Устройство для измерения углов места маловысотных целей

 

Использование: в маловысотных РЛС обнаружения для измерения углов места. Сущность изобретения: содержит три симметричные горизонтально направленные разнесенные по высоте приемные антенны 1, 2, 3, три приемника 4, 5, 6, вычислитель 7 угла места маловысотной цепи, что позволяет обеспечить измерение углов места маловысотных цепей в селекторе малых углов места над землей. 1-4-7, 2-5-7, 3-6-7. 2 ил.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в маловысотных РЛС обнаружения для измерения углов места маловысотных воздушных целей в секторе малых углов места над землей.

Целью изобретения является обеспечение возможности измерения углов места маловысотных целей в секторе малых углов места над землей.

На фиг. 1 представлена упрощенная структурная схема устройства, условно показана схема расположения над землей антенн и их диаграммы направленности.

В состав устройства входят следующие элементы: три симметричные горизонтально направленные разнесенные по высоте приемные антенны 1, 2, 3, приемники 4, 5, 6 и вычислитель угла места Θ маловысотной цели.

Угломестный рабочий сектор определен верхней половиной главного лепестка диаграммы направленности одной из антенн 1, 2, 3, у которой ширина диаграммы направленности в вертикальной плоскости уже.

Комплексную амплитуду напряжения эхо-сигнала на выходе одного из приемных каналов представим в следующем виде: e^-jkz[F(Θ)e^jkhsinΘ+F(-Θ)e^-jkhsinΘ] (1) где Θ угол места цели; r наклонная дальность от точки расположения антенн на поверхности земли до цели; - комплексный коэффициент усиления приемного канала; h высота подъема антенны над землей; К 2 π / λ волновое число; λ длина волны; F( Θ) нормированная диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости в свободном пространстве; комплексный коэффициент, зависящий от характеристик передающей системы РЛС и цели, одинаковый для обоих антенн; комплексный коэффициент отражения радиоволн от земной поверхности при вертикальной или горизонтальной поляризации.

Будем полагать, что форма диаграммы направленности F(Θ ) симметрична в вертикальной плоскости, тогда F(Θ ) F(- Θ).

Известно, что при малых углах скольжения Θ комплексный коэффициент отражения радиоволн от земли -1 при любой поляризации радиоволн и любых реальных характеристиках земной поверхности. С учетом этого формулу (1) можно упростить и записать в следующем виде:
e^-jkr[F(Θ)2e^jπ^/2sin(kh sinΘ) (2)
Эта формула справедлива и для другого приемного канала, антенна которого установлена на другой высоте над землей. Нижняя и верхняя антенны и их приемники одинаковы. Из формулы (2) видно, что в секторе малых углов места сдвиг фаз эхо-сигналов на выходе приемных каналов верхней и нижней антенн практически не зависит от угла места цели и напряжение рассогласования на выходе фазового детектора близко к нулю. Следовательно, рассматриваемый аналог не может измерять углы места маловысотных целей и сопровождать такие цели в секторе малых углов места над землей.

Поставленная цель достигается благодаря совместному решению системы двух трансцендентных уравнений с одним неизвестным Θ на интервале угломестного рабочего сектора устройства
0, (3)
0, где Gm₁, Gm₂, Gm₃ максимальные коэффициенты усиления нижней, средней и верхней антенн соответственно;
К₁, К₂, К₃ коэффициенты усиления приемников, связанных с соответствующими антеннами;
λ длина волны;
F₁( Θ), F₂( Θ), F₃( Θ)- нормированные диаграммы направленности соответствующих антенн в вертикальной плоскости в свободном пространстве;
h₁, h₂, h₃ высоты подъема соответствующих антенн над землей;
U₁, U₂, U₃ амплитуды напряжений эхо-сигналов.

Принцип действия предложенного устройства поясняется следующим: можем записать следующее выражение для комплексных амплитуд напряжений U₁, U₂, U₃ эхо-сигналов на выходах приемников нижней, средней и верхней антенн.

U_n= j2 Ke^-jkrF_n(Θ)sin sin, (4) где n 1, 2, 3. Находя из формулы (4) отношения амплитуд напряжений U₃/U₂ и U₂/U₁ эхо-сигналов на выходах приемников верхней, средней и нижней антенн, получим систему трансцендентных уравнений (3) для определения угла места цели Θ.

В угломестном рабочем секторе каждое из уравнений этой системы имеет множество корней. Из этого множества выбирают тот корень, который одинаков для первого и второго уравнений системы (3).

Однако могут быть такие частные построения антенной системы, когда среди множества корней первого и второго уравнений системы (3) в угломестном рабочем секторе окажется несколько одинаковых. В таких случаях решение системы (3) неоднозначно и предложенное устройство работать не сможет. Поэтому следует принять специальные меры при построении антенной системы, чтобы подобной неоднозначности не было в угломестном рабочем секторе устройства.

Неоднозначности не будет, если высота подъема над землей верхней антенны h₃ не кратна высотам подъема h₂, h₁ двух других антенн. Неоднозначности не будет также, когда диаграмма направленности верхней антенны сравнительно узкая по сравнению с другими антеннами и охватывает лишь сравнительно небольшое (не более 5-7) количество интерференционных лепестков нижней антенны, возникающих из-за влияния радиоволн, отраженных от земной поверхности.

На фиг. 2 представлены расчетные зависимости отношений напряжений сигнала и от аргумента h₁sinΘ для а) правильного построения антенной системы (а) и б) неправильного построения антенной системы (б). Для заданного направления цели, которое помечено стрелкой, на этих графиках крестиками помечены корни первого и второго уравнений системы (3), а крестиками в кружках корни, одинаковые для первого и второго уравнений. При этом в обоих случаях высоты подъема антенн над землей были выбраны так, чтобы h₂ 2h₁ и h₃ Uh₁. Кроме того, нижняя 1 и средняя 2 антенны одинаковы, все приемники также одинаковы, т. е. К₁ К₂= К₃. В случае (а) диаграмма направленности верхней антенны 3 в вертикальной плоскости была в четыре раза уже, чем антенн 1, 2 и охватывала примерно 5 интерференционных лепестков нижней антенны, а в случае (б) все три антенны были одинаковыми с нижней антенной. Как видно из графиков (см. фиг. 2), при правильном построении антенной системы возможно однозначное определение угла места цели, а при неправильном уравнения системы 3 имеют несколько одинаковых корней и однозначное определение угла места цели становится невозможно.

Элементы структурной схемы предложенного устройства выполнены следующим образом.

В качестве антенн 1, 2, 3 можно использовать симметричные горизонтально направленные антенны (например, зеркальные или рупорные). Приемники 4, 5, 6 выполнены по обычной супергетеродинной схеме. Ограничение сигналов по амплитуде в тракте приемников недопустимо. Идентичность амплитудных и фазовых характеристик этих приемников не требуется. Спецвычислитель 7 выполнен в цифровом виде и представляет собой специализированную ЭВМ для совместного решения системы двух трансцендентных уравнений (3) с одним неизвестным и выбора из множества корней этих уравнений одного одинакового для обоих уравнений.

Динамика работы предложенного устройства осуществляется следующим образом.

Приемные антенны 1, 2, 3 принимают эхо-сигналы маловысотной цели, приходящие к антенне как прямой радиоволной, так и радиоволной, отраженной от земли. Приемники 4, 5, 6 усиливают эхо-сигналы, преобразуют и, на промежуточную частоту и детектируют. Выходные напряжения U₁, U₂, U₃ приемников на видеочастоте поступают на вычислитель 7, где они преобразуются в цифровую форму. Вычислитель 7 определяет угол места маловысотной цели путем совместного решения системы уравнений (3) на интервале угломестного рабочего сектора устройства.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВ МЕСТА МАЛОВЫСОТНЫХ ЦЕЛЕЙ, содержащее три симметричные горизонтальные направленные, разнесенные по высоте приемные антенны, каждая из которых соединена с соответствующим приемников, отличающееся тем, что введен вычислитель угла места Θ маловысотной цели, первый, второй и третий входы которого соединены с выходами соответствующих приемников, а выход является выходом устройства, причем вычисление угла q производится по следующим формулам:


где U₁, U₂, U₃ амплитуды напряжений эхо-сигналов на выходах приемников нижней, средней и верхней антенн соответственно,
максимальные коэффициенты усиления нижней, средней и верхней антенн соответственно;
K₁, K₂, K₃ коэффициенты усиления приемников;
λ длина волны;
F₁(Θ), F₂(Θ), F₃(Θ) нормированные диаграммы направленности соответствующих антенн в вертикальной плоскости в свободном пространстве;
h₁, h₂, h₃ высоты подъема соответствующих антенн над землей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2