БОРТОВАЯ РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к области радиолокации, в частности, радиолокационным станциям, устанавливаемым на подвижных объектах и может быть использована для повышения разрешения по дальности при формировании радиолокационного изображения земной поверхности.
Известна многофункциональная бортовая радиолокационная станция (БРЛС), описанная в литературе [Радиолокационные системы многофункциональных самолетов. Т. 1. РЛС - информационная основа боевых действий многофункциональных самолетов. Системы и алгоритмы первичной обработки радиолокационных сигналов./ под ред. А.И. Канащенкова и В.И. Меркулова - М.: «Радиотехника», 2006, стр. 126.], имеющая в своем составе антенную систему, приемопередающий тракт, вычислительную систему. Приемопередающий тракт содержит задающий генератор, синхронизатор, усилитель мощности зондирующего сигнала и многоканальный приемник с аналого-цифровыми преобразователями на выходе. Синхронизатор обеспечивает согласованную во времени работу всех блоков и узлов РЛС. Приемопередающий тракт совместно с антенной системой осуществляет излучение мощных зондирующих сигналов в заданном направлении, когерентный прием отраженных сигналов по нескольким пространственным каналам и их преобразование в цифровую форму. В качестве антенной системы обычно используют зеркальную антенну, щелевую антенную решетку или фазированную антенную решетку (ФАР) с электронным управлением. При использовании ФАР система управления включает диаграммообразующую схему или специализированный процессор управления диаграммой направленности антенны, которые используются для формирования диаграммы направленности антенны в различных режимах работы.
Недостатком указанного технического решения является сложность достижения высокой разрешающей способности по дальности. Для того чтобы получить высокое разрешение по дальности БРЛС должна излучать широкополосный сигнал. Например, для достижения разрешающей способности в 1 метр, теоретически необходимо использовать сигнал с шириной спектра 150 МГц. Обычно радиолокаторы оперируют гораздо более узким спектром с шириной в 1-10 МГц. Можно применять специализированные широкополосные приемники, но они сложны в изготовлении и дороги, особенно для многофункциональных РЛС. То есть применение широкополосных сигналов связано с практически полной переделкой всех приемо-передающих блоков и не всегда является целесообразным.
Известна радиолокационная система с высоким разрешением по дальности «High range resolution radar system» [US 7106242 опубликовано 23.03.2006, МПК G01S 13/90], содержащая аппаратуру формирования радиоимпульса, аппаратуру для модуляции радиоимпульса, аппаратуру для излучения радиоимпульса, аппаратуру для приема отраженного радиоимпульса, аппаратуру для модуляции принятых радиоимпульсов, аппаратуру для обработки модулированного принятого радиоимпульса для извлечения информации о дальности. При этом аппаратура для модуляции радиоимпульса включает в себя фазосдвигающее устройство, осуществляющее изменяющийся во времени фазовый сдвиг, который меняется в дискретные интервалы времени, на несущей частоте. И аппаратура для модуляции принятого радиоимпульса включает в себя фазосдвигающее устройство, осуществляющее изменяющийся во времени фазовый сдвиг, который меняется в дискретные интервалы времени, на несущей частоте. Аппаратура для обработки модулированного принятого радиоимпульса включает в себя аппаратуру для дискретизации принятого сигнала на дискретных временных интервалах, которые представляют собой целое количество временных интервалов фазового сдвига.
Описанное устройство осуществляет работу с линейно-частотно модулированными (ЛЧМ) импульсами. К недостаткам этого технического решения можно отнести большую минимальную дальность работы, обусловленную большой длительностью излучаемого импульса. Также к задающему генератору радиолокационной системы, позволяющему формировать длительный линейный зондирующий импульс, предъявляются повышенные требования к стабильности формируемой частоты.
Наиболее близким по технической сущности является радиолокационное устройство со ступенчатым изменением несущей частоты «Stepped frequency radar device» [US 7646335 опубликовано 21.05.2009, МПК G01S 13/00], содержащее приемную и передающую части, и модуль управления, для управления приемной и передающей частями. Передающая часть включает в себя аппаратуру для формирования сигнала с определенной полосой, и приемную часть содержащую фильтр, аналого-цифровой преобразователь и процессор быстрого преобразования Фурье (БПФ). Передающая часть формирует группу сигналов, каждая из которых имеет первую полосу частот между первой и второй частотой (B2-B1), и таким образом вся группа имеет полосу (B4-B1). Приемная часть открыта для полосы (B4-B1) во время приема каждого сигнала в заданной группе, и передает сигнал аппаратуре для создания БПФ копий принятого сигнала и аппаратуру для создания сопряженных копий. Приемная и передающая части содержат аппаратуру для извлечения данных из БПФ первой полосы частот накрывающей принятый сигнал, и радиолокационное устройство содержит аппаратуру для корреляции полученных выше данных из БПФ.
Недостатком этого технического решения является необходимость использования низкочастотного приемника с шириной полосы пропускания соответствующей ширине спектра группы излучаемых сигналов. Для достижения значительного увеличения разрешающей способности по дальности необходимо использовать не менее четырех несущих частот, и таким образом приемник РЛС должен быть широкополосным, что является дополнительным ограничением при проектировании РЛС, поскольку широкополосный приемник с равномерной амплитудно-частотной характеристикой сложен в проектировании и изготовлении.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение разрешающей способности БРЛС по дальности при использовании узкополосных сигналов и приемопередающих трактов. Данное техническое решение можно применять при модернизации существующих БРЛС без замены имеющихся блоков приемопередающего тракта.
Сущность предлагаемой бортовой радиолокационной станции состоит в том, что она содержит антенну, приемник, передатчик, задающий генератор, синхронизатор, управляющий процессор, сигнальный процессор. Выход антенны соединен с первым входом приемника, вход антенны соединен с выходом передатчика. Первый выход задающего генератора соединен с входом передатчика, второй выход задающего генератора соединен со вторым входом приемника. Первый выход управляющего процессора соединен с первым входом сигнального процессора, второй выход управляющего процессора соединен с входом синхронизатора. Выход сигнального процессора является выходом бортовой радиолокационной станции.
Новым в предлагаемом техническом решении является введение блока управления и синхронизации (УС) и блока разделения и обработки (РО). Первый выход блока УС соединен с входом задающего генератора. Второй выход блока УС соединен со вторым входом блока РО, первый вход которого соединен с выходом приемника, а выход блока РО соединен со вторым входом сигнального процессора. Выход синхронизатора соединен с первым входом блока УС, а третий выход управляющего процессора подключен ко второму входу блока УС. Вход управляющего процессора является внешним входом бортовой радиолокационной станции.
Блок УС содержит процессор управления, передатчик шины, приемник шины, коммутатор входной, коммутатор выходной. Первый вход коммутатора входного является первым входом блока управления и синхронизации, первый выход коммутатора входного соединен со входом приемника шины, выход которого соединен со вторым входом процессора управления, первый вход которого является вторым входом блока управления и синхронизации. Первый выход процессора управления является вторым выходом блока управления и синхронизации, второй выход процессора управления подключен к входу передатчика шины, выход которого соединен с третьим входом коммутатора выходного, выход которого является первым выходом блока управления и синхронизации, третий выход процессора управления подключен к первому входу коммутатора выходного и ко второму входу коммутатора входного, второй выход которого подключен ко второму входу коммутатора выходного.
В свою очередь блок РО содержит процессор обработки, приемник шины, передатчик шины, коммутатор входной, коммутатор выходной. Первый вход коммутатора входного является первым входом блока разделения и обработки, первый выход коммутатора входного соединен с входом приемника шины, выход которого соединен со вторым входом процессора обработки, первый вход которого является вторым входом блока разделения и обработки. Первый выход процессора обработки подключен к входу передатчика шины, выход которого соединен с третьим входом коммутатора выходного, выход которого является выходом блока разделения и обработки. Второй выход процессора обработки подключен к первому входу коммутатора выходного и ко второму входу коммутатора входного, второй выход которого подключен ко второму входу коммутатора выходного.
На Фиг. 1 изображена структурная схема бортовой радиолокационной станции.
На Фиг. 2 изображена структурная схема блока управления и синхронизации.
На Фиг. 3 изображена структурная схема блока разделения и обработки.
На Фиг. 4 изображена последовательность излучаемых импульсов.
На Фиг. 5 изображен суммарный спектр многочастотного сигнала.
Бортовая радиолокационная станция содержит антенну 1, приемник 2, передатчик 3, задающий генератор 4, сигнальный процессор 5, синхронизатор 6, управляющий процессор 7, блок управления и синхронизации 8 (УС) и блок разделения и обработки 9 (РО). Выход антенны 1 соединен с первым входом приемника, а вход антенны 1 соединен с выходом передатчика 3. Первый выход задающего генератора 4 соединен с входом передатчика 3, второй выход задающего генератора 4 соединен со вторым входом приемника 2. Первый выход управляющего процессора 7 соединен с первым входом сигнального процессора 5, второй выход управляющего процессора 7 соединен с входом синхронизатора 6. Первый выход блока УС 8 подключен к входу задающего генератора 4, второй выход блока УС 8 подключен ко второму входу блока РО 9, первый вход которого соединен с выходом приемника 2, а выход блока РО 9 соединен со вторым входом сигнального процессора 5, выход которого является выходом бортовой радиолокационной станции. Выход синхронизатора 6 подключен к первому входу блока УС 8, а третий выход управляющего процессора 7 подключен ко второму входу блока УС 8. Вход управляющего процессора 7 является внешним входом бортовой радиолокационной станции.
Блок управления и синхронизации 8 содержит процессор управления 10, передатчик шины 11, приемник шины 12, коммутатор входной 13, коммутатор выходной 14. Первый вход коммутатора входного 13 является первым входом блока УС 8. Первый выход коммутатора входного 13 соединен с входом приемника шины 12, выход которого соединен со вторым входом процессора управления 10, первый вход которого является вторым входом блока УС 8. Первый выход процессора управления 10 является вторым выходом блока УС 8. Второй выход процессора управления 10 подключен к входу передатчика шины 11, выход которого соединен с третьим входом коммутатора выходного 14, выход которого является первым выходом блока УС 8. Третий выход процессора управления 10 подключен к первому входу коммутатора выходного 14 и ко второму входу коммутатора входного 13, второй выход которого подключен ко второму входу коммутатора выходного 14.
Блок разделения и обработки 9 содержит процессор обработки 15, приемник шины 16, передатчик шины 17, коммутатор входной 18, коммутатор выходной 19. Первый вход коммутатора входного 18 является первым входом блока РО 9. Первый выход коммутатора входного 18 соединен со входом приемника шины 16, выход которого соединен со вторым входом процессора обработки 15, первый вход которого является вторым входом блока РО 9. Первый выход процессора обработки 15 подключен к входу передатчика шины данных 17, выход которого соединен с третьим входом коммутатора выходного 19, выход которого является выходом блока РО 9. Второй выход процессора обработки 15 подключен к первому входу коммутатора выходного 19 и ко второму входу коммутатора входного 18, второй выход которого подключен ко второму входу коммутатора выходного 19.
Бортовая радиолокационная станция работает следующим образом.
Техническое решение позволяет работать с узкополосными сигналами, используя межпериодное расширение спектра посредством перебора несущих частот сигнала от импульса к импульсу. При этом работа БРЛС состоит из двух режимов - штатного (транзита) и режима повышенного разрешения (управления).
В штатном режиме БРЛС работает по существующим алгоритмам режимов воздух-воздух и воздух-поверхность позволяющим получить разрешение по дальности определяемое шириной спектра одного импульса. В этом режиме блок УС 8 и блок РО 9 работают в режиме транзита. Коммутатор входной 13 и коммутатор выходной 14 блока УС 8 по командам, поступающим с третьего выхода процессора управления 10, осуществляют прямой транзит управляющих команд, поступающих от синхронизатора 6. Со второго выхода коммутатора входного 13 команды поступают на второй вход коммутатора выходного 14 и с его выхода на вход задающего генератора 4. Коммутатор входной 18 и коммутатор выходной 19 блока РО 9 по командам, поступающим от процессора обработки 15, осуществляют прямой транзит принятого сигнала из приемника 2 в сигнальный процессор 5. Со второго выхода коммутатора входного 18 сигнал поступает на второй вход коммутатора выходного 19 и с его выхода на второй вход сигнального процессор 5, где происходит обработка принятого сигнала.
c
0
1
n-1
Пштатн
По команде от системы управления самолета (оператора) включается режим повышенного разрешения. Управляющий процессор 7 выдает в синхронизатор 6 команду увеличения частоты повторения зондирующих импульсов в количество раз соответствующее количеству используемых несущих частот (литеров), в блок УС 8 команду (код) включения режима управления и в сигнальный процессор 5 команду включения совместной обработки многочастотного сигнала. Блок УС 8 в режиме управления начинает принимать и подменять команды управления задающим генератором 4. На первый вход коммутатора выходного 14 и на второй вход коммутатора входного 13 с третьего выхода процессора управления 10 блока УС 8 поступают команды определяющие режим работы коммутаторов 13 и 14, в данном случае коммутаторы 13 и 14 работают в режиме управления. С первого выхода коммутатора входного 13 команды управления от синхронизатора 6 поступают на вход приемника шины 12. Приемник шины 12 осуществляет буферизацию принятых команд, контроль целостности принятых данных. После приема, команды управления выдаются с выхода приемника шины 12 на второй вход процессора управления 10. Процессор управления 10 осуществляет чтение всех команд управления, сравнивает прочитанные команды с заранее заданными командами управления частотой задающего генератора 4, обнаруживает нужную команду управления частотой задающего генератора 4, подменяет ее на сформированные команды чередования литеров и выдает их в шину со своего второго выхода на вход передатчика шины 11. Передатчик шины 11 осуществляет сопряжение процессора управления 10 с коммутатором выходным 14 и выдает команды на его третий вход. С выхода коммутатора выходного 14 команды чередования литеров поступают в задающий генератор 4, который осуществляет формирование серии из η узкополосных импульсов с шириной спектра Δf на разных несущих частотах f, f…f с частотой повторения  (T - период повторения сигнала в штатном режиме работы) каждого импульса равной штатной увеличенной в n раз, где n (целое число большее единицы) - число используемых несущих литеров и частотой повторения одинаковых литеров равной штатной  (Фиг. 4). Несущая частота меняется на величину кратную шагу Δf между литерами, при этом порядок следования импульсов может быть произвольным. Для примера на Фиг. 4 приведена последовательность импульсов с увеличивающейся несущей частотой от импульса к импульсу. С первого выхода задающего генератора 4 генерируемая последовательность импульсов поступает в передатчик 3, где происходит ее усиление до необходимого уровня, а с выхода передатчика 3 сигнал поступает на вход антенны 1 и излучается антенной 1.
Отраженный от цели сигнал, например от земной поверхности, принимается антенной 1, и с выхода антенны 1 поступает на первый вход приемника 2. В приемнике 2 осуществляются усиление сигнала, его перенос на промежуточную частоту, а затем на видеочастоту, при этом сигнал с частотой гетеродина подается со второго выхода задающего генератора 4 на второй вход приемника 2, оцифровка сигнала. С выхода приемника 2 сигнал в цифровом виде поступает на первый вход блока РО 9.
Блок УС 8 со своего второго выхода (первый выход процессора управления 10) выдает команды управления и синхронизации на второй вход блока РО 9. Блок РО 9 переключается в режим разделения и начинает прием сигнала поступающего в цифровом виде по шине данных с выхода приемника 2. В режиме разделения коммутаторы 18 и 19 по командам, поступающим со второго выхода процессора обработки 15 переключаются для приема информации процессором обработки 15 через приемник шины 16 и выдачи информации процессором обработки 15 через передатчик шины 17.
cΣ
cΣ
c
c
с
cΣ
c
Процессор обработки 15 осуществляет чтение всех данных, и в соответствии с командами, поступающими от блока УС 8, проводит разделение, маркировку данных в зависимости от несущей частоты и выдачу обработанных данных в шину данных для последующей обработки в сигнальном процессоре 5 и получения радиолокационного изображения земной поверхности высокого разрешения. Сигнальный процессор 5 по команде от управляющего процессора 7 начинает получать данные принятые на разных литерах. В сигнальном процессоре 5 происходит когерентное накопление принятых n импульсов и синтезирование суммарного широкополосного спектра сигнала. На Фиг.5. представлен суммарный нормированный спектр n импульсов Δf равный Δf=(n-1)Δf+Δf, и позволяющий получить повышенное разрешение по дальности земной поверхности. При использовании шага частоты между литерами Δf соразмерного с шириной спектра Δf (Δf≈Δf) ширина суммарного спектра составит Δf=nΔf. Таким образом, кратность повышения разрешения равна количеству используемых литеров. На практике используется от 4 до 8 литеров. Из сигнального процессора 5 радиолокационное изображение выдается потребителю для дальнейшей визуализации (дисплеи, системы индикации, системы машинного зрения и т.д.).
Таким образом, за счет введения блока управления и синхронизации и блока разделения и обработки достигается технический результат полезной модели в виде повышения разрешения по дальности при сохранении узкополосности приемопередающего тракта БРЛС и получении широкого спектра сигнала в сигнальном процессоре, то есть без замены существующих блоков БРЛС. Работа предлагаемой бортовой радиолокационной станции демонстрирует наибольшую эффективность в режиме воздух-поверхность для получения радиолокационных изображений поверхности земли с высоким разрешением по дальности.