УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРАСТА НАЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ

Заявляемое устройство относится к средствам защиты наземных транспортных средств (ТС) от поражения боеприпасами с радиометрическими системами самонаведения путем адаптивной компенсации радиометрического (радиояркостного) контраста (РМК) объекта на фоне подстилающей поверхности.
Известно, что в атмосферных окнах прозрачности мм-диапазона длин волн подстилающая поверхность (земля, растительность) ведет себя подобно абсолютно черному телу с коэффициентом излучения, близким к единице. При этом ТС, содержащие металлические поверхности, имеют коэффициент излучения около 0 и, соответственно, коэффициент отражения около 1. Таким образом, при радиометрических измерениях сверху ТС на фоне подстилающей поверхности ведут себя как холодные тела в теплой окружающей среде, т.е. имеют отрицательный контраст [1, 2]. Наличие выраженного отрицательного РМК ТС на местности используется в различных боеприпасах (БП) для самонаведения. При этом очевидно, что путем уменьшения поверхностного контраста Т€ можно обеспечить их защиту от поражения подлетающими сверху БП с радиометрическими головками самонаведения (РГСМ).
Указанный выше подход к защите ТС от БП с РГСН используется при разработке техники. Например, известна система радиопротиводействия для компенсации контраста цели в радиометрическом диапазоне [3]. Указанная система содержит последовательно соединенные генератор, аттенюатор и антенну, а также устройство регулирования аттенюатора, управляемое компаратором, на один вход которого подаются сигналы, представляющие излучение подстилающей поверхности, а на второй вход - однажды заданные измеренные и записанные сигналы, соответствующие уровню излучения объекта, равного уровню излучения неба. Система предназначена для сглаживания РМК объекта путем установки выходной мощности генератора аттенюатором в соответствии с разницей между уровнями сигналов, поступающих на входы компаратора. Недостатком данного устройства является низкая точность компенсации отрицательного контраста объекта, а также возможность его перекомпенсации. В устройстве не производится измерение текущих значений излучения неба, а для вычислений РМК объекта используются ранее измеренные значения излучения неба при ясной погоде. Это может привести к перекомпенсации контраста объекта, так как радиояркостная температура неба при ухудшении погодных условий возрастает. Так, на частоте 35 ГГц при ясной погоде радиояркостная температура составляет 25 К, при пасмурной - 65 К, при умеренном дожде - 130 К.
Еще одним недостатком рассматриваемого устройства является несоответствие структуры сигнала, излучаемого генератором, и структуры сигналов от подстилающей поверхности. Сигнал от подстилающей поверхности представляет собой широкополосный шум, а изучение материалов описания рассматриваемого устройства свидетельствует, что генератор излучает либо узкополосный синусоидальный сигнал, либо узкополосный шум с изменяющейся средней частотой. Спектральные различия реального сигнала от подстилающей поверхности и сигнала от генератора могут быть использованы для выявления действия организованной помехи и, соответственно, ее нейтрализации.
Известно также устройство для выравнивания собственного излучения объекта с излучением окружающей среды с помощью активных излучателей широкополосного шумового сигнала [5]. Оно содержит последовательно соединенные генератор шума (ГШ), управляемый аттенюатор и передающую антенну с круговой диаграммой направленности, а также устройство управления и два сенсора в виде радиометров, состоящих из радиометрического приемника (РМП) и приемной антенны. При этом выходы сенсоров подключены к управляющему входу аттенюатора. В данном устройстве структура излучаемого сигнала соответствует структуре сигналов от подстилающей поверхности и объекта, поскольку излучается широкополосный шумоподобный сигнал. К достоинствам устройства его авторы относят оперативное измерение уровня излучения неба (соответствующего излучению объекта) и уровня фона и вычисление текущего значения РМК объекта. Однако, в устройстве для измерения радиояркостной температуры неба и подстилающей поверхности используются разные радиометры, характеристики которых не могут быть полностью идентичными в нормальных условиях, тем более в условиях воздействия дестабилизирующих факторов (изменения температуры, напряжения бортсети и т.п.). Величина нескомпенсированного РМК объекта может достигать 40…100 К [2], что вполне достаточно для его обнаружения ГСН.
Задача повышения точности компенсации РМК объекта на фоне подстилающей поверхности решается в принятой за прототип системе адаптивной компенсации РМК наземных объектов [6]. В прототипе повышение точности компенсации РМК решается тем, что он содержит две приемные антенны, РМП, передающую антенну, последовательно соединенные ГШ и регулируемый аттенюатор, два электрически управляемых переключателя, делитель мощности, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), запоминающее устройство (ЗУ), вычислительное устройство (ВУ), устройство сравнения (УС), формирователь сигналов (ФС), блок синхронизации (БС), при этом первая антенна соединена с первым входом, а вторая антенна - со вторым входом первого переключателя, его выход соединен с первым входом второго переключателя, второй вход которого соединен с первым выходом делителя мощности, второй выход делителя мощности соединен с передающей антенной, вход делителя мощности соединен с выходом регулируемого аттенюатора, выход второго переключателя соединен со входом РМП, выход которого соединен с сигнальным входом АЦП, выход АЦП соединен с первым входом ЗУ и первым входом УС, ЗУ соединено прямой связью со вторым входом УС, а также прямой и обратной связью - с ВУ, устройство сравнения соединено прямой связью с ФС, который соединен прямой связью с ЦАП, выход ЦАП соединен с управляющим входом регулируемого аттенюатора, БС соединен прямыми связями с АЦП, ЗУ, ФС, управляющими входами первого и второго переключателей.
К недостатку описанной системы следует отнести неудовлетворительный уровень компенсации РМК.
Во-первых, в прототипе компенсация РМК производится только в одном диапазоне длин волн, соответствующем одному из окон атмосферы (35, 94 или 140 ГГц). В остальных окнах прозрачности РМК объекта не компенсируется, что дает возможность ГСН, работающим в других окнах прозрачности атмосферы, обнаруживать объект.
Во-вторых, из научно-технической литературы [7] известно, что РМК металлических объектов зависит не только от длины волны излучения, но и времени года, географической широты и погодных условий. При этом появление облачности уменьшает контраст, особенно резко при кучевых и кучево-дождевых облаках, но контраст растет при увеличении длины волны. Например, мощная кучевая облачность уменьшает контраст на частоте 140 ГГц в 20 раз и только в 3 раза на частоте 35 ГГц [7].
Целью предлагаемого технического решения является устранение указанного недостатка прототипа, а именно, повышение уровня защищенности объекта за счет более полной компенсации РМК, что обеспечивается за счет:
- снижения РМК одновременно во всех атмосферных окнах прозрачности 35,94 и 140 ГГц;
- учета географической широты места нахождения объекта;
- учета погодных условий.
Указанная цель достигается тем, что в выбранную за прототип систему адаптивной компенсации РМК наземных объектов, содержащую две приемные антенны, РМП, передающую антенну, последовательно соединенные ГШ и регулируемый аттенюатор, два электрически управляемых переключателя, делитель мощности, АЦП, ЦАП, ЗУ, ВУ, УС, ФС, БС, при этом первая антенна соединена с первым входом, а вторая антенна - со вторым входом первого переключателя, его выход соединен с первым входом второго переключателя, второй вход которого соединен с первым выходом делителя мощности, второй выход делителя мощности соединен с передающей антенной, вход делителя мощности соединен с выходом регулируемого аттенюатора, выход второго переключателя соединен со входом РМП, выход которого соединен с сигнальным входом АЦП, выход АЦП соединен с первым входом ЗУ и первым входом УС, ЗУ соединено прямой связью со вторым входом УС, а также прямой и обратной связью - с ВУ, УС соединено прямой связью с ФС, который соединен прямой связью с ЦАП, выход ЦАП соединен с управляющим входом регулируемого аттенюатора, БС соединен прямыми связями с АЦП, ЗУ, ФС, управляющими входами первого и второго переключателей, дополнительно введены аппаратура спутниковой навигации (АСН), второе, третье, четвертое и пятое ЗУ, второе и третье УС, второй и третий ФС, второй и третий ЦАП, второй и третий аттенюаторы, второй и третий ГШ, вторая и третья передающие антенны, излучающие в направлении верхней полусферы, а также блок ввода погоды (БВП) и коммутатор, при этом первые управляющие входы, второго, третьего, четвертого и пятого ЗУ соединены с БВП, вторые управляющие входы второго и третьего ЗУ соединены с выходом АСН. вторые управляющие входы четвертого и пятого ЗУ через коммутатор, управляющий вход которого соединен с БС, соединены с выходом первого ЗУ, выходы второго и четвертого ЗУ через второе УС и последовательно соединенные третий ФС и третий ЦАП соединены с управляющим входом третьего управляемого аттенюатора, вход которого соединен с третьим ГШ, а выход с третьей передающей антенной.
Устройство и работа заявляемого устройства поясняются структурной схемой, приведенной на фигуре 1.
Устройство компенсации РМК наземных объектов, структурная схема которого приведена на фигуре 1, содержит две приемные антенны 1 и 2, РМП 3, первую передающую антенну 4, последовательно соединенные первый ГШ 5 и первый регулируемый аттенюатор 6, два электрически управляемых переключателя 7 и 8, делитель мощности 9, АЦП 10, первый ЦАП 11, первое ЗУ 12, ВУ 13, первое УС 14, первый ФС 15, БС 16, при этом первая антенна 1 соединена с первым входом, а вторая антенна 2 - со вторым входом первого переключателя 7, его выход соединен с первым входом второго переключателя 8, второй вход которого соединен с первым выходом делителя мощности 9, второй выход делителя мощности 9 соединен с первой передающей антенной 4, вход делителя мощности 9 соединен с выходом регулируемого аттенюатора 6, выход второго переключателя 8 соединен со входом РМП 3, выход которого соединен с сигнальным входом первого АЦП 10, выход первого АЦП 10 соединен с первым входом первого ЗУ 12 и первым входом первого УС 14, первое ЗУ 12 соединено прямой связью со вторым входом первого УС 14, а также прямой и обратной связью - с ВУ 13, первое УС 14 соединено прямой связью с первым ФС 15, который соединен прямой связью с первым ЦАП 11, выход первого ЦАП 11 соединен с управляющим входом регулируемого аттенюатора 6, БС 16 соединен прямыми связями с первым АЦП 10, первым ЗУ 12, первым ФС 15, управляющими входами первого и второго переключателей 7 и 8.
Для реализации цели создания заявляемого технического решения в устройство дополнительно введены аппаратура спутниковой навигации (АСН) 17, второе 18, третье 19, четвертое 20 и пятое 21 ЗУ, второе 22 и третье 23 УС, второй 24 и третий 25 ФС, второй 26 и третий 27 ЦАП, второй 28 и третий 29 регулируемые аттенюаторы, второй 30 и третий 31 ГШ и вторая 32 и третья 33 передающие антенны, а также блок ввода погоды (БВП) 34 и коммутатор 35, при этом первые управляющие входы второго 18, третьего 19, четвертого 20 и пятого 21 ЗУ соединены с БВП 34, вторые управляющие входы второго 18 и третьего 19 ЗУ соединены с выходом АСН 17, вторые управляющие входы четвертого 20 и пятого 21 ЗУ через коммутатор 35, управляющий вход которого соединен с БС 16, соединены с выходом первого ЗУ 12, выходы второго 18 и четвертого 20 ЗУ через второе УС 22 и последовательно соединенные второй ФС 24 и второй ЦАП 26 соединены с управляющим входом второго управляемого аттенюатора 28, вход которого соединен со вторым ГПТ 30, а выход - со второй передающей антенной 32, выходы третьего 19 и пятого 21 ЗУ через третье УС 23 и последовательно соединенные третий ФС 25 и третий ЦАП 27 соединены с управляющим входом третьего управляемого аттенюатора 29, вход которого соединен с третьим ГШ 31, а выход - с третьей передающей антенной 33.
При реализации устройства могут быть использованы следующие технические решения. Антенны 1, 2, 4, 32 и 33 могут быть реализованы в виде рупорных антенн. РМП 3 может быть реализован с применением радиометра ("89 GHz Radiometer" компании "Farran Technology"). В качестве ГШ 5, 30, 31 могут использоваться генераторы ISSN-28, ISSN-10, ISSN-06 фирмы "ELVA-1". Электрически управляемые аттенюаторы 6, 28, 29 и переключатели 7 и 8 могут быть реализованы аналогично используемым в прототипе, а именно на pin-диодах. Делитель мощности 9 может быть реализован на основе волноводного тройника, АЦП 10 и ЦАП 11, 26 и 27 могут быть реализованы на микросхемах AD7321BRUZ и AD420ANZ-32 фирмы "Analog Devices" соответственно. ЗУ 12, 18-21, ВУ 13, ФС 15, 24, 25, БС 16 могут быть реализованы аналогично тому, как это сделано в прототипе, а именно по методологии, приведенной в [9, 10]. УС 14, 22, 23 могут быть построены на микросхеме 559СК2 [11].
Заявляемое устройство работает следующим образом. Измерение РМК объекта на фоне подстилающей поверхности производится в диапазоне 94 ГГц (т.е. в среднем окне прозрачности радиометрического диапазона длин волн). Антенна 1, направленная вертикально вниз, через переключатели 7 и 8 подключается ко входу РМП 3. Сигналы с его выхода преобразуются в двоичный код в АЦП 10 и их уровень, соответствующий уровню излучения земли, запоминается в первом ЗУ 12. На этом такт работы на прием излучения земли заканчивается. За ним следует второй такт работы системы на прием. Блок синхронизации 16 подключает к входу РМП 3 антенну 2, направленную вертикально вверх и принимающую излучение неба. Эти сигналы по той же цепи поступают во второе ЗУ 14. Сигналы, соответствующие уровню излучения земли и неба, поступают в ВУ 13, где производится вычисление их разности (контраста объекта). Эта величина записывается в первое ЗУ 12.
После этого наступает период излучения в диапазоне 94 ГГц. По сигналу блока синхронизации 16 переключатель 8 подключает к входу РМП 3 первый выход делителя мощности 9. Сигнал через РМП 3 и первый АЦП 10 поступает на первый вход первого УС 14, на второй вход которого поступают сигналы с выхода первого ЗУ 12, соответствующие величине контраста объекта. Устройство сравнения 14 вырабатывает сигналы управления, поступающие в ФС 15, который по ним вырабатывает сигналы управления первым регулируемым аттенюатором 6. Эти сигналы через первый ЦАП 11 поступают на управляющий вход первого управляемого аттенюатора 6. В режиме приема указанный аттенюатор 6 находится в положении максимального затухания. По сигналам первого устройства сравнения 14 первый ФС 15 уменьшает затухание первого аттенюатора 6, выравнивая уровни сигналов на входах первого УС 14. Сигнал, определяющий время излучения, также вырабатывается БС 6. По окончании времени излучения на частоте 94 ГГц БС 16 устанавливает первый АЦП 10, первое ЗУ 12, первый ФС 15 в исходное состояние и начинается новый цикл работы устройства.
Описанный выше алгоритм работы заявляемого устройства на частоте 94 ГГц (т.е. в среднем атмосферном окне прозрачности радиометрического диапазона) в основном соответствует работе устройства, выбранного за прототип. В обеспечение реализации цели создания заявляемого устройства особенности его работы состоят в следующем.
Сигнал, соответствующий уровню излучения земли на частоте 94 ГГц с выхода первого ЗУ 12 поступает на вход коммутатора 35, с которого в моменты времени, определяемые синхронизирующими импульсами с БС 16, подается на первые входы четвертого 20 и пятого 21 ЗУ. Величина РМК объекта на частоте 94 ГГц также с первого ЗУ 12 поступает на первые входы второго 18 и третьего 19 ЗУ. Во втором 18 и третьем 19 ЗУ хранятся данные величине РМК данного класса объектов при различной погоде (солнечно, малооблачно, сплошная облачность, осадки) на различной широте для окон атмосферы 35, 94 и 140 ГГц соответственно. При подаче на соответствующие входы запоминающих устройств 18 и 19 информации о географической широте с АСН 17 и погоде (вводится вручную по состоянию облачности и наличию осадков с блока БВП 34) в указанных ЗУ на основе исходного РМК на частоте 94 ГГц находятся соответствующие ему значения РМК на частотах 35 и 140 ГГц, которые могли бы иметь место при введенных значениях географической широты и погодных условиях. Определенные во втором 18 и третьем 19 ЗУ значения РМК объекта подаются на первые входы соответственно второго 22 и третьего 23 УС.
В четвертом 20 и пятом 21 ЗУ хранятся данные величине излучающей способности земли при различной погоде (солнечно, малооблачно, сплошная облачность, осадки) на различной широте для окон атмосферы 35, 94 и 140 ГГц соответственно. При подаче на соответствующие входы запоминающих устройств 20 и 21 информации о погоде (вводится вручную по состоянию облачности и наличию осадков) в указанных ЗУ на основе исходной излучающей способности земли на частоте 94 ГГц находятся соответствующие ей значения излучающей способности земли на частотах 35 и 140 ГГц, которые могли бы иметь место при введенных погодных условиях. Определенные в четвертом 20 и пятом 21 ЗУ значения излучающей способности земли подаются на вторые входы соответственно второго 22 и третьего 23 УС. Устройства сравнения 22 и 23 вырабатывают сигналы управления, поступающие в ФС 24 и 25 соответственно, которые по ним вырабатывают сигналы управления вторым 28 и третьим 29 регулируемыми аттенюаторами соответственно. Эти сигналы через второй ЦАП 26 и третий ЦАП 27 поступают на управляющие входы второго 28 и третьего 29 управляемых аттенюаторов соответственно, которые определяют мощность, подводимую от ГШ 30 (частота 35 ГГц) и ГШ 31 (140 ГГц) к антеннам 32 и 33 соответственно. Таким образом, обеспечиваются адекватные внешним погодным условиям и географической широте величины излучаемой мощности во всех окнах прозрачности атмосферы, что существенно снижает РМК объекта и затрудняет его обнаружение ГСН различного типа, работающих в трех частотных диапазонах.
Список литературы
1 Андреев Г.А., Гладышев Г.А., Станкевич O.K. Радиолокационные контрасты природных образований на мм-волнах. - Радиотехника и электроника, 1998, т.43, вып.5, с.552-558.
2 Быстров Р.П., Краснянский А.Д., Новиков С.С. Пассивные радиолокационные системы скрытого обнаружения наземных объектов. - Электромагнитные волны и электронные системы, 1996, №1, с.64-71.
3 Патент США 4743904, МПК G01S 7/38, F41J 9/13, опубл. 05. 10.1988.
4 J.M.Schuchardt and oth. The coming of mm-wave Forward Looking Imaging Radiometers. Microvawe Journal, v.24, №6, June 1981, p.p.45-62.
5 Патент Германии 2848072 МПК G01S 7/38, F41H 3/00, опубл. 14.08.80.
6 Патент Российской Федерации 2214578, МПК G01S 7/38, F41H 3/00 (прототип).
7 Быстров Р.П., Загорин Г.К., Соколов А.В., Федорова Л.В. Пассивная радиолокация. Методы обнаружения объектов. М.: Радиотехника, 2008.
8 Интернет ресурс. Код доступа: http://www.farran.com/index.php?option=com_content&task=view&id=102&Itemid=158.
9 Р.Токхейм. Основы цифровой электроники, - М., «Мир», 1988.
10 Е.Л.Угрюмов. Цифровая схемотехника. - С.-Петербург, 2000.
11 Воробьев Е.П., Сенин К.В. Интегральные микросхемы производства СССР и их зарубежные аналоги. - М.: «Радио и связь», 1990. - 351 с.