Радиолокационная станция для вертолета

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано на вертолете. Техническим результатом является повышение точности определения угловой координаты воздушных целей в угломестной плоскости. Радиолокационная станция для вертолета состоит из сканирующей антенной решетки, размещенной в лопасти вертолета, передающего устройства, циркулятора, приемного устройства, задающего генератора, цифрового процессора сигналов, синхронизатора, датчика угла, цифрового процессора данных, индикатора, вращающегося перехода, при этом в нее введена вторая сканирующая антенная решетка, размещенная во второй лопасти вертолета, а также первый и второй разделительные фильтры. 5 ил.

 

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано на вертолете.

Известны бортовые радиолокационные станции (БРЛС) обзора земной, водной поверхности и воздушного пространства, осуществляющие круговой обзор в азимутальной плоскости, например БРЛС фирмы Маркони “SEASPAY-2000”, которая применяется для обнаружения морских и воздушных объектов, а также радиолокационная станция “Осьминог-Э”, применяемая в экспортном варианте на вертолете Ка-28, на которую также возлагается задача обнаружения воздушных целей.

Эти станции - однолучевые, в которых определение угловой координаты в угломестной плоскости производится с ошибкой, соответствующей ширине луча.

В качестве прототипа предлагаемой РЛС рассматривается радиолокационная станция для вертолета, приведенная в патенте РФ №2206903, кл. G 01 S 13/00. В этой РЛС в качестве сканирующей конструкции антенны используется лопасть вертолета с размещенной в ней линейной антенной решеткой “L” диапазона волн.

Блок-схема РЛС прототипа представлена на фиг.1. В РЛС входят

1 - антенная решетка;

2 - передающее устройство;

3 - циркулятор;

4 - приемное устройство;

5 - задающий генератор;

6 - цифровой процессор сигналов;

7 - синхронизатор;

8 - датчик угла;

9 - цифровой процессор данных;

10 - индикатор.

На фиг.2 представлена развернутая структурная схема прототипа, где

11 - усилитель мощности;

12 - модулятор;

13 - СВЧ-приемник;

14 - усилитель промежуточной частоты;

15 - фазовый детектор;

16 - фазовый детектор;

17 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

18 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

19 - аналого-цифровой процессор.

РЛС работает как в когерентном, так и некогерентном режиме.

Работу РЛС в когерентном режиме обеспечивает высокостабильный задающий генератор 5, частота которого f_г является базовой и используется в синхронизаторе 7 для формирования сигнала излучения несущей частоты L-диапазона, а также гетеродинного и других сигналов, синхронизирующих работу блоков аналого-цифрового преобразователя.

Все высокочастотные сигналы, необходимые для работы РЛС, формируются в синхронизаторе 7 путем умножения частоты задающего генератора 5, а низкочастотные синхронизирующие формируются путем деления частоты сигнала задающего генератора 5. Обработка принимаемых отраженных сигналов в РЛС производится в цифровом процессоре сигналов 6, который обеспечивает сжатие, накопление, фильтрацию, пороговую обработку сигналов, присвоение и преобразование координат, а также формирование массива радиолокационной информации для выведения ее на индикатор 10.

В РЛС цифровой процессор данных 9 обеспечивает вычисление параметров РЛС в когерентном и некогерентном режимах, а также выработку сигналов и команд для управления блоками РЛС. Одной из функций процессора данных является вычисление текущих координат радиолокационной информации на основе значений угла поворота лопасти вертолета, снимаемых с датчика угла.

РЛС работает следующим образом.

При работе двигателя вертолета производится вращение лопасти с антенной решеткой 1 в круговом секторе. В процессе вращения антенной решетки 1 усилитель мощности 11 усиливает высокочастотные импульсы f, поступающие из синхронизатора 7, и через циркулятор 3 и фидерный тракт передает их в антенную решетку 1. Антенной решеткой 1 эти импульсы излучаются в пространство и распространяются в направлении, определяемом диаграммой направленности антенны.

Когерентность сигнала определяется задающим высокостабильным генератором 5. На вход модулятора 12 из синхронизатора 7 поступают импульсы запуска F_п. Частота повторения импульсов запуска F_п формируется в синхронизаторе 7 путем деления частоты сигнала f_г задающего генератора 5. Длительность импульса также формируется из сигнала задающего генератора путем использования периода сигнала. Модулятор 12 осуществляет модуляцию высокочастотного сигнала f и формирует импульсы, поступающие в усилитель мощности 11, имеющие заданную длительность τ и период повторения Т_п, определяемый однозначной дальностью. Высокочастотный сигнал несущей частоты формируется синхронизатором 7. От задающего генератора 5 сигнал с частотой f_г поступает в синхронизатор 7, умножается до более высокой частоты f и используется в качестве несущей частоты радиолокационного сигнала, излучаемого антенной решеткой.

Также в процессе вращения антенной решетки отраженные сигналы от объектов и земной поверхности принимаются антенной решеткой 1 и через фидерный тракт и циркулятор 3 поступают в приемное устройство 4. В СВЧ приемнике 13 эти сигналы в смесителе приемника смешиваются с сигналом синхронизатора f_c, в результате чего образуются сигналы промежуточной частоты f_пр. Сигналы промежуточной частоты поступают в аналого-цифровой процессор 19, где в усилителе промежуточной частоты УПЧ 14 усиливаются и поступают на фазовые детекторы 15 и 16, на которые от синхронизатора 7 поступает сигнал с частотой, равной промежуточной частоте f_пp. Причем на один из фазовых детекторов сигнал f_пp поступает со сдвигом π/2.

На выходах фазовых детекторов образуются синфазный I и квадратурный Q сигналы. Далее оба сигнала I и Q с помощью АЦП 17 и 18, управляемых с помощью синхросигнала f_ca, преобразуются в цифровую форму. С выходов АЦП 17 и 18 сигналы двух квадратур поступают в цифровой процессор сигналов 6, синхронизируемый сигналом f_сп с шестого выхода синхронизатора 7. В цифровом процессоре сигналов 6 в зависимости от режима работы станции производится когерентная или некогерентная обработка принятых сигналов. После пороговой обработки радиолокационных сигналов цифровой процессор сигналов 6 преобразует координаты поступающей радиолокационной информации из полярной системы координат в задаваемую систему координат. Для этого цифровой процессор данных 9, синхронизуемый сигналом тактовой частоты f_пd на основе поступающих с датчика угла 8 (соединение “а”) (фиг.1) значений угла поворота антенной решетки 1 (угла поворота лопасти вертолета), производит вычисление текущих координат радиолокационной информации в заданной системе, передает их в цифровой процессор сигналов 6 для преобразования текущих координат радиолокационной информации.

Из цифрового процессора сигналов радиолокационная информация поступает в индикатор 10.

Недостатком приведенной РЛС является плохая точность определения угломестной координаты воздушной цели из-за большой величины угла “θ_л” однолучевой диаграммы направленности сканирующей антенной решетки в угломестной плоскости (Δβ≥60°).

Задачей изобретения является повышение точности определения угловой координаты воздушных целей в угломестной плоскости.

Эта задача решается тем, что в РЛС вертолета введена вторая сканирующая антенна, расположенная во второй лопасти вертолета с размещенной в ней антенной решеткой, в результате чего в РЛС образуется двухлучевая антенная система с разностной диаграммой направленности в угломестной плоскости.

Применение разностной диаграммы направленности позволяет определить угломестную координату с ошибкой σ≤(0,1÷0,15)θ_л, где θ_л - величина угла луча антенной решетки в угломестной плоскости. Для создания разностной диаграммы направленности лучи обеих антенных решеток при размещении их поворачивают в лопастях в угломестной плоскости в противоположных направлениях относительно плоскости симметрии на величину “k·θ_л”, где k=(0,3÷0,5).

Для исключения неоднозначного определения угловой координаты воздушной цели по азимуту при применении двух антенных решеток используется частотное и временное разделение каналов излучения и приема этих антенных решеток. Излучение и прием на одной из несущих частот f₁ первой антенной решетки производится в течение одного оборота лопасти. Вторая антенная решетка излучает и принимает сигнал на несущей частоте f₂ в течение следующего оборота.

Таким образом, излучение и прием сигналов двух антенных решеток разделены во времени, соответствующему одному обороту лопасти.

От передающего устройства через циркулятор излучаемый сигнал поступает по общему фидеру до вращающегося перехода. Разделение сигналов передачи двух антенн по частоте производится после вращающегося перехода с помощью разделительных фильтров, установленных на входах антенных решеток.

Формирование суммарно-разностной диаграммы направленности антенны производится в цифровом процессоре сигналов за счет обработки принятых сигналов от двух антенных решеток. При работе РЛС во время сканирования антенных решеток принимаемые сигналы от каждой из антенных решеток за время оборота после их первичной обработки накапливаются в памяти процессора сигналов в координатах дальность-азимут.

При вторичной обработке сигналов, накопленных в памяти, из одноименных сигналов по дальности и азимуту формируются суммарный и разностный сигналы. Для этого одноименные сигналы по дальности и азимуту суммируются по амплитуде и тем самым образуется суммарный сигнал U∑_c. Эти же сигналы алгебраически вычитаются и образуют разностный по углу места сигнал ±UΔ_ум. Для получения разностного сигнала, не зависящего от амплитуды, разностный сигнал нормируется по отношению к суммарному сигналу . Результаты вычисления, соответствуют углу рассогласования воздушной цели относительно нулевого положения разностной диаграммы направленности по углу места и передаются в процессор данных для формирования параметров паспорта цели.

На фиг.1 приведена блок-схема бортовой радиолокационной станции прототипа.

На фиг.2 приведена развернутая структурная схема прототипа.

На фиг.3 представлена блок-схема предлагаемой радиолокационной станции.

На фиг.4 приведена развернутая структурная схема предлагаемой станции.

На фиг.5 приведена электрическая схема соединения антенных решеток с приемопередающими блоками РЛС с помощью фидера.

В предлагаемую радиолокационную станцию (фиг.3 и 4) входят:

1 - антенная система, состоящая из первой антенной решетки - 20

и второй антенной решетки - 21;

2 - передающее устройство;

3 - циркулятор;

4 - приемное устройство;

5 - задающий генератор;

6 - цифровой процессор сигналов;

7 - синхронизатор;

8 - датчик угла;

9 - цифровой процессор данных;

10 - индикатор;

11 - усилитель мощности;

12 - модулятор;

13 - СВЧ-приемник;

14 - усилитель промежуточной частоты;

15 - фазовый детектор;

16 - фазовый детектор;

17 - АЦП;

18 - АЦП;

элементы 14÷18 образуют аналого-цифровой процессор 19;

аналого-цифровой процессор 19 и СВЧ-приемник 13 образуют приемное устройство 4.

В электрическую схему соединения антенных решеток с приемопередающими блоками РЛС (фиг.5) входят

2 - передающее устройство;

3 - циркулятор,

4 - приемное устройство;

20 - первая антенная решетка;

21 - вторая антенная решетка;

22 - первое симметрирующее устройство;

23 - второе симметрирующее устройство;

24 - первый разделительный фильтр;

25 - второй разделительный фильтр;

26 - вращающийся переход;

27 - излучатели.

Радиолокационная станция для вертолета состоит из первой сканирующей антенной решетки 20 и второй антенной решетки 21, размещенных в первой и второй лопастях вертолета, а также передающего устройства 2, циркулятора 3, приемного устройства 4, задающего генератора 5, цифрового процессора сигналов 6, синхронизатора 7, датчика угла 8, цифрового процессора данных 9, вращающегося перехода 26, первого разделительного фильтра 24, второго разделительного фильтра 25 и индикатора 10. При этом для передачи излучающего импульса в антенные решетки первый вход циркулятора 3 соединен с выходом передающего устройства 2. Для передачи сигнала из антенных решеток первый выход циркулятора 3 соединен с входом приемного устройства 4, а второй выход циркулятора 3 соединен со входом-выходом вращающегося перехода 26. Для запуска передающего устройства первый выход синхронизатора 7 соединен с первым входом передающего устройства 2, а для формирования излучающего СВЧ-сигнала f₁, f₂ второй выход синхронизатора 7 соединен со вторым входом передающего устройства 2.

Для формирования промежуточной частоты принимаемого сигнала f_пp третий выход синхронизатора 7 по сигналу гетеродинной частоты f_с1 или f_c2 соединен со вторым входом приемного устройства 4. Для смещения частоты сигнала в область доплеровских частот f_д четвертый выход синхронизатора 7 по сигналу промежуточной частоты f_пp соединен с третьим входом приемного устройства 4. Для формирования частоты дискредитизации аналого-цифрового преобразователя (АЦП) пятый выход синхронизатора 7 по сигналу опорной частоты f_ca соединен с четвертым входом приемного устройства 4, а для синхронизации работы цифрового процессора сигналов шестой выход по сигналу тактовой частоты f_сп соединен со вторым входом цифрового процессора сигналов 6. Для синхронизации работы процессора данных седьмой выход синхронизатора 7 по сигналу второй тактовой частоты f_пd соединен с первым входом цифрового процессора данных 9, второй вход которого соединен с выходом датчика угла 8. Для управления режимами работы и выдачи исходных параметров первый выход цифрового процессора данных 9 соединен с третьим входом цифрового процессора сигналов 6.

Для приема и обработки радиолокационной информации первый вход процессора сигналов 6 соединен с выходом приемного устройства 4, а первый выход цифрового процессора сигналов 6 соединен с входом индикатора 10.

Для работы антенных решеток на разных несущих частотах f₁ или f₂ вводятся первый и второй разделительные фильтры 24 и 25, при этом вход-выход первой антенной решетки 20 через первый разделительный фильтр 24 соединен с входом-выходом вращающегося перехода 26, а вход-выход второй антенной решетки 21 соединен через второй разделительный фильтр 25 с входом-выходом вращающегося перехода 26.

Для переключения несущих частот через период обзора при работе двух антенных решеток 20 и 21 второй вход синхронизатора 7 по командам управления соединен со вторым выходом процессора данных 9.

Для формирования паспорта цели по РЛ информации второй выход процессора сигналов 6 соединен с третьим входом процессора данных 9.

РЛС работает как в когерентном, так и некогерентном режиме.

Работу РЛС в когерентном режиме обеспечивает высокостабильный задающий генератор 5, частота которого f_г является базовой и используется в синхронизаторе 7 для формирования сигнала излучения несущей частоты L-диапазона, а также гетеродинного и других сигналов, синхронизирующих работу блоков аналого-цифрового преобразователя.

Все высокочастотные сигналы, необходимые для работы РЛС, формируются в синхронизаторе 7 путем умножения частоты задающего генератора 5, а низкочастотные синхронизирующие сигналы формируются путем деления частоты сигнала задающего генератора 5. Обработка принимаемых отраженных сигналов в РЛС производится в цифровом перепрограммируемом процессоре сигналов 6, который обеспечивает сжатие, накопление, фильтрацию, пороговую обработку сигналов, присвоение и преобразование координат, а также формирование массива радиолокационной информации для выведения ее на индикатор 10.

В РЛС цифровой процессор данных 9 обеспечивает вычисление параметров РЛС в когерентном и некогерентном режимах, а также выработку сигналов и команд для управления блоками РЛС.

Процессор данных вычисляет текущие координаты радиолокационной информации, используя значения угла поворота лопасти вертолета, снимаемых с датчика угла.

В режиме обнаружения наземных объектов РЛС работает следующим образом.

При работе двигателя вертолета производится вращение лопастей с антенными решетками 20 и 21 в круговом секторе.

В процессе вращения антенных решеток 20 и 21 усилитель мощности 11 усиливает высокочастотные импульсы несущей частоты f₁ или f₂, поступающие из синхронизатора 7, и через циркулятор 3, фидерный тракт передает их в ту или иную антенную решетку 20 или 21. В зависимости от излучаемой частоты f₁ или f₂ сигнал излучения поступает в первую антенную решетку 20 или во вторую 21. Это определяется разделительными фильтрами 24 и 25. Антенными решетками 20, 21 эти импульсы излучаются в пространство и распространяются в направлении, определяемом диаграммой направленности антенны. Переключение несущей частоты излучения на f₁ или f₂ осуществляется в синхронизаторе 7 по командам, выдаваемым из процессора данных 9 и формируемым по данным датчика угла поворота лопасти 8. Излучение частот f₁ или f₂ чередуется во времени, соответствующему одному обороту лопасти. Когерентность сигнала определяется задающим высокостабильным генератором 5. На вход модулятора 12 из синхронизатора 7 поступают импульсы запуска F_п. Частота повторения импульсов запуска F_п формируется в синхронизаторе 7 путем деления частоты сигнала f_г задающего генератора 5. Длительность импульса также формируется из сигнала задающего генератора путем использования периода этого сигнала. Модулятор 12 осуществляет модуляцию высокочастотного сигнала f₁, f₂ и формирует импульсы, поступающие в усилитель мощности 11, имеющие заданную длительность τ и период повторения Т_п, определяемый однозначной дальностью.

Высокочастотный сигнал несущей частоты f₁ или f₂ формируется синхронизатором 7. От задающего генератора 5 сигнал с частотой f_г поступает в синхронизатор 7, умножается до более высокой частоты и используется в качестве несущей частоты f₁ или f₂ (где f₂=f₁+Δf, a Δf - разнос частот излучаемых сигналов антенными решетками) радиолокационного сигнала, излучаемого антенными решетками.

Также в процессе вращения антенных решеток отраженные сигналы от объектов и поверхности земли принимаются антенной решеткой 20 или 21 и через разделительные фильтры 24 или 25, вращающийся переход 26, фидерный тракт и циркулятор 3 поступают в приемное устройство 4. Отраженные сигналы в смесителе СВЧ приемника 13 смешиваются с сигналами синхронизатора “f_c1” или “f_c2”, отличающимися на промежуточную частоту (где f_c1=f₁+f_пp; f_с2=f₁+f_пp), в результате чего образуются сигналы промежуточной частоты f_пp. Сигналы промежуточной частоты поступают в аналого-цифровой процессор 19, где в усилителе промежуточной частоты УПЧ 14 усиливаются и поступают на фазовые детекторы 15 и 16, на которые от синхронизатора 7 поступает сигнал с частотой, равной промежуточной частоте f_пp, причем на один из фазовых детекторов сигнал f_пp поступает со сдвигом π/2.

На выходах фазовых детекторов образуются синфазный I и квадратурный Q сигналы. Далее оба сигнала I и Q в АЦП 17 и 18, запускаемых с помощью синхросигнала f_ca, преобразуются в цифровую форму. С выходов АЦП 17 и 18 сигналы двух квадратур поступают в цифровой процессор сигналов 6, синхронизируемый сигналом f_сп с шестого выхода синхронизатора 7 (для передачи сигналов из АЦП в цифровой процессор сигналов применяется специальная 2×16 разрядная линия, для передачи сигналов из цифрового процессора данных в цифровой процессор сигналов и обратно применяется стандартный магистральный параллельный интерфейс (МПИ) ГОСТ 26765.51-86).

В цифровом процессоре сигналов 6 в зависимости от режима работы станции производится когерентная или некогерентная обработка принятых сигналов. После пороговой обработки радиолокационных сигналов цифровой процессор сигналов 6 преобразует координаты поступающей радиолокационной информации из полярной системы координат в задаваемую систему координат.

Для этого цифровой процессор данных 9, синхронизуемый сигналом f_пd, на основе поступающих с датчика угла 8 значений угла поворота антенных решеток 20, 21 (угла поворота лопасти вертолета) производит вычисление текущих координат радиолокационной информации в заданной системе координат, передает их в цифровой процессор сигналов 6 для преобразования текущих координат радиолокационной информации.

Из цифрового процессора сигналов радиолокационная информация поступает в индикатор 10.

В режиме обнаружения воздушной цели радиолокационная станция работает в когерентном режиме с применением двух антенных решеток 20 и 21 для повышения точности угловой координаты в угломестной плоскости. Для этого антенные решетки 20 и 21 работают последовательно через оборот поворота лопасти. При этом также через оборот частота излучения переключается с f₁ на f₂. Через разделительный фильтр 24 частота излучения f₁ проходит в первую антенную решетку и через разделительный фильтр 25 частота f₂ - во вторую антенную решетку. Отраженные от цели сигналы, принятые первой и второй антенными решетками, пройдя первичную обработку в аналого-цифровом процессоре 19, поступают в цифровой процессор сигналов 6, где производится быстрое преобразование Фурье, нахождение модуля по двум квадратурам и пороговая обработка. Сигналы, прошедшие через порог за время оборота каждой из антенных решеток, накапливаются в памяти цифрового процессора сигналов 6 на время, соответствующее не менее двух оборотов. После накопления в памяти сигналов, принятых второй антенной решеткой 20 в последующем обороте после оборота первой антенной решеткой 21, сигналы в одноименных ячейках по дальности и азимуту суммируются в цифровом процессоре сигналов 6, и таким образом определяется сигнал суммы U∑, эти же сигналы алгебраически вычитаются, и таким образом находится разность ±UΔ_ум, соответствующая угловому рассогласованию в угломестной плоскости.

Суммарный сигнал UΣ выхода цифрового процессора сигналов 6 поступает в индикатор 10. Разностный сигнал “±UΔ_ум” в цифровом процессоре сигналов 6 нормируется к сигналу U∑, т.е. определяется сигнал углового рассогласования , не зависящий от амплитуды сигнала.

Сигнал углового рассогласования ±Δ_ум из цифрового процессора сигналов 6 поступает в цифровой процессор данных 9, где формируются параметры для паспорта цели.

Технический результат предложения заключается в повышении точности определения угловой координаты в угломестной плоскости воздушных целей за счет создания двухлучевой антенной системы, в которой реализуется разностная диаграмма направленности в угломестной плоскости, обеспечивающая повышение точности.

Этот результат достигается тем, что в состав аппаратуры БРЛС вертолета, в которой в качестве сканирующей антенны используется лопасть вертолета с размещенной в ней антенной решеткой, вводится вторая сканирующая антенна с использованием второй лопасти вертолета с размещенной в ней второй антенной решеткой. При этом для создания разностной диаграммы в угломестной плоскости лучи обеих антенн поворачиваются в угломестной плоскости в противоположных направлениях на величину k·θ_л, где k≈(0,3÷0,5).

Радиолокационная станция для вертолета, состоящая из сканирующей антенной решетки, размещенной в лопасти вертолета, передающего устройства, циркулятора, приемного устройства, задающего генератора, цифрового процессора сигналов, синхронизатора, датчика угла, цифрового процессора данных и индикатора, при этом вход циркулятора соединен с выходом передающего устройства, первый выход циркулятора соединен с первым входом приемного устройства, второй выход циркулятора соединен со входом-выходом вращающегося перехода, первый выход синхронизатора соединен с первым входом передающего устройства, второй выход синхронизатора - со вторым входом передающего устройства, третий выход синхронизатора соединен со вторым входом приемного устройства, четвертый выход синхронизатора - с третьим входом приемного устройства, пятый выход - с четвертым входом приемного устройства, шестой выход - со вторым входом цифрового процессора сигналов, а седьмой выход - с первым входом цифрового процессора данных, второй вход которого соединен с выходом датчика угла, первый выход цифрового процессора данных соединен с третьим входом цифрового процессора сигналов, первый вход которого соединен с выходом приемного устройства, а первый выход цифрового процессора сигналов - со входом индикатора, отличающаяся тем, что в нее введена вторая сканирующая антенная решетка, размещенная во второй лопасти вертолета, а также первый и второй разделительные фильтры, при этом вход-выход первой антенной решетки через первый разделительный фильтр соединен со входом-выходом вращающегося перехода, вход-выход второй антенной решетки соединен через второй разделительный фильтр со входом-выходом вращающегося перехода, второй вход синхронизатора соединен с вторым выходом процессора данных, а второй выход процессора сигналов соединен с третьим входом процессора данных.