Двухволновый адаптивный радиолокатор

Изобретение относится к устройствам ближней радиолокации и предназначено главным образом для обнаружения низколетящей сосредоточенной цели или плавательных средств на фоне сигналов, отраженных от распределенной морской поверхности и образованных облучением этой поверхности радиосигналом радиолокатора. Достигаемый технический результат - повышение чувствительности радиолокатора при измерении малых значений доплеровской частоты и определение ее знака. Указанный результат достигается за счет того, что двухволновый адаптивный радиолокатор содержит две приемопередающих антенны, два приемопередающих устройства, два передатчика, два дуплексера, два приемника, два усилителя доплеровских частот, шесть перемножителей, фильтр нижних частот, два переключателя, исполнительный каскад, генератор пилообразного напряжения, компаратор, накопитель, варикап, три узкополосных фильтра, фазовращатель на 90°. Перечисленные средства определенным образом соединены между собой. 1 ил.

 

Предлагаемый радиолокатор относится к устройствам ближней радиолокации, предназначен главным образом для обнаружения низколетящей сосредоточенной цели или плавательных средств на фоне сигналов, отраженных от распределенной морской поверхности и образованных облучением этой поверхности радиосигналом радиолокатора.

Известны многие взаимодействия радиолокатора с целью, расположенной над морской поверхностью или на морской поверхности в условиях влияния помех, образованных посторонними отражениями радиосигналов, в том числе и от протяженной морской поверхности. Проблема обнаружения низко летящей над морской поверхностью цели или плавательных средств на морской поверхности возникает во многих практических случаях. В этих и многих других случаях на входе приемника радиолокатора появляются сигналы, образованные отражениями не только искомой целью, но и протяженной морской поверхностью, чем снижается вероятность правильного обнаружения самой цели.

Поставленная задача обнаружения низколетящей над протяженной морской поверхностью сосредоточенной цели или плавательных средств на морской поверхности современными радиолокаторами не всегда решается положительно из-за отрицательного влияния случайных помеховых сигналов, образованных отражениями радиосигнала от этой поверхности. Таким образом, при создании радиолокатора ближнего действия для обнаружения низколетящей цели или плавательных средств должна решаться важная проблема - подавления фоновых помех, создаваемых отражениями радиосигналов от протяженной морской поверхности.

К радиолокаторам, которые обладают свойством однозначного обнаружения цели при относительно высокой помехоустойчивости к различным внешним помехам, относятся радиолокаторы с непрерывным сложным (шумоподобным) зондирующим сигналом (патенты РФ №2.045.122.045.128, 2.087.000, 2.230.337, 2.291.460, 2.337.681, 2.422.847; патенты США №3.419.861, 3.614.782, 5.355.329, 5.892.477, 6.081.226; Варакин Л.Е. Теория сложных сигналов. М.: Сов. радио, 1970 и другие).

Из известных радиолокаторов наиболее близким к предлагаемому является «Двухволновый адаптивный радиолокатор» (патент РФ №2.422.847, G01S 13/00, 2009), который и выбран в качестве прототипа.

Известный радиолокатор содержит две приемопередающих антенны, два приемопередающих устройства, два усилителя доплеровских частот, перемножитель, фильтр нижних частот, исполнительный каскад, два переключателя, генератор пилообразного напряжения, компаратор, накопитель и варикап, соединенные определенным образом между собой.

Однако известный радиолокатор имеет сравнительно низкую чувствительность при измерении малых значений доплеровской частоты и не позволяет определять ее знак.

Технической задачей изобретения является повышение чувствительности радиолокатора при измерении малых значений доплеровской частоты и определение ее знака.

Поставленная задача решается тем, что двухволновый адаптивный радиолокатор, содержащий в соответствии с ближайшим аналогом первое и второе приемопередающие устройства, связанные с первой и второй приемопередающими антеннами соответственно, первый и второй усилители доплеровской частоты, при этом к выходу первого усилителя доплеровских частот последовательно подключены первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя доплеровских частот, фильтр нижних частот, первый переключатель, генератор пилообразного напряжения, компаратор, второй переключатель, второй вход которого через накопитель соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, и варикап, второй выход второго переключателя соединен с вторым входом первого переключателя, к второму выходу которого подключен исполнительный каскад, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым перемножителями, тремя узкополосными фильтрами и фазовращателями на 90°, причем первое приемопередающее устройство выполнено в виде последовательно включенных первого передатчика, первого дуплексера, вход-выход которого связан с первой приемопередающей антенной, и первого приемника, к выходу которого последовательно подключены третий перемножитель, второй вход которого через фазовращаетель на 90° соединен с выходом второго приемника, второй узкополосный фильтр и пятый перемножитель, выход которого соединен с входом первого усилителя доплеровских частот, второе приемопередающее устройство выполнено в виде последовательно включенных второго передатчика, второго дуплексера, вход-выход которого связан со второй приемопередающей антенной, и второго приемника, к выходу которого последовательно подключены четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого приемника, третий узкополосный фильтр и шестой перемножитель, выход которого соединен с входом второго усилителя доплеровских частот, к выходу первого передатчика последовательно подключены второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго передатчика, и первый узкополосный фильтр, выход которого соединен с вторым входом пятого и шестого перемножителей, вход второго передатчика соединен с выходом варикапа.

Структурная схема предлагаемого двухволнового адаптивного радиолокатора представлена на чертеже.

Двухволновый адаптивный радиолокатор содержит последовательно включенные первый передатчик 3.1, первый дуплексер 3.2, вход-выход которого связан с первой приемопередающей антенной 1, первый приемник 3.3, третий перемножитель 19, второй вход которого через фазовращатель 18 на 90° соединен с выходом второго приемника 4.3, второй узкополосный фильтр 21, пятый перемножитель 23, первый усилитель 5 доплеровских частот, первый перемножитель 7, фильтр 8 нижних частот, первый переключатель 9, генератор 11 пилообразного напряжения, компаратор 12, второй переключатель 14, второй вход которого через накопитель 13 соединен с выходом генератора 11 пилообразного напряжения, варикап 15, второй передатчик 4.1, второй дуплексер 4.2, вход-выход которого связан со второй приемопередающей антенной 2, второй приемник 4.3, четвертый перемножитель 20, второй вход которого соединен с выходом первого приемника 3.3, третий узкополосный фильтр 22, шестой перемножитель 24 и второй усилитель 6 доплеровских частот, выход которого соединен со вторым входом первого перемножителя 7. Второй выход второго переключателя 14 соединен с вторым входом первого переключателя 9, ко второму выходу которого подключен исполнительный каскад 10.

Первый передатчик 3.1, первый дуплексер 3.2 и первый приемник 3.3 образуют первое приемопередающее устройство 3. Второй передатчик 4.1, второй дуплексер 4.2 и второй приемник 4.3 образуют второе приемопередающее устройство 4. Первый перемножитель 7 и фильтр 8 нижних частот образуют фазовый детектор 25.

Предлагаемый двухволновый адаптивный радиолокатор работает следующим образом.

Сначала рассмотрим несколько общих положений и исходных состояний предлагаемого устройства.

Во-первых, адаптация предлагаемого радиолокатора к сигналам, отраженным от протяженной морской поверхности, сводится к процессу разрушения корреляционных связей между двумя хаотическими (шумоподобными) сигналами, отраженными от протяженной морской поверхности путем изменения одной из частот двух зондирующих сигналов радиолокатора. Так как в предлагаемом устройстве на вход двух приемников 3.3 и 4.3 поступают хаотические (шумоподобные) сигналы, образованные отражениями от взволнованной (хаотической) морской поверхности, тогда адаптация радиолокатора к такой поверхности (т.е. снижение влияния на его работу помех, вызванных отражениями от этой поверхности) осуществляется путем изменения частоты излучения в одном из приемопередатчиков.

В предлагаемом устройстве коррелятор формируется элементами: первым 5 и вторым 6 усилителями доплеровских частот, первым перемножителем 2 и фильтром 8 нижних частот (выполняющий функцию интегратора).

В предлагаемом устройстве снижение уровня сигнала на выходе коррелятора до порогового минимального значения приводит к прекращению изменения излучаемых частот и при дальнейшей работе радиолокатора обеспечивается обнаружение сосредоточенной цели с повышенной вероятностью, так как после адаптации (разрушения корреляции между двумя принятыми от протяженной морской поверхности сигналами) на дальнейшую работу радиолокатора отсутствует влияние действия помех, образованных отражениями сигнала от морской поверхности.

Во-вторых, в начальный момент времени некоторые элементы предлагаемого радиолокатора находятся в следующем исходном состоянии:

1) в начальный момент времени в первом переключателе 9 его первый выход переключен на его второй выход;

2) в начальный момент времени во втором переключателе 14 его первый выход переключен на его второй вход;

3) в начальный момент времени двумя передатчиками 3.1 и 4.1 излучаются сигналы одинаковой или достаточно близкой частоты с отклонениями частоты между ними не более 10^-6-10^-7 (Радиолокационные устройства (теория и принципы построения). Под ред. В.В. Григоряна -Рябова. М.: Сов. радио, 1970. - 680 с).

Итак, в первоначальный момент времени передатчиками 3.1 и 4.1 через дуплексеры 3.2 и 4.2 и антенны 1 и 2 излучаются периодические радиосигналы с близкими частотами, например ƒ₁ и ƒ₂. В это время (еще до возможного обнаружения поисковой сосредоточенной цели) на вход антенн 1 и 2 поступают отраженные от протяженной морской поверхности сигналы, имеющие хаотический (шумоподобный) характер, образованный хаотическим состоянием взволнованной морской поверхности.

Принятые отраженные сигналы одинаковые (или близкие) по частоте

,

где ±Δƒ_∂ - смещение частоты, обусловленное эффектом Доплера.

Для простоты рассуждения взят случай, когда частота принимаемых сигналов увеличивается за счет эффекта Доплера, и поэтому они коррелированны между собой, в результате чего в начальный момент работы радиолокатора принятые приемниками 3.3 и 4.3 сигналы отличаются от излученных на величины доплеровских частот, обусловленных скоростями движения морских волн и радиолокатора.

Отраженные сигналы с выхода первого 3.3 и второго 4.3 приемников поступают на два входа перемножителей 19 и 20 непосредственно и через фазовращатель 18 на 90°. На выходе перемножителей 19 и 20 установлены фильтры 21 и 22, настроенные на частоту

.

Зондирующие сигналы на частотах ƒ₁ и ƒ₂ с выхода передатчиков 3.1 и 4.1 одновременно поступают на два входа перемножителя 16, на выходе которого установлен узкополосный фильтр 17, настроенный на частоту

.

Полученные сигналы с выходов узкополосных фильтров 17, 21 и 22 поступают на два входа перемножителей 23 и 24, на выходе которых появляются сигналы одинаковой частоты 2Δƒ_∂, но сдвинутые друг относительно друга на 90°. Эти сигналы выделяются усилителями 5 и 6 доплеровских частот. Следовательно, на выходе усилителей 5 и 6 доплеровских частот всегда будут присутствовать сигналы с двойной частотой, обусловленной эффектом Доплера, т.е. чувствительность радиолокатора при измерении малых значений доплеровских частот, обусловленных скоростями движения морских волн и радиолокатора, увеличивается в два раза.

Для определения знака доплеровского смещения частоты сигналы с усилителей 5 и 6 доплеровских частот подаются на два входа фазового детектора 25, состоящего из переключателя 7 и фильтра 8 нижних частот. На выходе фазового детектора 25 выделяется постоянное напряжение того или иного знака, которое поступает на первый вход первого переключателя 9, со второго выхода которого сигнал поступает на вход генератора 11 пилообразного напряжения, который начинает работать. Появившийся сигнал на выходе генератора 11 пилообразного напряжения поступает одновременно как на вход компаратора 12, так и на вход накопителя 13, с выхода которого сигнал поступает на второй вход второго переключателя 14. В это же время на выходе компаратора 12 сигнала не будет до тех пор, пока на входе компаратора 12 будет сигнал, поступающий с выхода генератора 11 пилообразного напряжения. На вход накопителя 13 поступают сигналы от генератора 11 пилообразного напряжения, в результате чего на выходе накопителя 13 растет напряжение, поступающее на второй вход второго переключателя 14, с первого выхода которого этот сигнал поступает на вход варикапа 15, у которого в результате изменения напряжения от накопителя 13 изменяется электрическая емкость, приводящая к изменению частоты излучения сигнала второго передатчика 4.1 от значения ƒ₂ до значения ƒ_n. Во времени перестройка излучаемой частоты радиосигнала в приемопередатчике 4 происходит до момента прекращения работы генератора 11 пилообразного напряжения, которое происходит при снижении на его входе сигнала до нижнего порового уровня (или полного его отсутствия), вызванном разрушением корреляционных связей между двумя сигналами, принятыми двумя приемниками 3.3 и 4.3, в результате чего отсутствует сигнал на выходе фильтра 8 нижних частот и соответственно на первом входе первого переключателя 9.

Выбор минимального порового уровня, при котором происходит прекращение работы генератора 11 пилообразного напряжения, производится по статистическим данным и количественно оценивается заданными вероятностями правильного обнаружения, ложного срабатывания и пропуска цели (Афанасьев А.А., Горбунов В.А. Эффективное обнаружение целей радиотехническими средствами наблюдения. М.: Военное издательство, 1964. - 122 с).

В дальнейшей работе предлагаемого устройства частота излученного сигнала передатчика 4.1 поддерживается неизменной напряжением, установленным ранее в накопителе 13. Отсутствие сигнала на выходе генератора 11 пилообразного напряжения и соответственно на входе компаратора 12 приводит к появлению сигнала на его выходе, который поступает на первый вход второго переключателя 14, в результате этого переключатель 14 соединяет его первый вход со вторым выходом, в результате чего на второй вход первого переключателя 9 поступает сигнал с выхода компаратора 12, вызывая в первом переключателе 9 соединение первого входа с его первым выходом, соединяющим его со входом исполнительного каскада 10.

На этом процесс адаптации радиолокатора к подстилающей протяженной морской поверхности прекращается, и в дальнейшем он работает как обычный радиолокатор с разнесенными частотами излучения в приемопередающих устройствах 3 и 4.

Практическая реализация предлагаемого двухканального адаптивного радиолокатора не представляет затруднений и может быть осуществлена применением широко известных аналоговых элементов и интегральных микросхем (Интегральные микросхемы. Справочник. Под общей ред. Б.В. Тарабрина. М.: Изд. Сов. радио, 1984).

Таким образом, предлагаемый двухволновый адаптивный радиолокатор по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает измерение малых значений доплеровской частоты. Это достигается удвоением значения доплеровского смещения, что приводит, в свою очередь, к повышению чувствительности радиолокатора.

Кроме того, предлагаемый радиолокатор позволяет определить знак доплеровского смещения частоты и, следовательно, направление перемещения низколетящих целей над морской поверхностью или плавательных средств на морской поверхности в условиях влияния помех, образованных посторонними отражениями радиосигналов, в том числе и от протяженной морской поверхности.

Двухволновый адаптивный радиолокатор, содержащий первое и второе приемопередающее устройства, связанные с первой и второй приемопередающими антеннами соответственно, первый и второй усилители доплеровских частот, при этом к выходу первого усилителя доплеровских частот последовательно подключены первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя доплеровских частот, фильтр нижних частот, первый переключатель, генератор пилообразного напряжения, компаратор, второй переключатель, второй вход которого через накопитель соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, и варикап, второй выход второго переключателя соединен с вторым входом первого переключателя, к второму выходу которого подключен исполнительный каскад, отличающийся тем, что он снабжен вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым перемножителями, тремя узкополосными фильтрами и фазовращателями на 90°, причем первое приемопередающее устройство выполнено в виде последовательно включенных первого передатчика, первого дуплексера, вход-выход которого связан с первой приемопередающей антенной, и первого приемника, к выходу которого последовательно подключены третий перемножитель, второй вход которого через фазовращатель на 90° соединен с выходом второго приемника, второй узкополосный фильтр и пятый перемножитель, выход которого соединен с входом первого усилителя доплеровских частот, второе приемопередающее устройство выполнено в виде последовательно включенных второго передатчика, второго дуплексера, вход-выход которого связан со второй приемопередающей антенной, и второго приемника, к выходу которого последовательно подключены четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого приемника, третий узкополосный фильтр и шестой перемножитель, выход которого соединен с входом второго усилителя доплеровских частот, к выходу первого передатчика последовательно подключены первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго передатчика, и первый узкополосный фильтр, выход которого соединен с вторым входом пятого и шестого перемножителей, вход второго передатчика соединен с выходом варикапа.