность РЛС оптимальным образом оценивать положение эффективного центра пачки отражений, не всегда совпадающего с серединой пачки. Этот эффективный центр учитывает наличие или отсутствие отражения от ВО в каждом периоде следования, и в зависимости от числа отраженных сигналов и их положения относительно начала или центра пачки такой центр может изменять свое угловое положение. При наличии шумов, помех, провалов в ХНА и других негативных факторов именно эффективный центр пачки оптимальным образом характеризует истинную угловую координату ВО. Находить угловую координату эффективного центра пачки предлагается на основе теории статических моментов аналогично нахождению механического центра масс сложной технической конструкции. Осуществляется и реализуется это введением в известное устройство [1] пульта управления стробами, системы синхронизации, логического элемента «НЕ», второго и третьего счетчиков, блока определения положения эффективного центра пачки, интегратора, блока определения статических моментов сигналов, блока определения номера импульса в пачке, а также двух умножителей. Одновременно при этом соответствующим образом изменяются межблочные связи, что будет описано ниже при раскрытии принципа работы устройства.
На чертеже представлена структурная схема устройства измерения угловой координаты воздушного объекта. Устройство содержит систему управления антенной (СУА) 1, передатчик 2, систему стробирования 3, пульт управления стробами 4, систему синхронизации 5, антенну 6, антенный переключатель (АП) 7, приемник 8, бинарный квантизатор 9, логический элемент «НЕ» 10, первый счетчик 11, второй счетчик 12, блок определения положения эффективного центра пачки (БОПЭЦП) 13, интегратор 14, блок определения статических моментов сигналов (БОСМС) 15, блок определения номера импульса в пачке (БОНИП) 16, первый умножитель 17, первый сумматор 18, второй умножитель 19 и третий счетчик 20.
Устройство измерения угловой координаты воздушного объекта работает следующим образом.
Передатчик 2 генерирует сверхвысокочастотные импульсы, которые через АП 7 поступают в антенну 6 и излучаются в свободное пространство. Антенна 6 изменяет свое угловое положение по одной из координат (в станциях обзора этой координатой является азимут или пеленг, а в высотомерах - угол места или угол возвышения), которым управляет СУА 1. Это происходит механически посредством редуктора, обеспечивая поворот антенны 6 по угловой координате 
. Излученные СВЧ-импульсы отражаются от находящихся в свободном пространстве ВО и принимаются антенной 6. Вследствие того, что ХНА имеет не бесконечно малую ширину, от каждого ВО (самолет, ракета, вертолет, аэростат, метеозонд, снаряд) будет принято некоторое конечное число отраженных сигналов, которые через АП 7 поступают по первому входу в приемник 8, где усиливаются до уровня, обеспечивающего извлечение полезной радиолокационной информации об объектах. Число импульсов в пачке (фракции), отраженной одним точечным объектом зависит от ширины ХНА и скорости поворота антенны по измеряемой угловой координате [5]. Превышение суммой амплитуд сигналов, отраженных объектом на определенной дальности в пределах ХНА, порогового уровня говорит об обнаружении объекта на соответствующей дальности при соответствующей величине угловой координаты . Грубое определение угловой координаты и дальности проводится визуально по градуированному экрану индикатора (на чертеже не показан). Виды возможных экранов индикаторов РЛС приведены в [7, 8].
После детектирования в приемнике 8 отраженные импульсы поступают в бинарный амплитудно-временной квантизатор 9 через его первый вход. В каждом периоде повторения после согласованной фильтровой обработки в приемнике импульсы квантуются. Квантование ведется последовательно для каждого элемента разрешения по дальности, т.е. в каждом периоде повторения для каждого значения наклонной дальности получают свой квантованный отсчет. Принцип двоичного (бинарного квантования) пояснен в [6, с.112-116]. При превышении установленного для конкретной дальности и при конкретном отношении сигнал-шум порогового значения сигнал квантуется в виде сигнала логической единицы. А при условии, что пороговый уровень выше отраженного сигнала, данный импульсный сигнал квантуется (кодируется) сигналом логического нуля. Отраженные сигналы подаются также на первый вход системы стробирования, управляемой оператором РЛС. Оператор на основе грубой визуальной информации подводит стробы угловой координаты и дальности к отметке от ВО, определяя тем самым объект, угловую координату которого необходимо измерить. На чертеже это показано поступлением сигнала с пульта управления стробами 4 (которым и управляет оператор РЛС) на второй вход системы стробирования 3. Система стробирования обеспечивает выделение из всего многообразия отраженных бинарно квантованных сигналов только тех, которые принадлежат выбранному объекту, т.е. определенному диапазону угла , связанному с шириной ХНА, и определенной дальности. Для этого в соответствии с положением строба система стробирования вырабатывает управляющие сигналы, разрешающие выделение бинарным квантизатором квантованных сигналов на выход блока 9. Эти сигналы поступают с выхода блока 3 на 2-й вход блока 9. В результате в каждом периоде повторения, в котором ХНА включает в себя объект, выделяется всего один квантованный сигнал.
Передний фронт первого из импульсов с выхода системы стробирования 3 определяет момент, которым заканчивается работа 3-го счетчика со сбросом 20. Это показано на чертеже соединением выхода системы стробирования 3 с вторым входом блока 20. На его первый вход поступают импульсы запуска (масштабные импульсы) с выхода системы синхронизации 5, а на третий - сигналы сброса с выхода СУА 1. Третий счетчик 20 сбрасывается «сигналом сброса» с третьего выхода СУА 1, который вырабатывается в тот момент, когда антенна 6 занимает нулевое или другое точно известное положение. При вращении антенны по азимуту таким положением следует назначить направление на север (в артиллерии - на юг), а при изменении угла места антенны - горизонтальное направление. Таким образом, 3-й счетчик 20 отсчитывает число масштабных синхроимпульсов от нулевого положения антенны до положения, соответствующего приему первого импульса из состава пачки. Назовем этот сигнал (в двоичном коде) третьего счетчика масштабным числом начала пачки Анп.
Поскольку СУА 1 контролирует угловую скорость поворота антенны 
а, то зная период повторения импульсов Т и и время цикла поворота антенны на полный известный угол обзора 
обз, она имеет информацию о величине изменения угла за период повторения Ти. Обозначим этот угловой интервал по измеряемой угловой координате 
(=Îáç/áÒè). Со второго выхода СУА 1 сигнал, пропорциональный , поступает на 2-й вход 2-го умножителя 19, на 1-й вход которого подается сигнал Анп с выхода 3-го счетчика 20. На выходе 2-го умножителя формируется сигнал, соответствующий углу начала пачки нп, при котором получают первый импульс пачки сигналов, отраженных выбранным оператором ВО. Этот сигнал нп угла начала пачки подается на первый вход 1-го сумматора 18.
Выходные сигналы системы синхронизации 5 поступают также на вход пульта управления стробами, третий вход системы стробирования 3, второй вход приемника 8, вход передатчика 2 и вход СУА 1. Это позволяет согласовать по времени их работу.
С выхода бинарного квантизатора 9 сигналы логической единицы поступают на вход 2-го счетчика 12, который подсчитывает количество поступивших на его вход «единиц», т.е. сигналов, превысивших в приемнике пороговый уровень. Важным является то, что число единичных сигналов подсчитывается только в пределах интервала взаимодействия ХНА с выбранным ВО. Если обозначить j-й сигнал через sj, то на выходе 2-го счетчика будет получен сигнал S, равный сумме j-x составляющих
где sj=0, если это сигнал логического нуля, и sj=1, если это сигнал логической единицы.
Проходя через логический элемент «НЕ» 10, сигналы логического нуля (с выхода блока 9) преобразуются в сигналы логической единицы, которые будут подсчитываться первым счетчиком 11. Все исходные сигналы логической единицы будут преобразованы элементом «НЕ» 10 в сигналы логического нуля и в подсчете сигналов первым счетчиком 11 участвовать не будут.
Сигналы с выходов 1-го и 2-го счетчиков (блоки 11 и 12) поступают соответственно на 1-й и 2-й входы БОНИП 16. Этот номер j определяется в БОНИП 16 как сумма текущего подсчитанного числа импульсов логической единицы или логического нуля счетчиками 11 и 12. Другими словами, БОНИП 16 выдает в каждом периоде зондирования (в пределах отраженной от ВО пачки сигналов) текущий номер этого периода. С выхода БОНИП 16 номер импульса в пачке j поступает на первый вход БОСМС 15, второй вход которого принимает сигналы с выхода бинарного квантизатора 9. Блок 15 предназначен для вычисления произведения номера импульса в пачке, поступающего с выхода блока 16 на 1-й вход, на его логическое значение после прохождения квантизатора 9 (ноль или единица), т.е. в каждом j-м периоде повторения, отсчитываемом от начала пачки, с выхода БОСМС 15 на вход интегратора 14 поступает величина jsj (значение статического момента j-го квантованного сигнала Mj).
Интегратор подсчитывает сумму М статических моментов сигналов М, по формуле
где J - число импульсов в пачке.
Данная сумма поступает на первый вход («делимое») блока БОПЭЦП 13, принимающего по 2-му входу («делитель») выходной сигнал 2-го счетчика 12. Блок 13 по существу являющийся цифровым делителем, реализует к моменту окончания пачки расчет величины Mэф
Формула (3) позволяет рассчитать только номерное положение эффективного центра пачки по отношению к моменту начала набора пачки. Число Mэф поступает на 1-й вход 1-го умножителя 17, на 2-й вход которого поступает величина углового дискрета между смежными периодами следования зондирующих импульсов в пачке. Величина поступает на второй вход первого умножителя 17 со второго выхода СУА 1.
На выходе умножителя формируется величина углового положения эффективного центра пачки эцп по отношению к угловому положению начала пачки
С выхода 1-го умножителя 17 сигнал углового положения эффективного центра пачки эцп поступает на 2-й вход 1-го сумматора 18, на первый вход которого поступает величина нп с выхода 2-го умножителя 19. Первый сумматор 19 складывает входные величины и получает на выходе угловое положение, т.е угловую координату объекта об, учитывающую реальное положение эффективного центра пачки отраженных сигналов
Эта величина в цифровом виде может быть выведена на экран специального индикатора или внесена в формуляр ВО, что не является принципиальным. Главным является то, что реальная угловая координата ВО будет вычислена более точно, чем в прототипе [1], и может более качественно использоваться в дальнейшем при целеуказании на выбранный объект.
Сущность предложенного в полезной модели нового технического решения заключается в том, что при определении углового положения ВО учитывается форма реальной ХНА, а также факт наличия или отсутствия отраженного сигнала в определенных местах ХНА, что показывает близкую к оптимальной оценку углового отсчета эффективного центра пачки отражений. В результате при измерении угловой координаты ВО обеспечивается минимум среднеквадратической ошибки, и формируемое целеуказание приводит к быстрому и точному обнаружению объекта другими устройствами и к ускоренному переходу в режим автоматического сопровождения объекта.
Качество работы предлагаемого устройства индифферентно к ошибкам определения начала и конца пачки (если это не приводит к ее урезанию или к захвату части другой пачки от другого объекта), так как отсутствующие до пачки и после конца пачки сигналы не вносят искажений в определение положения эффективного центра пачки. Для исключения ошибок определения эцп целесообразно изначально выбирать длительность пачки несколько большую реальной (например, длиннее на 5 импульсов с обеих сторон).
Предлагаемое устройство целесообразно использовать в импульсных РЛС обнаружения с цифровой обработкой информации, квантованием отраженных сигналов и системой передачи результатов обнаружения и измерения на другие системы обслуживания воздушных объектов.
Источники информации
1. Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. М., Радио и связь, 1986. 352 с.С.97, рис.2.18 (прототип).
2. Радиоэлектронные системы. Справочник. Основы построения и теория / Под ред. Я.Д.Ширмана. М., Радиотехника, 2007. 510 с.
3. Справочник по радиолокации / Под ред. М.И.Сколника. Пер. с англ. М., Сов. радио, 1967. Том 1. Основы радиолокации. 456 с.
4. Охрименко А.Е. Основы радиолокации и радиоэлектронная борьба. Ч.1. Основы радиолокации. М.: Воениздат, 1983. 456 с.
5. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. Учебник для вузов. М.: Сов. радио, 1973.496 с.
6. Кузьмин С.З. Цифровая обработка радиолокационной информации. М., Сов. радио, 1967.
7. Справочник офицера противовоздушной обороны / Под ред. Г.В.Зимина. М., Воениздат, 1981. 431 с.
8. Неупокоев Ф.К. Стрельба зенитными ракетами. М., Воениздат.1991, 343 с.
Устройство измерения угловой координаты воздушного объекта, содержащее первый счетчик, первый сумматор, систему управления антенной, выход которой соединен со входом антенны, входом-выход которой соединен с входом-выходом антенного переключателя, выход которого соединен с первым входом приемника, выход которого подключен к первому входу системы стробирования и к первому входу бинарного квантизатора, второй вход которого соединен с выходом системы стробирования, причем вход антенного переключателя связан с выходом передатчика, отличающееся тем, что дополнительно вводят последовательно соединенные систему синхронизации и пульт управления стробами, последовательно соединенные блок определения номера импульса в пачке, блок определения статических моментов сигналов, интегратор, блок определения положения эффективного центра пачки и первый умножитель, а также дополнительно вводят второй и третий счетчики, второй умножитель и логический элемент «НЕ», выход которого связывают со входом первого счетчика, а вход - с выходом бинарного квантизатора, вторым входом блока определения статических моментов сигналов и входом второго счетчика, выход которого соединяют со вторым входом блока определения положения эффективного центра пачки и вторым входом блока определения номера импульса в пачке, первый вход которого связывают с выходом первого счетчика, выход системы синхронизации подключают также к первому входу третьего счетчика, к третьему входу системы стробирования, второму входу приемника, входу передатчика и входу системы управления антенной, второй выход которой соединяют со вторым входом первого умножителя и вторым входом второго умножителя, выход которого связывают с первым входом первого сумматора, а первый вход - с выходом третьего счетчика, второй вход которого подключают к выходу системы стробирования, второй вход которой соединяют с выходом пульта управления стробами, третий выход системы управления антенной связывают с третьим входом третьего счетчика, а выход первого умножителя подключают ко второму входу первого сумматора.
