РАДИОВЗРЫВАТЕЛЬ, ОБНАРУЖИТЕЛЬ СИГНАЛОВ УЗКОПОЛОСНОГО СПЕКТРА ЧАСТОТ
RADIO PROXIMITY FUSE, DETECTOR OF NARROW-BAND FREQUENCY SPECTRUM SIGNALS

Изобретения относятся к радиолокационной технике и могут быть использованы при создании радиовзрывателей.
Известно [1], что для реализации радиовзрывателей используются доплеровские радиолокаторы с непрерывным излучением сигналов в наиболее исследованных дециметровом и сантиметровом диапазонах волн, позволяющие измерять текущее расстояние между сближающимися РЛС и объектом (целью), подлежащим уничтожению. Использование более короткого и менее исследованного миллиметрового диапазона волн для решения аналогичных задач известными способами не дает ощутимого выигрыша в точности измерения текущих координат целей, поэтому данные сигналы используют редко, что приводит к значительным массогабаритным и стоимостным характеристикам радиовзрывателей.
Известна задача. Из пункта А в пункт Д вышел поезд с неизвестной скоростью. Между пунктами А и Д есть еще два пункта, Б и С. В пункте С, который ближе к пункту Д, живет человек, который может измерять текущую дальность Di до поезда и текущую скорость Vi поезда, а также может передвигаться с постоянной скоростью Vo. В пункте Б, который располагается дальше от пункта Д, чем пункт С, поезд делает остановку и человек может в этот момент сесть на поезд и доехать до пункта Д. Между пунктами Б и С расстояние Do. Вопрос: если человеку запрещается ожидать в пункте Б поезд, то в какой момент времени он должен выйти из пункта С в пункт Б, чтобы там сесть на поезд и добраться благополучно до пункта Д?
Ответ на данный вопрос тривиален. Человек должен выйти из пункта С в пункт Б, когда выполнится равенство:
Do/Vo=(Di-Do)/Vi.
Проблема разработки малогабаритного и недорогого устройства, позволяющего решить вышеотмеченную задачу, по настоящее время является актуальной и решается в рамках Государственного оборонного заказа по теме «Совершенствование-88» Государственным заказчиком - войсковой частью 93603.
Здесь следует отметить, что подобная задача решается и тогда, когда становится необходимым выдать команду на подрыв перемещающегося в пространстве боеприпаса с совмещенной с ним РЛС (радиовзрыватель), и это необходимо делать в момент, когда между боеприпасом и целью, подлежащей уничтожению, остается известный интервал расстояния Do.
При реализации обнаружителей непрерывного электрического сигнала используют общеизвестный способ его обнаружения, заключающийся, например [3, стр. 108, рис. 4.12], в фильтрации данного сигнала в сравнении величины амплитуды напряжения отфильтрованного сигнала с эталонной величиной постоянного напряжения и в фиксировании факта достижения равенства отмеченных величин напряжений.
Обнаружитель сигналов, реализованный по известному способу, обычно содержит последовательно соединенные фильтр, амплитудный детектор и компаратор, второй вход которого подключен к выходу блока опорного напряжения, а выход, при необходимости, через формирователь короткого импульса к выходной шине.
Недостатком известного обнаружителя сигналов, а соответственно и способа по которому он реализован, являются ограниченные его функциональные возможности, определяемые, в частности, возможными параметрами используемых фильтров. Так, например, достижимые центральная частота (fц) и минимальная полоса пропускания (fв-fн) полосовых фильтров на ПАВ определяются величинами fц=(5…1500) МГц и fв-fн=50 кГц [2]. То есть очевидно, что при применении в обнаружителе фильтров данного типа невозможно обнаруживать сигналы с частотами ниже 5 МГц и селектировать сигналы более узкого, чем в 50 кГц диапазона частот. Отмеченные недостатки присущи и другим типам фильтров [2]. То есть, очевидно, порой решить ту или иную конкретную задачу невозможно ни при каких стоимостных и массогабаритных характеристиках фильтров.
Целью изобретений является уменьшение массогабаритных и стоимостных характеристик радиовзрывателей.
Поставленная цель достигается за счет исключения операций измерений параметров сигналов и замены их на операцию обнаружения сигнала наперед известной частоты при определении момента выдачи команды на подрыв боеприпаса. Следует отметить, что достижение поставленной цели будет выглядеть более ощутимо, если в реализуемых по предлагаемому способу радиовзрывателях будет использован зондируемый сигнал миллиметрового диапазона волн, как, например, в приемопередатчике частотно-модулированных сигналов, выполненном в виде монолитной схемы на кристалле 7·4 мм [4].
На фиг.1 приведена блок-схема обнаружителя сигналов узкополосного спектра частот.
На фиг.2 приведена блок-схема радиовзрывателя.
На фиг.3 приведена таблица данных, позволяющих оценить работу обнаружителя сигналов узкополосного спектра частот.
Обнаружитель сигналов узкополосного спектра частот (фиг.1) содержит амплитудный детектор 12, выход которого подключен к первому входу компаратора 13, второй вход которого подключен к шине 10 опорного напряжения, а выход через формирователь 14 импульса к выходной шине 11, а также дополнительно введенные последовательно соединенные смеситель 15 с широкополосным фильтром 17 и генератор 16 сигнала непрерывной частоты, выход которого подключен к второму входу смесителя 15, первый вход которого подключен к входной шине 23, а выход широкополосного фильтра 17 через последовательно соединенные усилитель-ограничитель 18 и узкополосный полосовой фильтр 19 подключен к входу амплитудного детектора 12.
Радиовзрыватель (фиг.2) содержит приемо-передающую антенну 5, вход антенны, работающей на передачу, которой подключен к высокомощному выходу передатчика 6 непрерывного сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно возрастающему закону, а выход антенны, работающей на прием, подключен к первому входу смесителя 7, второй вход которого подключен к низкомощному выходу передатчика 6 непрерывного сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно возрастающему закону, а выход к входу фильтра 8 разностных частот, а также дополнительно введенный обнаружитель 9 сигналов узкополосного спектра частот, дополнительный вход которого подключен к шине 10 опорного напряжения, выход к выходной шине 11, а вход к выходу фильтра 8 разностных частот.
Проанализируем, в том числе на примерах, работу радиовзрывателя (фиг.2) и обнаружителя сигналов узкополосного спектра частот (фиг.1).
Через приемо-передающую антенну 5 в пространство излучают и принимают отраженные от неподвижных и перемещающихся объектов непрерывные частотно-модулированные сигналы, например непрерывный СВЧ-сигнал с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно возрастающему закону с, например, параметрами: fo=20 ГГц, Fm=20 кГц, dfm=25 МГц, удовлетворяющими, при принятых Do=6 м и Vo=150 м/с, условию:
to=Do/Vo=fo/Fm dfm=6 м/150 (м/с)=20 ГГц/20 кГц 25 МГц=0,04 с, где Vo - известная усредненная скорость перемещения боеприпаса;
Do - известное постоянное расстояние от РЛС до предполагаемой точки самоподрыва боеприпаса,
fo - средняя частота излучаемого РЛС непрерывного сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно возрастающему закону;
где Fm - частота модуляции излучаемого сигнала;
dfm - девиация частоты излучаемого сигнала.
Данный сигнал формируют в передатчике 6 непрерывного сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно возрастающему закону. В результате смешивания в смесителе 7 отраженного и излучаемого сигналов на его выходе будут сформированы сигналы разностной частоты величиной (10.41 и 10.58 [3]), в частности:
12-Ц
12
150
150
4
7
8
8
Fp=[(2 D)Fm dfm/С]-(2 V fo/С)=[2·12 м·2·10 Гц·2,5·10Гц/3·10(м/с)]-[2·150 (м/с)·20 ГГц/3·10(м/с)]=20 кГц - сигнал из отражений от цели, сближающейся с боеприпасом с минимально возможной радиальной скоростью V=150 м/с, находящимся на удалении в
12
D=Do+(Vi/Vo)Do=6 м+[(150 м/с)/(150 м/с)]6 м=12 м от РЛС;
86-Ц
86
2000
2000
4
7
8
8
Fp=[(2 D) Fm dfm/С]-(2 V fo/С)=[2·86 м·2·10Гц 2,5·10Гц/3·10(м/с)] - [2·2000(м/с)·20 ГГц/3·10м/с)] = 20 кГц - сигнал из отражений от цели, сближающейся с боеприпасом с максимально возможной радиальной скоростью V=2000 м/с, находящимся на удалении в
86
D=Do+(Vi/Vo)Do=6 м+[(2000 м/с)/(150 м/с)]6 м=86 м от РЛС.
6-П
12-Ц
86-Ц
Отметим, что отмеченную задачу можно успешно решить, применив известный [4, стр.4-6] локатор диапазона 94 ГГц на монолитных схемах. Причем использование миллиметрового диапазона волн, как будет видно из последующего, предпочтительнее, так как при прочих равных условиях можно получить более высокую частоту разностного сигнала, например Fp=Fp=Fp=100 кГц, при излучении частотно-модулированного сигнала частотой 100 ГГц.
Фильтр 8 разностных частот выполняет в основном роль подавления суммарных частот преобразования, входных сигналов и сигнала гетеродина.
В обнаружителе 9 сигналов узкополосного спектра частот проводят сравнение величины амплитуды опорного напряжения, снимаемого с шины 10 опорного напряжения, с величиной амплитуды сигнала, преобразованного обнаружителем. При наступлении равенства амплитуд сигналов на выходе обнаружителя 9 сигналов узкополосного спектра частот (выходная шина 11) формируют короткий импульс, например, положительной полярности.
Предлагаемый обнаружитель сигналов узкополосного спектра частот, блок-схема которого приведена на фиг. 1, позволяет обнаруживать только сигналы с частотами диапазона 20 кГц (+/-) 420Гц, при выбранных выше параметрах излучаемого сигнала и отмеченном условии выбора этих параметров. Рассмотрим более подробно работу данного обнаружителя.
-3
-4
Для реализации вышесказанного и обнаружения разностного сигнала частотой 20 кГц широкополосный фильтр 17 обнаружителя 9 должен иметь полосу пропускания не более 8 кГц (от 37 кГц до 43,5 кГц), постоянную времени 1/6,5 кГц=0,15·10 и значительное подавление сигналов вне полосы пропускания. При обнаружении же разностного сигнала частотой 100 кГц (при излучении сигналов частотой 100 ГГц - сигналов миллиметрового диапазона волн) широкополосный фильтр 17 обнаружителя 9 должен уже будет иметь полосу пропускания не более 50 кГц (от 175 кГц до 225 кГц), постоянную времени 1/50 кГц=0,02·10, но также значительное подавление сигналов вне полосы пропускания. В качестве смесителя 15 в обнаружителе 9 сигналов узкополосного спектра частот можно использовать, например, микросхему 526ПС1 - балансный смеситель, обеспечивающий подавление входного сигнала на 65 дБ.
Сигналы с разностной частотой преобразования, например частотой Fp (+/-) ΔFp=20 кГц(+/-) 420 Гц, с выхода фильтра 8 разностных частот (фиг.2) подают на вход смесителя 15, смешивают его с сигналом гетеродина - сигналом с выхода генератора 16 сигнала непрерывной частоты и преобразуют его в сигнал с частотой:
Fp (+ / -) ΔFp+20 кГц=20 кГц (+/-) 420 Гц + 20 кГц=40 кГц (+/-) 420 Гц, попадающий в полосу пропускания широкополосного фильтра 17. Далее сигнал, снимаемый с выхода широкополосного фильтра 17, преобразуют усилителем-ограничителем 18 в меандр, содержащий, как известно, только нечетные гармоники, и узкополосным полосовым фильтром 19, имеющим, например, полосу пропускания в 21 кГц (от 829,5 кГц до 850,5 кГц) и большое подавление внеполосных сигналов, выделяют, только, пусть 21-ю гармонику сигнала частотой:
[40 кГц (+/-) 420 Гц] 21=[840 кГц (+/-) 8,820 кГц]
и значительно подавляют все другие разностные сигналы и их гармоники. Сказанное подтверждается анализом данных, приведенных на фиг.6, и анализом всех величин частот нечетных гармоник от В=1 до В=29, получаемых после ограничения сигналов диапазона частот С=37 кГц-С=43,5 кГц и попадающих в диапазон частот А=829,5 кГц-А=850,5 кГц, пропускаемых узкополосным полосовым фильтром 19.
Сигнал с выхода узкополосного полосового фильтра 19 преобразуется амплитудным детектором 12 в постоянное напряжение и на компараторе 13 сравнивается с опорным напряжением, поступающим на второй вход компаратора 13 с шины 10 опорного напряжения. При превышении амплитуды входного сигнала над опорным на выходе компаратора 13 формируют короткий импульс, например, обострителем переднего фронта, установленным на выходе компаратора 13, который формирователем 14 импульса, например ждущим мультивибратором, преобразуется в импульс необходимой длительности fo/Fmdfm, по заднему фронту которого выдают команду на самоподрыв боеприпаса. Причем импульс на РЛС начинают формировать в момент обнаружения на РЛС разностного сигнала частотой 2Vofo/C - в момент, когда между сближающимися с неизвестной радиальной скоростью Vi боеприпасом и целью останется расстояние
Do+(Vi/Vo)Do.
12-Ц
86-Ц
24-Ц
98-Ц
Предлагаемый обнаружитель сигналов узкополосного спектра частот позволяет обнаруживать не только сигналы с частотами диапазона 20 кГц (+/-) 420 Гц при выбранных выше параметрах излучаемого РЛС сигнала и отмеченном условии выбора этих параметров, но и сигналы с частотами диапазона 60 кГц (+/-) 420 Гц. Еще раз отметим, что сигналы с частотами диапазона 20 кГц (+/-) 420 Гц на РЛС определения момента выдачи команды на пуск защитного боеприпаса (фиг.2) формируются, когда необходимо выдавать команду на пуск ОФС для уничтожения ПТС (сигналы частотой Fp и Fp), а диапазона 60 кГц (+/-) 420 Гц, когда еще рано выдавать команду на пуск ОФС, но уже пора думать об этом (сигналы частотой Fp и Fp). Это стало возможным из-за применения в обнаружителе 9 сигналов узкополосного спектра частот смесителя 15 с разъединенными входами, на второй вход которого с генератора 16 сигнала непрерывной частоты подают сигнал с частотой, в частности, 20 кГц, а на первый вход смесителя 15 с входной шины 23 либо сигнал с частотой 60 кГц (+/-) 420 Гц, либо сигнал с частотой 20 кГц (+/-) 420 Гц. Очевидно, что после преобразования данных сигналов на выходе смесителя 15 будет сформирован сигнал с одной и той же частотой 40 кГц (+/-) 420 Гц, то есть:
60 кГц (+/-) 420 Гц-20 кГц=40 кГц (+/-) 420 Гц,
20 кГц (+/-) 420 Гц+20 кГц=40 кГц (+/-) 420 Гц,
который пропускается широкополосным фильтром 17 на вход усилителя-ограничителя 18.
Если же на второй вход смесителя 15 с генератора 16 сигнала непрерывной частоты подать сигнал с, например, более высокой частотой, чем 20 кГц, то, как показывают теоретические исследования, можно будет использовать широкополосный фильтр 17 с более широкой полосой пропускания для достижения одних и тех же результатов, что приводит к более быстрому обнаружению сигналов, подлежащих обнаружению, но к потере возможности обнаруживать одним и тем же обнаружителем 9 двух сигналов с отличными частотами.
Здесь следует отметить, что для обнаружения сигнала с помощью увеличения его частоты можно использовать обнаружитель и без смесителя 15. Однако время обнаружения сигналов данным обнаружителем будет наибольшим, что часто бывает неприемлемым.
Литература
1. Н.П.Супряга. Радиолокация с непрерывным излучением, г.Москва, «Оборонгиз», 1963 г.
2. Под редакцией Л.Г.Барулина, Радиоприемные устройства, М., «Радио и связь», 1984 г., стр. 223.
3. В.В.Васин, О.В.Власов, П.И.Дудник, Б.М.Степанов, Авиационная радиолокация, издание ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского, 1964 г.
4. Информационно-рекламный сборник «Новости СВЧ-техники» №10 за 1995 г., ГНПП «Исток», г.Фрязино, Московская область.