Корабельний радіолокаційний міношукач

Корабельний радіолокаційний міношукач, який має антенну систему, передавач, приймач з амплітудним детектором та індикатор, який відрізняється тим, що антенна система виконана з еквідистантної лінійки симетричних горизонтальних передавальних вібраторів та аналогічної лінійки вертикальних приймальних вібраторів, центри яких співпадають з центрами відповідних передавальних вібраторів, лінійка розташована поперек корабля, а позаду неї встановлений плоский металевий екран, у фідерних лініях передавальних і приймальних вібраторів антени додатково вставлені керовані фазообертачі періодичної зміни зсуву фаз передаваних сигналів та сигналів, що приймаються, на величину 40042 Іншим недоліком аналога є те, що для забезпечення високого розрізнення у вертикальній площині необхідно використовувати антени з великим вертикальним розміром, які важно розмістити на борті корабля. За прототип вибраний імпульсний радіолокаційний далекомір (Педак А.М., Баклашов П.И. и др. Справочник по основам радиолокационной техники. Под ред. В.В. Дружинина. - М.: Воениздат, 1967,-C .13, рис.1.1,). Прототип має приймально-передавальну антену з антенним перемикачем з передавання на приймання, імпульсний передавач, приймач, індикатор далькості та синтезатор. Передавач прототипу формує зондуючий сигнал у вигляді періодичної послідовності коротких радіоімпульсів на високій несучій частоті. Приймання відбитих від цілі сигналів здійснюють у часові інтервали між зондуюючими імпульсами, для чого перемикають антену від передавача до приймача за допомогою антенного перемикача. Далькість цілі визначають за допомогою амплітудного індикатора далькості за часом запізнення відбитого від цілі радіоімпульса відносно зондуюючого імпульсу передавача. Недоліком прототипу є те, що він не дозволяє виявляти цілі на малих відстанях, які є меншими добутку швидкості світла на половину тривалості зондуючого радіоімпульса. Забезпечити вимірювання малих віддалей шляхом використання дуже коротких радіоімпульсів часто не вдається, тому що сформувати такі імпульси дуже важко. Це також не дозволяє забезпечити високе далекісне розрізнення. Інший недолік прототипу полягає в тому, що для забезпечення високого розрізнення у вертикальній площині необхідно використовувати антену з великим вертикальним розміром, яку важко розмістити на борті корабля. В основу винаходу покладено завдання вдосконалення корабельного радіолокаційного міношукача, в якому за рахунок використання лінійної ґратки горизонтальних вібраторів для передавання та лінійки вертикальних вібраторів для приймання, безперервних сигналів і фокусування випромінювання в заданій смузі огляду на поверхні моря в близькій зоні антени за допомогою керованих фазообертачів передавальних та приймальних вібраторів забезпечують виявлення з високим розрізненням мін та інших об'єктів поблизу корабля на поверхні моря за умов поганої оптичної видимості в тумані або вночі при малій потужності передавача та малих вертикальних розмірах антени. Поставлене завдання вирішується тим, що в корабельному радіолокаційному міношукачі, що має в собі антенну систему, передавач, приймач з амплітудним детектором та індикатор, згідно з винаходом антенна система виконана у вигляді еквідистантної лінійки симетричних горизонтальних передавальних вібраторів та аналогічної лінійки вертикальних симетричних приймальних вібраторів, центри яких співпадають з центрами відповідних передавальних вібраторів, лінійка розташована поперек корабля, а позаду неї встановлений плоский металевий екран; у фідерних лініях передавальних і приймальних вібраторів антени додатково встановлені керовані фазообертачі періодичної зміни зсуву фаз сигналів, що передаються і приймаються, на величину ì 2 2p ï 2 B æ M + 1 öù 2 é Bt ÷ú í h + zF + ê - - d1 ç m l ï T 2 2 øû è ë , î 2ü æ Bt B ö ï - h 2 + z2 + ç - ÷ ý F èT 2ø ï þ jm = (1) де m - номер вібратора в лінійці антени, М - кількість передавальних (або приймальних) вібраторів у лінійці антени; jm - зсув фаз фазовращателя m-го передавального (або приймального) вібратора; l - довжина хвилі передавача; h - висота підйому антени над поверхнею моря; d1 - відстань між сусіднімі вібраторами в лінійці антени; Z F - горизонтальна віддаль від екрана антени до смуги огляду на поверхні моря; В - довжина смуги огляду на поверхні моря в поперечному до курсу корабля напрямі; Т - період огляду цієї смуги; t - час, відлічуваний від початку огляду; входи керованих фазообертачів передавальних вібраторів антени зв'язані з передавачем, а виходи фазообертачів приймальних вібраторів зв'язані з приймачем; на виході амплітудного детектора приймача встановлений пороговий пристрій з індикатором; індикатор виконаний у вигляді амплітудного індикатора, період горизонтальної розгортки якого дорівнює періодові огляду смуги огляду на поверхні моря. При цьому наявний у прототипі антенний перемикач зі складу запропонованого пристрою вилучений. Передачу безперервних сигналів у запропонованому пристрої здійснюють на горизонтальній поляризації за допомогою горизонтальних вібраторів, а приймають відбиті від мін та інших об'єктів на поверхні моря радіохвилі вертикальної поляризації, що виникають при відбитті від об'єктів у близькій зоні антени. Запропонована конструкція антенної системи забезпечує добру розв'язку приймальної та передавальної антен. Огляд заданої смуги огляду на поверхні моря в близькій зоні антени здійснюють шляхом періодичного фокусування випромінювання в межах цієї смуги. Це забезпечує високе розрізнення вздовж і впоперек заданої смуги огляду на поверхні моря при малих вертикальних розмірах антени. Необхідне періодичне фокусування випромінювання забезпечують за допомогою запропонованих фазообертачів у фідерних лініях передавальних і приймальних вібраторів антени. Далекість виявленого об'єкта на поверхні моря від лінії курсу корабля в межах смуги огляду для заданої наперед відомої віддалі від антени до цієї смуги визначають за амплітудним індикатором, період розгортки якого дорівнює періоду огляду заданої смуги огляду. Запропонований пристрій забезпечує можливість виявлення з високим розрізненням мін та інших об'єктів поблизу корабля на поверхні моря в умовах поганої оптичної видимості в тумані або 2 40042 вночі при малій потужності передавача та малих вертикальних розмірах антени. Прототип на таких малих відстанях поблизу корабля в близькій зоні антени не може виявляти об'єкти та вимірювати їх координати. Технічна суть і принцип дії запропонованого пристрою пояснюються фіг. 1,2,3,4. На фіг.1 представлена спрощена структурна схема корабельного радіолокаційного міношукача та умовно показані конструкція антенної системи, міна і смуга огляду на поверхні моря. На фіг.2 показані часові залежності зсуву фаз керованих фазообертачів запропонованого пристрою. На фіг.3,4 представлені розрахункові залежності вертикальної складової випромінюваного поля радіохвиль у заданій точці смуги огляду в межах плями фокусування поперек і вздовж цієї плями відповідно. До складу запропонованого пристрою на схемі фіг.1 входять такі основні елементи: лінійка горизонтальних симетричних передавальних вібраторів 1; лінійка вертикальних симетричних приймальних вібраторів 2 (кількість вібраторів у лінійці М, центри відповідних горизонтальних і вертикальних вібраторів одного й того ж номера співпадають, а лінійка розташована поперек корабля); плоский металевий екран 3, розташований позаду лінійки вібраторів на віддалі d2 трохи більшій чверті довжини хвилі; керовані фазообертачі 4 передавальних вібраторів; керовані фазообертачі 5 приймальних вібраторів (фазообертачі приймального й передавального вібраторів одного номера ідентичні, а часовий закон зміни зсуву їх фаз визначений співвідношенням (1)); передавач 6 безперервного синусоїдального сигналу високої частоти і постійної амплітуди; приймач 7 (звичайний супергетеродинний приймач з амплітудним детектором); пороговий пристрій 8 (він не пропускає на вихід сигнали низького рівня, викликані відбиттями радіохвиль від хвиль на морі, але пропускає на вихід інтенсивні сигнали, відбиті від мін або інших об'єктів на поверхні моря); індикатор 9 (шкала горизонтальної розгортки цього амплітудного індикатора проградуйована у віддалі від курсу корабля вздовж заданої поперечної смуги огляду). До складу запропонованого пристрою входить також синхронізатор для забезпечення синхронної роботи індикатора і фазообертачів, не показаний на схемі фіг. 1. Нижче пояснюється принцип дії запропонованого пристрою і обґрунтовуються його істотні відмітні ознаки. Антенна система запропонованого міношукача виконана з горизонтальної лінійки взаємно перпендикулярних горизонтальних і вертикальних вібраторів, центри яких відповідно суміщені. Лінійка розташована поперек корабля. З огляду на симетрію системи горизонтальні та вертикальні вібратори електрично майже не зв'язані один з одним. Горизонтальні вібратори використовують для передачі безперервного зондуючого сигналу горизонтальної поляризації, а вертикальні вібратори приймають відбиті від мін на поверхні моря сигна ли вертикальної поляризації. При цьому приймальна антена вертикальної поляризації практично не приймає прямих радіохвиль передавальної антени горизонтальної поляризації і останні не заважають приймати відбиті від мін на поверхні моря сигнали вертикальної поляризації. Тобто в антенній системі запропонованої конструкції забезпечена висока розв’язка горизонтальних і вертикальних вібраторів, а використовувати громіздкий екран розв'язки в цьому випадку не потрібно. Проведені розрахунки показали, що поле випромінювання лінійки горизонтальних вібраторів у близькій зоні антени на поверхні моря має значну складову вертикальної поляризації, яку пропонується використати для виявлення мін на поверхні моря поблизу корабля. Запропонований пристрій періодично проглядає задану вузьку смугу огляду на поверхні моря в близькій зоні антени перед кораблем. Ширина цієї смуги вздовж курсу корабля становить декілька метрів, а довжина В у поперечному до курсу корабля напрямі становить декілька сотень метрів. Горизонтальна віддаль від екрана антени до смуги огляду на поверхні моря zF та довжина цієї смуги В у поперечному до курсу корабля напрямі визначені заздалегідь (В~200м; zF~100м) заданим законом (1) зміни зсуву фаз керованих фазообертачів пристрою. Принципово необхідно, щоб смуга огляду знаходилась у близькій зоні антени. Це дозволяє здійснювати огляд заданої смуги на поверхні моря шляхом періодичного часового фазового фокусування безперервного випромінювання радіолокатора вздовж цієї смуги. Таке технічне розв'язання дозволяє одержати високе позрізнення за далькістю вздовж і поперек курсу корабля. Для цього необхідно використати антену з великим горизонтальним розміром, але вертикальний розмір антени може бути малим. З огляду на порівняно малу віддаль від екрана антени до смуги огляду на поверхні моря, в запропонованому пристрої можна використовувати передавач порівняно невеликої потужності. Необхідно забезпечити, щоб поля випромінювання горизонтальних передавальних вібраторів лінійки антени в поточній точці фокусування в смузі огляду на поверхні моря з координатами xF, zF додавались за фазою. Цього можна досягти шляхом встановлення відповідних зсувів фаз керованих фазообертачів 4 передавальних вібраторів. Ці зсуви фаз залежать від різниці ходу променів радіохвиль від точок на поверхні екрана антени, що знаходяться проти відповідних вібраторів до точки фокусування на поверхні моря і визначаються співвідношенням (1), одержаним з геометрії антенної системи на фіг. 1. Вирівнювання фаз сигналів, відбити х від цілі, на вході приймача здійснюють за допомогою фазообертачів 5 приймальних вібраторів, ідентичних фазообертачам 4 передавальних вібраторів. Огляд смуги огляду на поверхні моря здійснюють періодично справа налево з періодом огляду Т. Нумерація вібраторів лінійки також проведена справа налiво. В процессi огляду випромінювання антени фокусують послідовно в поточних точках смуги огляду з періодом огляду Т шляхом періодичної зміни зсувів фаз керованих фазообертачів за законом (1). Горизонтальна розгортка індикатора 9 також здійснюється з періодом 3 40042 Т і синхронізована з періодичним процесом фокусування випромінювання. За горизонтальною шкалою амплітудного індикатора 9 відраховують віддаль ХF від лінії курсу корабля до виявленої лінії вздовж смуги огляду, а горизонтальна віддаль від екрана антени до цієї смуги Z F відома і визначена заздалегідь законом (1) зміни зсуву фаз керованих фазообертачів. Приклад розрахунку зсуву фаз jm керованих фазообертачів від часу t представлений на фіг.2, де зсув фаз нормований на 2p, а час нормований на період огляду Т. Ці розрахунки здійснені за формулою (1) для фазообертачів вібраторів з номерами m=1; 20; 62; 81 (криві 1,2,3,4 відповідно) для антени з кількістю передавальних вібраторів у лінійці М=81. Слід відзначити, що при непарній кількості вібраторів у лінійці для середніх горизонтального і вертикального вібраторів (m=41) фазообертачі не потрібні, оскільки зсув їх фаз завжди дорівнює нулю. Розрахунки показали, що характер зміни зсуву фаз фазообертачів запропонованого пристрою аналогічний зміні зсуву фаз фазообертачів у відомій фазованій антенній гратці при електричному періодичному фазовому скануванні променя антени в азимутальному секторі в далекій зоні. Відмінності полягають у невеликій зміні величини зсуву фаз та форми його залежності від часу. Тому в запропонованому пристроїмодна використати відомі фазообертачі фазованних антенних ґраток, технологія виготовлення яких відома і освоєна промисловістю. Величина амплітуди вертикально поляризованої складової електричного поля випромінювання антени запропонованого пристрою на поверхні моря визначається співвідношенням EB = 120pLIm l M é M + 1öù æ 2pzd 2 æ h 2 + z 2 å êx - d 1 ç m ÷ú sinç 2 øû ç l r m m =1 ë è è ì 2 é ùü ï 2p ê h 2 + z 2 + éx - d æ m - M + 1öù - h2 + z 2 + x 2 - r ú ï exp j ÷ú í ê F 1ç m úý F F F ê 2 øû è ï l ê ë úï ë ûþ î ´ 3 rm 2 é M + 1 öù , æ rm = h + z + ê x - d1 ç m ÷ 2 øú è ë û 2 2 (3) Формула (2) одержана з геометрії антенної системи на фіг.1 з використанням відомих співвідношень для поля випромінювання симетричного вібратора з врахуванням впливу екрана. З формули (2) видно, що максимальна напруженість поля в середині заданої смуги огляду буде при віддалі d2 вібраторів до екрана, рівний 2 l h 2 + zF , d2 = 4z F (4) Така віддаль d2 трохи більша від четверті довжини хвилі, і її рекомендується вибирати за формулою (4). Приклади розрахунку амплітуди вертикальної складової напруженості електричного поля випромінювання антени запропонованого пристрою на поверхні моря поперек і вздовж плями фокусування з координатами (xF=70 м, zF=100 м) представлені на фіг.3,4. На фіг.3 показаний розподіл вертикальної складової поля в поперечному напрямі до лінії курсу корабля, а на фіг.Зб - вздовж курсу корабля. Графіки на фіг.2 і фіг.3,4 розраховані для корабельного радіолокаційного міношукача з наступними технічними характеристиками: довжина хвилі передавача l=0,5 м; потужність передавача P=100 Вт; передавальні і приймальні симетричні вібратори - півхвильові, вкорочені до резонансної довжини; віддаль між сусідніми вібраторами d1=0,25 м; віддаль від лінійки вібраторів до екрана антени d2=0,127 м; висота підняття антени над поверхнею моря h=20 м; кількість передавальних (або приймальних) вібраторів М=81; довжина лінійки передавальних горизонтальних вібраторів 20,25 м; довжина металевого екрана 22 м; вертикальний розмір металевого екрана 0,5 м; кількість фазообертачів передавальних (або приймальних) вібраторів -80; горизонтальна віддаль від екрана антени до смуги огляду на поверхні моря Z F=100 м; довжина смуги огляду в поперечному напрямі до курсу корабля В=200м; ширина смуги огляду на поверхні моря вздовж курсу корабля -12м; період огляду Т=1/300 с; частота огляду F=300 Гц; роздільна здатність по далькості вздовж курсу корабля - 8 м; роздільна здатність по далькості в поперечному напрямі до лінії кірсу корабля -5м. З фіг. 3,4 видно, що поле випромінювання лінійки горизонтальних передавальних вібраторів антени з екраном має на заданій смузі огляду інтенсивну вертикальну складову порядку Ев=6 В/м. Такого поля цілком достатньо, щоб прийняти відбиті від мін та інших об'єктів у полосі огляду на поверхні моря радіохвилі за допомогою лінійки вертикальних приймальних вібраторів бортової антени корабля. Фази сигналів вертикальних при ö ÷´ ÷ ø ,(2) де ЕB - амплітуда вертикальної складової напруженості електричного поля випромінювання антени на поверхні моря в точці з координатами (x,z) (система координат показана на фиг.1); L - діюча довжина передавального вібратора, які для півхвильового вібратора дорівнює L=l/p; l - довжина хвилі передавача; Іm- амплітуда струм у в передавальному вібраторі (у всіх передавальних вібраторах амплітуда струму однакова); h - висота підняття антени над поверхнею моря; (xF, zF) - координати точки фокусування в межах смуги огляду на поверхні моря; m - поточний номер передавального вібратора; М - кількість вібраторів у передавальній лінійці антени; d1 - віддаль між сусідними вібраторами; d2 - віддаль від лінійки вібраторів до екрана; rm - віддаль від точки на поверхні екрана антени проти m-го вібратора до точки спостереження з координатами (x,z) на поверхні моря, що дорівнює 4 40042 ймальних вібраторів за допомогою керованих фазообертачів 5 і сигнали додають синфазно на вході приймача. Для виявлення мін у смузі огляду на поверхні моря цілком достатньо передавача потужністю не більше 100 Вт. Запропонований пристрій забезпечує високу роздільну здатність вздовж і поперек смуги огляду при порівняно невеликому вертикальному розмірі антени (не більше 0,5 м). Прототип при такому вертикальному розмірі антени не зміг би забезпечити високого розрізнення у вертикальній площині в далекій зоні, а в длизькой зоні антени прототип взагалі не здатний виявляти цілі та вимірювати їх координати. Запропонована конструкція антенної системи, що складається з лінійки передавальних горизонтальних вібраторів і лінійки вертикальних вібраторів, потрібна для забезпечення високої розв'язки приймальної і передавальної антен без громіздкого екрана розв'язки, щоб прямі радіохвилі передавальної антени вертикальної поляризації, відбиті від мін на поверхні моря. Плоский металевий екран 3 потрібний для того, щоб радіохвилі, відбиті від хвиль за кормою корабля та від надбудов корабля, не заважали роботі радіолокатора. Цей екран також майже вдвічі збільшує інтенсивність поля радіохвиль на поверхні моря перед кораблем. Керовані фазообертачі 4 передавальних вібраторів потрібні для фокусування випромінювання передавальної антени на заданій смузі огляду на поверхні моря та для періодичного огляду цієї смуги сфокусованим променем. Керовані фазообертачі 5 приймальних вертикальних вібраторів антени потрібні для вирівнювання фаз сигналів цих вібраторів та синфазного додавання відбитих від мін сигналів на вході приймача. Пороговий пристрій 8 на виході амплітудного приймача потрібний для того, щоб не пропускати на індикатор сигнали низького рівня, відбиті від морських хвиль, і пропускати на вихід інтенсивні сигнали, відбиті від мін та інших об'єктів у смузі огляду на поверхні моря. Слід відзначити, що запропонований пристрій зможе ефективно працювати при слабкому хвилюванні на морі, а при сильному хвилюванні робота буде утр уднена відбиттям від морських хвиль. Зондуючий сигнал запропонованого пристрою є вузькосмуговим безперервним синусоїдальним сигналом високої частоти і постійної амплітуди, тому для приймання сигналу можна застосувати приймач з вузькою смугою пропускання і покращити за рахунок цього завадозахищеність радіолокатора. Отже, запропонований пристрій може бути практично реалізований і усуває відзначені недоліки аналога та прототипу, а відзначені вище відмітні ознаки є істотними і принципово необхідні для реалізації пристрою. Основні елементи запропонованого пристрою, представленого на схемі фіг.1, виконані наступним чином. Бортова антенна система виконана з еквідистантної лінійки горизонтальних передавальних симетричних вібраторів 1 і аналогічної лінійки вертикальних приймальних симетричних вібраторів 2. Лінійка вібраторів розташована поперек корабля в його передній частині, а центри відповідних передавальних та приймальних вібраторів суміщені. Фідерні лінії всіх вібраторів антени повинні мати однакову довжину. Фазообертачі 4 передавальних та фазообертачі 5 приймальних вібраторів є ідентичними для відповідних вібраторів з однаковим номером і можуть бути виконані у вигляді відомих керованих феритових фазообертачів. Передавач 6 виконаний у вигляді генератора безперервних синусоїдальних коливань високої частоти та постійної амплітуди. Потужність цього передавача мала і не перевищує 100 Вт. Приймач 7 може бути виконаний у вигляді звичайного супергетеродинного приймача з амплітудним детектором і порівняно вузькою смугою пропускання. Пороговий пристрій 8 є амплітудним обмежувачем знизу. Індикатор 9 може бути виконаний у вигляді амплітудного індикатора, шкала горизонтальної розгортки якого проградуйована у віддалях вздовж смуги огляду в поперечному до курсу корабля напрямі. Робота запропонованого пристрою здійснюється наступним чином. Генератор 6 передавача генерує безперервні синусоїдальні коливання високої частоти з постійною амплітудою. Фазообертачі 4 передавальних вібраторів періодично змінюють фази зондуюючих сигналів у передавальних вібраторах 1 згідно з співвідношенням (1). Передавальні вібратори 1 лінійки антени випромінюють радіохвилі горизонтальної поляризації, які мають значну вертикальну складову поля радіохвиль на поверхні моря в смузі огляду в близькій зоні антени. Огляд цієї смуги здійснюють періодично з періодом огляду Т сфокусованим променем шляхом відповідної зміни зсувів фаз керованих фазообертачів 4. Радіохвилі вертикальної поляризації відбиваються від мін та інших об'єктів на поверхні моря на заданій смузі огляду і приймаються вертикальними приймальними вібраторами 2 антенної системи радіолокатора. Вертикальні вібратори 2 не приймають прямих радіохвиль передавальних горизонтальних вібраторів 1, і ці прямі радіохвилі не заважають приймати відбиті від мін сигнали вертикальної поляризації. Фазообертачі 5 вирівнюють фази сигналів, прийнятих вертикальними вібраторами 2, і ці сигнали додаються синфазно на вході приймача. Приймач 7 підсилює прийнятий ехо-сигнал і детектує його. Пороговий пристрій 8 пропускає на вихід сигнали високого рівня, відбиті від мін, але не пропускає сигналів низького рівня, відбитих від морських хвиль. Прийнятий сигнал спостерігають на екрані індикатора 9 і за горизонтальною шкалою цього індикатора вимірюють віддаль від лінії курсу корабля до виявленої міни вздовж смуги огляду, а горизонтальна віддаль від екрана антени до смуги огляду вздовж курсу корабля є заздалегідь заданою і відомою. Таким чином, запропонований пристрій розв'язує поставлене завдання, усуває відзначені недоліки аналога та прототипу і забезпечує можливість виявлення з високим розрізненням мін та інших об'єктів поблизу корабля на поверхні моря в умовах поганої оптичної видимості в тумані або вночі при малій потужності передавача та малих вертикальних розмірах антени. 5 40042 Фіг. 1 6 40042 Фіг. 2 7 40042 Фіг. 3 8 40042 Фіг. 4 9 40042 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 10