Радиолокационная станция кругового обзора
Владельцы патента RU 2522982:
Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к области радиолокации, преимущественно к малогабаритным радиолокационным станциям (РЛС), и может быть использовано на различных типах аппаратов воздушного и надводного базирования. Достигаемый технический результат - расширение функциональных возможностей по наблюдению за окружающей обстановкой, а также для дистанционного зондирования земной поверхности с целью обнаружения малозаметных неподвижных и подвижных объектов. Сущность изобретения состоит в том, что в радиолокационной станции кругового обзора, состоящей из антенны, передающего устройства, приемного устройства, устройства первичной обработки информации, устройства вторичной обработки информации, антенна выполнена в виде печатной платы, а двигатель и блок управления приводом вращения антенны интегрированы в общее основание РЛС. Приемное и передающее устройства выполнены в виде субмодулей, объединены в приемо-передающий блок и через циркулятор соединены с антенной. Устройства первичной обработки информации и вторичной обработки информации представляют собой модуль цифрового формирования и обработки сигналов, который выполнен на программируемых логических интегральных микросхемах, цифровых сигнальных процессорах обработки сигналов, микросхемах аналого-цифровых преобразователей, микросхемах прямого цифрового синтеза сигналов. Формирователь телекодовой информации интегрирован в состав модуля цифрового формирования и обработки сигналов. Компенсация скорости и наклона летательного аппарата выполнена программно в модуле цифрового формирования и обработки сигналов. При этом модуль цифрового формирования и обработки сигналов выполнен с возможностью приема от приемо-передающего блока отраженного эхо-сигнала. Причем после преобразования в цифровой вид он имеет возможность формировать синтезированную апертуру, производить корреляционную обработку полученного изображения, выделять допплеровский сигнал цели (спектр) и передавать его по сети Ethernet на внешний модуль оператора, имеющий возможность осуществлять хранение и преобразования картографической информации и отображать полученную от радиолокационной станции кругового обзора радиолокационное изображение, совмещенное с картой местности. 11 ил.
Изобретение относится к области радиолокации, преимущественно к малогабаритным радиолокационным станциям (РЛС), и может быть использовано на различных типах аппаратов воздушного и надводного базирования для наблюдения за окружающей обстановкой, а также для дистанционного зондирования земной поверхности с целью обнаружения малозаметных подвижных и неподвижных объектов, в том числе объектов на открытой местности, над водной поверхностью, скрытых растительным или снежным покровом. Устройство может применяться для решения задач по поиску и спасению на суше и на воде, погодного мониторинга, прибрежного наблюдения, контроля за контрабандой, морского патрулирования, контроля рыболовства и пресечения браконьерской деятельности, а также загоризонтного наблюдения и картографии.
Известны различные конструкции радиолокационных станций для летательных аппаратов. Например, известна импульсно-допплеровская радиолокационная станция по заявке на изобретение №2003101831, МПК 7 G01S 13/52. Эта импульсно-допплеровская радиолокационная станция (РЛС) содержит приемо-передающее устройство (ППУ), устройство формирования изображения (УФИ), устройство распознавания класса цели (УР) и индикатор. Причем ППУ содержит антенну, соединенную с первым антенным переключателем (АП), а также первый генератор высокой частоты (ГВЧ). В устройстве формирования изображения этой импульсно-допплеровской РЛС дополнительно введены блок быстрого преобразования Фурье (БПФ) и блок устройства ранжирования и нормировки (БУРН). В устройстве распознавания класса цели (УР) в блок распознавания по поляризационно-спектральному портрету введены блоки обработки каждой модуляционной составляющей поляризационно-спектрального портрета (ПСП). Причем ППУ содержит первый фазовый детектор, сигнальный вход которого соединен с выходом первого АП, а выход которого соединен со вторым сигнальным входом первого коммутатора. Четыре выхода первого коммутатора образуют первую группу сигнальных выходов ППУ. Блок синхронизации, второй фазовый детектор, выход которого соединен с вторым сигнальным входом первого коммутатора. Второй коммутатор, третий коммутатор, первый и второй сигнальные входы которого соединены с первым и вторым выходами блока автоматической компенсации скорости цели. Выходы первого ГВЧ и второй ГВЧ соединены с первым и вторым сигнальными входами второго коммутатора и соединены с первым и вторым опорными входами блока автоматической компенсации скорости цели (БАКСЦ). Выходы первого фазовращателя (ФВ) и второго ФВ соединены с первым и вторым входами третьего коммутатора, а объединенные выходы соединены с опорными входами третьего фазового детектора (ФД) и четвертого ФД. Выходы третьего ФД и четвертого ФД соединены соответственно с первым и вторым сигнальными входами четвертого коммутатора. Четыре выхода четвертого коммутатора образуют вторую группу сигнальных выходов ППУ. Вход вращателя поляризации (ВП) соединен со вторым входом антенны, а выход соединен с первым входом второго АП. Выход второго АП соединен с сигнальными входами второго ФД и четвертого ФД и с первым входом БС. Устройство формирования изображения содержит канал формирования изображения по квадратуре "X" (канал X), четыре сигнальных входа которого являются первой группой сигнальных входов устройства формирования изображения. Эти входы соединены с первой группой выходов ППУ, а три опорных выхода являются первой группой опорных выходов устройства формирования изображения и соединены с первой группой сигнальных входов блока автоматической компенсации скорости цели. Канал формирования изображения по квадратуре "Y" (канал Y), четыре сигнальных входа которого являются второй группой сигнальных входов устройства формирования изображения и соединены с второй группой выходов ППУ. Три опорных выхода являются второй группой опорных выходов устройства формирования изображения и соединены с второй группой сигнальных входов блока автоматической компенсации скорости цели. Первая группа входов блока сумматоров (БСМ) соединена с девятью сигнальными входами канала X, вторая группа входов соединена с девятью сигнальными входами канала Y, а девять выходов соединены с девятью сигнальными входами блока временных селекторов (БВС). Две группы выходов БВС являются двумя группами выходов УФИ. Устройство распознавания класса цели содержит блок распознавания по многочастотному портрету (БР МЧП). Три сигнальных входа БР МЧП являются первой группой сигнальных входов устройства распознавания класса цели и соединены с первой группой выходов устройства формирования изображения. N выходов БР МЧП являются первой группой выходов УР, где N - число альтернатив распознавания по МЧП. Блок распознавания по поляризационно-спектральному портрету (БР ПСП). Три сигнальных входа БР ПСП являются второй группой сигнальных входов устройства распознавания класса цели и соединены со второй группой выходов устройства формирования изображения. М выходов БР ПСП являются второй группой выходов УР, где М - число альтернатив распознавания по ПСП. Выход блока нормировки по дальности (БН) соединен с опорными входами блока распознавания по многочастотному портрету и блока распознавания по поляризационно-спектральному портрету. M+N входов индикатора соединены с двумя группами выходов устройства распознавания класса цели. Причем первый и второй выходы второго коммутатора соединены соответственно со вторыми входами первого АП и второго АП. Выход первого АП соединен со вторым входом БС и с сигнальным входом третьего фазового детектора. Первый выход БС соединен с первым синхронизирующим входом второго коммутатора и с первым синхронизирующим входом блока нормировки. Второй выход БС соединен со вторым синхронизирующим входом второго коммутатора, с синхронизирующим входом третьего коммутатора, с первыми синхронизирующими входами канала Х и канала У. Третий выход БС соединен с первыми синхронизирующими входами первого и четвертого коммутаторов. Четвертый выход БС соединен со вторыми синхронизирующими входами канала Х и канала У. Пятый выход БС соединен с третьими синхронизирующими входами канала Х и канала У и с первым синхронизирующим входом блока автоматической компенсации скорости цели. Шестой выход БС соединен с четвертыми синхронизирующими входами канала Х и канала У и с вторыми синхронизирующими входами первого и четвертою коммутаторов. Седьмой выход БС соединен с пятыми синхронизирующими входами канала Х и канала У, со вторым синхронизирующим входом блока автоматической компенсации скорости цели, с синхронизирующим входом ВВС, с третьими синхронизирующими входами первого и четвертого коммутаторов и с вторым синхронизирующим входом блока нормировки. Третий выход третьего коммутатора соединен с опорными входами первого ФД и второго ФД.
Импульсно-допплеровская радиолокационная станция включает устройство формирования изображения, который содержит канал X, канал Y, блок сумматоров, блок временных селекторов. Причем канал Х содержит первый детектор огибающей, выход которого через первый блок быстрого преобразования Фурье и первый блок устройства ранжирования и нормировки (БУРН) образует первый выход канала X. Второй детектор огибающей, выход которого соединен с сигнальным входом коммутатора. Первый и второй выходы коммутатора соединены через первый и второй ФНЧ с входами первого и второго квадраторов и с входом первого умножителя. Выходы первого и второго квадраторов являются вторым и третьим выходами канала X. Выход первого умножителя является четвертым выходом канала X. Выход второго ДО через второй БПФ и второй блок УНР образует пятый выход канала X. Выход третьего детектора огибающей соединен с сигнальным входом первого временного селектора (ВС). Выход ВС соединен с первым входом второго сумматора. Выход второго сумматора соединен с сигнальным входом четвертого детектора огибающей, выход которого через третий БПФ и третий блок УНР образует шестой выход канала X. Синхронизирующий вход коммутатора является первым синхронизирующим входом канала X. Первые синхронизирующие входы второго и третьего детекторов огибающей являются вторым синхронизирующим входом канала X. Первые синхронизирующие входы первого и четвертого детекторов огибающей являются третьим синхронизирующим входом канала X. Вторые синхронизирующие входы второго и третьего детекторов огибающей являются четвертым синхронизирующим входом канала X. Вторые синхронизирующие входы первого и четвертого детекторов огибающей и синхронизирующий вход первого временного селектора являются третьим синхронизирующим входом канала X. Сигнальные входы первого, второго, третьего детекторов огибающей и второй вход первого сумматора являются сигнальными входами канала Х и первой группой сигнальных входов УФИ. Первый, второй вход и выход второго сумматора являются опорными выходами канала Х и первой группой опорных выходов устройства формирования изображения. Канал Y идентичен каналу X. Сигнальные входы канала Y являются второй группой сигнальных входов устройства формирования изображения. Опорные выходы канала Y являются второй группой опорных выходов УФИ. Блок сумматоров содержит второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, сумматоры, первые входы которых являются первой группой входов БСМ и соединены с первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым, выходами канала X. Вторые входы являются второй группой входов блока сумматоров и соединены с первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым, выходами канала Y. Выходы являются первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым выходами блока сумматоров. Блок временных селекторов содержит первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой временные селекторы, сигнальные входы которых являются первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым, седьмым входами БВС и соединены с первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым выходами БСМ. Синхронизирующие входы являются синхронизирующим входом блока временных селекторов. Выходы четвертого, пятого и шестого временных селекторов образуют первую группу выходов блока временных селекторов и первую группу выходов устройства формирования изображения. Выходы первого, второго, третьего временных селекторов образуют вторую группу выходов БВС и вторую группу выходов устройства формирования изображения.
Импульсно-допплеровская радиолокационная станция, отличающаяся тем, что блок распознавания по поляризационно-спектральному портрету содержит определитель максимального сигнала (ОМС) и М каналов обработки, где М - число альтернатив распознавания по ПСП, каждый i-й из которых содержит блоки обработки ПСП включающий в себя j блоков обработки для каждой модуляционной составляющей, в каждом j-м из которых три сигнальных входа являются сигнальными входами БР ПСП, а выход соединен с первым входом первого сумматора, выход которого соединен с первым входом вычитающего устройства, выход которого является выходом j-го блока обработки ПСП. Формирователь весовых коэффициентов и смещения поляризационно-спектрального портрета (ФВКС ПСП) содержит источник эталонных напряжений поляризационно-спектрального портрета (ИЭН ПСП). Первый выход ИЭН ПСП соединен с первыми входами третьего, четвертого и пятого сумматоров. Второй выход ИЭН ПСП соединен с первыми входами четвертого умножителя и первого делителя. Третий выход ИЭН ПСП соединен с первыми входами пятого умножителя и второго делителя. Четвертый выход соединен с первыми входами шестого умножителя и третьего делителя. Вторые входы четвертого, пятого и шестого умножителей являются опорным входом j-го блока распознавания поляризационно-спектрального портрета, а выходы соединены со вторыми входами третьего, четвертого и пятого сумматоров. Выходы сумматоров соединены с входами седьмого умножителя и через первый, второй и третий умножитель на 2 соединены со вторыми входами первого, второго и третьего делителей. Выходы делителей являются первым, вторым и третьим выходами ФВКС ПСП и соединены со вторыми входами первого, второго и третьего умножителей. Выход седьмого умножителя через логарифмический усилитель образует четвертый выход ФВКС ПСП и соединен со вторым входом вычитающего устройства j-го блока распознавания по поляризационно-спектральному портрету. Выходы всех блоков распознавания по поляризационно-спектральному портрету являются входами второго сумматора каждого i-го блока распознавания по поляризационно-спектральному портрету, выходы которого являются выходами М-го канала обработки. М входов определителя максимального сигнала соединены с выходами М каналов обработки. М выходов определителя максимального сигнала являются выходами блока распознавания по поляризационно-спектральному портрету.
Недостатком этой РЛС являются ее конструктивная сложность за счет того, что она имеет большое количество блоков. Кроме того, к недостаткам этой РЛС можно отнести также и отсутствие канала передачи данных на удаленное видео-контрольное устройство.
Известна также многофункциональная радиолокационная станция для летательных аппаратов по патенту №2319173 РФ, МПК G01S 13/90. В эту многофункциональную радиолокационную станцию входят щелевая антенна, передающее устройство, циркулятор, коммутатор приема, приемное устройство, аналого-цифровой процессор, усилитель мощности, модулятор. Кроме того, в эту многофункциональную радиолокационную станцию входят синтезатор частот - синхронизатор, задающий генератор, цифровой процессор сигналов, цифровой процессор данных, индикатор, СВЧ-приемник, усилитель промежуточной частоты, АЦП, датчик угла, устройство обужения, коммутатор, первое устройство памяти, второе устройство памяти, устройство разности, первое устройство умножения, второе устройство умножения. Для передачи излучающих импульсов в щелевую антенну вход-выход антенны через циркулятор соединен с выходом передающего устройства. Для приема сигналов суммарной диаграммы направленности щелевой антенны вход-выход щелевой антенны через циркулятор соединен с первым входом коммутатора приема. Выход коммутатора приема соединен с входом приемного устройства. Для приема сигналов разностной диаграммы направленности второй выход щелевой антенны соединен со вторым входом коммутатора приема. Для коммутации принимаемых сигналов третий вход коммутатора приема по сигналу коммутации Fk соединен с третьим выходом процессора данных. Для формирования запускающих и синхронизирующих сигналов выход задающего генератора соединен с первым входом синтезатора частот - синхронизатора. Для запуска передающего устройства первый выход синтезатора частот - синхронизатора по сигналу запуска Fп соединен с первым входом передающего устройства. Для формирования излучаемого СВЧ-сигнала f, второй выход синтезатора частот - синхронизатора соединен со вторым входом передающего устройства. Для формирования промежуточной частоты принимаемого сигнала fпр третий выход синтезатора частот - синхронизатора по сигналу гетеродинной частоты fc соединен со вторым входом приемного устройства. Для формирования сигналов дискретизации аналого-цифрового преобразователя (АЦП) четвертый выход синтезатора частот - синхронизатора по сигналу частоты fca соединен с третьим входом приемного устройства. Для синхронизации работы цифрового процессора сигналов пятый выход синтезатора по сигналу тактовой частоты fсп соединен со вторым входом цифрового процессора сигналов. Для синхронизации работы цифрового процессора данных шестой выход синтезатора частот - синхронизатора по сигналу fпd соединен с первым входом цифрового процессора данных. Для управления режимами синтезатора частот - синхронизатора первый выход цифрового процессора данных соединен со вторым входом синтезатора частот - синхронизатора. Для коммутации сигналов в цифровом процессоре сигналов, в режиме обужения суммарной диаграммы направленности, третий выход цифрового процессора данных по сигналу Fk соединен с четвертым входом цифрового процессора сигналов. Для управления режимами работы и выдачи исходных параметров второй выход цифрового процессора данных соединен с третьим входом цифрового процессора сигналов (по специальному интерфейсу в соответствии с ГОСТ). Для приема и обработки радиолокационной информации первый вход процессора сигналов по специальному интерфейсу соединен с выходом приемного устройства. Для отображения РЛ-информации первый выход цифрового процессора сигналов соединен с первым входом индикатора. Для обужения суммарной диаграммы направленности на прием в цифровой процессор сигналов введено устройство обужения. Устройство обужения состоит из коммутатора, первого устройства памяти, второго устройства памяти, устройства разности, первого устройства умножения и второго устройства умножения. Накопление сигналов в первом или втором устройствах памяти производится через коммутатор, на вход которого подаются сигналы из аналого-цифрового процессора сигналов приемного устройства. При этом выход приемного устройства соединен с входом коммутатора. Первый выход коммутатора соединен с входом первого устройства памяти. Второй выход коммутатора соединен с входом второго устройства памяти. Выход первого устройства памяти соединен с первым входом устройства разности и вторым входом второго устройства умножения. Выход второго устройства памяти соединен с первым устройством умножения. Выход первым устройством умножения соединен со вторым входом устройства разности. Выход устройства разности соединен с первым входом второго устройства умножения. Для отображения РЛ-информации выход второго устройства умножения соединен с первым входом индикатора. Для коммутации сигналов суммарного и разностного каналов при накоплении третий выход цифрового процессора данных по сигналу Fk соединен с четвертым входом процессора сигналов. Для определения высоты препятствий Нпр датчик угла места щелевой антенны по сигналу «β» соединен с третьим входом цифрового процессора данных. Второй выход цифрового процессора сигналов по сигналу дальности «Д» соединен со вторым входом цифрового процессора данных. Для отображения информации о наземных препятствиях в координатах дальность - высота второй вход индикатора по сигналу Нпр соединен с четвертым выходом цифрового процессора данных. Третий вход индикатора соединен со вторым выходом цифрового процессора сигналов.
Многофункциональная радиолокационная станция в режиме обнаружения и измерения высоты препятствий работает следующим образом. В режиме сканирования антенны в угломестной плоскости усилитель мощности передающего устройства усиливает высокочастотные импульсы «f», поступающие из синтезатора частот - синхронизатора, и через циркулятор 3 передает их в щелевую антенну 1. Щелевой антенной эти импульсы излучаются в пространство и распространяются в направлении, определяемом диаграммой направленности щелевой антенны. Стабильность несущей частоты «f» определяется задающим генератором. На вход модулятора из синтезатора частот - синхронизатора поступают импульсы запуска (Fп), которые формируется путем деления частоты сигнала «fг» задающего генератора. Длительность импульса также формируется в синтезаторе частот - синхронизаторе путем использования периода сигнала «fг». Высокочастотный сигнал несущей частоты f также формируется синтезатором частот - синхронизатором. От задающего генератора сигнал с частотой fг поступает в синтезатор частот - синхронизатор, умножается до частоты (f) и используется в качестве несущей частоты радиолокационного сигнала, излучаемого щелевой антенной. Модулятор осуществляет модуляцию высокочастотного сигнала «f» импульсами, поступающими в усилитель мощности передающего устройства. Импульсы имеют заданную длительность (τ) и период повторения (Тп), определяемый однозначной дальностью. С целью сокращения массы и габаритов аппаратуры применяется один приемный канал. При этом прием одновременно поступающих отраженных сигналов, принятых суммарной и разностной диаграммами, разделяется во времени коммутатором приема таким образом, чтобы за время приема обуженным лучом суммарной диаграммы энергия сигнала, определяемая временем накопления, была достаточна для обнаружения препятствий с заданной вероятностью. Это время определяется частотой коммутации Fk коммутатора, задаваемой цифровым процессором данных. В процессе сканирования отраженные сигналы от объектов и поверхности принимаются щелевой антенной. Сигналы, принятые суммарной диаграммой через циркулятор и коммутатор, поступают в приемное устройство. В СВЧ-приемнике эти сигналы смешиваются с сигналом синтезатора частот - синхронизатором fc. В результате этого образуются сигналы промежуточной частоты fпр. Сигналы промежуточной частоты fnp поступают в аналого-цифровой процессор, усиливаются в усилителе промежуточной частоты УПЧ и поступают в аналого-цифровой преобразователь АЦП, где преобразуются в цифровую форму. С выхода АЦП сигналы поступают в устройство обужения цифрового процессора сигналов, синхронизуемого сигналом fсп. Далее сигналы суммарной диаграммы в устройстве обужения поступают на коммутатор. С выхода коммутатора сигналы поступают на первое устройство памяти UΣ. Поступающие отраженные сигналы и принятые разностной диаграммой из щелевой антенны поступают на коммутатор приема. Далее сигнал разностной диаграммы проходит аналогичную суммарному сигналу обработку. При такой обработке коммутаторы (с помощью сигнала Fk цифрового процессора) синхронно переключаются на последовательный прием, обработку и накопление сигналов в устройствах памяти. Обужение суммарной диаграммы на прием производится в цифровом процессоре сигналов в устройстве обужения. Перед вычитанием сигналов сигналы разностной диаграммы UΔ поступают из второго устройства памяти в первое устройство умножения, где умножаются на коэффициент усиления сигналов разностной диаграммы «К». Затем умноженный разностный сигнал KU поступает в устройство разности, куда из первого устройства памяти поступают сигналы суммарной диаграммы UΣ в одноименных элементах дальности. В устройстве разности производится вычитание усиленных сигналов разностной диаграммы из одноименных по дальности сигналов суммарной диаграммы |UΣ|-К|UΔ|=UΣобуж. Из устройства разности сигналы поступают во второе устройство умножения. Сюда также поступают сигналы суммарной диаграммы из первого устройства памяти. Во втором устройстве умножения производится умножение сигналов обуженной диаграммы на сигналы первичной суммарной диаграммы UΣ обуж·UΣ. В результате умножения производится дополнительное обужение диаграммы, и уменьшаются боковые лепестки первичной обуженной диаграммы. Сигналы из второго устройства умножения поступают в индикатор в моменты прихода сигнала, отраженного от наземных препятствий, и отображаются в нем в координатах дальность - высота. Для этого в цифровом процессоре данных по информации о дальности «Д», поступающей из цифрового процессора сигналов, и углу места «β» щелевой антенны, поступающей из датчика угла, определяется высота препятствия Нпр относительно опорной плоскости. Нпр=Но-Дβ, где Но - высота безопасного полета относительно опорной плоскости (плоскости безопасности); Д - дальность до препятствия; β - угол места антенны относительно горизонтальной плоскости, проходящей через ось носителя. Измеренное значение высоты препятствий Нпр также поступает в индикатор. Для отображения РЛ-информации значение дальности «Д» в индикатор поступает из цифрового процессора сигналов.
Недостатками этой РЛС являются: большие габариты, позволяющие разместить РЛС только на крупногабаритных летательных аппаратах, отображение информации только в координатах «дальность - высота», отсутствие канала передачи данных на удаленное видео-контрольное устройство.
Известен также радиолокатор бокового обзора земли с синтезом апертуры антенны и ультравысоким разрешением по патенту на полезную модель №99874, МПК G01S 13/90. В радиолокаторе бокового обзора земли с синтезом апертуры антенны и ультравысоким разрешением вывод приемной антенны соединен с первым входом малошумящего усилителя радиочастоты. Выход усилителя радиочастоты подключен к первому входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Первый выход модуля синхронизации связан со вторым входом малошумящего усилителя радиочастоты и вторым входом. Первая шина информационных данных АЦП подключена к первым информационным входам аппаратно-программного комплекса цифровой обработки данных, регистрации, управления и связи в режиме реального времени. Первый выход аппаратно-программного комплекса соединен с третьим входом малошумящего усилителя радиочастоты. Второй выход аппаратно-программного комплекса цифровой обработки данных, регистрации, управления и связи в режиме реального времени подключен к первому входу генератора видеоимпульсов. Выход генератора видеоимпульсов соединен с выводом одной передающей антенны, выполненной с возможностью изменения апертуры.
Радиолокатор содержит приемный блок. Приемный блок содержит приемную антенну, малошумящий усилитель радиочастоты (МШУ) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Блок цифровой обработки и управления содержит модуль синхронизации (МС), аппаратно-программный комплекс цифровой обработки данных, регистрации, управления и связи в режиме реального времени (АПК ЦОРУС) и, по меньшей мере, один датчик пространственного перемещения радиолокатора (ДПП). Передающий блок состоит из, по меньшей мере, одной передающей антенны и генератора видеоимпульсов. При этом вывод приемной антенны соединен с первым входом малошумящего усилителя радиочастоты. Второй и третий выходы модуля синхронизации связаны с первым и вторым управляющим входами аппаратно-программного комплекса цифровой обработки данных регистрации, управления и связи в режиме реального времени. Аппаратно-программный комплекс первой шиной управляющих данных подключен к управляющим входам АЦП. третий вход АЦП соединен с четвертым выходом модуля синхронизации. Пятый выход модуля синхронизации связан со вторым входом генератора видеоимпульсов. Шестой выход модуля синхронизации соединен с первым входом датчика пространственного перемещения радиолокатора. Выход датчика пространственного перемещения подключен к входу модуля синхронизации. Вторая шина информационных данных датчика пространственного перемещения соединена со вторыми информационными входами аппаратно-программного комплекса цифровой обработки данных, регистрации, управления и связи в режиме реального времени. Вторая шина управляющих данных связана с управляющими входами модуля синхронизации. Третья шина управляющих данных аппаратно-программного комплекса цифровой обработки данных соединена с управляющими входами датчика пространственного перемещения радиолокатора. При этом аппаратно-программный комплекс цифровой обработки данных, регистрации, управления и связи в режиме реального времени выполнен с возможностью передачи данных по третьей шине информационных данных в цифровой радиоканал. Одна приемная антенна выполнена в виде одноэлементной антенны. Один датчик пространственного перемещения радиолокатора выполнен с возможностью непрерывного счисления текущих координат радиолокатора. Один датчик пространственного перемещения радиолокатора выполнен с возможностью регистрации положения фазового центра приемопередающей антенной системы, состоящей из одной приемной антенны и одной передающей антенны. АЦП содержит запоминающее устройство. Аппаратно-программный комплекс цифровой обработки данных, регистрации, управления и связи в режиме реально времени содержит встроенный матричный многопроцессорный вычислитель. Матричный многопроцессорный вычислитель выполнен с возможностью синтеза апертуры одной приемной антенны и апертуры одной передающей антенны. Генератор видеоимпульсов выполнен с возможностью регулирования длительности видеоимпульсов. Малошумящий усилитель радиочастоты выполнен с возможностью регулирования усиления в динамическом режиме. Радиолокатор бокового обзора земли с синтезом апертуры антенны и ультравысоким разрешением работает следующим образом. В период начальной инициализации радиолокатора АПК ЦОРУС по цифровым каналам связи загружает в АЦП, МС и ДПП рабочие программы и параметры настройки этих модулей. Модуль синхронизации МС начинает выдачу тактовых сигналов на АЦП, ДПП и АПК ЦОРУС, формирующих внутреннюю временную шкалу устройства. В процессе радиолокационных измерений датчик пространственного положения радиолокатора ДПП ведет непрерывное счисление текущих координат носителя и пространственного положения фазового центра приемопередающей антенной системы. По достижении заданного значения пространственного перемещения фазового центра приемопередающей антенной системы в направлении полета носителя ДПП выдает на аналоговый вход модуля синхронизации МС команду запуска циклограммы работы радиолокатора. При этом одновременно формируется кадр навигационно-временной информации, который по цифровому каналу связи передается на соответствующий вход АПК ЦОУС для дальнейшей регистрации совместно с радиолокационными данными. МС формирует серию привязанных к внутреннему тактовому сигналу управляющих импульсов и выдает их одновременно на управляющий вход напряжения запуска генератора и второй аналоговый вход АПК ЦОРУС. По первому сигналу из этой серии АПК ЦОРУС выполняет временную привязку цикла работы радиолокатора к внутренней временной шкале, запускает программу управления длительностью выходных видеоимпульсов генератора в серии и выдает заданные программой управляющие напряжения на соответствующий вход генератора. Генератор формирует мощный видеоимпульс заданной длительности с известной задержкой, необходимой для срабатывания внутренних цепей генератора. Выходные видеоимпульсы генератора поступают на вход передающей антенны и излучаются в окружающее пространство. Выдержав заданный программой инициализации требуемый защитный интервал, МС вырабатывает строб напряжения РАБОТА, поступающий на соответствующие входы нормально закрытых МШУ и АЦП. Длительность этого строба ограничена требуемой боковой наклонной дальностью, обеспечивающей заданную глубину полосы обзора на местности. С выхода приемной антенны отклик радиолокационного сигнала поступает на сигнальный вход МШУ. На первый управляющий вход МШУ от АПК ЦОРУС поступает управляющее напряжение динамической регулировки усиления в пределах от минус 20 дБ до плюс 60 дБ, необходимой для нормализации уровня выходного сигнала МШУ. АЦП осуществляет оцифровку усиленного и нормализованного аналогового радиолокационного сигнала во всей мгновенной полосе частот его спектра. В буферном запоминающем устройстве АЦП накапливаются данные всей серии цикла. С выхода АЦП радиолокационные данные поступают на первый цифровой вход АПК ЦОРУС. В АПК ЦОРУС радиолокационные данные подвергаются адаптивной цифровой фильтрации, использующей избыточность поступивших данных для улучшения соотношения полезный сигнал/помеха. Прошедшие первичную обработку радиолокационные данные совместно с принятой от ДПП навигационно-временной информацией и привязанные к внутренней временной шкале устройства образуют блок радиолокационных измерений. Блок радиолокационных измерений в полном объеме сохраняется во встроенном твердотельном запоминающем устройстве АПК ЦОРУС и поступает на вход программы для встроенного матричного многопроцессорного вычислителя, реализующей синтез апертуры антенны. На этом цикл работы радиолокатора на первичном уровне завершается, аппаратура переходит в фазу ожидания очередной команды запуска циклограммы работы радиолокатора от ДПП. На вторичном уровне АПК ЦОРУС образует массив входных данных программы для встроенного матричного многопроцессорного вычислителя, реализующей синтез апертуры антенны. Массив выходных данных содержит элементы результирующего радиолокационного изображения (РЛИ) земной поверхности в полосе бокового обзора радиолокатора. Полученные РЛИ сохраняются во встроенном твердотельном запоминающем устройстве АПК ЦОРУС, и по запросу передаются внешним потребителям непосредственно или через цифровую радиолинию в режиме реального времени. Кроме того, обеспечивается возможность для считывания всех накопленных блоков радиолокационных измерений и результирующих РЛИ для постобработки средствами внешних потребителей.
Недостатками этой РЛС являются: большой вес, раздельные антенны для передачи и приема излучаемых сигналов, датчик пространственного перемещения в составе РЛС, в котором может накапливаться ошибка данных, отсутствие возможности приема извне координат летательного аппарата
Наиболее близким по совокупности существующих признаков аналогом к заявленному изобретению (прототипом) является радиолокационная станция кругового обзора для вертолета по заявке на изобретение №2004132959, МПК G01S 13/90. Радиолокационная станция кругового обзора для вертолета содержит последовательно соединенные передающее устройство, антенну и приемное устройство канала локации. Радиолокационная станция кругового обзора для вертолета также содержит устройство первичной обработки информации, индикатор кругового обзора и опорно-поворотное устройство. Первый выход опорно-поворотного устройства кинематически соединен со вторым входом антенны. Радиолокационная станция также содержит устройство компенсации скорости вертолета, аналого-цифровой преобразователь, устройство вторичной обработки информации, формирователь телекодовой информации, приемно-передающее устройство канала госопознавания, устройство хранения и преобразования картографической информации и цифровая вычислительная машина. Выход приемного устройства канала локации через устройство компенсации скорости вертолета и аналого-цифровой преобразователь соединен с первым входом устройства первичной обработки информации. Выход устройства первичной обработки информации через первый вход и первый, второй, третий и четвертый выходы устройства вторичной обработки информации соединен с входом формирователя телекодовой информации. Выход формирователя телекодовой информации является выходом радиолокационной станции. Выход формирователя телекодовой информации также является первым входом индикатора кругового обзора. Кроме того, выход формирователя телекодовой информации является вторым входом устройства компенсации скорости вертолета и входом передающего устройства. Первый вход-выход устройства вторичной обработки информации через приемно-передающее устройство канала госопознавания соединен с входом-выходом антенны. Второй выход опорно-поворотного устройства соединен со вторыми входами устройств первичной и вторичной обработки информации. Третий вход устройств первичной и вторичной обработки информации соединен с пилотажно-навигационным комплексом вертолета, второй вход-выход устройств первичной и вторичной обработки информации соединен с входом-выходом устройства хранения и преобразования картографической информации. Выход устройства хранения и преобразования картографической информации соединен со вторым входом индикатора кругового обзора. Передающее устройство является когерентным и имеет несколько значений несущих частот. Антенна выполнена в виде фазированной антенной решетки, в которой совмещены антенны двух различных диапазонов длин волн. Устройство первичной и вторичной обработки информации и формирователь телекодовой информации выполнены на основе цифровой вычислительной машины. Устройство первичной обработки информации реализовано по алгоритмам, обеспечивающим первичную обработку не только эхо-сигналов, но и шумовых активных помех.
Однако и эта РЛС имеет недостатки, в частности, сложную конструкцию. Она имеет много отдельных устройств, увеличивающих массу, габариты и энергопотребление РЛС. Вместе с тем, конструкция этой РЛС-прототипа предопределяет необходимость отдельной цифровой вычислительной машины. Кроме того, прототип имеет сложные алгоритмы управления фазированной антенной решеткой, а также сложность изготовления фазированной антенной решетки.
Задача, которую поставил перед собой разработчик нового устройства, состояла в создании такого устройства, которое позволило бы устанавливать его на малоразмерные носители воздушного, надводного или наземного базирования для расширения их функциональных возможностей по наблюдению за окружающей обстановкой, а также для дистанционного зондирования земной поверхности с целью обнаружения малозаметных неподвижных и подвижных объектов, в том числе объектов на открытой местности, над водной поверхностью, скрытых растительным или снежным покровом, а также загоризонтного наблюдения и картографии. В частности, устройство предназначено преимущественно для таких транспортных средств, как беспилотные летательные аппараты (БПЛА) и безэкипажные средства надводного базирования, в составе которых можно применять для решения задач по поиску и спасению на суше и на воде, навигации, погодного мониторинга, контроля за контрабандой, контроля рыболовства и пресечения браконьерской деятельности. Изобретение можно применять на любых носителях, способных нести полезную нагрузку не менее 5 кг и использовать в различных отраслях народного хозяйства. Технический результат заключается в возможности использования радиолокационной станции кругового обзора на расширенном ряде транспортных средств воздушного и надводного базирования, для наблюдения за окружающей обстановкой, а также для дистанционного зондирования земной поверхности с целью обнаружения малозаметных подвижных и неподвижных объектов, в том числе объектов на открытой местности, над водной поверхностью, скрытых растительным или снежным покровом.
Сущность изобретения состоит в том, что в радиолокационной станции кругового обзора, состоящей из антенны, передающего устройства, приемного устройства, устройства первичной обработки информации, устройства вторичной обработки информации, антенна выполнена в виде печатной платы, а двигатель и блок управления приводом вращения антенны интегрированы в общее основание РЛС. Приемное и передающее устройства выполнены в виде субмодулей, объединены в приемо-передающий блок и через циркулятор соединены с антенной. Устройства первичной обработки информации и вторичной обработки информации представляют собой модуль цифрового формирования и обработки сигналов, который выполнен на программируемых логических интегральных микросхемах, цифровых сигнальных процессорах обработки сигналов, микросхемах аналого-цифровых преобразователей, микросхемах прямого цифрового синтеза сигналов. Формирователь телекодовой информации интегрирован в состав модуля цифрового формирования и обработки сигналов. Компенсация скорости и наклона летательного аппарата выполнена программно в модуле цифрового формирования и обработки сигналов. При этом модуль цифрового формирования и обработки сигналов выполнен с возможностью приема от приемо-передающего блока отраженного эхо-сигнала. Причем после преобразования в цифровой вид он имеет возможность формировать синтезированную апертуру, производить корреляционную обработку полученного изображения, выделять допплеровский сигнал цели (спектр) и передавать его по сети Ethernet на внешний модуль оператора, имеющий возможность осуществлять хранение и преобразования картографической информации и отображать полученную от радиолокационной станции кругового обзора радиолокационное изображение, совмещенное с картой местности.
Доказательства возможности осуществления радиолокационной станции кругового обзора с реализацией указанного назначения приводятся ниже на конкретном примере радиолокационной станции кругового обзора. Этот характерный пример выполнения конкретной радиолокационной станции кругового обзора согласно предлагаемого изобретения ни в коей мере не ограничивает его объем правовой защиты. В этом примере дана лишь конкретная иллюстрация предлагаемой радиолокационной станции кругового обзора.
Изобретение поясняется графически, где:
на фиг.1 изображена структура радиолокационной станции;
на фиг.2 изображена радиолокационная станция в аксонометрический проекции;
на фиг.3 изображена радиолокационная станция, вид спереди;
на фиг.4 изображена радиолокационная станция, вид сбоку;
на фиг.5 изображена радиолокационная станция, вид сверху;
на фиг.6 изображено нижнее основание 15, вид снизу;
на фиг.7 изображен колпак 16 в аксонометрический проекции;
на фиг.8 изображен колпак 16, вид сбоку;
на фиг.9 изображена антенна в аксонометрический проекции;
на фиг.10 изображена антенна, вид спереди;
на фиг.11 изображена радиолокационная станция без колпака 16, размещенная на БПЛА «Горизонт ЭЙР S-100».
Радиолокационная станция кругового обзора содержит антенну 1, блок управления приводом вращения антенны 2 и цифровой приемо-передающий блок 3. Антенна 1 кинематически соединена с двигателем постоянного тока 4 и оптодатчиком 5. Двигатель 4 соединен с блоком управления приводом вращения антенны 2. Антенна 1 соединена с блоком антенного вращающегося перехода 6. Блок антенного вращающегося перехода 6 соединен с энкодером 7. Цифровой приемо-передающий блок 3 состоит из приемо-передающего модуля 8, модуля цифрового формирования и обработки сигналов 9 и субмодуля вторичного источника электропитания 10. Приемо-передающий модуль 8 соединен с модулем цифрового формирования и обработки сигналов 9 и субмодулем вторичного источника электропитания 10. Приемо-передающий модуль 8 состоит из субмодуля передатчика 11, субмодуля гетеродинов и опорных частот 12, субмодуля приемника 13, субмодуля усилителя промежуточной частоты с регулируемым коэффициентом усиления 14. Субмодуль передатчика 11 соединен с субмодулем гетеродинов и опорных частот 12. Субмодуль гетеродинов и опорных частот 12 соединен с субмодулем приемника 13. Субмодуль приемника 13 соединен с субмодулем усилителя промежуточной частоты с регулируемым коэффициентом усиления 14. Радиолокационная станция смонтирована на нижнем основании 15, закрывающемся радиопрозрачным колпаком 16. Антенна 1 изготовлена с использованием микро-полосковой технологии и представляет из себя решетку из элементарных плоских излучателей. Данная технология производства антенны обеспечивает компактность и маленький вес антенны. Для снижения веса колпак 16 изготовлен из акрилонитрилбутадиенового пластика, нижнее основание 15 изготовлено из акрилонитрилбутадиенового пластика или магниевого сплава. Для уменьшения аэродинамических нагрузок при полете БПЛА колпак 16 имеет форму, создающую наименьшее аэродинамическое сопротивление. Расстояние выступающей части радиолокационной станции от фюзеляжа БПЛА составляет 175 мм. Модуль цифрового формирования и обработки сигналов 9 выполнен на основе современных цифровых электронных компонентов, таких как программируемые логические интегральные схемы, цифровые сигнальные процессоры обработки сигналов, аналого-цифровые преобразователи, микросхемы прямого цифрового синтеза сигналов, микросхемы динамической памяти.
Радиолокационная станция работает в Х-диапазоне частот и имеет высокую разрешающую способность по дальности, что достигается за счет формирования сигнала с большой полосой порядка 200-250 МГц. В качестве сигнала используется сигнал с нелинейной частотной модуляцией, обеспечивающий малые потери при обработке. При заданной полосе сигнала будет обеспечиваться линейная разрешающая способность по дальности не более 1,5 м. Высокая разрешающая способность по оси, параллельной направлению полета БПЛА, достигается при помощи использования методов синтезированной апертуры и определяется размерами полученной апертуры. Основными ограничениями являются низкая скорость полета БПЛА (50 м/с для БПЛА «Горизонт ЭЙР S-100»), а также время корреляции подстилающей поверхности, которое для пересеченной местности в летний период в X-диапазоне не превышает 150 мс. Таким образом, невозможно синтезировать апертуру больше, чем несколько метров, что соответствует синтезированной ширине луча 0,0025 рад. Линейное разрешение по азимуту при таком подходе будет линейно зависеть от дальности, и на дальности 10 км составит 25 м. Данные характеристики можно существенно улучшить, расположив антенну не перпендикулярно оси движения, а под углом 45° к ней. Это позволяет для повышения разрешающей способности использовать высокое разрешение по дальности и скорости. Это позволяет получить линейное разрешение системы по азимуту на дальности 10 км, не более 3 м.
Прогнозируемые основные технические характеристики РЛС для конкретного примера в режиме бокового обзора:
- инструментальная дальность - не менее 20 км;
- частотный диапазон - 3 см;
- импульсная излучаемая мощность - не более 2 Вт;
- размер антенны - 400×150×100 мм;
- разрешающая способность по углу места - 0,15 рад;
- разрешающая способность по азимуту - 0,03 рад;
- разрешающая способность по азимуту в режиме синтезированной апертуры - 3 м;
- разрешающая способность по дальности - 1,5 м;
- потребляемая мощность - не более 19,5 Вт;
- электропитание от сети постоянного тока с напряжением от 10 до 36 В;
- суммарный вес оборудования, не более 4,95 кг.
Работает радиолокационная станция следующим образом. Модуль цифрового формирования и обработки сигналов 9 формирует и усиливает импульсные СВЧ зондирующие сигналы заданной формы на промежуточной частоте, данные сигналы поступают на субмодуль передатчика 11, обеспечивающий фильтрацию, преобразование на несущую частоту, усиление формирующего опорного сигнала с центральной частотой спектра 95 МГц и его передачу на антенну 1. Субмодуль гетеродинов и опорных частот 12 обеспечивает формирование сигналов гетеродинов передатчика, приемника и опорного сигнала с частотой 60 МГц. Антенна 1 вращается двигателем 4, управляемым при помощи блока управления приводом вращения антенны 2. Антенна 1 излучает в эфир СВЧ зондирующие импульсы. Отраженный от поверхности земли эхо-сигнал принимается антенной 1 и передается на субмодуль приемника 13, обеспечивающий фильтрацию, преобразование на промежуточную частоту и усиление эхо-сигналов. Субмодуль усилителя промежуточной частоты с регулируемым коэффициентом усиления 14 обеспечивает временную автоматическую регулировку усиления принятых эхо-сигналов на промежуточной частоте в режиме реального времени. Модуль цифрового формирования и обработки сигналов 9 принимает от энкодера 7 угловое положение антенны 1 и обеспечивает автоматическую калибровку приемно-измерительного тракта приемо-передающего блока 3. Модуль цифрового формирования и обработки сигналов 9 принимает от приемо-передающего блока 3 отраженный эхо-сигнал, после преобразования в цифровой вид формирует синтезированную апертуру, производит корреляционную обработку полученного изображения, выделяет допплеровский сигнал цели (спектр) и передает его на внешний модуль оператора по сети Ethernet. Кроме того, модуль цифрового формирования и обработки сигналов 9 обеспечивает автоматический контроль и выдачу на внешний модуль оператора достоверных сообщений о техническом состоянии собственной аппаратуры с точностью до сменного узла и прием метаданных от бортовой ЭВМ (географические координаты, высота, курс, скорость и пр.). Субмодуль вторичного источника электропитания 10 обеспечивает формирование из напряжения внешней первичной сети 10-36 В набор вторичных напряжений, используемых в цифровом приемо-передающем блоке 3.
Цифровой приемо-передающий блок 3 имеет три основных режима работы.
а) Режим «ОТКЛ» (отключено) соответствует состоянию цифрового приемо-передающего блока 3, при котором на входе субмодуля вторичного источника электропитания 10 первичное электропитание отсутствует. Данный режим возможно реализовать только посредством отсоединения от цифрового приемо-передающего блока 3 внешнего разъема связи с внешними абонентами.
б) Режим «Ожидание» соответствует состоянию цифрового приемопередающего блока 3, при котором приемо-передающий модуль 8 и модуль цифрового формирования и обработки сигналов 9 находятся в режиме минимального электропотребления. Модуль цифрового формирования и обработки сигналов 9 обеспечивает режим двухстороннего обмена с внешним модулем оператора по интерфейсу Ethernet. Переключение цифрового приемо-передающего блока 3 в данный режим осуществляется автоматически после подачи на него электропитания или программно по соответствующей команде от внешнего модуля оператора.
в) Режим «ВКЛ» (включено) соответствует состоянию цифрового приемо-передающего блока 3, при котором аппаратура блока обеспечивает свои рабочие функциональные характеристики в полном объеме. Переключение цифрового приемо-передающего блока 3 в данный режим осуществляется программно по соответствующей команде от внешнего модуля оператора.
Время перехода из режима «ОТКЛ» в режим «ВКЛ» не превышает 10 с.
Время перехода между режимами «Ожидание» и «ВКЛ» не превышает 1 с.
После подачи питания модуль цифрового формирования и обработки сигналов 9 проводит автоматическую проверку функционирования. После проверки функционирования модуль цифрового формирования и обработки сигналов 9 передает информацию о работоспособности на внешний модуль оператора. После завершения процедуры контроля, цифровой приемопередающий блок 3 автоматически переходит в режим «Ожидание», при котором вся аппаратура блока, не участвующая в обработке управляющих пакетов, поступающих от внешнего модуля оператора, переводится в режим минимального электропотребления или отключается.
Информационное взаимодействие цифрового приемо-передающего блока 3 с внешним модулем оператора осуществляется по интерфейсу Ethernet со скоростью 10 МБит/с с использованием протокола ТСРЛР. Информационное взаимодействие осуществляется с помощью управляющих пакетов, поступающих к цифровому приемо-передающему блоку 3 от внешнего модуля оператора, и ответных пакетов от цифрового приемопередающего блока 3 к внешнему модулю оператора.
Обнаруженной целью является сигнал, прошедший пороговую обработку в допплеровском канале цифрового приемо-передающего блока 3 и имеющий максимальную амплитуду среди отсчетов допплеровского канала. Пакет целей формируется за время канального интервала (приблизительно 125 мс), записывается в память цифрового приемо-передающего блока 3 и передается во внешний модуль оператора по команде в виде ответного пакета.
Модуль цифрового формирования и обработки сигналов 9 передает информацию о коэффициенте усиления в субмодуль усилителя промежуточной частоты с регулируемым коэффициентом усиления 14 в режиме реального времени, что обеспечивает работу алгоритма ВАРУ. Модуль цифрового формирования и обработки сигналов 9 передает в субмодуль гетеродинов и опорных частот 12 информацию о значении литерной частоты, принятом от внешнего модуля оператора.
Радиолокационная станция кругового обзора, состоящая из антенны, передающего устройства, приемного устройства, устройства первичной обработки информации, устройства вторичной обработки информации, отличающаяся тем, что антенна выполнена в виде печатной платы, двигатель и блок управления приводом вращения антенны интегрированы в общее основание РЛС, приемное и передающее устройства выполнены в виде субмодулей, объединены в приемо-передающий блок и через циркулятор соединены с антенной, устройства первичной обработки информации и вторичной обработки информации представляют собой модуль цифрового формирования и обработки сигналов, который выполнен на программируемых логических интегральных микросхемах, цифровых сигнальных процессорах обработки сигналов, микросхемах аналого-цифровых преобразователей, микросхемах прямого цифрового синтеза сигналов, формирователь телекодовой информации интегрирован в состав модуля цифрового формирования и обработки сигналов, компенсация скорости и наклона летательного аппарата выполнена программно в модуле цифрового формирования и обработки сигналов, при этом модуль цифрового формирования и обработки сигналов выполнен с возможностью приема от приемо-передающего блока отраженного эхо-сигнала, причем после преобразования в цифровой вид он имеет возможность формировать синтезированную апертуру, производить корреляционную обработку полученного изображения, выделять допплеровский сигнал цели (спектр) и передавать его по сети Ethernet на внешний модуль оператора, имеющий возможность осуществлять хранение и преобразования картографической информации и отображать полученную от радиолокационной станции кругового обзора радиолокационное изображение, совмещенное с картой местности.
