Бортовий радіолокаційний пристрій підповерхневого картографування

Бортовий радіолокаційний пристрій підповерхневого картографування, який містить радіолокаційну станцію, до складу якої входять передавач, приймач, антенний комутатор, синхронізатор та індикатор, антену або антенну систему, яка сканує в кутомісцевій площині і з'єднана з радіолокаційною станцією, пристрій сканування, вхід якого з'єднаний з виходом синхронізатора радіолокаційної станції, а перший вихід з'єднаний з антеною, датчик кута місця, з яким з'єднаний другий вихід пристрою сканування, який відрізняється тим, що 38624 нізатор та індикатор, антену, яка сканує, або антенну систему, пристрій сканування, датчик кута місця. Шляхом приймання коливань, відбитих від різноманітних ділянок опроміненої поверхні, а також за рахунок сканування антени в кутомісній площині та руху радіолокаційної станції отримують сигнал, який уявляє собою радіолокаційне зображення поверхні, розгорнуте в часі. Цей пристрій вибраний як прототип. Недоліком цього пристрою є те, що цей пристрій формує інтегральне зображення, складене із сумарної інформації поверхні покриву фунту, та його підповерхневих шарив. В результаті на зображенні підповерхневих шарів буде покладено більш інтенсивне зображення верхнього покриву грунту, який є для зображення підповерхневих шарів дуже сильною завадою. В основу винаходу поставлена задача усунення сигналів, відбитих від поверхні розділу, і виділення сигналів, відбитих від підповерхневих шарів грунту, що дозволяє формувати якісне зображення підповерхневих шарів гр унту, яке в значній мірі звільнене від завад, обумовлених сигналами, відбитими верхнім шаром грунту. Поставлена задача вирішується тим, що в бортовому радіолокаційному пристрої для підповерхневого картографування, який містить радіолокаційну станцію (у склад якої входять передавач, приймач, антенний комутатор, синхронізатор та індикатор), антену або антенну систему, що сканує в кутомісній площині, і з'єднана з радіолокаційною станцією, пристрій сканування, вхід якого з'єднаний з виходом синхронізатора радіолокаційної станції, а перший вихід з'єднаний з антеною, датчик кута місця, з яким з'єднаний другий вихід пристрою сканування, згідно з винаходом, радіолокаційна станція виконана у вигляді радіолокаційної станції з синтезованою апертурою, а також введені генератор стробуючих імпульсів, перший вхід якого з'єднаний з виходом синхронізатора радіолокаційної станції, а вихід з стробуючим входом приймача радіолокаційної станції, формувач сигналу дальності, перший вхід якого підключений до виходу датчика кута місця, а вихід підключений до другого входу генератора стробуючих імпульсів, схема формування сигналу глибини, вихід якої підключений до другого входу формувача сигналу дальності, вимірювач висоти польоту підключений до третього входу формувача сигналу дальності, причому генератор стробуючих імпульсів містить в собі генератор лінійно-змінної напруги, вхід якого підключений до виходу синхронізатора і є першим входом генератора стробуючих імпульсів, та компаратор, до одного із входів якого підключений вихід генератора лінійно-змінної напруги, інший його вхід є другим входом генератора стробуючих імпульсів, а вихід компаратора є виходом генератора стробуючи х імпульсів. Використання таких відмітних ознак, таких як радіолокаційна станція з імпульсів, вимірювача висоту польоту та схеми формування сигналу пропорційно глибині підповерхневого шару дозволяє вирішити поставлену задачу усунення сигналів, відбитих від підповерхневих шарів грунту і, як наслідок, формування якісного зображення підповерхневих шарів грун ту. Так, за допомогою генератора стробуючих імпульсів, радіолокаційна ста нція стробується якраз в ті моменти часу, в які приходять сигнали відбиті від підповерхневих неоднорідностей. В ті моменти часу, коли приходять сигнали від поверхні розподілу "повітря-земля" приймач буде закритий, для правильної розстановки в часі стробів потрібні: датчик кута місця, радіовисотомір, схема формування сигналу, пропорційного глибині підповерхневого шару, та формувач сигналу дальності. На фіг. 1 представлена структурна схема пристрою підповерхневого зондування. На фіг. 2 представлена загальна геометрія огляду поверхні та підповерхневих шарів. На фіг. 3 наведені епюри напруг, епюри: а являють собою імпульси запуску; б - ви хід генератора лінійно-змінної напруги 9 (графік 15) і напруга формувача дальності 5 (графік 16); в - вихідні сигнали генератора стробуючих імпульсів 6. Епюри побудовані для одного періоду Тck сканування діаграми направленості. Бортовий радіолокаційний пристрій підповерхневого картографування містить (фіг. 1) радіолокаційну станцію з синтезованою апертурою (РСА) 1 (до складу який входять передавач, приймач, пристрій синтезу апертури, синхронізатор, а також пристрій індикації), скануючу антену або антенну систему 2, наприклад, решітку, яка містить вертикальний або горизонтальний набір вздовж фюзеляжних антен з елементами електронного сканування (фазообертачами що керуються), з'єднану з РСА 1, пристрій сканування 3 з'єднаний другим своїм виходом з датчиком кута місця 4, а першим виходом з'єднаний з антеною 2, причому пристрій сканування 3 своїм входом підключений до синхронізатора РСА 1, формувач сигналу дальності 5, підключений одним з входів до виходу да тчика кута місця 4, а виходом до першого входу генератора стробуючих імпульсів 6, вихід якого з'єднаний з стробуючим входом приймача РСА 1, вимірювач висоти 7 та схему формування сигналу глибини підповерхневого шару 8 підключені, відповідно, до двох інши х входів формувача сигналу дальності 5, причому генератор стробуючих імпульсів 6 містить генератор лінійно-змінної напруги 9 та підключений до його виходу одним з двох входів компаратор 10, другий вхід якого і вихід є, відповідно, першим входом і виходом генератора стробуючих імпульсів 6, а синхронізатор РСА 1 підключений до синхронізуючого входу генератора лінійно-змінної напруги 9. Працює пристрій таким чином. Пристрій (фіг. 2) рухається в напрямку, перпендикулярному площині креслення. Послідовний огляд поверхні в кутомісній площині виконується шляхом сканування діаграми спрямованості вздовж фюзеляжної антенної системи. Одночасно здійснюється огляд поверхні по дальності шляхом опромінення її періодичною послідовністю коротких радіоімпульсів 12. Діаграма спрямованості на прийом вузька і в напрямку руху радіолокаційної станції і в кутомісній площині. РСА 1 випромінює періодичну послідовність коротких радіоімпульсів і приймає сумарні сигнали від різноманітних вибирається з умов забезпечення заданої розрізнювальної здатності, а період повторення із умови однозначного підрахунку дальності в секторі огляду. 2 38624 Сканування діаграмою спрямованості антенної системи 2 здійснюється пристроєм сканування 3, наприклад, шляхом керування елементами, що забезпечують фазовий зсув, підключеними на виході кожної вздовж фюзеляжної антени, що входить у лінійну антенну решітку 2, розташовану вертикально або горизонтально щодо поверхні. Схеми керування елементами, що забезпечують фазовий зсув (фазообертачі описані, наприклад, у "Довіднику з радіолокації" за редакцією Сколніка. М.: Сов. радіо, 1977. - Т. 2. - С. 246). Сукупність таких схем і являє собою устрій сканування 3. Частота сканування вибирається, наприклад, з умов, щоб за період сканування літальний апарат перемістився вздовж лінії польоту на інтервал, не перебільшуючи розрізненої можливості радіолокаційної станції вздовж лінії польоту, визначену шириною променя після синтезу апертури (синтезованого променя). Частота сканування може дорівнювати частоті повторення імпульсів, що зондують, а може бути менше в ціле число раз. У останньому випадку синхроімпульси для схеми 3 можуть надходити, наприклад, із дільника частоти, що входить до складу синхронізатора. Передавач РСА 1, випромінює електромагнітні хвилі через одну з N антен (через антенний перемикач "прийом-передача"), а прийом здійснюється на всі антени. Напруга керування кожним фазообертачем, наприклад, при вертикальному положенні решітки, повинна бути пропорційна величині U » k × Zi × cos q( t ) , (1) де U - напруга керування; k=2π/λ - хвильове число; λ - довжина хвилі, Zі - координата і-ої антени, розташованої уздовж вертикальної осі Z (початок координат зв'язано з фазовим центром решітки); θ(t) - напрямки максимуму діаграми спрямованості, що сканує; t - час. Приймач РСА 1 стробується імпульсною послідовністю в моменти часу, які відповідають приходу відбитих імпульсів від підповерхневого шару 14 з заданої глибини d з напрямку, відповідному напрямку максимуму діаграми направленості. Часові положення стробів визначають по заданих апріорно дальностях (розрахункових дальностях) до підповерхневого шару, які розраховуються по даним значення висоти Н, отриманої за допомогою висотоміру, значенню глибини підповерхневого шару d і відомим напрямкам максимуму діаграми спрямованості, заданими поточними значеннями кута місця θ. Датчик кута місця 4 формує на своєму виході напругу, пропорційну cosθ(t) і може являти собою масштабний підсилювач, до входу якого прикладена напруга керування U (1) від однієї з схем керування фазообертачами в пристрої сканування. Схема формування сигналу дальності 5 формує напругу, пропорційну дальності і може являти собою аналоговий обчислювач реалізуючий формулу (2). H + de De = , (2) cos q де De, - еквівалентна дальність від антени до підповерхневого шару, de - еквівалентна глибина, яка відрізняється від реальної глибини тим, що швидкість світла в підповерхневому шарі сn, а також кут заломлення θn відрізняються від швидкості світла с в атмосфері і кута падіння θ; Н - висота польоту літака; θ - кут місця. На вхід цього обчислювача повинна подаватися, також напруга, пропорційна висоті Н, наприклад від радіолокаційного, або барометричного вимірювача висоти 7 (висотомір дає данні про середню висоту і містить, наприклад, усереднені ланцюги), і напруга, пропорційна глибині de від схеми 8. Глибина de є апріорно заданою величиною і може у вигляді постійної напруги пропорційної de, подаватися з потенціометра. Глибина de зв'язана з істиною глибиною, формулою (3). З врахуванням зменшення швидкості світла в підповерхневому середовищі та заломлення променя, час затримки до підповерхневого шару t3 визначається з співвідношення: H + de D H d t3 = + = = e , c × cos q c n × cos qn c × cos q c а d × c × cos q de = , (3) c n × cos q n де t3 - час затримки до підповерхневого шару, Н висота польоту літака, De - еквівалентна дальність від антени до підповерхневого шару, de - еквівалентна глибина, d - глибина підповерхневого шару, с - швидкість світла в атмосфері, сn - швидкість світла в підповерхневому середовищі, θ - кут місця, θn - кут між вертикаллю та напрямом розповсюдження заломленого променя (кут падіння, який відповідає напрямку максимуму скануючого променя). Генератор стробуючих імпульсів 6 формує імпульси, які відкривають приймач РСА в моменти надходження на вхід сигналів, відбитих від підповерхневого шару заданої глибини з напрямів θ(t), які відповідають напрямам максимуму діаграми спрямованості. Часові положення стробів визначають по заданим апріорно дальностям (розрахунковим дальностям) до підповерхневого шару, які розраховуються по даним значення висоти Н, отриманої за допомогою висотоміру, значенню глибини підповерхневого шару d і відомим напрямкам максимуму діаграми спрямованості, заданими поточними значеннями кута місця θ. Цей генератор містить компаратор 10, на один вхід якого надходить пилоподібна напруга 15 (фіг. 3) з генератора лінійно змінної напруги 9, а на інший вхід напруга пропорційна дальності 16 від формувача 5. В момент рівності цих напруг компаратор формує імпульс, часове місцезнаходження якого відповідає відстані до підповерхневого шару. Вихідні сигнали радіолокаційної станції з синтезованою апертурою являють собою розгорнуту в часі радіолокаційну карту підповерхневого шару. Слід виділити, що в схемі має місце частковий синтез апертури, інакше кажучи - накопичення сигналу від відбитої точки здійснюється тільки на протязі часу його знаходження в межах скануючого променя. Повний синтез має місце лише при рівності частоти повторення зондуючих імпульсів частоти сканування променя. Із порівняння прототипу і запропонованого винаходу випливає, що техніко-економічні показники останнього вищі, так як запропонований винахід знімає сигнали відбиті від поверхні розділу та виділяє сигнали відбиті від під поверхневих шарів. Запропонований винахід дозволяє суттєво змен 3 38624 шити інтенсивність зображення, верхнього покрову та на його фоні виділити зображення підповерхневих шарів та об'єктів. Безперечно, що якісні показники підповерхневого картографування будуть тим вищі, чим менше ширина кутовмісної діаграми спрямованості та чим менше довжина зондуючих імпульсів та стробів. Фіг. 1 Фіг. 2 4 38624 Фіг. 3 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5