Система моноимпульсной радиолокации с повышенной точностью определения угла пеленга цели
MONOPULSE RADAR SYSTEM WITH HIGH ACCURACY OF DETERMINING TARGET BEARING ANGLE

Изобретение относится к области моноимпульсной радиолокации и может быть использовано в системах с амплитудным суммарно-разностным способом определения угловых координат целей.
Из уровня техники известны различные системы и способы повышения точности определения угла пеленга цели. Например, одним из способов является повышение требований к точности изготовления элементов радиолокационной системы и стабильности характеристик суммарного и разностного каналов прохождения сигналов в системе моноимпульсной радиолокации (Леонов А.И., Фомичев К.И. «Моноимпульсная радиолокация» - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1984, стр. 173, 175-176).
Известна система моноимпульсной радиолокации (Леонов А.И., Фомичев К.И. «Моноимпульсная радиолокация» - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1984, стр. 69-71), состоящая из антенны с кольцевым волноводным мостом, имеющая выходы суммарного (Σ) и разностного (Δ) сигналов, приемного устройства, усиливающего и преобразующего поступающие от антенны сигналы, содержащего суммарный и разностный каналы, в состав которых входят, в том числе, смесители сигналов трактов передачи указанных сигналов от антенны к приемному устройству (от выходов «Σ» и «Δ» кольцевого волноводного моста до входов смесителей сигналов суммарного и разностного каналов), измерителя уровней указанных сигналов на выходах приемного устройства и вычислительного устройства. При этом вычислительное устройство определяет угол пеленга цели по отношению уровней суммарного и разностного сигналов от цели, и известной для данной антенны зависимости отношения уровней суммарного и разностного сигналов от угла пеленга цели. Недостатком данной системы является существенное усложнение конструкции антенной системы моноимпульсного радиолокатора.
Известна также антенная система (Патент US 7,911,376), в которой для поддержания ее характеристик в эксплуатации используется калибровка с использованием определенных при изготовлении антенны и сохраненных в ней параметров, используемых затем для калибровки. Данная система позволяет поддерживать в эксплуатации характеристики лишь антенны, но не позволяет поддерживать характеристики всей системы, в которой используется антенна.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является система амплитудной суммарно-разностной моноимпульсной радиолокации (Леонов А.И., Фомичев К.И. «Моноимпульсная радиолокация» - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1984, стр. 69-71), имеющая в своем составе антенную систему (АС), приемное устройство, содержащее приемные каналы «суммарного» (Σ) и «разностного» (Δ) сигналов, тракты передачи «суммарного» и «разностного» сигналов от АС к приемному устройству, измерители уровней «суммарного» и «разностного» сигналов, вычислительное устройство.
В процессе работы такой системы измерители уровней измеряют уровни «суммарного»  и «разностного»  сигналов от цели на соответствующих выходах приемного устройства и передают измеренные значения уровней в вычислительное устройство. Вычислительное устройство определяет отношение  измеренных уровней сигналов. Вычисленное значение отношения подставляется в виде аргумента в математическую функцию, связывающую отношение измеренных уровней сигналов на «суммарном» и «разностном» выходах АС с углом пеленга цели. Указанная функция определяется теоретически и/или экспериментально в процессе разработки и испытаний образцов АС или экспериментально в процессе изготовления АС. Результат вычисления значения функции при значении аргумента, равном величине отношения измеренных уровней сигналов, является углом пеленга цели и далее используется при работе системы. При этом обязательным условием отсутствия погрешностей вычисленного значения относительно действительного угла пеленга цели является равенство коэффициентов передачи уровней «суммарного» и «разностного» сигналов от соответствующих выходов АС до соответствующих выходов приемного устройства и неизменность этого равенства в течение всего периода эксплуатации системы.
Существенным недостатком данной системы моноимпульсной радиолокации является то, что коэффициенты передачи уровней «суммарного» и «разностного» сигналов от соответствующих выходов АС до соответствующих выходов приемного устройства зависят от многих факторов, которые подвержены изменениям как в процессе производства системы, так и в процессе ее эксплуатации. Так, коэффициенты передачи трактов между АС и приемным устройством зависят от размеров фидеров и эксплуатационных характеристик материалов, из которых они изготовлены, от параметров высокочастотных соединителей, имеющихся на выходах АС и на входах приемного устройства, подвержены влиянию температуры, влажности окружающей среды, естественному старению. Кроме этого, коэффициенты передачи «суммарного» и «разностного» каналов приемного устройства также не являются строго идентичными и неизменными в процессе эксплуатации. Указанные недостатки приводят к отклонению от номинальных значений коэффициентов передачи составных частей трактов прохождения «суммарного» и «разностного» сигналов от выходов «суммарного» и «разностного» сигналов АС до входов измерителей уровней этих сигналов, и соответственно, к снижению точности при определении угла пеленга цели.
Техническая проблема, решаемая созданием изобретения, заключается в повышенных требованиях к точности изготовления составных частей системы и необходимости обеспечения равенства и неизменности во времени в процессе эксплуатации системы коэффициентов передачи уровней «суммарного» и «разностного» сигналов от соответствующих выходов АС до соответствующих выходов приемного устройства, влияющих на точность определения угла пеленга цели.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в уменьшении ошибок при определении угла пеленга цели и снижении требований к точности изготовления и стабильности характеристик каналов прохождения «суммарного» и «разностного» сигналов.
Технический результат достигается тем, что система моноимпульсной радиолокации с повышенной точностью определения угла пеленга цели (система) состоит из антенной системы, приемного устройства, содержащего приемные каналы «суммарного» и «разностного» сигналов, трактов передачи «суммарного» и «разностного» сигналов, соединяющих антенную систему и приемное устройство, выходы которого соединены с входами измерителей уровня «суммарного» и «разностного» сигналов, выходы измерителей уровня соединены с входами вычислительного устройства. Система отличается от прототипа тем, что в состав системы введен генератор тестового сигнала, вход включения/выключения которого соединен с одним из выходов вычислительного устройства, а выход соединен с дополнительным тестовым входом антенной системы. При этом в состав антенной системы введены постоянное запоминающее устройство, выполненное с возможностью хранения значения отношения коэффициентов передачи тестового сигнала от тестового входа антенной системы до ее «суммарного» и «разностного» выходов, определенное на этапе изготовления антенной системы, а также тракты прохождения тестового сигнала от входа тестового сигнала антенной системы к выходам «суммарного» и «разностного» выходных сигналов антенной системы, при этом выход постоянного запоминающего устройства антенной системы соединен с входом вычислительного устройства. Вычислительное устройство выполнено с возможностью включения/выключения генератора тестового сигнала, вычисления отношения уровней тестового сигнала на выходах измерителей уровня «суммарного» и «разностного» сигналов, определения действительного угла пеленга цели с использованием вычисленного отношения уровней тестового сигнала на выходах измерителей уровня и полученного из постоянного запоминающего устройства антенной системы значения отношения коэффициентов передачи тестового сигнала от тестового входа антенной системы до ее «суммарного» и «разностного» выходов.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемой системы моноимпульсной радиолокации с повышенной точностью определения угла пеленга цели, которая включает следующие элементы:
1 - антенная система (АС),
2 - тракты передачи «суммарного» и «разностного» сигналов от антенной системы к приемному устройству,
3 - приемное устройство (ПУ),
4 - измерители уровня «суммарного» и «разностного» сигналов,
5 - вычислительное устройство (ВУ),
6 - генератор тестового сигнала (ГТС),
7 - постоянное запоминающее устройство в составе АС (ПЗУ АС),
8 - тракты тестового сигнала АС.
На фиг. 2 изображена блок-схема алгоритма работы вычислительного устройства 5 системы при осуществлении изобретения, которая включает в себя следующие блоки, исполняемые в порядке, указанном на блок-схеме:
1 - начало алгоритма;
2 - подача тестового сигнала на вход тестового сигнала АС 1 путем включения ГТС 6 по сигналу от ВУ 5, подаваемому на вход включения/выключения ГТС 6;
3 - получение от измерителей уровня 4 «суммарного» и «разностного» сигналов уровня  тестового сигнала на «суммарном» выходе ПУ 3 и уровня  тестового сигнала на «разностном» выходе ПУ 3;
T_REF
4 - получение из ПЗУ АС 7 сохраненного в нем отношения Kизмеренных на этапе изготовления АС 1 коэффициентов передачи тестового сигнала от входа тестового сигнала АС 1 до ее выходов «суммарного» и «разностного» сигналов;
T_REF
5 - сохранение (запись) в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) ВУ 5 значений уровней  и , и значения отношения K для последующего использования;
6 - выключение ГТС 6 по сигналу от ВУ 5, подаваемому на вход включения/выключения ГТС 6;
7 - получение от измерителей уровня 4 «суммарного» и «разностного» сигналов уровня  сигнала от цели на «суммарном» выходе ПУ 3 и уровня   сигнала от цели на «разностном» выходе ПУ 3;
T_REF
8 - считывание из ОЗУ ВУ 5 значений уровней ,  и значения отношения K;
9 - вычисление отношения уровней  сигналов от цели на выходах «суммарного»  и «разностного»  сигналов АС 1 по формуле
10 - вычисление действительного угла пеленга цели по формуле
где: θ - угол пеленга цели;
F() - функция, описывающая зависимость угла пеленга цели от отношения уровней сигналов цели на «суммарном» и «разностном» выходах АС 1;
11 - анализ требования обновления значений уровней  и  (например, по сигналу от таймера системы) и переход в соответствующую точку алгоритма.
Антенная система 1 выполнена в виде двух антенных блоков, сигналы от которых поступают на устройство сложения/вычитания. Устройство сложения/вычитания может быть выполнено, например, на основе суммарно-разностного кольцевого моста. С «суммарного» и «разностного» выходов устройства сложения/вычитания «суммарный» и «разностный» сигналы поступают по соответствующим трактам на «суммарный» и «разностный» выходы АС 1. «Суммарный» и «разностный» сигналы на выходы АС 1 поступают через устройства, осуществляющие передачу тестового сигнала в тракт соответствующего сигнала. В качестве таких устройств могут использоваться, например, направленные ответвители. Антенные блоки выполняют функцию приема приходящих сигналов и их передачи на свои выходы с амплитудой и фазой, определяемой диаграммами направленности блоков и длиной пути распространения радиосигнала от цели до каждого из антенных блоков. Устройство сложения/вычитания выполняет функцию суммарно-разностного преобразователя и формирует на своих «суммарном» и «разностном» выходах сигналы, соответствующие суммарной и разностной диаграммам направленности АС 1.
Тракты передачи сигналов с входящими в их состав устройствами передачи тестового сигнала выполняют функции передачи сигналов от выходов устройства сложения/вычитания к выходам АС 1, и функцию передачи тестового сигнала к выходам АС 1.
Тракты передачи 2 «суммарного» и «разностного» сигналов от АС 1 к ПУ 3 выполнены на основе линий передачи СВЧ-сигналов, например, на основе коаксиальных или волноводных линий передачи, и выполняют функцию передачи «суммарного» и «разностного» сигналов на входы ПУ 3. Электрические (затухание, электрическая длина) и конструктивные (физическая длина и т.д.) свойства трактов определяются особенностями размещения системы моноимпульсной радиолокации на объекте, при этом электрические свойства трактов могут меняться как от объекта к объекту, так и в процессе эксплуатации от воздействия внешних воздействующих факторов.
Приемное устройство 3, содержащее приемные каналы «суммарного» и «разностного» сигналов, выполнено в виде двухканального приемника по супергетеродинной схеме. ПУ 3 предназначено для усиления сигнала до необходимого уровня и его преобразования в вид, требуемый для нормального функционирования измерителя уровня сигнала. Каждый канал ПУ 3 осуществляет усиление и перенос поступающего сигнала на частоту своего тракта промежуточной частоты, усиление и амплитудное детектирование сигнала промежуточной частоты по логарифмическому закону. Сигналы с выходов детекторов каждого канала поступают на соответствующий выход ПУ 3. Преобразование амплитуды сигнала по логарифмическому закону позволяет заменить в вычислительном устройстве операцию деления амплитуд сигналов на операцию вычитания их логарифмов, выполняющуюся быстрее и требующую меньших вычислительных ресурсов.
Измерители уровня 4 «суммарного» и «разностного» сигналов выполнены в виде аналого-цифровых преобразователей. Измерители уровня «суммарного» и «разностного» сигналов выполняют функцию измерения амплитуды входного сигнала, т.е. определения значения отношения амплитуды входного сигнала и уровня опорного напряжения, как правило, одинакового для двух каналов. Относительные значения уровней «суммарного» и «разностного» сигналов с выходов измерителей уровня в цифровом виде подаются на входы вычислительного устройства 5.
Вычислительное устройство 5 выполнено на базе интегральных микросхем в виде взаимосвязанных функциональных модулей процессора, осуществляющего логические, арифметические операции и операции управления выполнением программы, постоянного запоминающего устройства, хранящего коды программы и неизменяющиеся в процессе выполнения программы константы, оперативного запоминающего устройства, хранящего в процессе выполнения программы значения изменяющихся переменных, и устройства ввода/вывода, осуществляющего связь ВУ 5 с внешними устройствами, в том числе с измерителями уровней «суммарного» и «разностного» сигналов на выходах измерителей уровня 4, постоянным запоминающим устройством антенной системы 7 и генератором тестового сигнала 6.
ВУ 5 выполняет алгоритм работы системы моноимпульсной радиолокации, а также выполняет дополнительную последовательность действий по повышению точности определения угла пеленга цели, в том числе:
- управляет подачей тестового сигнала (включением/выключением ГТС 6) на «суммарный» и «разностный» выходы АС 1 в процессе работы системы;
- вычисляет отношение уровней тестового сигнала на выходах измерителей уровня 4 «суммарного» и «разностного» сигналов в процессе работы системы;
- получает из ПЗУ АС 7 сохраненное в нем при изготовлении АС 1 значение отношения коэффициентов передачи тестового сигнала на «суммарный» и «разностный» выходы АС 1;
- использует вычисленное отношение уровней тестового сигнала на выходах измерителей уровня 4 и полученное из ПЗУ АС 7 значение отношения коэффициентов передачи тестового сигнала для определения действительного угла пеленга цели.
Перечисленная дополнительная последовательность действий ВУ 5 по повышению точности определения угла пеленга цели выполняется в соответствии с алгоритмом, представленным в виде блок-схемы на фиг. 2.
Определение уровней тестового сигнала на выходах измерителей уровня и заведомо известное (определенное на этапе изготовления АС 1 и сохраненное в ПЗУ АС 7) значение отношения коэффициентов передачи тестового сигнала от тестового входа АС 1 до выходов АС 1 позволяют с помощью ВУ 5 определить действительное отношение коэффициентов передачи приемных каналов от выходов АС 1 до выходов измерителей уровня 4. Определение действительного значения отношения коэффициентов передачи может быть проведено в любое время, в том числе непосредственно перед определением (или после определения) уровней сигналов от цели при пеленгации цели. Определенное ВУ 5 действительное отношение коэффициентов передачи приемных каналов используется затем для определения угла пеленга цели по известной для АС 1 зависимости угла пеленга цели от отношения уровней «суммарного» и «разностного» сигналов от цели на выходах АС 1.
Генератор тестового сигнала 6 выполнен в виде генератора СВЧ-сигнала, включаемого и выключаемого по команде от ВУ 5. В системе моноимпульсной радиолокации предназначен для формирования тестового сигнала и его подачи на дополнительный вход тестового сигнала АС 1 в определенные моменты времени в процессе работы системы. При этом вход включения/выключения ГТС 6 соединен с одним из выходов ВУ 5, а выход соединен с дополнительным тестовым входом АС 1.
ПЗУ АС 7 выполнено на базе интегральной микросхемы и осуществляет хранение в АС 1 значения отношения коэффициентов передачи тестового сигнала от входа тестового сигнала до «суммарного» и «разностного» выходов АС 1, определенного при ее изготовлении. В процессе работы системы значение отношения коэффициентов передачи передается из ПЗУ АС 7 в ВУ 5.
Тракты тестового сигнала АС 8 выполнены на основе линий передачи СВЧ-сигнала и устройств СВЧ, в совокупности обеспечивающих подачу тестового сигнала в тракты «суммарного» и «разностного» сигналов АС 1, соединенные с ее «суммарным» и «разностным» выходами. Устройства СВЧ выполняют функции подачи тестового сигнала в тракты «суммарного» и «разностного» сигналов АС 1 и взаимной развязки «суммарного» и «разностного» сигналов АС 1 до уровня, необходимого для обеспечения заданного функционирования системы моноимпульсной радиолокации.
Работа системы моноимпульсной радиолокации с повышенной точностью определения угла пеленга цели осуществляется следующим образом.
При эксплуатации системы моноимпульсной радиолокации с повышенной точностью определения угла пеленга цели на выходы антенной системы 1 поступают «суммарный» и «разностный» сигналы от цели при ее пеленгации, проходят от соответствующих выходов АС 1 через тракты передачи 2 на соответствующие входы приемного устройства 3, усиливаются и преобразуются в нем. Затем с выходов приемного устройства 3 сигналы поступают на соответствующие входы измерителей уровня 4, с выходов которых информация об уровне «суммарного» и «разностного» сигналов поступает на входы вычислительного устройства 5.
В отличие от прототипа система имеет дополнительный канал прохождения тестового сигнала, функционирующий следующим образом.
При изготовлении системы известными методами измеряют коэффициенты передачи трактов прохождения тестового сигнала 8 от дополнительного входа тестового сигнала до «суммарного» и «разностного» выходов антенной системы 1. Значение отношения измеренных коэффициентов передачи сохраняют в ПЗУ АС 7, входящем в состав антенной системы 1.
В период эксплуатации системы моноимпульсной радиолокации с повышенной точностью определения угла пеленга цели по командам включения/выключения, поступающим от ВУ 5, генератором тестового сигнала 6 в заданные интервалы времени формируется и подается на дополнительный тестовый вход антенной системы 1 тестовый сигнал, который по трактам тестового сигнала 8 АС поступает на «суммарный» и «разностный» выходы АС 1. С «суммарного» и «разностного» выходов антенной системы 1 тестовые сигналы подаются далее в тракты передачи 2 «суммарного» и «разностного» сигналов от АС 1 на соответствующие входы приемного устройства 3. В приемном устройстве 3, включающем «суммарный» и «разностный» приемные каналы, тестовые сигналы усиливаются и преобразуются. Затем с выходов приемного устройства 3 «суммарный» и «разностный» тестовые сигналы поступают на соответствующие входы измерителей уровня 4 «суммарного» и «разностного» сигналов, с выходов которых информация об уровне тестовых сигналов в «суммарном» и «разностном» каналах поступает на входы вычислительного устройства 5.
Вычислительное устройство 5 получает из ПЗУ АС 7 значение отношения измеренных на этапе изготовления системы коэффициентов передачи тестового сигнала от входа тестового сигнала АС 1 до ее выходов «суммарного» и «разностного» сигналов.
Вычислительное устройство 5 вычисляет значение отношения  сигналов от цели на «суммарном» и «разностном» выходах АС 1 по формуле:
где:  - отношение уровней сигналов от цели на «суммарном» и «разностном» выходах антенной системы;
- отношение уровней сигналов от цели на «суммарном» и «разностном» выходах приемного устройства;
- отношение уровней тестовых сигналов на «суммарном» и «разностном» выходах приемного устройства;
- отношение измеренных на этапе изготовления системы коэффициентов передачи тестового сигнала от входа тестового сигнала АС 1 до ее выходов «суммарного» и «разностного» каналов, сохраненное в ПЗУ АС 7 на этапе изготовления системы.
После чего вычислительное устройство 5 определяет действительный угол пеленга цели, используя значение отношения уровней сигналов от цели на «суммарном» и «разностном» выходах АС  и известную для АС 1 зависимость угла пеленга цели от указанного отношения уровней сигналов по формуле:
где: θ - угол пеленга цели;
F() - функция, описывающая зависимость угла пеленга цели от отношения уровней сигналов цели на «суммарном» и «разностном» выходах АС 1.
При таком построении системы вычисленное отношение уровней сигналов от цели на «суммарном» и «разностном» выходах АС 1 не зависит от значений коэффициентов передачи трактов прохождения «суммарного» и «разностного» сигналов в системе, что подтверждается следующим.
При эксплуатации системы уровни  сигнала от цели на входах измерителей уровня 4 «суммарного» («разностного») сигнала с учетом уровня  сигнала от цели на «суммарном» («разностном») выходах АС 1, коэффициента  передачи тракта сигнала от выхода АС 1 до входа приемного устройства 3 и коэффициента  передачи канала «суммарного» («разностного») сигнала приемного устройства от входа приемного устройства 3 до входа измерителя уровня 4 определяются следующим образом:
Отношение уровней  «суммарного» и «разностного» сигналов на выходах АС 1 определяется на основе предыдущих выражений следующим образом:
Отношение произведений коэффициентов передачи  может быть определено по значениям уровней  тестового сигнала на входах измерителей уровня 4 «суммарного» («разностного») сигнала.
T
Значения уровней  тестового сигнала на входах измерителей уровня 4 «суммарного» («разностного») сигнала определяются уровнем U тестового сигнала на тестовом входе АС 1, коэффициентами  передачи тестового сигнала от тестового входа АС 1 до выхода «суммарного» («разностного») сигнала АС 1, коэффициентами  передачи тракта 2 сигнала от выхода АС 1 до входа приемного устройства 3 и коэффициентами  передачи канала «суммарного» («разностного») сигнала приемного устройства 3 следующим образом:
Произведение коэффициентов передачи  определяется на основании предыдущих выражений следующим образом:
после проведения преобразований:
После подстановки выражения для отношения произведений коэффициентов передачи в выражение для отношения уровней  «суммарного» и «разностного» сигналов на выходах АС 1 получаем следующее выражение:
T_REF
Анализ полученного выражения показывает, что после определения уровней  и  сигнала от цели на выходах «суммарного» и «разностного» каналов приемного устройства 3, определения уровней  и  на выходах «суммарного» и «разностного» каналов приемного устройства 3 системы при подаче на тестовый вход АС 1 тестового сигнала, и извлечения из ПЗУ АС 7 значения K, имеется возможность определения значения отношения  сигналов на выходах АС 1, при этом значение отношения не будет зависеть от изменений коэффициентов передачи трактов передачи сигналов от выходов АС 1 до входов измерителей уровня 4 «суммарного» и «разностного» сигналов.
Дополнительно введенные блоки и тракты в совокупности с результатами определения уровней тестового сигнала на «суммарном» и «разностном» выходах приемного устройства в процессе эксплуатации системы позволяют исключить влияние производственных допусков параметров составных частей системы, влияние изменения коэффициентов затухания трактов передачи «суммарного» и «разностного» сигналов от антенны к приемному устройству и влияние неопределенности или изменения коэффициентов передачи приемных каналов «суммарного» и «разностного» сигналов приемного устройства на значение угла пеленга цели, определяемое по величине отношения уровней сигналов от цели в «суммарном» и «разностном» каналах приемного устройства.