Радіолокатор з несинусоідальним імпульсним сигналом

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в радиолокаторах обнаружения с несинусоидальным импульсным сигналом в виде периодических видеоимпульсов поля радиоволн наносекундной длительности без несущей частоты для улучшения разрешающей способности по дальности. Известен радиолокатор с несинусоидальным импульсным сигналом, который можно использовать для обнаружения целей и измерения их координат [1, с.217 - 222, 232, 233, рис.5.3.1, 5.3.12]. Этот аналог содержит разнесенную антенную систему и излучает периодические импульсные сигналы наносекундной длительности без несущей частоты. Измерение угловых координат основано на измерении дальностей от разнесенных антенн до цели, а дальности определяют по времени запаздывания импульса эхо-сигнала относительно зондирующего импульса. При этом частота следования зондирующи х импульсов F обычно, F < c/2rm, где r m - максимальная дальность обнаружения, c - скорость света. Это ограничение на частоту следования зондирующих видеоимпульсов обусловлено необходимостью обеспечения однозначности измерения дальности по времени запаздывания. Недостаток аналога состоит в следующем. Зондирующий сигнал в виде видеоимпульсов наносекундной длительности имеет очень широкий спектр порядка нескольких ГГц. Для излучения и приема таких сигналов антенно-фидерная система радиолокатора должна иметь очень широкую полосу пропускания, что зачастую очень трудно практически реализовать. Ограниченная полоса пропускания антенно-фидерной системы сужает спектр сигнала, что приводит к расширению импульсов и ухудшает разрешающую способность радиолокатора по дальности. В качестве прототипа выбрана импульсная РЛС, которую можно использовать для обнаружения целей и измерения дальности [2]. В состав прототипа входят следующие основные элементы: приемопередающая антенна с переключателем прием-передача, приемник, синхронизатор, индикаторное устройство и передатчик зондирующих сигналов в виде периодической последовательности радиоимпульсов микросекундной длительности на несущей частоте микроволнового диапазона. Приемник прототипа представляет собой обычный супергетеродинный приемник [2], в состав которого входят следующие элементы: входное устройство, усилитель высокой частоты, смеситель, гетеродин, усилитель промежуточной частоты, детектор, усилитель видеоимпульсов и выходное устройство. Смеситель и гетеродин в приемнике прототипа используют для преобразования высокочастотного сигнала на промежуточную частоту. Это позволяет упростить усиление сигналов в тракте промежуточной частоты. При использовании несинусоидальных импульсных сигналов использовать такой приемник затруднительно, так как сигнал представляет собой видеоимпульсы и все усиление сигналов обеспечивается только усилителем видеоимпульсов. Недостатком прототипа является то, что такой радиолокатор имеет низкую разрешающую способность по дальности. Сигнал прототипа представляет собой радиоимпульсы на несущей частоте микроволнового диапазона, длительность которых составляет несколько мкс и сделать их короче обычно не удается. Это существенно ограничивает разрешающую способность по дальности. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования радиолокатора с несинусоидальным импульсным сигналом, в котором за счет использования передатчика с несинусоидальным видеоимпульсным сигналом, смесителя в виде мостовой схемы на диодах и фильтра нижних частот обеспечивается улучшение разрешающей способности радиолокатора по дальности. Поставленная задача решается тем, что в радиолокаторе с несинусоидальным импульсным сигналом, содержащем приемопередающую антенну с антенным переключателем, передатчик периодических несинусоидальных импульсных сигналов, синхронизатор, индикатор и приемник с широкополосным усилителем, гетеродином и смесителем, согласно изобретению смеситель выполнен по мостовой схеме из четырех высокочастотных широкополосных диодов с квадратичной вольт-амперной характеристикой, на выходе смесителя установлен широкополосный фильтр нижних частот, верхняя гранитная частота полосы пропускания которого больше частоты гетеродина fr, но меньше удвоенной величины этой частоты, а частота гетеродина fr = fA + F, где fA - верхняя граничная частота полосы пропускания антенно-фидерной системы; F - частота следования зондирующих импульсов. При этом усилитель промежуточной частоты и детектор из состава приемника прототипа исключены. Выполнение передатчика радиолокатора с несинусоидальным видеоимпульсным сигналом, выполнение смесителя по мостовой схеме на диодах, дополнительное включение в состав устройства фильтра нижних частот с указанной полосой пропускания и указанный выбор частоты гетеродина приемника обеспечивают существенное улучшение разрешающей способности радиолокатора по дальности, что упрощает требования к антенной и передающей системам секвентного радиолокатора при высоком разрешении по дальности. Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежами. На фиг.1 представлена упрощенная структурная схема предложенного радиолокатора, а на фиг.2 показаны графики формы импульсов сигнала на выходе предложенного устройства и аналогичного секвентного радиолокатора, но без смесителя и гетеродина. В состав предложенного устройства на схеме фиг.1 входят следующие основные элементы: - приемо-передающая антенна 1 с антенным переключателем 2 для переключения антенны с передачи на прием; - передатчик несинусоидальных импульсных сигналов 3; - синхронизатор 4 для обеспечения синхронной работы всех систем радиолокатора; - широкополосный усилитель видеоимпульсов приемника 5; - гетеродин 6, частота синусоидальных колебаний которого равна fr = fA + F; - смеситель по мостовой схеме из четырех высокочастотных широкополосных диодов 7, 8, 9, 10; - фильтр нижних частот 11 для подавления второй гармоники гетеродина; - индикатор 12. Принцип действия предложенного устройства поясняется следующим. Передатчик 3 формирует, а антенна 1 излучает зондирующий сигнал в виде периодической последовательности видеоимпульсов поля радиоволн без несущей частоты длительностью 1нс и менее с частотой следования F > U o, то можно пренебречь вторым слагаемым в формуле (6). Вторая гармоника гетеродина AUr2cos(2p2frt)/2 будет подавлена фильтром нижних частот 11, а постоянная составляющая AUr2/2 не имеет принципиального значения и может быть легко скомпенсирована напряжением смещения. В результате напряжение Uвых на выходе фильтра нижних частот 11 будет приближенно равно Из сопоставления выражений (1), (7) можно видеть, что спектр сигнала на выходе предложенного устройства расширился в два раза и имеет 2N+1 гармоник. Такое расширение спектра позволяет уменьшить длительность видеоимпульса сигнала на выходе устройства почти в два раза и улучшить разрешающую способность радиолокатора по дальности. Кроме того, как видно из соотношения (7), амплитуда импульса на выходе устройства пропорциональна амплитуде напряжения гетеродина Ur. To есть при подходящем выборе напряжения гетеродина 6 и характеристик диодов 7, 8, 9, 10 амплитуда импульса сигнала на выходе устройства может значительно превысить амплитуду импульса сигнала на входе смесителя. При этом часть энергии гетеродина используется не только для расширения спектра и улучшения разрешающей способности, но и для увеличения амплитуды импульса сигнала на выходе, а смеситель с гетеродином дополнительно усиливают сигнал. В прототипе смеситель и гетеродин использовались для преобразования сигнала на промежуточную частоту. В предложенном устройстве промежуточной частоты нет, а смеситель и гетеродин используются для расширения спектра, улучшения разрешающей способности по дальности и увеличения амплитуды сигнала. О наличии положительного эффекта свидетельствуют расчетные графики на фиг.2, на которых показана форма импульса сигналов на выходе предложенного устройства и аналогичного радиолокатора, но без смесителя и гетеродина. Фильтр нижних частот 11 принципиально необходим для подавления второй гармоники гетеродина, так как при отсутствии этого фильтра вторая гармоника напряжения гетеродина проходила бы выход и мешала обнаруживать цели. 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 фиг.1 выполнены следующим образом. Антенна 1 с антенным переключателем 2, передатчик 3 и широкополосный усилитель видеоимпульсов приемника 5 выполнены для излучения и приема наносекундных видеоимпульсных сигналов без несущей частоты. Такие системы могут быть практически реализованы, так как физические основы и принципы их построения известны и описаны в литературе [1]. Смеситель выполнен по мостовой схеме из четырех высокочастотных широкополосных диодов 7, 8, 9, 10. Полоса пропускания этих диодов должна быть не менее 2fA, а вольт-амперные характеристики диодов должны быть близки к квадратичным. Фильтр нижних частот 11 должен иметь широкую полосу пропускания до частоты немного менее 2fr и надежно подавлять вторую гармонику гетеродина. Синхронизатор 4, гетеродин 6 и индикатор 12 аналогичны соответствующим элементам прототипа. Динамика работы предложенного устройства осуществляется следующим образом. Передатчик 3 формирует, а антенна 1 излучает зондирующий сигнал в виде видеоимпульсов поля радиоволн наносекундной длительности без несущей частоты. Сигнал отражается от цели, возвращается, принимается антенной 1 и усиливается широкополосным усилителем видеоимпульсов приемника 5. Смеситель из четырех высокочастотных широкополосных диодов 7, 8, 9, 10 и гетеродин 6 преобразуют сигнал и почти вдвое расширяют его спектр. При этом часть энергии гетеродина используется для расширения спектра сигнала, уменьшения длительности и увеличения амплитуды импульса. Фильтр нижних частот 11 подавляет вторую гармонику гетеродина напряжения гетеродина, чтобы она не мешала обнаруживать цели. С выхода фильтра 11 сигнал цели поступает на индикатор 12, где может быть визуально обнаружен. Таким образом, предложенное устройство позволяет расширить спектр сигнала, увеличить амплитуду и уменьшить длительность импульса, что улучшает разрешающую способность радиолокатора по дальности.