Многофункциональная малогабаритная радиолокационная система для летательных аппаратов
MULTIFUNCTIONAL SMALL-SIZED RADAR SYSTEM FOR AIRCRAFTS

Область применения
Изобретение относится к области радиолокации и предназначено для выполнения широкого круга задач в режимах «воздух - поверхность», «воздух - воздух», «метео» и «маловысотный полет» при использовании на летательных аппаратах самолетного и вертолетного типа.
Уровень техники
Известна многофункциональная радиолокационная станция для летательных аппаратов [патент RU №2319173, 10.03.2008], которая состоит из щелевой антенны, циркулятора, приемопередающего блока, включающего в себя приемное устройство, состоящее из СВЧ-приемника и аналого-цифрового процессора сигналов, включающего в себя усилитель промежуточной частоты и аналого-цифровой преобразователь, передающего устройства, состоящего из усилителя мощности и модулятора, а также задающего генератора, синтезатора частот-синхронизатора, цифрового процессора сигналов, цифрового процессора данных, датчика угла места и индикатора. Цифровой процессор сигналов содержит устройство обужения суммарной диаграммы направленности, состоящее из коммутатора, первого устройства памяти, второго устройства памяти, устройства разности, первого и второго устройств умножения. Щелевая антенна выполнена по структуре с суммарной и разностной диаграммой направленности в угломестной плоскости, а также введен коммутатор приема. В цифровом процессоре сигналов производится обужение суммарной диаграммы направленности на прием с помощью разностной диаграммы направленности, а в цифровом процессоре данных по информации о дальности и угле места определяется высота препятствий относительно опорной плоскости (плоскости безопасности).
Недостатками этого технического решения является то, что устройство работает в одном диапазоне, отсутствует моноимпульсная пеленгация по азимуту, нет высокого разрешения по координатам, а синтезатор частот - аналоговый, что не позволяет наращивать функции.
Наиболее близким к заявленному объекту является многофункциональная многодиапазонная масштабируемая радиолокационная система для летательных аппаратов [патент RU №2496120, 20.10.2013], которая состоит из N радиочастотных модулей (РЧМ) и бортовой цифровой вычислительной машины модуля (БЦВМ). Каждый РЧМ состоит из антенного, приемозадающего модуля, циркулятора и передатчика. Антенный модуль содержит волноводно-щелевую антенную решетку (ВЩАР) и привод. Приемозадающий модуль включает четырехканальный СВЧ-приемник, цифровой приемник и синтезатор частот и синхросигналов управления.
Недостатком данной системы является синтезатор частот и синхросигналов управления (СЧС), являющийся наиболее сложной составной частью РЧМ, для каждого диапазона уникален и имеет свое внутреннее управление, реализуемое в ПЛИС, что ограничивает возможности скрытной работы, информационные возможности РЛС, затрудняет организацию совместной работы двух и более РЧМ.
Сущность изобретения
Достигаемым техническим результатом изобретения является создание многофункциональной модульной малогабаритной РЛС с программным управлением, реализуемым функциональным программным обеспечением БЦВМ, основными параметрами РЛС, определяющими зондирующий сигнал, частотный план, параметры наблюдения, а также контрольный и пилот-сигналы.
Основной технический результат достигается тем, что:
- многофункциональная малогабаритная радиолокационная система для летательных аппаратов содержит радиочастотный модуль и бортовую цифровую вычислительную машину (БЦВМ);
- БЦВМ содержит в своем составе цифровой приемник;
- радиочастотный модуль включает антенный модуль, состоящий из волноводно-щелевой антенной решетки, привода, четырехканального сверхвысокочастотного приемника (СВЧ-приемника), циркулятора и приемопередающий модуль;
- приемопередающий модуль содержит передатчик, приемник промежуточной частоты и синтезатор частот и синхросигналов управления;
0
- синтезатор частот и синхросигналов управления состоит из источника питания, модуля управления, модуля формирования сигнала излучения F, опорного генератора, генератора опорных частот и генератора частоты подставки;
- модуль управления состоит из программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), первого и второго цифровых квадратурно-амплитудных модуляторов, первого и второго смесителей;
0
- модуль формирования сигнала излучения F состоит из третьего смесителя и умножителя частоты;
- СЧС имеет связь по радиочастотным сигналам и по интерфейсу управления РЛС с БЦВМ, содержащая цифровой приемник;
- при функционировании РЛС все внутренние и внешние сигналы СЧС синхронизированы единым опорным сигналом, для чего выход опорного генератора соединен с входом генератора опорных частот и входом генератора частоты подставки;
- в каждом тактовом интервале (ТИ) в БЦВМ выполняется расчет параметров РЛС, которые передаются по интерфейсу управления РЛС в модуль управления СЧС для исполнения в следующем ТИ, для чего БЦВМ соединена с ПЛИС модуля управления СЧС;
ПЛИС
ТС
ПЧ1
СГ1
- ПЛИС, тактируемая сигналом F, выдаваемым генератором опорных частот, формирует сигналы синхронизации передатчика ИЗП, СВЧ-приемника ИЗО, цифрового приемника ТИ, поступающие на соответствующие входы модулей РЛС, а также цифровые квадратурные сигналы ЦКС1 и ЦКС2, поступающие на входы цифровых квадратурно-амплитудных модуляторов, соответственно, тактируемых сигналом F, выдаваемым генератором опорных частот, и формирующих радиочастотные сигналы F и F на низкой промежуточной частоте;
ПЧ1
СГ1
- радиочастотные сигналы F и F на низкой промежуточной частоте поступают соответственно на первый смеситель, на гетеродинный вход которого подается с генератора опорных частот сигнал второго гетеродина и второй смеситель, на гетеродинный вход которого поступает с генератора частоты подставки сигнал частоты подставки;
ПЧ2
СГ2
0
СГ2
- для формирования сигналов F и F используемых для формирования третьим смесителем сигнала излучения F для чего на гетеродинный вход третьего смесителя подается сигнал первого гетеродина, формируемый умножителем частоты, для чего на его вход подается сигнал F;
- сигнал первого гетеродина поступает на гетеродинный вход СВЧ-приемника;
0
- сигнал излучения F поступает на вход передатчика, выход которого соединен через циркулятор с суммарным каналом волноводно-целевой антенной решетки, а для приема отраженного сигнала по суммарному каналу волноводно-щелевая антенная решетка соединена через циркулятор с суммарным каналом СВЧ-приемника;
- для приема отраженного сигнала по разностным по азимуту и наклону и по компенсационному каналам волноводно-щелевая антенная решетка соединена с соответствующими каналами СВЧ-приемника, в свою очередь, четыре выхода СВЧ-приемника на первой промежуточной частоте соединены с четырьмя соответствующими входами приемника промежуточной частота;
- на гетеродинный вход приемника промежуточной частоты поступает из генератора опорных частот СЧС сигнал второго гетеродина, а четыре его выхода на второй промежуточной частоте соединены с соответствующими входами цифрового приемника;
- цифровой приемник производит оцифровку и предварительную обработку радиолокационных сигналов, а центральный процессор БЦВМ, используя программное обеспечение и команды оператора, выполняет первичную и вторичную обработку информации, получаемой из цифрового приемника, формируя команды управления модулями РЛС и радиолокационные изображения, выдаваемые на индикатор.
В предлагаемой РЛС применяется программный способ управления основными параметрами системы: зондирующего сигнала, частотного плана, наблюдения, контрольного и пилот-сигналов, что повышает информационные возможности, помехозащищенность и скрытность работы, а также существенно снижает стоимость жизненного цикла.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена структурная схема радиочастотного модуля, на фиг. 2 изображена структурная схема приемопередающего модуля (ППМ), на фиг. 3 представлена структурная схема синтезатора частот и синхросигналов управления.
Осуществление изобретения
На фиг. 1-3 обозначено:
1 - Радиочастотный модуль
2 - Антенный модуль;
3 - Волноводно-щелевая антенная решетка
4 - Привод
5 - СВЧ-приемник
6 - Циркулятор
7 - Приемопередающий модуль
8 - Бортовая цифровая вычислительная машина
9 - Цифровой приемник
10 - Передатчик
11 - ПЧ-приемник
12 - Синтезатор частот и синхросигналов управления
13 - Модуль источника питания (модуль ИП)
14 - Модуль управления
0
15 - Модуль формирования F
16 - Опорный генератор (ОГ)
17 - Генератор опорных частот
18 - Генератор частоты подставки
19 - Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС)
20 - Первый цифровой квадратурно-амплитудный модулятор (ЦКАМ1)
21 - Первый смеситель (СМ1)
22 - Второй квадратурно-амплитудный модулятор (ЦКАМ2)
23 - Второй смеситель (СМ2)
24 - Третий смеситель (СМ3)
25 - Умножитель частоты (УЧ).
∑ - суммарный канал
Δа - разностный канал по азимуту
Δн - разностный канал по наклону
К - компенсационный канал
Г1
F - сигнал первого гетеродина
Г2
F - сигнал второго гетеродина;
ИЗО - импульс зоны отпирания СВЧ-приемника
ТИ - тактовый интервал
ИЗП - импульс запуска передатчика
ЗС - зондирующий сигнал
0
F - сигнал несущей частоты
B
F - сигнал частоты выборок
ОП
F - стабильный опорный сигнал
ПЛИС
F - сигнал частоты тактирования ПЛИС
ЦКС1 - первый цифровой квадратурный сигнал
ЦКС2 - второй цифровой квадратурный сигнал
ТС
F - сигнал частоты тактирования ЦКАМ
ПС
F - сигнал частоты подставки
ПЧ1
F - сигнал низкой промежуточной частоты
ПЧ2
F - сигнал высокой промежуточной частоты
СГ1
F - сигнал субгармоники литерного гетеродина на низкой промежуточной частоте
СГ2
F - сигнал субгармоники литерного гетеродина на высокой промежуточной частоте.
0
0
РЛС содержит РЧМ 1 (фиг. 1) и БЦВМ 8 со стандартными внутренними и внешними интерфейсами. БЦВМ 8 содержит в своем составе четырехканальный цифровой приемник 9 и программное обеспечение. РЧМ 1 состоит из приемопередающего модуля 7 и антенного модуля 2, включающего ВЩАР 3, циркулятор 6, СВЧ-приемник 5, привод 4. Приемопередающий модуль 7 (фиг. 2) состоит из передатчика 10, ПЧ-приемника 11 и СЧС 12. В свою очередь, СЧС 12 (фиг. 3) состоит из модуля ИП 13, модуля управления 14, модуля формирования F 15, опорного генератора 16, генератора опорных частот 17, генератора частоты подставки 18. Модуль управления 14 содержит ПЛИС 19, ЦКАМ1 20, ЦКАМ2 22, СМ1 21, СМ2 23. Модуль формирования F 15 состоит из СМ3 24 и умножителя частоты 25.
В основе организации предлагаемой РЛС лежит программный способ управления основными параметрами системы:
Зондирующего сигнала:
- периодом повторения импульсов;
- длительностью импульсов;
- видом и параметрами внутриимпульсной модуляции.
Частотного плана:
- числом используемых литер;
- шагом их изменения;
- порядком следования литер;
- диапазоном частот и центром спектра.
Наблюдения:
- количеством приемных каналов;
- коэффициентом усиления;
- положением окна наблюдения;
- объемом выборки;
Контрольного и пилот-сигнала:
- задержкой;
- доплеровской частотой;
- начальной фазой импульсов.
В каждом тактовом интервале работы РЛС эти параметры рассчитываются в соответствующем программном модуле ПО БЦВМ 8 и передаются по внутреннему интерфейсу БЦВМ 8 в цифровой приемник 9 и по интерфейсу управления РЛС в ПЛИС 19 модуля управления 14 СЧС 12 для исполнения в следующем тактовой интервале, для чего «вход-выход» БЦВМ 8 соединен с входом-выходом ПЛИС 19 (фиг. 3).
ОП
B
ПЛИС
ТС
Г2
ПС
СГ1
СГ2
Все внутренние и внешние сигналы СЧС 12 синхронизированы единым сигналом F, формируемым ОГ 16, для чего выход ОГ 16 соединен с входом генератора опорных частот 17 и входом генератора подставки 18. В свою очередь, генератор опорных частот 17 формирует сигналы тактирования для: цифрового приемника 9 - F; ПЛИС - F, поступающий на второй вход; цифровых квадратурно-амплитудных модуляторов 20, 21 - F и сигнал второго гетеродина - F, который поступает в СМ1 21 и в ПЧ-приемник 11 (фиг. 2). Генератор частоты подставки 18 формирует сигнал частоты подставки F, который поступает на гетеродинный вход СМ2 23 для переноса сигнала F с низкой промежуточной частоты на высокую и формирования сигнала F.
ТС
ПЛИС 19, запрограммированная на исполнение функций цифрового автомата, управляемого от БЦВМ 8, формирует в режиме реального времени цифровые квадратурные сигналы, которые поступают с первого и второго выходов ПЛИС 19 на модулирующие входы ЦКАМ1 20 и ЦКАМ2 22, тактируемых сигналом F. ПЛИС 19 осуществляет также взаимную синхронизацию работы передатчика 10, СВЧ-приемника 5 и цифрового приемника 9, для чего третий выход ПЛИС 19, с обозначением ТИ-тактовый интервал, соединен с цифровым приемником 9 (см. фиг. 2), четвертый выход ПЛИС с обозначением ИЗП-импульс запуска передатчика соединен с первым входом передатчика 10 (см. фиг. 3), а пятый выход ПЛИС с обозначением ИЗО-импульс зоны отпирания СВЧ-приемника соединен с шестым входом СВЧ-приемника 5 (см. фиг. 2).
ПЧ1
СГ1
ПЧ1
Г2
ПЧ2
Г1
ПЧ2
0
В свою очередь, ЦКАМ1 20 и ЦКАМ2 22 формируют радиочастотные сигналы F и F на низкой промежуточной частоте. При этом сигнал F с выхода ЦКAM1 20 поступает на модулирующий вход СМ1 21, на гетеродинный вход которого с генератора опорных частот 17 поступает сигнал второго гетеродина F, в результате на выходе СМ1 21 формируется сигнал F на высокой промежуточной частоте, который поступает на вход модуляции СМ3 24, на гетеродинный вход которого поступает сигнал первого гетеродина F, переносит сигнал высокой промежуточной частоты F на несущую СВЧ-диапазона, формируя сигнал несущей частоты F.
СГ1
ПС
СГ1
СГ2
Г1
В свою очередь, ЦКАМ2 22 формирует сигнал F на низкой промежуточной частоте, который поступает на вход модуляции СМ2 23, на гетеродинный вход которого подается сигнал частоты подставки F, формируемый генератором частоты подставки 18. СМ2 23 переносит сигнал F с низкой промежуточной частоты на высокую, формируя сигнал F который поступает на вход УЧ 25, формирующего сигнал F, который поступает на гетеродинный вход СМ3 24 и на пятый вход СВЧ-приемника 5.
0
0
Сигнал несущей частоты F с первого выхода модуля формирования F 15 поступает на второй вход передатчика 10 (фиг. 2), с выхода которого зондирующий сигнал поступает на циркулятор 6 (фиг. 1).
Излучение зондирующего сигнала производится по суммарному каналу ВЩАР 3, для чего выход передатчика 10 соединен с входом циркулятора 6, а «вход-выход» циркулятора 6 соединен с суммарным каналом ВЩАР 3.
Прием отраженных зондирующих сигналов ЗС осуществляется с помощью антенного модуля 2 через ВЩАР 3 по суммарному каналу ∑, разностному по азимуту Δа, разностному по наклону Δн, и компенсационному К каналам. Для передачи принимаемого ВЩАР 3 сигнала по суммарному каналу ∑, выход циркулятора 6 соединен с первым входом СВЧ-приемника 5. Для передачи принимаемого сигнала по каналу разностному по азимуту Δа второй выход ВЩАР 3 соединен со вторым входом СВЧ-приемника 5. Для передачи принимаемого сигнала по каналу разностному по наклону Δн третий выход ВЩАР 3 соединен с третьим входом СВЧ-приемника 5. Для передачи принимаемого сигнала по каналу компенсационному К четвертый выход ВЩАР 3 соединен с четвертым входом СВЧ-приемника 5. Выходы сигналов СВЧ-приемника 5 на первой промежуточной частоте подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому входам ПЧ-приемника 11 (фиг. 2), соответствующие выходы которого соединены с входами цифрового приемника 9, где производится оцифровка и предварительная обработка радиолокационных сигналов. Цифровые массивы обработанных данных пересылаются по внутренней магистрали БЦВМ 8 в центральный процессор, в котором выполняется первичная и вторичная обработка информации соответствующими программными модулями, формируя команды управления модуля РЛС и радиолокационные изображения, выдаваемые на индикатор.
Формирование цифровых квадратурных сигналов программным путем в ПЛИС 19 позволяет реализовать в СЧС 12 любой из видов модуляции сигнала излучения, причем как внутриимпульсной, так и в пределах пачки импульсов, а также частотную манипуляцию от импульса к импульсу с любым законом перестройки частоты. Кроме того, такое построение цифрового формирователя позволяет реализовать медленную линейную частотную модуляцию (ЛЧМ) в пачке импульсов для режима «воздух-воздух», а также формировать многозональный по дальности калибровочный или пилот-сигнал с индивидуально задаваемыми для каждого участка дальности параметрами амплитуды, фазы отраженного сигнала и его доплеровского сдвига, в том числе в пачке импульсов. Параметры формируемых СЧС 12 сигналов задаются БЦВМ через интерфейс управления РЛС.
В основе принципов построения предлагаемого РЛС лежит единая архитектура (структура и организация), применение технических и программных средств, а также унифицированные устройства: приемопередающий модуль, цифровой приемник, ПЧ-приемник и синтезатор частот и синхросигналов управления.
Предложенное решение позволяет уменьшить габариты, снизить стоимость жизненного цикла, а также повысить информационные возможности, помехозащищенность и скрытность работы РЛС.