Вимірювач кута місця цілі для радіолокатора виявлення

УКРАЇНА «•>УА 3769 ХМ від 23 XII 1993 р Публікується в редакцП заявника (54) ВИМІРЮВАЧ КУТА МІСЦЯ ЦІЛІ ДЛЯ РАДІОЛОКАТОРА ВИЯВЛЕННЯ 1 (21)97031173 (22) 17 03.97 (24) 20 05 97 (46)31.10 97 Бюл. №5 (47) 20.05.97 (56) 1. Педак А М., Баклашов П И. и др Справочник по основам радиолокационной техники Под ред В В Дружинина - М.* Военное издательство, 1967 2. Хармут X Ф Несинусоидальные волны в радиолокации и радиосвязи Пер. с англ - М.. Радио и связь, 1985 3 Справочник по радиолокации Под ред. М.Сколника Пер с англ под общей ред. К Н.Трофимова // Т4 Радиолокационные станции и системы Под ред М М Вейсбейна. - М.. Сов.радио, 1978 - С.68,69, рис.1 (прототип). (72) Жуков Сергій Анатолійович (73) Київський університет їм Т.Г Шевченка (UA) (57) Измеритель угла места цели для радиолокатора обнаружения, содержащий передатчик, приемник, индикатор и приемо-передающую антенну с антенным переключателем, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что передатчик выполнен с несинусоидальным импульсным сигналом наносекундной длительности без несущей частоты, антенна выполнена в виде вибраторной решетки с плоским металлическим рефлектором, в которой расстояние между вибраторами пол высоте равно высоте h подъема нижнего вибратора над землей, на выходе приемника установлен выпрямитель сигнала в виде мостовой схемы из четырех широкополосных диодов, выход которого связан через входное устройство связи со входом широкополосного усилителя видеоимпульсов с обратной связью в виде управляемой линии задержки с устройством изменения длины I линии и датчиком длины этой линии, выход этого усилителя связан через выходное устройство связи с индикатором и входом управляемой линии задержки, выход которой также связан со входом усилителя через входное устройство связи, выход датчика длины линии задержки связан с вычислителем угла места цели 0по соотношению и с устройством перемещения вибраторов вдоль оси антенны в соответствии с соотношением d = 2 V где h - высота подъема нижнего вибратора антенной решетки над землей, d - расстояние от вибраторов до рефлектора антенны, N - количество вибраторов в вертикальном ряду решетки, в- угол места цели, V - скорость распространения радиоволн в линии задержки, с - скорость света, I - длина линии задержки, соответствующая максимальному значению сигнала на входе индикатора. j СО 17673 Изобретение относится к области радизывающее выход усилителя со входом линии олокации и может быть использовано в назадержки и с потребителем усиленного сигземных РЛС обнаружения воздушных целей нала. с несинусоидальным импульсным сигналом Этот усилитель работает следующим обдля измерения угла места цели. 5 разом. Импульс напряжения наносекундной Известен фазовый измеритель угловой длительности от источника сигнала поступакоординаты (например, угла места) цели, соет через входное устройство связи на вход держащий две разнесенные по высоте анусилителя видеоимпульсов, усиливается и тенны (1, с.48, рис.1.31). Измерение угла через выходное устройство связи поступает места цели основано на измерении сдвига 10 на вход линии задержки. Эта линия задерфаз синусоидальных сигналов, принимаеживает сигнал на период следования. Замых этими антеннами. держанный импульс через входное Недостатком этого аналога является то, устройство связи поступает на вход усилитечто этому фазовому измерителю присуща ля и в это же время на вход усилителя принеопределенность измерения угла места. В 15 ходит второй импульс периодической тех случаях, когда сдвиг фаз сигналов окапоследовательности от источника сигнала жется больше 2 тг, определение угла места через входное устройство связи. Эти имстановится неопределенным. пульсы складываются, снова усиливаются и процесс повторяется. В результате многоДругой недостаток этого аналога состоит в том, что измерение угла места в секторе 20 кратного прохождения сигнала по цепи обмалых углов места над землей сильно заратной связи сигнал накапливается и труднено отраженными от земли эхо-сигнаусиливается, а усиленный сигнал можно вылами цели. Это приводит к тому, что делить на выходе выходного устройства свясуммарные сигналы в антеннах почти не бузи на фоне собственных шумов устройства. дут иметь сдвига фаз и потеряют информа- 25 Такой усилитель накапливает и усиливает цию о малых углах места цели. только периодические сигналы, период которых соответствует времени задержки лиИзвестен также радиолокатор с несинунии задержки. Другие непериодические соидальным импульсным сигналом, который сигналы и шумы не будут накапливаться и можно использовать для измерения трех координат цели, содержащий разнесенную в 30 усиливаться. То есть устройство обладает пространстве антенную систему из двух или избирательностью. более антенн и излучающий периодические Рассматриваемый радиолокатор с опиимпульсные сигналы наносекундной длисанным выше усилителем имеет следующий тельности без несущей частоты [2.С.217недостаток. Линия задержки в цепи обрат222,232,233, рис.5.3.1,5.3.12]. Измерение 35 ной связи должна обеспечивать задержку на угловой координаты основано на измеренипериод следования Т, то есть длина линии ях дальностей от разнесенных антенн до должна быть почти вдвое больше максицели, а дальность определяют по времени мальной дальности обнаружения г т . При запаздывания импульса эхо-сигнала относибольших дальностях rm неискажающую лительно зондирующего импульса. При этом 40 нию задержки наносекундных импульсов период следования импульсов Т обычно выполнить нельзя, так как длина ее и потери Т->2гт/с, где Гт - максимальная дальность в ней будут очень велики. Это ограничивает обнаружения, с - скорость света. Это огравозможности использования такого усилиничение на период следования импульсов теля в радиолокаторе-аналоге. обусловлено необходимостью обеспечения 45 Другой недостаток аналога состоит в однозначности измерения дальности по том, что этот радиолокатор не использует времени запаздывания. отраженные от земли радиоволны эхо-сигВ таком аналоге для усиления сигналов налов цели и часть энергии эхо-сигналов цеиногда можно использовать усилитель видели, приходящих к антенне, бесполезно оимпульсов с обратной связью [2, с.23, 50 теряется. рис 1.31]. В состав этого усилителя входят ^ В качестве прототипа выбрана РЛС опследующие элементы: широкополосный усиределения высоты целей с качающейся по литель видеоимпульсов наносекундной длиуглу места антенной [3], содержащая перетельности; неискажающая линия задержки, датчик периодических импульсных сигналов время задержки которой равно периоду сле- 55 в виде радиоимпульсов микросекундной дования импульсов Т (эта линия образует * длительности на несущей частоте микроволкольцо обратной связи усилителя); входное нового диапазона, приемо-передающая анустройство связи, связывающее вход усилитенна с антенным переключателем, теля с источником сигнала и выходом линии приемник и индикатор. Антенна прототипа задержки; выходное устройство связи, свяимеет узкую диаграмму направленности в 17673 вертикальной плоскости и качается по углу места. Угол места цели определяют по положению антенны в момент приема максимального эхо-сигнала цели. Высоту цели в прототипе определяют по результату изме- 5 рения угла места и дальности, которую определяют по времени запаздывания эхо-сигнала относительно зондирующего импульса. Недостатком прототипа является то, что 10 для измерения угла места требуется антенна с узкой диаграммой направленности и большим вертикальным размером и эту громоздкую антенну требуется качать по углу места. Другим недостатком прототипа являет- 15 ся то, что измерение малых углов места над землей с помощью такой РЛС весьма затруднительно, так как отраженные от земли эхо-сигналы цели мешают измерять малые углы места, снижают точность и зачастую 20 срывают процесс измерения. Энергия таких отраженных от земли сигналов не используется и только мешает работе, а эти сигналы стремятся подавить с помощью узкой диаграммы направленности антенны. 25 В основу изобретения поставлена задача усовершенствования измерителя угла места цели для радиолокатора обнаружения, в котором за счет выполнения антенны в виде вибраторной антенной решетки с рефлекто- 30 ром и использования усилителя с обратной связью в виде управляемой линии задержки обеспечивается преобразование многочисленных видеоимпульсов эхо-сигналов, возникающих при многократных отражениях 35 радиоволн от земли и рефлектора, в одну периодическую последовательность положительных импульсов и накопление и усиление импульсов с помощью этого усилителя, что позволяет выделить слабый сигнал цели 40 на фоне собственных шумов приемника и увеличить дальность обнаружения. Поставленная задача решается тем, что в измерителе угла места цели для радиолокатора обнаружения, содержащем передатчик, 45 приемник, индикатор и приемо-передающую антенну с антенным переключателем, согласно изобретению передатчик выполнен с несинусоидальным импульсным сигналом наносекундной 50 длительности без несущей частоты, антенна выполнена в виде вибраторной решетки с плоским металлическим рефлектором, в которой расстояние между вибраторами пол высоте равно высоте h подъема 55 нижнего вибратора над землей, на выходе приемника установлен выпрямитель сигнала в виде мостовой схемы из четырех широкополосных диодов, выход которого связан через входное устройство связи со входом широкополосного усилителя видеоимпульсов с обратной связью в виде управляемой линии задержки с устройством изменения длины I линии и датчиком длины этой линии, выход этого усилителя связан через выходное устройство связи с индикатором и входом управляемой линии задержки, выход которой также связан со входом усилителя через входное устройство связи, выход датчика длины линии задержки связан с вычислителем угла места цели 0 по соотношению 0=arcsin(cl/hV) О) и с устройством перемещения вибраторов вдоль оси антенны в соответствии с соотношением (4N + 1)ct 2V (2) где h - высота подъема нижнего вибратора антенной решетки над землей; d - расстояние от вибраторов до рефлектора антенны; N - количество вибраторов в вертикальном ряду решетки; в- угол места цели; V - скорость распространения радиоволн в линии задержки; с - скорость света; I - длина линии задержки, соответствующая максимальному значению сигнала на входе индикатора. При этом не требуется качать антенну по углу места, рефлектор антенны установлен вертикально, а вибраторы могут перемещаться вдоль горизонтальной оси антенны относительно рефлектора. Предложенное выполнение антенны и использование в РЛС усилителя с обратной связью с управляемой линией задержки, устройства перемещения вибраторов относительно рефлектора и устройства изменения длины линии задержки обеспечивает возможность использования отраженных от земли эхо-сигналов цели для увеличения дальности обнаружения и измерения угла места цели. Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются рисунками на чертежах. На фиг.1 представлена упрощенная структурная схема предложенного измерителя угла места цели для радиолокатора обнаружения, показаны эскиз антенны и схема запитки вибратора фи 17673 дерной линией (вид сверху), а также лучи радиоволн от антенны к цели. На фиг.2 условно показаны упрощенные эпюры зондирующего сигнала и эхо-сигналов на входе приемника, на выходе выпрямителя и на входе индикатора. В состав предложенного устройства на схеме фиг.1 входят следующие основные элементы: вибраторы антенной решетки 1 длиной !в 2r m /c; приемник 6; выпрямитель сигнала в виде мостовой схемы из четырех широкополосных диодов 7.8,9,10 для преобразования последовательности разнополярных видеоимпульсов в последовательность положительных и м п у л ь с о в ; ш и р о к о п о л о с н ы й усилитель видеоимпульсов 11 с обратной связью в виде управляемой линии задержки 12; входное устройство связи 13 выходов линии задержки 12 и выпрямителя сигнала со входом усилителя 11; выходное устройство связи 14 выхода усилителя 11 со входами линии задержки 12 и индикатора 15; устройство 16 изменения длины линии задержки с датчиком длины линии 17; устройство 18 перемещения вибраторов антенны по горизонтали вдоль оси антенны (это устройство изменяет расстояние d от вибраторов до рефлектора 3 при изменении длины линии задержки 12 в зависимости от длины I этой линии в соответствии с соотношением (2); вычислитель 19 угла места цели 0по соотношению (1) и значению длины линии I, соответствующему максимальному значению сигнала на входе индикатора 15. 8 распространяются следующими четырьмя возможными путями: 1) вибратор - цель - вибратор; 2) вибратор - цель - земля - вибратор; 5 3) вибратор - земля - цель - вибратор; 4) вибратор - земля - цель - земля вибратор. При каждом отражении от земли или цели полярность импульса поля радиоволн 10 изменяется [2]. Самым коротким является первый путь. Второй и третий пути одинаковы по длине и импульсы нижнего вибратора на этих путях запаздывают на время 15 20 25 30 35 40 45 Принцип действия предложенного уст- 50 ройства поясняется следующим. Передатчик 5 формирует зондирующий сигнал в виде видеоимпульсов поля радиоволн без несущей частоты длительностью г ~ 1 не и менее с периодом следования Т > 2r m /c, а эпюра 55 этого сигнала условно показана на фиг.2а. Все вибраторы антенны изучают такой зондирующий сигнал одновременно. Радиоволны от нижнего вибратора до цели и обратно т.3 = 2hsin в/с (3) относительно импульса первого пути, а оба импульса второго и третьего пути складываются и амплитуда поля почти удваивается. Четвертый путь самый длинный и импульс на этом пути запаздывает на время 2t 3 относительно импульса первого пути. В результате одному зондирующему импульсу вибратора будет соответствовать три импульса эхо-сигнала, из которых крайние импульсы имеют одинаковую полярность, а средний - противоположную полярность. Следует учесть также импульсы, излучение одним вибратором, а принятые другим поеле отражения от цели и земли по различным возможным путям распространения. В результате получим группу из 4N+1 разнополярных импульсов с периодом следования hsin в/с, где N - количество вибраторов в вертикальном ряду решетки, в- угол места цели. При этом не учтены отражения от рефлектора антенны. Если учесть эти отражения, то одному зондирующему импульсу вибратора будет соответствовать три группы импульсов эхо-сигналов. Первая группа импульсов вообще не отражается от рефлектора. Вторая группа импульсов отражается от рефлектора только один раз либо при передаче, либо при приеме и импульсы этой группы удваиваются по амплитуде. Третья группа импульсов отражается от рефлектора два раза: один раз при передаче и второй раз при приеме. Вторая группа импульсов смещена относительно первой группы на время t 3 p = 2dcos в/с, (4) а третья группа - на время 2t 3 p. Расстояние между соседними вибраторами решетки равно п, поэтому импульсы прямых радиоволн эхо-сигнала смещены в соседних вибраторах также на время и, а средние импульсы, соответствующие второму и третьему путям, совпадают по времени 17673 и полярности в каждой группе для всех вибраторов и складываются на входе приемника. В результате эхо-сигнал на входе приемника будет иметь примерно такой вид, как 5 показано на эпюре фиг.26. Эта эпюра построена для частного случая, когда вертикальный ряд антенной решетки состоит из трех вибраторов и легко может быть обобщена на случай любого иного количества виб- 10 раторов. На этой эпюре около каждого импульса указан номер вибратора, которым этот импульс принят, а нумерация вибраторов ведется снизу вверх. При этом учтено, что полярность импульса поля радиоволн 15 изменяется при каждом отражении от земли, цели или рефлектора. Как видно из фиг.2б, различные импульсы эхо-сигнала в приемнике имеют разную полярность. Для того, чтобы можно было 20 усиливать подобные импульсы с помощью описанного выше усилителя с обратной связью аналога [2], необходимо преобразовать эти импульсы к периодической последовательности импульсов одинаковой 25 полярности. Эту задачу выполняет выпрямитель по мостовой схеме на четырех широкополосных диодах 7,8,9,10, а сигнал на выходе этого выпрямителя показан на эпюре фиг.2в. 30 Для того, чтобы все три группы импульсов эхо-сигнала на фиг.26 образовывали единую периодическую последовательность импульсов с периодом t 3 , необходимо при текущем заданном значении угла места 0обес- 35 печить выполнение следующего условия. = (4N+1)hsin0/c. (5) Это условие можно выполнить путем из- 40 менения расстояния d между вибраторами и рефлектором по соотношению d=(4N+1)/2htg0, (6) 45 где N - количество вибраторов в вертикальном ряду решетки; h - высота подъема нижнего вибратора над землей; 6- текущий угол места цели. 50 При таком выборе расстояния d все три группы импульсов эхо-сигнала образуют единую периодическую последовательность с периодом Хпэ * hsln в/с как показано на фиг.26. После выпрямления отрицательных 55 импульсов этой последовательности выпрямителем на диодах 7,8,9,10, такую периодическую последовательность можно накопить и усилить с помощью усилителя с 10 обратной связью 11, если подобрать соответствующую длину I линии задержки 12 с помощью устройства изменения длины линии 16. При этом время задержки этой линии должно быть равно \пэ - I/V - gsln в/с, (7) где V - скорость распространения радиоволн в линии. В случае выполнения условий (6), (7) время задержки линии 12 будет равно периоду следования импульсов t 3 во всех трех группах импульсов вместе и усилитель 11 будет накапливать и усиливать импульсы эхо-сигнала, а сигнал на выходе усилителя 11 и входе индикатора 15 будет выглядеть примерно так, как показано на фиг.2г. То есть для каждого текущего значения угла места цели # имеется оптимальная длина линии I - hVsin в/с (8)и оптимальное расстояние d от вибраторов до рефлектора, определенное соотношением (6). Связь длины линии і с расстоянием d определена соотношением (2), которое получено из (6), (8) путем исключения неизвестного угла места в. Найдя оптимальную длину линии і путем изменения длины линии и выбора необходимого расстояния d с помощью устройства перемещения вибраторов 18 в соответствии с соотношением (2) и наблюдения за уровнем выходного сигнала на индикаторе 15, можно далее определить угол места цели в по соотношению (1), которое получено из (7). Равенство высоты подъема h нижнего вибратора над землей расстоянию между вибраторами необходимо для того, чтобы импульсы в каждой отдельной группе представляли собой периодическую последовательность с периодом Хпэ. Выбирать расстояние d от вибраторов до рефлектора в соответствии с соотношениями (6) и (2) необходимо для того, чтобы объединить эти три группы импульсов сигнала в единую периодическую последовательность, что повышает эффективность работы усилителя с обратной связью 11. Выпрямление отрицательных импульсов сигнала выпрямителем на диодах 7,8,9,10 необходимо потому, что усилитель 11 может накапливать только импульсы одинаковой полярности. В предложенном устройстве принципиально необходимо использовать несинусоидальные импульсные сигналы наносекундной длительности, так как только для таких сигналов импульсы прямых и отра I 11 17673 женных от земли радиоволн будут разрешены по времени. Таким образом, предложенное устройство может быть практически реализовано, а отмеченные выше отличительные призна- 5 ки являются существенными и принципиально необходимы для реализации этого устройства. Основные элементы предложенного устройства на схеме фиг.1 выполнены следую- 10 щим образом. Антенна, передатчик 5 и приемник 6 выполнены для излучения и приема несинусоидальных импульсных сигналов наносекундной длительности без несущей частоты. Такие системы могут быть 15 практически реализованы, так как физические основы и принципы построения известны и описаны в литературе (2). Фидерные линии 2 запитывают вибраторы с концов, подключены параллельно к антенному пере- 20 ключателю и выполнены из коаксиальных кабелей одинаковой длины. Наружные оболочки этих кабелей служат для экранирования излучения линии, не являются несущими сигнал элементами и могут быть 25 заземлены. Антенный переключатель 4 имеет известную конструкцию и служит для закорачивания входа приемника на время передачи зондирующего импульса. Конструкция и работа широкополосного 30 усилителя 11 периодических видеоимпульсов наносекундной длительности с устройствами связи 13,14 и линией задержки 12 описаны в литературе [2]. Линию задержки 12 можно выполнить в 35 виде отрезка коаксиальной или двухпроводной линии изменяемой длины. Такая линия может быть практически реализована, так как ее требуемая максимальная длина сравнительно невелика и приемлема для реали- 40 зации. Устройство 18 перемещения вибраторов по горизонтали вдоль оси антенны изменяет расстояние d от вибраторов до рефлектора в зависимости от длины I линии задержки 12 в соответствии с соотношением45 (2). Это устройство выполнено управляемым и на его вход управления подается значение длины линии I от датчика длины линии задержки 17. Индикатор 15 аналогичен соответствую- 50 щему устройству прототипа, Вычислитель 19 представляет микроЭВМ для вычисления угла места цели по соотношению (1) и найденной оператором РЛС оптимальной длине I линии задержки 12. 55 Ниже приводится пример расчетных значений параметров возможного варианта реализации предложенного устройства: длительность зондирующего импульса р* 1 не; 12 частота следования зондирующих импульсов F = 1 кГц; количество вибраторов в вертикальном ряду антенной решетки N - 6; длина вибратора 0,12 м; высота подъема нижнего вибратора над землей h = 2 м; расстояние между вибраторами по высоте 2 м; вертикальный размер апертуры антенны 10 м; вертикальный размер рефлектора 12 м; интервал изменения расстояния d от вибраторов до рефлектора d = 0-4,16 м; количество импульсов эхо-сигнала в последовательности для одного периода зондирования 75; интервал изменения длины линии задержки I = 0-0,33 м (линия выполнена с воздушным диэлектриком); угломестный рабочий сектор РЛС 0= 0 -10°. Динамика работы предложенного устройства осуществляется следующим образом. Передатчик формирует, а все вибраторы антенны одновременно излучают зондирующий импульс поля радиоволн наносекундной длительности без несущей частоты. При распространении от антенны до цели и обратно радиоволны отражаются от рефлектора, земли и цели и при каждом отражении полярность импульса поля радиоволн изменяется. В результате многократных отражений от земли и рефлектора эхо-сигнал на входе приемника от одного зондирующего импульса будет состоять из трех групп разнополярных видеоимпульсов как показано на фиг.26. Предложенная конструкция антенны и выбор оптимального расстояния d от вибраторов до рефлектора обеспечивают то, что эти три группы импульсов эхо-сигнала образуют единую периодическую последовательность импульсов с периодом следования t 3 , зависящим от угла места цели в. Выпрямитель на выходе приемника по мостовой схеме из четырех широкополосных диодов 7,8,9,10 выпрямляет отрицательные импульсы и преобразует последовательность разнополярных импульсов в последовательность импульсов положительной полярности. Усилитель с обратной связью 11 при правильном выборе длины I линии задержки 12 накапливает и усиливает импульсы сигнала, но не накапливает шумы приемника. В результате эхо-сигнала цели могут быть обнаружены на индикаторе на фоне собственных шумов приемника. Выбор оптимальных значений длины I линии задержки 12 и рас 13 17673 стояния d от вибраторов до рефлектора осуществляет оператор РЛ С с помощью устройства 16 изменения длины линии задержки и устройства 18 перемещения вибраторов, контролируя интенсивность сигнала на индикаторе 15. После обнаружения цели угол места ^определяют с помощью вычислителя 19 по соотношению (1) и найденной оптимальной длине линии I. p Мбс UN у с© we? а ль нык 14 Таким образом, предложенное устройство устраняет отмеченные недостатки прототипа и аналогов, позволяет собрать, накопить и усилить импульсы эхо-сигнала цели и эффективно использует отраженные от земли эхо-сигналы цели для увеличения дальности обнаружения и измерения угла места цели. Фидерные линии I Ви£ропторы 1 Антенный пере к А По&€р хносгпь земли Вычислитель и зметни а длимы линии ус трои с СВЙЗМ Выходное устройство 13 I 17873 Q) Зондыруиншы сигнол L б) Эхо-сигнол но Gxode приемника I группа И группа ппо у-': 1OJ Із, Сигнол на I Р И Л и II її і г) Сигнол но ІІ 0 а і, -і Г і г I' II Л п и ІІ и , инбицтатора J ._L І лі. L Фиге Упорядник Замовлення 4245 Техред М.Келемеш Коректор М.Куль Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, КиГв-53, Львівська пл , 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м Ужгород, вул Гагаріна 101 Г