СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ КОМАНДЫ НА ПУСК ЗАЩИТНОГО БОЕПРИПАСА, УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ КОМАНДЫ НА ПУСК ЗАЩИТНОГО БОЕПРИПАСА, СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОМЕНТА ВЫДАЧИ КОМАНДЫ НА ПУСК ЗАЩИТНОГО БОЕПРИПАСА, РЛС ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОМЕНТА ВЫДАЧИ КОМАНДЫ НА ПУСК ЗАЩИТНОГО БОЕПРИПАСА, СПОСОБЫ ОБНАРУЖЕНИЯ СИГНАЛОВ УЗКОПОЛОСНОГО СПЕКТРА ЧАСТОТ, ОБНАРУЖИТЕЛЬ СИГНАЛОВ УЗКОПОЛОСНОГО СПЕКТРА ЧАСТОТ
METHOD FOR GENERATION OF COMMAND FOR LAUNCHING OF PROTECTIVE AMMUNITION, DEVICE FOR GENERATION OF COMMAND FOR LAUNCHING OF PROTECTIVE AMMUNITION METHOD FOR DETECTION OF MOMENT TO GENERATE COMMAND FOR LAUNCHING OF PROTECTIVE AMMUNITION RLS FOR DETECTION OF MOMENT FOR GENERATION OF COMMAND FOR LAUNCHING OF PROTECTIVE AMMUNITION METHODS FOR DETECTION OF NARROWBAND FREQUENCY SPECTRUM SIGNALS DETECTOR OF NARROWBAND FREQUENCY SPECTRUM SIGNALS

Изобретения относятся к радиолокационной технике и могут быть использованы при создании комплексов активной защиты стационарно расположенных либо перемещающихся объектов, в частности комплекса активной защиты танков.
Известна [7] Система самообороны транспортного средства, например танка, содержащая РЛС обнаружения и измерения траекторных параметров нападающего снаряда, боеприпасы, расположенные на верхних частях транспортного средства и образующие круговую оборону, каждый боеприпас размещен в пусковом устройстве и имеет метательный заряд и антиснаряд, а также блок прогнозирования входа нападающего снаряда в зону поражения системы самообороны и блок выбора боеприпаса и выдачи команды на его отстрел и подрыв.
В 1983 г. на вооружение Советской Армии был принят первый в мире танк с комплексом активной защиты «Дрозд» (КАЗ «Дрозд») [1].
Уровень защищенности является одной из основных характеристик танка, определяющих его выживаемость в боевых условиях. Исследования у нас и за рубежом подтверждают, что наиболее эффективным и перспективным направлением защиты танка является активная защита, под которой понимается комплекс средств, обеспечивающих обнаружение, сопровождение нападающих объектов (целей) - противотанковых снарядов (ПТС) и их поражение на определенном расстоянии от брони.
Впервые принцип активной защиты танка был сформирован в ЦКБ-14 (г.Тула) в начале 60-х годов прошлого века. Идея заключалась в том, что поражение нападающих ПТС осуществляется подрывом защитного боеприпаса - осколочно-фугасного снаряда (ОФС) на минимально безопасном для танка расстоянии.
Определение направления нападения и решение задачи о моменте выстрела ОФС возлагалось на систему обнаружения и сопровождения - РЛС определения момента выдачи команды на пуск защитного боеприпаса и устройство формирования команды на его пуск, разработанные одной из организаций, создававших КАЗ «Дрозд».
Алгоритм определения момента выстрела ОФС тривиален [3, стр.214] и может заключаться в:
- измерении на РЛС текущего интервала дальности Di-Do от места предполагаемой встречи ОФС с ПТС (на расстоянии Do от РЛС) до перемещающегося в пространстве (на расстоянии Di от РЛС) ПТС;
- измерении на РЛС текущей радиальной скорости Vi ПТС;
- вычислении на РЛС текущего времени подлета ПТС к месту встречи с ОФС
tп птс=(Di-Do)/Vi;
- сравнении на РЛС времени tп птс подлета ПТС с предполагаемым временем
tп офс=Do/Vo подлета ОФС, перемещающегося в пространстве с известной скоростью Vo, к месту их встречи и ожидании момента наступления выполнения равенства Do/Vo=(Di-Do)/Vi, соответствующего моменту выдачи команды на пуск защитного боеприпаса;
- измерении на РЛС величины промаха.
При этом при определении попадания ПТС в защищаемый объект и определении момента выдачи команды на пуск ОФС вполне можно использовать любой сигнал, отличный от непрерывного сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно возрастающему закону.
Очевидно, что при отработке данного классического алгоритма на точность выдачи команды на пуск ОФС влияют:
- точность измерения текущего интервала дальности Di-Do;
- точность измерения текущей радиальной скорости Vi;
- точность вычисления и сравнения времен tп птс и tn офс подлета;
- точность измерения промаха и т.п.
Обеспечивая предполагаемую точность выдачи команды на пуск ОФС, устройство формирования команды на его пуск для КАЗ «Дрозд» оказалось дорогостоящим и громоздким. То есть массогабаритные и стоимостные характеристики изготовляемых электронных изделий оказались не совсем приемлемыми для массового производства.
Проблема разработки малогабаритного и недорогого устройства формирования команды на пуск защитного боеприпаса для комплексов активной защиты объектов по настоящее время является актуальной.
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 устройства формирования команды на пуск защитного боеприпаса.
Поставленная цель достигается за счет исключения операций измерений параметров сигналов и замены их на операцию обнаружения при определении момента выдачи команды на пуск защитного боеприпаса.
Следует отметить, что достижение поставленной цели будет выглядеть более ощутимо, если в реализуемой РЛС определения момента выдачи команды на пуск защитного боеприпаса будет использоваться зондируемый сигнал миллиметрового диапазона волн, как, например, в приемопередатчике частотно-модулированных сигналов, выполненном в виде монолитной схемы на кристалле 7*4 мм [6].
На фиг.1, 2 и 3 приведены соответственно блок схемы: устройства формирования команды на пуск защитного боеприпаса; РЛС определения момента выдачи команды на пуск защитного боеприпаса; обнаружителя сигналов узкополосного спектра частот.
На фиг.4 приведены рисунки, позволяющие оценить возможность реализации устройства формирования команды на пуск защитного боеприпаса предлагаемым способом.
На фиг.5 приведена таблица данных, позволяющих более детально оценить работу обнаружителя сигналов узкополосного спектра частот.
Устройство формирования команды на пуск защитного боеприпаса (фиг.1) содержит РЛС 1 и РЛС 2 определения момента выдачи команды на пуск защитного боеприпаса, выходы которых, по отдельности, подключены к входам блока 3 совпадения.
РЛС 1 и РЛС 2 определения момента выдачи команды на пуск защитного боеприпаса (фиг.2) содержат приемо-передающую антенну 5, вход антенны, работающей на передачу, 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 и кроме того, при необходимости, пластину 4 с ослабителем электромагнитной энергии.
Обнаружитель сигналов узкополосного спектра частот (фиг.3) 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 20, а выход широкополосного фильтра 17 через последовательно соединенные усилитель-ограничитель 18 и узкополосный полосовой фильтр 19 подключен к входу амплитудного детектора 12.
При создании активной защиты объектов от снарядов нетрудно обосновать, что необходимо ориентироваться на защиту от ПТС приближающихся к РЛС со скоростями Vi=(150…2000) м/с ((70-700) м/с [5]) и эффективными площадями рассеивания сигналов, рассчитываемыми, например, по формуле [4]:
2
Gmax=23,14 r l/λ,
где r и l соответственно радиус и длина ПТС;
λ - длинна волны излучаемого колебания.
Примем для проведения дальнейшего анализа Vmin=Vo=150 м/с, Vmax=2000 м/с.
По данным о бронепробиваемости, приведенным в [1], можно заключить, что подрыв ОФС необходимо проводить на расстоянии Do=(4…8) м от РЛС, устанавливаемой на танке. Примем для проведения дальнейшего анализа Do=6 м.
Как следует из [5], время реакции существующих комплексов активной защиты танков определяется величиной в 0,07 с, что может быть осуществимо при скорости перемещения ОФС порядка Vo=150 м/с и, соответственно, при времени доставки защитного боеприпаса в предполагаемое место его встречи с ПТС, равным:
tофс = Do/Vo=6 м/150 (м/с)=0,04 с,
которое и примем для дальнейшего анализа.
Ниже будет показано, как можно обнаруживать только полезные сигналы с частотами диапазона:
[1+(+/-)k]F=Fдо(+/-)ΔFдо=Fр(+/-)ΔFр=20 кГц(+/-)420 Гц,
где k - коэффициент, меньший единицы;
F - средняя частота диапазона частот, подлежащих обнаружению;
Fдо и Fp - соответственно частота сигнала Доплера, который может быть сформирован из отражений от ОФС, и частота разностного сигнала, который может быть сформирован из отражений от ПТС и ОФС,
а сигнал помехи формировать в основном только из отражений от полоски земной поверхности шириной Ш, длинной L и расположенной на удалении Do=6 м от РЛС. При этом, как будет понятно из дальнейшего, ширину полоски земной поверхности можно рассчитывать, используя формулу:
Ш=2ΔFp Do/Fp.
Очевидно, что при принятых уже величинах эта ширина определится величиной:
Ш=2 420 Гц 6 м/20 кГц=25,2 см.
Нетрудно подсчитать, что при сравнительно узкой диаграмме направленности приемо-передающей антенны 5 РЛС (фиг.2), направленной в сторону приближающегося ПТС, длина полосы «Ш», отстоящей от РЛС на расстоянии Do=6 м, определится величиной приблизительно в L=1 метр. Из сказанного можно заключить, что разностные сигналы помехи будут формироваться от участка Земли площадью:
2.
S=1 м 25,2 см=0,252 м
2
2
2
2
Известно, что участок вспаханной Земли площадью в 1 м приблизительно имеет эффективную площадь рассеивания, определяемую величиной в 100 см. Тогда аналогичный участок площадью в 0,252 м будет иметь эффективную площадь рассеивания, равную Gз=25,2 см.
По аналогии с [4, стр.200] Gптс - эффективная площадь рассеивания ПТС, имеющего, например, радиус боеголовки r=1,5 см и длину l=15 см, будет равна:
10
2
Gптс=6,28 1,5 см 15 см 15 см 20 ГГц/3 10(см/сек)=1350 см.
Учитывая только расстояние Дрлс-птс от РЛС до ПТС и Дрлс-з от РЛС до места встречи ОФС с ПТС, а также Gптс и Gз, запишем величину возможного отношения с/п на выходе смесителя 7 (фиг.2):
2
(Gптс/Сз)(Дрлс-з/Дрлс-птс).
Следует отметить, что при стационарно расположенной РЛС всегда можно создать такие условия, чтобы отражения от участков Земли, расположенных на удалении Do=6 м от РЛС, были минимальны, например уложить зону специальным материалом - поглотителем электромагнитной энергии и тем самым снизить раз в десять уровень мощности помехи на выходе смесителя 7. Помимо того, всегда стараются излучать максимум электромагнитной энергии в сторону ПТС. То есть всегда можно реализовать РЛС с гораздо большим излучением и обратным переизлучением в сторону ПТС, чем в сторону полосы Земли шириной «Ш», и при этом еще раз в десять выиграть в отношении с/п на выходе смесителя 7. При перемещающейся же РЛС такие условия создать сложнее, например расположить на удалении в Do=6 м от антенны 5 пластину 4 (фиг.2) с ослабителем электромагнитной энергии площадью:
S=Ш L,
жестко соединенную с перемещающимся носителем РЛС, например танком.
Тогда, с учетом сказанного, примерное выражение для определения отношения с/п на выходе смесителя 7 примет вид:
2
с/п=10 10 (Gптс/Сз)(Дрлс-з/Дрлс-птс)
и для ПТС, перемещающегося с минимальной скоростью сближения с РЛС и находящегося на удалении от РЛС в 12 метров в момент выдачи команды на пуск ОФС:
12
2
2
2
((с/п))=10 10 (1350 см/25,2 см)(6 м/12 м)=1339 раз,
а для ПТС перемещающегося с максимальной скоростью сближения с РЛС и находящегося на удалении от РЛС в 86 метров в момент выдачи команды на пуск ОФС:
86
2
2
2
((с/п))=10 10 (1350 см/25,2 см)(6 м/86 м)=26 раз.
Из сказанного видно, что вероятность превышения сигнала над помехой существует и можно эффективно использовать процесс сравнения амплитуд сигналов с целью обнаружения ПТС и определения момента выдачи команды на пуск ОФС.
Отметим сразу, что в дальнейшем будем рассматривать только случаи, когда РЛС, защищаемый объект (например, танк), и ОФС совмещены друг с другом, то есть точкой отсчета всех далее рассматриваемых расстояний будем считать антенну РЛС. А также под активной защитой объекта будем подразумевать уничтожение приближающейся к нему ПТС в известной точке пространства, отстоящей на известном удалении от объекта (от РЛС), посредством доставки в данную точку и подрыва в ней в нужное время ОФС.
Рассмотрим работу устройства формирования команды на пуск защитного боеприпаса (фиг.1) и способ, по которому оно реализовано.
РЛС 1 и РЛС 2 определения момента выдачи команды на пуск защитного боеприпаса (фиг.1 и 2) одновременно вырабатывают, например, логическую единицу в виде короткого положительного импульса в момент, когда ПТС находится на защищаемом направлении и в точке пространства определения момента выдачи команды на пуск ОФС. Высокие потенциалы с выходов РЛС 1 и РЛС 2 подают на блок 3 совпадения (например, логический элемент И) и формируют на его выходе - выходе устройства короткий положительный импульс - команду на пуск ОФС. Если ПТС будет находиться вне зоны защищаемого направления, то РЛС 1 и РЛС 2 определят моменты выдачи команды на пуск защитного боеприпаса не одновременно, совпадения коротких импульсов в блоке 3 совпадения не произойдет и команды на пуск ОФС сформировано не будет. Использование всего лишь двух РЛС определения моментов выдачи команды на пуск защитного боеприпаса для формирования команды на пуск ОФС, позволяющих одновременно, посредством обнаружения сигнала, а не измерения координат ПТС, определять и момент выдачи команды на пуск ОФС и устанавливать возможность попадания ПТС в защищаемый объект, являются существенным отличием известных аналогичных устройств от предлагаемого (фиг.1). Возможность реализации устройства формирования команды на пуск защитного боеприпаса предлагаемым способом будет продолжена ниже, после описания функционирования РЛС 1 и РЛС 2 определения момента выдачи команды на пуск защитного боеприпаса.
Проанализируем, возможно ли независимо от скорости перемещения ПТС выдавать команду на пуск ОФС всего лишь при обнаружении на РЛС сигнала наперед известной частоты величиной Fдо=2Vo fo/С.
Предположим, что сигнал разностной частоты величиной:
2Vo fo/С,
где fo - известная средняя частота излучаемого сигнала;
С - скорость света,
формируемый после преобразования излученного и отраженного от приближающегося к РЛС ПТС непрерывных сигналов с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно возрастающему закону, формируют при выполнении условия:
Do/Vo=(Di-Do)/Vi -
условия, когда необходимо выдавать команду на пуск ОФС для поражения ПТС на выбранном удалении Do от РЛС, через известное время tофс=Do/Vo после пуска ОФС.
Запишем, воспользовавшись известными выражениями (10.41 и 10.58 [3]), данный разностный сигнал в виде:
2Vo fo/С=2Di Fm dfm/С-2Vi fo/С,
или
fo/Fm dfm=Di/(Vo+Vi)
и решив систему из двух уравнений:
Do/Vo=(Di-Do)/Vi
fo/Fm dfm=Di/(Vo+Vi),
получим:
Do/Vo=fo/Fm dfm -
условие выбора параметров излучаемого РЛС непрерывного сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно возрастающему закону, позволяющее осуществить вышесказанное - выдавать команду на пуск ОФС по обнаружению сигнала с частотой Fдо=2Vo fo/С.
Открытие взаимосвязи
tофс=Do/Vo=fo/Fm dfm
между параметрами излучаемого РЛС непрерывного сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно возрастающему закону,
где Fm - частота модуляции излучаемого сигнала;
dfm - девиация частоты излучаемого сигнала,
и известным временем
tофс=Do/Vo
доставки защитного боеприпаса, изначально совмещенного с позицией РЛС и перемещающегося после выстрела с известной радиальной скоростью Vo в выбранную точку пространства, отстоящую от РЛС на известном расстоянии Do - точку предполагаемой встречи защитного боеприпаса с целью, позволяет по моменту toб обнаружения на РЛС сигнала с частотой
Fдо=2Vo fo/С,
соответствующей по величине, с одной стороны, частоте Fдо Доплера, формируемого на РЛС из отражений от защитного боеприпаса, а с другой стороны, величине разностного сигнала с частотой
2Di Fm dfm/С-2Vi fo/С,
формируемого после перемножения в смесителе излученного РЛС сигнала и принятых РЛС отражений от приближающейся к РЛС цели, выдавать команду на пуск защитного боеприпаса для поражения им цели на выбранном удалении от РЛС, что, очевидно, является новым по отношению к известному на настоящее время.
Проанализируем, в том числе на примерах, работу РЛС определения момента выдачи команды на пуск защитного боеприпаса (фиг.2) и обнаружителя сигналов узкополосного спектра частот (фиг.3), а также способы, по которым реализованы данные устройства.
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 параметрами: fo=20 ГГц, Fm=20 кГц, dfm=25 мГц, удовлетворяющими, при ранее 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.
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:
6-П
4
7
8
Fp=2 Do Fm dfm/С=2 6 м 2 10 Гц 2,5 10 Гц / 3 10 (м/с)=20 кГц - сигналы помехи из отражений от точек Земли, расположенных на удалении в Do=6 м от РЛС, т.е. на удалении места встречи ОФС с ПТС;
12-Ц
12
150
Fp=[(2 D) Fm dfm/С]-(2 V fo/С)=
4
7
8
8
[2 12 м 2 10 Гц 2,5 10 Гц/3 10 (м/с)]-[2 150 (м/с) 20 ГГц/3 10 (м/с)]=20 кГц -
150
- сигнал из отражений от ПТС, летящего с минимально возможной радиальной скоростью V=150 м/с и находящегося на удалении в
12
D=Do+(Vi/Vo)Do=6 м+[(150 м/с)/(150 м/с)]6 м=12 м
от РЛС, на удалении, когда необходимо выдавать команду на пуск ОФС для уничтожения данного, малоскоростного типа ПТС;
86-Ц
86
2000
2000
4
7
8
8
Fp=[(2 D) Fm dfm/С]-(2 V fo/С)=[2 86 м 2 10 Гц 2,5 10 Гц/3 10 (м/с)]-[2 2000 (м/с) 20 ГГц/3 10 (м/с)]=20 кГц - сигнал из отражений от ПТС, летящего с максимально возможной радиальной скоростью V=2000 м/с и находящегося на удалении в
86
D=Do+(Vi/Vo)Do=6 м+[(2000 м/с)/(150 м/с)]6 м=86 м
от РЛС, на удалении, когда необходимо выдавать команду на пуск ОФС для уничтожения данного быстроскоростного типа ПТС.
6-П
12-Ц
86-Ц
Отметим, что отмеченную задачу можно успешно решить, применив известный [6, 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=Рр=100 кГц, при излучении частотно-модулированного сигнала частотой 100 ГГц.
Очевидно, что от участков Земли, расположенных на иных удалениях от РЛС, также как и от ПТС, находящихся в других точках пространства, будут формироваться сигналы разностных частот, по величине отличные от 20 кГц. Сразу отметим, что при данных параметрах излучаемого СВЧ-сигнала сигналы разностных частот величиной в Fpi=Fдо=2Vofo/С=20 кГц особенные, так как они формируются на РЛС в моменты времени, когда до встречи ПТС с ОФС, независимо от скорости сближения ПТС с РЛС, остается время, определяемое предполагаемым временем жизни ОФС и остаточным временем жизни ПТС:
12
150
86
2000
tп офс=tп птс=Do/Vo=(D-Do)/V=(D-Do)/V=
6 м/150 (м/с)=(12 м-6 м)/150 (м/с)=(86 м-6 м) / 2000 (м/с)=0,04 с,
Очевидно, что если из совокупности всех разностных сигналов, формируемых на РЛС, выделять только сигналы, в частности, с частотой 20 кГц, формируемые из отражений от перемещающихся ПТС, и определять момент их формирования, то данный момент времени можно будет принять за момент выдачи команды на пуск ОФС. Рассмотрим, как это можно осуществить.
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.
Рассмотрим, как надо сделать обнаружитель сигналов узкополосного спектра частот, блок схема которого приведена на фиг.3, позволяющего обнаруживать только сигналы с частотами диапазона 20 кГц (+/-)420 Гц, и проанализируем более подробно работу такого обнаружителя.
-3
-4
Для реализации вышесказанного и обнаружения разностного сигнала частотой 20 кГц широкополосный фильтр 17 обнаружителя 9 должен иметь полосу пропускания от 37 до 43,5 кГц, постоянную времени 1/6,5 кГц=0,15 10 сек 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 до 225 кГц), постоянную времени 1/50 кГц=0,02 10 сек и 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.
Сигнал с разностной частотой преобразования 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,
ую
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 до 850,5 кГц), выделяют только пусть 21 гармонику сигнала частотой:
[40 кГц(+/-) 420 Гц] 21=[840 кГц(+/-) 8,820 кГц]
и значительно подавляют все другие разностные сигналы и их гармоники. Возможность сказанного подтверждается анализом данных, приведенных на фиг.5, и анализом всех величин частот нечетных гармоник от В=1 до В=29, получаемых от 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.
ф19
Здесь следует отметить, что за время 3τ=3 (1/21 кГц) - время достижения сигналом своей максимальной амплитуды на выходе УПФ 19 ПТС, перемещающийся с максимальной скоростью сближения в 2000 м/с, переместится на расстояние в:
ф19
Vimax 3 τ=2000 м/с 3 (1/21 кГц)=30 см,
ф17
а за время 3τ=3 (1/6,5 кГц) - время достижения сигналом своей максимальной амплитуды на выходе широкополосного фильтра 17 данный ПТС переместится на расстояние в:
ф17
Vimax 3 τ=2000 м/с 3 (1/6,5 кГц)=90 см.
При этом ошибка во встрече ОФС с ПТС из-за конечного времени восстановления сигнала на выходе фильтров 17 и 19 обнаружителя 9 определится величиной в (90+30)см=120 см. При применении же разностного сигнала с частотой, как отмечено выше, в 100 кГц ошибка во встрече ОФС с быстро перемещающимся ПТС составит вполне приемлемую величину:
2000 м/с 3 (1/50 кГц)+2000 м/с 3 (1/55 кГц)=24 см,
где 55 кГц (от 2172,5 до 2227,5 кГц) - полоса пропускания узкополосного полосового фильтра 19 для выделения 11-й гармоники разностного сигнала.
ф19-1
Очевидно, что если не применять процесс повышения частоты разностного сигнала и селектировать сразу же сигнал частотой Fр(+/-)ΔFp=20 кГц(+/-) 420 Гц УПФ 19 с параметрами: fц=20 кГц - центральная частота; Δf=840 Гц - полоса пропускания и постоянной времени τ=1/840 Гц, то ошибка во встрече ОФС с ПТС составила бы недопустимую величину, соизмеримую с:
ф19-1
-3
Vimax 3 τ = 2000 м/с 3 10 с=7 м.
Следует отметить, что применение последовательно располагаемых широкополосного фильтра 17 и узкополосного полосового фильтра 19 с отмеченными полосами пропускания и балансного смесителя, подавляющего входные сигналы и сигналы гетеродина, позволяют исключить неоднозначность определения момента выдачи команды на пуск ОФС, а также при расчетах мощности помехи использовать только сигналы помехи, отраженные от точек Земли, расположенных в районе удаления Do=6 м от РЛС
Сигнал, снимаемый 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, который, при необходимости, формирователем 14 импульса, например ждущим мультивибратором, преобразуется в импульс необходимой длительности, передний фронт которого и определяет момент выдачи команды на пуск ОФС.
Важно отметить, что при максимальной скорости в Vi=2000 м/с сближения ПТС с РЛС за время
-4
t=2ΔΔDo/Vi=25,2 см/2000 (м/с)=1,26 10 с
пролета снарядом расстояния
2ΔΔDo=86 м (+/-) 12,6 см=86 м 12,6 см-85 м 87,4 см=25,2 см,
где 2ΔΔDo - интервал расстояния, определяющий допустимую ошибку во встрече ОФС с ПТС или допустимую ошибку в определении момента выдачи команды на пуск ОФС,
FPмах
на выходе узкополосного полосового фильтра 19 обнаружителя будет сформировано 2,4 периода Т следования сигнала разностной частоты преобразования в 20 кГц
FPмах
-4
-5
Т=1,26 10 с/5 10 с=2,4.
FPмах
Очевидно интересно, что увеличить количество периодов Т разностной частоты можно за счет либо увеличения допустимой ошибки во встрече ОФС с ПТС, либо за счет увеличения частоты зондируемого сигнала, то есть за счет перевода работы РЛС из сантиметрового в миллиметровый диапазон волн.
Из всего сказанного можно заключить, что умножение частоты разностного сигнала позволяет обнаружить его за более короткое время, что является совместно с возможностью ограничить формирование мощности помехи узкой полосой местности шириной Ш новым на настоящее время и существенно отличает предлагаемый обнаружитель и предлагаемую РЛС определения момента выдачи команды на пуск защитного боеприпаса от известных.
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.
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.
Ознакомившись с работой РЛС определения момента выдачи команды на пуск защитного боеприпаса и обнаружителя сигналов узкополосного спектра частот, проведем далее, используя фиг.4, анализ возможности реализации устройства формирования команды на пуск защитного боеприпаса, приведенного на фиг.1.
Пусть РЛС 1 и РЛС2 располагают по ширине танка, равной 2 метрам, на удалении в 1,5 метра друг от друга, а их диаграммы направленности направлены по ходу танка. Тогда при излучении непрерывного сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно возрастающему закону с параметрами, удовлетворяющими ранее отмеченному условию:
tофс=Do/Vo=fo/Fm dfm,
на РЛС 1 и РЛС 2 будут формироваться разностные сигналы с частотой, определяемой, как уже отмечалось, выражением:
Fpi=[(2 Di) Fm dfm/С]-(2 Vi fo/С).
Причем на РЛС 1:
- для цели, приближающейся к РЛС 1 параллельно продольной оси танка, на расстоянии в 2 метра от оси (происходит промах) с, например, радиальной скоростью 450 м/с и находящейся на удалении от РЛС в 24 метра:
24-Ц(1)
24
450
Fр=[(2 D) Fm dfm/С]-(2 V fo/С)=
4
7
8
8
[2 24 м 2 10 Гц 2,5 10 Гц/3 10(м/с)]-[2 450 (м/с) 20 ГГц/3 10 (м/с)]=20 кГц.
24-Ц(1)
Для той же цели в момент формирования на РЛС 1 сигнала с частотой Fp на РЛС 2 будет формироваться сигнал с частотой:
24,125-Ц
24,125
447,668
Fp=[(2 D) Fm dfm/С]-(2 V fo/С)=
4
7
8
8
[2 24,125 м 2 10 Гц 2,5 10 Гц/3 10 (м/с)]-[2 447,668 (м/с)20 ГГц/3 10 (м/с)]=20,727 кГц.
Очевидно, что при системе фильтров, позволяющей обнаруживать, как уже отмечалось, только сигналы с частотами диапазона:
Fдо(+/-)ΔFдо=Fр(+/-)ΔFр=20 кГц(+/-)420 Гц,
можно сделать так, чтобы на выходе РЛС 1 и РЛС 2 короткие импульсы во времени не совпали, так как разница частот:
24,125-Ц
24-Ц(1)
Fр-Fp=20,727 кГц-20 кГц=0,727 кГц
значительна и больше ΔFдо=420 Гц;
- для цели же, приближающейся к РЛС 1 параллельно продольной оси танка, на расстоянии в 1 метр от оси (происходит попадание ОФС в танк) с, например, радиальной скоростью 450 м/с и находящейся на удалении от РЛС в 24 метра:
24-Ц(2)
24
450
Fp=[(2 D) Fm dfm/С]-(2 V fo/С)=
4
7
8
8
[2 24 м 2 10 Гц 2,5 10 Гц / 3 10 (м/с)]-[2 450 (м/с) 20 ГГц/3 10 (м/с)]=20 кГц
24-Ц(2)
Для той же цели в момент формирования на РЛС 1 сигнала с частотой Fp на РЛС 2 будет формироваться сигнал с частотой:
24,0624-Ц
24,0624
448,88
Fp=[(2 D) Fm dfm/С]-(2 V fo/С)=
4
7
8
8
[2 24,0624 м 2 10 Гц 2,5 10 Гц/3 10 (м/с)]-[2 448,88 (м/с) 20 ГГц/3 10 (м/с)]=20,364 кГц.
Очевидно, что при использовании той же самой системы фильтров можно сделать так, чтобы на выходе РЛС 1 и РЛС 2 короткие импульсы во времени совпали, так как разница частот:
24,0624-Ц
24-Ц(2)
Fp-Fp=20,364 кГц-20 кГц=0,364 кГц
незначительна и меньше ΔFдо=420 Гц.
Проведем аналогичные рассуждения для цели, перемещающейся, например, со скоростью, в 2 раза большей. Тогда на РЛС 1:
- для цели, приближающейся к РЛС 1 параллельно продольной оси танка, на расстоянии в 2 метра от оси (происходит промах) с, например, радиальной скоростью 900 м/с и находящейся на удалении от РЛС в 42 метра:
42-Ц(1)
42
900
Fp=[(2 D) Fm dfm/С]-(2 V fo/С)=
4
7
8
8
[2 42 м 2 10 Гц 2,5 10 Гц/3 10 (м/с)]-[2 900 (м/с) 20 ГГц/3 10 (м/с)]=20 кГц.
42-ц(1)
Для той же цели в момент формирования на РЛС 1 сигнала с частотой Fр на РЛС 2 будет формироваться сигнал с частотой:
42,071-Ц
42,071
898,481
Fp=[(2 D) Fm dfm/С]-(2 V fo/С)=
4
7
8
8
[2 42,071 м 2 10 Гц 2,5 10 Гц/3 10 (м/с)]-[2 898,481 (м/с) 20 ГГц/3 10 (м/с)]=20,440 кГц.
Очевидно, что при применении той же самой системы фильтров можно сделать так, чтобы на выходе РЛС 1 и РЛС 2 короткие импульсы во времени не совпали, так как разница частот:
42,071-Ц
42-Ц(1)
Fp-Fp=20,440 кГц-20 кГц=0,440 кГц
тоже значительна и также больше ΔFдо=420 Гц;
- для цели же, приближающейся к РЛС 1 параллельно продольной оси танка, на расстоянии в 1 метр от оси происходит попадание ОФС в танк, с, например, радиальной скоростью 900 м/с и находящейся на удалении от РЛС в 42 метра:
42-Ц(2)
24
900
Fp=[(2 D) Fm dfm/С]-(2 V fo/С)=
4
7
8
8
[2 42 м 2 10 Гц 2,5 10 Гц/3 10 (м/с)]-[2 900 (м/с) 20 ГГц/3 10 (м/с)]=20 кГц.
24-Ц(2)
Для той же цели в момент формирования на РЛС 1 сигнала с частотой Fp на РЛС 2 будет формироваться сигнал с частотой:
42,036-Ц
42,036
899,23
Fp=[(2 D) Fm dfm/С]-(2 V fo/С)=
4
7
8
8
[2 42,036 м 2 10 Гц 2,5 10 Гц/3 10 (м/с)]-[2 899,23 (м/с) 20 ГГц/3 10 (м/с)]=20,223 кГц.
Очевидно, что при использовании той же самой системы фильтров можно сделать так, чтобы на выходе РЛС 1 и РЛС 2 короткие импульсы во времени совпали, так как разница частот:
42,036-Ц
42-Ц(2)
Fp-Fр=20,223 кГц-20 кГц=0,223 кГц
незначительна и меньше ΔFдо=420 Гц.
Из приведенных рассуждений видно, что при широком диапазоне изменения скоростей перемещения ОФС можно реализовать устройство формирования команды на пуск защитного боеприпаса по предлагаемому способу, т.е. по способу определения совпадения во времени моментов определения выдачи команд на пуск защитного боеприпаса, определяемых, по крайней мере, в двух разнесенных точках пространства.
Учитывая все вышесказанное и принятые выше величины параметров излучаемого РЛС сигнала, рассмотрим и проанализируем некоторые основные ошибки, которые могут возникнуть при изменениях параметров излучаемого сигнала и при этом повлиять на точность встречи ОФС с ПТС.
10
8
Определим, к какой ошибке в выдаче команды на пуск ОФС может привести изменение несущей частоты излучаемого СВЧ-сигнала при скорости ПТС, равной 150 м/с. Так, например, при изменении fo=2 10 Гц на величину -1,5 10 Гц (очень нестабильный СВЧ-генератор) на РЛС будет формироваться в момент выдачи команды на пуск ОФС увеличенный разностный сигнал частотой:
1
4
7
10
8
8
Fp={(2 12 м 2 10 Гц 2,5 10 Гц)-2 (150 м/с) [2 10 Гц-1,5 10 Гц]}/3 10 (м/с)=40000 Гц-20000 Гц+150 Гц=20,15 кГц.
Необходимый же сигнал разностной частоты в 20 кГц, то есть на 150 Гц по частоте меньший, на РЛС начнет формироваться в момент, когда ПТС будет находиться на удалении от РЛС ни на расстоянии в 12 м, а на расстоянии в 11,955 м,
11
4
7
10
8
8
Fp={(2 11,955 м 2 10 Гц 2,5 10 Гц)-2 (150 м/с) [2 10 Гц-1,5 10 Гц]}/3 10 (м/с)=39850 Гц-20000 Гц+150 Гц=20 кГц,
что приведет к подрыву ОФС не в точке Do его встречи с ПТС, а на удалении в 5,955 м от нее. Очевидно, что при применении более стабильных высокочастотных генераторов несущей частоты величина данной ошибки будет меньше.
8
7
Если сравнить принятую величину изменения частоты излучаемого сигнала в 1,5 10 Гц с величиной принятой девиации частоты dfm=2 10 Гц, то она будет в 7,5 раза больше. Из последнего можно заключить, что при рассмотрении вопроса о точности момента пуска ОФС влиянием девиации частоты на частоту Доплера можно пренебречь, так как формируемые величины частот Fpi разностного сигнала мало будут отличаться друг от друга при облучении ПТС любым из сигналов с частотой, принадлежащей диапазону частот fo +/- 0,5 dfm. Отмеченное позволяет при теоретическом вычислении значений величин разностных частот Fpi и Fдо использовать значение частоты fo, хотя величина частоты Доплера практически может определяться в любой момент времени любой из величин диапазона fo+(+/-0,5)dfm. То есть в рассматриваемых ранее случаях можно всегда было использовать для вычислений величину частоты fo. При этом ошибка во встрече ОФС и ПТС будет незначительной и ей можно будет пренебречь.
-4
Здесь следует отметить, что в настоящее время создать стабильный высокочастотный генератор сантиметрового диапазона не является проблемой. Так, например, выпускаемый ГНПП«Исток», г.Фрязино, Московская область, модуль «Отвага» имеет долговременную нестабильность порядка 4 10. Очевидно, что при таком сигнале данная ошибка во встрече ОФС и ПТС определится уже величиной всего в несколько миллиметров.
Не является проблемой и создание очень стабильных низкочастотных генераторов модулирующей частоты Fm. То есть влиянием нестабильности частоты модуляции Fm на ошибку во встрече ОФС и ПТС можно также пренебречь. Кроме того, уменьшение частоты модуляции Fm при одностороннем пилообразном линейно возрастающем законе модуляции излучаемого сигнала и приближающейся к РЛС ПТС приводит к увеличению девиации dfm излучаемого сигнала, то есть к своеобразной стабильности величины разностной частоты Fpi.
Литература
1. «Горизонты КБП» ООО «ЛАГУК», Москва, Российская Федерация.
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. Н.П.Красюк, В.И.Розенберг Корабельная радиолокация и метеорология. Ленинград, «Судостроение», 1970 г.
5. Оружие России 2006-2007 г., г.Москва, Военный Парад 2006 г. стр.185-188.
6. Информационно-рекламный сборник «Новости СВЧ-техники», №10 за 1995 г., ГНПП «Исток», г.Фрязино, Московская область.
7. Патент РФ №2102678 С1, 20.01.1998 г.