Бортовий радіолокатор літального апарата

Бортовий радіолокатор літального апарата, що містить в собі антенну систему, передавач, приймач та індикатор, який відрізняється тим, що передавач виконаний з безперервним синусоїдальним сигналом високої частоти та постійної амплітуди, антенна система виконана з еквідистантної лінійки несиметричних передавальних вібраторів та ідентичної лінійки несиметричних приймальних вібраторів, лінійки розташовані вздовж фюзеляжу літального апарата, а між ними встановлений екран розв’язки антен, у фідерних лініях передавальних та приймальних вібраторів антени додатково встановлені керовані фазообертачі періодичної зміни зсуву фаз сигналів, що передаються й приймаються, на величину A (54) БОРТОВИЙ РАДІОЛОКАТОР ЛІТАЛЬНОГО АП АРАТА 37472 приймально-передавальну антену з перемикачем з передавання на приймання, Імпульсний передавач, приймач, індикатор далекості та синхронізатор. Передавач прототипу формує зондуючий сигнал у вигляді періодичної послідовності коротких радіоімпульсів на високій несучій частоті. Приймання відбитих від цілі сигналів здійснюють у часових інтервалах між зондуючими радіоімпульсами, для чого перемикають антену від передавача до приймача за допомогою антенного перемикача. Далекість цілі (або висоту польоту над землею) визначають за допомогою амплітудного індикатора далекості за часом запізнення відбитого від цілі радіоімпульсу відносно зондуючого імпульсу передавача. Недоліком прототипу є те, що він не дозволяє виявляти цілі на малих далекостях (або вимірювати малі висоти польоту), які є меншими добутку швидкості світла на половину тривалості зондуючого радіоімпульсу. Забезпечити вимірювання малих далекостей шляхом використання дуже коротких радіоімпульсів дуже часто не вдається, оскільки сформувати такі імпульси дуже важко. Інший недолік прототипу полягає в тому, що для забезпечення високого розрізнення у вертикальній і горизонтальній площинах потрібно використовувати антену з великими вертикальними та горизонтальними розмірами, яку важко розмістити на борту літального апарата. В основу винаходу поставлене завдання вдосконалення бортового радіолокатора літального апарата, в якому за рахунок використання передавача безперервного сигналу та антенної системи у вигляді вібраторних лінійок, розділених екраном розв'язки і встановлених вздовж фюзеляжу літального апарата, забезпечують за допомогою керованих фазообертачів часове фазове періодичне фокусування випромінювання антени на заданий інтервал висот польоту на заданій малій далекості в близькій зоні антени, що дозволяє виявляти об'єкти, які летять у нижній частині передньої півсфери літального апарата на малих далекостях, і вимірювати висоти їх польоту над землею, а також вимірювати власну висоту польоту на малих висотах. Поставлене завдання розв'язується завдяки тому , що в бортовому радіолокаторі літального апарата, що має антенну систему, передавач, приймач та індикатор, згідно з винаходом: передавач виконаний з безперервним синусоїдальним сигналом високої частоти з постійною амплітудою; антенна система виконана з еквідистантної лінійки несиметричних передавальних вібраторів та ідентичної лінійки несиметричних приймальних вібраторів, лінійки розташовані вздовж фюзеляжу літального апарата, а між ними вставлений екран розв'язки антен; у фідерних лініях передавальних та приймальних вібраторів антени додатково встановлені керовані фазообертачі для періодичної зміни зсуву фаз передавальних сигналів і сигналів, що приймаються, на величину де n - номер вібратора в лінійці антени; N - кількість передавальних (або приймальних) вібраторів у лінійці антени; jn - зсув фаз фазообертача n - го передавального (або приймального) вібратора; l - довжина хвилі передавача; z M - максимальна межа вимірювальних-висот польоту; d1 - відстань між сусідніми вібраторами в лінійці антени; d2 - відстань між передавальною та приймальною лінійками антени; xF - горизонтальна віддаль від середини лінійки антени до точки фокусування у близькій зоні антени; Т - період огляду для заданого інтервалу висот польоту; 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, індикатор виконаний у вигляді амплітудного індикатора, період горизонтальної розгортки якого дорівнює періоду огляду заданого інтервалу висот польоту. При цьому наявний у прототипі антенний перемикач зі складу запропонованого пристрою виключено. Огляд заданого інтервалу висот польоту в нижній частині передньої півсфери при заданій горизонтальній далекості в близькій зоні антени здійснюють шляхом періодичного тимчасового фазового фокусування випромінювання на цьому інтервалі частот. Це забезпечує високу роздільність щодо висоти і далекості при використанні довгої бортової антени, розміри якої є малими в напрямі висоти та ширини літального апарата. Необхідне періодичне фокусування випромінювання забезпечують за допомогою запропонованих керованих фазообертачів на фідерних лініях передавальних та приймальних вібраторів антени. Висоту польоту цілей і власну висоту польоту над землею визначають за амплітудним індикатором, період розгортки якого дорівнює періодові огляду заданого інтервалу висот. Запропонований пристрій забезпечує виявлення об'єктів, які летять в нbжній частині передньої півсфери літального апарату на малих далекостях, та вимірювання висоти їх польоту над землею, а також вимірювання власної висоти польоту на малих висотах. Пропозицію можна використати, наприклад, для відвернення зіткнень з іншими літальними апаратами або птахами при посадці за умов поганої видимості. Технічна суть та принцип дії запропонованого пристрою пояснюються фіг. 1, 2, 3, 4, 5. На фіг. 1 представлена спрощена структурна схема бортового радіолокатора літального апарату. На фіг. 2 показані часові залежності зсуву фаз керованих фазообертачів запропонованого пристрою. На фіг. 3, 4, 5 представлені розрахункові залежності випромінюваного поля радіохвиль у плямі фокусування від віддалей вздовж (фіг. 3), поперек (фіг. 4), та по висоті (фіг. 5) цієї плями. До складу запропонованого пристрою на схемі фіг. 1 входять такі основні елементи: лінійка горизонтальних несиметричних передавальних вібраторів 1;лінійка горизонтальних не 2 37472 симетричних приймальних вібраторів 2 (кількість вібраторів у лінійці N, а лінійки розміщені вздовж фюзеляжу літального апарату); екран розв'язки передавальної і приймальної антен 3; керовані фазообертачі 4 передавальних вібраторів; керовані фазообертачі 5 приймальних вібраторів (фазообертачі приймального та 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); індикатор 8 (шкала горизонтальної розгортки цього амплітудного індикатора проградуйована у висотах польоту над землею). До складу запропонованого пристрою входить також синхронізатор для забезпечення синхронної роботи індикатора та фазообертачів, який на схемі фіг. 1 не показаний. Нижче пояснюються принцип дії запропонованого пристрою і обґрунтовуються його суттєві відмітні ознаки. Антенна система запропонованого радіолокатора виконана з лінійки горизонтальних несиметричних передавальних вібраторів та ідентичної лінійки приймальних вібраторів. Між лінійками встановлений екран розв'язки антен, а лінійки розміщені вздовж фюзеляжу літального апарату. Запропонований пристрій періодично оглядає задану смугу огляду по висоті польоту в нижній частині передньої півсфери на заданій малій далекості в близькій зоні антени. Ширина цієї смуги вздовж курсу становить майже15 метрів, а в поперечному до курсу напрямі - біля 50 метрів. Огляд смуги огляду здійснюють у заданому інтервалі висот на заданій горизонтальній далекості. Принципово необхідно, щоб смуга огляду знаходилась у близькій зоні антени. Це дозволяє здійснювати огляд заданої смуги шля хом періодичного тимчасового фазового фокусування безперервного випромінювання радіолокатора по висоті над землею. Таке технічне розв′язання дозволяє одержати високу роздільність по висоті і далекості. Для цього необхідно використати антену великої довжини вздовж фюзеляжу літального апарату, але розміри антени по висоті і ширині літального апарата можуть бути малими. Через порівняно малу відстань від антени до смуги огляду 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 з координатами ХF, ZF додавались у фазі. Це можна забезпечити шляхом встановлення відповідних зсувів фаз керованих фазообертачів 4 передавальних вібраторів. Ці зсуви фаз залежать від різниці ходупроменів радіохвиль від вібраторів до точки фокусування і визначаються співвідношенням (1), одержаним з геометрії антенної системи на фіг. 1. Вирівнювання фаз відбитих від цілі (або землі на далекості ХF сигналів на вході приймача здійснюють за допомогою фазообертачів 5 приймальних вібраторів, ідентичних фазообертачам 4 передавальних вібраторів. Огляд смуги огляду здійснюють періодично зверху вниз з періодом огляду Т. В процесі 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 8 також здійснюється з періодом Т і синхронізована з періодичним процесом фокусування випромінювання. По горизонтальній шкалі амплітудного індикатора 9 відраховують висоти від літального апарату до цілей або земної поверхні. Горизонтальна далекість ХF від середини антени до смуги огляду відома і визначена наперед законом (1) зміни зсуву фаз керованих фазообертачів. Приклад розрахунку залежностей зсуву фаз jn керованих фазообертачів від часу t представлений на фіг. 2, де зсув фаз нормований на 2p ,а час нормований на період огляду Т.Ці розрахунки зроблені за формулою (1) для фазообертачів вібраторів з номерами n=1, 40, 140, 201 для антени з кількістю передавальних вібраторів у лінійці N=201 Слід відзначити, що при непарній кількості вібраторів у лінійці для середніх передавального та приймального вібраторів (n=101) фазообертачі не потрібні, оскільки їх зсув фаз завжди дорівнює нулю. Розрахунки показали, що характер зміни зсуву фаз фазообертачів запропонованого пристрою є аналогічним зміні зсуву фаз фазообертачів у відомій фазованій антенній гратці при електричному періодичному фазовому скануванні променя антени в площині кута місця в далекій зоні. Відмінності полягають у невеликій зміні величини зсуву фаз та форми його зміни з часом. Тому в запропонованому пристрої можна використати відомі фазообертачі фазованих антенних граток, технологія виготовлення яких відома і освоєна промисловістю. Величина амплітуди електричного поля випромінювання антени запропонованого пристрою з врахуванням екрана розв'язки визначається співвідношенням де Е - амплітуда напруженості електричного поля випромінювання антени в точці з координатами (х, у, z) (система координат показана на фіг.1); L - діюча довжина передавального вібратора з урахуванням впливу екрана розв'язки, яка для чверть хвильового несиметричного вібратора дорівнює L=l/p l - довжина хвилі передавача; Im - амплітуда стр уму в передавальному вібраторі (у всі х передавальних вібраторів амплітуда струму однакова); ХF, O, ZF - координати точки фокусування; n - поточний номер передавального вібратора; N - кількість вібраторів у передавальній лінійці антени; d1 - віддаль між сусідніми вібраторами в лінійці антени; 3 37472 d2 - віддаль між приймальною і передавальною лінійками антени; In - віддаль від n-го вібратора передавальної антени до точки спостереження з координатами (х, у, z), яка дорівнює Екран розв'язки необхідний для того, щоб прямі радіохвилі передавальної антени не заважали приймати сигнали відлуння, відбиті від цілей та землі. Керовані фазообертачі 4 передавальних вібраторів необхідні для фокусування випромінювання передавальної антени на заданій смузі огляду та для періодичного огляду цієї смуги по висоті над землею. Керовані фазообертачі 5 приймальних вібраторів антени необхідні для вирівнювання фаз сигналів цих вібраторів та синфазного додавання відбитих від цілей сигналів на вході приймача. Зондуючий сигнал запропонованого пристрою це вузько смуговий безперервний синусоїдальний сигнал високої частоти і постійної амплітуди, тому для приймання сигналу можна використовувати приймач з вузькою смугою пропускання і за рахунок цього покращити завадозахищеність радіолокатора. Таким чином, запропонований пристрій може бути практично реалізований, він усуває відзначені недоліки аналога і прототипу, а відзначені вище відмітні ознаки є істотними і принципово необхідні для реалізації пристрою. Основні елементи запропонованого пристрою на схемі фіг. 1 виконані наступним чином. Бортова антенна система виконана з еквідистантної лінійки горизонтальних передавальних несиметричних вібраторів 1 і аналогічної лінійки приймальних несиметричних вібраторів 2. Екран розв'язки антен 3 може бути виконаний у вигляді плоского металевого екрана, розташованого вздовж фюзеляжу літального апарата між лінійками вібраторів. Віддаль d2 між лінійками вібраторів по ширині літального апарату не має істотного значення, вона обирається з конструктивних міркувань і може бути порівняно невеликою. Лінійки антени 1. 2 можуть бути виконані у вигляді коротких несиметричних вібраторів, живлення до яких подається від прямокутового хвилеводу, а керовані фазообертачі можуть бути розміщені в цьому ж хвилеводі. Фазообертачі 4 передавальних та фазообертачі 5 приймальних вібраторів є ідентичними для відповідних вібраторів з однаковим номером і можуть бути виконані у вигляді відомих керованих феритови х фазообертачів, в обмотках підмагнічування яких збуджується періодичний струм необхідної форми з періодом огляду Т відповідно з необхідним законом (1) зміни фази сигналу. Передавач 6, виконаний у вигляді генератора безперервних синусоїдальних коливань високої частоти та постійної амплітуди. Потужність цього передавача порівняно мала і не перевищує 100 Вт. Приймач 7 може бути виконаний у вигляді звичайного супергетеродинного приймача з амплітудним детектором і порівняно вузькою смугою пропускання. Індикатор 8 може бути виконаний у вигляді амплітудного індикатора, шкала горизонтальної розгортки якого проградуйована у висоті над землею. Період розгортки індикатора 8 дорівнює періоду огляду Т, а робота індикатора і керованих фазообертачів синхронізована синхронізатором радіолокатора. Робота запропонованого пристрою здійснюється наступним чином. Генератор 6 передавача генерує безперервні синусоїдальні коливання ви Формула (2) одержана з геометрії антенної системи, показаної на фіг. 1, з використанням відомих співвідношень для поля випромінювання вібратора з врахуванням впливу екрана розв'язки. Приклади розрахунку амплітуди напруженості електричного поля випромінювання антени запропонованого пристрою поблизу плями фокусування з координатами (хF=200 м, YF=0, ZF=80 м) при висоті польоту h=100м в залежності від висоти над землею, далекості в напрямі курсу та віддалі поперек курсу літального апарату представлені на фіг. 3, 4, 5. Графіки на фіг. 2, 3, 4 та 5 розраховані для бортового радіолокатора з такими технічними характеристиками: Довжина хвилі передавача l=0,04 м; Потужність передавача Р=100 Вт; Передавальні та приймальні вібратори - несиметричні чверть хвильові; Віддаль між сусідніми вібраторами d1=0,04; Віддаль між лінійками антени d2=0,5 м; Кількість передавальних (або приймальних) вібраторів N=201; Довжина лінійки вібраторів - 8 м; Кількість фазообертачів передавальних (приймальних) вібраторів - 200; Горизонтальна далекість від середини лінійки антени до смуги огляду XF - 200: Інтервал вимірюваних висот польоту - від 0 до 300 м; Ширина смуги огляду в поперечному відносно курсу напрями 50м; Період огляду Т=1/300 с; Частота огляду F=300 Гц; Роздільна здатність по далекості в напрямі курсу - 10м; Середня роздільна здатність по висоті польоту - 3 м (зі зменшенням висоти роздільна здатність по висоті покращується). З фіг. 3, 4 та 5 видно, що поле випромінювання лінійки передавальних вібраторів антени з екраном розв'язки має на заданій смузі огляду інтенсивну напруженість поля радіохвиль порядку ЕВ=6 В/м. Такого поля цілком достатньо, щоб прийняти відбиті від об'єктів, які летять, або птахів сигналів відлуння за допомогою лінійки приймальних вібраторів бортової антени. Фази сигналів приймальних вібраторів вирівнюють за допомогою керованих фазообертачів 5 і сигнали додають синфазно на вході приймача. Для виявлення об'єктів, що летять у смузі огляду в нижній частині передньої півсфери, та вимірювання висоти їх польоту цілком достатньо передавача з потужністю не більше 100 Вт., а для вимірювання власної малої висоти польоту потужність може бути значно меншою. Запропонований пристрій забезпечує високу роздільну здатність по висоті польоту при порівняно невеликому вертикальному розмірі бортової антени. 4 37472 сокої частоти і постійної амплітуди. Фазообертачі 4 передавальних вібраторів періодично змінюють фази зондуючих си гналів у передавальних вібраторах 2 відповідно зі співвідношенням (2). Передавальні вібратори 2 лінійки антени випромінюють радіохвилі горизонтальної поляризації. Огляд смуги огляду в заданому інтервалі висот над землею на заданій далекості в близькій зоні антени здійснюють періодично з періодом огляду Т сфокусованим променем шляхом відповідної зміни зсувів фаз керованих фазообертачів 4. Радіохвилі відбиваються від об'єктів, що летять в нижній частини передньої півсфери на заданій смузі огляду, та від поверхні землі і приймаються приймальними вібраторами 2 антенної системи радіолокатора. Приймальні вібратори не приймають прямих радіохвиль передавальних вібраторів 1, і ці прямі радіохвилі не заважають приймати відбиті сигнали відлуння. Фазообертачі 5 вирівнюють фази сигналів, прийнятих вібраторами 2, і ці сигнали додаються синфазно на вході приймача. Приймач 7 підсилює прийнятий сигнал відлуння і детектує його. Прий нятий сигнал спостерігають на екрані індикатора 8 і по горизонтальній шкалі цього індикатора вимірюють висоту польоту над землею літального апарата та висоти польоту цілей в нижній частині передньої півсфери. Горизонтальна далекість від антени до смуги огляду вздовж курсу наперед задана і відома. Таким чином, запропонований пристрій розв'язує поставлене завдання, усуває відзначені недоліки аналога та прототипу і забезпечує виявлення об'єктів, що летять в нижній частині передньої півсфери літального апарата на малих далекостях, а також вимірювання власної висоти польоту на малих висота х. Винахід можна використовувати, наприклад, для запобігання зіткненню з іншими літальними апаратами або птахами при посадці за умов поганої видимості. Джерела інформації: Педак А. М., Баклашов П. И. и др. Справочник по основам радиолокационной техники. Под ред. В. В. Др ужинина. - М.: Воениздат, 1967, с. 13, рис. 1.1, (прототип). 5 37472 Фіг. 1 6 37472 Фіг. 2 7 37472 Фіг. 3 8 37472 Фіг. 4 9 37472 Фіг. 5 10 37472 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 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 ___________________________________________________________ 11