Способ радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу
RADAR LOCATION METHOD WITH CARRIER FREQUENCY TUNING FROM PULSE TO PULSE

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано при построении бортовых радиолокационных станций с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу.
Известен способ радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу [1], заключающийся в использовании одновременно перестраиваемых по частоте передатчика и приемника.
Реализация способа [1] заключается в следующем.
В передатчике с перестройкой частоты формируются излучаемые радиоимпульсы несущей частоты, которые излучаются в направлении цели. Отраженные сигналы принимаются приемником, в котором частота настройки изменяется с помощью перестраиваемого по частоте гетеродина. Частоты передатчика и гетеродина приемника перестраиваются таким образом, чтобы разностная частота всегда имела постоянное значение, равное промежуточной частоте приемника. Оптимальная фильтрация отраженных сигналов обеспечивается на промежуточной частоте частотно-избирательным устройством, полоса пропускания которого согласована со спектром излучаемого радиоимпульса.
Недостатками способа [1] являются:
- сложность сопряжения частот передатчика и гетеродина приемника при их перестройке в рабочем диапазоне частот;
- необходимость обеспечения долговременной стабильности частотных параметров задающего генератора передатчика, гетеродина и частотно-избирательного устройства при эксплуатации РЛС.
Известен способ радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу [2], заключающийся в использовании системы автоматической подстройки частоты (АПЧ) гетеродина приемника, обеспечивающей сопряжение несущей частоты передатчика с частотой настройки приемника.
Реализация способа [2] заключается в следующем.
В передатчике формируются радиоимпульсы несущей частоты, которые излучаются в направлении цели. Часть мощности сигнала передатчика поступает в систему АПЧ гетеродина приемника и за время, равное длительности излучаемого радиоимпульса, система АПЧ подстраивает частоту гетеродина приемника. Частота дискриминатора системы АПЧ, равная разности несущей частоты передатчика и частоты гетеродина приемника, совпадает с промежуточной частотой приемника.
Отраженный от цели сигнал поступает в приемник, частота настройки которого с помощью системы АПЧ гетеродина во время излучения радиоимпульса подстроена под несущую частоту передатчика, при этом полоса пропускания линейной части приемника согласована с шириной спектра радиоимпульса передатчика. Это равенство обеспечивает условие оптимального приема отраженного сигнала.
Недостатками способа [2] являются:
- необходимость обеспечения стабильности частотных характеристик дискриминатора системы АПЧ гетеродина и амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилителя промежуточной частоты (УПЧ) приемника;
- наличие остаточной расстройки в системе АПЧ гетеродина, не позволяющей обеспечить полное согласование полосы пропускания линейной части приемника с шириной спектра радиоимпульса передатчика, т.е. его оптимальность;
- наличие ограничений на длительность излучаемых радиоимпульсов при перестройке их несущей частоты ввиду инерционности системы АПЧ гетеродина.
Известен способ радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу [3], заключающийся в формировании излучаемого радиоимпульса переносом радиоимпульсного сигнала генератора, частота которого фиксирована и равна промежуточной частоте приемника, на несущую частоту методом гетеродинирования с использованием перестраиваемого по частоте непрерывного гетеродинного сигнала, и приеме отраженного сигнала супергетеродинным приемником с использованием этого же гетеродинного сигнала. Данный способ выбран за прототип.
Реализация способа [3] заключается в следующем.
РИ
РИ
ИПЧ
ИПЧ
0
0
Из сигнала U(t) (поз. 1 на фиг. 1) источника радиоимпульсов фиксированной частоты ƒ (поз. 1 на фиг. 2) и непрерывного гетеродинного сигнала U(t) (поз. 2 на фиг. 1) с частотой ƒ источника с перестройкой частоты (поз. 4 на фиг. 2) методом прямого гетеродинирования вверх по частоте первым смесителем (поз. 2 на фиг. 2) формируется радиоимпульсный сигнал U(t) несущей частоты ƒ (поз. 3 на фиг. 1)
0
РИ
ИПЧ
ƒ=ƒ+ƒ,
который после усиления усилителем мощности (поз. 3 на фиг. 2) излучается в направлении цели.
ОТР
ПЧ
Отраженный от цели сигнал U(t) (поз. 4 на фиг. 1) после усиления малошумящим усилителем (поз. 5 на фиг. 2) методом возвратного гетеродинирования вторым смесителем (поз. 6 на фиг. 2) смещается вниз на промежуточную частоту ƒ
ПЧ
0
ИПЧ
ƒ=ƒ-ƒ,
ПЧ
0
ЧИУ
на которой сигнал промежуточной частоты U(t) (поз. 5 на фиг. 1) фильтруется согласованным со спектром излучаемого сигнала S частотно-избирательным устройством (ЧИУ) с полосой пропускания Δƒ (поз. 7 на фиг. 2).
РИ
ПЧ
Таким образом, при равенстве частоты источника радиоимпульсов ƒ промежуточной частоте ƒ, на которой осуществляется фильтрация,
РИ
ПЧ
ƒ=ƒ,
0
для любой несущей частоты излучаемого сигнала ƒ будет обеспечена настройка приемника на эту частоту.
Недостатками способа [3] являются:
- необходимость поддержания в эксплуатации равенства частот источника радиоимпульсов передатчика частоте настройки ЧИУ приемника;
- сложность схемы, реализующей данный способ.
Первый недостаток обусловлен сложностью обеспечения долговременной стабильности частотных параметров передатчика и ЧИУ приемника при старении и дестабилизирующих факторах внешней среды.
Второй недостаток обусловлен наличием двух смесителей, из которых первый (смеситель сдвига) методом прямого гетеродинирования формирует в передатчике сигнал несущей частоты, второй в приемнике возвратным гетеродинированием преобразует отраженный сигнал несущей частоты в сигнал промежуточной частоты.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение оптимального приема отраженных сигналов при перестройке несущей частоты излучаемых радиоимпульсов от импульса к импульсу без предъявления требований к долговременной стабильности частотных параметров входящих устройств и при более простой практической реализации.
Технический результат достигается тем, что в способе радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу, заключающемся в получении сигнала несущей частоты методом прямого гетеродинирования радиоимпульсов фиксированной частоты вверх по частоте на величину частоты гетеродинного сигнала и приеме отраженного сигнала методом возвратного гетеродинирования сдвигом его вниз по частоте с последующей фильтрацией отраженного сигнала на частоте радиоимпульсов фиксированной частоты частотно-избирательным устройством, при этом перестройку несущей частоты осуществляют изменением частоты гетеродинного сигнала, при прямом гетеродинировании в качестве радиоимпульсов фиксированной частоты используют отклик частотно-избирательного устройства на сверхкороткое импульсное воздействие, а после возвратного гетеродинирования фильтрацию отраженного сигнала производят этим же частотно-избирательным устройством, причем прямое и возвратное гетеродинирование осуществляют одним и тем же устройством.
Технический результат достигается тем, что в способе радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу используют частотно-избирательное устройство, отклик которого на сверхкороткое импульсное воздействие имеет вид радиоимпульса заданной длительности и частоты заполнения.
Способ радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу поясняют следующие фигуры:
РИ
РИ
ИПЧ
ИПЧ
0
0
ОТР
0
ПЧ
ПЧ
Фигура 1 поясняет способ радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу в прототипе [3]. На ней показаны эпюры напряжения следующих сигналов: 1 - радиоимпульсные сигналы U(t) фиксированной частоты ƒ; 2 - перестраиваемый по частоте непрерывный гетеродинный сигнал U(t) с текущей частотой ƒ; 3 - излучаемые радиоимпульсные сигналы U(t) несущей частоты ƒ, полученные методом прямого гетеродинирования; 4 - отраженные сигналы U(t) несущей частоты ƒ; 5 - отраженные сигналы U(t) промежуточной частоты ƒ, полученные методом возвратного гетеродинирования.
Фигура 2 поясняет реализацию способа радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу в прототипе [3]. На ней показаны: 1 - источник радиоимпульсов фиксированной частоты; 2 - первый смеситель, осуществляющий прямое гетеродинирование; 3 - усилитель мощности; 4 - источник непрерывного сигнала с перестройкой частоты; 5 - малошумящий усилитель; 6 - второй смеситель, осуществляющий обратное гетеродинирование; 7 - ЧИУ промежуточной частоты.
ИПЧ
0
ОТР
ПЧ
Фигура 3 поясняет предлагаемый способ радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу. На ней показаны эпюры напряжения следующих сигналов: 1 - сверхкороткие импульсы δ(t); 2 - радиоимпульсы - отклики ЧИУ на воздействие сверхкоротких импульсов g(t); 3 - перестраиваемый по частоте непрерывный гетеродинный сигнал U(t), 4 - радиоимпульсные сигналы несущей частоты U(t), полученные методом прямого гетеродинирования из откликов поз. 2 и сигнала поз. 3; 5 - отраженные сигналы несущей частоты U(t); 6 - сигналы промежуточной частоты U(t), полученные методом возвратного гетеродинирования из отраженных сигналов поз. 5 и сигнала поз. 3.
Фигура 4 поясняет возможность реализации предлагаемого способа радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу. На ней показаны: 1 - источник сверхкоротких импульсов; 2 - ЧИУ промежуточной частоты; 3 - смеситель, осуществляющий прямое и возвратное гетеродинирование; 4 - переключатель «Передача-Прием»; 5 - усилитель мощности; 6 - малошумящий усилитель; 7 - источник непрерывного сигнала с перестройкой частоты.
Предлагаемый способ радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса импульсу и оптимальным приемом отраженных сигналов осуществляется следующим образом.
0
0
ЧИУ
ИПЧ
0
Радиоимпульсный сигнал U(t) несущей частоты ƒ (поз. 4 на фиг. 3) формируется смесителем (поз. 3 на фиг. 4) методом прямого гетеродинирования вверх по частоте из отклика узкополосного ЧИУ (поз. 2 на фиг. 4) на сверхкороткий импульс δ(t) (поз. 1 на фиг. 3), имеющий вид радиоимпульса g(t) (поз. 2 на фиг. 3), длительность которого определяется полосой пропускания ΔƒАЧХ этого ЧИУ, и непрерывного сигнала U(t) (поз. 3 на фиг. 3) источника с перестройкой частоты (поз. 7 на фиг. 4). Полученный радиоимпульсный сигнал несущей частоты U(t) с помощью переключателя «Передача-Прием» (поз. 4 на фиг. 4), находящегося в положении «Передача», направляется в усилитель мощности (поз. 5 на фиг. 4) и далее через антенну излучается в направлении цели.
ОТР
ИПЧ
ПЧ
0
ИПЧ
Отраженный от цели сигнал в виде радиоимпульса U(t) (поз. 5 на фиг. 3) через малошумящий усилитель (поз. 6 на фиг. 4) и переключатель «Передача-Прием» (поз. 4 на фиг. 4), находящийся в положении «Прием», направляется в смеситель (поз. 3 на фиг. 4), на который поступает непрерывный сигнал U(t) с источника непрерывного сигнала с перестройкой частоты (поз. 7 на фиг. 4), частота которого после формирования радиоимпульса несущей частоты не изменяется до начала следующего такта. Далее радиоимпульс промежуточной частоты U(t) проходит через ЧИУ (поз. 2 на фиг. 4), АЧХ которого по полосе пропускания К(ƒ) согласована со спектром S(ƒ) излучаемого радиоимпульса. В следующем такте частота источника непрерывного сигнала с перестройкой частоты ƒ изменяется и передатчик излучает, а приемник принимает радиоимпульс с другой несущей частотой.
Теоретически возможность реализации предлагаемого способа радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу обусловлена тем, что при сверхкоротком импульсном воздействии в виде δ(t)-функции, спектр которого N(ω) равномерен во всей полосе частот, отклик частотно-избирательного устройства g(t) имеет спектр S(ω), повторяющий его амплитудно-частотную характеристику K(ω), т.е.
S(ω)~NK(ω),
при этом временная форма отклика g(t) является обратным преобразованием Фурье от амплитудно-частотной характеристики частотно-избирательного устройства  [4]:
Таким образом, амплитудно-частотная характеристика ЧИУ К(ω) пропорциональна спектру S(ω) как излучаемого, так и отраженного сигналов
0
К(ω)=kS(ω),
что позволяет осуществлять согласованную фильтрацию отраженного сигнала, т.е. его оптимальный прием.
РИ
При практической реализации способа радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу ЧИУ может быть выполнено в виде полосно-пропускающего фильтра, полоса пропускания которого Δƒ определяется длительностью излучаемого радиоимпульса τ [5]:
РИ
Δƒ≈1/τ,
при этом для формирования этого радиоимпульса - отклика на сверхкороткое импульсное воздействие - форма АЧХ полосно-пропускающего фильтра должна быть одногорбой.
В результате предлагаемый способ радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу позволяет обеспечить оптимальный прием отраженного сигнала за счет использования единого ЧИУ, обеспечивающего как формирование спектра излучаемого сигнала, так и согласованную фильтрацию отраженного сигнала.
Следует отметить, что для предлагаемого способа радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу жесткие требования к частотной стабильности реализующих его устройств в условиях действия дестабилизирующих факторов и старении не предъявляются.
Предлагаемый способ радиолокации с перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу позволяет по сравнению с прототипом:
- обеспечить оптимальный прием отраженного сигнала во всем диапазоне перестройки несущей частоты излучаемых радиоимпульсных сигналов;
- формирование излучаемого сигнала и прием отраженного сигнала осуществить прямым и возвратным гетеродинированием с помощью одного устройства, что снизит энергетические затраты и упростит практическую реализацию данного способа;
- снизить требования к долговременной стабильности частотных параметров реализующих данный способ устройств.
Таким образом, предлагаемый способ радиолокации обладает существенными преимуществами перед прототипом и аналогами.
Литература
1. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. Том 1. М., Сов. радио, 1976, с. 8.
2. Радиоприемные устройства. Под ред. В.И. Сифорова. М., Сов. радио, 1974, с. 504.
3. Соловьев Н.А. Использование сигнала с синтезом спектра для построения дальностного портрета и инверсного синтеза апертуры // Наука и Образование: научно-техническое издание: 77-30569/249869. Научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана, ноябрь, 2011.
4. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. М., Сов. радио, 1973, с. 195-200.
5. Радиоприемные устройства. Под ред. А.П. Жуковского. М, Высш. шк., 1989, с. 244.