Вертолетная радиолокационная станция
Изобретение относится к вертолетной радиолокационной станции с синтезированной апертурой на базе вращающихся антенн (ROSAR). Техническим результатом является обеспечение привязки изображения, формируемого на экране дисплея радиолокационной станции, к выбранной инерциальной оси вертолета и ограничение влияния изменения частоты вращения несущего винта на процесс формирования изображения. Вертолетная радиолокационная станция с синтезированной апертурой на базе вращающихся антенн (ROSAR), при этом антенны для излучения и приема радиолокационных импульсов расположены на конце каждого из вращающихся с несущим винтом плеч и соединены с радиолокационной станцией, содержащей по меньшей мере передающее устройство, электронный узел с центральным блоком управления и видеопроцессором, а также дисплей, при этом на несущем винте (40) установлен датчик (12) сигналов, который формирует характеризующие угловые положения несущего винта (40) при его вращении сигналы, передаваемые в электронный узел (8) радиолокационной станции (7) и подвергаемые в нем обработке, в результате чего обеспечивается синхронизация угла обзора антенн (10) с положением инерциальной оси, при этом сформированные сигналы поступают в центральный блок (81) управления, который выдает управляющие сигналы, по которым частота повторения импульсов, излучаемых передающим устройством (9), синхронизируется с частотой вращения несущего винта (40) для точного согласования количества излучаемых за один оборот радиолокационных импульсов с фактической частотой вращения несущего винта. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение относится к вертолетной радиолокационной станции с синтезированной апертурой на базе вращающихся антенн (ROSAR), при этом антенны для излучения и приема радиолокационных импульсов расположены па конце каждого из вращающихся с несущим винтом плеч и соединены с радиолокационной станцией, в состав которой входят по меньшей мере передающее устройство, электронный узел с центральным блоком управления и видеопроцессор, а также дисплей.
Радиолокационная станция с синтезированной апертурой (сокращенно SAR от англ. "Synthetic Aperture Radar") на базе вращающихся антенн или сокращенно ROSAR (от англ. "Rotor SAR") пригодна для ее установки на вертолете в качестве носителя. Основные особенности станции ROSAR описаны в заявке DE 3922086 С1. При этом вращение лопастей несущего винта или вращение турникета (вращающейся крестовины), расположенного над втулкой несущего винта и соединенного со стойкой несущего винта, используется для создания синтезированной апертуры. В этом и заключается основное отличие принципа работы станции ROSAR от радиолокационной станции (SAR) с линейным движением антенны, обычным для самолетов.
Охватываемый станцией ROSAR угол обзора соответствует всему угловому диапазону полной окружности в 360°, при этом для излучения и приема радиолокационных сигналов (импульсов) всегда применяют одну передающую и одну приемную антенну, установленные на одном вращающемся плече. Необходимые для сканирования рельефа местности зондирующие импульсы излучаются передающей антенной при вращении плеча с заданной частотой их повторения, а эхо-сигналы принимаются приемной антенной. По такому же принципу работают и антенны, установленные на остальных вращающихся плечах. Вращающееся плечо можно выполнить в виде лопасти несущего винта, соединенной на втулке несущего винта вертолета с вращающейся стойкой этого несущего винта. Вместе с тем вращающееся плечо можно также выполнить в виде плеча вращающейся крестовины (называемой также антенным турникетом), размещаемой над стойкой несущего винта и соединяемого с ней. Турникет вращается с той же частотой, что и стойка несущего винта.
Под радиолокационной станцией понимается радиолокатор, который обеспечивает когерентную обработку сигналов и который размещен на борту вертолета. В задачу станции ROSAR входит предупреждение пилота о препятствиях, а также отображение рельефа земной поверхности. С этой целью антенны располагают таким образом, чтобы они обеспечивали обзор в радиальном направлении и были направлены ниже и выше уровня горизонта. Направление обзора радиолокационной станции обеспечивается направлением обзора ее антенн. Направление обзора передающей и приемной антенны зависит от углового положения стойки несущего винта. Таким образом, направление обзора в конечном итоге представляет собой на полной окружности то направление, в котором по зондирующим сигналам и эхо-сигналам на экране дисплея воспроизводится изображение.
В заявке DE 4328573 С2 описана усовершенствованная станция ROSAR, возможности которой расширены до всепогодной системы визуализации для вертолетов. Формируемое с помощью такой всепогодной системы визуализации комплексное изображение воспроизводится на экране соответствующего дисплея в кабине пилотов. В этом наиболее близком к предлагаемому в изобретении решению источнике информации, в котором возможности станции ROSAR расширены до всепогодной системы визуализации, не описана какая-либо взаимосвязь между направлением обзора антенны радиолокационной станции и инерциальными осями вертолета, являющегося носителем этой станции.
Синтезированная апертура дуговой формы определяется как расстояние от фазового центра антенны до определенной цели на земле при перекрытии азимутального угла раствора.
Поскольку фазовый центр антенны рассчитан не на прямолинейное движение в направлении полета, а на вращательное движение, направление обзора радиолокационной станции может быть любым относительно инерциальных осей вертолета. Обычно за инерциальные оси принимают в основном оси пространственных координат (ось X, ось Y, ось Z). В результате направление обзора радиолокационной станции располагается в неопределенной точке по длине полной окружности.
Еще один недостаток известных радиолокационных систем состоит в том, что поскольку частота вращения стойки несущего винта также может меняться, количество излучаемых за один полный оборот стойки несущего винта радиолокационных импульсов не точно согласовано с фактической частотой вращения этой стойки. Подобное несоответствие также негативно сказывается на формировании изображения.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача обеспечить привязку изображения, формируемого на экране дисплея радиолокационной станции, к одной из инерциальных осей вертолета и дополнительно ограничить влияние изменения частоты вращения несущего винта на процесс формирования изображения.
Указанная задача решается с помощью отличительных признаков, представленных в п.1 формулы изобретения.
Согласно изобретению, на несущем винте вертолета предлагается установить датчик сигналов. Этот датчик формирует характеризующие угловые положения несущего винта при его вращении сигналы, передаваемые в электронный узел радиолокационной станции и подвергаемые в нем обработке. В этом электронном узле маркируется фронт одного сигнала из всей их последовательности, выдаваемой на один полный оборот несущего винта. Этот фронт сигнала принимается в дальнейшем за начальный сигнал, соответствующий исходному угловому положению стойки несущего винта. От этого исходного углового положения всегда начинается отсчет полного оборота несущего винта и по этому исходному положению на полной окружности одновременно задают направление инерциальной оси вертолета. Это начальное угловое положение можно изменять на полной окружности.
В последующем центральный блок управления формирует на основании сигнала, соответствующего исходному угловому положению, управляющий сигнал который используется для синхронизации в передающем устройстве частоты повторения формируемых в нем импульсов с частотой вращения несущего винта.
Датчик сигналов имеет такую компоновку, при которой один или несколько излучателей установлены на несущем винте, а один или несколько приемников установлены напротив них на секции фюзеляжа вертолета. Существует также возможность использовать обратную компоновку, поменяв местами излучатели и приемники.
Излучатели можно выполнить в виде магнитов, а приемники - в виде соответствующих элементов Холла. В другом варианте предлагается выполнить излучатели в виде оптоэлектронных излучателей, а приемники - в виде оптоэлектронных приемников. Согласно еще одному варианту, излучатели можно выполнить в виде СВЧ-излучателей, а приемники - в виде СВЧ-приемников.
Предлагаемое в изобретении решение позволяет привязать (синхронизировать) направление обзора вертолетной радиолокационной станции к инерциальной оси вертолета. При этом достигается точная в азимутальном направлении синхронизация по фазе. Благодаря этому создается возможность определенной привязки выводимого на экран дисплея изображения к инерциальной оси вертолета, а тем самым и к направлению полета вертолета. Однозначная взаимосвязь между информацией, содержащейся в изображения, и направлением полета обеспечивается лишь при подобной синхронизации. Использование установочного колеса с электрическим приводом позволяет регулировать направление обзора радиолокационной станции (ROSAR) таким образом, чтобы пилот мог настроить выводимое на экран дисплея изображения на требуемое направление обзора радиолокационной станции.
Помимо этого использование устанавливаемого на несущем винте датчика сигналов позволяет улучшить процесс формирования изображения в радиолокационной станции. Подобное улучшение достигается за счет согласования (синхронизации) количества радиолокационных импульсных сигналов с фактической частотой вращения несущего винта.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере одного из вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - принципиальная схема вертолетной радиолокационной станции,
на фиг.2 - схема, иллюстрирующая возможное размещение датчика сигналов на несущем винте, прежде всего на стойке несущего винта и отсеке фюзеляжа, и
на фиг.3 - временная диаграмма импульсов, принимаемых приемником датчика сигналов и используемых для определения исходного углового положения и задания начального момента излучения последовательности импульсов, формируемых генератором передающего устройства.
На фиг.1 схематично изображен вертолет 1 в качестве носителя радиолокационной станции 7 с синтезированной апертурой на базе вращающихся антенн (ROSAR). Для пояснения предлагаемого в изобретении устройства и принципа его работы на чертеже показаны лишь основные узлы радиолокационной станции 7. Приводное усилие от силового привода 3 (например, двигателя) передается стойке 4 несущего винта через редуктор 2 с муфтой. На втулке 5 несущего винта вращающейся стойки 4 закреплены лопасти 6 несущего винта. На втулке 5 также закреплен расположенный над лопастями 6 турникет 60 (вращающаяся крестовина). Привод рулевого винта на чертеже не показан как не относящийся к основным узлам предлагаемой в изобретении радиолокационной станции. Турникет 60 обычно имеет четыре или более крестообразно расположенных плеча. На фиг.1 показаны плечи 61 и 62. Два других плеча перпендикулярны плоскости чертежа и направлены во взаимно в противоположные стороны. Для упрощения на чертеже показаны лишь два плеча 61, 62. Ниже конструкция турникета поясняется на примере плеча 62, при этом все сказанное в отношении этого плеча относится и ко всем остальным плечам турникета.
На радиально внешнем конце плеча 62 расположен антенный узел 10. В состав этого антенного узла 10 входят передающие 101 и приемные 102 антенны для передачи радиолокационных сигналов и приема отраженных сигналов (эхо-сигналов) соответственно. Передающие антенны 101 электропроводкой соединены с передающим устройством. Это передающее устройство 9 расположено по центру турникета 60. В другом варианте компоновки центральное передающее устройство 9 можно также разделить на небольшие передающие устройства и интегрировать их в антенны в виде так называемых активных антенн. Управление таким передающим устройством 9 для излучения радиолокационных сигналов осуществляется центральным блоком 81 управления электронного узла 8. Приемные антенны 102 соединены по меньшей мере с одним видеопроцессором 82 электронного узла 8. Видеопроцессор 82 управляет выводом изображения на экран дисплея 11 в кабине вертолета. На этом дисплее 11 отображается необходимая видеоинформация для пилота. В состав электронного узла 8 входят известные электронные блоки или модули радиолокационной станции 7 типа ROSAR. Таким образом, в состав электронного узла 8 входят по меньшей мере центральный блок 81 управления и видеопроцессор 82, которые могут соответствующим образом взаимодействовать между собой. Центральный блок 81 управления соединен с передающим устройством 9.
На стойке 4 несущего винта расположен генератор (датчик) 12 сигналов. Этот датчик 12 сигналов определяет частоту вращения несущего винта и угловое положение ("ориентацию") турникета антенны или оси вращения несущего винта. Датчик 12 сигналов соединен с центральным блоком 81 управления.
Показанные на фиг.1 соединительные линии, проходящие к электронному узлу 8 и от него, представляют собой электрические провода или кабели для обмена данными и/или передачи управляющих сигналов.
К точности датчика 12 сигналов предъявляются исключительно высокие требования (порядка 20 кГц). Столь высокие требования к точности обусловлены тем, что длительность периода излучаемых радиолокационной станцией 7 радиолокационных сигналов (импульсов) составляет 5×10-5 с. Подобная длительность периода должна оставаться практически постоянной для соблюдения оптимальных условий слежения за рельефом местности, однако в зависимости от типа вертолета может иметь и иное значение.
Принятые эхо-сигналы преобразуются системой формирования изображения в электронном узле 8 в воспроизводимое на дисплее 11 изображение, состоящее из множества пикселей.
Для пилота должна быть обеспечена возможность однозначной идентификации направления, с которого радиолокационная станция получает информацию, отображаемую на дисплее. С этой целью следует задать некоторый ориентир в качестве опорного или исходного положения, от которого отсчитывается оборот несущего винта, соответственно его стойки. Такое исходное положение соответствует фронту сигнала, генерируемого датчиком сигналов и выбираемого из всей последовательности выдаваемых им сигналов за один полный оборот несущего винта. При задании этого исходного положения по азимуту на полной окружности одновременно задается и инерциальная ось вертолета. Предпочтительно, чтобы исходное положение, а тем самым и выбираемая инерциальная ось (ось X, ось Y, ось Z) по существу совпадали с направлением полета (с направлением оси Y).
Скорость вращения несущего винта 40 определяется датчиком 12 сигналов. В контексте настоящего изобретения в понятие "несущий винт 40" включены стойка 4, втулка 5, лопасти 6 и турникет 60. Цель объединения всех таких понятий в одно общее понятие состоит в том, чтобы наглядно показать возможность выбора любого из указанных элементов в качестве места измерения частоты вращения несущего винта. Таким образом, эти элементы также можно использовать в качестве альтернативных мест установки датчика 12 сигналов. С другой стороны, при этом становится очевидной вся сложность задачи согласования формируемых передающим устройством 9 радиолокационных сигналов (импульсов) с частотой вращения несущего винта 40. Радиолокационные импульсы, которые имеют, как указано выше, исключительно малую длительность периода, составляющую около 5×10-5 с, излучаются непрерывно в количестве примерно 3016 импульсов (зависит от типа вертолета) за один полный оборот передающей антенны 101. На турникете распределены и другие передающие антенны, каждая из которых вращается с частотой вращения несущего винта.
С моментом достижения несущим винтом 40 исходного положения при каждом его обороте должен совпадать начальный момент излучения передающим устройством 9 последовательности импульсов. Излучение импульсов начинается по управляющему сигналу, формируемому в момент достижения несущим винтом при его вращении исходного углового положения. По такому управляющему сигналу соответствующий радиолокационный импульс (например, его фронт) маркируется как начальный момент излучения последовательности импульсов. Подобный начальный момент излучения последовательности импульсов повторяется при каждом достижении вращающимся несущим винтом исходного углового положения, от которого отсчитывается его полный оборот. Одновременность наступления обоих этих событий, т.е. синхронизацию начального момента излучения передающим устройством 9 последовательности импульсов с моментом достижения несущим винтом при его вращении углового положения, соответствующего исходному положению, обеспечивает центральный блок 81 управления. С этой целью в центральном блоке 81 управления предусмотрен по меньшей мере один счетчик, который при вращении несущего винта 40 определяет точные его угловые положения, предпочтительно угловые положения стойки 4, и выдает управляющий сигнал точно в тот момент, в который вращающийся несущий винт достигает исходного углового положения. В тот момент, когда показание счетчика в центральном блоке 81 управления достигает значения, соответствующего достижению несущим винтом исходного углового положения, выдается управляющий сигнал. По этому управляющему сигналу центрального блока 81 управления начинается точно синхронизированный по фазе отсчет выдаваемых передающим устройством 9 импульсов, т.е. задается начальный момент излучения последовательности радиолокационных импульсов.
Тем самым при постоянной частоте вращения несущего винта не только имеется информация о количестве излучаемых за один полный оборот радиолокационных импульсов (т.е. о частоте повторения импульсов), но и излучение каждой последовательности радиолокационных импульсов передающим устройством 9 начинается при каждом обороте несущего винта 40 в один и тот же момент.
Угловое положение, соответствующее начальному моменту излучения последовательности импульсов, одновременно лежит на выбранной инерциальной оси вертолета.
Начальный момент излучения последовательности радиолокационных импульсов, принимаемый за начало отсчета этих импульсов при каждом последующем обороте антенного узла 10, соответствует на полной окружности нулевому угловому положению, которое в азимутальном направлении совпадает (синхронизировано) с положением инерциальной оси. Такой осью в рассматриваемом варианте предпочтительно является ось Y. Таким образом, указанное нулевое угловое положение всегда соответствует на полной окружности началу отсчета угла радиолокационного обзора при каждом обороте несущего винта (антенного узла 10). Тем самым создается возможность постоянной привязки последующих радиолокационных импульсов к нулевому угловому положению.
На основании принимаемых приемными антеннами 102 отраженных сигналов (эхо-сигналов) электронный узел 8 и выводит на экран дисплея соответствующее изображение. Обычно такое изображение формируется путем строчной развертки, и при постоянной частоте вращения несущего винта формируемую видеоинформацию можно точно привязать к нулевому угловому положению и воспроизвести в виде соответствующего изображения.
С учетом выбранного положения инерциальной оси (например, оси Y) пилот может сразу же определить направление обзора радиолокационной станции 7. Кроме того, в электронном блоке 8 можно предусмотреть функцию переключения по азимуту на другую инерциальную ось (например, ось X) и тем самым получать изображение с привязкой к другому направлению обзора.
В изобретении предусмотрена также возможность согласования с помощью электронного блока 8 процесса формирования изображения с изменяющейся (переменной) частотой вращения несущего винта. Частота вращения несущего винта изменяется при пуске двигателя во время разгона несущего винта либо может изменяться в полете для снижения шума, или при маневрировании в полете либо при изменении ветровых характеристик. Поскольку при переменной скорости вращения несущего винта 40 частота его вращения более не синхронизирована с частотой повторения импульсов, излучаемых передающим устройством 9, создаются помехи процессу формирования изображения. Так, в частности, при отклонении частоты вращения несущего винта от номинальной в большую или меньшую сторону количество радиолокационных импульсов в их последовательности, выдаваемых за один оборот несущего винта, становится меньше, соответственно больше, чем это необходимо для построчного формирования изображения. В этом случае скорректировать изображение можно путем замены недостающей при фактической частоте повторения импульсов видеоинформации, например нулевыми значениями, соответственно подавлением избыточной видеоинформации. Другая возможность состоит в согласовании частоты повторения импульсов, выдаваемых генератором передающего устройства 9, с частотой вращения стойки 4 несущего винта.
Для надежного функционирования предлагаемого в изобретении решения важное значение имеет использование пригодного датчика 12 сигналов. Такой датчик сигналов состоит из одного или нескольких излучателей и одного или нескольких приемников. В принципе такими устройствами являются один или несколько небольших излучателей, устанавливаемых, например, на вращающейся части (турникете 60) станции ROSAR, и один или несколько небольших приемников, устанавливаемых напротив излучателей на неподвижной относительно фюзеляжа вертолета его части. Аналогичного эффекта можно достичь, расположив излучатели на неподвижной части, а приемники - на подвижной. Работа подобных излучателей и приемников может быть основана на различных физических принципах, например взаимодействие между излучателями и приемниками может происходить с помощью оптического изучения либо СВЧ-излучения или может быть основано на эффекте Холла.
На фиг.2 схематично изображено расположение трех приемников на стойке 4 несущего винта и соответствующее расположение трех излучателей S1, S2, S3 на секции 13 фюзеляжа вертолета. На чертеже в виде сверху схематично показано, что и идеальном случае излучатель следует располагать напротив приемника. В качестве излучателя можно использовать, например, светодиод, непрерывно излучающий свет, который фокусируется на светочувствительную поверхность фотоэлектрического приемника.
При вращении стойки 4 несущего винта в положительном направлении (указанном стрелкой) она совершает ровно один полный оборот за время, в течение которого приемник Е1 примет три импульса, приемник Е2 примет два импульса, а приемник Е3 примет один импульс. Точное совпадение фронтов импульсов, принятых всеми тремя приемниками, указывает, как это проиллюстрировано на временной диаграмме (фиг.3), на достижение вращающейся стойкой 4 начального углового положения Р1, от которого отсчитывается ее полный оборот.
Это начальное угловое положение Р1, определенное путем подсчета импульсов (в счетчике центрального блока 81 управления), соответствует моменту выдачи управляющего сигнала центральным блоком 81 управления. Этот управляющий сигнал передается в передающее устройство 9. Одновременно с появлением управляющего сигнала в последовательности импульсов, выдаваемых имеющимся в передающем устройстве генератором, выбирается соответствующий синхронный радиолокационный импульс в качестве начального импульса, момент появления которого соответствует начальному моменту Р2 отсчета последующих импульсов. Такой подсчет импульсов осуществляется в передающем устройстве 9. Тем самым обеспечивается синхронизация между вращением несущего винта и последовательностью импульсов, выдаваемых указанным генератором.
Несимметричное взаимное расположение пар излучателей и приемников предусмотрено преднамеренно во избежание появления условий, при которых возможно неоднозначное взаимное соотнесение импульсов на их временной диаграмме.
1. Вертолетная радиолокационная станция с синтезированной апертурой на базе вращающихся антенн (ROSAR), при этом антенны для излучения и приема радиолокационных импульсов расположены на конце каждого из вращающихся с несущим винтом плеч и соединены с радиолокационной станцией, в состав которой входят по меньшей мере передающее устройство, электронный узел с центральным блоком управления и видеопроцессором, а также дисплей, отличающаяся тем, что на несущем винте (40) установлен датчик (12) сигналов, который формирует характеризующие угловые положения несущего винта (40) при его вращении сигналы, передаваемые в электронный узел (8) радиолокационной станции (7) и подвергаемые в нем обработке, в результате чего обеспечивается синхронизация угла обзора антенн (10) с положением инерциальной оси, при этом сформированные сигналы поступают в центральный блок (81) управления, который выдает управляющие сигналы, по которым частота повторения импульсов, излучаемых передающим устройством (9), синхронизируется с частотой вращения несущего винта (40) для точного согласования количества излучаемых за один оборот радиолокационных импульсов с фактической частотой вращения несущего винта.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что один из сформированных сигналов принят за начальный сигнал, соответствующий исходному положению (Р1), от которого всегда начинается отсчет полного оборота несущего винта, и по этому исходному положению (Р1) на полной окружности задано направление инерциальной оси.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что предусмотрена возможность изменения исходного положения (Р1) на полной окружности.
4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что датчик (12) сигналов имеет такую компоновку, при которой один или несколько излучателей (S1, S2, S3) установлены на несущем винте (40), а один или несколько приемников (E1, E2, Е3) установлены напротив них на секции (13) фюзеляжа, или имеет обратную компоновку.
5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что излучатели (S1, S2, S3) выполнены в виде магнитов, а приемники (Е1, E2, Е3) выполнены в виде элементов Холла.
6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что излучатели (S1, S2, S3) выполнены в виде оптоэлектронных излучателей, а приемники (E1, E2, Е3) выполнены в виде оптоэлектронных приемников.
7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что излучатели (S1, S2, S3) выполнены в виде СВЧ-излучателей, а приемники (E1, E2, Е3) выполнены в виде СВЧ-приемников.
