Вертолетная радиолокационная станция обнаружения наземных препятствий

Изобретение относится к области радиолокации и может использоваться на вертолетах. Техническим результатом является обужение суммарной диаграммы направленности. Вертолетная радиолокационная станция обнаружения наземных препятствий состоит из антенной системы, первого и второго разделительных фильтров, вращающегося перехода, передающего устройства, циркулятора, приемного устройства, задающего генератора, цифрового процессора сигналов, включающего устройство обработки суммарно-разностной диаграммы, синхронизатора, датчика угла, цифрового процессора данных и индикатора, при этом в цифровой процессор сигналов введено устройство обужения суммарной диаграммы. 4 ил.

 

Изобретение относится к области радиолокации и может использоваться на вертолетах.

Известны бортовые радиолокационные станции БРЛС, обеспечивающие обнаружение наземных препятствий впереди летящего вертолета. Эти БРЛС могут быть как многофункциональными, так и специализированными. Антенны большинства БРЛС размещаются в носовой части вертолета и обеспечивают обзор пространства в передней полусфере. В качестве аналога БРЛС обнаружения наземных препятствий можно привести БРЛС APG-78(V) системы Longbow [1], антенна которой размещается над втулкой винтовой части вертолета. Все БРЛС получают необходимую информацию для обеспечения маловысотного полета при работе в миллиметровом диапазоне радиоволн. Известные станции, в том числе и приведенный аналог обладают следующими основными недостатками:

- наличие антенны, которая вносит существенный вклад в массу аппаратуры БРЛС;

- существенное снижение дальности действия из-за затухания энергии в плохих метеоусловиях и практически неработоспособность в дожде.

Результаты работ, проведенных отечественными и зарубежными исследователями по оценке поглощения электромагнитной энергии в атмосфере, показывают, что наилучшим диапазоном электромагнитных волн для работы в плохих метеоусловиях, а также в дожде, применительно к использованию в бортовой РЛС является дециметровый диапазон радиоволн.

Однако сведения о бортовых РЛС, применяющих дециметровый диапазон волн для решения задачи обнаружения препятствий, в отечественных и зарубежных публикациях отсутствуют.

В связи с этим представляется целесообразным в качестве прототипа рассмотреть радиолокационную станцию для вертолета, работающую в «L» диапазоне радиоволн, предназначенную для обнаружения наземных и воздушных целей (Заявка №2004106248/09 МПК: G 01 S 13/04, G 01 S 13/90 от 04.03.2004 г., положит. решение от 10.02.2005 г.).

В этой РЛС в качестве сканирующих антенн используются лопасти вертолета с размещенными в них линейными антенными решетками «L» диапазона волн.

Блок-схема РЛС прототипа представлена на фиг.1.

В радиолокационную станцию 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 - первый фазовый детектор;

16 - второй фазовый детектор;

17 - первый АЦП;

18 - второй АЦП;

элементы 14÷18 образуют аналого-цифровой процессор 19;

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

БРЛС работает как в когерентном, так и некогерентном режиме.

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.

При работе БРЛС 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 времени не менее двух оборотов. После накопления в памяти сигналов, принятых второй антенной решеткой 20 в последующем обороте после оборота первой антенной решетки 21, сигналы в одноименных ячейках по дальности и азимуту суммируются в цифровом процессоре сигналов 6 и таким образом образуется суммарная диаграмма направленности антенны. Эти же сигналы вычитаются и таким образом находится разностная диаграмма направленности антенны в угломестной плоскости.

Недостатком приведенной БРЛС является большая величина угла «θ_лβ» суммарной диаграммы направленности (ДН) сканирующей антенной решетки в угломестной плоскости (θ_лΔβ≥60°). Широкая диаграмма направленности в угломестной плоскости не позволяет отселектировать сигналы, отраженные от наземных препятствий, от сигналов, отраженных от земной поверхности (фона земли), попадающих в один и тот же элемент дальности, и не позволяет оценить высоту препятствий.

Задачей изобретения является обнаружение наземных препятствий, высота которых соответствует или выше высоты плоскости полета (плоскости вращения лопастей), и за счет исключения влияния сигналов отражений от поверхности земли и других объектов, находящихся на высотах ниже плоскости полета.

Эта задача решается обужением суммарной диаграммы направленности на прием, обеспечивающей требуемую угловую селекцию таких объектов (или фона земли). Применение суммарной и разностной диаграмм направленности позволяет провести обужение суммарного луча на прием в угломестной плоскости и обеспечить требуемую селекцию. Для этого в процессоре сигналов используются устройства, осуществляющие суммирование одноименных по дальности и азимуту сигналов, принятых диаграммой направленности каждой антенной решетки, и их вычитание, обеспечивающее получение суммарно-разностных диаграмм направленности. Также введены устройства для обужения суммарной диаграммы направленности.

Обужение суммарной диаграммы на прием производится путем вычитания из одноименных по дальности и азимуту полученных сигналов разностной диаграммы из сигналов суммарной диаграммы по формуле

|U_∑|-k|U_Δ|=U_∑об,

где k - коэффициент усиления сигналов разностной диаграммы.

Величина угла суммарной диаграммы на прием при таком обужении определяется коэффициентом усиления «k».

Коэффициент «k» принимается компромиссным решением между величиной обуженного угла и допустимыми потерями мощности сигнала. Дополнительное обострение суммарной диаграммы направленности и снижение уровня боковых лепестков обеспечивается путем умножения амплитуды одноименных по дальности и азимуту сигналов первичной суммарной диаграммы на амплитуду сигналов обуженной суммарной диаграммы

|U_∑|·|U_∑об|=|U^* _∑об|

В результате таких действий при вращении антенных решеток на выходе системы обработки формируются и селектируются сигналы отражений от препятствий в координатах дальность-азимут, которые принимаются антенной системой только обуженной суммарной диаграммой направленности. Полученные сигналы из процессора поступают на индикатор.

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

На фиг.2 представлена блок-схема предлагаемой радиолокационной станции.

На фиг.3 приведена развернутая структурная схема предлагаемой станции.

На фиг.4 приведена развернутая структурная схема цифрового процессора.

В предлагаемую радиолокационную станцию (фиг.2 и 3) входят:

1 - антенная система, состоящая: первая антенная решетка 20

вторая антенная решетка 21

2 - передающее устройство;

3 - циркулятор;

4 - приемное устройство;

5 - задающий генератор;

6 - цифровой процессор сигналов, состоящий из:

- устройства обработки сигналов суммарно-разностной диаграммы 60,

- устройства обужения диаграммы 67;

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;

24 - первый разделительный фильтр;

25 - второй разделительный фильтр;

26 - вращающийся переход;

27 - излучатели.

В развернутую структурную схему цифрового процессора сигналов 6 (фиг.4) входят:

60 - устройство обработки сигналов суммарно-разностной диаграммы антенны, состоящее из:

61 - устройства модуля;

62 - коммутатора;

63 - первого устройства памяти;

64 - второго устройства памяти;

65 - устройства суммы;

66 - первого устройства разности;

67 - устройство обужения суммарной диаграммы антенны, состоящее из:

68 - второго устройства разности;

69 - первого устройства умножения;

70 - второго устройства умножения.

Вертолетная радиолокационная станция обнаружения наземных препятствий состоит из первой сканирующей антенной решетки 20 и второй сканирующей 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 излучающих импульсов в антенные решетки первый вход циркулятора 3 соединен с выходом передающего устройства 2.

Для приема сигналов из антенных решеток первый выход циркулятора 3 соединен с входом приемного устройства 4, а для передачи излучаемых и приема отраженных сигналов второй выход циркулятора 3 соединен со входом-выходом вращающегося перехода 26. Для запуска передающего устройства по сигналу частоты F_п первый выход синхронизатора 7 соединен с первым входом передающего устройства 2, а для формирования излучаемого СВЧ сигнала частоты f₁, f₂ второй выход синхронизатора 7 соединен со вторым входом передающего устройства 2. Для формирования промежуточной частоты принимаемого сигнала f_пр третий выход синхронизатора 7 по сигналу гетеродинной частоты f_c1 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_пр соединен с третьим входом приемного устройства 4. Для формирования частоты дискретизации 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 9 седьмой выход синхронизатора 7 по импульсному сигналу f_пd≈2 кГц соединен с первым входом цифрового процессора данных 9, второй вход которого соединен с выходом датчика угла 8. Для управления режимами работы синхронизатора 7 первый выход цифрового процессора данных соединен со вторым входом синхронизатора 7.

Для управления цифровым процессором сигналов 6 в режиме обужения суммарной диаграммы направленности по сигналу «n оборот» второй выход процессора данных 9 соединен с третьим входом цифрового процессора сигналов. Для управления режимами работы и выдачи исходных параметров третий выход цифрового процессора данных 9 соединен с четвертым входом цифрового процессора сигналов 6 (сигналы передаются по стандартному интерфейсу).

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

Для работы антенных решеток на разных несущих частотах f₁ или f₂ введены 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 с первым выходом процессора данных 9. С целью обеспечения селекции отражений по углу для обужения суммарной диаграммы направленности на прием в процессоре сигналов 6 используется: устройство обработки сигналов суммарно-разностной диаграммы 60, включающее: устройство модуля 61, коммутатор 62, первое устройство памяти 63, второе устройство памяти 64, устройство суммы 65, первое устройство разности 66. Кроме того, в процессор сигналов 6 введено устройство обужения 67, состоящее из второго устройства разности 68, первого устройства умножения 69 и второго устройства умножения 70. При этом для получения модуля отраженных сигналов выход приемного устройства 4 по квадратурным сигналам U_I и U_Q соединен с устройством модуля 61 в цифровом процессоре сигналов 6 (через 2×16-разрядную линию). Накопление сигналов в первом 63 или втором 64 устройствах памяти производится через коммутатор 62, на вход которого подаются сигналы из устройства модуля 61. Для обеспечения коммутации на второй вход коммутатора 62 подаются сигналы («n» оборота).

Коммутатор по сигналу «n оборота» управляется из процессора данных 9, для чего второй выход процессора данных 9 соединен с третьим входом процессора сигналов 6. Для образования суммарной и разностной диаграмм направленности антенны выход первого устройства памяти 63 соединен с первым входом устройства суммы 65 и первым входом устройства разности 66, а выход второго устройства памяти 64 соединен со вторым входом устройства суммы 65 и вторым входом устройства разности. Непосредственно обужение суммарной диаграммы направленности производит устройство обужения 67, в котором сигналы суммарной диаграммы с выхода устройства суммы 65 устройства обработки 60 суммарно-разностной диаграммы подаются на устройство обужения 67, на первый вход второго устройства разности 68 и на второй вход устройства умножения 69, а выход первого устройства разности 66 подается на вход первого устройства умножения 69.

Для получения обуженной суммарной диаграммы сигналы разностной диаграммы после умножения на коэффициент «k» с выхода первого устройства умножения 69 подаются во второе устройство разности 68. Далее с выхода второго устройства разности 68 сигналы обуженной диаграммы направленности подаются на вход второго устройства умножения 70, где умножаются на сигналы первоначальной (необуженной) суммарной диаграммы. С выхода второго устройства умножения сигналы поступают в индикатор 10

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 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.

Цифровой процессор данных 9 вычисляет текущие координаты радиолокационной информации, используя значения угла поворота лопасти вертолета, снимаемых с датчика угла 8.

Для присвоения координат радиолокационной информации четвертый выход цифрового процессора данных 9 соединен с пятым входом цифрового процессора сигналов 6.

В режиме обнаружения наземных препятствий 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 и вращающийся переход 26 передают 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 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. Излучение частот f₁ или f₂ чередуется во времени, соответствующем одному обороту лопасти. 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 наземных препятствий 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_пр; f_с2=f₂+f_пр), 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_пр, причем на один из фазовых детекторов сигнал f_пр поступает со сдвигом π/2. На выходах фазовых детекторов образуются синфазный I и квадратурный Q сигналы. Далее оба сигнала U₁ и U_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 U_I и U_Q поступают в цифровой процессор сигналов 6, синхронизируемый сигналом тактовой частоты f_сп с шестого выхода синхронизатора 7 (для передачи сигналов из АЦП в цифровой процессор сигналов 6 применяется 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 (фиг.4) сигналы двух квадратур U_I и U_Q из приемного устройства поступают в устройство модуля 61 устройства обработки сигналов суммарно-разностной диаграммы антенны 60, после которого сигналы поступают на коммутатор 62.

В зависимости от номера оборота антенной решетки выход коммутатора подключается к первому устройству памяти 63 или второму 64. При этом при «n» обороте радиолокационная информация поступает в первое устройство памяти 63, а при обороте «n+1» - во второе устройство памяти 64, где соответственно накапливаются сигналы, принятые первой и второй антенной решеткой (20 и 21). После накопления сигналов отражений от наземных препятствий в обоих устройствах памяти 63 и 64 сигналы поступают на устройство суммы 65, где из одноименных сигналов по дальности и азимуту формируется суммарная диаграмма, и на первое устройство разности 66, где формируется разностная диаграмма.

С выходов устройств суммы 65 и разности 66 сигналы поступают на устройство обужения 67, которое состоит из второго устройства разности 68, первого устройства умножения 69 и второго устройства умножения 70. Сигналы с первого устройства разности 66 поступают в первое устройство умножения 69, где сигналы разностной диаграммы умножаются на коэффициент «k», который определяет величину угла обужения суммарной диаграммы направленности в угломестной плоскости. Из первого устройства умножения 69 сигналы поступают во второе устройство разности 68, где из сигналов суммарной диаграммы вычитаются усиленные на коэффициент «k» сигналы разностной диаграммы. На выходе второго устройства разности 68 формируется обуженная суммарная диаграмма направленности в угломестной плоскости. Для дальнейшего обострения суммарной диаграммы направленности и снижения уровня боковых лепестков сигналы с выхода второго устройства разности 68 подаются во второе устройство умножения 70, где одноименные сигналы по дальности и азимуту первичной суммарной диаграммы умножаются на соответствующие сигналы обуженной суммарной диаграммы. С выхода второго устройства умножения 70 сигналы поступают на индикатор 10 для их отображения.

Технический результат предложения заключается в обужении суммарной диаграммы направленности антенны.

При этом величина обужения может быть более 10. Обужение суммарной диаграммы на прием за счет угловой селекции обеспечивает возможность обнаружения наземных препятствий в требуемой угловой зоне по углу места относительно плоскости вращения антенных решеток (лопастей).

Вертолетная радиолокационная станция обнаружения наземных препятствий состоит из антенной системы, состоящей из первой сканирующей антенной решетки и второй сканирующей антенной решетки, размещенных в первой лопасти вертолета и второй лопасти вертолета, а также первого и второго разделительных фильтров, 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, передающего устройства, циркулятора, приемного устройства, задающего генератора, цифрового процессора сигналов, включающего устройство обработки суммарно-разностной диаграммы, состоящее из устройства нахождения модуля по двум квадратурам отраженных сигналов, коммутатора, первого устройства памяти, второго устройства памяти, устройства суммы и первого устройства разности, 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, второй выход цифрового процессора данных соединен с третьим входом цифрового процессора сигналов, а третий выход цифрового процессора данных соединен с четвертым входом цифрового процессора сигналов, четвертый выход цифрового процессора данных соединен с пятым входом цифрового процессора сигналов, первый вход которого соединен с выходом приемного устройства, а выход цифрового процессора сигналов - со входом индикатора, отличающаяся тем, что в цифровой процессор сигналов введено устройство обужения суммарной диаграммы направленности, состоящее из второго устройства разности, первого устройства умножения и второго устройства умножения, при этом первый вход второго устройства разности соединен с выходом устройства суммы, а выход второго устройства разности соединен с первым входом второго устройства умножения, второй вход которого соединен с выходом устройства суммы, вход первого устройства умножения соединен с выходом первого устройства разности, а выход первого устройства умножения соединен со вторым входом второго устройства разности, выход второго устройства умножения соединен со входом индикатора, второй вход синхронизатора соединен с первым выходом цифрового процессора данных, при этом цифровой процессор данных вычисляет параметры станции в когерентном и некогерентном режимах и вычисляет текущие координаты радиолокационной информации, используя углы поворота лопасти вертолета, снимаемые с датчика угла, а цифровой процессор сигналов обеспечивает сжатие, накопление, фильтрацию, пороговую обработку сигналов, присвоение и преобразование координат, а также формирование массива радиолокационной информации для выведения ее на экран индикатора.