Устройство для измерения показателя преломления среды в интересах радиолокации
DEVICE FOR MEASURING THE REFRACTIVE INDEX OF A MEDIUM IN THE INTERESTS OF RADAR

Изобретение относится к радиолокации (радиотехнике) и предназначено для определения в реальном масштабе времени показателя преломления атмосферы по траектории распространения и в интересах выявления волноводных каналов распространения радиоволн и расчета эффективности системы наблюдения корабля ВМФ.
Информация о значениях показателя преломления атмосферы позволяет прогнозировать ожидаемые и требуемые дальности действия корабельных радиотехнических средств в интересах освещения обстановки, ведения радиоэлектронной борьбы и применения оружия.
Известно устройство, предназначенное для регистрации параметров окружающей среды (атмосферного давления, температуры и влажности воздуха, направления и силы ветра) до высот 20-30 км и автоматизированного расчета градиента показателя преломления среды с высотой в интересах радиолокации и передачи полученных результатов на наземный (корабельный) пункт управления. (Патент №167931 Российская Федерация, МПК G01W 1/08, G01W 1/04, B64D 17/34. Парашютный измеритель параметров среды в интересах радиолокации, авторы / Фатыхов P.M., Крючков А.Н., Юрченко Е.Н. и др. Патентообладатели: Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования «Тихоокеанское высшее военно-морское училище имени С.О. Макарова» Министерства обороны Российской Федерации (г. Владивосток), Фатыхов Раис Мухаматнурович. Заявл. 04.07.2016; опубл. 12.01.2017; бюл. №2.
Недостатком устройства является то, что оно ограничено по времени нахождения в воздухе, и не может охватывать всю зону наблюдения радиоэлектронных средств корабля.
Известно устройство, предназначенное для регистрации параметров окружающей среды (атмосферного давления, температуры и влажности воздуха, направления и силы ветра), автоматизированного расчета градиента показателя преломления среды с высотой в интересах радиолокации и передачи полученных результатов на корабельный или наземный пункт управления радиозондом. (Патент №200288 Российская Федерация, МПК G01W 1/08, G01W 1/04, B64D 17/34. Радиозонд многоразового использования, автор/ Фатыхов P.M. Патентообладатель: Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования «Тихоокеанское высшее военно-морское училище имени СО. Макарова» Министерства обороны Российской Федерации (г. Владивосток). Заявл. 30.06.2020; опубл. 15.10.2020; бюл. №29)
Основным недостатком устройства является то, что измерения параметров атмосферы производятся только в вертикальной плоскости.
В настоящее время на кораблях Военно-морского флота Российской Федерации для измерения метеорологических параметров атмосферы и расчета показателя преломления атмосферы применяются автоматизированные гидрометеорологические станции. Измеренные параметры используются для расчета показателя преломления атмосферы (балла) радиолокационной наблюдаемости с использованием Руководства по определению и прогнозированию радиолокационной наблюдаемости или программы, заложенной в программное обеспечение корабельных информационно-управляющих систем.
У рассмотренных и существующих средств измерения параметров атмосферы имеются следующие недостатки:
1. Привлечение специализированных приборов измерения и средств их доставки в район, где необходимо произвести измерения показателя преломления атмосферы.
2. Применение средств измерения ограничены по времени и не могут произвести измерения показателя преломления атмосферы по траектории распространения радиоволн в зоне обзора радиолокационных средств.
Для проведения измерений показателя преломления атмосферы по траектории распространения радиоволн в интересах радиолокации из технических средств, стоящих на вооружении кораблей и судов ВМФ, могут выступить только сами радиолокационные станции.
Широкое распространение в радиолокации получил импульсный метод, обладающий рядом преимуществ по сравнению с методом непрерывного излучения колебаний. Импульсная РЛС периодически излучает кратковременные импульсы высокочастотных колебаний, а в промежутке между посылаемыми (зондирующими) импульсами принимает отраженные сигналы от объектов.
Известно устройство, реализующее импульсный метод обзора воздушного пространства в пределах зоны обзора в виде импульсной радиолокационной станции, принятый за прототип [A.M. Байрашевский, Н.Т. Ничипоренко. Судовые радиолокационные системы. М.: Транспорт, 1973. - 352 с.].
Импульсная радиолокационная станция состоит из синхронизатора, последовательно соединенных с -ним модулятора, генератора сверхвысокой частоты, антенного переключателя, антенно-фидерного устройства, включающего в себя остронаправленную антенну и волноводную линию, приемника, индикатора.
Основными недостатками прототипа являются:
- отсутствие в составе радиолокационной станции дополнительного блока для обработки отраженного сигнала в интересах измерения показателя преломления атмосферы, определения влияния его на траекторию распространения радиоволн в различных гидрометеорологических условиях;
- отсутствие возможности круглосуточного мониторинга состояния окружающей атмосферы в интересах эффективного использования радиолокационных средств;
- отсутствие возможности использования радиолокационной станции в режиме «Автономный», для автоматизированного управления настройкой технических параметров под условия окружающей атмосферы при применении на безэкипажных кораблях, беспилотных летательных аппаратах.
На устранение указанных недостатков направлено новое техническое решение Устройство для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации.
Реализация указанной технической задачи предлагаемого изобретения позволяет достигнуть следующий технический результат: - повышение тактико-технических параметров и расширение возможностей радиолокационных средств в интересах обнаружения воздушных и надводных объектов, расчета ожидаемых и требуемых дальностей обнаружения на основе высокой точности определения координат, путем учета измеренных значений показателя преломления атмосферы по траектории распространения радиоволн.
Указанный технический результат достигается тем, что разработано новое устройство для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации, содержащее синхронизатор, последовательно соединенные с ним модулятор, генератор сверхвысокой частоты, антенный переключатель, антенно-фидерное устройство, состоящее из остронаправленной антенны и волноводной линии, приемник, индикатор.
Принципиальным отличием от прототипа является то, что в состав устройства дополнительно введен блок для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации, включающий в себя первый и второй умножители, входы которых параллельно соединены с выходом приемника, а выходы соединены соответственно с первым и вторым фильтрами нижних частот, выходы которых соединены с соответствующими входами первого и второго аналого-цифровых преобразователей, выходы которых соединены с фазовым детектором. Первый выход фазового детектора последовательно соединен с линией задержки и далее с первым сумматором и вычитающим устройством, а второй выход фазового детектора последовательно соединен со вторым сумматором и далее с вычитающим устройством. Выход вычитающего устройства последовательно соединен с третьим сумматором и далее вычислителем фазовой скорости, выход которого соединен с индикатором для отображения показателя преломления атмосферы по траектории распространения радиоволн в интересах радиолокации. При этом содержащийся в блоке для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации высокостабильный гетеродинный генератор последовательно соединен с фазосдвигающей цепочкой, выходы которой соединены соответственно с первым и вторым умножителем.
Применение этого устройства позволяет оперативно, с включением радиолокационной станции на излучение, произвести анализ условий распространения радиоволн в зоне обзора этой радиолокационной станции.
Сущность изобретения поясняется чертежом:
Фигура 1. Устройство для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации. Функциональная схема.
На фигуре 1 представлена функциональная схема устройства для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации, включающая:
1. Синхронизатор.
2. Модулятор.
3. Генератор сверхвысокой частоты (Генератор СВЧ).
4. Антенный переключатель.
5. Антенно-фидерное устройство (АФУ), состоящее из остронаправленной антенны и волноводной линии.
6. Приемник.
7. Индикатор.
8. Блок для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации:
8.1. Первый умножитель;
8.2. Фазосдвигающая цепочка;
8.3. Второй умножитель;
8.4. Первый фильтр нижних частот (первый ФНЧ);
8.5. Высокостабильный гетеродинный генератор;
8.6. Второй фильтр нижних частот (второй ФНЧ);
8.7. Первый аналого-цифровой преобразователь (первый АЦП);
8.8. Фазовый детектор;
8.9. Второй аналого-цифровой преобразователь (второй АЦП);
8.10. Линия задержки (ЛЗ);
8.11. Второй сумматор;
8.12. Первый сумматор;
8.13. Вычитающее устройство;
8.14. Третий сумматор;
8.15. Вычислитель фазовой скорости.
В функциональной схеме синхронизатор, модулятор, генератор СВЧ, приемник, индикатор, блок для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации на фигуре 1 соединены между собой электрическими линиями связи.
Генератор СВЧ, антенный переключатель, АФУ, состоящее из остронаправленной антенны и волноводной линии на фигуре 1 соединены между собой волноводными линиями связи.
Первый выход синхронизатора 1 соединен с входом модулятора 2.
Второй выход синхронизатора 1 соединен с первым входом приемника 6.
Третий выход синхронизатора 1 соединен с первым входом индикатора 7.
Выход модулятора 2 соединен с входом генератора сверхвысокой частоты 3.
Выход генератора сверхвысокой частоты 3 соединен с первым входом антенного переключателя 4.
Первый выход антенного переключателя 4 соединен с первым входом антенно-фидерного устройства 5, состоящего из остронаправленной антенны и волноводной линии, а первый выход антенно-фидерного устройства 5, соединен со вторым входом антенного переключателя 4.
Второй выход антенного переключателя 4 соединен со вторым входом приемника 6.
Первый выход приемника 6 соединен со вторым входом индикатора 7.
Второй выход приемника 6 соединен с первым входом первого умножителя 8.1 и первым входом второго умножителя 8.3.
Выход первого умножителя 8.1 соединен с входом первого ФНЧ 8.4, выход которого соединен с входом первого АЦП 8.7.
Выход первого АЦП 8.7 соединен с первым входом фазового детектора 8.8.
Выход высокостабильного гетеродинного генератора 8.5 соединен с входом фазосдвигающей цепочки 8.2, первый выход которой соединен со вторым входом первого умножителя 8.1, а второй выход соединен со вторым входом второго умножителя 8.3, при этом первый выход второго умножителя 8.3 соединен с входом второго ФНЧ 8.6.
Выход второй ФНЧ 8.6 соединен с входом второго АЦП 8.9, выход которого соединен со вторым входом фазового детектора 8.8.
Первый выход фазового детектора 8.8 соединен с первым входом ЛЗ 8.10, а выход ЛЗ 8.10 соединен с входом первого сумматора 8.12.
Второй выход фазового детектора 8.8 соединен с входом второго сумматора 8.11, выход которого соединен с первым входом вычитающего устройства 8.13.
Выход первого сумматора 8.12 соединен со вторым входом вычитающего устройства 8.13, выход которого соединен с входом третьего сумматора 8.14.
Выход третьего сумматора 8.14 соединен с входом вычислителя фазовой скорости 8.15, выход которого соединен с третьим входом индикатора 7.
Устройство для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации работает следующим образом
Измерение показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации заключается в том, что излученный импульс, проходя через окружающую атмосферу, собирает информацию, состоящую из информационного сигнала о параметрах атмосферы.
Постоянный контроль значения коэффициента преломления атмосферы позволяет в реальном масштабе времени оценивать зону обзора пространства радиолокационной станции в течение ее работы на излучение с учетом влияния окружающей атмосферы, своевременно обнаруживать волноводные каналы распространения радиоволн. Оценить влияние волноводных каналов на распространение радиоволн и обнаружение как надводных, так и воздушных целей.
С включением синхронизатор создает запускающие импульсы, управляющие и координирующие по времени работу остальных элементов устройства. Под действием запускающих импульсов модулятор вырабатывает импульсы напряжения определенной длительности. Импульсы с модулятора запускают генератор сверхвысокой частоты, создающий мощные радиоимпульсы сверхвысокой частоты, которые через антенный переключатель, антенно-фидерное устройство излучаются в окружающееся пространство. Отраженные сигналы принимаются антенной и через антенный переключатель для обработки подаются в приемник. Сигналы в приемнике преобразуются в видеосигналы и подаются в индикатор.
Индикатор преобразует напряжение принятых отраженных сигналов в видимое изображение и выдает координаты объектов (например пеленг, дальность).
А также с приемника отраженный сигнал поступает в блок для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации. Попадая со входа приемника на включенные параллельно первый и второй умножители 8.1 и 8.3, сигнал умножается на опорные гармонические колебания, поступающие от высокостабильного гетеродинного генератора 8.5 и сдвинутые фазосдвигающей цепочкой 8.2 друг относительно друга на 90°.
Результат каждого из умножений содержит две составляющие -низкочастотную и высокочастотную.
Далее для получения вещественной и мнимой частей огибающей сигнала результаты перемножения пропускаются через первый и второй ФНЧ 8.4 и 8.6, при этом устраняются высокочастотные гармоники. После этого вещественная и мнимая части огибающей сигнала поступают на входы первого и второго АЦП 8.7 и 8.9, где подвергаются дискретизации. Частота дискретизации выбирается исходя из теоремы Котельникова. При этом она не должна быть меньше, чем ширина спектра комплексной огибающей сигнала.
Фазовый детектор 8.8 преобразует дискретные составляющие вещественной и мнимой составляющей комплексной огибающей в дискретную функцию фазы дискретизированного сигнала.
Отсчеты фазы сигнала с выхода фазового детектора 8.8 поступают параллельно на первый и второй сумматоры 8.12 и 8.11. При этом первый сумматор 8.12 принимает отсчеты фазы с задержкой на один шаг, осуществляемый линией задержки 8.10.
Первый и второй сумматоры 8.12 и 8.11 осуществляют пошаговое суммирование совокупности отсчетов значения фазы соответственно на каждый дискретный момент времени.
Полученные значения поступают на вычитающее устройство 8.13.
После вычитания сигналы поступают на третий сумматор 8.14, где выделяется последовательность приращения фазы сигнала, соответствующая изменчивости фазовой скорости электромагнитной волны при прохождении неоднородных слоев атмосферы. *
Сформированная последовательность приращений поступает в вычислитель фазовой скорости электромагнитной волны, с выхода которого снимается последовательность отсчетов фазовой скорости, соответствующая распределению неоднородностей атмосферы вдоль трассы распространения сигнала.
Таким образом, предложенное устройство для измерения показателя преломления атмосферы в интересах радиолокации позволяет:
- получать информацию об изменяющихся условиях атмосферы вдоль траектории распространения сигнала непосредственно на используемой РЛС;
- отказаться от трудоемких и малоэффективных расчетов по оценке и прогнозированию радио- и радиолокационной наблюдаемости;
- автоматизировать процесс корректуры измеренных координат целей с учетом неоднородностей атмосферы распространения сигналов внесением конструктивных доработок в РЛС;
- повысить эффективность боевого использования и радиоэлектронной защиты радиолокационных средств.
Информация о значениях показателя преломления атмосферы позволяет прогнозировать ожидаемые и требуемые дальности действия корабельных радиотехнических средств в интересах освещения обстановки, ведения радиоэлектронной борьбы и применения высокоточного оружия.
Таким образом, технический результат данного изобретения заключается в создании нового устройства, учитывающего влияние параметров атмосферы на условия распространения радиоволн. Это позволяет повысить тактико-технические характеристики радиоэлектронных средств в интересах освещения обстановки на основе измерения показателя преломления атмосферы по траектории распространения радиоволн.
Заявленное устройство промышленно применимо, так как при его изготовлении могут быть использованы широко распространенные устройства и компоненты.