Рлс неперервної дії з частотною модуляцією

Изобретение относится к радиолокационной технике, а точнее к радиолокационным системам с частотной модуляцией при непрерывном излучении радиоволн. Изобретение наиболее эффективным может быть использовано при построении малогабаритных РЛС непрерывного действия с частотной модуляцией для точного бесконтактного определения расстояний до поверхностей различных сред, находящихся в замкнутых объемах, для определения высот и скоростей снижения на этапе посадки самолетов и т.п. Известны принципы построения РЛС непрерывного действия с частотной модуляцией [1](Винницкий А.С. Очерки основ радиолокации при непрерывном излучении радиоволн, М., Сов.радио, 1961), (2] (патент США № 4660040, кл. G 01 S, 13/32, пр. 1985), [3] (P.LLOW-bridge, LOW cost FMC M Radar for precision measurement. Military Conferense Proceidings, 1990, p.31-39). Известные РЛС непрерывного действия с частотной модуляцией выполняются в соответствии со структурной схемой фиг.1. Задающий генератор 1 совместно с модулятором 2 формируют частотно модулированный непрерывный сигнал с линейной треугольной модуляцией в пределах периода модуляции Тм с девиацией частоты W. После усиления в УВЧ 3 сигнал передающего устройства излучается антенной 4. Приемное устройство РЛС подключено к приемной антенне 5 и включает балансный смеситель 6, к которому подводятся принимаемый сигнал и сигнал задающего генератора, усилитель частоты биений 7 с фильтром низких частот, частотомером 8 и индикатором 9. РЛС с линейной частотной модуляцией нашли широкое применение в качестве бортовых высотомеров на самолетах, радиовзрывателей в боевых системах различного типа, дальномеров одиночных и групповых целей в РЛС ближнего действия. В то же 'время описанные известные РЛС обладают рядом значительных недостатков. Прежде всего данные станции в большинстве практических случаев работают при использовании двух антенн (приемной и передающей) с реализуемой степенью развязки между ними не менее 50-60 дБ. Данная особенность связана с необходимостью обеспечения значительной развязки между передатчиком и приемником РЛС при учете непрерывного режима работы. Применение только одной антенны в известных РЛС непрерывного действия не позволяют снизить уровень мощности, проникающей из целей передатчика в цепи приемника более чем на 20 дБ (при учете реальных развязок ферритовых циркуляторов и реализуемых характеристик согласования антенны с цепями передатчика). В результате существенно снижается реализуемая чувствительность и соответственно уменьшается дальность действия РЛС. Другим недостатком известных РЛС является присущая им постоянная погрешность измерения расстояний, dR. Уменьшение постоянной погрешности может быть достигнуто увеличением девиации частоты. Этот метод, однако, не обеспечивает требуемой точности измерений малых расстояний в различных системах. Известны специальные методы уменьшения постоянной "погрешности ЧМ РЛС, существенно усложняющие схему и конструкцию РЛС и увеличивающие время анализа. Следующий недостаток описанных известных РЛС, измеряющих расстояние R и скорость v при изменении их в широких пределах, связан с эффектом критических скоростей [1]. Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому .является РЛС непрерывного действия, в которых частота гетеродина приемного устройства РЛС тем или иным способом смещается относительно частоты передатчика (прототип) [4] (Винницкий А.С. Автономные радиосистемы. М., "Радио и связь", 1986, с. 173-190). Структурная схема такой РЛС приведена на фиг.2. По данной схеме на смеситель 6 приемника поступает частота гетеродина, равная частоте задающего генератора 1, смещенной на частоту Fc сигнала дополнительного генератора 10. Непрерывный сигнал генератора 10 поступает на смеситель 11 и затем после фильтра 12 формируется сигнал гетеродина приемника, равный f2=f1 + Fc или f2 = f1 - Fc. После смесителя 6 и усилителя промежуточной частоты 13 (Fnp = Fc) формируется частотномодулированный сигнал с несущей частотой равной Fc. Измерение высшей и низшей частот биений (FB и Fh), перенесенных в данной схеме на частоту Fc, выполненные в 8, обеспечивают после операций сложения и вычитания в (8) определение величин Fr и Fg и, соответственно, дальности и скорости лоцируемого объекта. Величина Fc в данной схеме выбирается из условия, что во все х интервалах измеряемых расстояний и скоростей не выполняется условие Fv ' Fr, т.е. отсутствует критическая скорость цели. Другим достоинством этой схемы является то, что при указанном выборе величины Fc исчезают нулевые биения, что принципиально позволяет устранить постоянную ошибку dR, свойственную РЛС, указанных в аналогах. В то же время так же, как в РЛС по схеме фиг.1, в большинстве практических применений оказывается необходимо применять две антенны, раздельно для приемника и передатчика, с целью снижения сигнала передатчика, проникающего в цепь приемника и даже при этом подавление этого сигнала не превышает 50-60 дБ. Другим недостатком РЛС-прототипа является то, что введение дополнительного смесителя и генератора в цепь формирования сигнала гетеродина приемника приводит к увеличению шумового уровня сигнала гетеродина и к соответствующему снижению чувствительности приемника РЛС. Предлагаемое изобретение направлено на усовершенствование РЛС непрерывного действия с частотой модуляцией путем нового выполнения СВЧ цепи и определенной связи ее элементов, введению новых дополнительных узлов в структурн ую схему РЛС, что увеличивает электромагнитную изоляцию между приемным и передающим устройствами, в результате повышает энергопотенциал РЛС и, в итоге, обеспечивает существенное увеличение дальности действия РЛС непрерывного действия с частотной модуляцией. Заявленный технический результат достигается тем, что в РЛС непрерывного действия с частотной модуляцией, содержащей приемное и передающее устройства, присоединенные к общей приемопередающей антенне при помощи ферритового циркулятора либо к независимым передающей и приемной антеннам, задающий генератор с модулятором, формирующий частотно-модулированный сигнал, смеситель сдвига частоты задающего генератора, дополнительный генератор частоты смещения и полосовой фильтр, обеспечивающие формирование сигнала с частотой, смещенной относительно частоты задающего генератора на фиксированную величину частоты смещения, балансный смеситель приемного устройства, к которому подводятся опорный и принимаемый сигналы, усилитель промежуточной частоты, измеритель частот биений, вычислительное устройство и индикатор, согласно изобретению на выходе балансного смесителя приемника установлен дополнительный полосовой режекторный фильтр, независимый, либо в составе усилителя промежуточной частоты, вырезающий из рабочего диапазона частот полосу в пределах - максимальная и минимальная частоты биений сигналов задающего генератора и принимаемого приемником, соответствующие минимальной дальности действия rmin РЛС; Fgmax - частота Доплера, соответствующая максимальной скорости целиVmax; Fc - часто та смещения. Частота смещения выбирается из условия, что во всем интервале дальностей действия РЛС в течение всего времени наблюдения цели не выполняется равенство частоты задающего генератора и частоты отраженного сигнала, т.е. где f1- частота задающего генератора в момент времени t; foтp - частота в момент времени отраженного сигнала от цели, расположенной на максимальном расстоянии rmax и движущейся с максимальной радиальной скоростью; F(t) - периодическая функция, определенная законом частотной модуляции с периодом Тmах. Знаки ± в (3)соответствуют приближающейся и удаляющейся от РЛС цели, соответственно. Указанный выбор частоты смещения соответствует примененному в РЛС-прототипе. При этом исключается критическая радиальная скорость цели. Эти признаки позволяют достичь заявляемый технический результат, что поясняется следующим образом. Принцип фильтрации рабочих частот, примененный в данном изобретении показан на фиг.За, где изображена зависимость частоты биений от времени при наблюдении цели, расположенной на минимальном расстоянии rmах И Движущейся со скоростью Vr по отношению к РЛС. На фиг.3б представлена частотная зависимость коэффициента передачи tn(f) режекторного фильтра. Из рис.З видно, что при полосе запирания фильтра 2Fg < DFф 1 резонансные свойства фильтра практически разрушаются - фильтр не успевает отреагировать на сигнал с быстро изменяющейся частотой. Условие m> 1 соответствует такому выбору характеристик частотной модуляции и полосы заграждения режекторного фильтра с другой стороны, согласно (2) D>Fg , что соотве тствуе т следующей связи параметров модуляции Fm W с рабочей частотой f0 РЛС, а также Соотношение (6), (7) определяют значения Wmax, W min в пределах которых должна быть выбрана девиация W частоты передатчика при заданных значениях rmin , vrmах, f 0, Fm. Величина Fm определяется, как и для РЛС-прототипа из условия Из сказанного следует, что наше техническое предложение обеспечивает существенное подавление сигнала передатчика, проникающего в приемник. Измерение дальности цели и ее скорости производится в соответствии с выражениями Достижимые дополнительные уровни подавления паразитного сигнала передатчика составляют при реализуемых фильтрах 50-60 дБ. Таким образом, при использовании изобретения оказывается возможным уменьшить паразитный просачивающийся сигнал передающего устройства в цепи приемника до уровня (7СН80) дБ в одноантенных РЛС и до уровня - (110-120) дБ в двухантенных РЛС вместо достижимых в настоящее время уровней паразитного просачивающегося сигнала (-20 дБ) в одноантенных и (-60 дБ) в двухантенных РЛС. Дальность действия РЛС возрастает при указанном снижении уровня паразитного сигнала в десятки раз. В частности, представляется реализуемой РЛС непрерывного действия с частотной модуляцией в миллиметровом диапазоне волн с уровнем мощности передатчика сотни мВт и с дальностью действия свыше 1 км по малоразмерным целям с ЭПР »1-2 м 2. Кроме того, согласно данного изобретения в отличии от прототипе, опорный сигнал формируется непосредственно задающим генератором путем ответвления части его мощности к балансному смесителю приемного устройства, а смеситель сдвига частоты совместно с полосовым фильтром установлен в цепи передающего устройства РЛС. Такое техническое решение известно при построении импульсных РЛС (Финкельштейн М,Н. Основы радиолокации, М,, Сов.радио, 1973, с.301, рис.6,1,7) [6]. Формирование опорного сигнала (сигнала гетеродина приемного устройства) путем ответвления части мощности частотно модулированного сигнала задающего генератора обеспечивает минимальный уровень шума гетеродина, определяемый только шумовыми характеристиками задающего генератора; введение смесителя сдвига частоты в цепь опорного сигнала, как это сделано в конструкции-прототипе, приводит к увеличению амплитудных и фазовых шумов опорного сигнала, поскольку шумовые источники смесителя сдвига совместно с генератором частоты смещения включаются в цепь гетеродина. Уменьшение этого отрицательного эффекта, приводит к необходимости применения "пассивного" смесителя сдвига, выполенного на варакторном диоде. При этом; однако, существенно возрастают потери требования, достигающие 8-10 дБ в миллиметровом диапазоне волн. В соответствии с предполагаемым изобретение цепь гетеродина свободна от дополнительных источников шума, единственным источником шума является низкошумящий задающий генератор. Смеситель сдвига частоты в предполагаемом изобретении устанавливается в цепи передающего устройства РЛС. Такое техническое решение позволяет применить активный смеситель сдвига, работа которого в миллиметровом диапазоне волн может быть основана на применении диодного (ЛПД или ДГ) усилительного либо генераторного каскада на вход которого подается синхронизирующий сигнал задающего генератора, а ток питания каскада модулируется сигналом с частотой смещения Fc. После фильтрации формируется одна из боковых частот смесителя сдвига, с частотой (f0 + Fc) или (f0 - Fc). Активные смесители сдвига обеспечивают эффект смещения частоты с минимальными потерями уровня преобразованного сигнала, а при определенных режимах работы с усилением по отношению к уровню входного сигнала. Таким образом, данное техническое предложение увеличивает чувстви тельность приемного устройства, что увеличивает дальность действия РЛС; позволяет применить эффективный "активный" смеситель сдвига в цепи передающего устройства и в результате повысить уровень сигнала передающего устройства. Заявляемое изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень" в связи с тем. что все отличительные признаки устройства в совокупности не обнаружены в составе другого объекта. Для подтверждения реализуемости изобретения ниже приводится конкретный пример выполнения устройства со ссылкой на прилагаемые чертежи, из которых: На фиг.1 представлена структурная схема известной РЛС непрерывного действия с частотной модуляцией (аналог данного изобретения); на фиг.2 - структрная схема известной РЛС (прототип); на фиг.З зависимость частоты биений F