РАДИОЛОКАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО РАСПОЗНАВАНИЯ ВОЗДУШНЫХ ЦЕЛЕЙ, ИНВАРИАНТНОЕ К ВЛИЯНИЮ ТУРБОВИНТОВОГО ЭФФЕКТА

Полезная модель относится к радиолокационной технике и может быть использована для распознавания воздушных целей различных классов.
Известно радиолокационное устройство распознавания целей [1], состоящее из индикатора и приемопередатчика, содержащего генератор, импульсный модулятор, усилитель мощности, антенный переключатель, антенну, первый и второй смесители, гетеродин, усилитель промежуточной частоты и фазовый детектор. При этом гетеродин, смесители, усилитель промежуточной частоты и фазовый детектор входят в состав приемника, генератор связан своим выходом с первым входом первого смесителя и первым входом усилителя мощности, выход которого соединен с антенной через антенный переключатель, выход которого связан с первым входом второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого смесителя, а выход связан с входом усилителя промежуточной частоты, выход которого подключен ко второму входу фазового детектора, выход которого связан с индикатором, а первый вход связан с гетеродином, который также связан с вторым входом первого смесителя, и, кроме того, выход импульсного модулятора соединен со вторым входом усилителя мощности.
Данное устройство не обеспечивает высокую эффективность распознавания воздушных целей, так как оно не может распознавать неподвижные или малоподвижные цели на фоне местных предметов и метеообразований, а также цели, имеющие одинаковые радиальные составляющие вектора скорости.
Известно также радиолокационное устройство распознавания воздушных целей [2], содержащее блок распознавания и приемопередатчик, причем в состав приемопередатчика входят импульсный модулятор, генератор, антенна, связанная своим вход-выходом с вход-выходом антенного переключателя, выход которого соединен со входом приемника, выход которого связан со вторым входом первого коммутатора, первый вход которого подключен к выходу делителя частоты, вход которого соединен с выходом импульсного модулятора и входом генератора, выход которого подключен ко входу антенного переключателя, а блок распознавания содержит квадратор, соединенный своим выходом со входом первой линии задержки, первым входом первого амплитудного накопителя
со сбросом и первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу первой линии задержки, а выход - ко входу двухполупериодного выпрямителя, связанного своим выходом с первым входом второго амплитудного накопителя со сбросом, второй вход которого подключен к выходу второй линии задержки и ко второму входу первого амплитудного накопителя со сбросом, выход которого соединен со вторым входом делителя, первый вход которого подключен к выходу второго амплитудного накопителя со сбросом, а выход - к первому входу второго коммутатора, второй вход которого связан с выходом генератора импульсов сброса и входом второй линии задержки, а выход - со входом блока идентификации, причем выход первого коммутатора подключен ко входу квадратора.
Данное устройство способно распознавать воздушные цели различных классов в режиме сопровождения с достаточной вероятностью правильного распознавания. Признак распознавания Q, используемый в предлагаемом устройстве и выражающий интенсивность изменения амплитуды отраженного сигнала в соответствии с ракурсом локации и размерами целей, является безразмерной величиной, не зависящей от дальности до цели, что позволяет обеспечить хорошее качество распознавания целей в широком диапазоне дальностей. Однако используемый признак распознавания Q обеспечивает качественную работоспособность устройства только в отношении целей, не имеющих открытых структур двигательных установок. При наличии отражений радиоволн от вращающихся элементов двигательных установок отражательная характеристика воздушной цели будет модулирована (изрезана) турбовинтовыми составляющими [3], в результате чего признак распознавания потеряет эффективность. Отражательная характеристика цели есть зависимость амплитуды отраженного целью сигнала от времени в реальных условиях сопровождения воздушной цели. В этом ее отличие от диаграммы обратного рассеяния. Для отражательной характеристики изменение углового положения цели происходит с переменной угловой скоростью, которая на атакующих ракурсах может даже менять свое направление.
Задачей полезной модели является обеспечение работоспособности устройства распознавания воздушных целей в условиях негативного влияния турбовинтового эффекта (ТВЭ).
Для достижения указанной цели в состав известного устройства распознавания дополнительно вводят низкочастотный фильтр, выход которого подключают ко второму входу первого коммутатора, а вход - к выходу приемника, разрывая связь приемника со входом первого коммутатора.
Предложенное построение схемы позволяет заявляемому устройству проводить распознавание воздушных целей разных размеров или конфигураций в условиях наличия ТВЭ. Распознавание предполагается обеспечивать, как и в [2], за счет анализа величин изменения уровней сигналов, отраженных целями на каждой паре смежных углов пеленга при случайных рысканиях, тангажах и кренах.
На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого радиолокационного устройства распознавания воздушных целей, инвариантного к влиянию турбовинтового эффекта.
Устройство состоит из приемопередатчика 1 и блока распознавания 2.
Приемопередатчик 1 содержит: импульсный модулятор 3, генератор 4, антенный переключатель 5, антенну 6, приемник 7, делитель частоты 8, первый коммутатор 9, низкочастотный фильтр 21. Импульсный модулятор 3 связан своим выходом со входом делителя частоты 8 и входом генератора 4, выход которого связан со вход-выходом антенны 6 через антенный переключатель 5, выход которого подключен ко входу приемника 7, который содержит в своем составе преобразователи частоты, фильтры, усилители и детектор (на фиг.1 не показаны). Видеосигнал с выхода приемника 7 поступает на вход низкочастотного фильтра 21, осуществляющего выделение низкочастотной планерной составляющей отраженного сигнала [3]. Отфильтрованный сигнал с выхода блока 21 поступает на второй вход первого коммутатора 9, который по сигналам, поданным на его управляющий (первый) вход с выхода делителя частоты 8, осуществляет коммутацию выходного сигнала низкочастотного фильтра 21 с выходом первого коммутатора 9 (входом блока распознавания 2) по закону, определяемому делителем частоты 8.
Блок распознавания 2 содержит: квадратор 10, 1-й амплитудный накопитель со сбросом 11, сумматор 12, 1-ую линию задержки 13, двухполупериодный выпрямитель 14, 2-й амплитудный накопитель со сбросом 15, делитель 16, второй коммутатор 17, генератор импульсов сброса 18, 2-ю линию задержки 19 и блок идентификации 20. При этом выход первого коммутатора 9 приемопередатчика 1 подключен ко входу квадратора 10, связанного своим выходом одновременно с первым входом 1-го амплитудного накопителя со сбросом 11, входом 1-й линии задержки 13 и первым (инверсным) входом сумматора 12, вторым (прямым) входом которого служит выход 1-й линии задержки 13. Выход сумматора 12 соединен со входом двухполупериодного выпрямителя 14, выход которого связан с первым входом 2-го амплитудного накопителя 15, выход которого подключен к 1-му входу делителя 16, вторым входом которого
является выход 1-го амплитудного накопителя со сбросом 11. Выход делителя 16 связан с 1-м входом коммутатора 17, выход которого соединен со входом блока идентификации 20. Выход генератора импульсов сброса 18 связан одновременно со вторым (управляющим) входом коммутатора 17 и входом 2-й линии задержки 19, выход которой соединен одновременно со вторым входом 1-го амплитудного накопителя со сбросом 11 и вторым входом второго амплитудного накопителя со сбросом 15.
На первом входе сумматора 12 предполагается наличие инвертора, который обеспечивает формирование на выходе сумматора напряжения, пропорционального разности сигналов на его втором и первом входах, что необходимо для правильной работы предлагаемого устройства. В отличие от сумматора, на выходе которого амплитуда сигнала определяется как сумма амплитуд сигналов, поданных одновременно на все его входы, амплитудные накопители 11 и 15 формируют на выходе сигнал, равный сумме амплитуд сигналов, поступающих на его вход последовательно.
Радиолокационное устройство распознавания воздушных целей, инвариантное к влиянию турбовинтового эффекта, работает следующим образом.
o
В приемопередатчике 1 с помощью импульсного модулятора 3 возбуждается высокочастотный генератор 4, вырабатывающий радиосигналы на несущей частоте f, которые, пройдя антенный переключатель 5, излучаются в направлении воздушной цели через антенну 6. Отраженный сигнал принимается антенной 6 и через антенный переключатель 5 подается на вход приемного устройства 7, с выхода которого видеосигнал поступает на вход низкочастотного фильтра 21. Низкочастотный фильтр 21 выделяет из принятого сигнала его низкочастотную составляющую [3, 4], обусловленную отражениями волн только от планера воздушной цели. Для этого полоса пропускания низкочастотного фильтра должна быть не более 500 Гц, т.к. частоты турбовинтовых составляющих, модулирующих отражательную характеристику воздушной цели, составляют от единиц до десятков кГц [5]. Выходной сигнал низкочастотного фильтра 21 поступает на вход первого коммутатора 9, который в моменты прихода на его управляющий вход сигнала с выхода делителя частоты 8 осуществляет прямую передачу выходного сигнала низкочастотного фильтра 21 на вход блока распознавания 2, а именно - на вход квадратора 10.
д
и
и
Коэффициент деления К делителя частоты 8 выбирается таким, чтобы полученный (в результате деления им частоты повторения импульсов F импульсного модулятора 3) период повторения отселектированых импульсов Т обеспечивал поворот воздушной цели, случайно рыскающей в атмосфере с угловой
Ψ
ψ
ди
ψ
и
д
ψ
д
и
ψ
ди
ψ
д
д
ди
и
и
и
д
-3
-3
скоростью ω, на угловую величину Δψ=ωТ=ωТ К=ωК/F. Величина дискретизации по углу локации Δψ должна удовлетворять условию фиксации самого узкого лепестка отражательной характеристики в 3-4 точках. Так для самолета протяженностью L=50 м при длине волны λ=2 см ширина лепестка диаграммы обратного рассеяния согласно [6, с.148] будет равна Δθ≈λ/(2L)≈0,01°. Величина угловой дискретизации в этом случае составит Δψ=Δθ/4≈0,0025°. Тогда даже при максимальной угловой скорости рыскания планера ω, равной 2,5°/с, период дискретизации будет равен Т≈Δψ/ω≈10 с. Поэтому К следует выбирать на основе соотношения К≈ТF≈10F, т.е. для РЛС с частотой повторения F=10 кГц получим К=10.
ди
ди
Низкочастотный отраженный от цели сигнал на видеочастоте с выхода первого коммутатора 9 поступает на вход квадратора 10, после преобразования в котором подается на входы трех элементов: 1-го амплитудного накопителя со сбросом 11 (на его 1-й вход), 1-й линии задержки 13 и сумматора 12 (на его инверсный вход, названный первым). На выходе 1-го амплитудного накопителя со сбросом 11 формируется сигнал, равный сумме квадратов сигналов, пришедших за определенный интервал времени с выхода приемника 7 через низкочастотный фильтр 21 и первый коммутатор 9. Линия задержки 13 обеспечивает задержку видеосигнала на время Т и, таким образом, подает со своего выхода задержанный сигнал на прямой вход сумматора 12. При этом каждому сигналу i-го момента времени на прямом входе сумматора 12 соответствует сигнал (i+1)-гo момента времени на его инверсном входе. Во временном исчислении разница моментов приема сигналов, поступающих одновременно на входы сумматора 12, составляет Т. На выходе сумматора 12 вырабатываются сигналы, равные разности квадратов отраженных от цели сигналов на каждой паре смежных углов визирования с угловым смещением Δψ. Разностные сигналы с выхода сумматора 12 выпрямляются двухполупериодным выпрямителем 14 и подаются на первый вход второго амплитудного накопителя 15, работающего аналогично первому, показанному блоком 11. С выхода второго амплитудного накопителя 15 сигнал поступает на первый вход делителя 16, на второй вход которого подается выходной сигнал первого амплитудного накопителя со сбросом 11.
На выходе делителя 16 формируется сигнал, пропорциональный отношению уровней сигналов, поступивших на его 1-й и 2-й входы. Данный сигнал подается на 1-й вход второго коммутатора 17, который пропускает его на вход блока идентификации 20 только в момент прихода на управляющий вход коммутатора 17 сигнала сброса с выхода генератора импульсов сброса 18. Одновременно
с
с этим блок 18 с периодичностью интервала сброса Т подает сигналы сброса на вход второй линии задержки 19.
с
0
Выбор интервала Т производится с учетом обеспечения анализа достаточного интервала изменения ракурса (угла визирования) цели ψ. Ширина наиболее узких лепестков диаграммы обратного рассеяния Δθ, как уже было указано, в квазиоптической области отражения определяется зависимостью Δθ≈λ/(2L), где L - расстояние между наиболее удаленными по азимуту локальными рассеивателями на поверхности воздушной цели, т.е. в сантиметровом диапазоне Δθ составляет около 0,01°. Этому значению соответствует величина угловой дискретизации Δψ≈0,0025°. Полный интервал изменения ракурса цели должен соответствовать угловой величине лепестка диаграммы обратного рассеяния малоразмерной цели, т.е. составлять величину порядка 0,25°. Тогда для цели с минимальной угловой скоростью рыскания, равной, например, 0,5/с, импульс сброса должен поступать на вторые (управляющие) входы 1-го и 2-го амплитудных накопителей 11, 15 с периодичностью порядка 0,5 с. Это время определяет длительность одного цикла распознавания, что соответствует временным нормативам быстродействия устройств распознавания целей в современных РЛС.
По приходу сигнала сброса второй коммутатор 17 пропускает сигнал с выхода делителя 16 на вход блока идентификации 20, где происходит его сравнение с набором пороговых сигналов для определения класса цели, выбранной для распознавания.
Блок идентификации 20 представляет собой устройство, структурно состоящее из блока хранения порогов, запоминающего устройства, схемы сравнения и табло вывода результатов (на фиг.1 не показаны). Сигнал с выхода делителя 16 через 2-й коммутатор 17 поступает на вход запоминающего устройства, которое подает входной сигнал на 1-й вход схемы сравнения в течение промежутка времени, необходимого для сравнения входного сигнала с набором пороговых сигналов, поступающих поочередно на 2-й вход схемы сравнения. При превышении сигналом запоминающего устройства очередного порога (пороги подаются в порядке убывания) на выход схемы сравнения проходит сигнал, пропорциональный уровню порога. Этот сигнал отключает от схемы сравнения блок хранения порогов и обнуляет выход запоминающего устройства до начала следующего цикла распознавания. Кроме того, этот сигнал поступает на табло вывода результатов, в котором в соответствии с уровнем входного сигнала загорается и встает на самоблокировку индикатор (светодиод, лампа) распознанного класса воздушной цели.
ди
Задержанный во 2-й линии задержки 19 на величину Т импульс сброса поступает с ее выхода на второй (управляющий) вход 1-го и 2-го амплитудных накопителей со сбросом 11 и 15 для перевода их в нулевое положение, т.е. для подготовки к очередному циклу накопления отраженных сигналов в интересах распознавания целей на основе оценки признака Q. Этот признак в предлагаемом устройстве, за исключением первоначального цикла распознавания, в который попадает первый из отраженных целью импульсов, выражается
c
где  - амплитуда отраженного воздушной целью сигнала на выходе приемного устройства в очередной, отселектированный первым коммутатором 9, n-й момент времени; N - количество отселектированных коммутатором 9 сигналов за интервал времени Т.
Как видно из формулы, признак распознавания Q, используемый в предлагаемом устройстве, является безразмерной величиной, не зависящей от дальности до цели. Это позволяет обеспечить хорошее качество распознавания воздушных целей, сопровождаемых РЛС в широком диапазоне дальностей.
Однако при турбовинтовой модуляции отраженного сигнала отражательная характеристика цели становится сильно изрезанной. Наличие непредсказуемых амплитудных выбросов в отражательной характеристике приводит к нарушению закономерностей между размерами воздушной цели и шириной наиболее узких лепестков отражательной характеристики. При ТВЭ узкие лепестки отражательной характеристики принадлежат турбовинтовым составляющим [5]. Их ширина не зависит от размеров и конфигурации цели. В результате признак распознавания Q перестает реагировать на изрезанность планерной составляющей в отражательной характеристике. Для обеспечения работоспособности признака распознавания Q отражательную характеристику, изрезанную турбовинтовой модуляцией (фиг.2а) необходимо сгладить, т.е. пропустить через низкочастотный фильтр. Этот фильтр должен пропускать полезный низкочастотный сигнал и устранять высокочастотную модуляцию. Для этого полоса фильтра выбирается меньшей по отношению к частоте первых турбовинтовых составляющих спектра отраженного сигнала. Так как частоты составляющих ТВЭ лежат в диапазоне от единиц до десятков кГц [5], полосу пропускания фильтра 21 целесообразно выбрать равной 500 Гц. При прохождении через такой фильтр отражательная характеристика избавляется от турбовинтовой модуляции
(фиг.2б) и становится информативной для извлечения информации о размерах воздушных целей.
Таким образом, дополнение схемы устройства низкочастотным фильтром обеспечивает достижение сформулированной задачи полезной модели и целесообразность использования заявляемого объекта в современных и перспективных радиолокаторах.
Источники информации
1. Авиационные радиолокационные устройства / Под ред. П.И.Дудника. М.: ВВИА им. Н.Е.Жуковского, 1986, С.201, рис.7.13 (аналог).
6
2. Патент РФ №2079857. МПК G01S 13/02. Радиолокационное устройство распознавания воздушных целей. Митрофанов Д.Г., Ермоленко В.П., Максаков И.М., Аникина Е.А. Заявка №95104681. Приоритет 31.05.95 г. Опубл. 20.05.97 г. (прототип).
3. Митрофанов Д.Г. Формирование радиолокационных изображений при негативном влиянии турбовинтовой модуляции. М.: Измерительная техника. №7. 2005. с.60-64.
4. Митрофанов Д.Г., Прохоркин А.Г., Нефедов С.И. Измерение поперечных размеров летательных аппаратов по частотной протяженности доплеровского портрета. М.: Радиотехника. №1. 2008. с.84-90.
5. Радиоэлектронные системы. Справочник. Основы построения и теория / Под ред. Я.Д.Ширмана. - М.: Радиотехника. 2007. 510 с.
6. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. - М: Радио и связь, 1983. - 536 с.