Гомодинный радиолокатор со сканированием диаграммы направленности антенны
HOMODYNE RADAR WITH ANTENNA PATTERN SCANNING

Настоящее изобретение относится к области радиолокации, а именно к гомодинному радиолокатору.
Известен гомодинный радиолокатор (патент РФ 2626405, опубл. 27.07.2017, МПК: G01S 13/08) с непрерывным частотно-модулированным зондирующим сигналом, в котором используется одна приёмно-передающая антенна и обеспечивается расширенный динамический диапазон принимаемых сигналов, при минимизации боковых лепестков сигнальной функции. В этом гомодинном радиолокаторе, реализуется измерение дальностей Rn, до объектов, находящихся в антенном луче.
Однолучевые гомодинные радиолокаторы находят применение в бортовых радиолокационных станциях (РЛС) бокового обзора пространства с синтезированием апертуры для формирования детального радиолокационного изображения местности. Недостатком таких РЛС является отсутствие возможности формирования кругового панорамного радиолокационного изображения (РЛИ), поскольку синтезирование апертуры возможно не во всём диапазоне углов азимута и только с подвижного носителя. Кроме того, выходной сигнал радиолокатора-прототипа представляет собой сумму гармонических сигналов (синусоид), частоты которых пропорциональны дальностям до объектов зондирования (так называемые сигналы биений). Стандартные рабочие места оператора РЛС (индикаторы кругового обзора – ИКО) не предназначены для индикации такого рода сигналов.
Целью настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков аналогов.
Технический результат изобретения заключается в создании гомодинного радиолокатора, обеспечивающего высокий темп обзора пространства благодаря сканированию пространства диаграммой направленности антенны(оценивая две координаты объекта лоцирования: дальность и азимут) при неподвижном положении остальных блоков радиолокатора, с возможностью подключения радиолокатора к типовому рабочему месту оператора с индикатором кругового обзора (ИКО).
Указанный технический результат обеспечивается тем, что заявленный гомодинный радиолокатор со сканированием диаграммы направленности антенны, содержит приёмно-передающую антенну 3 и последовательно соединённые генератор зондирующего сигнала 1, циркулятор 2, смеситель 4, последовательно соединённые с выходом смесителя 4 усилитель 5, амплитудный модулятор 6, второй вход которого соединён с выходом генератора функции временного окна 8, и усилитель с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой 7, выход которого соединён с выходом радиолокатора, где выход приёмно-передающей антенны 3 соединён через циркулятор 2 со вторым входом смесителя 4, а третий выход циркулятора 2 соединён с входом приёмно-передающей антенны 3, при этом радиолокатор дополнительно содержит вращающийся переход 9, вход которого соединён с выходом приёмно-передающей антенны 3, а выход - соединён со входом циркулятора 2, устройство сканирования 10, выход которого соединён с приёмно-передающей антенной, и устройство параллельного спектрального анализа 11, вход которого соединён с выходом усилителя с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой 7, а выход которого является выходом системы.
Для устранения недостатков аналогов и расширения функциональных возможностей РЛС в заявленный гомодинный радиолокатор введены вращающийся переход (позиция 9 на Фиг. 1) и устройство сканирования (позиция 10 на Фиг.1), что позволяет вести круговой обзор пространства с высоким темпом сканирования. Специфика гомодинных радиолокаторов заключается в ограниченном радиолокационном потенциале, что предопределяет их применение в качестве РЛС малой и сверхмалой дальности (от единиц метров до единиц километров). Одним из требований для РЛС малой дальности является высокий темп обзора пространства. Для реализации этого требования авторы предлагают максимально облегчить антенну при неподвижном положении остальных блоков радиолокатора за счёт использования вращающегося перехода, что позволит реализовать высокий темп сканирования при минимальных требованиях к мощности привода. Для преобразования сигналов биений с выхода гомодинного радиолокатора в удобную для восприятия оператором форму отметок на ИКО в предлагаемый радиолокатор вводится устройство параллельного спектрального анализа. Это устройство может быть реализовано различными способами, например, в цифровой форме в виде быстрого преобразования Фурье. Совокупность предложенных решений позволяет подключать предложенный гомодинный радиолокатор со сканирующей антенной к стандартному рабочему месту оператора (ИКО).
Суть настоящего изобретения поясняется Фигурами 1-4.
На Фиг. 1 изображена структурная схема гомодинного радиолокатора со сканирующей антенной, где приняты следующие обозначения:
1- генератор зондирующего сигнала;
2 – циркулятор;
3 - приемно-передающая антенна;
4 – смеситель;
5 – усилитель;
6 - амплитудный модулятор;
7 - усилитель с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой;
8 - генератор функции временного окна;
9 – вращающийся переход;
10 – устройство сканирования;
11 – устройство параллельного спектрального анализа.
На Фигуре 2 представлен закон изменения частоты зондирующего (утолщённая линия) и принятого сигнала
На Фигуре 2 обозначено:
0
ѓ - несущая частота зондирующего сигнала (ЗС), ѓ - частота, t – время;
б
ѓ - частота биений, прямо пропорциональная дальности до объекта R;
min
max
ѓ и ѓ - минимальная и максимальная частота линейная частотная модуляция ЛЧМ зондирующего сигнала;
Д
Дѓ - девиация частоты ЗС;
R
t - временная задержка отраженного сигнала, пропорциональная дальности до объекта R;
м
T - период модуляции ЗС.
1
2
На Фигуре 3 представлен нормированный спектр сигнала биений без (S(f)) и с учётом (S(f)) частотной коррекции, соответствующий нулевой дальности.
mod
На Фигуре 4 представлен спектр сигнала биений S(f) и спектр сигнала биений, модулированный функцией временного окна а S(f).
Гомодинный радиолокатор со сканированием диаграммы направленности антенны работает следующим образом.
Выходной сигнал генератора ЗС 1 (Фиг.1), частота которого изменяется по закону непрерывной линейной частотной модуляции (ЛЧМ) (Фиг. 2), поступает через циркулятор 2 на вход вращающегося перехода 9. С выхода вращающегося перехода 9 сигнал подаётся на приёмно-передающую антенну 3 и излучается в пространство.
Отражённый от объекта локации сигнал принимается приёмно-передающей антенной 3. Сигнал с выхода приёмно-передающей антенны 3 поступает через вращающийся переход 9 на второе плечо циркулятора 2 и через его третье плечо с минимальными потерями проходит на вход аддитивного смесителя 4. На этот же вход (аддитивного смесителя 4) поступает так же гетеродинный сигнал, ослабленный за счёт обратного прохождения через циркулятор 2 из первого плеча в третье плечо (на схеме Фиг. 1 показан пунктиром). Аддитивный смеситель 4 реализует перемножение принятых и гетеродинных сигналов и низкочастотную фильтрацию. Далее сигнал гомодинного радиолокатора усиливается в малошумящем усилителе 5, модулируется функцией окна в амплитудном модуляторе 6, нормируются в усилителях с квадратической АЧХ 7 и подвергаются процедуре спектрального анализа в устройстве параллельного спектрального анализа 11.
S
эф
Учитывая низкий уровень сигналов, отраженных от объектов с малой величиной эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) - , выходной сигнал смесителя 4 (сигнал биений) сначала усиливается в малошумящем усилителе 5 (усилителе с малой величиной коэффициента шума).
эф
Для реализации частотного эспандирования и уменьшения динамического диапазона сигнала биений в гомодинном радиолокаторе используется зависимость интенсивности принятых сигналов от дальности (пропорциональной частоте биений), путём применения квадратичной амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилителя 7. Применение усилителя сигнала биений 7 с квадратичной АЧХ позволяет выравнивать мощность сигналов, принятых от объектов, расположенных на различных дальностях и имеющих одинаковую величину S. При этом динамический диапазон всех сигналов сужается до динамического диапазона наблюдаемой сцены (Фиг.3).
Однако кроме отмеченного положительного эффекта сужения динамического диапазона, возникает проблема возрастания уровня боковых лепестков функции неопределённости ЛЧМ зондирующего сигнала. Это возрастание создаёт существенные помехи на радиолокационном изображении сцены – пространственную засветку экрана по дальности, следующую за сигналом, который соответствует отражению от объекта.
Для устранения этого эффекта, а также устранения влияния зон обращения ЛЧМ и паразитной амплитудной модуляции генератора зондирующего сигнала, в гомодинном радиолокаторе применяется амплитудный модулятор 6, в котором сигнал биений (Фиг. 4) модулируется по амплитуде функцией «временного окна» в виде функции:
.
Несложно показать, что в этом случае огибающая спектра сигнала биений на выходе амплитудного модулятора 6 будет иметь вид функции:
,
б
где: ω– частота биений,
S
(ω) – спектральная плотность сигнала биений.
S
mod
В отличии от функции , огибающая спектра сигнала биений, модулированная функцией «временного окна» (ω), на выходе усилителя с квадратичной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) 7 (Фиг.4) имеет более широкий основной лепесток и боковые лепестки, которые спадают, обратно пропорционально третьей степени частоты.
Таким образом, умножение сигнала в амплитудном модуляторе 6 на функцию окна, приводит к компенсации сомножителя , и, следовательно, спектр огибающей сигнала биений будет иметь вид функции:
В результате в гомодинном радиолокаторе не будет наблюдаться нежелательного роста уровня боковых лепестков функции неопределённости ЛЧМ сигнала.
Генератор зондирующего сигнала 1 и генератор функции временного окна 8 синхронизируются по времени (на Фиг. 1, 3 не показано).
R
n
В устройстве параллельного спектрального анализа 11 осуществляется преобразование сигналов биений в их спектр, который подается на выход системы, выдающий оценки дальностей . Устройство сканирования 10 осуществляет механическое перенацеливание луча диаграммы направленности антенны по азимуту (круговое либо секторное сканирование), что позволяет получить оценки дальностей для всего панорамного радиолокационного изображения.
Таким образом, технический результат от использования изобретения заключается в возможности подключать предложенный радиолокатор к типовому рабочему месту оператора с индикатором кругового обзора (ИКО), а также сканирования пространства диаграммой направленности антенны (оценивая две координаты объекта лоцирования: дальность и азимут), при неподвижном положении остальных блоков радиолокатора, что позволяет максимально облегчить антенну, повысить темп обзора пространства.