СВЕРХКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЙ РАДИОЛОКАТОР С РЕЗОНАНСНОЙ КОМПРЕССИЕЙ СВЧ-ИМПУЛЬСОВ ПЕРЕДАТЧИКА

Полезная модель относится к области радиолокации и может быть использована в сверхкороткоимпульсных радиолокационных системах (РЛС), в которых осуществляется временная компрессия импульсов передатчика с помощью резонансных накопительных объемов.
Сверхкороткоимпульсные РЛС дают большой объем информации о цели за счет того, что зондирующие короткоимпульсные сигналы обладают широкой частотной полосой. В радиолокации к сверхкороткоимпульсным сигналам относятся сигналы наносекундной длительности с несущей в диапазоне СВЧ, которые за счет малого импульсного объема обеспечивают высокую разрешающую способность по дальности [В.Н.Скосырев. Особенности и свойства короткоимпульсной локации // Сб. Сверхширокополосные системы в радиолокации и связи: - Муром, МИ ВиГУ. - 2000. - С.67-91].
Известен короткоимпульсный радиолокатор [D.Clunie, G.Mesyats, M.L.Osipov et al. The design, construction and testings of an experimental high power, short-pulse radar // Proc. of the Intern. Workshop "Strong microwaves in plasma". - Nizhny Novgotod, IAP PAS. - 1997. - P.886-902], основные блоки которого: источник высоковольтного питания передатчика, источник СВЧ импульсов, приемная и передающая антенны, приемник, блок обработки информации. Источник высоковольтного питания включает в себя трансформатор Тесла, коаксиальную формирующую линию и переключающий разрядник. Длительность импульсов питания 10 нс, напряжения 600 кВ. Источником СВЧ импульсов является лампа обратной волны, работающая на частоте 10 ГГц. Параметры выходных импульсов: длительность 7 нс, пиковая мощность 400 МВт, частота следования 150 Гц.
В связи с высокой мощностью короткоимпульсного излучения постоянная развязка между передающим и приемным трактом 50 дБ достигалась с помощью двух разнесенных антенн приемной и передающей. Дополнительная двухступенчатая развязка предусмотрена в приемнике. При превышении амплитуды входного сигнала 200 мВ вводится затухание - 60 дБ. Начальные эксперименты показали, что объекты обнаруживаются над морской поверхностью или при наличии пассивных помех земного покрова на расстоянии нескольких десятков километров с разрешением по дальности не хуже 2 м.
К недостаткам данного радиолокатора относятся сложность конструкции и большая стоимость. Это было отмечено также в [И.Я.Иммореев. Сверхширокополосные
радары: новые возможности // Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение. - 198. - №4. - С.25-56].
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является наносекундный радиолокатор [Наносекундный радиолокатор с временной компрессией СВЧ импульсов передатчика /Ю.Г.Юшков, Н.Н.Бадулин, А.Б.Бацула и др. // Электромагнитные волны и электронные системы. - №6. Т.2. - 1997], состоящий из двух отдельных систем передачи и приема. Приемный тракт включает щелевую антенну, малошумящий усилитель высокой частоты, широкополосный усилитель, детектор, управляющий компьютер, блок обработки и отображения информации. В данном радиолокаторе использована резонансная компрессия выходных импульсов магнетронного генератора для увеличения импульсной мощности и сокращения длительности. Поэтому система передачи состоит из параболической передающей антенны, устройства компрессии СВЧ импульсов, СВЧ генератора, модулятора, блока питания и синхронизатора, блока поджига разрядника. Устройство компрессии СВЧ импульсов включено в тракт между СВЧ генератором и передающей антенной. Оно включает циркулятор для стабилизации работы СВЧ генератора при резонансной нагрузке, накопительный резонатор с выходным интерференционным переключателем, в котором в качестве разрядника использован газовый СВЧ разрядник, соединенный с блоком поджига разрядника.
0
гp
гp
гp
Компрессия выходных СВЧ импульсов СВЧ генератора происходит следующим образом. Импульс СВЧ генератора поступает на вход накопительного резонатора и за время, равное примерно длительности этого импульса, возбуждает его. Напряженность электрического поля в возбужденном резонаторе определяется его параметрами и, как правило, превышает напряженность электрического поля возбуждающего импульса в 8...10 раз. В конце процесса возбуждения от блока запуска на газовый СВЧ разрядник подается высоковольтный импульс. Он инициирует срабатывание газового СВЧ разрядника и установление минимального переходного затухания выходного интерференционного переключателя. При этом энергия возбужденного поля излучается в нагрузку за время t=L/V, где L - длина резонатора, V - групповая скорость волны. Для обычных значений L и V длительность таким образом сформированных импульсов - единицы, десятки наносекунд и усиление мощности для указанного выше соотношения напряженности электрического поля - 17...20 дБ.
Сформированные импульсы излучаются и отраженные сигналы от целей принимаются щелевой антенной системы приема. Сигналы усиливаются, детектируются и подвергаются обработке для получения информации о координатах и характеристиках
цели. Полоса пропускания малошумящего и широкополосного усилителей не менее 150 МГц и при длительности зондирующих импульсов 6...10 нс разрешение по дальности не хуже 1.5 м, что при протяженном объекте позволяет получить дальностный портрет цели.
0
n
r
К недостаткам прототипа относится конечное значение переходного затухания выходного интерференционного переключателя во время возбуждения накопительного резонатора. Поэтому присутствует нежелательное излучение микросекундной длительности, хотя и малого уровня мощности, непосредственно перед излучением зондирующего наносекундного импульса. Реальная форма огибающей формируемого импульса показана на фиг.1, где обозначено Р - мощность формируемого импульса P- максимальная мощность предимпульса, t - длительность предимпульса, равная длительности возбуждающего импульса генератора.
Сигнал, поступающий в систему приема, является суммой сигналов, отраженных от цели, от «засвечиваемой» поверхности и объектов, являющихся пассивными помехами. Условием обнаружения цели является превышение мощности наносекундной части импульса, рассеиваемой целью, над суммарной мощностью остальных составляющих. Отсюда можно получить неравенство, для которого это условие выполняется:
ск
0
1
2
2
1
n
0
где: R - расстояние до цели, β - угол скольжения; Θ - ширина диаграммы направленности; σ - удельная эффективная площадь рассеяния (ЭПР) распределенных помех; σ - ЭПР цели, с - скорость света;σ - ЭПР рядом расположенного объекта, превышающего ЭПР цели (σ>σ); W - энергия предимпульса; W - энергия зондирующего импульса.
n
0
1
2
2
4
2
В частности, при Р/Р=50 дБ различимы цели, отличающиеся на четыре порядка (σ≈1м, σ≈10 м) при уменьшении дальности на 10%. Значение 50 дБ соответствует обычному переходному затуханию волноводного тройника, используемого в качестве интерференционного переключателя, в режиме возбуждения накопительного резонатора. Специальные конструкции [Alvarez R.A., Byrne D.P. Prepulse suppression in microwave pulse-compression cavities // Review Scientific Instruments - 1986. - v.57, No 10. - P.2475-2480] позволяют уменьшить мощность предимпульса до - 70 дБ, и тогда в данном случае дальность уменьшится только на 0.1%. Тем не менее, наличие предимпульса ограничивает возможности короткоимпульсного радиолокатора с компрессией импульсов передатчика, и это является его недостатком.
Задачей предлагаемой полезной модели является разработка радиолокатора с компрессией импульсов передатчика, в котором бы отсутствовало маскирующее действие распределенных пассивных помех или больших объектов, проявляющееся вследствие наличия предимпульса в формируемом излучении.
Технический результат заключается в увеличении дальности обнаружения на фоне распределенных пассивных помех и возможности выделения целей с малой эффективной площадью рассеяния.
0
0
0
Для решения поставленной задачи в сверхкороткоимпульсном радиолокаторе с резонансной компрессией импульсов передатчика, содержащем, как и прототип, передающий блок, включающий последовательно установленные передающую антенну, устройство компрессии СВЧ импульсов, СВЧ генератор, модулятор, с подключенным к нему блоком питания, синхронизатор, соединенный с блоком поджига разрядника, выход которого подключен к устройству компрессии СВЧ импульсов, и приемный блок, включающий приемную антенну, соединенную с малошумящим усилителем ВЧ, и последовательно соединенные широкополосный усилитель, детектор, блок обработки и отображения информации, управляющий компьютер, соединенный дополнительно с блоком обработки информации каналом обратной связи и с детектором, в отличие от прототипа, между малошумящим усилителем высокой частоты и широкополосным усилителем включена схема противофазного сложения, на входе которой установлен делитель мощности входного сигнала на два канала, а на выходе установлено суммирующее устройство, причем в одном из каналов установлена линия задержки на время t+Т/2=Δt, где Т - период колебания СВЧ поля.
Устройство иллюстрируется графическими материалами, на которых:
На фиг.1 приведена форма огибающей излучаемого импульса передающего блока.
На фиг.2 изображена схема передающего блока сверхкороткоимпульсного радиолокатора.
На фиг.3 - приведена схема приемного блока.
На фиг.4 изображена огибающая наносекундного импульса, поступающего на вход схемы противофазного сложения.
На фиг.5 - импульсы, поступающие на вход суммирующего устройства.
На фиг.6 - форма видеосигнала после детектирования.
Сверхкороткоимпульсный радиолокатор содержит передающий блок (фиг.2) и приемный блок (фиг.3). Передающий блок включает передающую антенну 1, синхронизатор 2, устройство компрессии 3 СВЧ импульсов, блок поджига разрядника 4, СВЧ генератор 5, модулятор 6 и блок питания 7. Приемный блок содержит управляющий компьютер 8, приемную антенну 9, малошумящий усилитель высокой частоты 10, схему
0
0
0
противофазного сложения 11, включенную между малошумящим усилителем высокой частоты 10 и широкополосным усилителем 12, детектор 13, блок обработки и отображение информации 14. На входе схемы противофазного сложения 11 (СПС) установлен делитель мощности входного сигнала 15 на два канала. В одном из каналов установлена линия задержки 16 на время t+Т/2=Δt, где Т - период колебания СВЧ поля. На выходе СПС установлено суммирующее устройство 17, складывающее сигналы, поступающие из двух каналов. Выход СПС 11 подключен к входу широкополосного усилителя 12.
В передающем блоке (фиг.2) СВЧ генератор 5 подключен к высоковольтному источнику импульсного анодного напряжения - модулятору 6. Блок питания 7 подключен к модулятору 6 и является источником постоянных напряжений для схемы накала, высоковольтного блока и т.п. Источник синхроимпульсов, или синхронизатор 2, обеспечивает синхронную работу блоков и соединен с модулятором 6 и блоком поджига разрядника 4. Устройство компрессии 3 СВЧ импульсов соединено, с одной стороны, с СВЧ выходом СВЧ генератора 5, с другой, высоковольтный входной электрод его разрядника соединен с выходом блока поджига разрядника 4. Выходной СВЧ тракт устройства компрессии 3 СВЧ импульсов подключен к передающей антенне 1.
В приемном блоке (фиг.3) выход приемной антенны 9 соединен с входом малошумящего усилителя ВЧ 10 и затем последовательно соединены схема противофазного сложения 11, широкополосный усилитель 12, детектор 13 и блок обработки и отображения информации 14. Управляющий компьютер 8 соединен каналами управления с детектором 13 и блоком обработки и отображения информации 14, с блоком обработки и отображения информации 14 дополнительно каналом обратной связи.
Устройство работает следующим образом. По управляющему сигналу синхронизатора 2 модулятор 6 формирует высоковольтный импульс, который прикладывается к анодному блоку генерирующей лампы СВЧ генератора 5. Выходной импульс СВЧ генератора 5 возбуждает накопительный резонатор устройства компрессии 3 СВЧ импульсов, в конце процесса возбуждения, также по управляющему импульсу синхронизатора 2 блок поджига разрядника 4 формирует импульс напряжения, который подается на разрядник интерференционного переключателя накопительного резонатора. Разрядник срабатывает, интерференционный переключатель открывает резонатор и на передающую антенну 1 от устройства компрессии 3 СВЧ импульсов поступает импульс, форма огибающей которого приведена на фиг.1. Импульс излучается, распространяется в пространстве, отражается от цели и поступает в приемную антенну 9. Согласно схеме фиг.3 принимаемый СВЧ сигнал усиливается малошумящим усилителем ВЧ 10 и затем в
0
0
схеме противофазного сложения 11 делится поровну делителем мощности входного сигнала 15 на два канала. В один из каналов включена линия задержки 16, которая задерживает сигнал на время равное длительности зондирующего наносекундного импульса t и дополнительно на половину периода Т/2. Затем сигналы, поступающие из двух каналов, складываются в суммирующем устройстве 17.
Поскольку амплитуда микросекундной части выходного импульса в течение наносекундного интервала времени остается неизменной, то в принятых отраженных сигналах микросекундные составляющие взаимно уничтожаются.
На фиг.4 изображена огибающая наносекундного импульса, поступающая на делитель мощности входного сигнала 15. Наносекундные сигналы в двух каналах сдвинуты на время равное их длительности, и на суммирующее устройство 17 поступают последовательно два импульса с противоположными фазами, изображенные на фиг.5. После детектирования видеосигнал должен иметь форму, приведенную на фиг.6. Реальная форма сигнала будет более гладкой вследствие ограниченных частотных параметров детектора 13 и цепей вторичной обработки сигналов.
0
При использовании такой схемы в приемном блоке точность определения дальности ct≈с·Δt будет в 2 раза ниже по сравнению с тем, когда определение дальности осуществляется по исходному сигналу, но при этом увеличивается дальность в присутствии распределенных пассивных помех.
Таким образом, из общего принимаемого СВЧ сигнала с несущей частотой, равной рабочей радиочастоте передатчика, выделяются сигналы наносекундной длительности. Тем самым на этой же частоте подавляется сигнал активных помех, имеющий, как правило, медленно меняющуюся амплитуду.
Пример конкретного выполнения. В 3-х сантиметровом диапазоне длин волн были выбраны следующие параметры устройства компрессии и электронных блоков.
11
Передающая антенна 1, рассчитанная на рабочую частоту 10 ГГц, может быть или рупорной или зеркальной, СВЧ генератор 5 имеет следующие параметры выходных импульсов - длительность 3 мкс, импульсная мощность 10 кВт, частота повторения 100 Гц (параметры соответствуют передатчику выпускаемой промышленностью РЛС «Гроза»). Устройство компрессии 3 СВЧ импульсов включает накопительный объемный резонатор, цилиндрический или прямоугольный, с интерференционным переключателем в виде Н-тройника с коммутатором в закороченном плече. Низший вид колебаний Н является рабочим, но сам объем резонатора для сокращения длины может быть выполнен сверхразмерным. Тогда длина резонатора не будет превышать 250 мм, а диаметр 60 мм (если резонатор цилиндрический). Параметры выходных импульсов системы компрессии
10 нс - длительность, 100-120 МВт - импульсная мощность. Блок поджига резонатора формирует импульсы с регулируемым напряжением 1...10 кВ и длительностью 50 нс.
В приемном блоке приемная антенна 9 может быть такого же типа, как и передающая антенна 1. Малошумящий усилитель высокой частоты (МУВЧ) 10 осуществляет усиление, преобразование его в сигнал с несущей 1200 МГц и предварительное усиление сигнала. Для этого в его состав входит гетеродин с выходной частотой 8800 МГц. МУВЧ имеет коаксиальный выход. Делитель мощности входного сигнала 15 представляет собой коаксиальный тройник. Линия задержки 16 регулируемая и позволяет производить задержку до 10 нс. Суммирующее устройство 17 собрано по мостовой схеме с суммированием сигналов двух выходных плеч. Широкополосный усилитель 12 является, по сути, усилителем промежуточной частоты, он состоит из фильтра ПУ и собственно усилителя. Полоса пропускания фильтра 100 МГц. Видеодетектор 13 интегрирован с логарифмическим видео-усилителем. В целом приемный тракт имеет следующие технические характеристики: несущая частота 10 ГГц; уровень собственных шумов - 120 дБ/Вт; динамический диапазон 50 дБ; полоса пропускания 100 МГц; уровень ограничения выходного сигнала 0.3 В; промежуточная частота 1200 МГц; напряжение питания менее 9 В.
Линия задержки 16 задерживает выходной сигнал с МУВЧ 10 на время 10 нс и инвертирует фазу. В результате после сложения сигналов в суммирующем устройстве 17 на вход широкополосного усилителя 12 поступает ВЧ сигнал длительностью 20 нс с несущей частотой 1200 МГц. Этот сигнал длительностью 20 нс не имеет ни предимпульса, ни последующего излучения микросекундной длительности. Поэтому при дальнейшей обработке в блоке 14 малозаметные цели обнаруживаются в присутствии целей с большими ЭПР, превышающими даже ЭПР цели на 4...6 порядков. Точность разрешения по дальности составляет 3 м. Дальность ограничена только собственными шумами приемника и наличием пассивных распределенных помех.