АЭРОЛОГИЧЕСКИЙ РАДИОЛОКАТОР

Полезная модель относится к системам управления и регулирования и может быть использовано в радиолокации для определения дальности радиотехническими методами, например измерение наклонной дальности до аэрологического радиозонда (АРЗ), также сопровождение АРЗ по дальности.
Общеизвестен метод определения дальности до цели, при котором дальность определяется в результате измерения времени t=2 L/C прохождения сигналом расстояния от РЛС до цели и обратно, где L - расстояние до цели, С - скорость света. Время запаздывания t может измеряться или непосредственно при фиксации моментов излучения и приема сигналов или посредством измерения разности фаз между гармоническими колебаниями, которые выделяют из излучаемого и принимаемого сигналов.
Недостатком этого на первый взгляд простого метода являются следующие: большая интенсивность помех на малых дальностях, создаваемых отраженным сигналом от местных предметов, а также трудность обеспечения заданной точности измерения при малых уровнях ответного сигнала на больших расстояниях.
Отличительной особенностью отечественных систем радиозондирования является измерение импульсным методом наклонной дальности до АРЗ, снабженного сверхрегенеративным приемопередатчиком. Запросный импульс от аэрологического метеолокатора вызывает изменение структуры сигнала, постоянно излучаемого приемопередатчиком АРЗ, выражающееся в появлении
энергетического минимума. Временная задержка от момента формирования запросного сигнала (импульса запуска передатчика АРЗ) до энергетического минимума в ответном сигнале определяет значение реальной наклонной дальности до АРЗ, см. А.А.Ефимов «Принципы работы аэрологического информационно-вычислительного комплекса АВК-1», М, Гидрометеоиздат, 1989 г, стр.61-67.
Недостатком данной системы является неоднозначность определения дальности из-за интенсивных помех на малых дальностях, создаваемых отраженным сигналом от местных предметов в момент запуска АРЗ, а также недостаточная точность измерения при малых уровнях ответного сигнала на больших расстояниях.
Известна система определения дальности РЛС, при которой применяется так называемый метод «расщепленного строба», см. «Справочник по радиолокации» под ред. М.Сколника, М, Сов. радио, 1978 г, том 4, стр.52-53 - ПРОТОТИП. В этой системе два полустроба распределены во времени так, что первый полустроб включается одновременно с основным стробом дальности и выключается в его средине. Второй полустроб включается в средине основного и выключается одновременно с ним. В интервалах, когда полустробы включены, видеосигнал цели заряжает конденсаторы, которые работают как интеграторы. Конденсатор, включаемый первым стробом, заряжается до положительного напряжения, пропорционального площади первой половины видеосигнала цели, а конденсатор, включаемый вторым полустробом, заряжается до отрицательного напряжения, пропорционального площади второй половины видеосигнала. При правильном центрировании полустробов относительно симметричного видеоимпульса заряды конденсаторов одинаковы, а сумма напряжений на них равна нулю.
Недостатком данной системы является неоднозначность в определении экстремума обусловленного множеством локальных (ложных) экстремумов из-за наличия в сверке сигнала шума, а также наличие остаточной низкочастотной помехи, экстремум которой тоже может быть принят за отметку о дальности, т.е. наличие широкополосных шумов приводит к дополнительной ошибке.
Известно устройство по «Способу определения дальности до аэрологического радиозонда», снабженного сверхрегенеративным приемопередатчиком, включающий подачу фазированной антенной решеткой (ФАР) запросного сигнала наземной РЛС на аэрологический радиозонд, его усиление и переизлучение с помощью сверхрегенеративного приемопередатчика в направлении РЛС, отличающийся тем, что в качестве запросного сигнала используют когерентные запросные радиоимпульсы, которые синхронизируют фазу радиоимпульсов сверхрегенеративного приемопередатчика аэрологического радиозонда, переизлучают их в направлении РЛС, выделяют из принятого излучения сверхрегенеративного приемопередатчика когерентные ответные радиоимпульсы, определяют время задержки между запросными и ответными когерентными радиоимпульсами и определяют по времени задержки дальность до аэрологического радиозонда, см. заявку №2004127466/09 (029602) от 10.11.04 - ПРОТОТИП.
Недостатком данного устройства является требование повышенной мощности запросного сигнала передатчика наземной РЛС и слабый ответный сигнал от АРЗ на больших (особенно предельных) дальностях до 200 км, в силу того, что запросный импульс наземной РЛС передается во время боковых лепестков, образующих равносигнальную зону, а ответный сигнал от АРЗ имеет на предельных дальностях низкий соотношение сигнал/шум.
Технической задачей является повышение точности и однозначности определения наклонной дальности до АРЗ во всем диапазоне его полета от десятков метров до сотен километров при резком уменьшении мощности запросного сигнала.
Для решения поставленной задачи предлагается аэрологический радиолокатор, содержащий когерентный импульсный передатчик, антенный переключатель, антенну, приемное устройство и устройство сравнения фаз со следующими соединениями: первый выход когерентного импульсного передатчика соединен с входом антенного переключателя, второй выход - с опорным входом устройства сравнения фаз, выход антенного переключателя через приемное устройство соединен с сигнальным входом устройства сравнения фаз, а вход/выход антенного переключателя соединен антенной, которая радиоканалом связана с аэрологическим радиозондом, отличающийся тем, что в него введены: арифметическое логическое устройство и устройство измерения дальности со следующими соединениями: первый вход АЛУ соединен с выходом устройства сравнения фаз, второй вход - с входом устройства измерения дальности, а управляющие выходы - с антенным переключателем и фазированной антенной решеткой.
На фиг.1 изображена укрупненная структурная схема аэрологического радиолокатора, на которой показано: 1 - когерентный импульсный передатчик, 2 - устройство сравнения фаз (фазовый детектор ФД), 3 - антенный переключатель, 4 - приемное устройство, 5 - арифметическое логическое устройство (АЛУ), 6 - антенна аэрологического радиолокатора (фазированная антенная решетка ФАР), 7 - устройство измерения дальности, 8 - сверхрегенеративный приемо-передатчик (СРПП) радиозонда и сигналы радиолокатора: Uоп (t) - опорное напряжение для ФД2 (частота радиоимпульсов радиолокатора), Uзс - выходные радиоимпульсы, Uc (t) - приемные (ответные) сигналы
от АРЗ 7, Uпp - выходные преобразованные сигналы приемного устройства 4, прием/передача - управляющие сигналы с АЛУ 5 для переключения антенного переключателя 3 на прием или передачу, управл. ФАР - управляющие сигналы для управления диаграммной направленности (ДН) фазированной антенной решеткой (ФАР) 6, сигнал дальности - сигнал от устройства измерения дальности.
На фиг.2 изображены графики работы основных узлов, т.е. что защищает заявка: Рзапуска - мощность импульса запуска радиолокатора, Uзп - импульс запирания приемника во время запускающего импульса (остальное видно на графике).
Аэрологический радиолокатор имеет следующие соединения: когерентный импульсный передатчик 1, антенный переключатель 3, антенну 6, приемное устройство 4 и устройство сравнения фаз 2 со следующими соединениями: первый выход когерентного импульсного передатчика 1 соединен с входом антенного переключателя 3, второй выход - с опорным входом устройства сравнения фаз 2, выход антенного переключателя 3 через приемное устройство 4 соединен с сигнальным входом устройства сравнения фаз 2, а вход/выход антенного переключателя 3 соединен антенной 6, которая радиоканалом связана с аэрологическим радиозондом, отличающийся тем, что в него введены: арифметическое логическое устройство 5 и устройство измерения дальности 7 со следующими соединениями: первый вход АЛУ 5 соединен с выходом устройства сравнения фаз 2, второй вход - с входом устройства измерения дальности 7, а управляющие выходы - с антенным переключателем 3 и фазированной антенной решеткой.
Указанные схемы и блоки могут быть выполнены на следующих элементах: АЛУ 5 - на ИМС СБИС EPX880L С84-10, см. каталог фирмы «DATA SHIT» PROGRAMMABLE LOGIC DIVICE FAMILY» стр.221,
1995г.; передатчик 1 и приемник 4, см. А.А.Ефимов «Принципы работы аэрологического информационно-вычислительного комплекса АВК-1, М, Гидро-метеоиздат, 1989 г., стр.23 и 42, антенный переключатель 3, см. там же, стр.37; устройство сравнения фаз 2, см. «Радиоприемные устройства» под ред. Н.Н.Фомина, М, Р и С, 1996г., стр.324-326; ФАР 6 см. патент РФ №2195056, СРПП радиозонда 8 см. патент РФ №2214614, 7 - устройство измерения дальности по патенту РФ на полезную модель №37559.
Аэрологический радиолокатор работает следующим образом. В штатном режиме работы (в прототипе) запросные импульсы с радиолокатора выдаются в моменты, когда ФАР 6 (ее излучатели) находятся под некоторым углом φ, отличном от нуля, т.е. не по равносигнальной зоне по углам азимута и места. В данной заявке АЛУ 5 определяет, что АРЗ «пойман» и находится в равносигнальной зоне по углам азимута и места, затем дает команду на разрешение прохождения импульса запуска (Рзапуска) с передатчика 1 через антенный переключатель 3 на ФАР 6.
Выигрыш в мощности запросного импульса в этом случае достигает 3 дБ.
Далее, для max точного определения дальности до АРЗ используется сигнал дальности от устройства определения дальности 7 по которому АЛУ5 формирует импульс поддержки длительностью 2 мкс, последний также переключает излучатели ФАР 6 в нулевое положение, т.е. по радиотехнической оси РЛС-АРЗ. В результате ответный импульс находится в самом выгодном положении с точки зрения энергетического max, см. рисунок.
Результирующий импульс резко увеличивает соотношение сигнал/шум и на больших дальностях (до max предела 180-200 км) имеет выигрыш по принимаемой мощности 7-8 дБ.
Следует заметить, что предлагаемый радиолокатор может применятся только с ФАР, т.к. электромеханическое сканирование луча довольно инерционно и имеет малое быстродействие.
Центральный процессор, автогенераторы, фазовращатели, индикаторы, антенная колонка с приводами, устройство определения угловых координат, их соединения, а также их работа и взаимосвязь между ними условно не показаны и не описаны.
Также следует заметить, что данный радиолокатор работает с радиозондами, оборудованными сверхрегенеративным ответчиком (СРПП), т.е. на каждый запросный импульс радиолокатора СРПП отвечает ответным импульсом, который в принципе не является импульсом, а точнее наоборот - паузой.
На малых дальностях (единиц километров) данное устройство можно отключать во избежание перегрузки приемного тракта.