Двухчастотный когерентно-корреляционный радиолокатор

Изобретение относится к радиолокационным устройствам обнаружения отраженных от целей сигналов. Сущность изобретения заключается в применении формы зондирующего сигнала (посылки) на основе двухчастотных широкополосных шумоподобных дискретных частотно-манипулированных сигналов с непрерывной фазой (ШП ДЧМНФ), формируемых передатчиком, применении сквозной когерентно-корреляционной обработки отраженного ШП ДЧМНФ сигнала, с использованием нелинейного инвариантного сжатия широкополосного спектра сигнала в узкополосный (близкий к δ-функции) и специфической свертки во времени отраженного сигнала. Зондирующий сигнал (посылка) передатчика состоит из двух частей, каждая из которых включает набор дискретов. Первая часть посылки состоит из хаотически меняющихся комбинаций дискретов (модулируется шумом); вторая часть посылки представляет собой псевдослучайную последовательную (ПСП) структуру. Отраженный сигнал обрабатывается в приемнике двояким образом. В регенераторе производится сжатие спектра всей длительности отраженного сигнала, т.е. он становится чисто синусоидальным. В схеме свертки во времени обрабатывается только вторая часть отраженого сигнала. Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, состоит в повышении отношения сигнал/шум, а следовательно, в увеличении дальности действия, повышении помехозащищенности за счет фазовой и структурной чувствительности только к "своим" сигналам, повышении точности измерения координат, увеличении отражающей поверхности цели за счет применения двухчастотного зондирующего сигнала, уменьшении влияния активных помех за счет сужения результирующей полосы пропускания приемника. 3 ил.

 

Изобретение - двухчастотный когерентно-корреляционный радиолокатор, относится к области радиоэлектроники. Заявляемое радиолокационное устройство обладает более высокими тактико-техническими характеристиками по сравнению с известными устройствами.

Аналогами заявляемого изобретения являются радиолокационные устройства, использующие широкополосные одночастотные дискретные фазоманипулированные сигналы (ДФМ) и их стандартное преобразование-свертку сигнала во времени (Л-1; Л-2; Л-4 и др.).

Сущность заявляемого изобретения заключается в применении новых, отличных от известных структур, формы зондирующего сигнала (посылки) на основе двухчастотных широкополосных дискретных частотно-манипулированных сигналов с непрерывной фазой (ШП ДЧМНФ), формируемых передатчиком, применении сквозной когерентно-корреляционной обработки отраженных сигналов, осуществляемой по новому принципу - нелинейного инвариантного сжатия широкополосного спектра сигнала в узкополосный (близкого к δ-функции) и свертки его во времени.

Техническим результатом применения заявляемого устройства являются:

- повышение потенциала радиолокатора;

- повышение отношения с/ш;

- увеличение дальности действия;

- улучшение помехозащищенности;

- фазовая чувствительность приемного устройства только к «своим» сигналам;

- предотвращение возможности разведки структуры зондирующего сигнала;

- повышение точности измерения текущих координат и параметров;

- увеличение эффективной отражающей поверхности пеленгуемого объекта и снижение влияния технологии Stels;

- исключение демаскирующего признака спектра ДФМ сигналов в виде провала на несущей частоте.

Фиг.1. Структура зондирующего сигнала (посылки)

Фиг.2. Структурная схема передатчика.

Фиг.3. Структурная схема приемника.

Структуры узлов синхронизации, АРУ, обнаружитель-измерителя, ВС и др. стандартные, не претендующие на защиту какой-либо новизны (Л-4).

Общая схема радиотехнических узлов радиолокатора и связей между ними включает: передатчик (фиг.2), формирующий зондирующий сигнал (фиг.1), приемник (фиг.3), выполняющий обработку широкополосных шумоподобных ДЧМНФ сигналов и вспомогательные средства.

Передатчик радиолокатора фиг.2 содержит эталон частоты и времени (1), соединенный с формирователем (2) несущих частот дискретов (НЧД), синхронизатор (5) и вспомогательные средства. Он отличается от аналога (Л-3) тем, что формирует ШП ДЧМНФ сигналы, состоящие из двух следующих друг за другом частей (А и Б), фиг.1. Формирователь несущих частот дискретов путем деления опорной частоты вырабатывает непрерывные синусоидальные колебания с частотами f₀ и f₁ для заполнения временных дискретов зондирующей посылки по случайному или ПСП законам, для которых индекс частотной манипуляции D=2 Δf T_d=0,5, где 2Δf=f₁-f₀, а T_d длительность одного дискрета.

В первой части зондирующей посылки (А), длительностью n Т_d, структура чередования дискретов случайная, меняющаяся от одной посылки к другой (модулируется шумом) и выполняет двоякую функцию: во-первых, маскирует комбинации ПСП второй части, а, во-вторых, увеличивает потенциал радиолокатора за счет большей энергии зондирующего сигнала Э_с=Р_пер(n+N)T_d без увеличения мощности передатчика. Количество дискретов "n" в первой части зондирующей посылке может меняться.

Вторая часть посылки (Б) состоит из N дискретов и представляет собой ПСП структуру.

Два выхода формирователя несущих частот дискретов соединены с входом модулятор - генератора шума (3) и последовательно с ним с модулятор-генератором ПСП (4). Третий и четвертый входы модулятор-генераторов соединены с синхронизатором (5), который управляет коммутационными элементами модулятор-генераторов.

Сформированный таким образом зондирующий сигнал усиливается (6) и излучается антенной.

Приемник радиолокатора фиг.3 включает: стандартные узлы обработки MSK сигналов: антенну, входные узлы приемника, линейный усилитель (7) и удвоитель частоты (8). Отличие заявляемого приемника от аналога (Л-3) состоит в том, что выход удвоителя частоты соединен с тремя каналами:

- с каналом регенерации НЧД;

- с модуль-перемножителем формирования тактовой частоты,

- со схемой свертки во времени второй части отраженного сигнала (10).

Регенератор включает: два идентичных частотных канала 2f₀ и 2f₁, каждый из которых содержит последовательно соединенные входной перемножитель, узкополосный фильтр, второй перемножитель и делитель частоты. Восстановление НЧД производится путем взаимно перекрестного гетеродинирования: сигналы с удвоенными НЧД канала 2f₀ поступают на вторые входы обоих пермножителей канала 2f₁, а сигналы с удвоенными НЧД канала 2f₁ поступают на вторые входы перемножителей канала 2f₀. Кроме этого, выходы вторых перемножителей соединены с входами схемы свертки во времени и с входами пятого перемножителя, на выходе которого формируется непрерывное колебание на удвоенной средней частоте 2f_cp=f₀+f₁.

Модуль-перемножитель |X|, не имеющий аналога, выполняет основную операцию нелинейного инвариантного сжатия спектра ШП ДЧМНФ сигнала в узкополосный. Его второй вход соединен с выходом пятого перемножителя регенератора, а выход соединен с узкополосны фильтром, который формирует выходной гармонический сигнал, длительностью (n+N)Т_d, обеспечивая формирование выходного сигнала с максимальным отношением с/ш. Выход фильтра соединен с входом обнаружитель-измерителя (11).

По этому сигналу в обнаружителе-измерителе регистрируется факт обнаружения сигнала, измеряется время задержки отраженного сигнала относительно излученного - дальность, вырабатывается управляющее напряжение АРУ, измеряется допплеровское смещение частоты и производятся другие вспомогательные операции (Л-4, стр.229-265, 293-316).

Схема свертки ШП ДЧМНФ сигналов во времени (10) обеспечивает преобразование второй части (Б) отраженного сигнала длительностью NT_d, в сигнал длительностью Т_d. Она отличается от стандартной (Л-4 стр.293) и адаптирована для свертки во времени ШП ДЧМНФ сигналов путем включения N перемножителей между ячейками задержки дискретов и сумматором, на которые подаются непрерывные колебания с удвоенными НЧД от регенератора. Каждый перемножитель выбирает себе альтернативный сигнал. Выходные сигналы сумматора формируются фильтром с полосой пропускания Δf_ф=1/Т_d, выход которого соединен с обнаружитель-измерителем. Укороченные в N раз сигналы с увеличенной в N раз амплитудой обладают более крутым передним фронтом и характеризуют уточненную дальность по сравнению с регенератором.

Работа радиолокатора. Передатчик излучает через антенну ШП ДЧМНФ зондирующие сигналы, длительностью (n+N)T_d с шумовой первой частью и с ПСП комбинацией второй ее части.

Отраженный сигнал принимается антенной, проходит линейный усилитель (7) приемника и удваивается по частоте (8). Аналитическая форма отраженного сигнала на выходе удвоителя частоты

где к - количество дискретов в зондирующем сигнале;

а={+1, -1} по случайному или ПСП законам.

;

.

С выхода удвоителя частоты сигнал разветвляется на три направления:

- на вход регенератора;

- на вход модуль-перемножителя;

- на вход схемы свертки во времени.

В регенераторе осуществляется узкополосная фильтрация сигналов на удвоенных несущих с памятью частоты сигнала в течение действия альтернативного дискрета.

Операция преобразования реализуется путем перекрестного гетеродинирования удвоенных НЧД. Причем в первых двух перемножителях частоты сигналов вычитаются 2 ω₁-2 ω₀, а во вторых перемножителях в канале «0» - происходит вычитание 2 ω₁-4 Δω=2 ω₀, а в канале «1» - суммирование - 2 ω₀+4 Δω=2 ω₁. Между первыми и вторыми перемножителями канала «0» и канала «1» включены узкополосные фильтры, настроенные на частоту 2 Ω_т=4 Δω. На выходах перемножителей обоих каналов формируются непрерывные колебания на удвоенных несущих, которые далее поступают в схему свертки во времени и в два делителя частоты, формирующие колебения с НЧД, из которых в пятом перемножителе формируется колебание с удвоенной средней частотой ω₀+ω₁=2 ω_ср, поступающее на второй вход модуль-перемножителя.

Модуль-перемножитель (аналог не найден) производит следующие операции: когда на первый сигнальный вход поступает дискрет с частотой 2 ω₀, а на второй вход непрерывное колебание с частотой 2 ω_ср, на выходе формируется колебание с частотой 2Δω= Ω_т, когда же на сигнальный вход поступит дискрет с частотой 2 ω₁, то взаимодействуя с постоянно действующим на второй вход колебанием с частотой 2 ω_ср, на выходе снова формируется непрерывное колебание с частотой 2 Δω= Ω_т. Причем при описанных преобразованиях сигналов сохраняется когерентность колебаний и «сшивка» фаз колебаний между дискретами. Выходное колебание проходит узкополосный фильтр с полосой пропускания Δf_yф=1/(n+N)Т_d, формируя выходной сигнал с максимальным отношением с/ш, но с относительно пологим передним фронтом.

Результат перемножения ШП ДЧМНФ сигнала с удвоенными НЧД на непрерывный сигнал с удвоенной средней частотой выражается

1/2cos 2Δω t+1/2cos{4ω_cp t+a_k 2Δω[t-(k-1)T_d]}.

Первое слагаемое представляет собой непрерывное синусоидальное колебание в течение времени (n+N)T_d с тактовой частотой. Отсутствие в ней коэффициента "a_k" определяет инвариантность преобразования по отношению к внутренней структуре перемножаемых сигналов.

Вторая область с колеблющейся частотой подавляется узкополосным фильтром.

Отфильтрованный таким образом отраженный сигнал с тактовой частотой следования дискретов на выходе узкополосного фильтра обладает максимальным отношением с/ш.

В модуль-переножителе проявляется замечательное свойство нелинейного инвариантного сжатия спектра (не Фурье свертки). т.е преобразование, не зависящее от внутренней структуры чередующихся дискретов.

Выходной сигнал модуль-перемножителя регенератора поступает на вход обнаружителя-измерителя (11). По нему, задержанному относительно зондирующего и превысившего установленный порог, происходит обнаружение отраженного сигнала, измерение текущих координат и параметров сопровождаемой цели, выработка управляющего напряжения АРУ и др.

Схема свертки отраженного ШП ДЧМНФ сигнала во времени, осуществляет уточнение дальности R путем укорочения второй части посылки с N T_d до длительности одного дискрета. Ее построение и функционирование отличается от обычных и адаптировано к двухчастотной структуре ДЧМНФ сигналов.

В схеме свертки во времени второй части (Б) отраженного сигнала происходит последовательная задержка дискретов, их преобразование к удвоенной тактовой частоте и суммирование амплитуд в течение последнего дискрета посылки (шумовая - первая часть посылки не образует согласованный отклик на выходе схемы свертки). В результате происходит сокращение длительности второй части посылки в N раз и увеличение амплитуды также в N раз. Выходной сигнал схемы светрки формируется фильтром с полосой пропускания Δf_ф=1/Т_d и поступает в обнаружитель-измеритель.

Этот сигнал с крутым передним фронтом характеризует уточненное значение дальности R, необходимое в радиолокаторах слежения.

В результате, при всех прочих равных условиях, выигрыши по сравнению с ДФМ сигналами составляют:

- в отношении с/ш раз;

- в дальности раз;

повышается помехозащищенность за счет фазовой и структурной чувствительности только к "своим" сигналам;

уменьшается влияние активных помех за счет сужения результирующей полосы пропускания приемника;

повышается точность измерения координат и параметров движения цели за счет большего потенциала;

исключается демаскирующий признак ДФМ сигналов в виде провала в спектре на несущей частоте;

- увеличивается эффективная отражающая поверхность цели за счет применения двухчастотного сигнала, т.е. уменьшается влияние технологии Stels.

Универсальность (как вариант) предлагаемой структуры радиолокатора, заключается в том, что в радиолокаторах сопровождения целесообразно использовать все перечисленные и описанные выше узлы, а в обзорных радиолокаторах узел свертки сигнала во времени может не использоваться.

Литература

Л-1 Современная радиолокация. Изд. «Сов. радио», 1969 г., стр.463-475, 589-613.

Л-2 А.А.Коростелев. Пространственно-временная теория радиосистем. Изд. «Радио и связь», 1987 г. стр.27-52.

Л-3 Зарубежная радиоэлектроника. М.: «Радио и связь», № 4, 1982 г. стр.58-72.

Л-4 Радиоэлектронные системы. Под ред. Я.Д.Ширмана. М. изд. «Радиотехника», 2007 г. стр.229-265, 293-316.

Л-5 Aвт. cв № 326750.

Л-6 Aат. cв № 1584079.

Л-7 Патент № 2045128.

Л-8 Патент № 2284658.

121069, Москва, Хлебный пер. 14, кв.14, тел. [phone].

Двухчастотный когерентно-корреляционный радиолокатор, использующий широкополосные шумоподобные дискретные частотно-манипулированные сигналы с непрерывной фазой (ШП ДЧМНФ), содержащий передатчик, состоящий из эталона частоты и времени, который является задающим элементом передатчика, первый выход которого соединен с формирователем несущих частот дискретов (НЧД) f₀ и f₁, а второй выход соединен с синхронизатором; приемник, в котором отраженный сигнал принимается антенной, усиливается линейным усилителем, выход которого соединен с входом удвоителя частоты, отличающийся тем, что формирователь НЧД вырабатывает синусоидальные колебания с частотами f₀ и f₁ из эталонной частоты с индексом частотной манипуляции 2 Δf Т_d=0,5, где 2Δf=f₁-f₀, Т_d - длительность одного дискрета, два выхода формирователя НЧД соединены с входом модулятор-генератора шума, последовательно соединенного с модулятор-генератором псевдослучайной последовательности (ПСП), выход которого соединен с усилителем, а выход усилителя подключен к антенне, вторые входы модулятор-генераторов соединены с соответствующими выходами синхронизатора, управляющие сигналы с которых обеспечивают формирование зондирующей посылки, длительностью (n+N)Т_d, где n - количество дискретов первой части зондирующей посылки, которое может меняться, N - количество дискретов второй части посылки; выход удвоителя частоты приемника соединен с входом регенератора и входом схемы свертки отраженного ШП ДЧМНФ сигнала во времени, при этом регенератор осуществляет взаимно перекрестное гетеродинирование непрерывных в течение посылки удвоенных НЧД 2 f₀ и 2 f₁, их узкополосную фильтрацию на тактовой частоте и нелинейное инвариантное сжатие спектра отраженного ШП ДЧМНФ сигнала модуль-перемножителем с последующей узкополосной фильтрацией Δf_уф=1/(n+N)Т_d; выход регенератора соединен с входом обнаружитель-измерителя, а выходы регенератора с удвоенными НЧД соединены с соответствующими входами схемы свертки сигнала во времени, выходной сигнал которой характеризует точную дальность, а обнаружитель-измеритель осуществляет обнаружение отраженного сигнала, измерение текущих координат и параметров сопровождаемого объекта.