Радиолокационная станция обнаружения малоскоростных воздушных целей на средних высотах в области помеховых отражений от земли

 

Использование: радиолокация, для обнаружения малоскоростных воздушных целей на средних высотах. Сущность изобретения: устройство обнаружения содержит три горизонтально направленные антенны 1, 2, 3, высокочастотный сумматор, приемные каналы 5, 6, делитель напряжения на два 7, амплитудные ограничители 8, 9, устройство вычитания 10, детектор 11, видеоусилитель 12 и индикатор 13. 1 4 5 7 8 10 11 12 13, 3 4, 2 6 9 10. 3 ил.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для защиты наземных РЛС от обратных помеховых отражений произвольной интенсивности (в том числе и от слабых отражений, сравнимых с уровнем эхо-сигнала цели) от земной поверхности при обнаружении малоскоростных воздушных целей на средних высотах в области этих отражений.

Известны способ и устройство подавления пассивных помех в доплеровском радиолокаторе. Это устройство предназначено для обнаружения целей на фоне пассивных помех, например обратных помеховых отражений от земной поверхности. Устройство содержит приемник, принимающий эхо-сигналы цели и пассивные помехи, доплеровский процессор, отфильтровывающий составляющие принимаемого сигнала, имеющие доплеровское смещение частоты, устройство амплитудного сравнения принятых и отфильтрованных сигналов и стробирующее устройство, управляемое специальными сигналами, вырабатываемыми устройством амплитудного сравнения. В устройстве амплитудного сравнения сравнивают сигнал, отфильтрованный доплеровским процессором, с принятым приемником сигналом. В результате этого сравнения вырабатывается управляющий сигнал того или иного уровня, открывающий или запирающий стробирующее устройство. Последнее пропускает на выход сигнал, отфильтрованный доплеровским процессором, лишь в том случае, когда отношение прошедшего через фильтр сигнала к принятому сигналу превысит заданный уровень. При отсутствии эхо-сигнала цели достаточного уровня помеха не пройдет на выход стробирующего устройства.

Недостатком этого устройства является то, что оно не может обнаруживать малоскоростные цели на фоне интенсивных пассивных помех. Эхо-сигналы малоскоростных целей (как и обратные помеховые отражения от земли) почти не содержат доплеровского смещения частоты. Поэтому сигнал на выходе доплеровского процессора будет близок к нулю, стробирующее устройство будет всегда закрыто и малоскоростная цель не будет обнаружена.

Известна моноимпульсная радиолокационная система с фазовой пеленгацией, которую можно использовать, например, для сопровождения воздушных целей по углу места, а также для обнаружения целей и измерений их дальности. В этом случае приемная часть содержит антенную систему из двух одинаковых разнесенных по высоте приемных антенн, каждая из которых связана со своим приемным каналом. Оси диаграммы направленности этих антенн параллельны. В приемных каналах принимаемые антеннами сигналы усиливаются, преобразуются на промежуточную частоту с помощью смесителей и общего гетеродина, ограничиваются по амплитуде двумя амплитудными ограничителями и поступают на фазовый детектор. Амплитудные ограничители в каждом из приемных каналов служат для уменьшения влияния неидентичности и нестабильности усиления приемных каналов. В одном из приемных каналов установлен фазовращатель на 90^о, который обеспечивает получение пеленгационной характеристики с центральной симметрией. Напряжение на выходе фазового детектора будет пропорционально угломестному отклонению цели от направления оси антенной системы. При нулевом отклонении напряжение на выходе фазового детектора равно нулю. Сигнал рассогласования с выхода фазового детектора подается на следящую систему, которая непрерывно совмещает ось антенной системы с угломестным направлением на цель путем вращения антенной системы по углу места с помощью электродвигателя. Сигнал, принимаемый каким-либо одним приемным каналом (до фазового детектора) можно использовать также для обнаружения цели и измерения дальности цели. Устройство также имеет импульсный передатчик с передающей антенной.

Недостатком прототипа является то, что он не может обнаруживать и сопровождать малоскоростные воздушные цели в секторе малых углов места в области обратных помеховых отражений зондирующих сигналов передатчика от земной поверхности. Известные доплеровские системы помехозащиты, которые можно было бы использовать в прототипе для подавления пассивных помех, окажутся в данном случае малоэффективными, так как эхо-сигналы малоскоростных целей и обратные помеховые отражения от земли почти не содержат доплеровского сдвига частоты.

Целью изобретения является защита от обратных помеховых отражений землей зондирующих сигналов РЛС и обеспечение обнаружения малоскоростных средневысотных целей на фоне этих отражений произвольной интенсивности.

Это достигается благодаря тому, что в устройстве, содержащем приемную антенную систему из разнесенных по высоте одинаковых симметричных антенн, связанных с двумя приемными каналами, в которых установлены амплитудные ограничители, приемная антенная система выполнена из трех горизонтально направленных антенн, разнесенных по высоте на одинаковые расстояния, крайние антенны связаны с высокочастотным сумматором, включенным в один из приемных каналов, на выходе которого до амплитудного ограничителя установлен делитель напряжения на два, на выходе приемной части РЛС установлено устройство вычитания, вычитающее выходные напряжения приемных каналов на промежуточной частоте.

При этом антенную систему РЛС по углу места не вращают и цель по углу места не сопровождают, так как задача предложенной импульсной РЛС состоит только в обнаружении целей на фоне обратных помеховых отражений произвольной интенсивности и измерении дальности целей. Кроме того, из состава устройства-прототипа исключены фазовый детектор, фазовращатель и электродвигатель вращения антенны по углу места с усилителем сигнала рассогласования, редуктором и другими элементами угломестной следящей системы.

На фиг.1 представлена упрощенная структурная схема приемной части предложенного устройства, а также условно показаны три разнесенные по высоте приемные антенны, цель и лучи радиоволн эхо-сигналов цели и обратных помеховых отражений от ячейки разрешения на земной поверхности.

Приемная часть предложенного устройства состоит из трех одинаковых симметричных горизонтально направленных приемных антенн 1, 2, 3, которые разнесены по высоте на одинаковые расстояния d, высокочастотного сумматора 4, суммирующего напряжения крайних антенн, одинаковых приемников 5, 6 крайних и средней антенн, делителя напряжения на два 7, делящего пополам выходное напряжение приемника крайних антенн 5, амплитудных ограничителей 8, 9 с одинаковым порогом ограничения и устройства вычитания 10, вычитающего выходные напряжения приемных каналов на промежуточной частоте.

Выходное напряжение с выхода устройства вычитания 10 детектируется в детекторе 11, а через видеоусилитель 12 подается на индикатор 13 и используется в тракте обнаружения целей и измерения их дальности. В состав предложенного устройства входит также импульсный передатчик с передающей антенной. В качестве передающей антенны можно использовать, например, нижнюю приемную антенну 1, которую при этом следует переключать с приема на передачу с помощью антенного переключателя.

Принцип действия предложенного устройства поясняется следующим.

Все приемные антенны РЛС одинаковы, симметричны и направлены горизонтально. При этом они одновременно принимают прямые и отраженные от земли радиоволны эхо-сигналов цели, а также прямые радиоволны обратных помеховых отражений от ячейки разрешения земной поверхности, удаленной от РЛС на расстояние, равное дальности до цели. С учетом этих замечаний можно записать следующее выражение для комплексной амплитуды напряжения U_с.ц эхо-сигнала на цели на выходе средней антенны =λ eF(Θ_ц)1+e (1) где λ длина волны; R_вх входное сопротивление приемника; G_m максимальный коэффициент усиления приемной антенны; S_ц плотность потока мощности прямой радиоволны эхо-сигнала цели вблизи антенны РЛС; ϕ_ц фаза прямой волны эхо-сигнала цели в центре апертуры средней приемной антенны; Θ_ц угол места цели (положительный); F(Θ_ц) значение нормированной диаграммы направленности антенны в свободном пространстве в направлении цели; комплексный коэффициент отражения радиоволн от земной поверхности при вертикальной или горизонтальной поляризации;
К 2π / λ волновое число;
r₂, r₂ дальности по лучу прямой и отраженной от земли радиоволн от центра апертуры средней антенны до цели.

Известно, что при малых углах скольжения коэффициент отражения радиоволн от земли -1 при любой поляризации радиоволн и любых реальных электрических параметрах земной поверхности, а при горизонтальной поляризации над морем это выполняется в более широком секторе углов скольжения. Учитывая это, а также то, что дальность до цели обычно значительно больше высоты подъема антенны над землей, можно упростить формулу (1) и записать ее в виде
=2λ e e e F(Θ_ц)sin(khsinΘ_ц) (2)
где h высота подъема средней антенны над землей.

По аналогии с формулой (2) можно записать следующие выражения для комплексных амплитуд напряжений , эхо-сигнала цели на выходах верхней и нижней антенн соответственно
=2λ e e e F(Θ_ц)sin[k(h+d)sinΘ_ц] (3)
=2λ e e e F(Θ_ц)sin[k(h_d)sinΘ_ц] (4)
где d разнос антенн по высоте.

Используя формулы (2), (3), (4), можно записать выражения для комплексных амплитуд напряжений , эхо-сигналов цели на выходах приемных каналов средней и крайних антенн соответственно
=2K_уλ e ee F(Θ_ц)sin(khsinΘ_ц) (5)
(6)
где К_у коэффициент усиления приемника (оба приемника одинаковы). При этом учтено, что делитель напряжения на два 7 в приемном канале крайних антенн уменьшает амплитуду напряжения в два раза.

Из формул (5), (6) следует, что при очень малых углах места цели напряжения , эхо-сигнал цели на выходах приемных каналов синфазны, а при не очень малых углах места для средневысотных целей (когда kdsin Θ_ц > π / 2 эхо-сигналы будут противофазны. Амплитуды эхо-сигналов на выходе приемных каналов отличаются друг от друга и обычно меньше порога ограничения U_o амплитудных ограничителей 8, 9. При этом комплексная амплитуда напряжения эхо-сигнала цели на выходе предложенного устройства будет
e × (7)
Отсюда следует, что диаграмма направленности f_ц(Θ_ц) приемной антенной системы предложенного устройства при положительных углах места с учетом влияния земли при одновременном приеме прямых и отраженных от земли радиоволн эхо-сигналов цели будет
f_ц(Θ_ц)=4F(Θ_ц)sin(khsinΘ_ц)sin sin (8)
Приемные антенны РЛС принимают также прямые радиоволны обратных помеховых отражений от земли, приходящие с малых отрицательных углов места. Комплексные амплитуды напряжений , , этих помеховых отражений на выходах нижней, средней и верхней антенн соответственно будут
=λ e F(Θ_п)e (9)
=λ e F(Θ_п); (10)
=λ e F(Θ_п)e (11) где S_п плотность потока мощности пассивной помехи вблизи антенны РЛС;
ϕ_п фаза радиоволн пассивной помехи в центре апертуры средней антенны;
Θ_п текущий угол места пассивной помехи (отрицательный);
F(Θ_п) значение нормированной диаграммы направленности антенны в направлении пассивной помехи.

На основании формул (9), (10), (11) и структурной схемы предложенного устройства на фиг.1 можно записать следующие выражения для комплексных амплитуд напряжений , пассивной помехи обратных отражений от земли на выходах приемных каналов средней и крайних антенн
=K_уλ F(Θ_п)e; (12)
=K_уλ cos(kdsinΘ_п)F(Θ_п)e (13)
для слабой пассивной помехи и
=U_oe; (14)
= sign(cos(kdsinΘ_п))U_oe (15) для интенсивной помехи, уровень которой выше порога ограничения U_оамплитудных ограничителей 8, 9, где К_у коэффициент усиления приемника (оба приемника одинаковы);
sign знак числа.

Из формул (12)-(15) следует, что при малых отрицательных углах места пассивной помехи напряжения помехи , на выходах приемных каналов синфазны. Амплитудные ограничители 8, 9 с одинаковым порогом ограничения выравнивают амплитуды напряжений интенсивных пассивных помех и при вычитании синфазных напряжений помехи в устройстве вычитания 10 помеха на выходе устройства будет почти полностью подавлена. Эхо-сигналы маловысотной цели не будут полностью подавлены при вычитании в устройстве вычитания 10, так как их напряжения , на выходе приемных каналов отличаются по амплитуде и обычно ниже порога ограничения U_o. Однако эхо-сигналы маловысотной цели на выходе устройства после вычитания будут все же значительно ослаблены из-за их синфазности. Эхо-сигналы средневысотной цели противофазны в каналах приема и после вычитания выходное напряжение эхо-сигнала такой цели возрастает. Поэтому предложенное устройство целесообразно использовать для обнаружения средневысотных целей на фоне обратных помеховых отражений от земли.

Из формул (12)-(15) следует, что диаграмма направленности f_п(Θ_п) приемной антенной системы предложенного устройства в секторе малых отрицательных углов места при приеме обратных помеховых отражений от земли слабой интенсивности будет
f_п(Θ_п)= 2F(Θ_п)sinsin (16) а при приеме обратных помеховых отражений высокой интенсивности (выше порога ограничения U_o амплитудных ограничителей 8, 9) помеха на выход предложенного устройства не пройдет. Важным свойством предложенного устройства является то, что оно обеспечивает хорошее подавление пассивных помех от земли с очень малых отрицательных углов места Θ_п при произвольной интенсивности помехи и подавляет как сильные, так и слабые помехи. Это весьма существенно, так как при очень малых Θ_п помеха обычно всегда слабая.

Для подтверждения указанных свойств предложенного устройства были рассчитаны по формулам (8), (16) диаграммы направленности f_ц(Θ_п), f_п(Θ_п) устройства при приеме эхл-сигналов цели с положительных углов места цели Θ_п и обратных помеховых отражений от земли с малых отрицательных углов места помехи Θ_п.

Результаты расчета диаграмм направленности f_ц, f_п от угла места представлены на графиках фиг.2, где сплошными кривыми показаны диаграмма направленности f_ц, а также диаграмма направленности f_п при слабых помеховых отражениях. При сильных помеховых отражениях диаграмма направленности f_п показана пунктирной кривой. Для сравнения на этом же рисунке штриховыми кривыми показаны аналогичные диаграммы направленности f_ц, f_п нижней антенны прототипа такой же, как и нижняя антенна предложенного устройства. Графики на фиг.2 рассчитаны для частной реализации предложенного устройства со следующими параметрами:
длина волны λ= 0,35 м;
высота подъема средней антенны h40 м;
разнос антенн по высоте d 10 м;
вертикальный размер апертуры антенны L 2 м;
горизонтальный размер апертуры антенны 6 м;
амплитудное распределение на апертуре косинусоидальное;
поляризация радиоволн горизонтальная;
азимутальная ширина диаграммы направленности антенны по половинной мощности 4^о;
коэффициент усиления антенны G_m520;
угломестный рабочий сектор РЛС Θ= 0-10^о;
длительность радиоимпульса τ= 10 мкс;
импульсная мощность передатчика Р 500 кВт;
чувствительности приемника 0,5 мкВ.

Как видно из графиков на фиг.2, предложенное устройство имеет существенные преимущества по сравнению с прототипом по обнаружению целей на средних высотах при углах места Θ_ц> 0,5^о. В секторе отрицательных углов места Θ_п= 0 минус 0,5^о предложенное устройство почти полностью подавляет интенсивную пассивную помеху от земли. В секторе углов места Θ_п= 0-минус 0,2^о устройство хорошо подавляет пассивную помеху произвольной интенсивности (в том числе и слабую помеху). При углах места Θ_п< -0,5^о пассивная помеха подавляться не будет, но пассивные помехи с таких углов места не представляют опасность, так как соответствуют очень малым дальностям (менее 5 км), когда цели не обнаруживаются и обычно находятся в мертвой воронке зоны обнаружения РЛС.

Одинаковый разнос приемных антенн 1, 2 по высоте и горизонтальная направленность антенн необходимы для обеспечения синфазности напряжений пассивных помех на выходах приемных каналов средней и крайних антенн. Делитель напряжения 7 в приемном канале крайних антенн обеспечивает равенство амплитуд слабых пассивных помех в приемных каналах при малых отрицательных углах места. Таким образом, указанные отличительные признаки предложенного устройства являются существенными и принципиально необходимы для работы этого устройства.

Для сравнительной оценки выигрыша предложенного устройства по сравнению с прототипом были рассчитаны отношения Рс/Рп мощности сигнала к мощности пассивной помехи на выходе предложенной РЛС и на выходе приемного канала нижней антенны прототипа при прочих равных условиях в зависимости от горизонтальной дальности R маловысотной малоскоростной цели, летящей на высоте h_ц 500 м над морем и имеющей эффективную отражающую поверхность σ_ц= 0,1 м². Результаты расчетов представлены на графиках фиг.3, где сплошной кривой показана зависимость отношения Р_с/Р_п сигнал/помеха от горизонтальной дальности цели R для предложенного устройства, а штриховой кривой для канала нижней антенны прототипа. Расчеты проводились для частной реализации предложенного устройства с указанными параметрами. При этом порог ограничения амплитудных ограничителей в приемных каналах был принят равным минимальному уровню пассивной помехи на заданном интервале дальностей и для передачи зондирующих сигналов была использована нижняя антенна приемной антенной системы РЛС. При этом полагалось, что коэффициент обратного радиолокационного рассеяния радиоволн от взволнованной поверхности моря был равен σ_o= -40 дБ, а также учитывалась нормальная рефракция радиоволн в атмосфере и сферичность морской поверхности.

Как видно из графиков на фиг.3, предложенное устройство обеспечивает выигрыш отношения Р_с/Р_п сигнал/помеха от 10 до 50 дБ по сравнению с прототипом.

Перечисленные элементы структурной схемы предложенного устройства на фиг.1 выполнены следующим образом.

Антенны 1, 2, 3 одинаковы, симметричны и направлены горизонтально. В качестве этих антенн можно использовать, например, обычные зеркальные антенны. Высокочастотный сумматор 4, приемники 5, 6, делитель напряжения 7, амплитудные ограничители 8, 9 и устройство вычитания 10 выполнены по известным обычным схемам. Приемники 5, 6 одинаковы. Желательно обеспечить высокую идентичность коэффициентов усиления этих приемников и порогов ограничения амплитудных ограничителей 8, 9.

Динамика работы предложенного устройства осуществляется следующим образом. Передатчик с передающей антенной излучает импульсный зондирующий сигнал в направлении цели. Приемная антенная система РЛС принимает эхо-сигналы воздушной цели и обратные помеховые отражения от земной поверхности. Сигналы, принятые крайними антеннами 3, 1, суммируются высокочастотным сумматором 4 и поступают в приемник крайних антенн 5, а сигнал средней антенны 2 поступает в приемник средней антенны 6. Принятые сигналы усиливаются в двух приемных каналах и преобразуются на промежуточную частоту. Делитель напряжения 7 уменьшает вдвое амплитуду напряжения в приемном канале крайних антенн. При этом пассивные помехи от земли на выходе двух приемных каналов будут синфазны, а полезные эхо-сигналы средневысотных целей будут противофазны. Амплитудные ограничители 8, 9 с одинаковым порогом ограничения выравнивают амплитуды интенсивных пассивных помех в приемных каналах, а слабые помехи с очень малых отрицательных углов места будут одинаковы по амплитуде и без ограничения. После этого выходные напряжения приемников вычитаются устройством вычитания 10 на промежуточной частоте. На выходе этого устройства пассивная помеха от земли почти полностью подавлена, а полезный эхо-сигнал средневысотной цели усилен. Эхо-сигнал с выхода устройства вычитания 10 далее детектируется в детекторе 11 и используются в тракте обнаружения и измерения дальности цели.

Для эффективной работы предложенного устройства подавления пассивных помех не требуется обязательного наличия доплеровского смещения частоты эхо-сигнала цели, т.е. предложенное устройство может обнаруживать малоскоростные цели в области обратных помеховых отражений от земной поверхности.

Формула изобретения

РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ ОБНАРУЖЕНИЯ МАЛОСКОРОСТНЫХ ВОЗДУШНЫХ ЦЕЛЕЙ НА СРЕДНИХ ВЫСОТАХ В ОБЛАСТИ ПОМЕХОВЫХ ОТРАЖЕНИЙ ОТ ЗЕМЛИ, содержащая приемную антенную систему, два амплитудных ограничителя, два приемных канала, выход одного их которых соединен с входами соответствующего амплитудного ограничителя, и последовательно соединенные детектор, видеоусилитель и индикатор, отличающаяся тем, что приемная антенная система выполнена их трех горизонтально направленных антенн, разнесенных по высоте на одинаковые расстояния, крайние антенны связаны с входами высокочастотного сумматора, выход которого соединен с входом одного из приемных каналов, выход которого через делитель напряжения на два соединен с входом соответствующего амплитудного ограничителя, а выход средней антенны соединен с входом соответствующего приемного канала, выходы амплитудных ограничителей соединены с входами устройства вычитания, выход которого соединен с входом детектора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3