Бортовий секвентний радіолокатор виявлення об’єктів поблизу земної поверхні

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в бортовых радиолокаторах обнаружения объектов вблизи земной поверхности и объектов на малой глубине залегания в земле для защиты радиолокатора от пассивных помех от поверхности земли. В качестве прототипа выбран радиолокатор без несущей на вертолете береговой охраны США, применяемый для ледовой разведки проходов для транспортных судов [1, с.42, 43, рис.1.6.9]. Приемо-передающая антенна прототипа направлена вертикально вниз и излучает несинусоидальный зондирующий сигнал в виде периодических видеоимпульсов поля радиоволн малой наносекундной длительности без несущей частоты с высокой частотой следования импульсов В состав прототипа входят следующие основные элементы: приемо-передающая антенна; антенный переключатель для переключения антенны с передачи на прием; приемник в виде широкополосного усилителя наносекундных видеоимпульсов; передатчик несинусоидального зондирующего сигнала в виде периодической последовательности наносекундных прямоугольных видеоимпульсов; индикатор для наблюдения принятых сигналов. Частота следования зондирующи х видеоимпульсов в прототипе выбрана из условия обеспечения однозначности определения дальности и равна где - высота полета борта; - скорость света. При малой высоте полета частота следования зондирующи х видеоимпульсов может быть сравнительно высокой. Приемо-передающая антенна прототипа имеет сравнительно небольшие размеры и широкую диаграмму направленности. Недостатком прототипа является то, что пассивные помехи от земной поверхности мешают обнаруживать объекты на малой глубине в земле, а также объекты на поверхности земли. Задачей изобретения является устранение указанного недостатка прототипа и защита бортового секвентного радиолокатора от пассивных помех от земной поверхности. Решение этой задачи достигается благодаря тому, что в бортовом секвентном радиолокаторе обнаружения объектов вблизи земной поверхности, содержащем приемо-передающую антенну с антенным переключателем, приемники передатчик несинусоидальных сигналов в виде периодических прямоугольных видеоимпульсов наносекундной длительности с высокой частотой следования импульсов согласно изобретению: на выходе приемника установлен полосовой фильтр с полосой пропускания от нижней частоты равной до верхней частоты равной на выходе фильтра включены параллельно два широкополосных диода противоположной полярности, один из которых связан со входом устройства вычитания, а другой - со входом линии задержки из отрезка коаксиального кабеля, длина которого определена следующим соотношением где - текущий номер гармоники спектра эхосигнала; - нижняя частота полосы пропускания полосового фильтра; - верхняя частота полосы пропускания полосового фильтра; - часто та следования зондирующих импульсов; -длительность зондирующего импульса; - длина линии задержки; - скорость распространения радиоволн в кабеле, а выход линии задержки связан со вторым входом устройства вычитания. Полосовой фильтр 5 подавляет пассивную помеху от земли и выделяет эхо-сигнал объекта, диоды 6, 7 разделяют положительные и отрицательные части импульса эхо-сигнала, линия задержки 8 совмещает по времени положительную и отрицательную части импульса эхо-сигнала, а устройство вычитания 9 складывает эти части импульса по амплитуде. В результате предложенное техническое решение обеспечивает подавление пассивной помехи от земли и увеличение амплитуды результирующего импульса эхо-сигнала объекта на выходе устройства вычитания. Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются рисунками на фиг.1 и 2. На фиг.1 представлена упрощенная структурная схема предложенного бортового радиолокатора, а также схематически показаны бортовая приемо-передающая антенна и ее диаграмма направленности, поверхность земли, объект на земной поверхности и упрощенная эпюра зондирующего сигнала, излучаемого антенной. В состав предложенного устройства на схеме фиг.1 входят следующие основные элементы: - приемо-передающая антенна 1 с широкой диаграммой направленности, направленная вертикально вниз; - антенный переключатель 2 для переключения антенны с передачи на прием; - передатчик 3 несинусоидэльных импульсных сигналов в виде периодических видеоимпульсов наносекундной длительности без несущей частоты с высокой частотой следования импульса - приемник 4 в виде широкополосного усилителя видеоимпульсов наносекунднойдлительности; - полосовой фильтр 5 с полосой пропускания от до - широкополосные диоды 6, 7 для разделения положительных и отрицательных импульсов на выходе фильтра; - линия задержки 8 в виде отрезка коаксиального кабеля длиной для задержки положительных видеоимпульсов с выхода диода 7 на время - устройство вычи тания 9 для сложения разделенных и совмещенных по времени положительных и отрицательных импульсов сигнала (это устройство позволяет сложить положительные и отрицательные импульсы сигнала и тем самым увеличить амплитуду результирующего видеоимпульса). В состав предложенного устройства входит также индикатор для наблюдения сигнала цели. Этот индикатор не отличается от индикатора прототипа и на схеме фиг.1 не показан. Приемо-передающая антенна 1 связана с антенным переключателем 2, выход которого связан с приемником 4, а вход - с передатчиком 3 несинусоидальных импульсных сигналов. Выход приемники 4 связан со входом полосового фильтра 5, выход которого связан с диодами 6, 7 противоположной полярности. Диод 7 связан со входом линии задержки 8. Диод 6 связан с первым входом устройства вычитания 9, а выход линии задержки - со вторым входом этого устройства, а выход устройства вычитания связан с индикатором. Принцип действия предложенного устройства поясняется следующим. Э хо-сигнал объекта (на поверхности земли или подземного объекта) представляет прямоугольный видеоимпульс отрицательной полярности и малой длительности (порядка наносекунд), а пассивная помеха от земной поверхности представляет собой протяженный импульсный сигнал сложной формы, длительность импульса которого значительно больше длительности импульса зондирующего сигнала. Это объясняется тем, что объект обычно имеет небольшие размеры, а пассивная помеха приходит с большого облученного участка земной поверхности протяженностью где высота полета борта; - половина ширины диаграммы направленности бортовой антенны (см. фиг.1). Помеха и эхо-сигнал объекта представляют собой периодические импульсы с периодом следования но длительность импульсов помехи и сигнала сильно отличается и короткий импульс эхо-сигнала объекта накладывается на протяженный спадающий импульс пассивной помехи от земли. Эпюры зондирующего сигнала показаны на фиг.2а, а эпюры помехи и сигнала на выходе приемника - на фиг.2б. При этом сигнал объекта трудно выделить на фоне интенсивной протяженной помехи. Спектр эхо-сигнала объекта расположен в широкой полосе частот от до а спектр пассивной помехи от земли расположен в основном в значительно более узкой полосе от до где - длительность импульса помехи на уровне Для подавления пассивной помехи от земли и выделения эхо-сигнала объекта предложено использовать полосовой фильтр 5 с полосой пропускания от до Такой фильтр почти полностью подавит весь спектр пассивной помехи от земли, а спектр эхо-сигнала объекта будет подавлен этим фильтром лишь частично в области нижних частот спектра. Известно, что подавление нижних частот спектра видеоимпульса приводит к некоторому уменьшению амплитуды главного лепестка импульса и увеличению первого бокового лепестка импульса. При этом главный и первый боковой лепестки импульса имеют противоположную полярность, а уровни этих лепестков зачастую будут сравнимы друг с другом (см. фиг.2в). Для увеличения амплитуды результирующего импульса эхо-сигнала предлагается разделить положительную и отрицательную части импульса эхо-сигнала с помощью диодов 6, 7 противоположной полярности, совместить эти части по времени с помощью линии задержки 8 и объединить в одинаковой полярности с помощью устройства вычитания 9. Сигналы на выходе диода 6, на выходе линии задержки 8 и на выходе устройства вычитания 9 показаны на фиг.2.г, д, е. Эти рисунки подтверждают возможность увеличения амплитуды результирующего импульса эхо-сигнала на выходе устройства вычитания. Для обоснования возможности практической реализации предложенного устройства и его существенных о тличительных признаков ниже приводятся необходимые математические соотношения. Эхо-сигнал объекта на выходе полосового фильтра 5 определяется следующим соотношением где - амплитудный коэффициент; - текущий номер гармоники спектра эхосигнала; - нижняя частота полосы пропускания полосового фильтра; - верхняя частота полосы пропускания полосового фильтра; частота следования зондирующи х импульсов; - длительность зондирующего импульса; - время, отсчитываемое от середины импульса эхо-сигнала объекта. Соотношение (5) получено путем представления рядом Фурье периодической последовательности прямоугольных видеоимпульсов и ограничения спектра сигнала в пределах полосы пропускания полосового фильтра. Ограничение спектра сигнала снизу нижней частотой полосового фильтра приводит к увеличению уровня первого бокового лепестка (слева и справа от главного лепестка импульса). Время запаздывания (или опережения) первого бокового лепестка относительно времени максимума главного лепестка импульса - можно определить путем вычисления производной от выражения (5) по времени и приравнивания этой производной нулю Главный и первый боковой лепестки импульса имеют противоположную полярность, поэтому их можно отделить друг от друга с помощью диодов 6, 7, подключенных к выходу полосового фильтра 5 параллельно в противоположной полярности. После этого для совмещения по времени главного и первого бокового лепестка импульса следует задержать первый боковой лепесток на время с помощью линии задержки 8. Это можно сделать с помощью линии задержки в виде отрезка коаксиального кабеля длиной равной где - длина линии задержки; - скорость распространения радиоволн в кабеле; - требуемое время задержки первого бокового лепестка относительно главного лепестка импульса эхо-сигнала объекта. Вычисляя производную от соотношения (5) по времени, приравнивая эту производную н улю и подставляя в результате вместо времени величину получим трансцендентное уравнение (4), которое рекомендуется использовать для определения требуемой длины линии задержки 8. Совмещенные по времени главный и первый боковой лепестки импульса, имеющие противоположные полярности, объединяют в один импульс увеличенной амплитуды с помощью устройства вычитания 9, которое вычитает главный лепесток импульса из совмещенного с ним по времени первого (левого) бокового лепестка импульса. Это позволяет значительно увеличить амплитуду результирующего импульса эхо сигнала на выходе устройства вычитания 9. Спектр импульса эхо-сигнала объекта на выходе приемника 4 занимает полосу от до Полосовой фильтр 5 подавляет пассивную помеху от земли и низкочастотную часть спектра эхо-сигнала объекта в полосе от до Это искажает форму импульса эхосигнала объекта и увеличивает уровень первого бокового лепестка этого импульса. Для того, чтобы эти искажения были меньше, целесообразно использовать высокую частоту следования зондирующи х импульсов. Выполнение условий (2), (3) принципиально необходимо для обеспечения подавления пассивной помехи от земли и выделения эхо-сигнала объекта, по возможности, с меньшими искажениями. Длительность импульса пассивной помехи от земли (на уровне 0,707) обычно сравнительно большая так как бортовую антенн у нельзя выполнить с очень узкой диаграммой направленности. Для повышения эффективности помехозащиты целесообразно использовать, по возможности, зондирующие видеоимпульсы с очень малой длительностью Использование в предложенном устройстве диодов 6, 7, линии задержки 8 и устройства вычитания 9 принципиально необходимо для увеличения амплитуды искаженного импульса эхо-сигнала с выхода полосового фильтра 5. Это увеличение достигается путем объединения на выходе устройства вычитания 9 главного и первого бокового лепестков искаженного импульса, которые предварительно разделены диодами 6, 7 и совмещены по времени с помощью линии задержки 8. Предложенное техническое решение улучшает отношение сигнал/шум на выходе устройства вычитания. Таким образом, предложенное устройство может быть практически реализовано, обеспечивает, подавление пассивной помехи от земли, выделение эхо-сигнала объекта и увеличение его амплитуды, а о тмеченные выше отличительные признаки принципиально необходимы для реализации устройства. Основные элементы предложенного устройства на схеме фиг.1 выполнены следующим образом. Приемо-передающая антенна 1 с антенным переключателем 2, передатчик 3 и приемник 4 выполнены для несинусоидальных импульсных сигналов наносекундной длительности без несущей частоты. Такие элементы могут быть практически реализованы, так как физические основы и принципы их построения известны и описаны в литературе [1]. Антенный переключатель 2 закорачивает вход приемника 4 на время передачи зондирующего импульса. Приемник 4 представляет широкополосный усилитель видеоимпульсов наносекундной длительности. Полосу пропускания полосового фильтра 5 выбирают из соотношений (2), (3). Диоды 6, 7 представляют высокочастотные широкополосные диоды с малым обратным током насыщения. Линия задержки 8 выполнена в виде отрезка коаксиального кабеля с малыми потерями, длину кабеля выбирают из соотношения (4). Эта длина обычно сравнительно невелика и приемлема для реализации. Устройство вычитания 9 вычитает главный лепесток импульса эхосигнала из задержанного первого бокового лепестка импульса и должно быть широкополосным. Динамика работы предложенного устройства осуществляется следующим образом. Передатчик 3 формирует, а антенна 1 излучает вертикально вниз с борта зондирующий сигнал в виде периодической последовательности видеоимпульсов поля радиоволн наносекундной длительности без несущей частоты с высокой частотой следования импульсов. В интервалах между зондирующими импульсами антенна 1 принимает эхо-сигналы объекта, расположенного вблизи земной поверхности (на земле или под землей), и пассивные помехи от поверхности земли. Принятые сигналы через антенный переключатель 2 поступают на вход приемника 4 и усиливаются им. Полосовой фильтр почти полностью подавляет пассивную помеху в полосе спектра от до а также немного подавляет низкочастотную часть спектра сигнала объекта в указанной полосе и выделяет основную часть спектра этого сигнала в полосе от до При этом импульс эхо-сигнала объекта немного искажается и первый боковой лепесток этого импульса возрастает. Диоды 6, 7 разделяют между собой положительную и отрицательную части импульса эхо-сигнала объекта с выхода полосового фильтра 5. Линия задержки 8 задерживает положительные боковые лепестки импульса с выхода диода 6 на время При этом первый (левый) положительный лепесток импульса совмещается по времени с главным отрицательным лепестком импульса эхо-сигнала объекта. Совмещенные по времени положительный боковой и отрицательный главный лепестки импульса объединяются в один импульс при вычитании в устройстве вычитания 9. При этом амплитуда результирующего импульса эхо-сигнала на выходе устройства вычитания 9 возрастает, а пассивная помеха от земли не пройдет на выход полосового фильтра 5 и будет подавлена этим фильтром. Таким образом, предложенное устройство решает поставленную задачу и обеспечивает эффективную защиту бортового секвентного радиолокатора от пассивных помех от земли.