Измеритель азимута

 

Изобретение предназначено для использования в радиолокационной технике, в частности в обзорных радиолокационных станциях, использующих импульсно-доплеровское излучение с дискретным набором частот повторения импульсов или последовательный перебор крутизны изменения несущей. При развертке луча по азимуту в устройстве определяются значения азимута, при которых на каждой частоте повторения или крутизне изменения несущей амплитуда сигнала достигает максимума. Среднеарифметическое от максимального и минимального значений азимута из найденной совокупности значений азимута служит оценкой азимута. Технический результат заключается в создании устройства, позволяющего произвести измерение азимута при использовании зондирующего сигнала с последовательно чередующимися наборами частот повторения импульсов или крутизны изменения несущей. 8 ил.

Изобретение предназначено для использования в радиолокационной технике, в частности в обзорных радиолокационных станциях (РЛС) с импульсно - доплеровским излучением, использующим для изменения дальности либо дискретный набор частот повторения импульсов, либо последовательный перебор крутизны изменения несущей.

Обычно в обзорных РЛС развертка луча осуществляется по азимуту. Для измерения азимута применяется метод анализа огибающей. При прохождении луча антенны через цель огибающая амплитуд принимаемого сигнала повторяет форму диаграммы направленности антенны (ДНА) [1].

Анализ огибающей принимаемого сигнала дает возможность зафиксировать максимум амплитуды сигнала и определить соответствующее ему направление на цель. Устройства оценки азимута, основанные на этом принципе, не обладают высокой точностью из-за слабого изменения амплитуды в окрестности максимума ДНА, случайного расположения моментов появления импульсов принятого сигнала относительно ДНА, шумов приемника [2].

Наибольшее распространение в обзорных РЛС получили устройства определяющие угловое положение цели по фиксации азимутальных положений антенны, соответствующих моментам начала и конца пачки, отраженных от цели сигналов (Финкельштейн М. И. , с. 402 рис. 8.5.1, с. 405 рис. 8.5.3). Это устройство принимается в качестве прототипа изобретения.

С выхода приемника отображенный от цели сигнал подается на устройство определения начала и конца пачки. Оно представляет собой последовательно соединенные генератор стандартных импульсов (или обнаружитель импульса цели), срабатывающий, когда импульс выхода приемника превысит некоторый порог. Для исключения выдачи ложного начала и дробления пачки устройство определения начала и конца пачки основано на логических критериях "n из m" (n /m). (Кузьмин С.З. Основы теории цифровой обработки радиолокационной информации. -М.: Сов. радио 1974, с. 161). Вычислитель азимута усредняет значения азимута в моменты времени, соответствующие началу и концу пачки.

Для получения максимальной точности логики "n/m" выбираются таким образом, чтобы измеренное значение начала и конца пачки приходились на участки максимальной крутизны огибающей пачки импульсов (Под. ред. Дулевича В.Е., 1978, с. 272). С этой точки зрения предпочтительнее алгоритмы с жесткой логикой "3/3" или "4/4" (Кузьмин С.З. 1974, с. 178). За критерий окончания пачки выбирают обычно два пропуска подряд (Финкельштейн М.И., с. 406, Кузьмин С.З. 1974, с. 175, 178).

Обычно измерение азимута этим методом применяется при использовании импульсного или импульсно-доплеровского режимов излучения и фиксированной частотой повторения импульсов, когда сигнал превышает порог в течение времени существования пачки.

Однако в современных импульсно-дрплеровских РЛС при использовании режимов с высокой и средней частотой повторения импульсов для измерения дальности производится облучение цели последовательно чередующимися наборами либо частот повторения импульсов (T), либо крутизн изменения несущей (S) (Дудник П. И. , Чересов Ю.И. Авиационные радиолокационные устройства. -М: ВВИА 1986, с. 238, 242, 244).

При переборе частот повторения часто применяют наборы из 7,8 частот повторения [The Record of the IEEE 1990. Jnternational Radar Conference. Arlington Virginia, 7-10 May, 1990. Long term integration using a phaud. Array Radar. L.V. Trunk, J.D. Wilson and Hughes II c 313-315].

Для вычисления дальности до цели необходимо, чтобы хотя бы на двух (трех) частотах из 7 (8) применяемых частот повторения была обнаружена цель. Выполнение условий 2/7 или 3/8 определяет момент обнаружения цели, измерения дальности до нее и может служить критерием начала пачки. Этот критерий допускает пропуск сигнала на 5 угловых позициях. Пропуски обусловлены не столько флюктуациями сигнала, сколько попаданием сигнала при определенном периоде повторения в зону режекции по дальности. Если только часть отраженного импульса попадает в зону приема, то амплитуда сигнала на выходе приемника соответственно уменьшится. Относительное изменение амплитуд сигнала при различных периодах повторения импульсов и при различных крутизнах изменения несущей также обусловлено различным положением доплеровской частоты принятого сигнала относительно центральных частот пропускания доплеровских фильтров приемника. (Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. -М.: Радио и связь, 1986, с. 103, рис. 2.21б).

Отсюда, на выходе приемника образуется последовательность отраженных импульсов, амплитуда которых обусловлена: 1. Уровнем сигнала, зависящем от ЭПР цели и дальности до нее - A_o, 2. Отклонением углового положения антенны от направления на цель - G(ϕ_ц-ϕ_a), 3. Положением отраженных импульсов относительно зоны приема - K_Di, 4. Положением доплеровской частоты сигнала относительно центральных полос пропускания соседних доплеровских фильтров K_Fi, A_i= A_oG(ϕ_гц-ϕ_a)K_Di·K_Fi, где A_i - амплитуда сигнала при частоте T_i или крутизне изменения несущей S_i; A_o - коэффициент, зависящий от ЭПР цели и дальности до нее, при измерении по цели практически не меняется; ϕ_a - угловое положение антенны;
1 ≅ i ≅ m,
m - количество используемых частот повторения или крутизн изменения несущей;
G(ϕ_гц-ϕ_a) изменяется в зависимости от угловой расстройки от 0 до 1;
K_Di - изменяется от 0 до 1: 1-при попадании импульсов в зону приема по дальности, 0 - при попадании сигнала в зону режекции. При использовании перебора крутизн изменения несущей (S_i...S_m) величина K_Di практически не меняется. K_Fi - изменяется обычно в диапазоне 0,5 - 1: 1 - при совпадении доплеровского смещения F_g принятого сигнала относительно зондирующего с центральной частотой пропускания доплеровского фильтра, 0,5 - при совпадении F_g с частотой пересечения частотных характеристик соседних доплеровских фильтров.

Из трех изменяющихся только G(ϕ_гц-ϕ_a) зависит от углового положения цели, K_Di зависит от выбранного значения T_i, K_Fi зависит как от T_i, так и выбранного значения S_i.

Диапазоны изменения коэффициентов K_Di, K_Fi, G равнозначны. На соседних угловых интервалах для измерения дальности применяются различные значения T_i или S_i. Отсюда значения амплитуд на угловых интервалах с различными T_i или S_i будут независимы друг от друга.

В то же время амплитуды отраженных сигналов на различных интервалах при использовании одних и тех же значений T_i или S_i модулируются ДНА, ибо в этом случае коэффициенты K_Di, K_Fi одинаковы. Отсюда последовательность значений амплитуд отраженного сигнала на выходе приемника состоит из m независимых последовательностей, каждая из которых промодулирована ДНА. Совокупность же этих последовательностей не модулируется ДНА, имеет "рваный" характер с глубокими замираниями. Поэтому использование методов максимума или метода пачки "пополам" приводит как к большим ошибкам в оценке азимута, так и к расщеплению пачки на нескольких измерений.

Задачей изобретения является создание устройства, позволяющего произвести измерение азимута при использовании зондирующего сигнала с последовательно чередующимися наборами частот повторения импульсов или крутизн изменения несущей.

С этой целью вводится блок определения азимутальных границ участка максимальных амплитуд.

В связи с тем, что величины амплитуд при различных T_i или S_i не зависимы и необусловлены относительным угловым положением антенны и цели в моменты приема сигнала с различными T_i или S_i, то величина сигнала не служит мерой близости углового положения не служит мерой близости углового положения антенны к угловому положению цели. Можно лишь выделить участок углового положения антенны, наиболее приближенный к угловому положению цели. Этим участком будет тот, на котором расположены максимальные значения амплитуд для каждой T_i или S_i.

Для определения азимутальных границ участка максимальных амплитуд необходимо
- из совокупности значений амплитуд, характеризующих огибающую сигнала на выходе приемника и соответствующих им значений азимута, сформировать последовательности амплитуд и азимута, принадлежащие конкретной частоте повторения T_i или конкретной крутизне изменения несущей S_i;
- из каждой вновь образованной последовательности выбрать азимут, соответствующий максимальному значению амплитуды последовательности;
- из совокупности значений азимутов, соответствующих максимальным значениям амплитуд каждой последовательности, определить максимальные и максимальные значения азимута, которые и будут границами участка максимальных амплитуд.

В зависимости от критерия обнаружения цели (измерение дальности до нее) и количества "прозрачных" частот повторения этот участок может включать от n до m угловых позиций. Так как отклонение от цели каждого из найденных значений азимута, соответствующих максимальному значению амплитуд каждой образованной последовательности, равновероятно, то за одну оценку азимута принимается среднее арифметическое значение границ найденного азимутального отрезка. Определение среднего производится в вычислителе азимута.

На фиг. 1 - 4 приведен пример реализации блока определения азимутальных границ участка максимальных амплитуд. На первый вход блока поступают сигналы с выхода приемника и одновременно на второй вход - значения азимута.

В начальный момент времени УKN открыт (фиг.1). При появлении первого сигнала A_i, прошедшего через УKN и превышающего порог порогового устройства ПУ1, ПУ1 вырабатывает импульс амплитудой, равной 1. Этот импульс поступает на первый вход регистра со сдвигом P1 (Э.А. Флорес. Организация вычислительных машин -М.: 1972, с.21, рис. 1.33), на второй вход которого поступает импульс управления, на входе P1 появляется сигнал, который закрывает УКN, открывает управляющие входы УКА, УКА31, через сигнальные входы которых амплитуда сигнала A1 в соответствующее ей значение азимута поступают в вычислитель блока. Индекс "1" соответствует той частоте T_i или крутизне S_i, при которой сигнал в первый раз за время существования пачки отраженных сигналов, превысит порог ПУ1. В зависимости от дальности до цели, флюктуации сигнала первому номеру может соответствовать любая из используемых T_i или S_i.

В следующий такт работы РЛС управляющий импульс поступает на входы P1... P_m, на выходе P2 появляется импульс "1", он закрывает УКN и открывает управляющие ключи УКА2, УКА32. Применяемой в данном такте частоте присваивается номер 2.

В следующие такты импульсы управления поступают на входы P1...P_m, а выходные сигналы P3. . . P_m закрывают УКN и последовательно открывают УКА3, УКА33...УКА_m, УКА3_m, выходы которых соединены с вычислителем.

Выход P_m соединен с входом P1, поэтому после появления сигнала на выходе P_m появятся сигналы на выходе P1, а затем Р2, P3 и т.д.

Преобразование входной последовательности в m последовательностей представлено в справочнике по радиоэлектронным системам, т.1, под редакцией Б.Х. Кривицкого. -М.: Сов. радио, 1979, рис. 5-36, 5-37, с.335).

Импульс управления может быть сформирован при
изменении азимута на величину Δϕ, соответствующую интервалу измерения амплитуды сигнала;
изменении времени на величину τ, соответствующую интервалу измерения амплитуды;
смене периода повторения T_i;
смене крутизны изменения несущей S_i;
смене тактовых импульсов БРЛС, соответствующих смене применяемых T_i или S_i.

На фиг. 2 представлен пример реализации устройства формирования импульса управления при изменении азимута на величину Δϕ. Устройство состоит из управляющего ключа (УК), ячейки запоминания (ЯЗ), сравнивающего устройства (СУ), порогового устройства (ПУ), формирователя импульсов (ФИ).

При реализации режима обзора величина азимута изменяется по линейному закону. В сравнивающем устройстве вычисляется разность (Δϕ) между текущим значением азимута и запомненным его значением на предыдущем такте управления. При достижении Δϕ заданного значения срабатывает ПУ и ФИ вырабатывает импульс управления, поступающий на вход регистров P1...P_m (фиг.1). Этот же импульс поступает на управляющий вход УК, через сигнальный вход которого текущее значение азимута поступает в ячейку запоминания (фиг.2).

На фиг. 3 представлен реализованный в вычислителе для каждой образованной последовательности алгоритм выбора азимута, соответствующего максимальному значению амплитуды последовательности. Алгоритм состоит из m аналогичных частей по числу образованных последовательностей. На вход алгоритма поступают значения ϕ_i,A_i с выходов управляющих ключей УКА1, УКА1...УКАm, УКА3m и признак начала пачки П_нп с блока определения начала пачки.

Рассмотрим работу первой из m частей алгоритма, состав и логика работы остальных частей аналогичны.

С выходов управляющих ключей УКА31 и УКА1 значения азимута и амплитуда поступают на вход первой части алгоритма. Если команда "начало пачки" отсутствует (П_нп: =0), то значения A_1i,ϕ_1i (i - текущее значение) запоминаются в ячейках m_A1, m_A31. При П_нп:=1 вновь поступающие амплитуды сравниваются со значениями амплитуд, запомненными в ячейке m_A1. Если амплитуда вновь пришедшего сигнала больше запомненного значения, то в ячейки m_A1, m_A31 заносятся новые значения амплитуды сигнала и соответствующее значение азимута. При амплитуде вновь пришедшего сигнала меньше запомненного сигнала содержание ячеек m_A1, m_A31 не изменяется. Если хотя бы один элемент последовательности A_1i превышает пороговый уровень, то вырабатывается признак П1, свидетельствующий о наличии сигнала цели при заданном параметре излучаемого сигнала.

Выходными параметрами алгоритма являются значения азимутов (ϕ₁...ϕ_m), соответствующие максимальным значениям амплитуд, и признаки (П₁...П_m), свидетельствующие о наличии сигнала цели.

Эти параметры являются входными алгоритма вычисления границ углового участка максимальных амплитуд. Выходные параметры алгоритма: максимальное и минимальное значение азимута.

Выбор наибольшего значения ϕ_max и наименьшего значения ϕ_min может быть реализован в вычислителе при программировании на языке Фортран, используя специальные имена A_max, A_min1 (Дж. Ашкрофт и др. Программирование на Фортране 77, - М: Радио и связь, 1990, с. 246, 247).

На фиг.4 представлен пример реализации алгоритма при использовании четырех частот повторения, из которых только на трех T₁, T₃, T₄ T₁, T₃, T₄ сигнал превысил порог. m_A31, m_A33, m_A34 значения азимута, при которых амплитуды достигли максимума при использовании T₁, T₃, T₄ соответственно. Блок определения начала пачки реализует критерий обнаружения цели (измерения дальности до нее). В импульсно-доплеровских РЛС, использующих для измерения дальности набор дискретных часто повторения, применяют критерии "2/7", "3/8", а при использовании крутизн изменения несущих "2/3", "3/3".

На фиг. 5 представлена блок-схема устройства определения начала пачки. Устройство состоит из (m-1) линий задержки, сумматора, порогового устройства. На вход первой линии задержки поступает сигнал "1" с выхода обнаружителя при превышении сигналом порога. При значении сигнала на выходе сумматора, равном и большем n, срабатывает пороговое устройство (Финкельштейн М.И., с. 404).

Устройство определения конца пачки предназначено для исключения неоднозначности при измерении азимута (уменьшения вероятности расщепления пачки на несколько измерений).

Реализация его аналогична реализации блока определения начала пачки. В качестве критерия конца пачки может быть принят критерий "наличие серии из m подряд" - отсутствие сигнала на смежных угловых позициях, использующих весь этот набор из m частот повторения.

Блок определения конца пачки включается после срабатывания блока определения начала пачки во избежании ложных срабатываний в моменты нахождения луча антенны вне цели.

На фиг. 6 представлен пример реализации блока определения конца пачки, реализующего критерий m/n.

Блок состоит из последовательно соединенных управляющего ключа (УК), инвертора, (m-1) линий задержки, сумматора, порогового устройства, (m-1) входов Л3 также соединены с входом сумматора.

В момент срабатывания устройства определения начала пачки на управляющий вход УК подается сигнал и через сигнальный вход с выхода поступает последовательность сигналов в виде "1" и "0".

Пройдя инвертор, сигналы с выходов линий задержки и входа первой Л3 подаются на m входов сумматора. Пороговое устройство срабатывает при сигнале на выходе сумматора, равном m. На фиг. 7 представлена блок-схема измерителя азимута.

Измеритель азимута содержит антенну 1, передатчик 2, антенный переключатель 3, приемник 4, обнаружитель 5, блок определения начала пачки 6, блок определения конца пачки 7, датчик азимута 8, первый управляющий ключ 9, блок определения границ азимутального отрезка максимальных амплитуд 10, вычислитель азимута 11, второй управляющий ключ 12. Выход второго управляющего ключа является выходом устройства.

При проходе луча антенны 1 через цель на выходе приемника 4 образуется последовательность дискретных сигналов, поступающих на вход обнаружителя 5, вырабатывающего стандартный импульс при превышении сигналом порога, импульсы с выхода 5 поступают на входы блоков 6 и 7. Блок определения конца пачки включается после срабатывания блока 6.

Для получения достоверных оценок блоком 10 на вход его поступают сигналы с выхода приемника 4, только превышающие пороговый уровень обнаружителя 5, для этого выход 5 соединен с управляющим входом УК1 (бл.9).

На первый вход бл. 10 поступают значения амплитуд сигнала, превышающие порог обнаружителя 5, одновременно на второй вход бл.10 поступают значения с датчика азимута 8. При удовлетворении критерия обнаружения начала пачки блок 6 вырабатывает выходной сигнал, который также поступает на вход блока 10.

До срабатывания блока 6 в блоке 10 запоминаются значения амплитуд сигналов и соответствующие им значения азимута для каждой T_i или S_i. После срабатывания блока 6 в блоке 10 начинают выделяться максимальные и минимальные значения азимута. Они поступают на соответствующие входы вычислителя азимута, где определяется среднее значение по формуле

где
ϕ_выч - вычислительное значение азимута;
ϕ_max,ϕ_min - максимальное и минимальное значения азимута углового отрезка максимальных амплитуд.

Так как в процессе происхождения луча через цель границы участка максимальных амплитуд изменяются, то на выход устройства поступает вычисленное (в бл. 1) значение азимута лишь в момент срабатывания блока определения конца пачки 7, когда выходной импульс блока 7 поступает на управляющий вход управляющего ключа 12. После срабатывания блока 7 измерение азимута заканчивается и устройство должно быть приведено в исходное состояние, обнулены ячейки амплитуд сигнала и азимутов в блоке 10, обнулен сигнал на выходе блока 6.

Диаграммы на фиг. 8 иллюстрируют работу устройства "Измеритель азимута" при дискретном наборе из четырех частот.

Критерий начала пачки 2/4, критерий окончания пачки 4/4. Порядковые номера j = 1 - 13 обозначают такты работы устройства. Истинное положение цели между j = 6 и j = 7. На позиции 1 представлены амплитуды сигнала на выходе первого управляющего ключа 1 (бл.9). Сигнал превышает порог при T1 при j = 1, 5, 9, при T3 при j = 3, 7, при T4 при j = 4, 8, при T2 - сигнал порог не превышает. На позиции 2 представлены сигналы на выходе обнаружителя.

Устройство определения начала пачки срабатывает при j = 3, выходной сигнал бл.6 сохраняется до j = 13, на котором срабатывает устройство определения конца пачки бл.7.

На позиции 4 приведены управляющие импульсы блока 10, процесс их формирования представлен на фиг. 2.

Управляющие импульсы инициируют последовательное срабатывание регистров P1 - P4 (см. фиг.1).

При появлении первого сигнала при j = 1 ПУ1 вырабатывает импульс. Этот импульс поступает на первый вход регистра со сдвигом P1, на второй вход которого поступает управляющий импульс, на выходе P1 появляется сигнал, который закрывает УКN, открывает управляющие входы УКА31, УКА1, через сигнальные входы которых амплитуда сигнала и соответствующее ей значение азимута проходит на вход вычислителя блока 10.

При первом превышении сигналом порога значению периода повторения, при котором произошло это событие присваивается индекс 1 (T1).

При другом измерении значению T1 может соответствовать любая из четвертки частот.

P1, P2, P3, P4 иллюстрируют появление импульсов, открывающих соответствующие управляющие ключи УКА1, УКА31...УКА4, УКА34.

Импульсы P1 появляются при j = 1, 5, 9, когда излучение производится с T1.

Импульсы P2 - при 2, 6, 10 при T2; P3 - при 3, 7, 11 при T3; P4 - при 4, 8, 12 при T4.

П1, П2, П3, П4 - признаки, сигнализирующие о наличии хотя бы одного ненулевого значения амплитуды при соответствующему индексу периоде повторения.

П1 появляется при j = 1, П3 при j = 3, П4 при j = 4. Отраженный сигнал при T2 находится в зоне режекции, поэтому признак П2 = 0.

m_Ai, m_A3i (i = 1, 2, 3, 4) представляют значения амплитуд сигнала и соответствующие им значения азимута при использовании периода T_i.

Элементы m_A2, m_A32 - нулевые, так как частота F₂ "непрозрачная".

При j = 1 в m_A1 записывается значение A1, в m_A31 -ϕ₁; при j = 5 A > A1, поэтому m_A1 = A5, а m_A31 = ϕ₅ при j = 9 не произошло изменение m_A1, m_A31, так как A5 > A9.

Значения элементов m_A3, m_A33, m_A4, m_A34 определяются аналогично.

ϕ_min изменяется от ϕ₁ при j = 3, когда срабатывает блок 6, до ϕ₅ при j, равных и больших 8.

ϕ_max изменяется от ϕ₃ при j = 3 до ϕ₈ при j, равных и больших 8.

ϕ_выч изменяется от ϕ_выч, равного ϕ₂, до ϕ_выч, равного ϕ_6,5, которое и поступает на выход устройства в момент срабатывания блока определения конца пачки.

Формула изобретения

Измеритель азимута, содержащий антенну, соединенную с датчиком азимута и через антенный переключатель с передатчиком и приемником, последовательно соединенные обнаружитель, блоки определения начала и конца пачки, а также вычислитель азимута, выход приемника соединен с входом обнаружителя, выход которого также соединен с вторым входом блока определения конца пачки, отличающийся тем, что вводятся два управляющих ключа и блок определения границ азимутального отрезка максимальных амплитуд, входы которого соединены с датчиком азимута, выходами первого управляющего ключа и блока определения начала пачки, а два выхода его соединены с входами вычислителя азимута, управляющий вход первого управляющего ключа соединен с выходом обнаружителя, а его сигнальный вход соединен с выходом приемника, выход вычислителя азимута соединен с сигнальным входом второго управляющего ключа, управляющий вход которого соединен с выходом блока определения конца пачки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8