Радиолокационная станция
RADAR STATION

Предлагаемое изобретение относится к области радиолокации, в частности радиолокационным станциям (РЛС), и может быть использовано для повышения вероятности обнаружения целей.
Известна многофункциональная бортовая радиолокационная станция (БРЛС), описанная в литературе [Радиолокационные системы многофункциональных самолетов. Т. 1. РЛС - информационная основа боевых действий многофункциональных самолетов. Системы и алгоритмы первичной обработки радиолокационных сигналов. / Под ред. А.И. Канащенкова и В.И. Меркулова. - М.: «Радиотехника», 2006, стр. 126], имеющая в своем составе антенную систему, приемо-передающий тракт, вычислительную систему. Приемо-передающий тракт содержит задающий генератор, синхронизатор, усилитель мощности зондирующего сигнала и многоканальный приемник с аналого-цифровыми преобразователями на выходе. Синхронизатор обеспечивает согласованную во времени работу всех блоков и узлов БРЛС. Приемо-передающий тракт совместно с антенной системой осуществляет излучение мощных зондирующих сигналов в заданном направлении, когерентный прием отраженных сигналов по нескольким пространственным каналам и их преобразование в цифровую форму. В качестве антенной системы обычно используют зеркальную антенну, щелевую антенную решетку или фазированную антенную решетку (ФАР) с электронным управлением. При использовании ФАР система управления включает диаграммообразующую схему или специализированный процессор управления диаграммой направленности антенны, которые используются для формирования диаграммы направленности антенны в различных режимах работы.
Недостатком указанного технического решения является низкая вероятность обнаружения целей с малой эффективной площадью рассеяния (ЭПР) из-за искажения сигнала, вызванного не идеальностью характеристик блоков входящих в состав приемо-передающего тракта (ППТ) РЛС.
Известны система и способ для измерения искажений сигнала и компенсации путем предыскажения сигнала используя взаимосвязь в приемо-передающих системах «Method and system for signal distortion characterization and predistortion compensation using mutual coupling in a radio frequency transmit/receive system» [US 8280312 опубликовано 26.01.2012, МПК H04B 17/00]. Система включает в себя: генератор опорного радиосигнала; излучающий элемент антенны для передачи излучаемого и опорного сигнала; приемный элемент антенны для приема сигнала посредством взаимного влияния передающего элемента на приемный элемент; устройство, предназначенное, для определения разности между опорным сигналом и принимаемым сигналом или сигналом, принятым от взаимного влияния антенных элементов, схема дополнительно сконфигурирована для определения средних значений различий, связанных с каждым из множества сигнальных трактов, между одним или более опорных сигналов и принимаемого сигнала или сигналом, принятым от взаимного влияния антенных элементов.
Недостатком указанного решения является применение его только для РЛС с антенными системами, в которых возможно разделение приемо-передающих каналов на две группы: приемные каналы и передающие каналы.
Наиболее близким по технической сущности является радиолокатор со сжатием импульсов «Pulse compression radar» [US 2015/0234036 A1 опубликовано 20.08.2015, МПК G01S 7/282]. Радиолокатор предназначен для внесения предыскажений в сигнал сразу после включения. Радиолокатор вычисляет корректирующий коэффициент на основе излучаемого сигнала перед его искажением и сигнала поступающего с выхода усилителя мощности (сигнал обратной связи). Радиолокатор корректирует излучаемый сигнал, поступающий из блока хранения идеальных излучаемых сигналов посредством корректирующего коэффициента, с учетом искажения возникающего во время усиления усилителем мощности. Радиолокатор включает в себя энергонезависимое запоминающее устройство для резервного хранения рассчитанного корректирующего коэффициента. Радиолокатор содержит: запоминающее устройство идеальных сигналов; усилитель излучаемого сигнала, предназначенный для усиления сигнала и передачи усиленного сигнала; антенну для излучения сигнала поданного с выхода усилителя и приема отраженного сигнала; цепь обратной связи, предназначенную для передачи в качестве сигнала обратной связи сигнала с выхода усилителя; модуль расчета корректирующих данных, предназначенный для компенсации искажений вызванных усилением, на основе сигнала обратной связи и идеального сигнала хранящегося в запоминающем устройстве; энергонезависимую память для хранения корректирующих данных; модуль коррекции передаваемого сигнала, посредством корректирующих данных. В радиолокатор также включены (Fig. 1 публикации) циркулятор, два смесителя, переключатель, цифро-аналоговый преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, блок подстройки сигнала, запоминающие устройство излучаемого сигнала, модуль формирования радиолокационного изображения, индикатор.
Недостатком указанного решения является низкое качество коррекции искажений вносимых приемо-передающим трактом РЛС во всей его полосе пропускания. Предыскажения излучаемого сигнала вносятся заранее подобранной функцией для конкретных устройств, из которых построен приемо-передающий тракт, и для этой функции в процессе работы РЛС рассчитывается корректирующий коэффициент. Таким образом, при расхождении заложенных параметров приемо-передающего тракта с реальными параметрами снижается качество коррекции искажений (повышается уровень боковых лепестков корреляционной функции принятого сигнала и снижается уровень основного лепестка).
Задачей предлагаемой радиолокационной станции является повышение вероятности обнаружения целей с малой эффективной площадью рассеяния на фоне целей с большой эффективной площадью рассеяния.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении уровня боковых лепестков корреляционной функции для любых зондирующих сигналов при априорно неизвестных характеристиках приемо-передающего тракта.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что радиолокационная станция содержит первое постоянное запоминающее устройство, первый коммутатор, первый смеситель, второй смеситель, усилитель мощности, циркулятор, антенну, задающий генератор, первый аналого-цифровой преобразователь, модуль обработки сигналов. Вход-выход антенны соединен с входом-выходом циркулятора, выход первого смесителя соединен с входом усилителя мощности, второй вход первого смесителя соединен с первым выходом задающего генератора, второй выход задающего генератора соединен со вторым входом второго смесителя.
Новым в предлагаемом изобретении является то, что дополнительно введены второе постоянное запоминающее устройство, перепрограммируемое запоминающее устройство, второй коммутатор, третий коммутатор, синтезатор сигнала, направленный ответвитель, квадратурный демодулятор, второй аналого-цифровой преобразователь, мультиплексор, цифровая вычислительная машина, делитель, фазовращатель, накопитель, адаптивный фильтр. Выход второго постоянного запоминающего устройства соединен с первым входом второго коммутатора, выход второго коммутатора соединен с первым входом синтезатора сигнала, выход которого соединен с первым входом первого смесителя, выход усилителя мощности соединен с входом направленного ответвителя, первый выход направленного ответвителя соединен с входом циркулятора, выход циркулятора соединен со вторым входом первого коммутатора, первый вход которого соединен со вторым выходом направленного ответвителя. Выход первого коммутатора подключен к первому входу второго смесителя, выход второго смесителя подключен к первому входу квадратурного демодулятора, второй вход которого подключен к третьему выходу задающего генератора, первый выход квадратурного демодулятора подключен к входу первого аналого-цифрового преобразователя, второй выход квадратурного демодулятора подключен к входу второго аналого-цифрового преобразователя, выход первого аналого-цифрового преобразователя подключен к первому входу мультиплексора, выход второго аналого-цифрового преобразователя подключен ко второму входу мультиплексора. Выход мультиплексора подключен к входу модуля обработки сигналов, первый выход которого подключен к входу цифровой вычислительной машины, первый выход которой является выходом радиолокационной станции. Второй выход цифровой вычислительной машины подключен ко второму входу синтезатора сигнала, третий выход цифровой вычислительной машины соединен с управляющими входами первого, второго и третьего коммутаторов, второй выход модуля обработки сигналов подключен к входу делителя, выход делителя подключен к входу фазовращателя, выход которого подключен к входу накопителя, выход накопителя соединен с первым входом адаптивного фильтра, второй вход которого соединен со вторым выходом первого постоянного запоминающего устройства. Выход адаптивного фильтра соединен с входом перепрограммируемого запоминающего устройства, выход которого соединен со вторым входом третьего коммутатора, первый вход третьего коммутатора подключен к первому выходу первого постоянного запоминающего устройства, выход третьего коммутатора подключен ко второму входу второго коммутатора.
На Фиг. 1 изображена структурная схема радиолокационной станции.
На Фиг. 2 изображены графики: ЛЧМ сигнал без предыскажения - а), его корреляционная функция - б), ЛЧМ сигнал с предыскажением - в) и соответствующая ему корреляционная функция - г).
РЛС содержит первое ПЗУ (1), второе ПЗУ (2), второй коммутатор (3), синтезатор сигнала (4), первый смеситель (5), усилитель мощности (6), направленный ответвитель (7), циркулятор (8), антенну (9), задающий генератор (10), первый коммутатор (11), второй смеситель (12), квадратурный демодулятор (13), первый АЦП (14), второй АЦП (15), мультиплексор (16), модуль обработки сигналов (17), делитель (18), фазовращатель (19), накопитель (20), адаптивный фильтр (21), третий коммутатор (22), перепрограммируемое ЗУ (23), цифровая вычислительная машина (ЦВМ) (24).
Второе ПЗУ (2) соединено с первым входом второго коммутатора (3), выход которого подключен к первому входу синтезатора сигнала (4). Выход синтезатора сигнала (4) соединен с первым входом первого смесителя (5), второй вход которого подключен к первому выходу задающего генератора (10). Выход первого смесителя (5) соединен с входом усилителя мощности (6). Выход усилителя мощности (6) соединен с входом направленного ответвителя (7). Первый выход направленного ответвителя (7) соединен с входом циркулятора (8), вход-выход которого соединен с входом-выходом антенны (9). Выход циркулятора (8) соединен со вторым входом первого коммутатора (11), первый вход которого соединен со вторым выходом направленного ответвителя (7). Выход первого коммутатора (11) соединен с первым входом второго смесителя (12), второй вход которого подключен ко второму выходу задающего генератора (10). Выход второго смесителя (12) подключен к первому входу квадратурного демодулятора (13), второй вход которого подключен к третьему выходу задающего генератора (10). Первый выход квадратурного демодулятора (3) подключен к входу первого АЦП (14), второй выход квадратурного демодулятора (3) подключен к входу второго АЦП (15). Выход первого АЦП (14) подключен к первому входу мультиплексора (16), выход второго АЦП (15) подключен ко второму входу мультиплексора (16), выход которого подключен к входу модуля обработки сигналов (17). Первый выход модуля обработки сигналов (17) соединен с входом ЦВМ (24), второй выход модуля обработки сигналов (17) соединен с входом делителя (18), выход делителя (18) соединен с входом фазовращателя (19), выход фазовращателя (19) соединен с входом накопителя (20), выход накопителя (20) соединен с первым входом адаптивного фильтра (21). Выход адаптивного фильтра (21) соединен с входом перепрограммируемого ЗУ (23). Выход перепрограммируемого ЗУ (23) соединен со вторым входом третьего коммутатора (22), первый вход третьего коммутатора (22) соединен с первым выходом первого ПЗУ (1), выход третьего коммутатора (22) соединен со вторым входом второго коммутатора (3). Второй выход первого ПЗУ (1) соединен со вторым входом адаптивного фильтра (21). Первый выход ЦВМ (24) является внешним выходом радиолокационной станции, второй выход ЦВМ (24) подключен ко второму входу синтезатора сигнала (4), третий выход ЦВМ (24) соединен с управляющими входами первого коммутатора (11), второго коммутатора (3), третьего коммутатора (22).
Работа радиолокационной станции состоит из трех режимов.
В режиме «работа без предыскажения» первый коммутатор (11) замкнут на второй вход, второй коммутатор (3) замкнут на второй вход, третий коммутатор (22) замкнут на первый вход. Установка коммутаторов в соответствующие положения осуществляется управляющим сигналом с третьего выхода ЦВМ (24). В первом ПЗУ (1) хранятся заранее записанные отсчеты одного периода различных типов зондирующих сигналов (ЛЧМ, ФКМ и т.д.). С выхода первого ПЗУ (1) через второй и третий коммутаторы (3) и (22) на первый вход синтезатора сигнала (4) поступают отсчеты сигнала. Синтезатор сигнала (4) предназначен для формирования сигнала на заданной частоте с заданной модуляцией. Режим работы задается управляющим сигналом, поступающим со второго выхода ЦВМ (24), на второй вход синтезатора сигнала (4). В качестве синтезатора сигнала (4) могут быть использованы широко выпускаемые промышленностью интегральные синтезаторы фирм Analog Device (AD9854, AD9852), Intersil (HSP45116) и другие модели, осуществляющие прямой цифровой синтез сигнала с различными видами модуляции. С выхода синтезатора сигнала (4) сформированный сигнал подается на первый вход первого смесителя (5). На второй вход смесителя (5) поступает сигнал гетеродинной частоты, формируемый задающим генератором (10). Сформированный на выходе смесителя (5) сигнал на несущей частоте усиливается в усилителе мощности (6) и через направленный ответвитель (7) и циркулятор (8) передается в антенну (9) для излучения. Принятый антенной (9) сигнал через циркулятор (8) и первый коммутатор (11) поступает на второй смеситель (12), в котором происходит понижение его частоты до промежуточной. Сигнал промежуточной частоты поступает на вход квадратурного демодулятора (13), где формируются два ортогональных по фазе сигнала (квадратурные сигналы). Эти сигналы оцифровываются каждый своим АЦП (14) и (15), соответственно. Оцифрованные выборки двух квадратурных сигналов преобразуются в один сигнал в мультиплексоре (16) и поступают в модуль обработки сигналов (17), где происходит первичная обработка сигналов, а именно сжатие сигнала, вычисление его корреляционной функции, обнаружение целей при превышении корреляционной функцией порогового значения и т.д. Далее информация об обнаруженных сигналах поступает в ЦВМ (24), затем, после вторичной обработки, передается на выход РЛС в системы индикации или передачи данных.
Наличие большого количества аналоговых элементов в структуре РЛС приводит к искажению сигнала в процессе его распространения по приемо-передающему тракту из-за не идеальности характеристик блоков, входящих в состав тракта, что приводит к повышенному уровню боковых лепестков корреляционной функции. При обнаружении групповой цели (расположенных в соседних элементах разрешения по дальности целей) боковые лепестки корреляционных функций сигналов целей накладываются на соседние сигналы, что затрудняет их обнаружение и разрешение, особенно обнаружение слабых сигналов на фоне сильных (целей с малой ЭПР на фоне целей с большой ЭПР). Для компенсации искажений сигнала необходимо выполнить оценку параметров ППТ РЛС, которая сводится к оценке комплексной частотной характеристики (КЧХ). Наличие достоверной информации о КЧХ ППТ позволяет сформировать инверсный фильтр и с его помощью получить предыскаженную последовательность выборок сигнала. Оценка КЧХ производится в режиме «калибровка».
В режиме «калибровка» ЦВМ (24) производит переключение коммутаторов (3) и (11) на первый вход. Это позволяет оперативно произвести оценку комплексной частотной характеристики. Переключение второго коммутатора (3) на первый вход переключает вход синтезатора сигнала (4) на второе ПЗУ (2). Переключение первого коммутатора (11) на первый вход соединяет выход усилителя мощности (6) с входом второго смесителя (12), что позволяет сформировать петлю обратной связи передающей и приемной частей РЛС.
Из второго ПЗУ (2) поступают, заранее записанные, отсчеты гармонического сигнала, позволяющие сформировать на выходе синтезатора сигнала (4) гармонический сигнал (в дальнейшем тон) с заданной частотой. Далее тоновый сигнал переносится на несущую частоту и подвергается усилению в усилителе мощности (9). Направленный ответвитель (7) передает тоновый сигнал со своего второго выхода на первый вход второго смесителя (12), ослабленным до уровня соответствующего работе второго смесителя (12). Далее сигнал подвергается преобразованию в квадратурном демодуляторе (13), АЦП (14) (15), мультиплексоре (16), описанному выше в режиме «работа без предыскажения», после чего со второго выхода модуля обработки сигналов (17) поступает на вход делителя (18), который вычисляет обратно-пропорциональную величину амплитуды сигнала. Фазовращатель (19) изменяет фазу сигнала на комплексно-сопряженную (инверсия фазы). Полученный сигнал поступает в накопитель (20) и образует значения амплитудной и фазовой характеристик адаптивного фильтра (21) на данной частоте.
Далее процедура последовательно повторяется для следующих значений частоты тонового сигнала образующих частотный диапазон равный ширине спектра зондирующего сигнала. В накопителе формируется множество значений амплитудной и фазовой характеристик образующих КЧХ ППТ в заданном диапазоне частот. После завершения формирования КЧХ ППТ накопленные значения амплитуды и фазы сигнала с выхода накопителя (20) поступают на первый вход адаптивного фильтра (21). Эти значения являются управляющими для адаптивного фильтра (21), изменяя его амплитудную и фазовую характеристики. За счет формирования обратных значений амплитуды и фазы сигнала прошедшего через приемо-передающий тракт РЛС КЧХ адаптивного фильтра (21) является инверсной по отношению к КЧХ приемо-передающего тракта.
После завершения формирования амплитудной и фазовой характеристик адаптивного фильтра (21), на его второй вход поступают выборки сигнала с второго выхода первого ПЗУ (1) (зондирующий сигнал). Сигнал, проходя через адаптивный фильтр (21), искажается и таким образом формируется предыскаженный сигнал. Формирование предыскажений осуществляется над сигналом, представленным в цифровой форме, поэтому адаптивный фильтр (21) может быть реализован на базе сигнального процессора либо программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). Предыскаженный сигнал с выхода адаптивного фильтра (21) записывается в перепрограммируемое ЗУ (23) для дальнейшего использования в работе РЛС.
В режиме работы РЛС «работа с предыскажением» происходит переключение коммутаторов (3), (11) и (22) на второй вход. Коммутаторы (22) и (3) переключаются на второй выход для переключения входа синтезатора сигнала (4) на выход перепрограммируемого ЗУ (23), в которое в режиме «калибровка» был записан предыскаженный зондирующий сигнал. Дальнейшая работа РЛС аналогична режиму «работа без предыскажения». При прохождении предыскаженного сигнала через ППТ РЛС происходит его искажение в аналоговых элементах ППТ РЛС (смесители (5) и (12), усилитель мощности (6) и др.), что приводит к компенсации предыскажений и восстановлению формы сигнала. За счет этого в модуле обработки сигналов (17) формируется корреляционная функция сигнала с характеристиками близкими к корреляционной функции неискаженного сигнала.
Предлагаемая система компенсации искажений в ППТ РЛС позволяет решить поставленную задачу, что было подтверждено при выполнении экспериментальных исследований. В качестве зондирующего сигнала был рассмотрен сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) с девиацией по частоте 224 МГц и длительностью 3 мкс. При этом тактовая частота АЦП составляла также 224 МГц. На фигуре 2 представлены: ЛЧМ сигнал без предыскажения - а), его корреляционная функция - б), ЛЧМ сигнал с предыскажением - в) и соответствующая ему корреляционная функция - г). Полученные результаты позволяют говорить о снижении уровня боковых лепестков корреляционной функции, что повышает вероятность обнаружения слабых сигналов от целей с малой ЭПР на фоне целей с большой ЭПР, Предлагаемая радиолокационная станция позволяет осуществлять компенсацию искажений ППТ РЛС для любых видов зондирующих сигналов и при изменении со временем характеристик блоков ППТ РЛС.