Многофункциональная интегрированная двухдиапазонная радиолокационная система для летательных аппаратов

Изобретение относится к области радиолокации и предназначено для выполнения широкого круга задач в режимах «воздух - поверхность», «метео» и «маловысотный полет» как в сантиметровом, так и в двух (сантиметровом и дециметровом) диапазонах радиоволн с совмещением получаемых радиолокационных изображений при использовании на летательных аппаратах самолетного и вертолетного типа.

Известны многофункциональные РЛС (см., например, патент РФ №2319173 от 17.08.2006 г. МПК G01S 13/90), для летательных аппаратов, предназначенные для обнаружения, сопровождения воздушных и наземных объектов, измерения их координат, обнаружения грозовых фронтов, обнаружения и измерения высоты наземных препятствий и других функций.

Наиболее близкой к заявляемой является многофункциональная многодиапазонная масштабируемая радиолокационная система для летательных аппаратов (патент RU №2496120 от 30.12.2011 г. МПК G01S 13/90), принятая за прототип. Структура прототипа является централизованной и представляет собой совокупность радиочастотных модулей (РЧМ) 1…N и единой многоцелевой бортовой ЦВМ (БЦВМ), взаимодействующей с РЧМ по мультиплексному каналу информационного обмена (МКИО) и высокоскоростному последовательному интерфейсу (SRIO), причем РЧМ состоят из антенных модулей, содержащих волноводно-щелевые антенные решетки (ВЩАР), циркуляторы и приводы, и приемозадающих модулей (ПЗМ).

Данная РЛС обеспечивает:

одновременную или выборочную работу в разных частотных диапазонах, что позволяет, используя особенности распространения и отражения радиосигнала в разных средах, интегрально получить более высокие характеристики по дальности, точности, разрешающей способности в простых и сложных помеховых и метеоусловиях, а также обеспечить обнаружение и наблюдение объектов, скрытых растительным или другим радиопрозрачным покровом для одного из используемых диапазонов частот;

картографирование с реальным лучом и синтезированием апертуры антенны;

информационное обеспечение маловысотного полета с формированием профильных (по вертикали и горизонтали) и квазитрехмерных радиолокационных изображений поверхности земли и объектов (включая обнаруженные провода ЛЭП);

селекцию движущихся, в том числе малоскоростных объектов;

оценку метеообстановки, определение зон турбулентности и низковысотных «сдвигов ветра»;

обзор, обнаружение и сопровождение на «проходе» воздушных целей.

Однако данная РЛС имеет следующие недостатки:

недостаточная степень интеграции многодиапазонной РЛС и ее составных частей, что предопределяет достаточно большие габариты и массу системы, а также высокую стоимость жизненного цикла многофункциональной РЛС;

распределенная апертура многодиапазонной РЛС, образуемая антеннами РЧМ, не позволяет получить в реальном масштабе времени «интегральное» радиолокационное изображение (РЛИ) поверхности земли, объединяющее РЛИ разных частотных диапазонов, что значительно снижает информационные возможности РЛС.

Учитывая современные тактико-технические требования к разведывательным бортовым малогабаритным многофункциональным РЛС, задачей изобретения является создание многофункциональной интегрированной двухдиапазонной малогабаритной РЛС сантиметрового (Ku- или Х-) и дециметрового (УВЧ) диапазонов длин волн.

В основе принципов построения, описываемой многофункциональной двухдиапазонной малогабаритной интегрированной РЛС, лежит единая программируемая архитектура с высокой степенью интеграции аппаратуры и программного обеспечения.

Решение поставленной задачи достигается тем, что многофункциональная интегрированная двухдиапазонная радиолокационная система для летательных аппаратов содержит радиочастотный модуль (РЧМ), включающий антенный модуль с суммарными и разностными выходными каналами, многоканальный СВЧ-приемник, циркулятор, передатчик СВЧ-диапазона волн, приемозадающий модуль, содержащий приемник и синтезатор частот и синхросигналов управления, и бортовую цифровую вычислительную машину (БЦВМ), в РЧМ дополнительно вводят передатчик УВЧ-диапазона, а антенный модуль выполняют в виде интегрированной апертуры, содержащей двухканальную волноводно-щелевую антенную решетку (ВЩАР) СВЧ-диапазона с размещенными на ней вибраторами двухканальной антенны УВЧ-диапазона, имеющими суммарные и разностные входы и выходы, и включающей в себя дополнительно коммутатор и двухканальный УВЧ-приемник с суммарными и разностными входами и выходами, приемник приемозадающего модуля (ПЗМ) выполняют однодиапозонным в виде унифицированного двухканального приемника промежуточной частоты (ПЧ-приемника) сантиметрового диапазона, синтезатор частот и синхросигналов управления выполняют в виде интегрированного двухдиапазонного синтезатора частот и синхросигналов управления (СЧС), состоящего из модуля управления, модуля источника питания, опорного генератора, генератора опорных частот, генератора частоты подставки, модуля формирования сигнала первого гетеродина F_Г2 и сигнала несущей частоты F₀₂ УВЧ-диапазона и модуля формирования сигнала первого гетеродина F_Г1 и сигнала несущей частоты F₀₁ СВЧ-диапазона (Ku или X), причем модуль управления содержит программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), первый и второй цифровые квадратурно-амплитудные модуляторы, первый и второй коммутаторы сигнала гетеродина, первый и второй смесители, модуль формирования сигнала первого гетеродина F_Г2 и сигнала несущей частоты F₀₂ УВЧ-диапазона содержит генератор сигнала первого гетеродина F_Г2 (ГЕТ УВЧ) УВЧ-диапазона и предварительный усилитель мощности (ПУМ), а модуль формирования сигнала несущей частоты F₀₁ и сигнала первого гетеродина F_Г1 СВЧ-диапазона состоит из третьего смесителя и умножителя частоты, БЦВМ содержит интегрированный цифровой приемник, центральный процессор и интегрированное программное обеспечение, при этом суммарные каналы ВЩАР и вибраторной антенны соединены соответственно с «входами-выходами» циркулятора и коммутатора, а выходы циркулятора и коммутатора соединены с первыми входами СВЧ- и УВЧ-приемников соответственно, разностные выходы ВЩАР и вибраторов двухканальной антенны УВЧ-диапазона соединены соответственно со вторыми входами СВЧ- и УВЧ-приемников, выходы сигналов СВЧ-приемника подключены соответственно к первому и второму входам унифицированного двухканального ПЧ-приемника, соответствующие выходы которого соединены с первым и вторым входами интегрированного цифрового приемника, «вход-выход» последнего соединен с центральным процессором, выходы сигналов УВЧ-приемника соединены непосредственно с пятым и шестым входами цифрового приемника, входы циркулятора и коммутатора соединены соответственно с выходом передатчика СВЧ-диапазона (ПРД1) и выходом передатчика УВЧ-диапазона (ПРД2), в свою очередь, первый вход УВЧ-приемника соединен с первым выходом ПЛИС СЧС, обозначенным ИЗО2, второй выход ПЛИС СЧС, обозначенный ИЗП2, соединен с первым входом ПРД2 и вторым входом коммутатора, третий выход ПЛИС СЧС с обозначением ИЗП1 соединен с первым входом ПРД1, четвертый выход ПЛИС СЧС с обозначением ИЗО1 соединен с четвертым входом СВЧ-приемника, при этом выходы опорного генератора СЧС подключены к входам генератора опорных частот, генератора частоты подставки и генератора сигнала первого гетеродина F_Г2 УВЧ-диапазона, в свою очередь, первый выход генератора опорных частот F_B соединен с третьим входом интегрированного цифрового приемника, второй выход F_ПЛИС соединен с первым входом ПЛИС, третий выход F_TC соединен с первыми входами первого и второго цифровых квадратурно-амплитудных модуляторов, выходы которых соединены с первыми входами первого и второго смесителей соответственно, четвертый выход генератора опорных частот F_Г3 подключен к первому входу первого коммутатора сигнала гетеродина и третьему входу унифицированного приемника промежуточной частоты, выход генератора частоты подставки F_ПС подключен ко второму входу второго смесителя, выход последнего через умножитель частоты соединен с первым входом третьего смесителя модуля формирования сигнала несущей частоты F₀₁ и сигнала первого гетеродина F_Г1 сантиметрового диапазона и третьим входом СВЧ-приемника антенного модуля, выход первого коммутатора сигнала гетеродина соединен со вторым входом первого смесителя, вторые входы коммутаторов сигнала гетеродина соединены с пятым выходом ПЛИС, обозначенным ДПЗ, выход ГЕТ УВЧ-диапазона F_Г2 модуля формирования сигнала первого гетеродина F_Г2 и сигнала несущей частоты F₀₂ УВЧ-диапазона подключен к третьему входу первого коммутатора сигнала гетеродина и третьему входу приемника УВЧ-диапазона, первый выход второго коммутатора сигнала гетеродина F_ПЧ2 соединен со вторым входом третьего смесителя модуля формирования сигнала несущей частоты F₀₁ и сигнала первого гетеродина F_Г1 СВЧ-диапазона, а второй выход коммутатора КОММ2 F₀₂ соединен с входом ПУМ модуля формирования сигнала первого гетеродина F_Г2 и сигнала несущей частоты F₀₂ УВЧ-диапазона, а выход ПУМ подключен ко второму входу ПРД2, выход третьего смесителя F₀₁ модуля формирования сигнала несущей частоты F₀₁ и сигнала первого гетеродина F_Г1 подключен ко второму входу ПРД1, шестой и седьмой выходы ПЛИС подключены ко вторым входам первого и второго цифровых квадратурно-амплитудных модуляторов, восьмой выход ПЛИС, обозначенный как сигнал тактового интервала ТИ, соединен с четвертым входом интегрированного цифрового приемника, девятый «вход-выход» ПЛИС СЧС подключен к интерфейсу управления радиочастотным модулем, соединенному с «входом-выходом» центрального процессора, исполняющего программные модули ИПО, и с приводом антенного модуля, при этом ЦПРМ соединен с центральным процессором по внутреннему интерфейсу БЦВМ.

Изобретение поясняется чертежом, где

- на фиг. 1 изображена интегрированная двухдиапазонная радиолокационная система

- на фиг. 2 показано выполнение приемозадающего модуля,

- на фиг. 3 показана схема выполнения интегрированного двухдиапазонного синтезатора частот и синхросигналов управления.

На фиг. 1-3 обозначено:

1 - Радиочастотный модуль;

2 - Антенный модуль;

3 - Интегрированная апертура;

4 - Циркулятор;

5 - Сверхвысокочастотный приемник (СВЧ-ПРМ);

6 - Ультравысокочастотный приемник (УВЧ-ПРМ);

7 - Коммутатор (КМТ);

8 - Привод;

9 - Приемозадающий модуль (ПЗМ);

10 - Интегрированный двухдиапазонный синтезатор частот и синхросигналов управления (СЧС);

11 - Передатчик СВЧ (сантиметрового) диапазона радиоволн (ПРД1);

12 - Передатчик УВЧ (дециметрового) диапазона радиоволн (ПРД2);

13 - Бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ);

14 - Интегрированный цифровой приемник (ЦПРМ);

15 - Центральный процессор;

16 - Интегрированное программное обеспечение (ИПО);

17 - Унифицированный приемник промежуточной частоты (ПЧ-ПРМ) для Ku- и X-диапазонов;

18 - Модуль управления;

19 - Модуль источника питания (Модуль ИП);

20 - Опорный генератор (ОГ);

21 - Генератор опорных частот;

22 - Генератор частоты подставки;

23 - Модуль формирования сигнала несущей частоты F₀₂ и сигнала первого гетеродина F_Г2 УВЧ-диапазона;

24 - Модуль формирования сигнала несущей частоты F₀₁ и сигнала первого гетеродина F_Г1 СВЧ-диапазона;

25 - Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС);

26 - Первый цифровой квадратурно-амплитудный модулятор (ЦКАМОД1);

27 - Первый смеситель (СМ1);

28 - Первый коммутатор сигнала гетеродина (КОММ1);

29 - Второй коммутатор (КОММ2);

30 - Второй цифровой квадратурно-амплитудный модулятор (ЦКАМОД2);

31 - Второй смеситель (СМ2);

32 - Генератор сигнала первого гетеродина F_Г2 (ГЕТ УВЧ) УВЧ-диапазона;

33 - Предварительный усилитель мощности (ПУМ);

34 - Третий смеситель (СМ3);

35 - Умножитель частоты (УМНЧ);

ЗС1 и ЗС2 - зондирующие сигналы сантиметрового и дециметрового диапазонов;

Σ1 и Σ2 - суммарные каналы сантиметрового и дециметрового диапазонов;

Δa1 и Δа2 - разностные каналы по азимуту сантиметрового и дециметрового диапазонов;

ИЗП1 и ИЗП2 - импульсы запуска ПРД1 и ПРД2;

ИЗО1 и ИЗО2 - импульсы зоны отпирания СВЧ-приемника и УВЧ-приемника;

F₀₁ и F₀₂ - сигналы несущих частот СВЧ- и УВЧ-диапазонов;

F_Г1 и F_Г2 - сигналы первых гетеродинов СВЧ- и УВЧ-диапазонов;

F_Г3 - сигнал второго гетеродина СВЧ-диапазона;

F_B - сигнал дискретизации;

ТИ - сигнал тактового интервала;

F_ОП - стабильный опорный сигнал;

F_ПЛИС - сигнал частоты тактирования ПЛИС;

ДПЗ - управляющий сигнал выбора диапазона (СВЧ или УВЧ);

ЦКС1 и ЦКС2 - цифровые квадратурные сигналы;

F_TC - сигнал частоты тактирования ЦКАМОД1 и ЦКАМОД2;

F_ПС - сигнал частоты подставки;

F_ПЧ1 - сигнал низкой промежуточной частоты;

F_СГ1 - сигнал субгармоники литерного гетеродина на низкой промежуточной частоте;

F_ПЧ2 - сигнал высокой промежуточной частоты;

F_СГ2 - сигнал субгармоники литерного гетеродина на высокой промежуточной частоте.

В основе организации описываемой интегрированной двухдиапазонной РЛС лежит программный способ управления режимами и параметрами системы, реализуемый интегрированным программным обеспечением 16 БЦВМ 13, обеспечивающей работу составных частей РЛС с разделением во времени в каждом такте. При этом все внутренние и внешние сигналы СЧС (см. фиг. 3) синхронизированы единым сигналом F_ОП, формируемым опорным генератором ОГ 20, для чего выход ОГ соединен с входом генератора опорных частот 21 и входами генератора частоты подставки 22 и гетеродина УВЧ (ГЕТ УВЧ) 32. В свою очередь, генератор опорных частот 21 формирует сигналы тактирования для: ПЛИС 25 - обозначенный F_ПЛИС; цифрового приемника 14 (см. фиг. 1) - обозначенный F_B; цифровых квадратурно-амплитудных модуляторов (ЦКАМОД1 и ЦКАМОД2) 26 и 30 - обозначенный F_TC. Кроме того, генератор опорных частот 21 формирует сигнал третьего гетеродина, обозначенный - F_Г3, который поступает на третий вход унифицированного ПЧ-приемника 17 (см. фиг. 2) и на первый вход первого коммутатора сигнала гетеродина (КОММ1) 28 (см. фиг. 3). Генератор частоты подставки 22 формирует сигнал частоты подставки F_ПС, который поступает на гетеродинный вход смесителя СМ2 31 для переноса сигнала F_СГ1 с низкой промежуточной частоты на высокую и формирования сигнала F_СГ2.

ПЛИС 25, запрограммированная на исполнение функций цифрового автомата, управляемого от БЦВМ 13, формирует в режиме реального времени цифровые квадратурные сигналы, обозначенные ЦКС1 и ЦКС2, которые поступают соответственно на модулирующие входы цифровых квадратурно-амплитудных модуляторов (ЦКАМОД1) 26 и (ЦКАМОД2) 30, тактируемых сигналом F_TC. Кроме того, ПЛИС 25 осуществляет взаимную синхронизацию работы СВЧ и УВЧ с первым входом ПРД приемников, передатчиков и цифрового приемника (см. фиг. 3 и фиг. 1), для чего первый выход ПЛИС с обозначением ИЗО2 соединен с первым входом приемника УВЧ (УВЧ-ПРМ) 6, второй выход ПЛИС с обозначением ИЗП2 соединен с первым входом передатчика УВЧ (ПРД2) 12 и вторым входом коммутатора (КТМ) 7, третий выход ПЛИС с обозначением ИЗП1 соединен с первым входом передатчика СВЧ (ПРД1) 11, четвертый выход ПЛИС с обозначением ИЗО1 соединен с четвертым входом СВЧ-ПРМ 5, пятый выход ПЛИС с обозначением ДПЗ соединен с третьим входом первого коммутатора сигнала гетеродина 28 и со вторым входом второго коммутатора 29, шестой и седьмой выходы ПЛИС подключены к первым входам первого и второго цифровых квадратурно-амплитудных модуляторов 26 и 30, восьмой выход ПЛИС с обозначением ТИ соединен с четвертым входом ЦПРМ 14, девятый «вход-выход» ПЛИС подключен к интерфейсу управления радиочастотным модулем.

При работе СЧС 10 в режиме формирования сигналов СВЧ-диапазона радиочастотный сигнал F_ПЧ1 на низкой промежуточной частоте с выхода ЦКАМОД1 26 поступает на модулирующий вход первого смесителя СМ1 27, на гетеродинный вход которого под управлением сигнала ДПЗ через коммутатор сигнала гетеродина КОММ1 28 с генератора опорных частот 21 поступает сигнал третьего гетеродина F_Г3, в результате на выходе смесителя СМ1 27 формируется сигнал F_ПЧ2 на высокой промежуточной частоте, который через второй коммутатор КОММ2 29 поступает на вход модуляции третьего смесителя СМ3 34, на гетеродинный вход которого поступает сигнал литерного гетеродина F_Г1, в результате чего формируется сигнал излучения F₀₁.

При работе СЧС 10 в режиме формирования сигналов УВЧ-диапазона сигнал F_ПЧ1 с выхода ЦКАМОД1 26 также поступает на модулирующий вход смесителя СМ1 27, на гетеродинный вход которого под управлением сигнала ДПЗ через коммутатор сигнала гетеродина КОММ1 28 с генератора сигнала первого гетеродина (ГЕТ УВЧ) 32 поступает сигнал первого гетеродина F_Г2, в результате на выходе смесителя СМ1 27 формируется сигнал несущей F₀₂ УВЧ-диапазона, который через второй коммутатор КОММ2 29 поступает на вход предварительного усилителя мощности (ПУМ) 33 модуля формирования сигналов несущей частоты F₀₂ и сигнала гетеродина F_Г2 УВЧ-диапазона 24.

В свою очередь, ЦКАМОД2 30 формирует сигнал субгармоники литерного гетеродина F_СГ1 на низкой промежуточной частоте, который поступает на вход модуляции второго смесителя СМ2 31, на гетеродинный вход которого подается сигнал частоты подставки F_ПС, формируемый генератором частоты подставки 22. Смеситель СМ2 31 переносит сигнал F_СГ1 с низкой промежуточной частоты на высокую, формируя сигнал F_СГ2, который поступает на вход умножителя частоты (УМНЧ) 35, формирующего сигнал F_Г1, который поступает на гетеродинный вход смесителя СМ3 34 и на третий вход СВЧ-приемника 5 (см. фиг. 1, 2).

Функционирование двухдиапазонной РЛС выполняется следующим образом (см. фиг. 1). В каждом тактовом интервале (ТИ) работы РЛС в центральном процессоре 15 БЦВМ 13 под управлением ИПО 16 вычисляются параметры, используемые для управления в последующем такте модулями СЧС 10, ГДТРМ 14 и приводом 8, для чего «вход-выход» БЦВМ 13 соединен по интерфейсу управления РЧМ с СЧС 10 и приводом 8, а «вход-выход» центрального процессора 15 соединен с ЦГТРМ 14. В соответствии с заданными параметрами управления интегрированный СЧС 10 формирует сигналы несущих частот F₀₁ и F₀₂, сигналы первых гетеродинов F_Г1 и F_Г2 и сигналы синхронизации работы передатчиков ИЗП1 и ИЗП2, приемников ИЗО1 и ИЗО2 и ЦПРМ ТИ и F_B. При этом выход СЧС 10, обозначенный F₀₁, соединен со вторым входом ПРД1 11, выход СЧС, обозначенный F₀₂, соединен со вторым входом ПРД2 12, выход СЧС, обозначенный F_Г1, соединен с третьим входом СВЧ-ПРМ 5, выход, обозначенный F_Г2, соединен с третьим входом УВЧ-ПРМ 6, выход, обозначенный ИЗП1, соединен с первым входом ПРД1 11, выход, обозначенный ИЗП2, соединен с первым входом ПРД2 12, выход, обозначенный ИЗО1, соединен с четвертым входом СВЧ-ПРМ 5, выход, обозначенный ИЗО2, соединен с четвертым входом УВЧ-ПРМ 6, а выходы СЧС, обозначенные F_B и ТИ, соединены с третьим и четвертым входами ЦПРМ 14.

Излучение зондирующих сигналов ЗС1 и ЗС2 (см. фиг. 2) производится в соответствии с временной диаграммой по суммарным Σ1 и Σ2 каналам интегрированной апертуры 3, для чего выход передатчика (ПРД1) 11 соединен с входом циркулятора 4, «вход-выход» которого соединен с суммарным каналом ВЩАР, а выход передатчика (ПРД2) 12 соединен с коммутатором 7, управление которым производится от СЧС 10 сигналом ИЗП2, а «вход-выход» которого соединен с суммарным каналом УВЧ-антенны.

Прием отраженных зондирующих сигналов сантиметрового диапазона осуществляется с помощью ВЩАР по суммарному (Σ1) и разностному по азимуту (Δa1) каналам. Для передачи принимаемого ВЩАР сигнала по суммарному каналу (Σ1) выход циркулятора 4 соединен с первым входом СВЧ-ПРМ 5. Для передачи принимаемого сигнала по каналу, разностному по азимуту (Δa1), второй выход ВЩАР соединен со вторым входом СВЧ-ПРМ 5.

Прием отраженных зондирующих сигналов УВЧ-диапазона осуществляется с помощью антенного устройства УВЧ-диапазона по суммарному (Σ2) и разностному по азимуту (Δа2) каналам. Для передачи принимаемого антенным устройством сигнала по суммарному каналу (Σ2) выход коммутатора 7 соединен с первым входом УВЧ-ПРМ 6. Для передачи принимаемого сигнала по каналу, разностному по азимуту (Δа2), второй выход антенного устройства УВЧ-диапазона соединен со вторым входом УВЧ-приемника 6.

Выходы сигналов приемника СВЧ 5 на первой промежуточной частоте подключены соответственно к первому и второму входам унифицированного двухканального ПЧ-приемника 17 (см. фиг. 3), соответствующие выходы которого соединены с первым и вторым входами интегрированного цифрового приемника 14 (см. фиг. 2), где производится оцифровка и предварительная обработка радиолокационных сигналов, цифровые массивы которых пересылаются по внутренней магистрали БЦВМ 13 в центральный процессор 15, в котором выполняется первичная и вторичная обработка информации соответствующими программными модулями ИПО 16.

Выходы сигналов УВЧ-ПРМ 6 на первой промежуточной частоте подключены непосредственно к пятому и шестому входам интегрированного цифрового приемника 14 (см. фиг. 2), где производится оцифровка и предварительная обработка радиолокационных сигналов. Цифровые массивы обработанных в ЦПРМ данных пересылаются по внутренней магистрали БЦВМ в центральный процессор, в котором выполняется первичная, вторичная и интегральная обработка информации соответствующими программными модулями ИПО, при этом сформированное радиолокационное изображение передается потребителю по внешнему интерфейсу.

Таким образом за счет использования программируемой архитектуры с высокой степенью интеграции программных и аппаратных средств решается задача предварительной, первичной и вторичной обработки сигналов, включая формирование радиолокационных изображений (РЛИ) поверхности земли и меток движущихся целей. При этом по выбору оператора могут быть сформированы раздельные РЛИ в каждом частотном диапазоне или интегральные РЛИ в двух диапазонах.