ПАССИВНОЕ РАДИОЛОКАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ПЕЛЕНГАЦИИ ВОЗДУШНЫХ ОБЪЕКТОВ

Полезная модель относится к радиолокационным устройствам и может использоваться в обзорных радиолокационных станциях (РЛС), производящих измерение угловой координаты излучающего (переизлучающего) воздушного объекта (ВО).
Известно пассивное радиолокационное устройство пеленгации воздушных объектов [1], включающее в себя гетеродин, антенну, кольцевой волноводный мост (КВМ), два смесителя, два оптимальных фильтра (ОФ), два усилителя промежуточной частоты (УПЧ), амплитудный детектор (АД), фазовый детектор (ФД) и делитель. При этом первый и второй выходы антенны соединены соответственно с первым и вторым входами КВМ, последовательно между собой соединены первый смеситель, первый ОФ, первый УПЧ, АД и делитель, последовательно между собой соединены второй смеситель, второй ОФ, второй УПЧ и ФД. Первый и второй выходы КВМ подключены соответственно к входам 1-го и 2-го смесителей, вторые входы которых связаны с выходом гетеродина. Выход первого УПЧ подключен ко второму входу ФД, выход которого подключен ко второму входу делителя.
Данное устройство способно определять в одной из плоскостей (азимутальной или угломестной) направление на источник излучения в пределах рабочей зоны, образуемой двумя смещенными относительно равносигнального направления (на одинаковый угол отворота, но в противоположные стороны) приемными характеристиками направленности (ХН) антенны. Однако в случае нахождения в пределах указанной рабочей зоны нескольких источников излучений с разными частотами устройство [1] не способно качественно отображать радиолокационную обстановку, т.е. показывать угловое положение и соответствующую частоту каждого источника излучений (под источником излучений следует понимать радиолокационный ВО, находящийся в свободном пространстве, отражающий или самостоятельно излучающий радиолокационные сигналы).
Задачей полезной модели является обеспечение возможности правильного отображения результатов пеленгации источников излучений (воздушных объектов) с разными частотами и разными угловыми координатами в измеряемой плоскости пеленга.
Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в известное пассивное радиолокационное устройство пеленгации воздушных объектов [1] предлагается дополнительно ввести блок фильтров (БФ) и индикатор (дисплей), причем вход блока фильтров предлагается подключить к выходу первого УПЧ, a S выходов - к соответствующим S вторым входам индикатора, первый вход которого предлагается соединить с выходом делителя.
На чертеже представлена структурная схема пассивного радиолокационного устройства пеленгации воздушных объектов.
Пассивное радиолокационное устройство пеленгации воздушных объектов содержит гетеродин 1, 1-й смеситель 2, 1-й ОФ 3, 1-й УПЧ 4, АД 5, антенну 6, КВМ 7, индикатор 8, блок фильтров 9, делитель 10, 2-й смеситель 11, 2-й ОФ 12, 2-й УПЧ 13 и ФД 14. Блоки 2, 3, 4, 5 и 10 соединены последовательно. Аналогично последовательно связаны блоки 11, 12, 13 и 14. Выход гетеродина 1 соединен со вторым входом 1-го смесителя 2 и вторым входом 2-го смесителя 11. Первый и второй выходы антенны 6 подключены к соответствующим 1-му и 2-му входам КВМ 7, первый выход которого соединен с первым входом 1-го смесителя 2, а второй выход - с первым входом 2-го смесителя 11. Выход 1-го УПЧ 4 подключен также к второму входу ФД 14 и входу блока фильтров 9, каждый s-й выход из S (где S - число фиксируемых частотных непересекающихся каналов, которое определяется как частное от деления полосы анализируемых частот на ширину полосы отдельного фильтра) выходов которого соединен с соответствующим s-м вторым входом индикатора 8, первый вход которого соединен с выходом делителя 10. Число каналов S с другой стороны есть число используемых смежных по полосе пропускания узкополосных фильтров.
В соответствии с замыслом своего построения пассивное радиолокационное устройство пеленгации воздушных объектов работает следующим образом.
Антенна 6 принимает по двум смещенным в разные стороны от равно-сигнального направления (РСН) характеристикам направленности антенны радиолокационные сигналы от ВО. Эти сигналы могут быть сигналами собственных излучений (сигналами бортовых РЛС) ВО или переотраженными сигналами, которые были излучены другими активными РЛС в направлении ВО. Две пересекающиеся (например, на уровне 3 дБ) приемные ХН антенны имеют общий фазовый центр. С помощью сравнения сигналов, принятых по этим двум ХН антенны, реализуется амплитудный метод пеленгации ВО [2-6].
Основная структура предлагаемого устройства соответствует структуре амплитудной суммарно-разностной моноимпульсной системы измерения угловых координат [2-6]. Переизлученные или автономно излучаемые объектами сигналы с первого и второго выходов антенны 6 поступают на входы суммарно-разностного преобразователя, роль которого выполняет КВМ 7. Вместо КВМ в схеме допустимо использование двойного волноводного тройника и ему подобных устройств. Кольцевой волноводный мост 7 имеет 4 плеча на одной волноводной полуокружности, которые расположены одно относительно другого под углом 60°, если измерять углы из центра КВМ. Расстояния меду плечами равны λ/4, где λ - средняя длина волны принимаемых сигналов. На одном из выходных плеч КВМ входные сигналы двух разнесенных на некоторый угол (относительно РСН) приемных антенных каналов складываются в фазе, образуя суммарный канал. На другом плече сигналы складываются в противофазе, образуя разностный канал. Сигнал в разностном канале (разностном плече КВМ) будет иметь фазу сигнала того антенного канала, в котором он больше по амплитуде, т.е. фазу сигнала, принятого той парциальной ХН, в сторону смещения которой отклонен ВО.
В зависимости от того, сигнал какого антенного канала (из двух каналов) имеет большую амплитуду, сигналы разностного и суммарного плеч КВМ могут находиться в фазе или в противофазе. А в случае равенства сигналов в обоих антенных каналах на разностном плече КВМ выходной сигнал отсутствует (равен нулю). Это значит, что ВО находится строго на РСН.
В соответствии с принципом пеленгации объектов амплитуда разностного канала (соответствует второму выходу КВМ 7) всегда пропорциональна величине углового отклонения ВО от РСН. Разность же фаз между суммарным и разностным каналами показывает направление отклонения ВО от РСН по измеряемой угловой координате (азимут β или угол места ε). Иначе говоря, разность фаз показывает знак углового отклонения ВО от РСН.
С первого выхода КВМ 7 сигнал суммарного канал поступает на 1-й вход 1-го смесителя 2, а со второго выхода КВМ сигнал разностного канала поступает на 1-й вход 2-го смесителя 11.
Сигналы суммарного канала в предлагаемом устройстве выполняют роль нормирующих. В отличие от систем сопровождения по угловой координате в обзорных РЛС, к которым и относится предлагаемое устройство, применение схемы автоматической регулировки усиления нецелесообразно, поскольку в рабочей зоне РЛС могут находиться несколько ВО, амплитуды сигналов от которых могут отличаться существенно (например, на порядок). Основная полезная информация об угловом положении ВО заключена в параметрах сигнала разностного канала.
На вторые входы 1-го смесителя 2 и 2-г смесителя 11 поступает напряжение когерентного гетеродина 1, что позволяет понизить основную частоту обрабатываемых сигналов ВО до промежуточной. Выходной фильтр блоков 2 и 11 должен быть широкополосным, то есть иметь полосу пропускания порядка десятков МГц, чтобы предлагаемая РЛС имела возможность пеленговать объекты с различными по частоте сигналами. Пеленгация ВО с существенно отличающимися по частоте сигналами (более сотен МГц) невозможна вследствие того, что в волноводных системах, в том числе в КВМ 7, будут возникать высшие типы волн, и потери энергии при приеме будут столь значительными, что дальность пеленгации не сможет удовлетворить потребителей информации.
С выходов смесителей 2 и 11 сигналы поступают на входы соответствующих ОФ 3 и 12. Оптимальные фильтры должны иметь импульсные характеристики, согласованные по форме с принимаемыми сигналами. Если параметры принимаемых сигналов априори неизвестны, то в качестве ОФ следует применять фильтры с широкой прямоугольной полосой пропускания. Если форма принимаемых сигналов известна, то наличие ОФ обеспечит рост амплитуды полезного сигнала по отношению к уровню внешних и внутренних шумов [2-6], что позитивно сказывается на рабочем отношении сигнал-шум.
Основное усиление принятых сигналов происходит в УПЧ. Сигналы суммарного канала с выхода ОФ 3 проходят на вход 1-го УПЧ 4, а сигналы разностного канала с выхода ОФ 12 - на вход 2-го УПЧ 13.
Математически (аналитически) выделение устройством пеленгационной информации выражается следующим образом. Сигналы на выходах первого  и второго  антенного каналов в момент времени t при небольших угловых отклонениях Θ ВО от РСН могут быть представлены в виде
m
0
1
2
0
0
где E - амплитуда принимаемого сигнала; ω - сверхвысокая круговая частота принимаемого сигнала; Θ - угловое положение РСН; Θ - угловое смещение (отклонение) ВО от РСН; F(Θ) - величина коэффициента направленного действия ХН антенны 1-го парциального антенного канала в направлении на излучающий ВО; F(Θ) - величина коэффициента направленного действия ХН антенны 2-го парциального антенного канала в направлении на излучающий ВО; F(Θ) - коэффициент направленного действия антенны в РСН (Θ - угловое положение РСН); µ - крутизна рабочего участка ХН антенны [6].
Сигналы на суммарном  и разностном  выходных плечах КВМ 7 с учетом баланса мощностей аналитически выражаются зависимостями
пр
После перехода с помощью смесителя 2 на промежуточную частоту ω и усиления в УПЧ на втором входе ФД 14 (соответствует выходу 1-го УПЧ 4 суммарного канала) сигнал ВО будет равен
1
1
где φ - фазовый сдвиг в суммарном канале; k - коэффициент усиления в суммарном канале.
Аналогичный сигнал на 1-м входе ФД 14 (соответствует выходу 2-го УПЧ 13 разностного канала) будет равен
2
2
где φ - фазовый сдвиг в разностном канале; k - коэффициент усиления разностного канала.
При условии, что сигнал в разностном канале много меньше сигнала суммарного канала (а это действительно так), можно аналогично [1 с.108, 6 с.57] показать, что на выходе ФД 14 сигнал имеет аналитическую запись вида
Кроме того, сигнал с выхода 1-го УПЧ 4 поступает на вход АД 5, где детектируется, т.е. выделяется его огибающая. Огибающая на выходе АД 5 отличается от входного радиосигнала с выхода блока 4 отсутствием высокочастотного заполнения. Значит, на выходе АД 5 формируется сигнал вида
Формирование пеленгационной характеристики G(Θ) производится на выходе делителя 10. На 1-й вход делителя 10 поступает напряжение с выхода АД 5. На второй вход делителя 10 поступает напряжение с выхода ФД 14. На выходе делителя 10 формируется частное от деления величины сигнала на 2-м входе на величину сигнала на первом входе.
Поэтому на выходе делителя 10 сигнал равен
дел
Поскольку все составляющие формулы (9) кроме переменной Θ являются известными, то по уровню сигнала U путем обратного пересчета всегда можно вычислить угол Θ отклонения ВО от РСН:
Сигналы, принадлежащие разным ВО, с выхода делителя 10 поступают на первый вход индикатора 8. Этот вход уровнем поступающих на него сигналов определяет величину горизонтального отклонения развертки индикатора 8. Луч индикатора 8 в соответствии с уровнем сигналов на его первом входе смещается влево или вправо от центра (соответствует РСН), позиционируя угловое положение ВО. Так образуются пеленгационные отметки ВО (группы ВО).
Однако эти отметки показывают только угловое положение объектов, не различая их по частотным составляющим. В то же время частота собственных излучений ВО является важным информационным параметром, по которому можно судить о режимах работы бортовых РЛС или даже распознавать объекты до классов или типов. Поэтому в устройство дополнительно введен БФ 9, представляющий собой набор (линейку) узкополосных фильтров, перекрывающих полосу частот, на которых могут работать бортовые радиолокационные средства летательных аппаратов. Они функционируют, как правило, в квазиоптическом диапазоне сантиметровых волн (длина волны λ от 2 до 4 см, что соответствует частотам 1,5-7,5 ГГц). Рекомендуемая полоса пропускания узкополосного фильтра 50-100 кГц. Смежные фильтры имеют общую частотную границу и не пересекаются своими полосами частот.
ан
ф
Сигнал с выхода 1-го УПЧ 4 (суммарный канал) поступает одновременно на все узкополосные фильтры, число которых S определяется анализируемым диапазоном частот ΔF и шириной полосы пропускания одиночного узкополосного фильтра Δf:
Блок фильтров 9 имеет S выходов, каждый s-й из которых связан с соответствующим s-м узкополосным фильтром. Индикатор 8 имеет S соответствующих вторых входов. Каждый s-й выход БФ 9 связан с соответствующим s-м входом индикатора 8. При превышении принятым от ВО сигналом на выходе определенного s-го фильтра установленного порога в индикаторе 9 подсвечивается s-й участок (s-й отрезок, линия) вертикальной развертки. Понятно, что положение подсвеченных яркостных линий находится в прямой зависимости от частоты излучений (переизлучений) ВО.
Совместное отклонение лучей индикатора 8 по горизонтали (в зависимости от углового отклонения ВО от РСН) и вертикали (в зависимости от частоты излучаемых объектом сигналов) позволяет наблюдать на экране блока 8 двумерную частотно-угловую развертку (индикатрису, диаграмму, картину). На такой двумерной развертке будут позиционироваться все ВО, находящиеся в рабочей зоне, и частоты их излучений.
В результате по экрану индикатора 8 оператор РЛС сможет наблюдать и даже отслеживать угловое положение всех ВО и соответствующие им частоты излучений. По ширине подсвеченных участков можно судить о наличии излученного сигнала, принадлежащего определенному ВО, или о наличии заградительной помехи и полосе ее частот. Перемещая рабочую зону по измеряемой координате, можно в некоторых случаях осуществить удаление (пропадание) отметок от нескольких ВО, оставляя на экране только выбранный ВО.
Сущность предложенного в полезной модели нового технического решения заключается в том, что при подобном построении устройства повышаются его информационные возможности, т.е. обеспечивается возможность правильного и информативного отображения результатов пассивной пеленгации источников излучений с разными частотами и разными угловыми координатами. При этом легко определить число источников излучений и их параметры.
Новые элементы устройства широко известны в радиолокационной технике, что подтверждает осуществимость технического предложения.
Предлагаемое устройство целесообразно использовать в пассивных РЛС обнаружения источников излучения (переизлучения) с системой передачи результатов обзора пространства на другие системы обслуживания воздушных объектов.
Источники информации
1. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. М., Сов. радио, 1970, С.28-30, рис.1.13 (прототип).
2. Справочник по основам радиолокационной техники / Под ред. В.В.Дружинина. М., Воениздат, 1967. 768 с.
3. Справочник по радиолокации / Под ред. М.И.Сколника. Пер. с англ. М., Сов. радио, 1967. Том 1. Основы радиолокации. 456 с.
4. Радиотехнические системы / Под ред. Ю.М.Казаринова. М., Высш. школа, 1990. 496 с.
4. Охрименко А.Е. Основы радиолокации и радиоэлектронная борьба. Часть 1. Основы радиолокации. М.: Воениздат, 1983. 456 с.
5. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. Учебник для вузов. М.: Сов. радио, 1973. 496 с.
6. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. М., Сов. радио, 1984. 312 с.