РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО СЛЕЖЕНИЯ ЗА ДАЛЬНОСТЬЮ
RADAR STATION FOR AUTOMATIC RANGE MONITORING

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях измерения координат малоразмерных движущихся целей.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является радиолокационная станция (РЛС) автоматического слежения за дальностью наземной малоразмерной движущейся цели (см. Турнецкий Л.С. Анализ работы радиолокационной станции автоматического слежения за дальностью наземной цели. // Радиоэлектроника интеллектуальных транспортных систем: Научно-технический сборник. Вып. 5. - СПБ.: Изд-во СЗТУ, 2011, с. 44-49), выбранная в качестве прототипа. Прототип содержит последовательно соединенные антенну, антенный переключатель, смеситель, усилитель промежуточной частоты и видеодетектор, последовательно соединенные синхронизатор, передатчик и гетеродин, выход которого соединен со вторым входом смесителя, а второй выход передатчика подключен ко второму входу антенного переключателя, первую и вторую цепи, состоящие из последовательно соединенных соответствующего временного селектора, узкополосного фильтра и блока оценки амплитуды, последовательно соединенные блок сравнения, блок управления и генератор стробов, второй вход которого подключен ко второму выходу синхронизатора, а первый и второй выходы - к первым входам соответственно первого и второго временных селекторов.
Недостатком прототипа является низкая точность слежения за дальностью малоразмерной движущейся цели вследствие влияния пространственной неоднородности пассивных помех, формируемых отражениями от элементарных отражателей (например, от поверхности Земли или облаков дипольных отражателей, пространственно совмещенных с целью), на работу РЛС.
Технический результат - повышение точности слежения за дальностью малоразмерной движущейся цели за счет компенсации ошибки смещения оценки дальности малоразмерной движущейся цели, обусловленной воздействием пассивной помехи, пространственно совмещенной с целью.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Предлагаемая радиолокационная станция (РЛС) автоматического слежения за дальностью содержит так же, как и прототип, последовательно соединенные антенну, антенный переключатель, первый смеситель и первый усилитель промежуточной частоты (УПЧ), последовательно соединенные синхронизатор, передатчик и гетеродин, выход которого соединен со вторым входом первого смесителя, а второй выход передатчика подключен ко второму входу антенного переключателя, первую и вторую цепи, состоящие из последовательно соединенных соответствующего временного селектора, узкополосного фильтра и блока оценки амплитуды, последовательно соединенные блок сравнения, блок управления и генератор стробов, второй вход которого подключен ко второму выходу синхронизатора, а первый и второй выходы - к первым входам соответственно первого и второго временных селекторов. В отличие от прототипа предлагаемая РЛС содержит последовательно соединенные опорный генератор, второй смеситель, второй вход которого подключен к выходу первого УПЧ, и второй УПЧ, третью и четвертую цепи, состоящие из последовательно соединенных соответствующего третьего и четвертого временного селектора, третьего и четвертого узкополосного фильтра, третьего и четвертого блока оценки амплитуды, первый и второй блоки вычитания, первые входы каждого из которых подключены к выходам соответственно первого и второго блоков оценки амплитуды, вторые входы каждого из которых подключены к выходам соответственно третьего и четвертого блоков оценки амплитуды, а их выходы соединены соответственно с первым и вторым входами блока сравнения, при этом первые входы третьего и четвертого временных селекторов подключены к выходу второго УПЧ, вторые входы - к первым входам соответственно первого и второго временных селекторов, вторые входы которых соединены с выходом первого УПЧ.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 представлена структурная электрическая схема предлагаемой РЛС автоматического слежения за дальностью, где обозначено:
1 - антенна;
2 - антенный переключатель;
3-1 - первый смеситель;
3-2 - второй смеситель;
4-1 - первый УПЧ;
4-2 - второй УПЧ;
5 - синхронизатор;
6 - передатчик;
7 - гетеродин;
8-1 - временной селектор первой цепи;
8-2 - временной селектор второй цепи;
8-3 - временной селектор третьей цепи;
8-4 - временной селектор четвертой цепи;
9-1 - узкополосной фильтр первой цепи;
9-2 - узкополосной фильтр второй цепи;
9-3 - узкополосной фильтр третьей цепи;
9-4 - узкополосной фильтр четвертой цепи;
10-1 - блок оценки амплитуды первой цепи;
10-2 - блок оценки амплитуды второй цепи;
10-3 - блок оценки амплитуды третьей цепи;
10-4 - блок оценки амплитуды четвертой цепи;
11 - блок сравнения;
12 - блок управления;
13 - генератор стробов;
14 - опорный генератор;
15-1 - первый блок вычитания;
15-2 - второй блок вычитания.
На фиг.2 представлены спектральные характеристики выходных сигналов соответствующих блоков и амплитудно-частотные характеристики блоков, поясняющие принцип работы предлагаемой РЛС.
u
к
л
в
н
П(1,2)
П
2
На фиг.3 представлены графические зависимости от соотношений дисперсий пассивных помех соответственно в каналах первого и второго стробов систематической ошибки, нормированные к длительности зондирующего импульса τ, в прототипе при квадратичном Δ и линейном Δ детектировании в видеодетекторе на выходе первого УПЧ, где F, F - соответственно верхняя и нижняя граничные частоты полосы пропускания узкополосного фильтра, σ  - дисперсии пассивных помех соответственно в каналах первого и второго стробов;  - дисперсия сигнала цели; ΔF - ширина спектра межпериодных флюктуаций пассивной помехи на входе РЛС.
Предлагаемая РЛС (фиг.1) содержит так же, как и прототип, последовательно соединенные антенну 1, антенный переключатель 2, первый смеситель 3-1 и первый УПЧ 4-1, последовательно соединенные синхронизатор 5, передатчик 6 и гетеродин 7, выход которого соединен со вторым входом первого смесителя 3-1, а второй выход передатчика 6 подключен ко второму входу антенного переключателя 2, первую и вторую цепи, состоящие из последовательно соединенных соответствующего временного селектора 8, узкополосного фильтра 9 и блока оценки амплитуды 10, последовательно соединенные блок сравнения 11, блок управления 12 и генератор стробов 13, второй вход которого подключен ко второму выходу синхронизатора 5, а первый и второй выходы - к первым входам соответственно первого 8-1 и второго 8-2 временных селекторов.
В отличие от прототипа в предлагаемую РЛС введены последовательно соединенные опорный генератор 14, второй смеситель 3-2, второй вход которого подключен к выходу первого УПЧ 4-1, и второй УПЧ 4-2, третья и четвертая цепи, состоящие из последовательно соединенных соответствующего третьего 8-3 и четвертого 8-4 временного селектора, третьего 9-3 и четвертого 9-4 узкополосного фильтра, третьего 10-3 и четвертого 10-4 блока оценки амплитуды, первый 15-1 и второй 15-2 блоки вычитания, первые входы каждого из которых подключены к выходам соответственно первого 10-1 и второго 10-2 блоков оценки амплитуды, вторые входы каждого из которых подключены к выходам соответственно третьего 10-3 и четвертого 10-4 блоков оценки амплитуды, а их выходы соединены соответственно с первым и вторым входами блока сравнения 11. При этом первые входы третьего 8-3 и четвертого 8-4 временных селекторов подключены к выходу второго УПЧ 4-2, а вторые входы - к первым входам соответственно первого 8-1 и второго 8-2 временных селекторов, вторые входы которых соединены с выходом первого УПЧ 4-1.
Работа предлагаемой РЛС осуществляется следующим образом.
пч
Импульс синхронизации с первого выхода синхронизатора 5 поступает на вход передатчика 6. Передатчик 6 вырабатывает зондирующие импульсы, которые через антенный переключатель 2 поступают в антенну 1, где они затем излучаются в пространство. Отраженные от цели импульсы принимаются антенной совместно с сигналом пассивной помехи, пространственно совмещенной с целью. Принятый сигнал через антенный переключатель 2 подается на первый вход первого смесителя 3-1, на второй вход которого поступают колебания от гетеродина 7. Частота колебаний гетеродина 7 устанавливается такой величины, чтобы разность частот излученного антенной сигнала и гетеродина 7 была бы равна промежуточной частоте f, т.е. центральной частоте настройки первого УПЧ 4-1.
пч
В первом смесителе 3-1 происходит понижение частоты принимаемого сигнала до промежуточной частоты f. Далее сигнал подается на вход первого УПЧ 4-1, ширина полосы пропускания которого согласована с длительностью радиоимпульса, где он усиливается до необходимого уровня. Сигнал (прямой) с выхода первого УПЧ 4-1 поступает одновременно на второй вход второго смесителя 3-2 и на сигнальные (вторые) входы первого 8-1 и второго 8-2 временных селекторов первой и второй цепи соответственно.
Во втором смесителе 3-2 происходит смешивание входного сигнала, поступающего на его второй вход, с напряжением от опорного генератора 14, поступающим на первый вход второго смесителя 3-2.
пч
Опорный генератор 14 формирует стабильные непрерывные гармонические колебания с частотой, равной удвоенной промежуточной частоте настройки первого 4-1 и второго 4-2 УПЧ (фиг.2,г). На выходе второго смесителя 3-2 имеются две спектральные составляющие: суммарная и разностная. Сигнал с выхода второго смесителя 3-2 поступает на вход второго УПЧ 4-2, выделяющего только разностную составляющую спектра, для чего он имеет амплитудно-частотную характеристику такую же, как и первый УПЧ 4-1. При этом спектр сигнала на выходе второго УПЧ 4-2 представляет собой зеркально повернутый относительно промежуточной частоты f спектр сигнала, полученного на выходе первого УПЧ 4-1 (фиг.2,д), т.е. произведено спектральное преобразование прямого сигнала с выхода УПЧ 4-1 и получен спектрально преобразованный сигнал. С выхода УПЧ 4-2 спектрально преобразованный сигнал поступает на первые (сигнальные) входы временных селекторов 8-3 и 8-4 третьей и четвертой цепей.
Генератор стробов 13 вырабатывает импульсы первого (опережающего) и второго (отстающего) задержанного на длительность импульса относительно начала первого стробов, например, прямоугольной формы, причем длительность стробов равна длительности зондирующих импульсов, а их фронт должен совпадать с энергетическим центром тяжести импульса от цели, что и осуществляется непрерывно с помощью всей радиолокационной следящей системы. Генератор стробов 13 синхронизируется импульсами, поступающими на его второй вход со второго выхода синхронизатора 5 для осуществления привязки моментов формирования стробов к временной задержке отраженного от цели сигнала относительно момента излучения антенной зондирующего импульса.
Рассмотрим обработку сигналов в канале первого (опережающего) строба.
Прямой и спектрально преобразованный сигналы (фиг.2,а и фиг.2,д) поступают соответственно на второй вход временного селектора 8-1 и на первый вход временного селектора 8-3. На первый вход временного селектора 8-1 и на второй вход временного селектора 8-3 подаются селекторные импульсы первого строба с первого выхода генератора стробов 13, моменты выработки стробов в котором управляются сигналами с выхода блока управления 12, поступающими на первый вход генератора стробов 13. Селекторные импульсы первого строба открывают временные селекторы 8-1 и 8-3 на время, равное длительности соответствующего строба.
gmin
gmax
пч
fmin
пч
gmax
С выходов временных селекторов 8-1 и 8-3 во время действия первого строба прямой и спектрально преобразованный сигналы (фиг.2,а и фиг.2,д) поступают соответственно на входы соответствующих узкополосных фильтров 9-1 и 9-3 цепей. Амплитудно-частотные характеристики узкополосных фильтров 9-1 и 9-3 первой и третьей цепей (фиг.2,б и фиг.2,е) идентичны; они имеют полосы пропускания в диапазоне возможных значений доплеровских частот от F до F сигнала движущейся цели на промежуточной частоте, от f+F до f+F.
В дальнейшем для определенности будем считать, что цель движется к радиолокатору и доплеровское смещение частоты положительно (фиг.2,а).
Энергия сигнала (дисперсия) цели, прошедшая на выход временных селекторов 8-1 и 8-3 первой и третьей цепей, прямо пропорциональна площади перекрытия импульса, отраженного от цели, и импульса первого строба, а энергия (дисперсия) пассивной помехи, пространственно совмещенной с целью, прошедшей на выход временных селекторов 8-1 и 8-3 первой и третьей цепей, пропорциональна суммарной отражающей поверхности отражателей, попавших в пространственный элемент разрешения, совпадающий с целью, формирующей пассивную помеху в этом стробе.
На выход первого узкополосного фильтра 9-1 проходят спектральные составляющие как сигнала движущейся цели, так и спектральные составляющие пассивной помехи, пространственно совмещенной с целью, попавшие в полосу его пропускания (фиг.2,в).
На выход третьего узкополосного фильтра 9-3, соответствующего цепи обработки спектрально преобразованного сигнала, пройдут спектральные составляющие только пассивной помехи, пространственно совмещенной с целью, попавшие в полосу его пропускания (фиг.2,ж), которые в связи с симметричностью нормальной огибающей спектра пассивной помехи в этой области имеют такую же дисперсию, как и дисперсия остатков пассивных помех, прошедших первый узкополосный фильтр 9-1 первой цепи прямого сигнала.
С выхода первого узкополосного фильтра 9-1 аддитивная смесь сигнала цели и остатков пассивной помехи (фиг.2,в), пространственно совмещенной с целью, поступает на вход первого блока оценки амплитуды 10-1, на выходе которого сигнал пропорционален оценке дисперсии этой смеси. Сигнал с выхода блока оценки амплитуды 10-1 поступает на первый вход блока вычитания 15-1.
С выхода третьего узкополосного фильтра 9-3 третьей цепи (фиг.2,к) составляющие спектра пассивной помехи, пространственно совмещенной с целью, поступают на вход третьего блока оценки амплитуды 10-3, на выходе которого сигнал пропорционален оценке дисперсии только пассивной помехи, поступившей на его вход.
Сигнал с выхода третьего блока оценки амплитуды 10-3 поступает на второй вход первого блока вычитания 15-1 канала первого строба. В блоке вычитания 15-1 канала первого строба осуществляется вычитание из сигнала с выхода первого блока оценки амплитуды 10-1 сигнала с выхода третьего блока оценки амплитуды 10-3.
В связи с тем что сигнал от составляющих спектра пассивных помех на выходе первого блока оценки амплитуды 10-1 равен сигналу пассивной помехи, пространственно совмещенной с целью, на выходе третьего блока оценки амплитуды 10-3, то сигнал на выходе первого блока вычитания 15-1 канала первого строба пропорционален только сигналу цели на выходе первого блока оценки амплитуды 10-1, который пропорционален дисперсии сигнала цели на выходе первого узкополосного фильтра 9-1 и, соответственно, площади перекрытия сигнала цели и первого строба и не зависит от дисперсии пассивной помехи, пространственно совмещенной с целью, на выходах первого 8-1 и третьего 8-3 временных селекторов канала первого строба.
Обработка сигналов в канале второго строба осуществляется аналогично работе канала первого строба с учетом временной задержки второго строба.
Энергия (дисперсия) сигнала цели, прошедшего на выход второго 8-2 временного селектора канала второго строба, прямо пропорциональна площади перекрытия импульса, отраженного от цели, и импульса второго строба, а энергия (дисперсия) пассивной помехи, пространственно совмещенной с целью, прошедшей на выход второго 8-2 и четвертого 8-4 временных селекторов канала второго строба, пропорциональна эффективной отражающей поверхности элементов, формирующих пассивную помеху пространственно совмещенной с целью во втором стробе.
Сигнал с выхода второго блока оценки амплитуды 10-2 поступает на первый вход второго блока вычитания 15-2. Сигнал с выхода четвертого блока оценки амплитуды 10-4 поступает на второй вход второго блока вычитания 15-2 канала второго строба. Во втором блоке вычитания 15-2 канала второго строба осуществляется вычитание из сигнала с выхода второго блока оценки амплитуды 10-2 сигнала с выхода четвертого блока оценки амплитуды 10-4.
Сигнал на выходе второго блока вычитания 15-2 канала второго строба пропорционален только сигналу цели на выходе второго блока оценки амплитуды 10-2, который пропорционален дисперсии сигнала цели на выходе второго узкополосного фильтра 9-2 и, соответственно, пропорционален площади перекрытия сигнала цели и второго строба и не зависит от дисперсии пассивной помехи, пространственно совмещенной с целью, на выходах второго 8-2 и четвертого 8-4 временных селекторов канала второго строба.
Сигнал с выхода первого блока вычитания 15-1 поступает на первый вход блока сравнения 11, на второй вход которого поступает сигнал с выхода второго блока вычитания 15-2. В блоке сравнения 11 происходит вычитание из сигнала, поступившего на его первый вход, сигнала, поступившего на его второй вход. Сигнал с выхода блока сравнения 11 является сигналом ошибки только временного рассогласования между энергетическим центром импульса цели с выхода первого УПЧ 4-1 и фронтом селекторных импульсов первого и второго стробов, формируемых генератором стробов 13. В случае равенства сигналов на первом и втором входах блока сравнения 11 первый строб перекрывается по площади с половиной импульса цели, а второй строб перекрывается со второй половиной импульса цели. В случае неравенства сигналов на первом и втором входах блока сравнения 11 на его выходе вырабатывается сигнал ошибки, который воздействует через блок управления 12 на временное положение стробов, формируемых генератором стробов 13, таким образом, чтобы свести рассогласование к нулю.
В связи с тем что сигналы на выходах блоков вычитаний 15-1 и 15-2 каналов первого и второго стробов не зависят от дисперсий пассивных помех в пределах соответствующих стробов, а зависят только от площадей перекрытий соответствующих стробов с импульсом цели, сигнал ошибки на выходе блока сравнения 11 не зависит от различий свойств (мощностей) пассивной помехи, пространственно совмещенной с целью, в первом и втором стробах, а зависит только от временного рассогласования между энергетическим центром импульса цели и фронтом импульсов стробов.
В предлагаемой РЛС слежение за дальностью до малоразмерной движущейся цели осуществляется с высокой точностью независимо от характера пространственных свойств отражателей, формирующих пассивную помеху, пространственно совмещенную с целью.
В прототипе низкая точность слежения за дальностью малоразмерной движущейся цели обусловлена ошибкой измерения, нормированные значения которой приведены на фиг.3, вызванной пространственной неоднородностью мощностей пассивных помех, пространственно совмещенных с целью, в каналах первого (опережающего) и второго (задержанного) стробов. В большинстве случаев пассивные помехи, попадающие в первый и второй стробы, имеют различные интенсивности в виду различия удельных эффективных отражающих поверхностей, формулирующих пассивные помехи в соответствующих стробах. Поэтому дисперсия остатков пассивных помех, проходящих через первый узкополосный фильтр, в канале первого строба отличается от дисперсии остатков пассивных помех, проходящих через второй узкополосной фильтр в канале второго строба. В результате на выходе блока сравнения, кроме полезной информации о временном положении импульса малоразмерной движущейся цели, существует сигнал ошибки измерения, обусловленный разностью дисперсий пассивных помех, проходящих через первый и второй узкополосные фильтры каналов первого и второго стробов. Наличие сигнала ошибки измерения приводят к возникновению ошибки рассогласования временного положения центра принятого сигнала малоразмерной движущейся цели и фронта селекторных стробов и, как следствие, снижению точности автоматического слежения за дальностью малоразмерной движущейся цели.
Предлагаемая РЛС автоматического слежения за дальностью увеличивает точность автоматического слежения за дальностью малоразмерной движущейся цели на 20-70% от длительности зондирующего импульса путем компенсации ошибки измерения, вызванной неравенством мощностей пассивных помех, пространственно совмещенных с целью в каналах первого (опережающего) и второго (задержанного) стробов.
При интенсивном развитии современной техники бортовых радиолокаторов, РЛС управления воздушным движением повышение точности автоматического слежения за дальностью малоразмерной движущейся цели в условиях воздействия пространственно неоднородных пассивных помех, пространственно совмещенных с целью, является актуальной задачей и говорит о перспективности применения предлагаемого технического решения.