Вимірювач кута місця цілі для радіолокатора виявлення

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в наземных РЛС обнаружения воздушных целей с несинусоидальным импульсным сигналом наносекундной длительности для измерения угла места цели. Известен фазовый измеритель угловой координаты (например, угла места) цели [1]. Он содержит две разнесенные по высоте антенны. Измерение угла места цели основано на измерении сдвига фаз синусоидальных сигналов, принимаемых этими антеннами. Недостатком этого аналога является то, что этому фазовому измерителю присуща неопределенность измерения угла места. В те х случаях, когда сдвиг фаз сигналов окажется больше 2p, определение угла места становится неопределенным. Другой недостаток этого аналога состоит в том, что измерение угла в секторе малых углов места над землей сильно затруднено отраженными от земли эхо-сигналами цели, Это приводит к тому, что суммарные сигналы в антеннах почти не будут иметь сдвига фаз и потеряют информацию о малых угла х места цели. Известен также радиолокатор с несинусоидальным импульсным сигналом, который можно использовать для измерения трех координат цели [2]. Этот аналог содержит разнесенную в пространстве антенную систему из двух и более антенн и излучает периодические импульсные сигналы наносекундной длительности без несущей частоты. Измерение угловой координаты основано на измерениях дальностей от разнесенных антенн до цели, а дальность определяют по времени запаздывания импульса эхо-сигнала относительно зондирующего импульса. При этом период следования импульсов T, обычно , где rm максимальная дальность обнаружения, c скорость света. Это ограничение на период следования импульсов обусловлено необходимостью обеспечения однозначности измерения дальности по времени запаздывания. В таком аналоге для усиления сигналов иногда можно использовать усилитель видеоимпульсов с обратной связью [2]. В состав этого усилителя входят следующие элементы: широкополосный усилитель видеоимпульсов наносекундной длительности; неискажающая линия задержки, время задержки которой равно периоду следования импульсов T (эта линия образует кольцо обратной связи усилителя); входное устройство связи, связывающее вход усилителя с источником сигнала и выходом линии задержки; выходное устройство связи, связывающее выход усилителя со входом линии задержки и потребителем усиленного сигнала. Этот усилитель работает следующим образом. Импульс напряжения наносекундной длительности от источника сигнала поступает через входное устройство связи на вход усилителя видеоимпульсов, усиливается и через выходное устройство связи поступает на вход линии задержки. Эта линия задержки сигнал на период следования. Задержанный импульс через входное устройство связи поступает на вход усилителя и в это же время на вход усилителя приходит второй импульс периодической последовательности от источника сигнала через входное устройство связи. Эти импульсы складываются, снова усиливаются и процесс повторяется. В результате многократного прохождения сигнала по цепи обратной связи сигнал накапливается и усиливается, а усиленный сигнал можно выделить на выходе выходного устройства связи на фоне собственных шумов устройства. Такой усилитель накапливает и усиливает только периодические сигналы, период которых соответствует времени задержки линии задержки. Другие непериодические сигналы и шумы не будут накапливаться и усиливаться. То есть устройство обладает избирательностью. Рассматриваемый радиолокатор с описанным выше усилителем имеет следующий недостаток. Линия задержки в цепи обратной связи должна обеспечивать задержку на период следования T, то есть длина линии должна быть почти вдвое больше максимальной дальности обнаружения rm. При больших дальностях rm неискажающую линии задержки наносекундных импульсов выполнить нельзя, так как длина ее и потери в ней будут очень велики. Это ограничивает возможности использования такого усилителя в радиолокатореаналоге. Другой недостаток радиолокатора-аналога состоит в том, что этот радиолокатор не использует отраженные от земли радиоволны эхосигналов цели и часть энергии эхо-сигналов цели, приходящих к антенне, бесполезно теряется. В качестве прототипа выбрана РЛС определения высоты целей с качающейся по углу места антенной [3]. В состав прототипа входят следующие основные элементы: передатчик периодических импульсных сигналов в виде радиоимпульсов микросекундной длительности на несущей частоте микроволнового диапазона, приемо-передающая антенна с антенным переключателем, приемник и индикатор. Антенна прототипа имеет узкую диаграмму направленности в вертикальной плоскости и качается по углу места. Угол места цели определяют по положению антенны в момент приема максимального эхосигнала цели. Высоту цели в прототипе определяют по результату измерения угла места и дальности, которую определяют по времени запаздывания эхо-сигнала относительно зондирующего импульса. Недостатком прототипа является то, что для измерения угла места требуется антенна с узкой диаграммой направленности и большим вертикальным размером, и эту громоздкую антенну требуется качать по углу места. Другим недостатком прототипа является то, что измерение малых углов места над землей с помощью такой РЛС весьма затруднительно, так как отраженные от земли эхо-сигналы цели мешают измерять малые углы места, снижают точность и зачастую срывают процесс измерения. Энергия таких отраженных от земли сигналов не используется и только мешает работе, а эти сигналы стремятся подавить с помощью узкой диаграммы направленности антенны. В основу изобретения поставлена задача устранения отмеченных недостатков аналогов и прототипа, а также обеспечения возможности использования отраженных от земли эхо-сигналов цели для увеличения дальности обнаружения и измерения угла места цели. Поставленная задача решается тем, что в измерителе угла места цели для радиолокатора обнаружения, содержащем передатчик, приемник, индикатор и приемопередающую антенну с антенным переключателем, согласно изобретению передатчик выполнен для несинусоидальных импульсных сигналов наносекундной длительности без несущей часто ты, антенна выполнена в виде вибраторной решетки с плоским металлическим рефлектором, в которой расстояние между вибраторами по высоте равно высоте h подъема нижнего вибратора над землей, на выходе приемника установлен выпрямитель сигнала в виде мостовой схемы из четырех широкополосных диодов, выход которого связан через входное устройство связи со входом широкополосного усилителя видеоимпульсов с обратной связью в виде управляемой линии задержки с устройством изменения длины l линии и датчиком длины этой линии, выход этого усилителя связан через выходное устройство связи с индикатором и входом управляемой линии задержки, выход которой также связан со входом усилителя через входное устройство связи, выход датчика длины линии задержки связан с вычислителем угла места цели q по соотношению и с устройство перемещения вибраторов вдоль оси антенны в соответствии с соотношением где h - высота подъема нижнего вибратора антенной решетки над землей; d - расстояние от вибраторов до рефлектора антенны; N - количество вибраторов в вертикальном ряду решетки; q - угол места цели; V - скорость распространения радиоволн в линии задержки; c - скорость света; l - длина линии задержки, соответствующая максимальному значению сигнала на входе индикатора. При этом не требуется качать антенну по углу места, рефлектор антенны установлен вертикально, а вибраторы могут перемещаться вдоль горизонтальной оси антенны относительно рефлектора. Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежами. На фиг.1 представлена упрощенная структурная схема предложенного измерителя угла места цели для радиолокатора обнаружения, показаны эскиз антенны и схема запитки вибратора фидерной линией (вид сверху), а также лучи радиоволн от антенны к цели. На фиг.2 условно показаны упрощенные эпюры зондирующего сигнала и эхо-сигналов на входе приемника, на выходе выпрямителя и на входе индикатора. В состав предложенного устройства на фиг.1 входят следующие основные элементы: вибраторы антенной решетки 1 длиной lв < c t, где t - длительность зондирующего импульса; фидерные линии 2 для запитки вибраторов с концов, каждая из которых состоит из двух коаксиальных кабелей одинаковой длины (сигнал подводится по внутренним жилам этих кабелей, а все линии подключены параллельно к антенному переключателю); плоский проводящий рефлектор антенны 3; антенный переключатель 4; закорачивающий вход приемника при передаче зондирующи х импульсов; передатчик несинусоидальных импульсных сигналов 5 в виде импульсов наносекундной длительности t с периодом следования ; приемник 6; выпрямитель сигнала в виде мостовой схемы из четырех широкополосных диодов 7, 8, 9, 10 для преобразования последовательности разнополярных видеоимпульсов в последовательность положительных импульсов;широкополосный усилитель видеоимпульсов 11 с обратной связью в виде управляемой линии задержки 12; входное устройство связи 13 выходов линии задержки 12 и выпрямителя сигналов со входом усилителя 11; выходное устройство связи 14 выхода усилителя 11 со входами линии задержки 12 и индикатора 15; устройство 16 изменения длины линии задержки 12 с датчиком длины линии 17; устройство 18 перемещения вибраторов антенны по горизонтали вдоль оси антенны (это устройство изменяет расстояние d от вибраторов до рефлектора 3 при изменении длины линии задержки 12 в зависимости от длины l этой линии в соответствии с соотношением (2); вычислитель 19 угла места цели в по соотношению (1) и значению длины линии l, соответствующему максимальному значению сигнала на входе индикатора 15. Принцип действия предложенного устройства поясняется следующим. Передатчик 5 формирует зондирующий сигнал в виде видеоимпульсов поля радиоволн без несущей частоты длительностью t ~ 1 не и менее с периодом следования ,а эпюра этого сигнала условно показана на фиг.2а. Все вибраторы антенны излучают такой зондирующий сигнал одновременно. Радиоволны от нижнего вибратора до цели и обратно распространяются следующими четырьмя возможными путями: 1) вибратор - цель - вибратор; 2) вибратор - цель - земля - вибратор; 3) вибратор - земля - цель - вибратор; 4) вибратор - земля - цель - земля -вибратор. При каждом отражении от земли или цели полярность импульса поля радиоволн изменяется [2]. Самым коротким является первый путь. Второй и третий пути одинаковы по длине и импульс нижнего вибратора на этих путях запаздывает на время относительно импульса первого пути, а оба импульса второго и третьего пути складываются и амплитуда поля почти удваивается. Четвертый путь самый длинный и импульс на этом пути запаздывает на время 2tз относительно импульса первого пути. В результате одному зондирующему импульса вибратора будет соответствовать три импульса эхо-сигнала, из которых крайние импульсы имеют одинаковую полярность, а средний - противоположную полярность. Следует учесть также импульсы, излученные одним вибратором, а принятые другими после отражения от цели и от земли по различным возможным путям распространения. В результате получим группу из 4N + 1 разнополярных импульсов с периодом следования, , где N количество вибраторов в вертикальном ряду решетки, q - угол места цели. При этом не учтены отражения от рефлектора антенны. Если учесть эти отражения, то одному зондирующему импульсу вибратора будут соответствова ть три группы импульсов эхосигнала. Первая группа импульсов вообще не отражается от рефлектора. Вторая группа импульсов отражается от рефлектора только один раз либо при передаче, либо при приеме и импульсы этой группы удваиваются по амплитуде. Третья группа импульсов отражается от рефлектора два раза: один раз при передаче и второй раз при приеме. Вторая группа импульсов смещена относительно первой группы на время а третья группа - на время 2tзp. Расстояние между соседними вибраторами решетки равно h, поэтому импульсы прямых радиоволн эхо-сигнала смещены в соседних вибраторах также на время и, а средние импульсы, соответствующие второму и третьему путям, совпадают по времени и полярности в каждой группе для всех вибраторов и складываются на входе приемника. В результате эхо-сигнал на входе приемника будет иметь примерно такой вид как показано на эпюре фиг.2б. Эта эпюра построена для частного случая, когда вертикальный ряд антенной решетки состоит из трех вибраторов и легко может быть обобщена на случай любого иного количества вибраторов. На этой эпюре около каждого импульса указан номер вибратора, которым этот импульс принят, а нумерация вибраторов ведется снизу вверх. При этом учтено, что полярность импульса поля радиоволн изменяется при каждом отражении от земли, цели или рефлекса. Как видно из фиг.2б, различные импульсы эхосигнала в приемнике имеют разную полярность. Для того, чтобы можно было усиливать подобные импульсы с помощью описанного выше усилителя с обратной связью аналога [2], необходимо преобразовать эти импульсы к периодической последовательности импульсов одинаковой полярности. Эту задачу выполняет выпрямитель по мостовой схеме на четырех широкополосных диодах 7, 8, 9, 10, а сигнал на выходе этого выпрямителя показан на эпюре фиг.2в. Для того, чтобы все три группы импульсов эхосигнала на фиг.2б образовывали единую периодическую последовательность импульсов с периодом tз, необходимо при текущем заданном значении угла места q обеспечить выполнение следующего условия Это условие можно выполнить путем изменения расстояния d между вибраторами и рефлектором по соотношению где N - количество вибраторов в вертикальном ряде решетки; h - высота подъема нижнего вибратора над землей; q - текущий угол места цели. При таком выборе расстояния d все три группы импульсов эхо-сигнала образуют единую периодическую последовательность с периодом как показано на фиг.2б. После выпрямления отрицательных импульсов этой последовательности выпрямителем на диодах 7, 8, 9, 10, такую периодическую последовательность положительных импульсов можно накопить и усилить с помощью усилителя с обратной связью 11, если подобрать соответствующую длину l линии задержки 12 с помощью устройства изменения длины линии 16. При этом время задержки этой линии должно быть равно где V - скорость распространения радиоволн в линии. В случае выполнения условий (6), (7) время задержки линии 12 будет равно периоду следования импульсов із во всех трех группах импульсов вместе и усилитель 11 будет накапливать и усиливать импульсы эхо-сигнала, а сигнал на выходе усилителя 11 и входе индикатора 15 будет выглядеть примерно так, как показано на фиг.2г. То есть для каждого текущего значения угла места цели q имеются оптимальная длина и оптимальное расстояние d от вибраторов до рефлектора, определяемое соотношением (6). Связь длины l с расстоянием d определена соотношением (2), которое получено из (6), (8) путем исключения неизвестного угла места q. Найдя оптимальную длину линии l путем изменения длины линии и выбора необходимого расстояния d с помощью устройства перемещения вибраторов 18 в соответствии с соотношением (2) и наблюдения за уровнем выходного сигнала на индикаторе 15, можно далее определить угол места цели в по соотношению (1), которое получено из (7). Равенство высоты подъема h нижнего вибратора над землей расстоянию между вибраторами необходимо для того, чтобы импульсы в каждой отдельной группе представляли собой периодическую последовательность с периодом tлз. Выбирать расстояние d от вибраторов до рефлектора в соответствии с соотношением (6) и (2) необходимо для того, чтобы объединить эти три группы импульсов сигнала в единичную периодическую последовательность, что повышает эффективность работы усилителя с обратной связью 11. Выпрямление отрицательных импульсов сигнала выпрямителем на диодах 7, 8, 9, 10 необходимо потому, что усилитель 11 может накапливать только импульсы одинаковой полярности. В предложенном устройстве принципиально необходимо использовать несинусоидальные импульсные сигналом наносекундной длительности, так как только для таких сигналов импульсы прямых и отраженных от земли радиоволн будут разрешены по времени. 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 фиг.1 выполнены следующим образом. Антенна, передатчик 5 и приемник 6 выполнены для излучения и приема несинусоидальных импульсных сигналов наносекундной длительности без несущей частоты. Такие системы могут практически реализованы, так как физические основы и принципы построения их известны и описаны в литературе [2]. Пример построения вибраторной антенны с рефлектором для наносекундных видеоимпульсов также описан в литературе [2]. Фидерные линии 2 запитывают вибраторы с концов, подключены параллельно к антенному переключателю и выполнены из коаксиальных кабелей одинаковой длины. Наружные оболочки этих кабелей служат для экранирования излучения линии, не являются несущими сигнал элементами и могут быть заземлены. Антенный переключатель 4 имеет известную конструкцию и служит для закорачивания входа приемника на время передачи зондирующего импульса. Конструкция и работа широкополосного усилителя 11 периодических видеоимпульсов наносекундной длительности с устройствами связи 13, 14 и линией задержки 12 описаны в литературе [2]. Линию задержки 12 можно выполнить в виде отрезка коаксиальной или двухпроводной линии изменяемой длины. Такая линия может быть практически реализована, так как ее требуемая максимальная длина сравнительно невелика и приемлема для реализации. Устройство 18 перемещения вибраторов по горизонтали вдоль оси антенны изменяет расстояние d от вибраторов до рефлектора в зависимости от длины l линии задержки 12 в соответствии с соотношением (2). Это устройство выполнено управляемым и на его вход управления подается значение длины линии l от датчика длины линии задержки 17. Индикатор 15 аналогичен соответствующему устройству прототипа. Вычислитель 19 представляет собой микро-ЭВМ для вычисления угла места цели по соотношению (1) и найденной оператором РЛС оптимальной длине l линии задержки 12. Ниже приводится пример расчетных значений параметров возможного варианта реализации предложенного устройства; - длительность зондирующего импульса t = 1нс; - частота следования зондирующи х импульсов E = 1кГц; - количество вибраторов в вертикальном ряду антенной решетки N = 6; - длина вибратора 0,12м; - высота подъема нижнего вибратора над землей h = 2м; - расстояние между вибраторами по высоте h = 2; - вертикальный размер апертуры антенны 10м; - вертикальный размер рефлектора 12м; - интервал изменения расстояния d от вибраторов до рефлектора d = 0 - 4,16м; - количество импульсов эхо-сигнала в последовательности для одного периода зондирования 75; - интервал изменения длины линии задержки l = 0 - 0,33м (линия выполнена с воздушным диэлектриком); - угломестный рабочий сектор РЛС q = 0 - 10°. Динамика работы предложенного устройства осуществляется следующим образом. Передатчик формирует, а все вибраторы антенны одновременно излучают зондирующий импульс поля радиоволн наносекундной длительности без несущей частоты. При распространении от антенны до цели и обратно радиоволны отражаются от рефлектора, земли и цели и при каждом отражении полярность импульса поля радиоволн изменяется. В результате многократных отражений от земли и рефлектора эхо-сигнал на входе приемника от одного зондирующего импульса будет состоять из трех групп разнополярных видеоимпульсов как показано на фиг.2б. Предложенная конструкция антенны и выбор оптимального расстояния d от вибраторов до рефлектора обеспечивают то, что эти три группы импульсов эхо-сигнала образуют единую периодическую последовательность импульсов с периодом следования и, зависящим от угла места цели в. Выпрямитель на выходе приемника по мостовой схеме из четырех широкополосных диодов 7, 8, 9, 10 выпрямляет отрицательные импульсы и преобразует последовательность разнополярных импульсов в последовательность импульсов положительной полярности. Усилитель с обратной связью 11 при правильном выборе длины l линии задержки 12 накапливает и усиливает импульсы сигнала, но не накапливает шумы приемника. В результате эхосигналы цели могут быть обнаружены на индикаторе 15 на фоне собственных шумов приемника. Выбор оптимальных значений длины l линии задержки 12 и расстояния d от вибраторов до рефлектора осуществляет оператор РЛС с помощью устройства 16 изменения длины линии задержки и устройства 18 перемещения вибраторов, контролируя интенсивность сигнала на индикаторе 15. После обнаружения цели угол места цели q определяют с помощью вычислителя 19 по соотношению (1) найденной оптимальной длине линии l. Таким образом, предложенное устройство устраняет отмеченные недостатки прототипа и аналогов, позволяет собрать, накопить и усилить импульсы эхо-сигнала цели и эффективно использует отраженные от земли эхо-сигналы цели для увеличения дальности обнаружения и измерения угла места цели.