Радиолокационная станция с зондированием пространства фазоманипулированными сигналами с перестройкой длительности парциальных радиоимпульсов по линейному закону
Владельцы патента RU 2405169:
Открытое акционерное общество "Концерн "Созвездие" (RU)
Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано при разработке портативных радиолокационных систем наблюдения для охраны наземных объектов. Достигаемый технический результат - снятие ограничений по дальности обнаружения в ближней зоне, а также обеспечение возможности обнаружения и непрерывного наблюдения радиолокационных сигналов, отраженных от неподвижных или малоскоростных наземных целей за счет применения в РЛС фазоманипулированных сигналов с перестройкой длительности парциальных радиоимпульсов по линейному закону. Указанный результат достигается за счет того, что в радиолокационную станцию (РЛС) с зондированием пространства фазоманипулированными сигналами введены приемная антенна, усилитель высокой частоты, второй и третий смесители, первый и второй удвоители частоты, предварительный усилитель, утроитель частоты, видеоусилитель, фильтр нижних частот, фильтр верхних частот, усилитель звуковых частот, головной телефон и пороговый блок, соединенные определенным образом. 10 ил.
Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано при разработке портативных радиолокационных систем наблюдения для охраны наземных объектов.
Известна радиолокационная станция (РЛС) непрерывного излучения [Бакулев П.А. Степин В.М. Методы и устройства селекции движущихся целей. - М.: Радио и связь, 1986, стр.34], которая содержит передающую антенну, последовательно соединенные генератор радиочастоты, детектор, фильтр доплеровских частот и индикаторное устройство, при этом второй вход детектора подключен к приемной антенне.
Недостатком известной РЛС является невозможность обнаружения и непрерывного наблюдения радиолокационных сигналов, отраженных от малоскоростных наземных целей, или целей с нулевыми радиальными скоростями, находящихся в контролируемой зоне.
Известна РЛС с зондированием пространства линейно-частотно-модулированными радиоимпульсами [Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. - М.: Сов. радио, 1985, 336 с., стр.67], которая содержит последовательно соединенные синхронизатор, передатчик, состоящий из частотного и импульсного модуляторов, и каскадов СВЧ, при этом входы частотного и импульсного модуляторов подключены к входу передатчика, а выходы соединены с соответствующими входам каскадов СВЧ, выход которых подключен к выходу передатчика, антенный переключатель и антенну, причем выход антенного переключателя через приемник, состоящий из последовательно соединенных преобразователя частоты, вход которого подключен к входу приемника, усилителя промежуточной частоты, фильтра сжатия и видеодетектора, выход которого соединен с выходом приемника, подключен к выходному устройству, второй вход которого соединен со вторым выходом синхронизатора.
Недостатком РЛС с зондированием пространства линейно-частотно-модулированными радиоимпульсами является невозможность обнаружения и наблюдения радиолокационных сигналов, отраженных от наземных целей, время задержки которых менее длительности излучаемого линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ) радиоимпульса.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является РЛС с зондированием пространства фазоманипулированными радиоимпульсами, описанная в [Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. - М.: Сов. радио, 1985, 336 с., стр.72], принятая за прототип.
На фиг.1 приведена структурная схема РЛС с зондированием пространства фазоманипулированными радиоимпульсами - прототипа, где обозначено:
1 - синхронизатор;
2 - генератор кода;
3 - выходной блок;
4 - фазовый модулятор;
4.1 и 4.2 - первый и второй стробированные усилители;
5 - задающий генератор;
6 - усилитель мощности;
7 - антенна;
8 - смеситель 8;
9 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ);
20 - антенный переключатель;
21 - согласованный фильтр;
22 - оптимальный фильтр;
23 - видеодетектор.
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные синхронизатор 1 и генератор кода 2, а также последовательно соединенные задающий генератор 5, фазовый модулятор 4, усилитель мощности 6, антенный переключатель 20, смеситель 8, УПЧ 9, согласованный фильтр 21, оптимальный фильтр 22 и видеодетектор 23, выход которого соединен с первым входом выходного блока 3, второй вход которого подсоединен ко второму выходу синхронизатора 1. При этом выход-вход антенного переключателя 6 соединен с антенной 7. Фазовый модулятор 4 состоит из параллельно соединенных первого 4.1 и второго 4.2 стробированных усилителей, выходы которых объединены и являются выходом фазового модулятора 4, первые входы стробированных усилителей 4.1 и 4.2 соединены и являются третьим входом фазового модулятора 4. Вторые входы первого 4.1 и второго 4.2 стробированных усилителей являются соответственно первым и вторым входами фазового модулятора 4 и подсоединены соответственно к первому и второму выходам генератора кода 2.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Сигнал несущей частоты задающего генератора 5 через третий вход фазового модулятора 4 подается на входы двух стробированных усилителей 4.1 и 4.2. На вторые входы усилителей 4.1 и 4.2 с выхода генератора кода 2 поступает периодическая последовательность импульсов. Предположим, что на интервале длительности элементарного (парциального) видеоимпульса с кодовым символом «0» открыт стробированный усилитель, не создающий фазового сдвига, а в интервале с кодовым символом «1» - стробированный усилитель, сдвигающий фазу сигнала на 180° (Δφ=π).
Таким образом, в любой конкретный отрезок времени в открытом состоянии находился только один из усилителей 4.1 или 4.2. На выходе фазового модулятора 4 формируется фазоманипулированный сигнал. Он поступает на вход усилителя мощности 6, где усиливается и через антенный переключатель 20 - на вход антенны 7. Излученный фазоманипулированный сигнал, достигнув цели, отражается в обратном направлении и принимается антенной 7, проходит через антенный переключатель 20, поступает на смеситель 8 (местный гетеродин здесь не показан). Преобразованный на промежуточную частоту фазоманипулированный сигнал поступает на усилитель промежуточной частоты 9. С выхода УПЧ 9 он подается на вход согласованного фильтра 21. Для обеспечения согласованной фильтрации принятого сигнала полоса пропускания согласованного фильтра 21 согласована со спектром принятой кодовой последовательности. На выходе согласованного фильтра 21 по окончании кодовой последовательности формируется одиночный радиоимпульс на промежуточной частоте с длительностью, равной длительности одного парциального радиоимпульса. Сжатый во времени радиоимпульс поступает на оптимальный фильтр 22. Полоса пропускания оптимального фильтра 22 согласована со спектром одиночного радиоимпульса. На выходе оптимального фильтра 22 формируется треугольный импульс с пиковым значением, пропорциональным амплитудам соответствующих по времени импульсов периодической кодовой последовательности. После детектирования в видеодетекторе 23 сжатый импульс поступает на первый вход выходного блока 3, в котором осуществляется последетекторная обработка сигналов и измерение дальности с использованием опорного импульса, поступающего со второго выхода синхронизатора 1.
Однако устройство-прототип не дает возможности обнаружения и наблюдения радиолокационных сигналов, отраженных от наземных целей, время задержки которых менее длительности излучаемой периодической фазоманипулированной последовательности, а также отсутствует возможность селекции по дальности сигналов, отраженных от неподвижных или малоскоростных наземных целей от зондирующих сигналов, отраженных от подстилающей поверхности, время задержки которых превышает длительность излучаемой импульсной фазоманипулированной последовательности.
Таким образом, недостатком прототипа является наличие ограничений по дальности обнаружения в ближней зоне, а также отсутствие возможности обнаружения и непрерывного наблюдения радиолокационных сигналов, отраженных от неподвижных или малоскоростных наземных целей в условиях мешающих отражений от подстилающей поверхности.
Задача предлагаемого устройства - снятие ограничений по дальности обнаружения в ближней зоне, а также обеспечение возможности обнаружения и непрерывного наблюдения радиолокационных сигналов, отраженных от неподвижных или малоскоростных наземных целей, за счет применения в РЛС фазоманипулированных сигналов с перестройкой длительности парциальных радиоимпульсов по линейному закону.
Для решения поставленной задачи в РЛС с зондированием пространства фазоманипулированными радиоимпульсами, содержащую последовательно соединенные синхронизатор и генератор кода, а также блок отображения результатов обнаружения, первый вход которого является входом сигнала синхронизации и подключен ко второму выходу синхронизатора, фазовый модулятор, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами генератора кода, задающий генератор, выход которого подключен к третьему входу фазового модулятора, состоящему из первого и второго параллельно соединенных стробированных усилителей, первые входы которых объединены и являются третьим входом фазового модулятора, первый и второй входы которого соединены со вторыми входами соответственно первого и второго стробированных усилителей, выходы которых являются выходом фазового модулятора, а также усилитель мощности и передающую антенну, последовательно соединенные первый смеситель и усилитель промежуточной частоты, согласно изобретению, введены приемная антенна, подключенная к входу усилителя высокой частоты, выход которого соединен с первым входом первого смесителя, последовательно соединенные первый удвоитель частоты, предварительный усилитель, второй удвоитель частоты и второй смеситель, последовательно соединенные третий смеситель, видеоусилитель, фильтр нижних частот, фильтр верхних частот и усилитель звуковых частот, выход которого соединен с головным телефоном, а также пороговый блок, вход которого подключен к выходу фильтра верхних частот, а выход - ко второму входу блока отображения результатов обнаружения, утроитель частоты, вход которого подсоединен к выходу предварительного усилителя, а выход - ко второму входу первого смесителя, при этом первый вход второго смесителя соединен с выходом фазового модулятора и со вторым входом третьего смесителя, являющимся входом сигнала второго гетеродина, кроме того, выход задающего генератора соединен с входом первого удвоителя частоты, усилитель промежуточной частоты последовательно соединен с третьим смесителем, а выход фазового модулятора через последовательно соединенные второй смеситель и усилитель мощности соединен с передающей антенной.
На фиг.1 представлена структурная схема РЛС с зондированием пространства фазоманипулированными радиоимпульсами - прототипа.
На фиг.2 представлена структурная схема предлагаемой РЛС с зондированием пространства фазоманипулированными сигналами с перестройкой длительности парциальных радиоимпульсов по линейному закону.
На фиг.3 представлена структурная схема генератора кода.
На фиг.4 представлен вид закона изменения длительности ФМ-ЛЧМ последовательности, например, на первом входе фазового модулятора.
На фиг.5 представлен вид закона изменения амплитуды кода ФМ-ЛЧМ последовательности, например, на первом входе фазового модулятора.
На фиг.6 представлен вид закона изменения фазы сигнала на выходе фазового модулятора.
На фиг.7 представлен вид законов изменения частот зондирующего сигнала.
На фиг.8 представлен вид спектра зондирующего сигнала.
На фиг.9 представлен спектр принятого сигнала, отраженного от неподвижной наземной цели (FД=0).
На фиг.10 приведены спектры принятого сигнала, отраженного от малоскоростной наземной цели (FД≠0).
На фиг.2 структурной схемы предлагаемой РЛС с зондированием пространства фазоманипулированными радиоимпульсами приняты следующие обозначения:
1 - синхронизатор;
2 - генератор кода;
3 - блок отображения результатов обнаружения;
4 - фазовый модулятор;
4.1 и 4.2 - первый и второй (пробированные усилители;
5 - задающий генератор;
6 - усилитель мощности;
7.1 и 7.2 - передающая и приемная антенны;
8.1, 8.2 и 8.3 - первый, второй и третий смесители;
9 - усилитель промежуточной частоты;
10.1 и 10.2 - первый и второй удвоители частоты;
11 - предварительный усилитель;
12 - утроитель частоты;
13 - усилитель высокой частоты;
14 - видеоусилитель;
15 - фильтр нижних частот;
16 - фильтр верхних частот;
17 - усилитель звуковых частот;
18 - головной телефон;
19 - пороговый блок.
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные синхронизатор 1 и генератор кода 2, первый выход которого соединен с первым входом фазового модулятора 4, выход которого через последовательно соединенные второй смеситель 8.2 и усилитель мощности 6 соединен с передающей антенной 7.1, при этом второй выход генератора кода соединен со вторым входом фазового модулятора 4, третий вход которого подсоединен к выходу задающего генератора 5, который через последовательно соединенные первый удвоитель частоты 10.1 и предварительный усилитель 11 соединен с входами утроителя частоты 12 и второго удвоителя частоты 10.2, выход которого соединен со вторым входом второго смесителя 8.2. Кроме того, последовательно соединенные приемную антенну 7.2, УВЧ 13, первый смеситель 8.1, УПЧ 9, третий смеситель 8.3, видеоусилитель 14, ФНЧ 15, ФВЧ 16 и усилитель звуковых частот 17, выход которого подсоединен к головному телефону 18. Причем выход утроителя частоты 12 соединен со вторым входом первого смесителя 8.1, являющимся входом сигнала первого гетеродина, а выход фазового модулятора 4 - со вторым входом третьего смесителя 8.3, являющимся входом сигнала второго гетеродина, выход ФВЧ 16 через пороговый блок 19 подсоединен ко второму входу блока отображения результатов обнаружения 3, первый вход которого соединен со вторым выходом синхронизатора 1. Фазовый модулятор 4 содержит параллельно соединенные первый 4.1 и второй 4.2 стробированные усилители, выходы которых объединены и являются выходом фазового модулятора 4, а первые входы объединены и являются третьим входом фазового модулятора 4. Вторые входы первого 4.1 и второго 4.2 стробированных усилителей являются соответственно первым и вторым входами фазового модулятора 4.
Генератор кода 2 выполнен согласно схеме, приведенной на фиг.3, на которой обозначено:
2.1 - линейный частотно-модулированный (ЛЧМ) генератор;
2.2 - опорный генератор;
2.3.1 и 2.3.2 - первый и второй триггеры Шмидта;
2.4 - блок «ИЛИ-НЕ»;
2.5 - блок «ИЛИ».
Генератор кода 2 содержит ЛЧМ генератор 2.1, первый вход которого является входом генератора кода 2, а второй вход подсоединен к выходу опорного генератора 2.2. Выход ЛЧМ генератора 2.1 подсоединен к входам первого 2.3.1 и второго 2.3.2 триггеров Шмидта, выходы которых соединены соответственно с входами блоков 2.4 «ИЛИ-НЕ» и «ИЛИ» 2.5, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами генератора кода 2.
Предлагаемая РЛС работает следующим образом.
Колебания первой промежуточной частоты ƒПЧ1.0 с выхода задающего генератора 5 поступают на:
третий вход фазового модулятора 4;
первый удвоитель 10.1 частоты для формирования напряжения с частотой
ƒ=2׃ПЧ1.0.
В фазовом модуляторе 4 колебания задающего генератора 5 усиливаются в одном из двух стробированных усилителей 4.1 или 4.2. Управление стробированными усилителями 4.1 и 4.2 осуществляется с помощью модулированных по амплитуде видеосигналов, формируемых путем двухстороннего ограничения ЛЧМ колебаний в генераторе кода 2. Синхронизация генератора 2 кода осуществляется видеоимпульсами, поступающими с первого выхода синхронизатора 1. Период повторения этих видеоимпульсов определяет длительность ЛЧМ радиоимпульса ТМ.
Вид законов изменения длительности и амплитуды кода приведен соответственно на фиг.4 и фиг.5. Кодовые последовательности импульсов стробируют усилители 4.1 и 4.2 так, что в интервалах времени с кодовым символом «1» открыт усилитель, не создающий фазового сдвига (Δφ), а при символе «0» - другой усилитель, сдвигающий фазу на Δφ=π. На выходе фазового модулятора 4 формируется фазоманипулированный с изменением длительности парциальных импульсов по линейному закону сигнал. Вид закона изменения фазы сигнала на выходе фазового модулятора 4 приведен на фиг.6.
Сформированный ФМ-ЛЧМ сигнал с выхода фазового модулятора 4 поступает на:
второй вход третьего смесителя 8.3 в качестве сигнала второго гетеродина;
первый вход второго смесителя 8.2 для формирования зондирующего сигнала.
На выходе первого удвоителя 10.1 частоты формируется сигнал с удвоенной частотой. Он через предварительный усилитель 11 поступает на вход:
второго удвоителя 10.2 частоты для формирования сигнала подставки с частотой ƒП=4׃ПЧ1.0;
утроителя 12 частоты для формирования сигнала первого гетеродина с частотой ƒГ1=6׃ПЧ1.0.
На выходе второго смесителя 8.2 формируется непрерывный зондирующий ФМ-ЛЧМ сигнал с частотой ƒЗС=5׃ПЧ1.0, который после фильтрации и усиления в усилителе мощности 6 поступает на вход передающей антенны 7.1 для излучения в направлении на наземную цель.
Сигнал, излучаемый антенной 7.1, состоит из двух ЛЧМ сигналов с девиацией частоты ΔF и противоположными знаками частотной модуляции. Спектры этих сигналов сдвинуты относительно частоты ƒзс на начальную частоту модуляции
ƒ1K=ƒЗС-FH и ƒ2K=ƒЗС+FH,
где 
- начальная частота; τД.МАКС - максимальная длительность дискреты ФМ-ЛЧМ сигнала; ƒ1K, ƒ2K - конечные частоты первого и второго ЛЧМ сигналов, (см. фиг.7 и фиг.8).
ФМ-ЛЧМ сигнал достигает цели, отражается от нее, принимается антенной 7.2. С выхода приемной антенны 7.2 задержанный на τЗ (см. фиг.7, штрихованная линия) ФМ-ЛЧМ сигнал через усилитель 13 высокой частоты поступает на первый вход первого смесителя 8.1.
С выхода первого смесителя 8.1 преобразованный на первую промежуточную частоту принятый ФМ-ЛЧМ сигнал поступает в усилитель 9 промежуточной частоты для фильтрации и усиления по амплитуде. Далее он поступает на первый вход третьего смесителя 8.3. В третьем смесителя 8.3 происходит синхронно-фазовое детектирование принятого ФМ-ЛЧМ сигнала. Усиление и фильтрация полученного на выходе третьего смесителя 8.3 видеосигнала длительностью ТМ-τЗ и периодом повторения ТМ производится в видеоусилителе 14 и фильтрах 15 и 16 нижних и верхних частот.
На фиг.9 приведен спектр принятого сигнала для случая, когда доплеровское приращение частоты равно нулю (FД=0).
Для случая подвижной цели, когда FД≠0, сигнал на выходе фильтра 16 верхних частот раздваивается (см. фиг.10). Различие по частоте между двумя полезными сигналами равно удвоенному значению доплеровского приращения.
Принятый низкочастотный сигнал с выхода фильтра 16 через усилитель 17 звуковых частот поступает на головной телефон 18 для прослушивания, а через пороговое устройство 19 - на вход блока 3 для отображения результатов обнаружения. Синхронизация блока отображения результатов обнаружения 3 осуществляется видеоимпульсами, поступающими со второго выхода синхронизатора 1.
Таким образом, введение в состав РЛС с зондированием пространства фазоманипулированными радиоимпульсами новых блоков и кодовой последовательности с изменяемой по линейному закону длительности дискретов снимает ограничения по дальности обнаружения в ближней зоне, а также обеспечивает возможность обнаружения и непрерывного наблюдения радиолокационных сигналов, отраженных от неподвижных или малоскоростных наземных целей.
Для реализации технического решения может быть использовано стандартное промышленное оборудование. Так, например, опорный генератор 2.2 представляет собой генератор с кварцевой стабилизацией, выполненный, например, на микросхеме серии К564ЛН2 [В.Н.Вениаминов, О.Н.Лебедев, А.И.Мирошниченко. Микросхемы и их применение: Справ. Пособие. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989 г. 240 с., стр.210, рис.7.10д].
ЛЧМ генератор 2.1 представляют собой, например, схему цифрового синтезатора ЛЧМ сигнала [Кочемасов В.Н., Белов Л.А., Оконешников В.С. Формирование сигналов с линейной частотной модуляцией. - М.: Радио и связь, 1983. - 192 с., ил., стр.55, рис.4.12].
Фильтры 15 нижних частот и 16 верхних частот могут быть выполнены, например, по схеме полосового фильтра [Радиопередающие устройства. / М.В.Балакирев, Ю.С.Вохмяков, А.В.Журиков и др.; Под ред. О.А.Челнокова. - М.: Радио и связь, 1982. - 256 с., ил., стр.94, рис.4.12].
Смесители 8.1, 8.2, 8.3 представляют собой, например, диодные преобразователи частоты, выполненные по балансной схеме [М.С.Шумилин, В.Б.Козырев, В.А.Власов. Проектирование транзисторных каскадов передатчиков. Учебное пособие для техникумов. - М.: Радио и связь, 1987. - 320 с.: ил., стр.178, рис.2.77].
Радиолокационная станция (РЛС) с зондированием пространства фазоманипулированными радиоимпульсами, содержащая последовательно соединенные синхронизатор и генератор кода, а также блок отображения результатов обнаружения, первый вход которого является входом сигнала синхронизации и подключен ко второму выходу синхронизатора, фазовый модулятор, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами генератора кода, задающий генератор, выход которого подключен к третьему входу фазового модулятора, состоящему из первого и второго параллельно соединенных стробированных усилителей, первые входы которых объединены и являются третьим входом фазового модулятора, первый и второй входы которого соединены со вторыми входами соответственно первого и второго стробированных усилителей, выходы которых являются выходом фазового модулятора, а также усилитель мощности и передающую антенну, последовательно соединенные первый смеситель и усилитель промежуточной частоты, отличающаяся тем, что введены приемная антенна, подключенная к входу усилителя высокой частоты, выход которого соединен с первым входом первого смесителя, последовательно соединенные первый удвоитель частоты, предварительный усилитель, второй удвоитель частоты и второй смеситель, последовательно соединенные третий смеситель, видеоусилитель, фильтр нижних частот, фильтр верхних частот и усилитель звуковых частот, выход которого соединен с головным телефоном, а также пороговый блок, вход которого подключен к выходу фильтра верхних частот, а выход - ко второму входу блока отображения результатов обнаружения, утроитель частоты, вход которого подсоединен к выходу предварительного усилителя, а выход - ко второму входу первого смесителя, при этом первый вход второго смесителя соединен с выходом фазового модулятора и со вторым входом третьего смесителя, являющимся входом сигнала второго гетеродина, кроме того, выход задающего генератора соединен с входом первого удвоителя частоты, усилитель промежуточной частоты последовательно соединен с третьим смесителем, а выход фазового модулятора через последовательно соединенные второй смеситель и усилитель мощности соединен с передающей антенной.
