РАДИОЛОКАТОР БЛИЖНЕГО ДЕЙСТВИЯ С УЛЬТРАВЫСОКИМ РАЗРЕШЕНИЕМ (ВАРИАНТЫ)
SHORT-RANGE RADIOLOCATOR WITH ULTRA HIGH RESOLUTION (VERSIONS)

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиолокационных системах с высоким и ультравысоким разрешением, в частности предназначенных для обнаружения и идентификации взрывчатых веществ.
Известны радиолокаторы с ультравысоким разрешением, излучающие в окружающее пространство сверхкороткие видеоимпульсы длительностью около 200 пс. Описание таких радиолокаторов приведено, например, в патентах: US 5361070, G01S 7/28, 01.11.94; US 5457394, G01S 7/285, 10.10.95; US 5757320, G01S 7/285, 26.05.98. Эти радиолокаторы обеспечивают уникальные возможности обнаружения и распознавания весьма малых объектов и даже возможность обнаружения целей за материальными преградами. Однако в ряде случаев, в частности, для распознавания материала, из которого выполнен неэлектропроводящий объект (RU 2283485, G01N 22/00, 10.09.06; RU 2301432, G01V 3/12, 20.06.07), либо для высокоточного бесконтактного измерения дистанции до объекта, кроме информации о запаздывании зондирующего импульса, необходима информация о величине фазовых сдвигов его спектральных составляющих.
Известно устройство, которое позволяет получить такую информацию (US 4618863, G01S 13/34, 21.10.86). В этом устройстве зондирующий сигнал имеет вид квазинепрерывных высокочастотных колебаний с частотой, периодически изменяемой во времени. При этом в двухканальном радиочастотном смесителе на входе приемника создаются биения принимаемого сигнала с сигналом передатчика. Сигнал передатчика поступает на смесители с относительным сдвигом по фазе на 90° на центральной частоте диапазона перестройки, что позволяет выделить квадратурные составляющие в виде постоянных напряжений на выходах смесителей, которые несут информацию об амплитуде и фазе принимаемого сигнала. Теоретически, это устройство может быть эквивалентно сверхкороткоимпульсному радиолокатору при условии, что его диапазон перестройки относительно центральной частоты вдвое шире спектра частот видеоимпульса упомянутого радиолокатора. Вместе с тем оно имеет существенный недостаток, который заключается в том, что даже в отсутствие принимаемого сигнала на выходах квадратурных смесителей имеются практически неустранимые напряжения сдвига, уровень которых может намного превосходить полезные составляющие. Этот эффект связан с тем, что даже в высококачественных микросхемах двойных балансных смесителей невозможно добиться идеального баланса, в результате чего часть энергии гетеродина проникает на входы смесителей и, отразившись от предшествующих неидеально согласованных входных цепей приемника, поступает обратно на входы смесителей и создает упомянутый эффект.
В качестве прототипа принят радиолокатор непрерывного излучения, используемый в радиоволновом извещателе для охранной тревожной сигнализации (RU 2221260, G01S 13/56, 10.01.04), содержащий СВЧ блок, состоящий из задающего генератора, передающей антенны и последовательно включенных приемной антенны и доплеровского смесителя, второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора, а также последовательно соединенные малошумящий усилитель, режекторный фильтр, усилитель низкой частоты, ограничитель, уровень ограничения которого задается дополнительным интегратором, амплитудный детектор, интегратор, компаратор, второй вход которого соединен с выходом блока опорного напряжения, и формирователь сигнала тревоги, выход которого является выходом извещателя, к первому выходу генератора опорной частоты последовательно подключены балансный смеситель, второй вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора, фильтр нижних частот и передающая антенна, к выходу доплеровского смесителя последовательно подключены усилитель промежуточной частоты и фазовый детектор, второй вход которого соединен со вторым выходом генератора опорной частоты, а выход подключен к выходу малошумящего усилителя. В этом устройстве посредством балансного смесителя осуществляют сдвиг частоты задающего генератора вниз на частоту генератора опорной частоты, после чего разностную частоту пропускают через фильтр нижних частот к передающей антенне, а сигнал суммарной частоты задерживают. Принимаемый сигнал поступает с приемной антенны на доплеровский смеситель, на выходе которого (в отсутствие доплеровских сдвигов) появляется сигнал с частотой генератора опорной частоты. Таким образом, устраняется описанный выше нежелательный сдвиг выходного напряжения смесителя.
По сравнению с прототипом предлагаемое устройство работает в весьма широком диапазоне частот, вплоть до октавы, поэтому использованный в прототипе прием с отфильтровыванием суммарной частоты в передающем тракте и излучением разностной частоты использован быть не может.
Технический результат заключается в повышении стабильности работы устройства в широком диапазоне перестройки частоты.
Технический результат для первого варианта изобретения достигается тем, что в радиолокатор ближнего действия с ультравысоким разрешением, содержащий генератор, балансный смеситель, передающую и приемную антенны, генератор опорной частоты, второй балансный смеситель, фильтр нижних частот, усилитель промежуточной частоты и фазовый детектор, согласно изобретению введены синтезатор частот, усилитель постоянного тока, делитель мощности, СВЧ усилитель, направленный ответвитель, делитель частоты, полосовой фильтр, блок формирования вспомогательной частоты, аналого-цифровой преобразователь, модуль управления и тактовый генератор, при этом генератор выполнен управляемым напряжением, а его выход подключен к передающей антенне через делитель мощности, между вторым выходом которого и управляющим входом генератора, управляемого напряжением, включены последовательно соединенные СВЧ усилитель, направленный ответвитель, делитель частоты, синтезатор частот, фильтр нижних частот и усилитель постоянного тока, генератор опорной частоты подключен к входам опорного сигнала синтезатора частот и блока формирования вспомогательной частоты, приемная антенна подключена к входу балансного смесителя, выход которого соединен с входом второго балансного смесителя, соединенного через полосовой фильтр с входом усилителя промежуточной частоты, к выходу которого подключен первый вход фазового детектора, выход фазового детектора через аналого-цифровой преобразователь соединен с входом модуля управления, ко второму входу которого подключен тактовый генератор, первый, второй и третий выходы модуля управления соединены соответственно с управляющими входами синтезатора частот, блока формирования вспомогательной частоты и аналого-цифрового преобразователя, четвертый выход модуля управления является выходом устройства, первый выход блока формирования вспомогательной частоты соединен со вторым входом фазового детектора, второй и третий выходы блока формирования вспомогательной частоты подключены соответственно ко второму и третьему входам балансного смесителя, второй вход второго балансного смесителя соединен с выходом направленного ответвителя.
Технический результат для второго варианта изобретения достигается тем, что в радиолокатор ближнего действия с ультравысоким разрешением, содержащий генератор, балансный смеситель, передающую и приемную антенны, генератор опорной частоты, второй балансный смеситель, фильтр нижних частот, усилитель промежуточной частоты и фазовый детектор, согласно изобретению введены синтезатор частот, усилитель постоянного тока, делитель мощности, СВЧ усилитель, направленный ответвитель, делитель частоты, полосовой фильтр, блок формирования вспомогательной частоты, второй фазовый детектор, два аналого-цифровых преобразователя, модуль управления и тактовый генератор, при этом генератор выполнен управляемым напряжением, а его выход подключен к передающей антенне через делитель мощности, между вторым выходом которого и управляющим входом генератора, управляемого напряжением, включены последовательно соединенные СВЧ усилитель, направленный ответвитель, делитель частоты, синтезатор частот, фильтр нижних частот и усилитель постоянного тока, генератор опорной частоты подключен к входам опорного сигнала синтезатора частот и блока формирования вспомогательной частоты, приемная антенна подключена к входу балансного смесителя, выход которого соединен с входом второго балансного смесителя, соединенного через полосовой фильтр с входом усилителя промежуточной частоты, к выходу которого подключены первые входы фазовых детекторов, выходы первого и второго фазовых детекторов соответственно через первый и второй аналого-цифровые преобразователи соединены с первым и третьим входами модуля управления, ко второму входу которого подключен тактовый генератор, первый, второй и третий выходы модуля управления соединены соответственно с управляющими входами синтезатора частот, блока формирования вспомогательной частоты, первого и второго аналого-цифровых преобразователей, четвертый выход модуля управления является выходом устройства, первый и четвертый выходы блока формирования вспомогательной частоты соединены со вторыми входами соответственно первого и второго фазовых детекторов, второй и третий выходы блока формирования вспомогательной частоты подключены соответственно ко второму и третьему входам балансного смесителя, второй вход второго балансного смесителя соединен с выходом направленного ответвителя.
На чертеже (фиг.1) представлена функциональная схема радиолокатора ближнего действия с ультравысоким разрешением для первого варианта изобретения. Функциональная схема для второго варианта изобретения представлена на фиг.2.
Радиолокатор ближнего действия с ультравысоким разрешением содержит передающий блок 1, состоящий из генератора 2, управляемого напряжением, выход генератора 2 подключен к передающей антенне 3 через делитель 4 мощности, между вторым выходом которого и управляющим входом генератора 2, управляемого напряжением, включен канал фазовой автоподстройки частоты состоящий из последовательно соединенных СВЧ усилителя 5, направленного ответвителя 6, делителя 7 частоты, синтезатора 8 частот, фильтра 9 нижних частот и усилителя 10 постоянного тока, приемный блок 11 состоит из последовательно соединенных приемной антенны 12, балансного смесителя 13, второго балансного смесителя 14, полосового фильтра 15, усилителя 16 промежуточной частоты, фазового детектора 17 и аналого-цифрового преобразователя 18, выход аналого-цифрового преобразователя 18 соединен с входом модуля 19 управления, ко второму входу которого подключен тактовый генератор 20, первый, второй и третий выходы модуля 19 управления соединены соответственно с управляющими входами синтезатора 8 частот, блока 21 формирования вспомогательной частоты и аналого-цифрового преобразователя 18, четвертый выход модуля 19 управления является выходом устройства, первый выход блока 21 формирования вспомогательной частоты соединен со вторым входом фазового детектора 17, второй и третий выходы блока 21 формирования вспомогательной частоты подключены соответственно ко второму и третьему входам балансного смесителя 13, второй вход второго балансного смесителя 14 соединен с выходом направленного ответвителя 6, генератор 22 опорной частоты подключен к входам опорного сигнала синтезатора 8 частот и блока 21 формирования вспомогательной частоты.
По второму варианту изобретения радиолокатор ближнего действия с ультравысоким разрешением дополнительно содержит второй фазовый детектор 23 и второй аналого-цифровой преобразователь 24. При этом первые входы фазовых детекторов (17, 23) подключены к выходу усилителя 16 промежуточной частоты, а их выходы соединены с первым и третьим входами модуля 19 управления соответственно через первый и второй аналого-цифровые преобразователи (18, 24), управляющие входы которых соединены с третьим выходом модуля 19 управления, первый и четвертый выходы блока формирования вспомогательной частоты соединены со вторыми входами соответственно первого и второго фазовых детекторов.
Радиолокатор ближнего действия с ультравысоким разрешением работает следующим образом.
Генератор 2, управляемый напряжением (ГУН), обеспечивает перестройку в заданном широком диапазоне частот (известен ряд микросхем ГУН, обеспечивающих перестройку по частоте в двукратном и более диапазоне частот). Синтезатор 8 частот получает команду от модуля 19 управления на выработку заданной частоты через задание определенных коэффициентов деления частоты генерации генератора 2 и опорной частоты генератора 22, после чего по истечении определенного времени сигнал заданной частоты появляется на выходе передающего блока 1 и излучается передающей антенной 3 в окружающее пространство. Подобным образом последовательно во времени формируется ряд частот, в совокупности перекрывающих заданный диапазон рабочих частот радиолокатора. Количество частот, практически, не ограничено. Точность формирования заданных частот определяется (в основном) стабильностью опорной частоты и может быть весьма высокой. Сигнал заданной частоты, излученный в окружающее пространство, отражается от окружающих предметов, часть отраженной энергии сигнала попадает на приемную антенну 12 и поступает на балансный смеситель 13. На выходе балансного смесителя 13 появляются сигналы, соответствующие сумме или разности частоты принятого сигнала и четверти опорной частоты. Во втором балансном смесителе 14 происходит суммирование и вычитание упомянутых частот с частотой генератора 2. В результате на выходе второго балансного смесителя 14 присутствует сигнал промежуточной частоты, равной четверти опорной частоты, гармоники промежуточной частоты, а также весьма высокие частоты порядка частоты генератора 2 и ее гармоник. Полосовой фильтр 15 выделяет сигнал промежуточной частоты, подавляя в той или иной мере все остальные. После усиления в усилителе 16 промежуточной частоты принятый сигнал поступает на первый вход фазового детектора 17, выполненного в виде аналогового перемножителя. На второй вход фазового детектора 17 поступает от блока 21 формирования вспомогательной частоты опорный сигнал с частотой, равной четверти опорной частоты, в результате чего на выходе фазового детектора появляется постоянное напряжение, пропорциональное синусу или косинусу относительной фазы принятого сигнала. Выделение синусной или косинусной составляющей зависит от того, с каким сдвигом по фазе поступает на второй вход опорный сигнал. Поэтому для каждого комплекта частот генератора 2 предусмотрен перемежающийся сдвиг по фазе: то 0°, то 90°. Это позволяет повысить точность измерения фазы за счет исключения погрешностей, вносимых аналоговым перемножителем. [Под комплектом частот подразумевается совокупность частот, соответствующих полному диапазону перестройки между минимальной и максимальной частотами.] С целью сокращения времени, необходимого для прохождения всего рабочего диапазона частот, предусмотрена перестройка вначале с нарастанием частоты, вплоть до ее максимального значения, а затем - с убыванием в обратном порядке, вплоть до минимальной частоты. При поступлении на синтезатор 8 частот очередной команды на перестройку частоты от модуля 19 управления в описанной системе фазовой автоподстройки возникает переходной процесс, имеющий колебательный характер, при котором заданная частота устанавливается в течение определенного времени, принимая то большее, то меньшее значение, постепенно приближаясь к заданному установившемуся значению. Повлиять на этот процесс невозможно в силу определенной физической природы замкнутой системы автоматического регулирования. Поэтому с целью достижения наибольшей точности выборка сигнала в аналого-цифровом преобразователя 18 производится непосредственно перед моментом поступления следующей команды на перестройку. Описанный здесь зондирующий сигнал в виде совокупности поочередно излучаемых сигналов с фиксированной частотой представляет собой частотно-дискретный сигнал, эквивалентный традиционно используемому ЛЧМ-сигналу в РЛС непрерывного излучения с тем, однако, преимуществом, что в предлагаемом устройстве каждая дискретная составляющая имеет строго определенную частоту и относительно точно измеренную фазу, что существенно во многих приложениях.
Во втором варианте выполнения предложенного радиолокатора после усиления в усилителе 16 промежуточной частоты принятый сигнал поступает на первые входы фазовых детекторов 17 и 23, выполненных в виде аналоговых перемножителей. На вторые входы фазовых детекторов 17 и 23 от блока 21 формирования вспомогательной частоты поступает опорный сигнал с частотой, равной четверти опорной частоты, причем опорные сигналы, поступающие на первый и второй фазовые детекторы, имеют сдвиг по фазе относительно друг друга на 90°. В результате чего на выходе фазовых детекторов появляется постоянное напряжение, пропорциональное синусу или косинусу относительной фазы принятого сигнала. Далее выходные сигналы фазовых детекторов подвергаются аналого-цифровому преобразованию и поступают в модуль 19 управления для дальнейшей их передачи на выход устройства. Выделение синусной или косинусной составляющей зависит от того, с каким сдвигом по фазе поступает на второй вход фазового детектора (17, 23) опорный сигнал. Использование двух фазовых детекторов и двух аналого-цифровых преобразователей позволяет повысить точность преобразования выходного сигнала усилителя 16 промежуточной частоты, которая необходима для измерения фазы при относительно быстром перемещении объекта.
По предложенной схеме был изготовлен и испытан макет радиолокатора, работающий в СВЧ диапазоне частот. Диапазон перестройки составлял 4 ГГц. Выходной сигнал передатчика 1 имеет вид радиоимпульсов с синусоидальным заполнением и дискретно изменяемой частотой. Если применить ко всему комплекту частот обратное преобразование Фурье, то спектру в 4 ГГц соответствовал бы радиоимпульс длительностью около 500 пикосекунд (Баскаков С.В. Радиотехнические цепи и сигналы. - М., Радио и связь, 1986). Для построения генератора, управляемого напряжением могут быть использованы известные микросхемы ГУН, обеспечивающие перестройку и в более широком диапазоне частот, например микросхема HMC587LC4B с диапазоном перестройки до 6 ГГц. Достижимый диапазон перестройки можно расширить, если применить, например два ГУН - один для низшей части требуемого диапазона частот, а другой для его высшей части. Например, использование двух микросхем: HMC586LC4B и HMC588LC4B - обеспечит перестройку в пределах от 4.5 до 12.5 ГГц. Блок 21 формирования вспомогательной частоты и модуль 19 управления могут быть выполнены, например, на микросхемах фирмы Altera. Фазовый детектор 17 может быть выполнен, например, на высокоточной микросхеме аналогового перемножителя AD835 (Analog Devices). Другие функциональные узлы могут быть выполнены на широко известных разработчикам микросхемах. При необходимости, в устройство могут быть дополнительно введены: между делителем 4 мощности и передающей антенной 3 - усилитель мощности, между приемной антенной 12 и балансным смесителем 13 - малошумящий усилитель. В том случае, когда диапазон перестройки составляет менее одной октавы, на входе передающей антенны 3 может быть дополнительно введен фильтр нижних частот с целью фильтрации гармоник выходного сигнала передающего блока 1.