РАДИОЛОКАТОР СО СЖАТИЕМ ИМПУЛЬСОВ
PULSE COMPRESSION RADAR

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано при разработке радиолокаторов со сжатием импульсов и селекцией движущихся целей (СДЦ), у которых формирование, сжатие и селекция движущихся целей происходит на промежуточной частоте, например, в когерентно-импульсных РЛС.
Известна когерентно-импульсная РЛС, содержащая связанные с антенной системой приемное устройство (ПУ) и передающее устройство (ПДУ), состоящее из последовательно соединенных генератора запускающих импульсов, формирователя сложных зондирующих сигналов с генератором сигнала промежуточной частоты, смесителя и усилителя мощности, а также имеется меньший гетеродин, состоящий из последовательно соединенных генератора и усилительно-умножительной цепочки, выход которой соединен с гетеродинным входом смесителя ПУ и второй усилительно-умножительной цепочки с коэффициентом умножения, равным коэффициенту умножения упомянутой усилительно-умножительной цепочки, выход которой соединен с гетеродинным входом смесителя ПДУ, а вход - с выходом опорного генератора через коммутатор, вход которого соединен с выходом генератора запускающих импульсов.
Существенным недостатком данного устройства является низкая когерентность радиолокатора из-за наличия двухканального построения местного гетеродина соединенного с входами смесителей ПУ и ПДУ, а также уменьшение диапазона измеряемых дальностей, связанное с ухудшением наблюдаемости большого числа целей, находящихся по различной дальности. Этот недостаток вызван тем, что при коммутации колебаний опорного генератора возникают осцилляции на вершине радиоимпульса (паразитная амплитудная модуляция вершины радиоимпульса) в переходном режиме из-за крутого фронта импульса синхронизации. Кроме того, в усилительно-умножительной цепочке, установленной после коммутатора, в переходном режиме возникает значительная паразитная угловая модуляция, которая приводит к искажению закона внутриимпульсной угловой модуляции.
Экспериментально установлено, что в переходном режиме паразитная амплитудная модуляция может достигать 25-30% при времени установления 3-4 мкс, девиация паразитной частотной модуляции может достигать несколько единиц МГц при том же времени установления, что соизмеримо с полезной девиацией частоты радиоимпульса.
Известный путь устранения недостатка - введение линии задержки и интегратора, причем линия задержки включена между генератором запускающих импульсов и формирователем сложных зондирующих сигналов, а интегратор включен между генератором запускающих импульсов и коммутатором, как это сделано в радиолокаторе, которое взято в качестве прототипа.
В этом устройстве имеются связанные с антенной через антенный переключатель ПУ, состоящее из последовательно соединенных усилителя высокой частоты (УВЧ), смесителя, усилителя промежуточной частоты (УПЧ), фильтра сжатия импульсов и индикатора, и ПДУ, содержащего синхронизатор, выход которого соединен с синхронизирующим входом индикатора ПУ, и последовательно соединенные формирователь сложных зондирующих импульсов с генератором сигнала промежуточной частоты, смеситель и усилитель мощности, также содержащий местный гетеродин, состоящий из двух усилительно-умножительных цепочек, выход одной из которых соединен с гетеродинным входом смесителя ПУ, а выход второй - с гетеродинным входом смесителя ПДУ, и опорный генератор, выход которого соединен с входом первой усилительно-умножительной цепочки непосредственно, а с входом второй усилительно-умножительной цепочки - через коммутатор, дополнительно введены линия задержки и интегратор, входы которых соединены с выходом синхронизатора ПДУ, причем выход линии задержки соединен с входом формирователя сложных зондирующих импульсов, а выход интегратора соединен с управляющим входом коммутатора местного гетеродина.
з
у
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mrow><mi>п</mi><mi>а</mi><mi>р</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>ϕ</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>t</mi><mi>y</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>6,28</mn><mo>⋅</mo><mn>3</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>6</mn></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,053</mn><mtext> </mtext><mi>М</mi><mi>Г</mi><mi>ц</mi></mrow>
Применение линии задержки задержало формирование зондирующего импульса на время t=t окончания переходного процесса включения сигнала местного гетеродина, включение же интегратора позволило уменьшить осцилляции на вершине радиоимпульса, уменьшив таким образом паразитную амплитудную модуляцию, а также уменьшив и угловую модуляцию зондирующего импульса. Так как паразитная частотная модуляция определяется скоростью изменения фазы, то при коммутации усилительно-умножительной цепочки, эквивалентной колебательному контуру, переходной процесс определяется эквивалентной добротностью этого контура и достигает порядка 3 мкс при девиации фазы порядка 1 радиана. Тогда
что значительно меньше полезной внутриимпульсной девиации частоты зондирующего сигнала, в результате не вносится заметных искажений закона изменения частоты и снижается уровень баковых лепестков сжатого радиосигнала.
Практически в данном радиолокаторе уровень боковых лепестков сжатого сигнала определяется примененным фильтром сжатия на дисперсионной ультразвуковой линии задержки (ДУЛЗ) при сохранении широкого диапазона измеряемых дальностей.
Однако такая схема все еще обладает недостатком, заключающемся в том, что при наличии раздельных усилительно-умножительных цепочек местного гетеродина соединенных с входами смесителей ПУ и ПДУ и коммутации одной из цепочек при формировании зондирующего сигнала сохраняется низкая когерентность радиолокатора из-за медленного процесса установления фазы коммутируемой цепочки, достигающей нескольких сот градусов за время 1-3 мс /Л1/.
Этот процесс обусловлен разностью фаз двух усилительно-умножительных цепочек, одна из которых коммутируется, а вторая работает непрерывно. Причиной набега фазы является разогрев кристалла полупроводникового прибора. Уровень фазовых остатков при этом в течение нескольких периодов работы РЛС соизмерим с уровнем полезного сигнала, в результате чего невозможно в этот период времени селектировать подвижные цели.
Целью изобретения является улучшение когерентности радиолокатора, при сохранении диапазона измеряемых дальностей и расширении функциональных возможностей радиолокатора.
Для достижения этой цели в радиолокаторе со сжатием импульсов, содержащем связанные с антенной через антенный переключатель приемное устройство, состоящее из последовательно соединенных усилителя высокой частоты смесителя, усилителя промежуточной частоты, фильтра сжатия импульсов, и передающее устройство, содержащее синхронизатор, выход которого соединен с синхронизирующим входом индикатора дальности приемного устройства и с последовательно соединенными линией задержки, формирователем сложных зондирующих импульсов с генератором сигнала промежуточной частоты (когерентным гетеродином), смесителем и усилителем мощности, а также содержащий местный гетеродин, состоящий из последовательно соединенных опорного генератора, усилительно-умножительной цепочки, отличающемся тем, что, с целью улучшения когерентности радиолокатора при сохранении диапазона измеряемых дальностей и расширения функциональных возможностей радиолокатора, дополнительно введены устройство СДЦ, включенное между фильтром сжатия импульсов и индикатором, опорный вход которого соединен с когерентным гетеродином, развязывающее устройство, включенное между усилительно-умножительной цепочкой и смесителем передающего устройства, содержащее фильтр мощности, выходы которого соединены со смесителем приемного устройства и с последовательно соединенным коммутатором, вентилем, фильтром и вторым вентилем и интегратор, включенный между выходом синхронизатора и управляющим входом коммутатора.
Включение коммутатора на выходе усилительно-умножительной цепочки позволило улучшить коэффициент подавления мешающих отражений (характеристика когерентности радиолокатора) на 7…10 дБ при улучшении быстродействия радиолокатора в 1000 раз (с 1…3 мс до 1…2 мкс).
Включение последовательно соединенных делителя мощности, коммутатора, вентиля, фильтра и второго вентиля позволили получить требуемую развязку между передающим и приемным смесителем (порядка 120 дБ), что обеспечило сохранение диапазона измеряемых дальностей радиолокатора. Интегратор, включенный между синхронизатором и управляющим входом коммутатора, устранил осцилляции на вершине радиоимпульса, что уменьшило таким образом паразитную амплитудную модуляцию, а также уменьшило и угловую модуляцию зондирующего сигнала. Улучшение когерентности радиолокатора позволило включить устройство СДЦ, обеспечивая выделение сигналов движущихся целей с малой эффективной площадью отражения на фоне отражений от неподвижных и медленно перемещающихся объектов.
Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не выявили в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".
На рисунке представлена блок-схема радиолокатора со сжатием импульсов.
з
у
<mrow><mo>≤</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn></mfrac></mrow>
Радиолокатор со сжатием импульсов содержит синхронизатор 1, который через линию задержи 2, длительность которой t≥t времени окончания переходного процесса включения сигнала местного гетеродина, соединен с управляющим входом формирователя сложных зондирующих сигналов 3, на выходе которого формируется сложный сигнал для обеспечения оптимальной линейной фильтрации. Другой его вход соединен с когерентным гетеродином 4, а выход - со смесителем передающего устройства 5. Гетеродинный вход смесителя передающего устройства соединен с выходом последовательно включенных опорного генератора 6, усилительно-умножительной цепочки 7, делителя мощности 8 для разделения сигнала на формирование зондирующего и гетеродинного сигналов, коммутатора 9, включающего сигнал, местного гетеродина на время формирования зондирующего сигнала, вентиля 10, фильтра 11, вентиля 12. С помощью сигнала местного гетеродина выходной сигнал формирователя сложных зондирующих сигналов 3 в смесителе 5 переносится на частоту зондирования РЛС. Управляющий вход коммутатора 9 связан через интегратор 13 с постоянной времени τ, равной
времени окончания переходного процесса включения сигнала, местного гетеродина с выходом синхронизатора 1. Выход смесителя 5 через усилитель мощности 14 связан с антенной системой, состоящей из антенного переключателя 15 и антенны 16. К антенному переключателю 15 подключено приемное устройство, состоящее из последовательно соединенных усилителя высокой частоты 17, смесителя 18 с подключенным к нему вторым выходом делителя мощности 8 гетеродинного сигнала, с помощью которого принятый антенной системой отраженный сигнал в смесителе 18 переносится на промежуточную частоту, усилителя промежуточной частоты 19, фильтра сжатия импульсов 20, являющимся оптимальным фильтром, максимизирующим отношение сигнал/помеха и устройство СДЦ 22, второй вход которого подключен ко второму выходу когерентного гетеродина 4. Наблюдение целей осуществляется с помощью индикатора 21, который связан с выходом СДЦ и с синхронизатором 1.
Синхронизатор 1 - генератор прямоугольных импульсов, выполненный по стандартной схеме из набора мультивибраторов /Л2, стр. 14, 248/.
Линия задержки 2 - электрическая линия задержи типа МЛЗ /Л2, стр. 267/.
Формирователь сложных зондирующих сигналов 3 - устройство формирования сигнала на дисперсионных ультразвуковых линиях задержки (или устройство формирования сигнала активным методом) /Л3, стр. 160/.
Когерентный гетеродин 4 и опорный генератор 6 - транзисторные автогенераторы синусоидальных колебаний, стабилизированные кварцевым резонатором /Л4, стр. 171/.
Усилительно-умножительная цепочка 7 - многокаскадный умножитель частоты, выполненный на транзисторах и варакторных диодах /Л5, стр. 116/.
Делитель мощности 8 - волноводный щелевой мост /Л2, стр. 142/.
Коммутатор 9 - электронный коммутатор, выполненный на полупроводниковых диодах /Л10/.
Вентили 10 и 12 - ферритовые развязывающие устройства /Л2, стр. 146/.
фильтр 11 - фильтр, выполненный на объемных резонаторах /Л6, стр. 363/.
з
Интегратор 13 - устройство, включающее в себя расширитель входных импульсов на величину t и собственно интегрирующую цепь, состоящую из резистора и конденсатора. (В случае допустимости потерь длительности зондирующего сигнала на величину задержки интегратор 13 может состоять из резистора и конденсатора) /Л7, стр. 59/.
Усилитель мощности 14 - многокаскадный усилитель мощности, выполненный на ЛБВ и амплитронах /Л2, стр. 341, 342/.
Антенная система 15 и 16 - устройство, предназначенное для излучения и приема сигналов /Л2, стр. 165, 166/.
Усилитель высокой частоты 17 - устройство, выполненное на малошумящих усилителях /Л2, стр. 368/.
Усилитель промежуточной частоты 19 - многокаскадный малошумящий усилитель с полосой пропускания не менее ширины спектра принимаемого сигнала, выполненный на транзисторах /Л8, стр. 26/.
Согласованный фильтр 20 - устройство, сжимающее принятый сигнал, выполненное на сжимающей ДУЛЗ /Л3, стр. 166/.
Индикатор 21 - устройство отображения принятой информации, выполненное, например, на электроннолучевой трубке /Л2, стр. 397/.
СДЦ 22 - устройство селекции движущихся целей, состоящее из фазового детектора и компенсирующего устройства /Л9, стр. 123/
Радиолокатор со сжатием импульсов работает следующим образом.
Непрерывный сигнал когерентного гетеродина 4 модулируется по амплитуде и фазе в формирователе сложных зондирующих сигналов 3, превращаясь в радиоимпульс с внутриимпульсной угловой модуляцией (например, линейно-частотно-модулированный сигнал) с помощью импульса синхронизации, задержанного линией задержки 2. Время задержки выбирается не менее времени окончания переходного процесса включения сигнала местного гетеродина, благодаря чему на это время задерживается формирование сложного зондирующего сигнала. Таким образом исключается искажение зондирующего сигнала фронтом сигнала местного гетеродина. Сформированный на промежуточной частоте зондирующий сигнал переносится на частоту излучения РЛС в смесителе 5 с помощью сигнала местного гетеродина, формируемого опорным генератором 6, усилительно-умножительной цепочки 7, делителем мощности 8 и коммутатором 9. Зондирующий сигнал включается с помощью импульса синхронизатора 1, подключаемого к коммутатору 9 через интегратор 13. Включение интегратора позволило погасить осцилляции на вершине радиоимпульса, уменьшив таким образом паразитную амплитудную модуляцию, а также уменьшив и угловую модуляцию зондирующего импульса. Влияние формируемого зондирующего сигнала на прием сигналов, отраженных от ближних целей, устраняется включением делителя мощности 8, коммутатора 9, вентилей 10 и 12, фильтра 11. Выходной сигнал смесителя 5 усиливается усилителем мощности 14 и через антенный переключатель 15 излучается антенной 16. Принятый антенной отраженный сигнал от цели поступает через антенный переключатель на вход приемного устройства, усиливается усилителем высокой частоты 17, переносится в смесителе 18 на промежуточную частоту с помощью сигнала местного гетеродина, усиливается в усилителе промежуточной частоты 19, сжимается согласованные фильтром 20, поступает на устройство СДЦ 22, использующее появление доплеровской частоты в сигнале движущейся цели для выделения целей на фоне отражений от неподвижных и медленно меняющихся объектов и подается на индикатор 21. Преобразование сигналов осуществляется с помощью когерентных сигналов от одного местного гетеродина.
Использование изобретения позволило улучшить когерентность радиолокатора при сохранении диапазона измеряемых дальностей и расширить функциональные возможности радиолокатора введением устройства селекции движущихся целей, обеспечив выделение сигналов движущихся целей с малой эффективной площадью отражения на фоне отражений от неподвижных и медленно перемещающихся объектов.
Источники информации
1. А.И.Карнаков, В.М.Павлык. Экспериментальное исследование процесса  установления фазы выходного колебания усилительно-умножительной цепочки. Научно-технический сборник «Вопросы кораблестроения», сер. Радиолокация, 1984, вып. 42.
2. Справочник по основам радиолокационной техники. Под ред. В.В.Дружинина. Военное издательство, 1967.
3. Ч.Кук, М.Бернфельд. Радиолокационные сигналы. Пер. с англ., под ред. В.С.Кельзона, М., Сов. Радио, 1971.
4. Проектирование радиопередающих устройств СВЧ. Под ред. Г.М.Уткина, М., Сов. Радио, 1979.
5. Е.М.Верещагин, А.П.Волошин, Ю.Г.Никитенко. Транзисторно-варакторные генераторы. Под ред. Ю.Г.Никитенко, К., «Технiка», 1979.
6. Г.Л.Маттей, Л.Янг, Е.М.Т.Джонс. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. Том I. Пер. с англ., М., Изд-во «Связь», 1971.
7. В.С.Тихомиров. Синхронизация и развертка в транзисторном телевизоре. М., «Энергия», 1970.
8. В.Д.Екимов, К.М.Павлов. Проектирование радиоприемных устройств. М., «Связь», 1970.
9. П.А.Бакулев, В.М.Степин. Методы и устройства селекции движущихся целей. М., «Радио и связь», 1986.
10. А.В.Вайсблат. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. М., «Радио и связь», 1987.