Рлс виявлення малорозмірних цілей

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в РЛС обнаружения для обеспечения возможности увеличения дальности обнаружения малоразмерных воздушных целей. 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 угловы х координат основано на измерениях дальностей от разнесенных антенн до цели, а дальности определяют по времени запаздывания импульса эхо-сигнала относительно зондирующего импульса. При этом период следования импульсов T обычно T > 2r m/c, где r m максимальная дальность обнаружения, c - скорость света. Это ограничение на период следования обусловлено необходимостью обеспечения однозначности измерения дальности по времени запаздывания. В таком аналоге для усиления сигналов иногда можно использовать усилитель видеоимпульсов с обратной связью [1, с. 23, рис. 1.31]. 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 вы ход усилителя со входом линии задержки и с 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 задерживает 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 следования которых равен времени задержки линии задержки. Другие непериодические сигналы и шумы не будут накапливаться и усиливаться. То есть устройство обладает избирательностью. Следует отметить, что такой усилитель будет накапливаться и усиливать также периодические сигналы, период которых вдвое больше времени задержки линии задержки, хотя в этом случае усиление будет менее эффективным. 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 линию задержки наносекундных импульсов выполнить нельзя, так как длина ее и потери в ней будут очень велики. Это ограничивает возможность использования такого усилителя в радиолокаторе-аналоге. В качестве прототипа выбрана импульсная РЛС, которую можно использовать для обнаружения целей и измерения дальности и азимута [2]. В состав прототипа входят следующие элементы: приемопередающая антенна с переключателем прием-передача, приемник и передатчик зондирующих сигналов в виде периодической последовательности радиоимпульсов микросекундной длительности на несущей частоте микроволнового диапазона с периодом следования T > 2rm/c. Дальность r цели определяют по результату измерения времени запаздывания tз импульса эхо-сигнала относительно зондирующего импульса по соотношению r = ctз/2. Азимут цели в прототипе определяют путем вращения антенны с узкой диаграммой направленности по азимуту по положению антенны в момент приема максимального сигнала. Недостатком прототипа является то, что такая РЛС имеет малую дальность обнаружения малоразмерных целей, так как эхо-сигналы таких целей обычно слабы и зачастую теряются в собственных шумах приемника. Другой недостаток прототипа состоит в том, что такая РЛС почти не может обнаруживать цели с поглощающими покрытиями, которые поглощают радиоволны на несущей частоте прототипа. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования РЛС обнаружения малоразмерных целей, в которой за счет использования секвентного передатчика и выполнения приемной антенны в виде вибраторной решетки с уголковым рефлектором, а также дополнительного включения в состав РЛС устройства вычитания и усилителя с обратной связью в виде кабельной линии задержки обеспечивается накопление и усиление видеоимпульсов эхо-сигналов цели, что увеличивает дальность обнаружения малоразмерных целей. Поставленная задача решается тем, что в РЛС обнаружения малоразмерных целей, содержащей передатчик с передающей антенной, приемник и индикатор, согласно изобретению передатчик выполнен для несинусоидальных импульсов сигналов наносекундной длительности без несущей часто ты, приемная антенна выполнена в виде вибраторной антенной решетки с уголковым рефлектором из двух проводящих плоскостей с углом раскрыва 60°, в которой удаление ближнего вибратора от ребра рефлектора втрое меньше расстояния d между вибраторами, на выходе приемника включены параллельно два широкополосных диода противоположной полярности, один из которых связан с линией задержки из отрезка коаксиального кабеля длиной где V - скорость распространения радиоволн в линии; c - скорость света, выходы второго диода и линии задержки связаны с устройством вычитания задержанных импульсов из незадержанных импульсов сигнала, выход устройства вычитания связан через входное устройство связи с широкополосным усилителем видеоимпульсов с обратной связью в виде второй линии задержки из отрезка коаксиального кабеля длиной выход этой линии также связан через входное устройство связи со входом усилителя, выход которого связан через выходное устройство связи со входами второй линии задержки и индикатора. При этом методы определения дальности и азимута цели в предложенном устройстве аналогичны методам, используемым в прототипе, передающую и приемную антенны вращают по азимуту синхронно, а переключатель прием-передача не используется. Выполнение передатчика с несинусоидальным импульсным сигналом и выполнение приемной антенны в виде вибраторной решетки с уголковым рефлектором, а также дополнительное включение в состав РЛС устройства вычитания, разделяющих импульсы диодов, первой линии задержки и усилителя с обратной связью в виде второй линии задержки позволяет сформировать из видеоимпульсов эхо-сигналов цели единую периодическую последовательность и усилить и накопить сигнал с помощью усилителя с обратной связью, что увеличивает дальность обнаружения малоразмерных целей и целей с поглощающими покрытиями. Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняется чертежами. На фиг.1 представлена упрощенная структурная схема предложенной РЛС, показан эскиз антенны и схема запитки вибраторов решетки фидерными линиями. На фиг.2 представлены эпюры сигналов на входе приемника, на входа х и выходе устройства вычитания и на входе индикатора. На фиг.3 показаны вибраторы и рефлектор приемной антенны, а также зеркальные изображения вибраторов относительно плоскостей рефлектора. В состав предложенного устройства на схеме фиг.1 входят следующие основные элементы: - вибраторы приемной антенной решетки 1 длиной lв 2rm/c. Этот сигнал распространяется до цели, отражается от цели, изменяя свою полярность при отражении, и возвращается к приемной антенне. Далее будет рассматриваться прием одного отрицательного импульса эхо-сигнала цели приемной антенной. Каждый вибратор приемной антенной решетки принимает сигналы следующи х радиоволн (лучей) эхо-сигнала: 1) сигнал прямой волны от цели; 2) сигнал, отраженный один раз от верхней грани рефлектора; 3) сигнал, отраженный один раз от нижней грани рефлектора; 4) сигнал, дважды отраженный от рефлектора (сначала от верхней грани, а потом - от нижней); 5) сигнал, дважды отраженный от рефлектора (сначала от нижней грани, а потом - от верхней). При каждом отражении полярность импульса поля радиоволн изменяется [1]. Пути этих сигналов легче представить, если ввести так называемые зеркальные изображения вибраторов приемной антенны относительно двух плоскостей рефлектора как показано на фиг.3. Эти изображения построены для решетки из трех вибраторов 1, 2, 3, но могут быть обобщены для любого количества вибраторов. Зеркальные изображения 1', 2', 3' соответствуют п утям 2); 1", 2", 3" - путям 3); 1"', 2"', 3"' - путям 4) и 1'v, 2'v, 3'v - путям 5). Импульсы для путей 2), 3) будут иметь положительную полярность, а импульсы для путей 1), 4), 5) - отрицательную полярность. То есть от одного отрицательного импульса падающей на антенну волны эхо-сигнала каждый вибратор принимает по пять импульсов, два из которых будут положительные и три отрицательные. При падении волны с направления оси антенны вдоль линейки вибраторов импульсов путей 2), 3) для одного какого-либо вибратора совпадут по времени, сложатся и амплитуда положительного импульса в вибраторе удвоится. Совпадут по времени и сложатся также отрицательные импульсы путей 4), 5). В этом случае сигнал на выходе приемника от всех вибраторов решетки из трех вибраторов будет выглядеть примерно так, как показано на эпюре фиг.2а, и будет состоять из трех положительных и 6 отрицательных импульсов. Около каждого импульса на эпюре фиг.2а указан номер вибратора, которым этот импульс принят, а нумерация вибраторов ведется от угла ре флектора. Из фиг.2а и геометрии антенны на фиг.3 видно, что при приходе волны с направления оси антенны положительные импульсы сигнала на выходе приемника запаздывают друг относительно друга на время где d - расстояние между вибраторами. Отрицательные импульсы на выходе приемника, соответствующие прямым волнам, запаздывают друг относительно друга на время 2tз2, а отрицательные импульсы путей 4), 5) продолжают эту последовательность со временем запаздывания tз2. Из эпюр фиг.2а видно, что если задержать отрицательные импульсы сигнала на время а положительные импульсы не задерживать, то все импульсы сигнала образуют периодическую последовательность с периодом tз2. Это можно сделать, так как положительные и отрицательные импульсы сигнала можно разделить на выходе приемника 6 с помощью широкополосных диодов 7, 8. После разделения отрицательные импульсы задерживают на время tз1 линией задержки 9. Периодическую последовательность импульсов можно накопить и усилить с помощью усилителя с обратной связью в виде линии задержки на период следования tз2 аналога [1], но для этого необходимо, чтобы все видеоимпульсы периодической последовательности имели одинаковую полярность. Преобразование сигнала в единую периодическую последовательность положительных импульсов выполняет устройство вычитания 10, которое вычитает задержанную последовательность отрицательных импульсов из последовательности положительных импульсов. Эпюры сигналов на первом и втором входах и выходе устройства вычитания 10 показаны на фиг.2б, в, г. Сигнал на выходе устройства вычитания 10 представляет собой периодическую последовательность положительных импульсов с периодом следования tз2 = d/2c. Такой сигнал уже можно накопить и усилить с помощью широкополосного усилителя видеоимпульсов 11 с обратной связью в виде второй линии задержки на время tз2. В результате сигнал на входе индикатора 15 будет иметь примерно такой вид, как показано на фиг.2д. Длины l1, l2 первой 9 и второй 12 линий задержек определены соотношениями (1), (2), которые получены из (4), (3). Усилитель 11 с обратной связью накапливает и усиливает сигналы цели, но не накапливает шумы и помехи. Это позволяет накопить и усилить слабые сигналы малоразмерной цели и обнаружить их на фоне собственных шумов приемника. Предложенная геометрия уголкового рефлектора 3 и удаление первого вибратора от ребра рефлектора на расстояние d/3 необходимы для того, чтобы отрицательные импульсы прямых и дважды отраженных волн образовали единую периодическую последовательность с периодом 2tз2 для импульсов прямых волн и с периодом tз2 - для дважды отраженных волн. Следует отметить, что последовательность импульсов с периодом 2tз2 также может накапливаться и усиливаться усилителем 11 с линией задержки 12. В предложенном устройстве принципиально необходимо использовать несинусоидальные импульсные сигналы наносекундной длительности без несущей частоты, так как только такие импульсы отраженных от рефлектора радиоволн могут быть разрешены по времени и объединены в периодическую последовательность. Кроме того, такие импульсы имеют очень широкий спектр частот, что позволяет обнаруживать цели с поглощающими покрытиями, так как такие покрытия обычно не могут полностью поглотить радиоволны с таким широким спектром. 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. Антенны, передатчик 4 и приемник 6 выполнены для излучения и приема несинусоидальных импульсных сигналов наносекундной длительности без несущей частоты. Такие системы могут быть практически реализованы, так как физические основы и принципы их построения известны и описаны в литературе [1]. Фидерные линии 2 запитывают вибраторы с концов, подключены параллельно ко входу приемника и выполнены из коаксиальных кабелей одинаковой длины для всех фидерных линий. Наружные проводящие оболочки этих кабелей служат для экранирования излучения линий, не являются несущими сигнал элементами и могут быть заземлены. Широкополосные диоды 7, 8 должны иметь полосу пропускания не менее 1/t. Конструкция и работа широкополосного усилителя видеоимпульсов 11 с устройствами связи 13, 14 и линией задержки 12 описаны в литературе [1]. Линии задержки 9, 12 можно выполнить в виде отрезков коаксиальных кабелей. Длины этих линий l1, l2 определены соотношениями (1), (2), сравнительно невелики и приемлемы для реализации. Индикатор 15 аналогичен соответствующему элементу прототипа. Динамика работы предложенного устройства осуществляется следующим образом. Передатчик 4 формирует, а его антенна излучает импульс поля радиоволн наносекундной длительности без несущей частоты. Приемная антенна принимает импульс, отраженной от цели радиоволны. При приеме радиоволны принимаются вибраторами 1 антенной решетки, отражаются от уголкового рефлектора 3 один и два раза и снова принимаются вибраторами. При каждом отражении полярность импульсов поля радиоволн изменяется. При приходе импульса волны с направления оси антенны вдоль линейки вибраторов каждый вибратор будет принимать по три импульса, два из которых отрицательные и один положительный, а сигнал на выходе приемника будет выглядеть так, как показано на фиг.2а. Широкополосные диоды 7, 8 разделяют положительные и отрицательные импульсы на выходе приемника 6, после чего отрицательные импульсы задерживаются первой линией задержки 9 на время tз1 = 2d/3c. Устройство вычитания 10 вычитает последовательность отрицательных задержанных импульсов из последовательности положительных импульсов и образует на выходе единую периодическую последовательность положительных импульсов с периодом tз2 = d/2c. Усилитель с обратной связью 11 накапливает и усиливает эту периодическую последовательность импульсов, но не накапливает шумы. В результате слабый сигнал малоразмерной цели будет накоплен, усилен и обнаружен на индикаторе 15 на фоне собственных шумов приемника. Таким образом, предложенное устройство обеспечивает решение поставленной задачи, устраняет отмеченные недостатки аналога и прототипа и позволяет обнаруживать малоразмерные цели, а также цели с поглощающими покрытиями.