РАДИОЛОКАТОР С МАЛОЭЛЕМЕНТНОЙ ЦИФРОВОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКОЙ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ
Полезная модель относится к радиолокации, в частности к области активных малогабаритных когерентных твердотельных цифровых радиолокаторов без механических движущихся частей в своем составе, и может быть использована для обнаружения и измерения в режиме реального времени параметров траекторий движущихся объектов при контроле больших по площади территорий, акваторий и воздушного пространства.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны радиолокаторы, например [1], в которых измерение угловых координат обнаруженных объектов производится с помощью узконаправленного луча (шириной менее 1 град) приемо-передающей антенны при ее механическом сканировании (например, в [1] путем кругового вращения) области наблюдения. Недостатком известных устройств является необходимость использования механических поворотных устройств и работы в высокочастотных (сантиметровых и миллиметровых) диапазонах длин волн для создания узконаправленного излучения в ограниченных габаритах антенны, что негативно сказывается на стоимости, энергопотреблении, технологичности производства и надежности в эксплуатации.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задача настоящей полезной модели состоит в создании радиолокатора, который был бы свободен от недостатков, перечисленных выше и при этом:
1) не включал бы в своем составе механическое поворотное устройства и
2) мог бы работать в низкочастотных (метровых и дециметровых) диапазонах длин волн при сохранении небольших габаритов и высокой точности измерения угловых координат.
Технический результат, который достигается при использовании предлагаемого радиолокатора состоит в снижении энергопотребления (за счет устранения энергозатрат на привод поворотного устройства, а также минимизации аппаратурной части путем усложнения программно-реализуемых алгоритмов работы), увеличении помехоустойчивости (за счет глубокой траекторной фильтрации выходной информации), повышение технологичности производства и надежности в эксплуатации (за счет использования более низкочастотных диапазонов длинн волн, уменьшения количества аппаратурных узлов, исключения движущихся частей и возможности производства составных частей радиолокатора в едином технологическом цикле).
Вышеуказанная задача решена благодаря тому, что радиолокатор, содержит:
цифровой управляемый коммутатор (5), имеющий входные каналы и выход,
передающие антенны (2), объединенные в фазированные группы (3),
приемные антенны (2), объединенные в фазированные группы (4), подключенные к входным каналам упомянутого коммутатора (5),
приемо-передающий твердотельный аналоговый конвертер, имеющий передающий канал (7) с подключенными к нему упомянутыми антеннами (2) фазированной группы (3), и приемный канал (8), подключенный к выходу упомянутого коммутатора (5) и
цифровой вычислитель, выполненный с возможностью вычисления угловых координат обнаруженного объекта по сигналу с вышеупомянутого конвертера посредством квазимоноимпульсного фазового метода, примененного к широкой диаграмме направленности антенны, с их последующим траекторным параметрическим сглаживанием.
Вышеупомянутые антенны (2) могут представлять собой (но не обязательно) одинаковые пространственно разнесенные элементарные излучатели с широкой, - в диапазоне по существу от 60 до 90 град, - диаграммой направленности.
Вышеупомянутые излучатели (2) могут представлять собой (но не обязательно) излучатели типа «патч» на основе плоских печатных плат с разделением излучателей на передающие и приемные.
Вышеупомянутые излучатели могут быть объединены в группы, внутри которых излучатели фазируются на антенной печатной плате, образуя фазированную группу (3, 4).
Каждая из приемных фазированных групп (4) может иметь обособленный выход на вышеупомянутый коммутатор (5).
Каждая из передающих фазированных групп (4) может иметь обособленный выход на вышеупомянутый коммутатор (5).
Вышеупомянутый аналоговый конвертер (6) может содержать:
передающий канал (7) с твердотельным выходным усилителем мощности,
приемный канал (8) с малошумящим входным усилителем и
блок высокостабильных гетеродинов (9), выполненных с возможностью сохранения когерентности в процессе преобразования несущих частот зондирующего и эхо-сигналов.
Вышеупомянутый цифровой вычислитель (10) может содержать:
высокопроизводительное микропроцессорное вычислительное ядро (15),
цифро-аналоговый преобразователь (11),
опорный генератор (12),
аналого-цифровой преобразователь (13),
динамическую память (16),
источник вторичного питания (14),
буферы входных и выходных цифровых портов.
Вышеупомянутый цифровой вычислитель (10) может быть (но не обязательно) выполнен с возможностью передачи выходной траекторной информации и приема входной управляющей информация радиолокатора через внешние интерфейсы Ethernet или RS-485.
Конструкция заявленного устройства ниже поясняется на примере одного из конкретных вариантов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фигуре 1 показана схема радиолокатора.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Радиолокатор, содержит в себе многоканальную приемо-передающую антенную систему с цифровым управляемым коммутатором, одноканальный приемо-передающий твердотельный аналоговый конвертер и цифровой вычислитель. Вычисление угловых координат обнаруженного объекта осуществляется посредством квазимоноимпульсного фазового метода, примененного к широкой диаграмме направленности антенны, с их последующим траекторным параметрическим сглаживанием.
Антенная система (1) радиолокатора состоит из небольшого числа одинаковых пространственно разнесенных элементарных излучателей (2) с широкой (до 60÷90 град) диаграммой направленности. Излучатели типа «патч» [2] реализуются на основе плоских печатных плат с разделением излучателей на передающие и приемные. Далее происходит объединение излучателей в группы, внутри которых излучатели фазируются на антенной печатной плате, образуя фазированную группу (3, 4). Каждая из приемных фазированных групп (4) имеет выход на цифровой многоканальный управляемый коммутатор (5), который имеет один вход для подключения к приемному каналу одноканального аналогового конвертера.
Аналоговый конвертер (6) состоит из передающего канала (7) с твердотельным выходным усилителем мощности, единственного приемного канала (8) с малошумящим входным усилителем и блока высокостабильных гетеродинов (9) сохраняющих когерентность в процессе преобразования несущих частот зондирующего и эхо-сигналов. Конвертер необходим для достижения необходимых характеристик цифрового синтеза и дискретизации, производимых на промежуточной частоте.
Цифровой специализированный вычислитель (10) производит синтез зондирующих сигналов и цифровую (согласованная фильтрация, обнаружение, измерение координат и траекторная фильтрация) обработку эхо-сигналов и состоит из микропроцессорного высокопроизводительного вычислительного ядра (15) и периферийных микросхем цифро-аналогового преобразователя (11), опорного генератора (12), аналого-цифрового преобразователя (13), динамической памяти (16), источника вторичного питания (14), буферов входных и выходных цифровых портов и т.д. Выходная траекторная информация и входная управляющая информация радиолокатора передаются через внешние интерфейсы Ethernet или RS-485.
Радиолокатор излучает длинные когерентные последовательности широкополосных зондирующих импульсов с помощью передающей фазированной группы антенной системы. Между интервалами излучения производится прием эхо-сигналов на выбранную с помощью управляемого коммутатора приемную фазированную группу. В течение, разделенных по времени, циклов передачи и приема происходит многократное переключение фазированных групп (последовательный сбор сигнальной информации с общей апертуры антенной системы) на одноканальный конвертер с последующей дискретизацией и обработкой эхо-сигналов, согласно алгоритму управления, определяемого программой цифрового вычислителя.
Таким образом, цифровой вычислитель получает сигнальную информацию с каждой приемной фазированной группы излучателей в отдельности, которую использует для последующего цифрового формирования диаграмм направленности соответствующих апертуре антенной системы [4]. Однако, для описываемого радиолокатора, при небольшом числе излучателей (малоэлементная фазированная решетка), диаграммы направленности получаются слишком широкими, не позволяющими получить необходимую точность измерения угловых координат. Поэтому дополнительно применяется «квазимоноимпульсный» фазовый метод, отличающийся от традиционных моноимпульсных фазовых методов, использующихся в моноимпульсных радиолокаторах [3], например в [2], тем, что применяется к широкой диаграмме направленности при наличии единственного приемного канала, кроме всего прочего, исключающего необходимость каких-либо юстировок приемных каналов. При этом, благодаря когерентности радиолокатора, для вычисления угловых координат обнаруженного объекта, производятся измерения разностей фаз эхо-сигналов принятых в разные моменты времени.
Данный подход позволяет обнаруживать объекты и получать их траекторную информацию, в том числе измеренные угловые координаты, в рабочем секторе, соответствующим широкой диаграмме направленности фазированной группы излучателей. Это и позволяет отказаться от использования механического поворотного устройство и работать в низкочастотных диапазонах длин волн при сохранении небольших габаритов, потому что в описываемом радиолокаторе нет необходимости реализовывать узкую диаграмму направленности антенны и обнаружение объектов во всем рабочем секторе производится одновременно.
При этом нетрудно видеть, что частота получения координат обнаруженных объектов (единичные замеры) получается в десятки раз большей, чем у радиолокаторов с механическим сканированием, потому что эта частота определяется уже не скоростью механического сканирования, а длительностью зондирующего сигнала. Это дает возможность использовать траекторные фильтры с большой эффективной памятью (глубокая траекторная фильтрация), причем для углов размер памяти находится в параметрической зависимости от дальности обнаруженного объекта. В результате значительно повышается точность угловых координат благодаря «сглаживания» замеров по их ансамблю [4]. Одновременно повышается и помехоустойчивость радиолокатора от действия пассивных помех, источниками которых могут быть элементы растительности, подверженные колебаниям при сильном ветре, волны на водной поверхности и т.д.
Таким образом, описываемый радиолокатор является полностью электронным устройством, в отличие от электронно-механического радиолокатора [1], причем, дополнительное повышение надежности, снижение энергопотребления и стоимости обусловлено предельным уменьшением аппаратурной части радиолокатора (в том числе за счет рассмотренной выше одноканальной реализации).
Повышение технологичности производства обусловлено тем, что все элементы радиолокатора (от антенны до цифрового вычислителя) могут производиться в едином технологическом цикле, и не требуют индивидуальной настройки, потому что представляют собой печатные платы с установленными на них электронными компонентами.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕ:
1. Патент РФ №2155354.
2. Патент РФ №2122218.
3. А.И. Леонов, К.И. Фомичев. Моноимпульсная радиолокация. М., "Радио и связь", 1984.
4. А. Фарина, Ф. Студер. Цифровая обработка радиолокационной информации. М., "Радио и связь", 1993.