Бортовий секвентний радіолокатор для виявлення рухомих цілей на поверхні землі

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в бортовых секвентных радиолокаторах с несинусоидальным импульсным сигналом в виде периодической последовательности видеоимпульсов поля радиоволн наносекундной длительности без несущей частоты для обнаружения наземных движущи хся целей (например, движущихся в лесу объектов) на фоне пассивных помех от земли. Известен вертолетный секвентный радиолокатор ледовой разведки [1, с.42, 43, рис.1.6.9]. Это радиолокатор излучает зондирующий сигнал в виде периодических видеоимпульсов наносекундной длительности без несущей частоты. Бортовая приемо-передающая антенна направлена вертикально вниз и переключается с передачи на прием с помощью антенного переключателя. Сканирование диаграммы направленности по азимуту и углу места не предусмотрено. Для усиления сигналов в радиолокаторе использован приемник в виде широкополосного усилителя видеоимпульсов. Принятые эхо-сигналы наблюдают с помощью индикатора. Недостатком этого аналога является то, что радиолокатор не защищен от пассивных помех от подстилающей поверхности и эти помехи мешают работе радиолокатора. В качестве прототипа выбран самолетный секвентный радиолокатор [1]. В состав прототипа входят следующие основные элементы: бортовая приемо-передающая антенна с антенным переключателем для переключения этой антенны с передачи на прием; передатчик периодических наносекундных видеоимпульсов без несущей частоты; приемник в виде широкополосного усилителя видеоимпульсов индикатор для наблюдения принятых эхо-сигналов. Бортовая антенна прототипа направлена вертикально вниз, а сканирование диаграммы направленности этой антенны по азимуту и углу места не предусмотрено. Недостатком прототипа является то, что этот радиолокатор не защищен от пассивных помех от земли и такие пассивные помехи мешают обнаруживать цели вблизи земной поверхности. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования бортового секвентного радиолокатора для обнаружения движущихся целей на поверхности земли, в котором за счет дополнительного включения в состав радиолокатора устройства сканирования антенны по угловым координатам, гетеродина видеоимпульсных сигналов, диодного смесителя сигналов приемника и гетеродина и фильтра нижних частот обеспечивается обнаружение движущи хся целей вблизи земной поверхности и улучшается помехозащищенность бортового радиолокатора от пассивных помех от земли. Поставленная задача решается тем, что в бортовом секвентном радиолокаторе для обнаружения движущихся целей на поверхности земли, содержащем приемо-передающую антенну с антенным переключателем, передатчик зондирующи х периодических видеоимпульсных сигналов наносекундной длительности без несущей частоты, приемник и индикатор, согласно изобретению в состав радиолокатора дополнительно включены устройство сканирования антенны с датчиком азимута и угла места и гетеродин видеоимпульсных сигналов наносекундной длительности с устройством изменения частоты следования видеоимпульсов по соотношению Fг этих где F - частота следования зондирующи х видеоимпульсов передатчика; V - скорость полета; c - скорость света; q, b - угол места и азимутальный угол ориентации оси антенны, на выходе приемника установлен диодный смеситель выходного напряжения приемника и напряжения гетеродина, выход смесителя связан с фильтром нижних частот с полосой пропускания от где Vмин , Vмако - диапазон возможных скоростей наземных целей; fв - вер хняя граничная частота полосы пропускания антенны, выход фильтра нижних частот связан с индикатором, а выход датчика азимута и угла места связан со входом устройства изменения частоты следования видеоимпульсов гетеродина. При этом частота следования F зондирующи х видеоимпульсов передатчика значительно больше максимальной допплеровской частоты эхо-сигнала движущейся цели на верхней частоте спектра излучаемого зондирующего сигнала бортовая антенна должна иметь, по возможности, узкую диаграмму направленности, а диод смесителя должен иметь примерно квадратичную вольт-амперную характеристику. Полагается также, что амплитуда видеоимпульса гетеродина значительно больше выходного напряжения приемника. Дополнительное включение в состав радиолокатора устройства сканирования антенны по угловым координатам, гетеродина видеоимпульсных сигналов, диодного смесителя сигналов приемника и гетеродина и фильтра нижних частот обеспечивает выделение эхосигнала движущейся цели на выходе фильтра нижних частот, что позволяет обнаруживать движущиеся цели на поверхности земли и защищает радиолокатор от пассивных помех от земной поверхности. Предложенное устройство позволяет обнаруживать движущиеся цели вблизи земной поверхности (в том числе и в лесу) с борта летательного аппарата на фоне пассивных помех от земли, но не предназначено для обнаружения неподвижных и подземных целей. Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются рисунком на фиг., где представлена упрощенная структурная схема предложенного бортового радиолокатора, а также условно показаны диаграмма направленности бортовой антенны, поверхность земли и наземная движущаяся цель. В состав предложенного устройства на схеме фиг. входят следующие основные элементы: - бортовая приемо-передающая антенна 1; - антенный переключатель 2 для переключения антенны с передачи на прием; - устройство 3 сканирования диаграммы направленности антенны 1 по азимуту b и углу места q относительно направления полета с датчиком азимута и угла места 4; - передатчик 5 несинусоидальных импульсных сигналов в виде периодической последовательности наносекундных видеоимпульсов с высокой частотой следования импульсов F без несущей частоты; - приемник 6 в виде широкополосного усилителя наносекундных видеоимпульсов; - гетеродин 7 видеоимпульсных сигналов наносекундной длительности с устройством 8 изменения частоты следования Fг видеоимпульсов гетеродина (частота следования Fг изменяется по соотношению (1) в зависимости от угловой ориентации оси антенны и скорости полета V); - смеситель 9 сигналов приемника и гетеродина в виде диода с квадратичной вольтамперной характеристикой (приемник 6 и гетеродин 7 подключены к смесителю последовательно с соответствием полярности сигналов полярности включения диода); фильтр нижних частот 10 для отфильтровывания допплеровского спектра эхосигналов движущейся цели и подавления пассивных помех от земли; - индикатор 11 для наблюдения эхо-сигналов цели. Принцип действия предложенного устройства поясняется следующим. Антенна 1 излучает периодический широкополосный зондирующий сигнал, спектр которого занимает полосу частот от F до fв, а количество гармоник спектра равно N = -fв/F. Для подавления пассивных помех от земли использован эффект Допплера. Этот эффект приводит к тому, что каждая составляющая спектра эхо-сигнала движущейся цели приобретает свое допплеровское смещение частоты FДЦn, равное а каждая составляющая спектра пассивной помехи от земли будет иметь свой допплеровский сдвиг частоты FДЦ n, равный где n - номер гармоники спектра сигналов и помех; F -частота следования зондирующих видеоимпульсов; c - скорость света; VгЦ - радиальная составляющая скорость движущейся цели; Vг - радиальная составляющая проекции скорости полета на направления луча радиоволн в точку наблюдения, равная где V - скорость полета; q, b - угол места и азимутальный угол точки наблюдения относительно направления полета. Допплеровский сдвиг частоты для всех составляющих спектра пассивной помехи от земли FДЦn известен, так как известна скорость полета и угловое направление оси антенны q, b а допплеровский сдвиг для составляющих спектра эхо-сигнала движущейся цели не известен и отличается от допплеровского сдвига пассивной помехи. Эти различия предлагается использовать для подавления пассивной помехи и выделения допплеровского спектра эхо-сигнала движущейся цели. Для реализации этого предлагается смешать выходное напряжение приемника 4 с напряжением гетеродина 7, спектр сигнала которого идентичен спектру пассивной помехи от земли, с помощью диодного смесителя 9 с квадратичной вольтамперной характеристикой. Для того, чтобы спектр сигнала гетеродина 7 был идентичен известному спектру пассивной помехи от земли, необходимо выбрать частоту следования наносекундных видеоимпульсов гетеродина Fг в соответствии с соотношением (1), которое получено на основе соотношений (6), (7). При таком выборе частоты следования видеоимпульсов гетеродина Fг допплеровский спектр пассивной помехи на выходе смесителя 9 будет отсутствовать, а допплеровский спектр эхо-сигнала движущейся цели будет выделен. При этом допплеровский спектр эхо-сигнала движущейся цели на выходе смесителя 9 будет состоять из N гармоник в интервале частот от 2VгЦF/c до 2VгЦNF/c = 2VгЦfв /c где VгЦ - радиальная скорость цели; fв верхняя граничная частота полосы пропускания антенны. Для выделения допплеровского спектра эхо-сигнала движущейся цели и подавления пассивной помехи от земли использован фильтр нижних частот 10, полоса пропускания которого определена соотношениями (2), (3). Такая полоса необходима для того, чтобы гармоники спектра пассивной помехи и гетеродина подавлялись этим фильтром и не мешали обнаруживать движущуюся цель. Для того, чтобы эти гармоники не попадали в полосу пропускания фильтра 10, требуется выполнить ограничение (4) на частоту следования F зондирующих видеоимпульсов передатчика, то есть требуется выбрать достаточно высокую частоту следования f (порядка МГц). Ограничение (4) обычно всегда легко выполняется. Проведенные расчеты показали что допплеровский спектр эхо-сигнала движущейся цели на выходе фильтра 10 образует видеоимпульсы миллисекундной длительности, которые можно наблюдать на индикаторе 11. Наличие этих видеоимпульсов будет свидетельствовать о наличии движущейся цели. При этом координаты наземной цели можно легко определить по угловому положению антенны и известной высоте полета болта. Следует отметить, что длительность выделенных допплеровских видеоимпульсов цели на выходе фильтра 10 содержит также информацию о радиальной скорости движущейся цели. Устройство 8 изменения частоты следования видеоимпульсов гетеродина 7 по закону (1) принципиально необходимо для обеспечения идентичности спектра сигнала гетеродина с известным спектром пассивной помехи от земли. Такая идентичность требуется для подавления пассивной помехи с помощью смесителя 9 и фильтра 10. Для управления устройством 8 на его вход управления подается информация об угловом положении антенны с датчика 4 азимута и угла места антенны, Кроме того, требуется также информация о скорости полета борта V. Таким образом, предложенное устройство может быть практически реализовано, а отмеченные выше отличительные признаки являются существенными и принципиально необходимы для реализации этого устройства. Основные элементы предложенного устройства на схеме чертежа выполнены следующим образом. Антенна 1, передатчик 5 и приемник 6 выполнены для излучения и приема наносекундных видеоимпульсных сигналов без несущей часто ты. Такие системы могут быть практически реализованы, так как физические основы и принципы их построения известны и описаны в литературе [1]. Антенный переключатель 2 закорачивает вход приемника 6 во время передачи зондирующих видеоимпульсов и может быть выполнен в виде широкополосного твердотельного переключателя. Устройство 3 сканирования антенны в секторе обзора земной поверхности с датчиком 4 азимута и угла места оси антенны может быть выполнено, например, в виде электромеханического устройства перемещения антенны. Антенна 1 может быть выполнена, например, в виде зеркальной антенны с металлическим параболическим зеркалом и коротким вибраторным облучателем, запитываемым коаксиальным кабелем. Приемник 6 представляет широкополосный усилитель видеоимпульсов наносекундной длительности. Гетеродин 7 представляет маломощный генератор наносекундных видеоимпульсов, частота следования которых Fг задается устройством 8 изменения частоты следования по закону (1). Для этого на вход управления устройства 8 подается информация об угловом направлении оси антенны (углы q, b), а используется известная информация о скорости полета борта V и частоте следования F зондирующи х видеоимпульсов передатчика, Амплитуда видеоимпульсов гетеродина 7 должна быть значительно больше выходного напряжения приемника 6 (это способствует подавлению пассивных помех от земли). Смеситель 9 выполнен на диоде с квадратичной вольтамперной характеристикой. Напряжения с выхода приемника 6 и гетеродина 7 подключены к смесителю с одинаковой полярностью. Это позволяет выполнить смеситель 9 на одном диоде, Фильтр нижних частот 10 имеет полосу пропускания, определенную соотношениями (2), (3). Индикатор 11 аналогичен индикатору прототипа. Динамика работы предложенного устройства осуществляется следующим образом. Передатчик 5 формирует, а антенна 1 излучают в сторону цели зондирующий сигнал в виде видеоимпульсов поля радиоволн наносекундной длительности без несущей часто ты с высокой (порядка МГц) частотой следования импульсов. Антенна 1 принимает эхо-сигналы движущейся цели и пассивные помехи от земли. Допплеровский сдвиг эхо-сигнала движущейся цели отличается от известного допплеровского сдвига пассивных помех от земли. Гетеродин 7 генерирует наносекундные видеоимпульсы, частота следования которых Fг определена направлением антенны относительно направления полета (углами q, b) и значениями F, V и выбрана с помощью устройства 8 по соотношению (1). При этом спектр сигнала гетеродина 7 идентичен известному спектру пассивной помехи от земли. Устройство 3 сканирования антенны 1 осуществляет сканирование антенны в секторе обзора земной поверхности, а датчик 4 азимута и угла, места оси антенны выдает информацию о направлении антенны для устройства 8 изменения частоты следования видеоимпульсов гетеродина 7. Этим поддерживается идентичность спектров сигналов гетеродина и пассивной помехи от земли при сканировании антенны. Сигналы с выхода приемника 6 и гетеродина 7 смешивают с помощью диодного смесителя 9. При этом на выходе смесителя 9 выделяют допплеровский спектр эхосигнала движущейся цели, а допплеровский спектр пассивной помехи от земли на выходе смесителя 9 будет отсутствовать ввиду идентичности спектров гетеродина и пассивной помехи. Фильтр нижних частот 10 выделяет допплеровский спектр эхосигнала движущейся цели и подавляет гармоники спектра пассивной помехи от земли и гармоники спектра гетеродина 7. Этим обеспечивается выделение эхо-сигнала цели и подавление пассивных помех от земли. Отфильтрованный допплеровский спектр эхо-сигнала движущейся цели образует видеоимпульсы миллисекундной длительности, которые наблюдаются на индикаторе 11 и свидетельствуют о наличии движущейся цели в заданном направлении антенны. Таким образом, предложенное устройство устраняет отмеченные недостатки аналога и прототипа и обеспечивает обнаружение наземных движущи хся целей на фоне пассивных помех от земли.