Бортовое устройство обнаружения объектов

Авторы патента:

Полезная модель относится к радиолокации и может быть использована, преимущественно, для обнаружения опасных объектов (предметов), приближающихся к космическому аппарату. Устройство содержит антенну, блок обработки сигналов, блок принятия решения и управления, блок приемо-передающих модулей, первые вход-выходы которых соединены с входом-выходами элементов антенны, выполненной в виде антенной решетки, диаграммо-образующий блок, вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом блока приемо-передающих модулей, приемный блок, вход которого соединен с выходом диаграммо-образующего блока, а выход - соединен со входом блока обработки сигналов, блок формирования зондирующих сигналов и сигналов синхронизации, выход которого соединен со входом диаграммо-образующего бока, блок управления диаграммой направленности, выход которого соединен со входами блока приемо-передающих модулей и приемного блока, и блок обработки радиолокационных данных, вход которого соединен с выходом блока обработки сигналов, а вход-выход объединен с входом-выходом блока управления диаграммой направленности и соединен с входом-выходом блока принятия решений и управления. Конструктивно устройство выполнено в едином корпусе в виде моноблока в форме прямоугольного параллелепипеда размером 410×410×295 мм с кронштейнами крепления на одной из больших по размерам его сторон, причем, рупорные облучатели активной фазированной решетки установлены на другой большей по размерам его стороне. Достигаемый требуемый технический результат заключается в уменьшении габаритов и массы и упрощении устройства. 1 з.п.ф., 2 ил.

Предложенное техническое решение представляет собой бортовое малогабаритное специализированное радиотехническое устройство, работающее на принципах активной локации, содержащее объединенные в единое целое различные средства (элементы, блоки, узлы и связи между ними, в том числе, безусловно являющиеся устройствами), в результате объединения которых создано новое устройство, части которого находятся в конструктивном единстве, функциональной взаимосвязи и размещенные в ограниченном пространстве в едином корпусе (моноблоке).

Известно техническое решение [RU 2422847, C1, G01S 13/00, 27.06.2011], содержащее первую приемопередающую антенну, первое приемопередающее устройство, первый усилитель доплеровских частот, перемножитель, фильтр нижних частот, исполнительный каскад, вторую приемопередающую антенну, второе приемопередающее устройство, второй усилитель доплеровских частот, первый и второй переключатели, генератор пилообразного напряжения, компаратор, накопитель и варикап, при этом, первая приемопередающая антенна соединена с входом первого приемопередающего устройства, выход которого соединен с входом первого усилителя доплеровских частот, выход которого соединен с первым входом перемножителя, а вторая приемопередающая антенна соединена с входом второго приемопередающего устройства, выход которого соединен с входом второго усилителя доплеровских частот, выход которого соединен с вторым входом перемножителя, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого соединен с первым входом первого переключателя, первый выход которого соединен со входом исполнительного каскада, второй выход первого переключателя соединен со входом генератора пилообразного напряжения, выход которого соединен со входами компаратора и накопителя, выход накопителя соединен со вторым входом второго переключателя, а выход компаратора соединен с первым входом второго переключателя, первый выход которого соединен с входом варикапа, выход которого соединен со вторым входом второго приемопередающего устройства, второй выход второго переключателя соединен со вторым входом первого переключателя.

Недостатком этого технического решения является его относительно высокая сложность.

Наиболее близким по технической сущности и получаемому результату при его использовании является устройство обнаружения объектов [RU 2422847, C1, G01S 13/00, 27.06.2011], состоящее из передающей части и приемной части, которая содержит приемные антенны, соединенные с блоком обработки сигналов, блок определения направления прихода сигнала, блок определения доплеровской частоты, блок определения поверхности положения, блок определения траекторных параметров, причем, блок обработки сигналов выполнен из N (N>2) идентичных, не зависимых друг от друга каналов, количество приемных антенн определено по числу каналов, каждая приемная антенна выполнена идентично другим, независимой от других приемных антенн и соединена с соответствующим каналом блока обработки сигналов, передающая часть выполнена с информационным выходом, а приемная часть дополнительно содержит блок определения текущей дифракционно-интерференционной картины, блок сравнения дифракционно-интерференционных картин, блок хранения информации, блок определения координат и вектора скорости, блок принятия решений и управления, причем, выход каждого из каналов блока обработки сигналов соединен с блоком определения текущей дифракционно-интерференционной картины, с блоком определения направления прихода сигнала, с блоком определения доплеровской частоты, с блоком определения поверхности положения, с блоком определения траекторных параметров, выход блока определения направления прихода сигнала, выход блока определения доплеровской частоты, выход блока определения поверхности положения, выход блока определения траекторных параметров соединены с блоком сравнения дифракционно-интерференционных картин, с блоком определения координат и вектора скорости, с блоком принятия решений и управления, выход блока определения текущей дифракционно-интерференционной картины соединен с блоком сравнения дифракционно-интерференционных картин, выход которого соединен с блоком определения координат и вектора скорости и с блоком принятия решений и управления, кроме того, информационный выход передающей части соединен с блоком определения координат и вектора скорости, блок сравнения дифракционно-интерференционных картин соединен с блоком хранения информации, а блок определения координат и вектора скорости соединен с блоком принятия решений и управления, выход которого соединен с передающей частью.

Недостатком устройства является относительно высокая сложность, что ведет к увеличению габаритов устройства и потребляемой мощности, что, в свою очередь, не позволяет использовать его в условиях ограничений по габаритам, массе и потребляемой мощности, например, для размещения на космических аппаратах.

Задачей, которая решается в предложенной полезной модели, является упрощение устройства, уменьшение его габаритов и массы.

Требуемый технический результат заключается в упрощении устройства и в уменьшении габаритов и массы.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее антенну, блок обработки сигналов и блок принятия решения и управления, введены блок приемопередающих модулей, первый вход-выход которого соединен с входом-выходом антенны, выполненной в виде активной фазированной решетки, диаграммо-образующий блок, вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом блока приемо-передающих модулей, приемный блок, вход которого соединен с выходом диаграммо-образующего блока, а выход -соединен со входом блока обработки сигналов, блок формирования зондирующих сигналов и сигналов синхронизации, выход которого соединен со входом диаграммо-образующего бока, блок управления диаграммой направленности, выход которого соединен со входами блока приемопередающих модулей и приемного блока, и блок обработки радиолокационных данных, вход которого соединен с выходом блока обработки сигналов, а вход-выход объединен с входом-выходом блока управления диаграммой направленности и соединен с входом-выходом блока принятия решений и управления.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, устройство выполнено в едином корпусе в виде моноблока в форме прямоугольного параллелепипеда размером 410×410×295 мм с кронштейнами крепления на одной из больших по размерам его сторон, причем, рупорные облучатели активной фазированной решетки установлены на другой большей по размерам его стороне.

На чертеже представлены:

на фиг. 1 - структурная электрическая схема бортового устройства обнаружения объектов;

на фиг. 2 - бортовое устройство обнаружения объектов, выполненное в едином корпусе в виде моноблока.

Бортовое устройство обнаружения объектов содержит антенну 1, выполненную в виде активной фазированной антенной решетки (АФАР), блок 2 обработки сигналов и блок 3 принятия решения и управления.

Кроме того, бортовое устройство обнаружения объектов содержит блок 4 приемо-передающих модулей, каждый из которых соединен с соответствующим антенным элементом АФАР, которые образуют активную фазированную антенную решетку, причем, первый вход-выход блока 4 приемо-передающих модулей соединен с входом-выходом антенны 1.

Бортовое устройство обнаружения объектов содержит также диаграммо-образующий блок 5, вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом блока 4 приемо-передающих модулей, приемный блок 6, вход которого соединен с выходом диаграммо-образующего блока 5, а выход - соединен со входом блока 2 обработки сигналов, и блок 7 формирования зондирующих сигналов и сигналов синхронизации, выход которого соединен со входом диаграммо-образующего бока 5.

Дополнительно к указанному выше бортовое устройство обнаружения объектов содержит блок 8 управления диаграммой направленности, выход которого соединен со входами блока 4 приемо-передающих модулей и приемного блока 6, а также блок 9 обработки радиолокационных данных, вход которого соединен с выходом блока 2 обработки сигналов, а вход-выход объединен с входом-выходом блока 8 управления диаграммой направленности и соединен с входом-выходом блока 3 принятия решений и управления.

На схеме не указаны, как несущественные, средства питания блоков 2-9, которые могут быть выполнены в виде вторичного источника питания, преобразующего напряжение бортового источника космического аппарата в требуемое питающее напряжения для блоков. Кроме того, блок 3 принятия решения может выполнять функцию интерфейса относительно систем управления космического аппарата, что предусматривает связь этого блока с соответствующими системами.

Устройство содержит элементы, охарактеризованные на функциональном уровне, и описываемая форма их реализации предполагает использование или стандартного элемента радиотехники или программируемого (настраиваемого) многофункционального средства, поэтому ниже, при описании работы устройства представляются сведения, подтверждающие возможность выполнения таким средством конкретной предписываемой ему в составе данного устройства функции, достаточные для их технической реализации.

Работает бортовое устройство обнаружения объектов следующим образом.

Обнаружение опасных объектов (предметов), приближающихся к космическому аппарату (КА), основано на принципах активной радиолокации с адаптивным алгоритмом обзора пространства, реализующим циклический поиск с последовательным обнаружением отраженного от объекта сигнала по азимуту и углу места.

В устройстве применяют когерентный импульсно-пачечный вид зондирующего сигнала, что позволяет осуществить аппаратную развязку передающего и приемного каналов при одной антенне на прием и передачу. При этом используют метод согласованной фильтрации, который позволяет получить параллельный радиолокационный обзор пространства по дальности и радиальной скорости обнаруживаемых объектов.

Антенна 1 представляет собой активную фазированную решетку из рупорных облучателей, например, с размером полотна 400×400 мм и является одновременно и передающей и приемной антенной устройства. Каждый облучатель антенной решетки связан полосковой линией с соответствующим приемо-передающим модулем блока 4. В режиме передачи сигнал от блока 7 зондирующих сигналов и сигналов синхронизации через диаграммо-образующий блок 5 подается с соответствующей фазой и амплитудой в передающую часть блока 4 приемо-передающих модулей и излучается в пространство. Антенна 1 формирует узкую диаграмму направленности. На время передачи приемный канал каждого приемопередающего модуля блока 4 закрывается.

В качестве единичного антенного облучателя антенны 1 может быть использован рупор, который для решения поставленной задачи в условиях ограничений по энергетике является наилучшим из известных облучателей. Поле, формируемое в раскрыве рупора, близко к полю в свободном пространстве, поэтому между соседними рупорами наблюдается очень маленькое взаимодействие (развязка 40-50 дБ), что обеспечивает максимальный КПД главного лепестка диаграммы направленности всей антенной решетки.

Конструктивно антенный облучатель может быть выполнен в виде рупора с раскрывом 17×17 мм с переходом на волновод 17×9 мм. В волноводе имеется вставка из материала RO 4003 фирмы «Rogers Corporation» с топологически выполненном на нем волноводно-полосковым переходом.

Конструктивно приемо-передающие модули блока 4 с антенными облучателями, в частном случае, компонуются в линейки по 8 шт., что удобно для дальнейшей сборки всей антенной решетки, которая формируется из 72 линеек. АФАР может иметь квадратную апертуру, но возможна конструкция решетки с гексогональным контуром, что более эффективно и позволяет снизить ее массу не менее, чем на 10%.

Приемно-передающие модули блока 4 могут быть выполнены по гибридной технологии. На вход приемного канала приемо-передающего модуля блока 4 сигнал подается с одного облучателя антенной решетки и через два последовательно включенных циркулятора подается на защитный элемент, выполненный на арсенид-галлиевом транзисторе и служащий для запирания входа приемного канала на время передачи. После защитного элемента сигнал усиливается малошумящим усилителем и через согласующий усилитель подается на цифровой фазовращатель для создания фазового распределения по апертуре антенны в режиме приема.

Далее принятый сигнал через согласующий усилитель подается на цифровой аттенюатор, служащий для создания амплитудного распределения в антенной решетке. После аттенюатора усиленный сигнал подается на ключ, служащий для отключения выхода приемного канала на время передачи. С выхода ключа через циркулятор сигнал подается на диаграммо-образующий блок 5.

Таким образом, при наличии в зоне обзора устройства какого-либо объекта, отраженный от него сигнал принимается антенной 1 и передается в приемные каналы приемо-передающих модулей блока 4. На время приема передающие каналы приемо-передающих модулей блока 4 выключаются. Диаграмма направленности на прием формируется с помощью диаграммо-образующего блока 5 приемных каналов приемо-передающих модулей блока 4.

Принятый сигнал после усиления в блоке 4 приемном канале через диаграммо-образующий блок 5 подается в приемный блок, в котором происходит преобразование частоты сигнала в промежуточную частоту и оцифровка сигнала с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП). Далее цифровой сигнал предварительно обрабатывается в блоке 2 цифровой обработки сигналов с целью выделения из него радиолокационных данных и передается в блок 8 обработки радиолокационных данных.

В режиме передачи на вход приемо-передающих модулей блока 4 зондирующий сигнал подается с выхода диагарммо-образующего блока 5. Через циркулятор, развязывающий приемный и передающий каналы, сигнал подается на согласующий усилитель и далее на аттенюатор. Аттенюатор цифровой 5-ти разрядный служит для создания амплитудного распределения по апертуре антенной решетки в режиме передачи. Далее сигнал усиливается следующим согласующим усилителем и подается на фазовращатель. Фазовращатель цифровой 6-ти разрядный служит для создания фазового распределения по апертуре антенной решетки создания узкой диаграммы направленности антенны 1 в режиме передачи.

После усиления очередным согласующим усилителем сигнал подается на предварительный усилитель мощности, где он усиливается до уровня 0,5 Вт и подается на оконечный усилитель, где происходит усиление до 3 Вт. Усиленный по мощности сигнал через выходной циркулятор подается на один облучатель антенной решетки.

В блоке 7 формирования зондирующих сигналов и сигналов синхронизации формируется зондирующий сигнал, который через диаграммо-образующий блок 5 подается в блок 4 приемо-передающих модулей. Синхронизирующие сигналы необходимы для обеспечения работы синтезатора гетеродина для приемного блока 6 и синхронизации работы всего устройства.

В блоке 8 управления диаграммой направленности формируются сигналы, задающие фазовое и амплитудное распределение в антенне 1, являющейся антенной решеткой, путем установки начальных значений фаз и амплитуд в приемо-передающих модулях блока 4 в режиме передачи и приема, а также для управления сканированием луча при обзоре пространства.

Работа устройства производится под управлением блока 3, выполняющего функции процессора управления. В нем принимается решение об обнаружении объекта по результатам обработки радиолокационных данных в блоке 9, а также вычисляются параметры объекта: дальность, скорость движении, координаты и т.п. Здесь же обеспечен интерфейс связи с бортовыми системами управления.

Устройство позволяет обеспечить до 100 км дальность обнаружения объектов с эффективной площадью рассеяния 1-8 м² при секторе обзора ±45° и времени сканирования <1 сек.

Конструктивно устройство выполнено в едином корпусе в виде моноблока в форме прямоугольного параллелепипеда размером 410×410×295 мм с кронштейнами крепления на одной из больших по размерам его сторон, причем, рупорные облучатели активной фазированной решетки установлены на другой большей по размерам его стороне. Общая масса устройства не превышает 40 кГ при массе АФАР в 14 кГ.

Таким образом, благодаря введению технических средств (в частности, тем, что, введены блок малогабаритных приемо-передающих модулей, первые вход-выходы которых соединены с входом-выходами элементов антенны, выполненной в виде активной фазированной решетки, диаграммо-образующий блок, вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом блока приемо-передающих модулей, приемный блок, вход которого соединен с выходом диаграммо-образующего блока, а выход - соединен со входом блока обработки сигналов, блок формирования зондирующих сигналов и сигналов синхронизации, выход которого соединен со входом диаграммо-образующего бока, блок управления диаграммой направленности, выход которого соединен со входами блока приемо-передающих модулей и приемного блока, и блок обработки радиолокационных данных, вход которого соединен с выходом блока обработки сигналов, а вход-выход объединен с входом-выходом блока управления диаграммой направленности и соединен с входом-выходом блока принятия решений и управления), а также применением цифровых методов обработки принимаемых сигналов и адаптивного алгоритма обзора пространства, достигается требуемый технический результат, заключающийся в упрощении устройства, уменьшении его габаритов, массы и потребляемой мощности.

Фактически, это достигается тем, что элементы устройства максимально возможно используются как в режиме передачи, так и в режиме приема. Поэтому благодаря введенным усовершенствованиям обеспечивается возможность исключения отдельно функционирующей предающей части, исключена необходимость выполнения блока обработки сигналов из N (N>2) идентичных, не зависимых друг от друга каналов, исключения блока хранения информации и т.п.

1. Бортовое устройство обнаружения объектов, содержащее антенну, блок обработки сигналов и блок принятия решения и управления, отличающееся тем, что введены блок приемопередающих модулей, первые входы-выходы которых соединены с входами-выходами элементов антенны, выполненной в виде активной фазированной решетки, диаграммо-образующий блок, вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом блока приемо-передающих модулей, приемный блок, вход которого соединен с выходом диаграммо-образующего блока, а выход соединен со входом блока обработки сигналов, блок формирования зондирующих сигналов и сигналов синхронизации, выход которого соединен со входом диаграммо-образующего блока, блок управления диаграммой направленности, выход которого соединен со входами блока приемопередающих модулей и приемного блока, и блок обработки радиолокационных данных, вход которого соединен с выходом блока обработки сигналов, предназначенного для обработки выходного сигнала приемного блока и выделения из него радиолокационных данных для последующей передачи их в блок обработки радиолокационных данных, вход-выход которого объединен с входом-выходом блока управления диаграммой направленности и соединен с входом-выходом блока принятия решений и управления.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно выполнено в едином корпусе в виде моноблока в форме прямоугольного параллелепипеда размером 410×410×295 мм с кронштейнами крепления на одной из больших по размерам его сторон, причем рупорные облучатели активной фазированной решетки установлены на другой, большей по размерам, его стороне.