РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ С ШИРОКОПОЛОСНЫМ НЕПРЕРЫВНЫМ ЛИНЕЙНО ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Изобретение относится к области активной радиолокации и может быть использовано при проектировании и создании цифровых широкополосных речных и морских радиолокационных систем.

Известен морской цифровой широкополосный радиолокатор фирмы «Lowrance» (www.lowrance.com), предназначенный для ближнего обзора пространства с высоким разрешением по дальности.

Известен радиодальномер (Бакулев П.А. / Радиолокационные системы // Учебник для вузов // М.: Радиотехника. 2004 г., 320 с., ил., 233-234 с.).

Известные аналоги относятся к радиолокационным системам с непрерывным линейно частотно-модулированным (ЛЧМ) излучением, в которых формирование излученного и обработка принимаемых сигналов производится в цифровой форме. Принцип действия таких радиолокационных систем основан на использовании непрерывных ЛЧМ зондирующих сигналов и гомодинной обработке отраженных от радиолокационных объектов сигналов. При этом процесс излучения и приема отраженного сигнала совмещен во времени и информация о дальности до отражающего объекта и его отражательной способности содержится в спектре сигнала биений. Этот сигнал формируют как разность «мгновенных» частот излученного и отраженного от объекта сигналов.

Недостатком известных технических решений является ограничение на энергетический потенциал, а именно на мощность непрерывного излучения, которое сужает область применения этих устройств при решении задачи обнаружения слабо отражающих объектов. Кроме того, при использовании их в речных обзорных радиолокационных станциях (РЛС) расширение спектра сигнала излучения, с целью повышения разрешения по дальности, ограничено паразитным отклонением диаграммы направленности (ДН) узконаправленных линейных антенных решеток с последовательным питанием ее элементов. Техническая реализация антенн для применения в речных РЛС требует больших затрат при ее серийном изготовлении, а применение таких антенн ограничено в силу их высокой стоимости.

Известна навигационная радиолокационная станция «Река», выбранная нами за прототип (Руководство по эксплуатации / ЖНКЮ. 464429.039 РЭ // ЗАО «Научно-производственная фирма «МИКРАН», г.Томск), включающая центральный процессор, устройство отображения, датчик углового положения, управляющий контроллер, цифровой формирователь радиосигнала, генератор синхросигнала, устройство обработки сигнала биений, корректирующий фильтр, приемопередающий модуль, в котором используются две антенны для передачи и приема сигнала. Принцип действия РЛС такого типа основан на использовании непрерывных ЛЧМ зондирующих сигналов и гомодинной обработке отраженных от радиолокационных объектов сигналов. При этом процесс излучения и приема отраженного сигнала совмещен во времени и информация о дальности до отражающего объекта и его отражательной способности содержится в спектре сигнала биений. Этот сигнал формируют как разность «мгновенных» частот излученного и отраженного от объекта сигналов.

Недостатками известного технического решения являются сложность его технологической настройки при серийном изготовлении. Указанная сложность обусловлена тем, что для реализации высокого разрешения по дальности необходима широкая полоса излучаемого ЛЧМ сигнала. Это, в свою очередь, требует применения широкополосных пассивных антенных решеток с малым уровнем боковых лепестков и малым отклонением диаграммы направленности при перестройке частоты сигнала. При серийном изготовлении таких антенн необходима индивидуальная настройка каждой из них, что обуславливает большие материальные затраты на этот вид работ.

Основная техническая задача, решаемая предложенным решением, направлена на упрощение его технологической настройки, а значит на снижение себестоимости устройства при серийном выпуске. Кроме того, техническая задача также заключается в повышении максимально допустимой мощности излученного сигнала, при которой не нарушается работа РЛС из-за перегрузки приемного канала, а также в расширении динамического диапазона амплитуд отраженных сигналов, в котором сохраняется работоспособность РЛС.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в радиолокационную станцию с широкополосным непрерывным линейно частотно-модулированным излучением, включающую центральный процессор, устройство отображения, датчик углового положения, управляющий контроллер, цифровой формирователь радиосигнала, генератор синхросигнала, устройство обработки сигнала биений, корректирующий фильтр, приемопередающий модуль, причем вход устройства отображения соединен с первым портом центрального процессора через однонаправленный интерфейс, второй порт центрального процессора соединен с первым портом управляющего контроллера через двунаправленный интерфейс, выход датчика углового положения соединен со вторым портом управляющего контроллера через однонаправленный интерфейс, синхронизирующие входы управляющего контроллера, цифрового формирователя радиосигнала и устройства обработки сигнала биений объединены и подключены к выходу генератора синхросигнала, вход цифрового формирователя радиосигнала соединен с третьим портом управляющего контроллера через однонаправленный интерфейс, четвертый порт управляющего контроллера подключен к цифровой шине устройства обработки сигнала биений через двунаправленный интерфейс, выход корректирующего фильтра соединен с входом устройства обработки сигнала биений, согласно предложенному решению дополнительно введены m-1 приемопередающих модулей, m-канальный сумматор радиосигналов, m-канальный разветвитель радиосигнала, причем выходы m приемопередающих модулей соединены со входами m-канального сумматора радиосигналов, соответственно, входы m приемопередающих модулей соединены с выходами m-канального разветвителя радиосигнала, соответственно, управляющие шины приемопередающих модулей объединены и подключены к пятому порту управляющего контроллера, выход m-канального сумматора соединен с входом корректирующего фильтра, вход m-канального разветвителя радиосигнала подключен к выходу цифрового формирователя радиосигнала, при этом приемопередающий модуль включает в себя приемник, передатчик и разветвитель радиосигнала на два канала, вход которого является входом приемопередающего модуля, при этом приемник состоит из последовательно включенных управляемого фазовращателя, умножителя частоты радиосигнала, первого полосового фильтра и усилителя мощности, смесителя, последовательно включенных второго полосового фильтра и малошумящего усилителя, приемного антенного элемента, управляемого аттенюатора, причем выход усилителя мощности подключен к опорному входу смесителя, выход второго полосового фильтра подключен к сигнальному входу смесителя, выход приемного антенного элемента подключен к входу малошумящего усилителя, вход управляемого фазовращателя соединен с первым выходом разветвителя радиосигнала на два канала, выход смесителя подключен к входу управляемого аттенюатора, выход которого является выходом приемопередающего модуля, а передатчик приемопередающего модуля состоит из последовательно включенных первого управляемого фазовращателя, первого умножителя частоты радиосигнала, третьего полосового фильтра, первого управляемого аттенюатора, первого усилителя мощности и передающего антенного элемента, причем вход первого управляемого фазовращателя соединен со вторым выходом разветвителя радиосигнала на два канала, а выход первого усилителя мощности соединен со входом передающего антенного элемента, управляющие шины управляемого аттенюатора и первого управляемого аттенюатора и управляемого фазовращателя и первого управляемого фазовращателя приемника и передатчика объединены в последовательную шину передачи данных, которая является управляющей шиной приемопередающего модуля.

Таким образом, основную техническую задачу в предложенном решении достигают путем пространственного распараллеливания процессов формирования излученного и принимаемого отраженного ЛЧМ широкополосного сигнала. При этом повышается максимально допустимая мощность излученного сигнала, при которой не нарушается работа РЛС из-за перегрузки приемного канала.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема предложенной РЛС с широкополосным непрерывным ЛЧМ излучением.

Устройство содержит центральный процессор 1 с двумя портами, устройство отображения 2, датчик углового положения 3, управляющий контроллер 4 с пятью портами, цифровой формирователь радиосигнала 5, генератор синхросигнала 6, устройство обработки сигнала биений 7, корректирующий фильтр 8, m-канальный сумматор радиосигналов 9, m-канальный разветвитель радиосигнала 10, m приемопередающих модулей 11, содержащих приемный и передающий канал, а также разветвитель радиосигнала на два канала 12. Выход генератора синхросигнала 6 соединен с синхронизирующими входами управляющего контроллера 4, цифрового формирователя радиосигнала 5 и устройства обработки сигнала биений 7, вход устройства отображения 2 соединен с первым портом центрального процессора 1 через однонаправленный интерфейс, второй порт центрального процессора 1 соединен с первым портом управляющего контроллера 4 через двунаправленный интерфейс. Выход датчика углового положения 3 соединен со вторым портом управляющего контроллера 4 через однонаправленный интерфейс, цифровой вход формирователя радиосигнала 5 соединен с третьим портом управляющего контроллера 4 через однонаправленный интерфейс, цифровой порт устройства обработки сигнала биений 7 соединен с четвертым портом управляющего контроллера 4 через двунаправленный интерфейс. Выходы m приемопередающих модулей 11 соединены со входами m-канального сумматора радиосигналов 9, а входы разветвителей радиосигнала на два канала 12 каждого из m приемопередающих модулей 11 соединены с выходами m-канального разветвителя радиосигнала 10. Выход m-канального сумматора радиосигнала 9 соединен с входом корректирующего фильтра 8, выход которого соединен с аналоговым входом устройства обработки сигнала биений 7. Шины управления m приемопередающими модулями 11 объединены в однонаправленную шину последовательной передачи данных и подключены к пятому порту управляющего контроллера 4.

В состав приемного канала каждого из m приемопередающих модулей 11 входят последовательно соединенные управляемый фазовращатель 13, умножитель частоты радиосигнала 14, первый полосовой фильтр 15 и усилитель мощности 16, смеситель 17, последовательно соединенные второй полосовой фильтр 18, малошумящий усилитель 19 и приемный антенный элемент 20, управляемый аттенюатор 21, причем выход усилителя мощности 16 подключен к опорному входу смесителя 17, вход управляемого фазовращателя 13 соединен с первым выходом разветвителя радиосигнала на два канала 12, выход второго полосового фильтра 18 соединен с сигнальным входом смесителя 17, выход приемного антенного элемента 20 соединен со входом малошумящего усилителя 19, а выход смесителя 17 соединен со входом управляемого аттенюатора 21.

В состав передающего канала каждого из m приемопередающих модулей 11 входят последовательно соединенные первый управляемый фазовращатель 22, первый умножитель частоты радиосигнала 23, третий полосовой фильтр 24, первый управляемый аттенюатор 25 и первый усилитель мощности 26, передающий антенный элемент 27, причем вход передающего антенного элемента 27 соединен с выходом первого усилителя мощности 26, а вход первого управляемого фазовращателя 22 соединен со вторым выходом разветвителя радиосигнала на два канала 12.

Шины управления управляемого фазовращателя 13 и первого управляемого фазовращателя 22, управляемого аттенюатора 21 и первого управляемого аттенюатора 25 объединены в однонаправленную шину последовательной передачи данных, которая является управляющей шиной приемопередающего модуля 11. Выход управляемого аттенюатора 21 является выходом приемопередающего модуля 11.

Антенную систему предложенного технического решения образуют две идентичные m-канальные антенные решетки, приемная и передающая, каждая из которых представляет собой линейную одноразрядную антенную решетку, состоящую из m приемных и m передающих антенных элементов 20 и 27, соответственно. Эти элементы входят в состав приемопередающих модулей 11, каждый из которых функционально разделен на приемный и передающий каналы. Конструктивно приемопередающие модули 11 выполнены так, что при их определенном пространственном расположении приемные и передающие антенные элементы 20 и 27 образуют две идентичные линейные антенные решетки, приемную и передающую, соответственно, линии раскрыва которых параллельны и разнесены на некоторое расстояние по высоте.

Работа заявляемой РЛС с широкополосным непрерывным ЛЧМ излучением осуществляется следующим образом. По команде управляющего контроллера 4 цифровой формирователь радиосигнала 5 генерирует на промежуточной частоте непрерывный периодически повторяющийся ЛЧМ сигнал с шириной полосы Δω. Этот сигнал поступает на вход m-канального разветвителя радиосигнала 10 и с его выходов - на входы разветвителей радиосигнала на два канала 12 каждого из m приемопередающих модулей 11. Со второго выхода разветвителя радиосигнала на два канала 12 сигнал поступает на первый управляемый фазовращатель 22, умножается в n раз по частоте в первом умножителе частоты радиосигнала 23 и фильтруется третьим полосовым фильтром 24. При умножении ЛЧМ сигнала в n раз его спектр расширяется в n раз и равен:

Δω_c=n·Δω,

поэтому полоса пропускания третьего полосового фильтра 24 равна:

Δω_ПФ=Δω_с=n·Δω.

Выходной сигнал с третьего полосового фильтра 24 поступает на первый управляемый аттенюатор 25, усиливается первым усилителем мощности 26 и излучается в пространство передающим антенным элементом 27. Таким образом, каждый из m передающих антенных элементов 27 приемопередающего модуля 11 излучает периодически повторяющийся ЛЧМ сигнал с полосой:

Δω_c=n·Δω,

при этом относительные фазы φ_i и амплитуды a _i ЛЧМ сигналов i-го передающего антенного элемента 27 задают необходимым образом путем независимого управления первыми управляемыми фазовращателями 22 и первыми управляемыми аттенюаторами 25 каждого из m приемопередающих модулей 11.

Для достижения минимального уровня боковых лепестков диаграммы направленности передающей антенной решетки все передающие антенные элементы 27 должны излучать синфазно, при этом ось главного лепестка ДН должна быть перпендикулярна линии раскрыва передающей антенной решетки. Это достигают управлением первыми управляемыми фазовращателями 22 при настройке РЛС. Относительная амплитуда сигнала, излучаемого i-м передающим антенным элементом 27, должна соответствовать выбранному на этапе проектирования распределению поля по раскрыву передающей антенной решетки. Это достигают путем управления первыми управляемыми аттенюаторами 25 при настройке РЛС. Для того чтобы ДН передающей антенной решетки не имела паразитного отклонения при изменении частоты сигнала, электрические длины путей прохождения сигнала по каждому из m каналов от выходов m-канального разветвителя радиосигнала 10 до входа разветвителя радиосигнала на два канала 12 должны быть выровнены с точностью до длины волны излучаемого сигнала.

При указанных условиях ДН излучения передающей антенной решетки имеет один глобальный максимум и боковые лепестки, уровень которых значительно ниже уровня глобального максимума (как правило, на 25-30 дБ). Как указывалось выше, уровень боковых лепестков определяется выбранным на этапе проектирования амплитудным распределением поля по раскрыву приемной и передающей антенных решеток.

Отраженный от объектов, находящихся в главном лепестке ДН передающей антенной решетки, ЛЧМ сигнал принимается каждым из m приемных антенных элементов 20 приемной антенной решетки. Выходной сигнал приемного антенного элемента 20 i-го приемопередающего модуля 11 усиливается малошумящим усилителем (МШУ) 19, фильтруется вторым полосовым фильтром 18 с шириной полосы пропускания:

Δω_c=n·Δω

и поступает на сигнальный вход смесителя 17. На опорный вход смесителя 17 поступает усиленный сигнал с выхода усилителя мощности 16. Входным сигналом усилителя мощности 16 является сигнал с первого выхода разветвителя радиосигнала на два канала 12, прошедший через управляемый фазовращатель 13, через умножитель частоты радиосигнала 14 в n раз и через первый полосовой фильтр 15, с шириной полосы пропускания:

Δω_c=n·Δω.

Как опорный сигнал смесителя 17, так и отраженный от отдельного «точечного» объекта радиосигналы имеют идентичную частотно-временную структуру, а именно являются ЛЧМ сигналами с прямоугольной огибающей, и взаимный временной сдвиг, определяемый дальностью до объекта, от которого пришел отраженный сигнал. В силу сказанного, на выходе смесителя 17 каждого из m приемопередающих модулей 11 формируется видеосигнал (сигнал биений), спектр которого однозначно отображает дальность до объектов и их эффективную поверхность рассеяния (ЭПР).

В каждом из m приемопередающих модулей 11 выходной сигнал смесителя 17 поступает на вход управляемого аттенюатора 21 и с его выхода поступает на соответствующий вход m-канального сумматора радиосигналов 9. Если аргументы комплексных коэффициентов передачи сигнала с выхода приемных антенных элементов 20 на вход m-канального сумматора радиосигналов 9 равны, а их модули пропорциональны амплитудному распределению поля по раскрыву передающей антенны, то выходные сигналы биений всех m приемопередающих модулей 11 складываются синфазно. При этом ДН приемной антенной решетки, образованной m приемными антенными элементами 20, идентична ДН передающей антенной решетки. Как и у передающей антенной решетки, ДН приемной антенной решетки не зависит от частоты сигнала, а именно не имеет паразитного отклонения главного лепестка при изменении частоты сигнала в пределах рабочего диапазона. Отсутствие частотной зависимости вызвано тем, что электрические длины путей прохождения сигнала по каждому из m каналов от m-канального разветвителя радиосигнала 10 до входа разветвителя радиосигнала на два канала 12 выровнены с точностью до длины волны излучаемого сигнала на этапе проектирования системы разводки сигналов. Равенство аргументов комплексных коэффициентов передачи приемных каналов приемопередающих модулей 11 достигают путем управления управляемыми фазовращателями 13 в процессе настройки РЛС. Необходимые величины модулей коэффициентов передачи приемных каналов приемопередающих модулей 11 достигают путем независимого управления управляемыми аттенюаторами 21 в процессе настройки РЛС.

Таким образом, при выполнении указанных условий на выходе m-канального сумматора радиосигналов 9 формируется сигнал биений. Выходной видеосигнал m-канального сумматора радиосигналов 9 фильтруется корректирующим фильтром 8, который ослабляет сигналы нижних частот, и поступает с выхода корректирующего фильтра 8 на устройство обработки сигнала биений 7, где происходит формирование Фурье-образа сигнала биений по каждому «свипу» (периоду модуляции) излучаемого ЛЧМ сигнала. Фурье-образ отображает дальность до объектов, находящихся в зоне обзора РЛС и уровень отраженных от них сигналов, пропорциональный ЭПР объектов. Фурье-образы для каждого «свипа» ЛЧМ сигнала при помощи управляющего контроллера 4 поступают на центральный процессор 1 в виде цифровых реализаций. Центральный процессор 1 формирует видеосигнал для устройства отображения 2, в котором формируется собственно радиолокационное изображение. При этом каждый Фурье-образ отображается в виде яркостной строки, выходящей из центра радиолокационного изображения. Азимутальное направление строки относительно центра изображения совпадает с азимутальным направлением оси ДН приемной и передающей антенны. Информация об угловом положении оси ДН антенн в момент времени излучения ЛЧМ сигнала поступает в управляющий контроллер 4 с датчика углового положения 3 угла азимута положения антенны и передается в центральный процессор 1. Яркость каждой точки строки пропорциональна ЭПР объекта, а ее расстояние от центра изображения пропорционально удалению объекта от точки размещении антенны РЛС. Работу всех блоков схемы синхронизируют сигналы генератора синхросигнала 6.

Независимое управление на программном уровне управляемым фазовращателем 13 и первым управляемым фазовращателем 22, управляемым аттенюатором 21 и первым управляемым аттенюатором 25, позволяет полностью автоматизировать настройку заявляемой РЛС, что резко снижает технологические затраты при серийном производстве РЛС.

Также, в силу того, что процесс излучения и приема сигнала распараллелен в пространстве на m каналов, максимальная мощность излучения РЛС с широкополосным непрерывным ЛЧМ излучением, при которой не происходит перегрузки приемного тракта, по сравнению с устройством-прототипом, может быть повышена в m раз, что позволяет увеличить дальность действия заявляемой РЛС с широкополосным непрерывным ЛЧМ излучением в раз (в соответствии с основным уравнением радиолокации).

Поскольку шумы умножителя частоты радиосигнала 14 и первого умножителя частоты радиосигнала 23 в каналах приемопередающих модулей 11 независимы, общий коэффициент шума РЛС на передачу, по сравнению с устройством-прототипом, меньше в раз, что тоже является положительным свойством заявляемой РЛС, поскольку позволяет повысить коэффициент n умножения частоты в умножителе частоты радиосигнала 14 и первом умножителе частоты радиосигнала 23 при сохранении эквивалентного шума излучения. Это может иметь принципиальное значение при повышении рабочей частоты РЛС, например, с 9430 МГц на частоту 33 ГГц (диапазоны работы речных РЛС), и расширении полосы излученного сигнала.