Секвентний радіолокатор з супергетеродинним приймачем

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в секвентных радиолокационных дальномерах с несинусоидальным импульсным сигналом в виде периодической последовательности видеоимпульсов поля радиоволн наносекундной длительности без несущей частоты для улучшения разрешающей способности по дальности, Известен секвентный радиолокатор с несинусоидальным импульсным сигналом, который используется для обнаружения и измерения координат целей [1]. Этот радиолокатор содержит разнесенную антенную систему из двух или более антенн, излучающих видеоимпульсы поля радиоволн наносекундной длительности без несущей частоты. Угловую координату цели такой радиолокатор определяет на основе измерения дальностей от разнесенных антенн до цели, а дальности определяют по времени запаздывания импульса эхо-сигнала относительно зондирующего импульса. Радиолокатор излучает периодическую последовательность видеоимпульсов с частотой следования где максимальная дальность обнаружения, скорость света. Это ограничение на частоту следования зондирующих видеоимпульсов обусловлено необходимостью обеспечения однозначности измерения дальности по времени запаздывания. Недостаток этого аналога состоит в следующем. Для обеспечения высокой разрешающей способности по дальности необходимо излучать видеоимпульсы очень малой длительности порядка 1нс и менее. Для этого необходимо, чтобы антенна радиолокатора имела очень широкую полосу пропускания не менее то есть более 1ГГц. Разработка и построение антенн с такой широкой полосой пропускания представляет сложную нерешенную научно-техническую задачу и связана с существенными техническими трудностями, Это представляет существенный недостаток аналога и препятствует его практическому использованию. В качестве прототипа выбран импульсный радиолокационный дальномер с супергетеродинным приемником [2]. В состав прототипа входят следующие основные элементы: передатчик зондирующих сигналов в виде периодической последовательности радиоимпульсов микросекундной длительности на несущей частоте микроволнового диапазона; приемопередающая антенна с антенным переключателем прием-передача; синхронизатор для обеспечения синхронной работы всех систем радиолокатора; индикаторное устройство для визуального наблюдения сигналов и измерения дальности целей и супергетеродинный приемник. В состав супергетеродинного приемника прототипа входят следующие основные элементы; входное устройство; усилитель высокой частоты; смеситель; гетеродин; усилитель промежуточной частоты; амплитудный диодный детектор; усилитель низкой частоты и оконечное устройство. Смеситель и гетеродин приемника образуют преобразователь высокой частоты синусоидального сигнала на промежуточную частоту, равную разности частот гетеродина и сигнала. Это необходимо для того, чтобы упростить усиление сигнала на промежуточной частоте и улучшить избирательность приемника. Детектор приемника прототипа необходим для преобразования импульсов сигнала на промежуточной частоте в видеоимпульсы, которые используются далее в оконечном устройстве для обнаружения цели и измерения дальности. Частота следования зондирующих импульсов прототипа что обеспечивает однозначное измерение дальности. При этом дальность цели определяют по измерению времени запаздывания импульса эхо-сигнала относительно зондирующего импульса передатчика. Недостатком прототипа является то, что такой радиолокационный дальномер имеет низкую разрешающую способность по дальности. Это объясняется тем, что зондирующие радиоимпульсы на несущей частоте микроволнового диапазона обычно имеют длительность порядка несколько мкс и сделать эти импульсы короче обычно не удается. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования секвентного радиолокатора с супергетеродинным приемником, в котором за счет использования в приемнике гетеродина синусоидального напряжения и смесителя в виде мостовой схемы из четырех диодов обеспечивается расширение спектра принимаемого сигнала, что позволяет повысить разрешающую способность радиолокатора по дальности и упростить требования к полосе пропускания антенны секвентного радиолокатора. Поставленная задача решается тем, что в секвентном радиолокаторе с супергетеродинным приемником, содержащем передатчик периодических импульсных зондирующих сигналов, приемо-передающую антенну с антенным переключателем, индикатор и супергетеродинный приемник с усилителем, гетеродином, смесителем и амплитудным диодным детектором, согласно изобретению смеситель выполнен по мостовой схеме из четырех высокочастотных широкополосных диодов с сопротивлением нагрузки, связанным с диодным детектором, гетеродин выполнен с частотой синусоидальных колебаний больше верхней граничной частоты полосы пропускания антенны на частоту следования зондирующих импульсов, на выходе гетеродина установлен делитель напряжения на два из двух одинаковых сопротивлений, одно из которых связано со смесителем сигнала, а другое - с выпрямителем и амплитудным детектором гетеродина, выполненными по схеме, идентичной схеме смесителя и детектора сигнала, выходы детекторов сигнала и гетеродина связаны с устройством вычитания продетектированного напряжения гетеродина из про детектированного напряжения сигнала, а выход устройства вычитания связан с индикатором. При этом полагается, что зондирующий сигнал передатчика представляет собой периодическую последовательность видеоимпульсов поля радиоволн наносекундной длительности без несущей частоты; диоды смесителя, выпрямителя и детекторов одинаковы и имеют идентичные приближенно квадратичные вольт-амперные характеристики, а промежуточная частота в канале приемника отсутствует и не используется. Имевшийся в приемнике прототипа усилитель промежуточной частоты исключен из состава предложенного устройства, а усилитель высокой частоты приемника выполнен в виде широкополосного усилителя видеоимпульсов наносекундной длительности, Этот усилитель обеспечивает основное усиление импульсного видеосигнала в приемнике. Использование в приемнике секвентного радиолокатора гетеродина синусоидального напряжения, выполнение смесителя по мостовой схеме из четырех диодов, а также дополнительное использование выпрямителя сигнала гетеродина и устройства вычитания выходных напряжений смесителя и выпрямителя обеспечивает расширение спектра принимаемого сигнала, что позволяет повысить разрешающую способность радиолокатора по дальности и упростить требования к полосе пропускания антенны секвентного радиолокатора. Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежами. На фиг.1 представлена упрощенная структурная схема предложенного секвентного радиолокатора с супергетеродинным приемником. На фиг.2 представлены графики формы импульсов сигнала на выходе предложенного устройства и на выходе канала приема аналогичного секвентного радиолокатора, но без смесителя, гетеродина и детектора. В состав предложенного устройства на схеме фиг.1 входят следующие основные элементы: - приемо-передающая антенна 1; антенный переключатель 2 для переключения антенны с передачи на прием; - передатчик 3 несинусоидальных импульсных сигналов в виде периодической последовательности видеоимпульсов наносекундной длительности без несущей частоты с частотой следования импульсов - приемник 4 эхо-сигналов, выполненный в виде широкополосного усилителя видеоимпульсов наносекундной длительности; - гетеродин 5 синусоидальных колебаний с частотой где - частота гетеродина; - верхняя граничная частота полосы пропускания антенны; - частота следования зондирующих импульсов; - делитель напряжения гетеродина на два из двух одинаковых сопротивлений - смеситель сигнала по мостовой схеме из четырех одинаковых высокочастотных широкополосных диодов 6, 7, 8, 9 с квадратичной вольт-амперной характеристикой; - выпрямитель напряжения гетеродина по мостовой схеме из четырех диодов 10, 11, 12, 13, идентичных диодам 6, 7, 8, 9; - два одинаковых сопротивления нагрузки смесителя и выпрямителя гетеродина соответственно; - два диодных амплитудных детектора сигнала и гетеродина из одинаковых высокочастотных широкополосных диодов 14, 15 с квадратичной вольт-амперной характеристикой; - устройство 16 вычитания выпрямленного и продетектированного диодом 15 напряжения гетеродина из продетектированного диодом 14 выходного напряжения смесителя; - индикатор 17 для визуального наблюдения сигналов и измерения дальности целей. В состав предложенного устройства входит также синхронизатор для обеспечения синхронной работы всех систем устройства, который аналогичен синхронизатору прототипа и на схеме фиг.1 не показан. Принцип действия предложенного устройства поясняется следующим. Антенна радиолокатора имеет ограниченную полосу пропускания что ограничивает возможность использования очень коротких зондирующих видеоимпульсов длительностью менее Для улучшения разрешающей способности радиолокатора по дальности желательно было бы использовать импульсы более короткой длительности, но антенна не позволяет сделать это. Расширить полосу пропускания антенны до величины более 1ГГц обычно не удается, так как это связано с существенными техническими трудностями. Поэтому для улучшения разрешающей способности радиолокатора по дальности предлагается уменьшать длительность импульсов эхо-сигнала в канале приема после антенны путем расширения спектра сигнала в приемнике. Для этого предлагается использовать супергетеродинный прием и расширять спектр эхосигнала за счет энергии гетеродина приемника. Известно, что расширение спектра сигнала приводит к уменьшению длительности видеоимпульсов и улучшению разрешающей способности по дальности. В приемнике прототипа гетеродин и смеситель использовались для преобразования сигналов высокой несущей частоты на промежуточную более низкую частоту, что упрощало процесс усиления на промежуточной частоте и улучшало бы избирательность приемника. В предложенном устройстве промежуточной частоты нет, так как сигнал состоит из наносекундных видеоимпульсов, а гетеродин, смеситель и детектор используются совершенно для других целей: для расширения спектра видеосигналов за счет энергии гетеродина, уменьшения длительности видеоимпульсов и улучшения разрешающей способности по дальности. Ниже приводятся математические соотношения, подтверждающие возможность такого использования супергетеродинного приема. Эхо-сигнал цели на выходе широкополосного усилителя видеоимпульсов приемника 4 представляет собой периодическую последовательность наносекундных видеоимпульсов с частотой следования и может быть представлен следующим рядом Фурье где - время, отсчитываемое от середины импульса эхо-сигнала; - количество гармоник спектра сигнала; коэффициент, пропорциональный амплитуде импульса эхо-сигнала; - номер гармоники спектра сигнала; - частота следования зондирующих импульсов; - верхняя граничная частота полосы пропускания антенны; - амплитуда импульса эхо-сигнала. Гетеродин 5 генерирует синусоидальное напряжение частоты и половина этого напряжения с делителя подводится к смесителю на диодах 6, 7, 8, 9, а другая половина - к выпрямителю напряжения гетеродина на диодах 10, 11, 12, 13. Напряжение гетеродина на входе смесителю соотношением и определяется где - частота гетеродина; - амплитуда напряжения гетеродина. В этом соотношении начальная фаза напряжения гетеродина принята равной нулю для упрощения дальнейшего анализа, а отличие этой фазы от нуля не имеет существенного значения. Диоды смесителя 6, 7, 8, 9 имеют примерно квадратичную вольт-амперную характеристику, определяемую выражением где - ток диода; - напряжение на диоде; коэффициент характеристики диода. вольт-амперной Напряжение на нагрузке смесителя пропорционально току диода и приближенно определяется выражением где - сопротивление нагрузки смесителя. Напряжение на выходе детектора сигнала 14 пропорционально току через диод детектора и приближенно равно где - сопротивление нагрузки детектора. Обычно амплитуда напряжения гетеродина значительно больше амплитуды импульса эхосигнала поэтому можно пренебречь последними тремя слагаемыми в (5) и представить напряжение на выходе детектора сигнала в следующем виде на выходе детектора 14 будет в четыре раза уже, чем на входе приемника. Из выражения (6) также видно, что напряжение на выходе детектора 14 содержит также составляющую Эта составляющая содержит постоянную составляющую, вторую и четвертую гармоники напряжения гетеродина, которые проходят на выход. Вторая и четвертая гармоники гетеродина имеют высокую интенсивность и представляют помеху, на фоне которой обнаруживать сигнал цели весьма затруднительно. Для подавления этой помехи предлагается следующее, техническое решение. Напряжение гетеродина выпрямляют выпрямителем по мостовой схеме из четырех диодов 10, 11, 12, 13 и выпрямленное напряжение детектируют амплитудным детектором гетеродина на диоде 15. В результате на выходе детектора 15 будет выделено напряжение помехи равное Это напряжение помехи вычитают из выходного напряжения детектора 14 с помощью устройства вычитания 16. В результате на выходе устройства вычитания помеха будет полностью подавлена, а эхо-сигнал с широким спектром и узким видеоимпульсом будет выделен и цель может быть обнаружена на индикаторе 17. Мостовая схема из диодов 6, 7, 8, 9, по которой выполнен смеситель, принципиально необходима, так как соотношение (4) справедливо только для такой схемы смесителя. Специальный выбор частоты гетеродина требуется для получения расширенного спектра сигнала на выходе в виде гармоник частоты и четырехкратного уменьшения длительности видеоимпульса сигнала. В прототипе амплитудное детектирование использовалось для преобразования радиоимпульсов сигнала на промежуточной частоте в видеоимпульсы. В предложенном устройстве промежуточной частоты нет, а детектор 14 используется вместе со смесителем и гетеродином для расширения спектра и уменьшения длительности видеоимпульсов сигнала. Для подтверждения наличия положительного эффекта предложенного устройства были проведены расчеты формы видеоимпульсов сигнала на выходе предложенного устройства и на выходе канала приема аналогичного секвентного радиолокатора, но без смесителя, гетеродина и детектора. Расчеты проведены для следующих значений параметров; длительность зондирующего импульса внутреннее сопротивление источника сигнала на входе смесителя сопротивление нагрузки смесителя сопротивление нагрузки детектора сигнала Из выражения (6) следует, что спектр сигнала на выходе детектора 14 содержит гармоник частоты и в четыре раза превышает ширину спектра сигнала на выходе приемника. В результате длительность видеоимпульса сигнала обратный ток насыщения диодов верхняя граничная частота полосы пропускания антенны частота следования зондирующих импульсов нижняя граничная частота полосы пропускания антенны 1кГц. Результаты расчетов показаны на фиг.2. Расчеты показали, что предложенное устройство обеспечивает четырехкратное уменьшение длительности импульса сигнала в канале приема до величины что значительно улучшает разрешающую способность радиолокатора по дальности. 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 приемник 4 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 приемника и выпрямитель напряжения гетеродина выполнены по идентичным мостовым схемам из высокочастотных широкополосных диодов с малым обратным током насыщения и примерно квадратичной вольт-амперной характеристикой. Диоды детекторов 14, 15 идентичны диодам смесителя. Устройство вычитания 16 должно иметь широкую полосу пропускания. Индикатор 17 и гетеродин 5 аналогичны соответствующим устройствам прототипа. Сопротивления нагрузки смесителя и выпрямителя одинаковы и меньше входных сопротивлений устройства вычитания 16. Делитель напряжения гетеродина выполнен из двух одинаковых сопротивлений сравнительно небольшой величины. Амплитуда синусоидального напряжения гетеродина должна быть значительно больше амплитуды импульса эхо-сигнала на входе смесителя. Динамика работы предложенного устройства осуществляется следующим образом. Передатчик 3 формирует, а антенна 1 излучают зондирующий сигнал в виде периодической последовательности видеоимпульсов поля радиоволн без несущей частоты длительностью порядка 1 и с частотой следования Антенный переключатель 2 переключает антенну с передачи на прием и антенна 1 принимает видеоимпульсы эхо-сигнала. Эхо-сигнал усиливается широкополосным усилителем видеоимпульсов приемника 4. Гетеродин 5 генерирует синусоидальные колебания с частотой Смеситель приемника на диодах 6 - 9 преобразует спектр видеоимпульсов сигнала и увеличивает ширину спектра сигнала вдвое за счет энергии колебаний гетеродина. Детектор сигнала на диоде 14 еще вдвое увеличивает ширину спектра сигнала, а длительность видеоимпульса сигнала после этого уменьшается в четыре раза. На выход детектора сигнала проходит также помеха пропорциональная и содержащая вторую и четвертую гармоники напряжения гетеродина. Аналогичную помеху формируют также их напряжения гетеродина с помощью выпрямителя гетеродина на диодах 10 - 13 и детектора гетеродина на диоде 15. Устройство вычитания 16 подавляет помеху и выделяет видеоимпульсы сигнала с широким спектром и малой длительностью. Далее видеоимпульсы сигнала поступают на индикатор 17, где цель обнаруживают и измеряют ее дальность по времени запаздывания импульса эхо-сигнала относительно зондирующего импульса. Таким образом, предложенное устройство обеспечивает решение поставленной задачи, устраняет отмеченные недостатки аналога и прототипа, упрощает требования к полосе пропускания антенны, уменьшает в четыре раза длительность видеоимпульса эхо-сигнала в канале приема и улучшает разрешающую способность радиолокатора по дальности.