МНОГОДИАПАЗОННЫЙ ВЕРТОЛЕТНЫЙ РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС
MULTIBAND HELICOPTER RADAR SYSTEM

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано на вертолетах.
Из уровня техники известна радиолокационная станция для вертолета (Патент RU №2256939, опубликован 20.07.2005, МПК: H01S 13/04, Н01S 13/90). Радиолокационная станция для вертолета состоит из двух сканирующих антенных решеток, размещенных в лопастях вертолета, передающего устройства, циркулятора, приемного устройства, задающего генератора, цифрового процессора сигналов, синхронизатора, датчика угла, цифрового процессора данных, индикатора, вращающегося перехода, двух разделительных фильтров.
К недостаткам радиолокационной станции можно отнести невозможность реализации режима обнаружения опасных для полета метеообразований, их интенсивности и дальности до них, большие ограничения по обнаружению опасных для полета препятствий по направлению полета летательного аппарата, проводов линий электропередачи воздушных объектов на высоте, большей высоты носителя. Такая радиолокационная станция имеет большие потери в энергетическом потенциале из-за канализации СВЧ энергии от передатчика до антенн, размещенных в лопастях вертолета.
Известна вертолетная радиолокационная станция обнаружения наземных препятствий (Заявка RU №2005110343 опубликована 20.10.2006, МПК: G01S 13/04, G01S13/90). Радиолокационная станция включает антенную систему, состоящую из двух сканирующих антенных решеток, размещенных в лопастях вертолета, вращающийся переход, передающее устройство, циркулятор, приемное устройство, задающий генератор, цифровой процессор сигналов, включающий устройство обработки суммарно-разностной диаграммы, состоящее из устройства модуля, коммутатора, двух устройств памяти, устройства суммы, двух устройств разности, двух устройств умножения, синхронизатора датчика угла, цифрового процессора данных и индикатора. Причем в процессор сигналов введено устройство обужения, состоящее из устройства разности и двух устройств умножения.
К недостаткам данной радиолокационной станции можно отнести то, что она предназначена только для обнаружения наземных препятствий.
Наиболее близким по технической сущности является вертолетный радиолокационный комплекс (Патент RU №2344439, опубликовано 20.01.2009, МПК: G01S 13/00), который выбран в качестве прототипа. Вертолетный радиолокационный комплекс содержит радиолокационную станцию, состоящую из двух сканирующих антенных решеток, вращающегося перехода, приемного устройства, задающего генератора, бортового вычислительного комплекса. При этом радиолокационная станция включает два выходных усилителя мощности, второй вращающийся переход, второе приемное устройство, привод по углу места, привод по азимуту, причем все блоки радиолокационной станции, кроме бортового вычислительного комплекса, размещены над втулкой несущего винта вертолета. А также вертолетный радиолокационный комплекс содержит аппаратуру опознавания государственной принадлежности, включающую активную фазированную антенную решетку дециметрового диапазона волн правого крыла, активную фазированную антенную решетку дециметрового диапазона волн левого крыла, блок приемозапросчика-ответчика, а также специализированную цифровую вычислительную машину.
К недостаткам данного технического решения можно отнести недостаточно высокую вероятность обнаружения целей, а также большое время обзора при малом секторе обзора по углу места, недостаточно высокую точность измерения координат и электромагнитную устойчивость вертолетного радиолокационного комплекса.
Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей, повышении точности измерения координат и вероятности обнаружения цели, сокращении времени обзора воздушного пространства с увеличением зоны обзора по углу места, повышении электромагнитной устойчивости многодиапазонного вертолетного радиолокационного комплекса.
Технический результат достигается за счет того, что многодиапазонный вертолетный радиолокационный комплекс содержит антенные системы, задающий генератор, специализированную цифровую вычислительную машину (СЦВМ), блок приемозапросчика-ответчика. При этом он отличается от прототипа тем, что антенные системы выполнены в виде щелевой антенной решетки (ЩАР) Ка-диапазона волн, щелевой антенной решетки (ЩАР) Х-диапазона волн, а также, фазированной антенной решетки (ФАР) L-диапазона волн, выполненной с возможностью решения задач государственного опознавания цели и обнаружения цели в радиолокационном режиме, при этом многодиапазонный вертолетный радиолокационный комплекс дополнительно включает переключатель запрос / радиолокационный (РЛ) режим, приемопередающий модуль Ка-диапазона волн, приемопередающий модуль Х-диапазона волн, приемопередающий модуль L-диапазона волн, низкочастотное приемное устройство с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), привод антенный с электромеханической стабилизацией луча.
Причем вход-выход ЩАР Ка-диапазона волн соединен с входом-выходом приемопередающего модуля Ка-диапазона волн, вход-выход ЩАР Х-диапазона волн соединен с входом-выходом приемопередающего модуля Х-диапазона волн, вход-выход ФАР L-диапазона волн соединен с первым входом-выходом переключателя запрос / РЛ режим, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом приемопередающего модуля L-диапазона волн. Причем входы приемопередающего модуля Ка-диапазона волн, приемопередающего модуля Х-диапазона волн, приемопередающего модуля L-диапазона волн соединены между собой и с первым выходом задающего генератора, второй выход которого соединен с первым входом блока приемозапросчика-ответчика, а его вход-выход соединен с входом-выходом специализированной цифровой вычислительной машины, первый выход которой соединен со вторым входом блока приемозапросчика-ответчика. Второй выход специализированной цифровой вычислительной машины соединен со вторым входом переключателя запрос / РЛ режим, первый вход которого соединен с выходом блока приемозапросчика-ответчика. При этом выходы приемопередающего модуля Ка-диапазона волн, приемопередающего модуля Х-диапазона волн, приемопередающего модуля L-диапазона волн соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами низкочастотного приемного устройства с АЦП, которое соединено со специализированной цифровой вычислительной машиной, приводом антенным с электромеханической стабилизацией луча, блоком приемозапросчика-ответчика посредством шины, являющейся входом бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО), предназначенного для передачи радиолокационного изображения пространства на многофункциональный индикатор пилота вертолета.
Сущность изобретения поясняется рисунком, на котором представлена структурная схема многодиапазонного вертолетного радиолокационного комплекса, включающего следующие блоки:
1 - щелевая антенная решетка (ЩАР) Ка-диапазона волн;
2 - щелевая антенная решетка (ЩАР) Х-диапазона волн;
3 - фазированная антенная решетка (ФАР) L-диапазона волн;
4 - переключатель запрос / радиолокационный (РЛ) режим;
5 - приемопередающий модуль Ка-диапазона волн;
6 - приемопередающий модуль Х-диапазона волн;
7 - приемопередающий модуль L-диапазона волн;
8 - блок приемозапросчика-ответчика;
9 - задающий генератор;
10 - низкочастотное приемное устройство с аналого-цифровым преобразователем (АЦП);
11 - специализированная цифровая вычислительная машина (СЦВМ);
12 - привод антенны с электромеханической стабилизацией луча.
Вертолетный радиолокационный комплекс выполнен многодиапазонным, что позволяет осуществлять работу в Ка (миллиметровом), X (сантиметровом) и L (дециметровом) диапазонах.
Для излучения и приема сигналов в миллиметровом и сантиметровом диапазонах волн используются антенные системы, выполненные в виде щелевых антенных решеток (ЩАР) соответствующего диапазона волн. Использование щелевых антенных решеток позволяет уменьшить массу аппаратуры МВРЛК, что является существенным достоинством при установке ее на вертолет.
Щелевая антенная решетка (ЩАР) Ка-диапазона волн 1 выполнена с возможностью осуществления приема и излучения сигналов в миллиметровом диапазоне волн, обеспечивает излучение в пространство зондирующего и прием отраженного сигнала миллиметрового диапазона волн, участвует в работе многодиапазонного вертолетного радиолокационного комплекса в режимах обзора земной поверхности, маловысотного полета и непрерывной пеленгации (измерения координат) воздушной цели. ЩАР Ка-диапазона волн формирует суммарно-разностную диаграмму направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Щелевая антенная решетка (ЩАР) X-диапазона волн 2 обеспечивает излучение в пространство зондирующего и прием отраженного сигнала в сантиметровом диапазоне волн, участвует в работе многодиапазонного вертолетного радиолокационного комплекса в режимах БРЛК обзора воздушного пространства с целью обнаружения аэродинамической цели и метеообразований.
Фазированная антенная решетка (ФАР) L-диапазона волн 3 осуществляет излучение в пространство, прием ответных сигналов цели в режиме государственного опознавания цели и отраженных сигналов от цели в радиолокационном режиме обзора воздушного пространства с целью обнаружения аэродинамических объектов и измерения их координат. ФАР L-диапазона волн 3 формирует суммарную диаграмму направленности в азимутальной плоскости и суммарно-разностную диаграмму направленности по углу места. При этом одна ФАР L-диапазона волн 3 участвует как в выполнении задач государственного опознавания цели, так и в обнаружении воздушной цели в радиолокационном режиме.
Переключатель «запрос / радиолокационный (РЛ) режим» 4 выполнен в микроволновом исполнении. Переключатель 4 осуществляет переключение зондирующих сигналов блока приемозапросчика-ответчика 8 государственного опознавания и приемопередающего модуля L-диапазона волн 7. В режиме приема обеспечивает канализацию от ФАР L-диапазона волн 3 сигналов на блок приемозапросчика-ответчика 8 и на приемопередающий модуль радиолокационного режима L-диапазона волн 3.
Приемопередающий модуль Ка-диапазона волн 5 (миллиметрового диапазона) является многоканальным на прием и одноканальным - на передачу. Приемопередающий модуль 5 предназначен для формирования и усиления по мощности зондирующего и приема отраженного от объектов сигналов. Осуществляет перенос несущей частоты принятого сигнала в сигнал, удобный для аналого-цифрового преобразования, а также запирание приемных каналов на время излучения зондирующих сигналов. Конструктивно может быть выполнен в модульном исполнении или из нескольких устройств, например, усилитель зондирующего сигнала, Y-циркулятор, приемное устройство миллиметрового диапазона частот, преобразователь частот или их комбинаций.
Приемопередающий модуль X-диапазона волн 6 (сантиметрового диапазона) является многоканальным на прием и одноканальным - на передачу. Приемопередающий модуль 7 предназначен для формирования и усиления по мощности зондирующего и. приема отраженного от объектов сигналов. Осуществляет перенос несущей частоты принятого сигнала в сигнал, удобный для аналого-цифрового преобразования, а также запирание приемных каналов на время излучения зондирующих сигналов. Конструктивно может быть выполнен в модульном исполнении или из нескольких устройств, например, усилитель зондирующего сигнала, Y-циркулятор, приемное устройство сантиметрового диапазона частот, преобразователь частот или комбинации таких устройств.
Приемопередающий модуль L-диапазона волн 7 (дециметрового) является многоканальным на прием и одноканальным на передачу. Приемопередающий модуль 7 предназначен для формирования и усиления по мощности зондирующего и приема отраженного от объектов сигналов. Осуществляет перенос несущей частоты принятого сигнала в сигнал, удобный для аналого-цифрового преобразования, а также запирание приемных каналов на время излучения зондирующих сигналов. Конструктивно может быть выполнен в модульном исполнении или из нескольких устройств, например, усилитель зондирующего сигнала, Y-циркулятор, приемное устройство дециметрового диапазона частот, преобразователь частот или комбинации таких устройств.
Блок приемозапросчика-ответчика 8 предназначен для формирования запросных сигналов в сторону летательного аппарата, государственную принадлежность которого необходимо определить, а также приема и обработки ответных сигналов этого же летательного аппарата.
Задающий генератор 9, являющийся источником аналогового сигнала, предназначен для формирования непрерывного высокостабильного колебания опорной частоты для формирования зондирующих сигналов в приемопередающих модулях Ка-диапазона волн 5, Х-диапазона волн 6 и L-диапазона волн 7 и формирования когерентных гетеродинных сигналов для переноса принятых сигналов, как правило, на первую и вторую промежуточные частоты, в приемопередающих модулях 5, 6, 7 миллиметрового, сантиметрового и дециметрового диапазонов волн.
Низкочастотное приемное устройство с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 10 - это многоканальное низкочастотное устройство, предназначенное для усиления сигнала до уровня, необходимого для аналого-цифрового преобразования, многоканального аналого-цифрового преобразования принятого сигнала, демодуляции по частоте или фазе принятых сигналов (при необходимости). В данном устройстве формируются синхронизируемые импульсные сигналы, необходимые для формирования зондирующих сигналов в приемопередающих модулях 5, 6, 7. Выходные сигналы низкочастотного приемного устройства с АЦП 10 имеют цифровую форму и выдаются по нескольким каналам в специализированную цифровую вычислительную машину (СЦВМ) 11. Низкочастотное приемное устройство с АЦП 10 и специализированная цифровая вычислительная машина 11 выполняют функции бортового вычислительного комплекса, используемого в прототипе, а раздельное их исполнение позволяет повысить электромагнитную устойчивость МВРЛК.
Специализированная цифровая вычислительная машина (СЦВМ) 11 предназначена для многоканальной цифровой обработки сигналов низкочастотного приемного устройства с АЦП 10. Управление радиолокационными средствами осуществляется программным способом. Для этого в СЦВМ 11 задаются несколько программ управления, которые предназначены для решения конкретных задач. СЦВМ 11 может быть выполнена, например, как описанная в патентах на изобретение RU №2272317, полезную модель RU №67742.
В соответствии с заданным функционально-программным обеспечением СЦВМ 11 решает все задачи многодиапазонного вертолетного радиолокационного комплекса (МВРЛК) по обнаружению объектов по отраженным сигналам, определению их координат и опасности, а также определению класса целей, формированию радиолокационного изображения пространства и дальнейшей передачи в бортовое радиоэлектронное оборудование (БРЭО) вертолета информации, необходимой для решения боевых задач вертолетом (Сборник докладов «Материалы XII Международной Научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», 2006 г., Воронеж).
Привод антенный с электромеханической стабилизацией луча 12 по угловым координатам предназначен для размещения на нем щелевой антенной решетки ЩАР Ка-диапазона волн 1, щелевой антенной решетки ЩАР X-диапазона волн 2, фазированной антенной решетки ФАР L-диапазона волн 3, переключателя запрос / РЛ режим 4, приемопередающего модуля Ка-диапазона волн 5, приемопередающего модуля X-диапазона волн 6 и их перемещения (сканирования) со стабилизированной скоростью по определенному закону, устанавливаемому СЦВМ 11. В своем составе привод антенный с электромеханической стабилизацией луча 12 содержит автономные контура стабилизации положения антенных систем от механических воздействий вертолета по каждой степени свободы. Привод антенный с электромеханической стабилизацией луча 12 позволяет уменьшить воздействие механических колебаний вертолета на ЩАР Ка-диапазона волн, ЩАР Х-диапазона волн и ФАР L-диапазона волн, за счет чего повышается точность измерения координат цели и увеличивается ресурс МВРЛК.
Предлагаемая схема многодиапазонного вертолетного радиолокационного комплекса позволяет решать множество различных задач, обеспечивая работу в нескольких режимах.
Режим обзора земной поверхности (ОЗП). Для обеспечения данного режима используется миллиметровый диапазон волн, может также использоваться и дециметровый диапазон - для обнаружения целей, замаскированных листвой, маскировочными сетями, дерном и решаются следующие задачи: картографирование земной (морской) поверхности, обнаружение наземных подвижных и неподвижных целей, определение координат и направления движения нескольких наземных подвижных целей, определение координат нескольких наземных неподвижных целей.
Режим обзора воздушного пространства (ОВП). В этом режиме используется миллиметровый (частично), сантиметровый и дециметровый диапазоны волн и решаются следующие задачи: обнаружение аэродинамических целей, определение координат и направления движения нескольких воздушных целей, распознавание класса воздушных целей - самолет, вертолет, «зависший» вертолет. Сантиметровый и дециметровый диапазоны волн могут использоваться как одновременно, так и раздельно в разное время.
Режим маловысотного полета (MBП). В этом режиме используется миллиметровый диапазон волн, и решаются следующие задачи: обнаружение опасных для полета искусственных и естественных объектов (препятствий), определение высоты препятствий и их углового размера по азимуту.
Режим обнаружения метеообразований. В этом режиме используется сантиметровый и миллиметровый (частично) диапазоны волн, и решаются следующие задачи: обнаружение области метеообразований, определение интенсивности метеобразований и дальности до них, формирование изображения метеообразований и выдача его в БРЭО для отображения на индикаторах пилота.
Режим пеленгации. В этом режиме используется миллиметровый диапазон волн, происходит непрерывный контакт с целью, измеряются ее координаты, которые по шине данных выдаются в БРЭО для целеуказания более точным системам, например, ОЭС или РЛС сопровождения целей, работающих на более высоких частотах зондирующего сигнала, чем МВРЛК.
Режим определения государственной принадлежности обнаруженных объектов. В МВРЛК используются режимы определения государственной принадлежности объектов в соответствии с действующими нормативными документами, действующими в Российской Федерации.
Работа многодиапазонного вертолетного радиолокационного комплекса (МВРЛК) осуществляется следующим образом. Экипажем вертолета выбирается режим работы. После чего выбранный режим работы по командам, поступающим из бортового радиоэлектронного оборудования вертолета, задается по цифровому каналу связи МВРЛК.
Задающий генератор 9 формирует сигнал высокостабильного непрерывного синусоидального колебания, которое поступает с первого выхода задающего генератора одновременно на входы приемопередающих модулей Ка-диапазона волн 5, Х-диапазона волн 6 и L-диапазона волн 7, в которых формируются зондирующие сигналы своего диапазона с необходимыми видами частотной модуляции или фазокодовой манипуляцией. Усиленные по мощности зондирующие сигналы каждого приемопередающего модуля, при получении разрешения от задающего генератора на излучение сигналов одновременно Х-диапазона волн и L-диапазона волн, или раздельно во времени, поступают в антенную систему своего диапазона и излучаются в открытое пространство. В зависимости от положения переключателя запрос / РЛ режим к входу-выходу ФАР L-диапазона волн 3 могут подключаться запросные сигналы блока приемозапросчика-ответчика 8 для государственного опознавания цели, или приемопередающего модуля L-диапазона волн 7 для обнаружения цели. Отраженные сигналы миллиметрового, сантиметрового и дециметрового диапазонов волн (в соответствующих режимах, которые устанавливает СЦВМ 11 по информации БРЭО, поступающей по шине) принимают ЩАР Ка-диапазона волн 1, ЩАР Х-диапазона волн 2 и ФАР L-диапазона волн 3 и передают в приемные устройства приемопередающих модулей соответствующих диапазонов, в которых усиливаются по амплитуде и далее поступают на входы многоканального низкочастотного приемного устройства с АЦП 10, где усиливаются по амплитуде, фильтруются, демодулируются и преобразуются в цифровой вид. Цифровые сигналы многоканального низкочастотного приемного устройства с АЦП 10 передаются по шине в СЦВМ 11. СЦВМ 11, используя цифровые сигналы приемного устройства с АЦП 10 и определенное функциональное программное обеспечение, решает все задачи МВРЛК по управляющим сигналам БРЭО вертолета, передаваемым по шине на СЦВМ 11. Соответствующая информация МВРЛК с СЦВМ 11 во всех режимах передается по шине в бортовое радиоэлектронное оборудование (БРЭО) вертолета с последующим отображением на многофункциональном индикаторе (МФИ) пилота вертолета.
В режиме государственного опознавания переключатель запрос / РЛ режим устанавливают по команде СЦВМ 11 в положение «запрос» и ответные сигналы с ФАР L-диапазона З поступают на блок приемозопросчика-ответчика 8, где по определенным алгоритмам решаются задачи государственного опознавания цели с последующим направлением информации в БРЭО вертолета.
Объединение разнодиапазонных программно управляемых устройств в единый радиолокационный комплекс позволяет существенно повысить эффективность управления и обеспечить максимальное использование возможностей каждого диапазона. Это особенно необходимо в условиях, когда в зоне видимости ВРЛК находятся замаскированные в лесной местности наземные объекты или сотни воздушных объектов, а также для обеспечения высокой разрешающей способности, как при обнаружении объектов различного характера, так и при наведении по ним управляемого оружия («Миллиметровая радиолокация», издательство «Радиотехника», Москва, 2010 г.)
Предлагаемая схема построения многодиапазонного вертолетного радиолокационного комплекса позволяет повысить вероятность обнаружения воздушных и наземных целей за счет возможности осуществления одновременной работы МВРЛК в сантиметровом и дециметровом диапазонах волн с последующим сложением результатов обработки принятых отраженных от цели сигналов этих диапазонов волн, расширить его функциональные возможности по обнаружению и измерению координат воздушных и наземных объектов, искусственных и естественных препятствий, опасных для полета метеообразований, определению государственной принадлежности обнаруженных объектов, наложению радиолокационного изображения на карту местности. Причем уменьшается время обзора пространства при увеличении сектора обзора по углу места за счет широкого луча ФАР L-диапазона волн по углу места. При этом одна ФАР L-диапазона волн участвует в выполнении задач государственного опознавания цели и обнаружения цели в радиолокационном режиме.
Раздельное использование низкочастотного приемного устройства с АЦП и специализированной цифровой вычислительной машины с программным обеспечением позволяет повысить электромагнитную устойчивость МВРЛК.
Применение привода антенны с электромеханической стабилизацией луча позволяет уменьшить воздействие механических колебаний вертолета на ЩАР Ка-диапазона волн, ЩАР Х-диапазона волн и ФАР L-диапазона волн, за счет чего повышается точность измерения координат цели и увеличивается ресурс работы МВРЛК.