Многофункциональная малогабаритная радиолокационная система для летательных аппаратов

Область применения

Изобретение относится к области радиолокации и предназначено для выполнения широкого круга задач в режимах «воздух - поверхность», «воздух - воздух», «метео» и «маловысотный полет» при использовании на летательных аппаратах самолетного и вертолетного типа.

Уровень техники

Известна многофункциональная радиолокационная станция для летательных аппаратов [патент RU №2319173, 10.03.2008], которая состоит из щелевой антенны, циркулятора, приемопередающего блока, включающего в себя приемное устройство, состоящее из СВЧ-приемника и аналого-цифрового процессора сигналов, включающего в себя усилитель промежуточной частоты и аналого-цифровой преобразователь, передающего устройства, состоящего из усилителя мощности и модулятора, а также задающего генератора, синтезатора частот-синхронизатора, цифрового процессора сигналов, цифрового процессора данных, датчика угла места и индикатора. Цифровой процессор сигналов содержит устройство обужения суммарной диаграммы направленности, состоящее из коммутатора, первого устройства памяти, второго устройства памяти, устройства разности, первого и второго устройств умножения. Щелевая антенна выполнена по структуре с суммарной и разностной диаграммой направленности в угломестной плоскости, а также введен коммутатор приема. В цифровом процессоре сигналов производится обужение суммарной диаграммы направленности на прием с помощью разностной диаграммы направленности, а в цифровом процессоре данных по информации о дальности и угле места определяется высота препятствий относительно опорной плоскости (плоскости безопасности).

Недостатками этого технического решения является то, что устройство работает в одном диапазоне, отсутствует моноимпульсная пеленгация по азимуту, нет высокого разрешения по координатам, а синтезатор частот - аналоговый, что не позволяет наращивать функции.

Наиболее близким к заявленному объекту является многофункциональная многодиапазонная масштабируемая радиолокационная система для летательных аппаратов [патент RU №2496120, 20.10.2013], которая состоит из N радиочастотных модулей (РЧМ) и бортовой цифровой вычислительной машины модуля (БЦВМ). Каждый РЧМ состоит из антенного, приемозадающего модуля, циркулятора и передатчика. Антенный модуль содержит волноводно-щелевую антенную решетку (ВЩАР) и привод. Приемозадающий модуль включает четырехканальный СВЧ-приемник, цифровой приемник и синтезатор частот и синхросигналов управления.

Недостатком данной системы является синтезатор частот и синхросигналов управления (СЧС), являющийся наиболее сложной составной частью РЧМ, для каждого диапазона уникален и имеет свое внутреннее управление, реализуемое в ПЛИС, что ограничивает возможности скрытной работы, информационные возможности РЛС, затрудняет организацию совместной работы двух и более РЧМ.

Сущность изобретения

Достигаемым техническим результатом изобретения является создание многофункциональной модульной малогабаритной РЛС с программным управлением, реализуемым функциональным программным обеспечением БЦВМ, основными параметрами РЛС, определяющими зондирующий сигнал, частотный план, параметры наблюдения, а также контрольный и пилот-сигналы.

Основной технический результат достигается тем, что:

- многофункциональная малогабаритная радиолокационная система для летательных аппаратов содержит радиочастотный модуль и бортовую цифровую вычислительную машину (БЦВМ);

- БЦВМ содержит в своем составе цифровой приемник;

- радиочастотный модуль включает антенный модуль, состоящий из волноводно-щелевой антенной решетки, привода, четырехканального сверхвысокочастотного приемника (СВЧ-приемника), циркулятора и приемопередающий модуль;

- приемопередающий модуль содержит передатчик, приемник промежуточной частоты и синтезатор частот и синхросигналов управления;

- синтезатор частот и синхросигналов управления состоит из источника питания, модуля управления, модуля формирования сигнала излучения F₀, опорного генератора, генератора опорных частот и генератора частоты подставки;

- модуль управления состоит из программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), первого и второго цифровых квадратурно-амплитудных модуляторов, первого и второго смесителей;

- модуль формирования сигнала излучения F₀ состоит из третьего смесителя и умножителя частоты;

- СЧС имеет связь по радиочастотным сигналам и по интерфейсу управления РЛС с БЦВМ, содержащая цифровой приемник;

- при функционировании РЛС все внутренние и внешние сигналы СЧС синхронизированы единым опорным сигналом, для чего выход опорного генератора соединен с входом генератора опорных частот и входом генератора частоты подставки;

- в каждом тактовом интервале (ТИ) в БЦВМ выполняется расчет параметров РЛС, которые передаются по интерфейсу управления РЛС в модуль управления СЧС для исполнения в следующем ТИ, для чего БЦВМ соединена с ПЛИС модуля управления СЧС;

- ПЛИС, тактируемая сигналом F_ПЛИС, выдаваемым генератором опорных частот, формирует сигналы синхронизации передатчика ИЗП, СВЧ-приемника ИЗО, цифрового приемника ТИ, поступающие на соответствующие входы модулей РЛС, а также цифровые квадратурные сигналы ЦКС1 и ЦКС2, поступающие на входы цифровых квадратурно-амплитудных модуляторов, соответственно, тактируемых сигналом F_ТС, выдаваемым генератором опорных частот, и формирующих радиочастотные сигналы F_ПЧ1 и F_СГ1 на низкой промежуточной частоте;

- радиочастотные сигналы F_ПЧ1 и F_СГ1 на низкой промежуточной частоте поступают соответственно на первый смеситель, на гетеродинный вход которого подается с генератора опорных частот сигнал второго гетеродина и второй смеситель, на гетеродинный вход которого поступает с генератора частоты подставки сигнал частоты подставки;

- для формирования сигналов F_ПЧ2 и F_СГ2 используемых для формирования третьим смесителем сигнала излучения F₀ для чего на гетеродинный вход третьего смесителя подается сигнал первого гетеродина, формируемый умножителем частоты, для чего на его вход подается сигнал F_СГ2;

- сигнал первого гетеродина поступает на гетеродинный вход СВЧ-приемника;

- сигнал излучения F₀ поступает на вход передатчика, выход которого соединен через циркулятор с суммарным каналом волноводно-целевой антенной решетки, а для приема отраженного сигнала по суммарному каналу волноводно-щелевая антенная решетка соединена через циркулятор с суммарным каналом СВЧ-приемника;

- для приема отраженного сигнала по разностным по азимуту и наклону и по компенсационному каналам волноводно-щелевая антенная решетка соединена с соответствующими каналами СВЧ-приемника, в свою очередь, четыре выхода СВЧ-приемника на первой промежуточной частоте соединены с четырьмя соответствующими входами приемника промежуточной частота;

- на гетеродинный вход приемника промежуточной частоты поступает из генератора опорных частот СЧС сигнал второго гетеродина, а четыре его выхода на второй промежуточной частоте соединены с соответствующими входами цифрового приемника;

- цифровой приемник производит оцифровку и предварительную обработку радиолокационных сигналов, а центральный процессор БЦВМ, используя программное обеспечение и команды оператора, выполняет первичную и вторичную обработку информации, получаемой из цифрового приемника, формируя команды управления модулями РЛС и радиолокационные изображения, выдаваемые на индикатор.

В предлагаемой РЛС применяется программный способ управления основными параметрами системы: зондирующего сигнала, частотного плана, наблюдения, контрольного и пилот-сигналов, что повышает информационные возможности, помехозащищенность и скрытность работы, а также существенно снижает стоимость жизненного цикла.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена структурная схема радиочастотного модуля, на фиг. 2 изображена структурная схема приемопередающего модуля (ППМ), на фиг. 3 представлена структурная схема синтезатора частот и синхросигналов управления.

Осуществление изобретения

На фиг. 1-3 обозначено:

1 - Радиочастотный модуль

2 - Антенный модуль;

3 - Волноводно-щелевая антенная решетка

4 - Привод

5 - СВЧ-приемник

6 - Циркулятор

7 - Приемопередающий модуль

8 - Бортовая цифровая вычислительная машина

9 - Цифровой приемник

10 - Передатчик

11 - ПЧ-приемник

12 - Синтезатор частот и синхросигналов управления

13 - Модуль источника питания (модуль ИП)

14 - Модуль управления

15 - Модуль формирования F₀

16 - Опорный генератор (ОГ)

17 - Генератор опорных частот

18 - Генератор частоты подставки

19 - Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС)

20 - Первый цифровой квадратурно-амплитудный модулятор (ЦКАМ1)

21 - Первый смеситель (СМ1)

22 - Второй квадратурно-амплитудный модулятор (ЦКАМ2)

23 - Второй смеситель (СМ2)

24 - Третий смеситель (СМ3)

25 - Умножитель частоты (УЧ).

∑ - суммарный канал

Δа - разностный канал по азимуту

Δн - разностный канал по наклону

К - компенсационный канал

F_Г1 - сигнал первого гетеродина

F_Г2 - сигнал второго гетеродина;

ИЗО - импульс зоны отпирания СВЧ-приемника

ТИ - тактовый интервал

ИЗП - импульс запуска передатчика

ЗС - зондирующий сигнал

F₀ - сигнал несущей частоты

F_B - сигнал частоты выборок

F_ОП - стабильный опорный сигнал

F_ПЛИС - сигнал частоты тактирования ПЛИС

ЦКС1 - первый цифровой квадратурный сигнал

ЦКС2 - второй цифровой квадратурный сигнал

F_ТС - сигнал частоты тактирования ЦКАМ

F_ПС - сигнал частоты подставки

F_ПЧ1 - сигнал низкой промежуточной частоты

F_ПЧ2 - сигнал высокой промежуточной частоты

F_СГ1 - сигнал субгармоники литерного гетеродина на низкой промежуточной частоте

F_СГ2 - сигнал субгармоники литерного гетеродина на высокой промежуточной частоте.

РЛС содержит РЧМ 1 (фиг. 1) и БЦВМ 8 со стандартными внутренними и внешними интерфейсами. БЦВМ 8 содержит в своем составе четырехканальный цифровой приемник 9 и программное обеспечение. РЧМ 1 состоит из приемопередающего модуля 7 и антенного модуля 2, включающего ВЩАР 3, циркулятор 6, СВЧ-приемник 5, привод 4. Приемопередающий модуль 7 (фиг. 2) состоит из передатчика 10, ПЧ-приемника 11 и СЧС 12. В свою очередь, СЧС 12 (фиг. 3) состоит из модуля ИП 13, модуля управления 14, модуля формирования F₀ 15, опорного генератора 16, генератора опорных частот 17, генератора частоты подставки 18. Модуль управления 14 содержит ПЛИС 19, ЦКАМ1 20, ЦКАМ2 22, СМ1 21, СМ2 23. Модуль формирования F₀ 15 состоит из СМ3 24 и умножителя частоты 25.

В основе организации предлагаемой РЛС лежит программный способ управления основными параметрами системы:

Зондирующего сигнала:

- периодом повторения импульсов;

- длительностью импульсов;

- видом и параметрами внутриимпульсной модуляции.

Частотного плана:

- числом используемых литер;

- шагом их изменения;

- порядком следования литер;

- диапазоном частот и центром спектра.

Наблюдения:

- количеством приемных каналов;

- коэффициентом усиления;

- положением окна наблюдения;

- объемом выборки;

Контрольного и пилот-сигнала:

- задержкой;

- доплеровской частотой;

- начальной фазой импульсов.

В каждом тактовом интервале работы РЛС эти параметры рассчитываются в соответствующем программном модуле ПО БЦВМ 8 и передаются по внутреннему интерфейсу БЦВМ 8 в цифровой приемник 9 и по интерфейсу управления РЛС в ПЛИС 19 модуля управления 14 СЧС 12 для исполнения в следующем тактовой интервале, для чего «вход-выход» БЦВМ 8 соединен с входом-выходом ПЛИС 19 (фиг. 3).

Все внутренние и внешние сигналы СЧС 12 синхронизированы единым сигналом F_ОП, формируемым ОГ 16, для чего выход ОГ 16 соединен с входом генератора опорных частот 17 и входом генератора подставки 18. В свою очередь, генератор опорных частот 17 формирует сигналы тактирования для: цифрового приемника 9 - F_B; ПЛИС - F_ПЛИС, поступающий на второй вход; цифровых квадратурно-амплитудных модуляторов 20, 21 - F_ТС и сигнал второго гетеродина - F_Г2, который поступает в СМ1 21 и в ПЧ-приемник 11 (фиг. 2). Генератор частоты подставки 18 формирует сигнал частоты подставки F_ПС, который поступает на гетеродинный вход СМ2 23 для переноса сигнала F_СГ1 с низкой промежуточной частоты на высокую и формирования сигнала F_СГ2.

ПЛИС 19, запрограммированная на исполнение функций цифрового автомата, управляемого от БЦВМ 8, формирует в режиме реального времени цифровые квадратурные сигналы, которые поступают с первого и второго выходов ПЛИС 19 на модулирующие входы ЦКАМ1 20 и ЦКАМ2 22, тактируемых сигналом F_ТС. ПЛИС 19 осуществляет также взаимную синхронизацию работы передатчика 10, СВЧ-приемника 5 и цифрового приемника 9, для чего третий выход ПЛИС 19, с обозначением ТИ-тактовый интервал, соединен с цифровым приемником 9 (см. фиг. 2), четвертый выход ПЛИС с обозначением ИЗП-импульс запуска передатчика соединен с первым входом передатчика 10 (см. фиг. 3), а пятый выход ПЛИС с обозначением ИЗО-импульс зоны отпирания СВЧ-приемника соединен с шестым входом СВЧ-приемника 5 (см. фиг. 2).

В свою очередь, ЦКАМ1 20 и ЦКАМ2 22 формируют радиочастотные сигналы F_ПЧ1 и F_СГ1 на низкой промежуточной частоте. При этом сигнал F_ПЧ1 с выхода ЦКAM1 20 поступает на модулирующий вход СМ1 21, на гетеродинный вход которого с генератора опорных частот 17 поступает сигнал второго гетеродина F_Г2, в результате на выходе СМ1 21 формируется сигнал F_ПЧ2 на высокой промежуточной частоте, который поступает на вход модуляции СМ3 24, на гетеродинный вход которого поступает сигнал первого гетеродина F_Г1, переносит сигнал высокой промежуточной частоты F_ПЧ2 на несущую СВЧ-диапазона, формируя сигнал несущей частоты F₀.

В свою очередь, ЦКАМ2 22 формирует сигнал F_СГ1 на низкой промежуточной частоте, который поступает на вход модуляции СМ2 23, на гетеродинный вход которого подается сигнал частоты подставки F_ПС, формируемый генератором частоты подставки 18. СМ2 23 переносит сигнал F_СГ1 с низкой промежуточной частоты на высокую, формируя сигнал F_СГ2 который поступает на вход УЧ 25, формирующего сигнал F_Г1, который поступает на гетеродинный вход СМ3 24 и на пятый вход СВЧ-приемника 5.

Сигнал несущей частоты F₀ с первого выхода модуля формирования F₀ 15 поступает на второй вход передатчика 10 (фиг. 2), с выхода которого зондирующий сигнал поступает на циркулятор 6 (фиг. 1).

Излучение зондирующего сигнала производится по суммарному каналу ВЩАР 3, для чего выход передатчика 10 соединен с входом циркулятора 6, а «вход-выход» циркулятора 6 соединен с суммарным каналом ВЩАР 3.

Прием отраженных зондирующих сигналов ЗС осуществляется с помощью антенного модуля 2 через ВЩАР 3 по суммарному каналу ∑, разностному по азимуту Δа, разностному по наклону Δн, и компенсационному К каналам. Для передачи принимаемого ВЩАР 3 сигнала по суммарному каналу ∑, выход циркулятора 6 соединен с первым входом СВЧ-приемника 5. Для передачи принимаемого сигнала по каналу разностному по азимуту Δа второй выход ВЩАР 3 соединен со вторым входом СВЧ-приемника 5. Для передачи принимаемого сигнала по каналу разностному по наклону Δн третий выход ВЩАР 3 соединен с третьим входом СВЧ-приемника 5. Для передачи принимаемого сигнала по каналу компенсационному К четвертый выход ВЩАР 3 соединен с четвертым входом СВЧ-приемника 5. Выходы сигналов СВЧ-приемника 5 на первой промежуточной частоте подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому входам ПЧ-приемника 11 (фиг. 2), соответствующие выходы которого соединены с входами цифрового приемника 9, где производится оцифровка и предварительная обработка радиолокационных сигналов. Цифровые массивы обработанных данных пересылаются по внутренней магистрали БЦВМ 8 в центральный процессор, в котором выполняется первичная и вторичная обработка информации соответствующими программными модулями, формируя команды управления модуля РЛС и радиолокационные изображения, выдаваемые на индикатор.

Формирование цифровых квадратурных сигналов программным путем в ПЛИС 19 позволяет реализовать в СЧС 12 любой из видов модуляции сигнала излучения, причем как внутриимпульсной, так и в пределах пачки импульсов, а также частотную манипуляцию от импульса к импульсу с любым законом перестройки частоты. Кроме того, такое построение цифрового формирователя позволяет реализовать медленную линейную частотную модуляцию (ЛЧМ) в пачке импульсов для режима «воздух-воздух», а также формировать многозональный по дальности калибровочный или пилот-сигнал с индивидуально задаваемыми для каждого участка дальности параметрами амплитуды, фазы отраженного сигнала и его доплеровского сдвига, в том числе в пачке импульсов. Параметры формируемых СЧС 12 сигналов задаются БЦВМ через интерфейс управления РЛС.

В основе принципов построения предлагаемого РЛС лежит единая архитектура (структура и организация), применение технических и программных средств, а также унифицированные устройства: приемопередающий модуль, цифровой приемник, ПЧ-приемник и синтезатор частот и синхросигналов управления.

Предложенное решение позволяет уменьшить габариты, снизить стоимость жизненного цикла, а также повысить информационные возможности, помехозащищенность и скрытность работы РЛС.