Способ измерения угла места маловысотной цели и устройство для его осуществления
METHOD FOR MEASURING ANGLE OF LOW-ALTITUDE TARGET AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретения относятся к области радиолокации и могут быть использованы в обзорных радиолокационных станциях (РЛС) для измерения угла места маловысотных целей (МВЦ) в условиях многопутного распространения зондирующего и отраженного от цели сигнала.
Известен моноимпульсный амплитудный суммарно-разностный способ измерения угла места цели (Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д. Ширмана, М., «Сов. радио», 1970, с. 303, рис. 5.69). В данном способе в заданном угловом направлении формируют два приемных луча с одинаковыми диаграммами направленности (ДН), максимумы которых в вертикальной плоскости разнесены между собой на некоторый угол. Сигналы с выходов антенн синфазно суммируют и получают суммарную ДН антенны (ДНА). Одновременно эти же сигналы вычитают и получают разностную ДНА. Канал с суммарной ДНА - суммарный канал - служит для обнаружения целей и измерения дальности до цели. Канал с разностной ДНА - разностный канал - содержит информацию об угловом положении цели, поскольку амплитуда сигнала в нем зависит от углового отклонения цели от равносигнального направления.
Известно устройство для осуществления моноимпульсного суммарно-разностного способа измерения угла места цели (Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д. Ширмана, М., «Сов. радио», 1970, с. 306-307, рис. 5.74). Устройство содержит антенну с двумя приемо-передающими облучателями, устройство формирования суммы и устройство формирования разности принятых сигналов, соединенные с двумя выходами антенны, два смесителя, причем вход первого из них соединен с выходом устройства формирования суммы принятых сигналов, а вход второго - с выходом устройства формирования разности принятых сигналов, гетеродин, первый и второй выходы которого соединены со вторыми входами соответственно первого и второго смесителя, первый и второй усилители промежуточной частоты, входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго смесителя, фазовый детектор, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого и второго усилителей промежуточной частоты, исполнительное устройство, вход которого соединен с выходом фазового детектора, а выход механически соединен с антенной, координатный выход антенны является выходом устройства.
Недостаток известного моноимпульсного суммарно-разностного способа и устройства для его осуществления состоит в следующем.
При измерении угла места МВЦ в условиях многопутного распространения зондирующего и отраженного от цели сигнала в каждую из двух приемных антенн поступают эхо-сигналы как отраженные прямо от цели, так и переотраженные поверхностью земли. В результате равносигнальное направление, которое в моноимпульсном способе считается направлением на цель, оказывается смещенным от цели по углу места. Возникает ошибка его измерения. Таким образом, моноимпульсный суммарно-разностный способ и устройство для его осуществления в условиях многопутного распространения зондирующего и отраженного от цели сигнала принципиально не могут обеспечить точность измерения угла места МВЦ, такую, какую эти технические решения обеспечивают по обычным целям.
1
2
3
ц
Наиболее близкий способ измерения угла места МВЦ в условиях многопутного распространения зондирующего и отраженного от цели сигнала, осуществленный в устройстве для измерения углов места маловысотных целей (патент RU 2037839), включает излучение зондирующего сигнала в нижнем луче зоны обзора РЛС, прием отраженного сигнала тремя одинаковыми, разнесенными по высоте, горизонтально направленными нижней, средней и верхней приемными антеннами, измерение амплитуд напряжений сигналов на выходах соответствующих приемников U, U, U, определение отношений амплитуд напряжений сигналов  и , вычисление угла места МВЦ ε из системы уравнений:
1
2
3
где Gm, Gm, Gm - максимальные коэффициенты усиления нижней, средней и верхней приемных антенн соответственно;
1
2
3
K, K, K - коэффициенты усиления соответствующих приемников;
1
2
3
F(ε), F(ε), F(ε) - ДН соответствующих приемных антенн в вертикальной плоскости, нормированные к своим максимумам;
1
2
3
h, h, h - высоты электрических центров соответствующих антенн над землей;
λ - длина волны.
Наиболее близкое к заявляемому устройство для измерения угла места МВЦ (патент RU 2037839) содержит (фиг. 1) три разнесенные по высоте, одинаковые, горизонтально направленные нижнюю, среднюю и верхнюю приемные антенны 1, 2, 3, три приемника 4, 5, 6, три блока измерения амплитуды 7, 8, 9, вычислитель 10, при этом выход каждой антенны соединен со входом соответствующего приемника, а выход каждого приемника соединен со входом соответствующего блока измерения амплитуды, выходы которых соединены с соответствующими входами вычислителя 10, выход вычислителя 10 является выходом устройства.
Наиболее близкое к заявляемому устройство работает следующим образом (фиг. 1).
1
2
3
ц
Приемные антенны 1, 2, 3 принимают эхо-сигналы МВЦ, приходящие к антеннам как прямой радиоволной, так и радиоволной, переотраженной поверхностью земли. Приемники 4, 5, 6 усиливают эти эхо-сигналы, преобразуют их на промежуточную частоту, детектируют. Выходные напряжения приемников U, U, U поступают на входы соответствующих блоков измерения амплитуды 7, 8, 9, полученные значения амплитуд поступают на соответствующие входы вычислителя 10, в котором определяется угол места МВЦ ε путем решения системы уравнений (1).
Недостаток наиболее близких к заявляемым способа и устройства состоит в следующем.
Однозначное решение системы уравнений (1), каждое из которых представляет собой периодическую функцию, даже в условиях, оговоренных в описании изобретения (требования к высотам расположения антенн, к ширине ДН верхней антенны), не всегда возможно. Это следует и из описания к патенту наиболее близкого к заявляемому устройства (патент RU 2037839). А с учетом того, что наиболее близкие к заявляемым технические решения построены в предположении известности таких не измеряемых и поэтому неизвестных точно параметров, как модуль коэффициента зеркального отражения сигнала поверхностью земли, ДН передающей и трех приемных антенн, получить значение угла места МВЦ с приемлемой точностью практически невозможно.
Таким образом, техническим результатом (решаемой технической проблемой) заявляемых технических решений является увеличение точности измерения угла места маловысотной цели в условиях многопутного распространения зондирующего и отраженного от цели сигнала.
1
2
2
3
ц
Технический результат достигается тем, что в способе измерения угла места МВЦ, включающем излучение зондирующего сигнала в нижнем луче зоны обзора РЛС, прием отраженного сигнала тремя одинаковыми, разнесенными по высоте, горизонтально направленными нижней, средней и верхней приемными антеннами, согласно изобретению, измеряют разности комплексных амплитуд напряжений сигналов на выходах нижней и средней антенн (U-U) и на выходах средней и верхней антенн (U-U), выделяют модули полученных разностных сигналов и определяют угол места МВЦ ε из уравнения:
1
2
3
1
2
3
1
2
2
3
где h, h, h - высоты электрических центров нижней, средней и верхней приемных антенн над землей (h<h<h) соответственно, причем значения (h-h) и (h-h) не должны быть кратными;
λ - длина волны.
Технический результат достигается также тем, что угол места МВЦ определяют из приближенной математической формулы:
1
1
2
2
3
2
3
1
2
где М=min{(h-h)/(h-h); (h-h)/(h-h)},
2
1
2
2
3
M=max{(h-h); (h-h)}.
Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее три одинаковые, разнесенные по высоте, горизонтально направленные нижнюю, среднюю и верхнюю приемные антенны, вычислитель, выход которого является выходом устройства, согласно изобретению, введены два кольцевых моста, два смесителя, гетеродин, два амплитудных детектора, два АЦП, при этом выход нижней приемной антенны соединен с первым входом первого кольцевого моста, выход средней приемной антенны соединен со вторым входом первого кольцевого моста и с первым входом второго кольцевого моста, выход верхней приемной антенны соединен со вторым входом второго кольцевого моста, разностные выходы первого и второго кольцевых мостов соединены соответственно с первыми входами первого и второго смесителей, вторые входы которых соединены с выходом гетеродина, выходы первого и второго смесителей соединены со входами соответствующих амплитудных детекторов, выход каждого из которых соединен со входом соответствующего АЦП, выходы первого и второго АЦП соединены соответственно с первым и вторым входами вычислителя.
Суть заявляемых технических решений состоит в следующем.
В обзорной РЛС зона обзора, как правило, охватывает область, в которой находятся и МВЦ. Для измерения ее угла места используется зондирующий сигнал в нижнем луче зоны обзора.
н
изл
ц
Передающей антенной РЛС в нижнем луче зоны обзора с углом места ε излучают зондирующий сигнал с энергией Р. Прямой сигнал распространяется до МВЦ, находящейся на дальности R и на измеряемом угле места ε.
Одновременно к цели распространяется сигнал, переотраженный поверхностью земли. От цели отражается суммарный сигнал, комплексная амплитуда которого равна:
ц
где σ - эффективная поверхность рассеяния цели;
ц
ц
K(ε) - модуль коэффициента зеркального отражения сигнала поверхностью земли в угловом положении цели ε;
н
ц
ц
G(ε-ε) - нормированный к максимуму уровень ДН передающей антенны в направлении на цель при прямом распространении сигнала к цели, расположенной под углом места ε;
н
ц
ц
G(ε+ε) - нормированный к максимуму уровень ДН передающей антенны в направлении на точку переотражения сигнала поверхностью земли при расположении цели под углом места ε;
ц
ц
Ω=2⋅π⋅h/λ⋅sin(ε) - набег фазы переотраженного поверхностью земли сигнала относительно прямого сигнала в угловом положении цели ε (Голев К.В. Расчет дальности действия радиолокационной станции, 1962, стр. 36);
ц
sin(ε) - отношение высоты цели к дальности до нее;
h - высота электрического центра передающей антенны над землей.
1
2
3
1
2
3
Для приемных антенн с разной высотой электрического центра над поверхностью земли h, h, h (h<h<h) набег фазы принятого переотраженного поверхностью земли сигнала от цели относительно прямого сигнала от цели имеет разные значения, что приводит к разным комплексным амплитудам сигналов на выходах приемных антенн:
1
2
3
1
2
3
где Ω, Ω, Ω - значения набега фазы принятого переотраженного поверхностью земли сигнала от цели относительно прямого сигнала от цели, для высот антенн h, h, h соответственно,
пр
S - эффективная площадь приемных антенн (принята одинаковой для всех приемных антенн).
При выводе выражений (5) используется известный факт (Голев К.В. Расчет дальности действия радиолокационной станции, 1962, стр. 36): фаза сигнала, отраженного поверхностью земли, меняется на величину π относительно падающего сигнала при любых значениях модуля коэффициента зеркального отражения.
После вычитания сигналов с выходов нижней и средней приемных антенн и средней и верхней приемных антенн (с помощью кольцевых мостов), получаются два следующих разностных сигнала:
амплитудное детектирование которых дает два модуля разностных сигналов:
Из отношения модулей разностных сигналов следует уравнение:
ц
решение которого позволяет найти угол места МВЦ ε.
2
1
3
2
В качестве решения полученного уравнения необходимо брать минимальный по величине положительный корень уравнения. Кроме того, для существования решения необходимо обеспечить выполнение условия: значения (h-h) и (h-h) не должны быть кратными.
Для упрощения получения однозначного значения угла места МВЦ можно воспользоваться следующей приближенной формулой (оценкой) :
1
1
2
2
3
2
3
1
2
где M=min{(h-h)/(h-h); (h-h)/(h-h)},
2
1
2
2
3
M=max{(h-h);(h-h)}.
2
1
3
2
ц
Погрешность оценки угла места МВЦ, вычисленная по приближенной формуле (9), различна для различных высот антенн. Так, например, при (h-h)=25λ и (h-h)=15λ погрешность для углов места МВЦ 0≤ε≤3° не превышает 2%.
1
2
3
1
2
2
3
Таким образом, в отличие от наиболее близких к заявляемым техническим решениям, в которых измеряются амплитуды напряжений сигналов на выходах антенн (U, U, U), в заявляемых технических решениях измеряются их разности (U-U) и (U-U). Это позволило при определении угла места МВЦ в (8) и (9) исключить такие не измеряемые и поэтому неизвестные точно параметры, как модуль коэффициента зеркального отражения сигнала поверхностью земли, ДНА передающей и приемных антенн, и за счет этого увеличить точность измерения угла места МВЦ в условиях многопутного распространения зондирующего и отраженного от цели сигнала, то есть достичь заявленный технический результат.
Изобретения иллюстрируются следующими чертежами.
Фиг. 1 - блок-схема наиболее близкого к заявляемому устройства для измерения угла места МВЦ.
Фиг. 2 - блок-схема заявляемого устройства для измерения угла места МВЦ.
Заявляемое устройство для измерения угла места МВЦ (фиг. 2) и осуществления заявляемого способа измерения угла места МВЦ, содержит три одинаковые, разнесенные по высоте, горизонтально направленные нижнюю, среднюю и верхнюю приемные антенны 1, 2, 3, два кольцевых моста 11 и 12, два смесителя 13 и 14, гетеродин 15, два амплитудных детектора 16 и 17, два АЦП 18 и 19, вычислитель 10, при этом выход нижней приемной антенны 1 соединен с первым входом первого кольцевого моста 11, выход средней приемной антенны 2 соединен со вторым входом первого кольцевого моста 11 и с первым входом второго кольцевого моста 12, выход верхней приемной антенны 3 соединен со вторым входом второго кольцевого моста 12, разностные выходы первого 11 и второго 12 кольцевых мостов соединены соответственно с первыми входами первого 13 и второго 14 смесителей, вторые входы которых соединены с выходом гетеродина 8, выходы первого 13 и второго 14 смесителей соединены со входами соответствующих амплитудных детекторов 16 и 17, выход каждого из которых соединен со входом соответствующего АЦП 18 и 19, выходы первого АЦП 18 и второго АЦП 19 соединены соответственно с первым и вторым входами вычислителя 10.
Заявляемое устройство может быть выполнено с использованием следующих функциональных элементов.
Приемные антенны 1, 2, 3 - антенны, выполненные в виде трех фрагментов одного полотна фазированной антенной решетки (Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника, т. 2, - М.: «Сов. радио», 1977, с. 132-138).
Первый и второй кольцевые мосты 11 и 12 - кольцевые СВЧ мосты (Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника, т. 2, - М.: «Сов. радио», 1977, с. 23-24).
Первый и второй смесители 13 и 14 - смесители с преобразованием сигнала с понижением по частоте с СВЧ на промежуточную частоту (частоту гетеродина) (Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника, т. 3, - М.: «Сов. радио», 1979, с. 147).
Гетеродин 15 - генератор электрических колебаний, применяемый для преобразования частоты СВЧ-сигнала на промежуточную частоту (Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника, т. 3, - М.: «Сов. радио», 1979, с. 147).
Первый и второй амплитудные детекторы 16 и 17 - электронные приборы для выделения амплитудной огибающей высокочастотного радиосигнала (Справочник по основам радиолокационной техники. Под ред. В.В. Дружинина, 1967, с. 379).
Первый и второй АЦП 18 и 19 - аналого-цифровые преобразователи - устройства для преобразования аналогового сигнала в дискретный код (Интегральные микросхемы. Справочник под ред. Б.В. Тарабрина, - М., 1985)
Вычислитель 10 - цифровой вычислитель (Интегральные микросхемы. Справочник под ред. Б.В. Тарабрина, - М., 1985).
Работа заявляемого устройства для измерения угла места МВЦ осуществляется следующим образом.
Зондирующий сигнал РЛС излучается в нижнем луче зоны обзора РЛС в направлении на МВЦ. В условиях многопутного распространения этот и переотраженный поверхностью земли сигнал достигает МВЦ и, отражаясь от нее, также двумя путями (прямым и переотраженным) в виде суммарного сигнала (4) достигает приемных антенн 1, 2, 3 устройства.
Комплексные сигналы (5) с выхода нижней приемной антенны 1 подаются на первый вход первого кольцевого моста 11, с выхода средней приемной антенны 2 - на второй вход первого кольцевого моста 11 и на первый вход второго кольцевого моста 12, с выхода верхней приемной антенны 3 - на второй вход второго кольцевого моста 12. На выходах кольцевых мостов 11 и 12 формируются разностные сигналы (6).
Разностные сигналы с выходов первого 11 и второго 12 кольцевых мостов преобразуются на промежуточную частоту, для чего они подаются на первые входы первого 13 и второго 14 смесителей соответственно, на вторые входы которых поступают сигналы с выхода гетеродина 15.
Разностные сигналы (6) с выходов первого 13 и второго 14 смесителей на промежуточной частоте подаются на входы соответствующих амплитудных детекторов 16 и 17. Модули разностных сигналов (7) с выходов амплитудных детекторов поступают на соответствующие АЦП 18 и 19, где преобразуются в цифровой вид и подаются на первый и второй входы вычислителя 10.
ц
В вычислителе 10 путем решения уравнения (8) или вычисления по математической формуле (9) определяется угол места МВЦ ε, который с выхода вычислителя 10 выдается потребителю.
1
2
2
3
Таким образом осуществляется работа заявляемого устройства. При этом, поскольку в заявляемых технических решениях измеряются разностные сигналы на выходах антенн (U-U) и (U-U), то при определении угла места МВЦ такие не измеряемые и поэтому неизвестные точно параметры, как модуль коэффициента зеркального отражения сигнала поверхностью земли, ДН передающей и приемных антенн, исключаются. За счет этого увеличивается точность измерения угла места МВЦ, то есть достигается заявленный технический результат.