Способ радиолокации с изменением несущей частоты от импульса к импульсу
RADAR RANGING METHOD WITH CARRIER FREQUENCY VARIATION FROM PULSE TO PULSE

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано при построении бортовых импульсных некогерентных радиовысотомеров с изменением несущей частоты от импульса к импульсу.
Известен способ радиолокации с изменением несущей частоты от импульса к импульсу [Справочник по радиолокации Том 1 / под ред. М. Сколника. - М.: «Сов., радио», 1976. - С. 8], заключающийся в использовании одновременно перестраиваемых по частоте передатчика и приемника, выбранный за аналог.
Реализация способа-аналога заключается в следующем.
В передатчике с перестройкой частоты формируются излучаемые радиоимпульсы несущей частоты, которые излучаются в направлении цели. Отраженные сигналы принимаются приемником, в котором частота настройки изменяется с помощью перестраиваемого по частоте гетеродина. Частоты передатчика и гетеродина приемника перестраиваются таким образом, чтобы разностная частота всегда имела постоянное значение, равное промежуточной частоте приемника, при этом фильтрация отраженных сигналов обеспечивается на промежуточной частоте частотно-избирательным устройством (ЧИУ).
Недостатками способа-аналога являются:
- сложность сопряжения частот передатчика и гетеродина приемника при их перестройке в рабочем диапазоне частот;
- необходимость обеспечения долговременной стабильности частотных параметров задающего генератора передатчика, гетеродина и ЧИУ при эксплуатации прибора.
Известен способ радиолокации с изменением несущей частоты от импульса к импульсу [Радиоприемные устройства / под ред. В.И. Сифорова. - М.: «Сов. радио», 1974. - С. 504], заключающийся в использовании системы автоматической подстройки частоты (АПЧ) гетеродина приемника, обеспечивающей сопряжение несущей частоты передатчика с частотой настройки приемника, выбранный за аналог.
Реализация данного способа - аналога заключается в следующем.
В передатчике формируются радиоимпульсы несущей частоты, которые излучаются в направлении цели. Часть мощности сигнала передатчика поступает в систему АПЧ гетеродина приемника и за время, равное длительности излучаемого радиоимпульса, система АПЧ подстраивает частоту гетеродина приемника, при этом частота дискриминатора системы АПЧ равна центральной частоте ЧИУ, совпадающей с промежуточной частотой приемника.
Отраженный от цели сигнал поступает в приемник, частота настройки которого с помощью системы АПЧ гетеродина во время излучения радиоимпульса подстроена под несущую частоту передатчика.
Недостатками способа-аналога являются:
- необходимость обеспечения стабильности частотных характеристик дискриминатора системы АПЧ гетеродина и амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилителя промежуточной частоты приемника;
- наличие остаточной расстройки в системе АПЧ гетеродина;
- наличие ограничений на длительность излучаемых радиоимпульсов при перестройке их несущей частоты ввиду инерционности системы АПЧ гетеродина.
Известен способ радиолокации с изменением несущей частоты от импульса к импульсу [Патент №2628526 РФ, МПК G01S 13/24 (2006/01). Способ радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу / Катин С.В., Кашин А.В., Козлов В.А., Кунилов А.Л.; заявители и патентообладатели Госкорпорация «Росатом», ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова». - №2016149715; заявлено 16.12.2016; опубликовано 18.08.2017, Бюл. №23], заключающийся в получении сигнала несущей частоты методом прямого гетеродинирования радиоимпульсов фиксированной частоты вверх по частоте на величину частоты гетеродинного сигнала и приеме отраженного сигнала методом возвратного гетеродинирования сдвигом его вниз по частоте с последующей фильтрацией отраженного сигнала на частоте радиоимпульсов фиксированной частоты частотно-избирательным устройством (ЧИУ), при этом перестройку несущей частоты осуществляют изменением частоты гетеродинного сигнала. При прямом гетеродинировании в качестве радиоимпульсов фиксированной частоты используют отклик ЧИУ на сверхкороткое импульсное воздействие, а после возвратного гетеродинирования фильтрацию отраженного сигнала производят этим же ЧИУ, причем прямое и возвратное гетеродинирование осуществляют одним и тем же устройством. Данный способ выбран за прототип.
Реализация способа - прототипа заключается в следующем.
0
ЧИУ
ИПЧ
0
Радиоимпульсный сигнал несущей частоты ƒ формируется смесителем 3 (фиг. 1) методом прямого гетеродинирования вверх по частоте из отклика узкополосного ЧИУ 2 (фиг. 1) на сверхкороткий импульс δ(t) (фиг. 2а) источника сверхкоротких импульсов 1 (фиг. 1), имеющий вид радиоимпульса g(t) (фиг. 2б), длительность которого определяется полосой пропускания Δƒ АЧХ этого ЧИУ, и гетеродинного сигнала U(t) (фиг. 2в) источника непрерывного сигнала с перестройкой частоты 7 (фиг. 1). Полученный радиоимпульсный сигнал несущей частоты U(t) (фиг. 2г) с помощью переключателя «Передача-Прием» 4 (фиг. 1), находящегося в положении «Передача», направляется в усилитель мощности 5 (фиг. 1) и далее через антенну излучается в направлении цели.
ОТР
ИПЧ
ПЧ
0
Отраженный от цели сигнал в виде радиоимпульса U(t) (фиг. 2д) через малошумящий усилитель 6 (фиг. 1) и переключатель 4 (фиг. 1), находящийся в положении «Прием», направляется в смеситель 3 (фиг. 1), на который поступает гетеродинный сигнал U(t) (фиг. 2в) с источника непрерывного сигнала с перестройкой частоты 7 (фиг. 1), частота которого после формирования радиоимпульса несущей частоты не изменяется до начала следующего такта. Далее радиоимпульс промежуточной частоты U(t) (фиг. 2е) проходит через ЧИУ 2 (фиг. 1), АЧХ которого по полосе пропускания K(ƒ) согласована со спектром S(ƒ) излучаемого радиоимпульса. В следующем такте частота источника непрерывного сигнала с перестройкой частоты 7 (фиг. 1) изменяется и передатчик излучает, а приемник принимает радиоимпульс с другой несущей частотой.
Недостатками способа-прототипа являются:
- необходимость применения источника сверхкоротких видеоимпульсов;
- отсутствие возможности управления длительностью радиоимпульса, формируемого в ЧИУ;
- жесткие требования к форме АЧХ ЧИУ;
- отсутствие возможности оптимизации режима преобразования радиоимпульсного сигнала с промежуточной частоты на несущую (излучаемую) частоту и с несущей (принимаемой) частоты на промежуточную частоту методом прямого и возвратного гетеродинирования при использовании одного и того же устройства.
Ф
Первый недостаток обусловлен технической сложностью создания источника видеоимпульсного сигнала со сверхкоротким фронтом (τ ~ 10…100 пс).
РИ
РИ
Второй недостаток связан с зависимостью длительности радиоимпульсного отклика ЧИУ на импульсное воздействие τ от полосы пропускания ЧИУ Δƒ как τ ≈ 1/Δƒ, где Δƒ - полоса пропускания ЧИУ, т.е. увеличение длительности радиоимпульса возможно только при уменьшении полосы пропускания ЧИУ, что технически не всегда реализуемо [Астайкин А.И. Излучение и прием сверхкоротких импульсов: Монография. - Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2008. С. 305-309.]. Это приводит к ограничению диапазона измеряемых дальностей.
Третий недостаток обусловлен зависимостью огибающей радиоимпульса от формы АЧХ ЧИУ, при которой возможно появление в осциллограмме формируемого радиоимпульса «хвостов» и «предвестников» [Там же].
Четвертый недостаток связан с необходимостью использования для прямого и возвратного гетеродинирования преобразующего устройства взаимного типа на основе диодного смесителя, режим работы которого при приеме отраженных радиоимпульсов (режим работы приемного смесителя) должен обеспечивать минимальный уровень вносимого шума, а при формировании излучаемых сигналов (режим работы смесителя сдвига) - максимальный коэффициент преобразования, что технически реализовать на одном устройстве достаточно сложно. Таким образом, неоптимальность прямого и возвратного гетеродинирования с помощью одного и того же устройства приводит к необходимости введения дополнительных каскадов в усилителе мощности, что ухудшает массогабаритные характеристики и снижает общий КПД приемопередающего устройства.
Техническим результатом предлагаемого изобретения являются расширение диапазона измеряемых дальностей (за счет расширения диапазона длительностей излучаемых радиоимпульсов), снижение энергопотребления, снижение уровня паразитных сигналов и наводок по цепям питания и управления.
Технический результат достигается тем, что в способе радиолокации с изменением несущей частоты от импульса к импульсу, заключающемся в формировании излучаемого сигнала и фильтрации отраженного сигнала одним частотно-избирательным устройством с применением метода прямого и возвратного гетеродинирования с изменением несущей частоты перестройкой частоты гетеродинного сигнала и детектировании отраженного сигнала на промежуточной частоте, излучаемый сигнал получают прямым гетеродинированием вниз на промежуточную частоту входного собственного шума приемного устройства, усилением, его последующей узкополосной фильтрацией на промежуточной частоте частотно-избирательным устройством с получением квазигармонического шума промежуточной частоты, возвратным гетеродинированием вверх квазигармонического шума с промежуточной частоты на несущую частоту, усилением, ограничением амплитуды сверху этого шума, его амплитудно-импульсной манипуляцией, усилением до требуемого уровня излучаемой импульсной мощности с последующим излучением передающей антенной.
Кроме того, на время формирования излучаемого сигнала приемное устройство вводят в режим повышенного значения коэффициента шума.
Кроме того, прямым гетеродинированием входного собственного шума приемного устройства вниз на промежуточную частоту обеспечивают минимальный коэффициент шума, а возвратным гетеродинированием квазигармонического шума с промежуточной частоты вверх на несущую частоту обеспечивают максимальный коэффициент преобразования.
Кроме того, порог ограничения амплитуды сверху квазигармонического шума несущей частоты выбирают по заданному отношению среднего количества радиоимпульсов с полным энергетическим наполнением к общему количеству радиоимпульсов в излучаемой последовательности из соотношения
где
0
U - порог ограничения амплитуды квазигармонического шума,
σ - эффективное значение квазигармонического шума,
N - отношение среднего количества радиоимпульсов с полным энергетическим наполнением к общему количеству радиоимпульсов в излучаемой последовательности.
Кроме того, длительность излучаемого радиоимпульса устанавливают независимо от величины полосы пропускания частотно-избирательного устройства.
Способ-прототип радиолокации с изменением несущей частоты от импульса к импульсу поясняют фигура 1 и фигура 2.
На фигуре 1 приведена функциональная схема, поясняющая способ-прототип радиолокации с изменением несущей частоты от импульса к импульсу. На ней показаны: 1 - источник сверхкоротких импульсов (ИСКИ); 2 - частотно-избирательное устройство промежуточной частоты (ЧИУ); 3 - смеситель (СМ), осуществляющий прямое и возвратное гетеродинирование; 4 - переключатель «Передача-Прием» (Перекл); 5 - усилитель мощности (УМ); 6 - малошумящий усилитель (МШУ); 7 - источник непрерывного сигнала с перестройкой частоты (ИНС).
На фигуре 2 приведены эпюры напряжения сигналов, поясняющие способ-прототип радиолокации с изменением несущей частоты от импульса к импульсу, где:
а - сверхкороткие импульсы δ(t);
б - радиоимпульсы - отклики ЧИУ на воздействие сверхкоротких импульсов g(t);
ИПЧ
в - перестраиваемый по частоте гетеродинный сигнал U(t);
0
ИПЧ
г - радиоимпульсные сигналы несущей частоты U(t), полученные методом прямого гетеродинирования из откликов δ(t) и сигнала U(t);
ОТР
д - отраженные сигналы несущей частоты U(t);
ПЧ
ОТР
ИПЧ
е - сигналы промежуточной частоты U(t), полученные методом возвратного гетеродинирования из отраженных сигналов U(t) и сигнала U(t).
Предлагаемый способ радиолокации с изменением несущей частоты от импульса к импульсу поясняют фигура 3 и фигура 4.
На фигуре 3 приведена функциональная схема, поясняющая предлагаемый способ радиолокации с изменением несущей частоты от импульса к импульсу. На ней показаны: 8 - отключатель приемника (ОП); 9 - входной усилитель приемника (ВУП) с управляемым коэффициентом шума; 10 - смеситель (СМ); 11 - перестраиваемый по частоте гетеродин (Гет); 12 - предварительный усилитель промежуточной частоты (ПУПЧ); 13 - ЧИУ в виде полосно-пропускающего фильтра промежуточной частоты (ППФ); 14 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ); 15 - первый направленный ответвитель (HO1); 16 - первый амплитудный детектор (АД1); 17 - смеситель сдвига (CMC); 18 - усилитель-ограничитель (УО); 19 - амплитудно-импульсный манипулятор (АИМ); 20 - второй направленный ответвитель (НО2); 21 - выходной усилитель мощности (ВУМ); 22 - второй амплитудный детектор (АД2), 23 - квантователь (КB).
На фигуре 4 приведены эпюры напряжения сигналов, поясняющие предлагаемый способ радиолокации с изменение несущей частоты от импульса к импульсу, где:
а - широкополосный шум входных каскадов приемного устройства u(t) при излучении (1) и приеме (2);
б - квазигармонический шум промежуточной частоты на выходе ЧИУ s(t), полученный прямым гетеродинированием широкополосного шума входных каскадов приемного устройства;
ГЕТ
в - перестраиваемый по частоте непрерывный гетеродинный сигнал U(t);
0
ГЕТ
г - квазигармонический шум несущей частоты U(t), полученный методом возвратного гетеродинирования из сигнала s(t) и сигнала U(t);
ОГР
д - ограниченный квазигармонический шум несущей частоты U(t);
РИ
е - излучаемый радиоимпульсный квазигармонический сигнал U(t);
ОТР
ж - отраженный радиоимпульсный сигнал U(t);
ПЧ
з - отраженный сигнал промежуточной частоты U(t);
ОГ
и - огибающая отраженного сигнала U(t).
Способ получения излучаемого сигнала состоит в следующем.
ГЕТ
ГЕТ
ОГР
РИ
При отключенном с помощью отключателя приемника 8 (фиг. 3) входе приемного устройства собственные шумы входного усилителя приемника 9 (фиг. 3) u(t) (фиг. 4а) максимального уровня путем прямого гетеродинирования с помощью смесителя 10 (фиг. 3) и непрерывного гетеродинного сигнала U(t) (фиг. 4в) с выхода гетеродина 11 (фиг. 3) опускают на промежуточную частоту и после усиления в предварительном усилителе промежуточной частоты 12 (фиг. 3), узкополосной фильтрации в ППФ 13 (фиг. 3) и усиления в усилителе промежуточной частоты 14 (фиг. 3) преобразуют в квазигармонический шум промежуточной частоты s(t) (фиг. 4б). Далее возвратным гетеродинированием вверх квазигармонического шума с промежуточной частоты на несущую частоту с помощью смесителя сдвига 17 (фиг. 3) и непрерывного сигнала U(t) (фиг. 4в) с выхода гетеродина 11 (фиг. 3) квазигармонический шум несущей частоты усиливают и ограничивают по амплитуде сверху в усилителе - ограничителе 18 (фиг. 3) и из полученного сигнала в виде ограниченного по амплитуде сверху квазигармонического шума несущей частоты U(t) (фиг. 4д) амплитудно-импульсной манипуляцией с помощью амплитудно-импульсного манипулятора 19 (фиг. 3) формируют радиоимпульсный квазигармонический сигнал U(t) (фиг. 4е) и после усиления в выходном усилителе мощности 21 (фиг. 3) излучают передающей антенной.
Для формирования стартового импульса для измерения задержки отраженного радиоимпульса относительно излучаемого небольшую часть последнего с помощью второго направленного ответвителя 20 (фиг. 3) передают на второй амплитудный детектор 22 (фиг. 3), выделенную огибающую радиоимпульса квантуют квантователем 23 (фиг. 3) и полученный видеоимпульс в качестве стартового импульса подают в блок обработки (на фиг. 3 не показан).
Способ приема отраженного сигнала состоит в следующем.
ОТР
ПЧ
ОГ
Отраженный радиоимпульсный сигнал U(t) (фиг. 4ж) усиливают входным усилителем приемника 9 (фиг. 3), находящимся в режиме минимального коэффициента шума, прямым гетеродинированием преобразуют в сигнал промежуточной частоты U(t) (фиг. 4з) с помощью смесителя 10 (фиг. 3) и гетеродина 11 (фиг. 3). После усиления в предварительном усилителе промежуточной частоты 12 (фиг. 3), фильтрации в ППФ 13 (фиг. 3) отраженный сигнал промежуточной частоты усиливают усилителем промежуточной частоты 14 (фиг. 3) и через первый направленный ответвитель 15 (фиг. 3) детектируют на первом амплитудном детекторе 16, (фиг. 3), на выходе которого выделяют огибающую отраженного сигнала U(t) (фиг. 4и), при этом амплитудно-импульсный манипулятор 19 (фиг. 3) содержат в запертом состоянии.
Таким образом, при сохранении в течение одного такта работы приемопередающего устройства постоянства частоты гетеродинного сигнала несущая частота излучаемого сигнала полностью совпадает с частотой настройки приемника.
На время формирования излучаемого сигнала приемное устройство вводят в режим повышенного значения коэффициента шума.
При реализации входного усилителя приемника на СВЧ-транзисторах его максимальный коэффициент шума достигается при максимальном коэффициенте усиления по мощности, что оптимально для режима «Передача». Переход входного усилителя приемника в состояние минимального коэффициента шума (для режима «Прием») может обеспечиваться рассогласованием входного импеданса СВЧ-транзистора с выходным импедансом источника сигнала при одновременном изменении режима СВЧ-транзистора по постоянному току [Радиоприемные устройства / под ред. А.П. Жуковского. - М.: «Высш. шк.», 1989. С. 41].
Прямое гетеродинирование входного собственного шума приемного устройства вниз на промежуточную частоту осуществляется смесителем 10 (фиг. 3), обеспечивающим минимальный коэффициент шума, а возвратное гетеродинирование квазигармонического шума с промежуточной частоты вверх на несущую частоту осуществляется смесителем сдвига 17 (фиг. 3), обеспечивающим максимальный коэффициент преобразования.
Длительность излучаемого радиоимпульса устанавливается амплитудно-импульсным манипулятором независимо от величины полосы пропускания частотно-избирательного устройства.
При практической реализации частотно-избирательное устройство выполняется в виде ППФ с максимально крутыми скатами АЧХ при максимальном внеполосном ослаблении.
Уровень ограничения в усилителе - ограничителе определяется по заданной вероятности превышения огибающей квазигармонического шума фиксированного порога (по аналогии с определением порога обнаружения по заданной вероятности ложной тревоги для нормального шума в отсутствие сигнала) в соответствии с соотношением [Оптимальные фильтры и накопители импульсных сигналов / Ю.С. Лезин. - М.: «Сов. радио», 1963. - С. 192]
где
F - вероятность превышения огибающей порога (вероятность ложной тревоги в отсутствие сигнала),
0
U - порог ограничения,
u - напряжение шума,
σ - эффективное значение шума,
- значение порога ограничения, нормированное на эффективное значение шума.
1
0
1
0
Вероятность ложной тревоги F может рассматриваться как среднее количество радиоимпульсов с полным энергетическим наполнением n, отнесенное к общему количеству радиоимпульсов в последовательности n, т.е. при n/n=N
F=N [Характеристики обнаружения / М.С. Каценбоген. - М.: «Сов. радио», 1965. - С. 25].
0
Отсюда порог ограничения U может быть определен с использованием соотношения (1) как
Таким образом, предлагаемый способ радиолокации с изменением несущей частоты от импульса к импульсу позволяет обеспечить согласование несущей частоты излучаемых радиоимпульсных сигналов с частотой настройки приемного устройства за счет использования единого ЧИУ, обеспечивающего как формирование излучаемого сигнала, так и фильтрацию отраженного сигнала, при этом жесткие требования к частотной стабильности реализующих его устройств в условиях действия дестабилизирующих факторов и старении не предъявляются.
Следует отметить, что формирование стартового импульса возможно также для радиоимпульсов с неполным энергетическим наполнением при понижении порога квантования, что в условиях отражения этих радиоимпульсов от отражающей поверхности с малыми потерями или наличия достаточного запаса энергетического потенциала может обеспечить их полноценный прием.
Предлагаемый способ радиолокации с изменением несущей частоты от импульса к импульсу позволяет, по сравнению с прототипом:
- расширить диапазон измеряемых дальностей (за счет расширения диапазона длительностей излучаемых радиоимпульсов);
- снизить требования к ЧИУ по форме АЧХ и полосе пропускания;
- оптимизировать режимы работы устройств, осуществляющих прямое и возвратное гетеродинирование сигналов;
- повысить общий КПД за счет исключения из схемы второго (видеоимпульсного) генератора;
- снизить уровень паразитных сигналов и наводок по цепям питания и управления ввиду наличия в схеме прибора только одного генерирующего устройства с узкополосным спектром - перестраиваемого по частоте гетеродина.
Таким образом, предлагаемый способ радиолокации обладает существенными преимуществами перед прототипом и аналогами.