моноимпульсный радиолокатор со сквозными фазовыми каналами

Формула изобретения

1. Моноимпульсный радиолокатор со сквозными фазовыми каналами, содержащий антенну, выполненную в виде двух идентичных каналов - левого и правого относительно направления излучения, выходы которых соединены соответственно через первый и второй управляемые фазовращатели с последовательно соединенными с ними первым и вторым переключателями прием-передача, приемные выходы которых соответственно соединены со входами первого и второго усилителей, передающие входы упомянутых переключателей через равноплечный делитель мощности соединены со входом сигнала передатчика, при этом выходы упомянутых усилителей подключены ко входам фазового детектора, выход которого соединен с информационным входом узла автоматической подстройки фазы, первый и второй выходы которого соединены со входами первого и второго управляемых фазовращателей соответственно, контрольный ответчик, используемый в качестве генератора внешнего контрольного сигнала, и формирователь строба контрольного ответчика, входом подключенный к выходу датчика углового положения антенны, а выходом подключенный к стробирующему входу узла автоматической подстройки фазы, отличающийся тем, что введены регистр задержки, анализатор ошибки, а узел автоматической подстройки фазы выполнен в виде вычислительного блока и блока управления, при этом входы вычислительного блока образуют информационный и стробирующий входы узла автоматической подстройки фазы, а выход вычислительного блока образует дополнительный выход узла автоматической подстройки фазы, который подключен к информационному входу регистра задержки и одновременно ко входу анализатора ошибки, вход блока управления образует дополнительный вход узла автоматической подстройки фазы и соединен с выходом регистра задержки, выходы блока управления образуют первый и второй выходы узла автоматической постройки фазы, а выход анализатора ошибки соединен с управляющим входом регистра задержки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вычислительный блок содержит на входе аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен со входом вычислителя ошибки, выход которого соединен со входом усреднителя ошибки, выход которого является выходом вычислительного блока, вход блока управления соединен с первым входом сумматора, выход которого подключен непосредственно ко входу преобразователя кода и через регистр накопленной ошибки - ко второму входу сумматора, а выходы преобразователя кода через первую и вторую схемы управления фазовращателями соединены с выходами блока управления, при этом анализатор ошибки содержит на входе первый регистр, выход которого соединен со входом второго регистра и одновременно с первым входом вычислителя абсолютной разности ошибок, второй вход которого соединен с выходом второго регистра, а выход соединен со входом порогового узла, выход которого является выходом анализатора ошибки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиолокации, в частности к области моноимпульсных вторичных радиолокаторов (МРЛ), и может быть использовано в системах управления воздушным движением.

В моноимпульсных радиолокаторах с фазовым методом измерения угловых координат для увеличения точности измерения широко применяются различные системы автоматической подстройки фазы (АПФ).

Характерным примером такого МРЛ и аналогом заявляемого устройства является МРЛ [1], в котором АПФ в каналах осуществляется с помощью внутренних контрольных сигналов, вводимых в ВЧ тракты через направленные ответвители.

Подстройка фазы происходит с помощью фазовращателя, управляемого реверсивным счетчиком, на вход которого от логического устройства поступает информация о знаке ошибки.

Однако при использовании внутренних контрольных сигналов не представляется возможным осуществить автоматическую подстройку фазы, которая охватывала бы полностью сквозные моноимпульсные каналы - от входа антенны до выхода приемника. В аналоге [1] АПФ осуществляется, в основном, в приемном устройстве. Антенна же и значительная часть ВЧ трактов остаются неохваченными контрольными сигналами, что приводит к ухудшению точности измерения угловых координат.

Указанный недостаток устранен в МРЛ со сквозными фазовыми каналами [2]. В нем используются внешние контрольные сигналы вынесенного контрольного ответчика и осуществляется сквозная автоматическая подстройка фазы, охватывающая моноимпульсные каналы на всем их протяжении, от входа антенны до выхода приемника, и обеспечивающая их фазовую стабильность.

МРЛ [2] является прототипом заявленного устройства (см. фиг.1).

МРЛ-прототип содержит антенну 1, выполненную в виде двух идентичных каналов - левого и правого - 2, 3 относительно направления излучения, с возможностью формирования двух одинаковых независимых диаграмм направленности с разнесенными фазовыми центрами, выходы каналов антенны (левый - л и правый - п) соединены соответственно через первый 4 и второй 5 управляемые фазовращатели с последовательно соединенными с ними первым 6 и вторым 7 переключателями прием-передача, приемные выходы которых соответственно соединены со входами первого 8 и второго 9 усилителей, передающие входы упомянутых переключателей через равноплечный делитель мощности 10 соединены со входом сигнала передатчика, при этом выходы усилителей подключены ко входам фазового детектора 11, выход которого соединен с информационным (и) входом узла автоматической подстройки фазы (АПФ) 12, первый и второй выходы которого соединены со входами первого 4 и второго 5 управляемых фазовращателей соответственно, контрольный ответчик (КО) 13, используемый в качестве генератора внешнего контрольного сигнала, и формирователь строба контрольного ответчика (ФС КО) 14, соединенный входом с выходом датчика углового положения (ДУП) антенны, а выходом подключенный к стробирующему входу (с) узла АПФ.

В рассматриваемом прототипе, ввиду использования внешних контрольных сигналов, информация об ошибке обновляется значительно реже, чем в аналоге [1] - один раз за оборот антенны (6-20 с) вместо одного раза за период следования импульсов (1-3 мс).

При таком редком обновлении информации нельзя использовать для управления фазовращателями реверсивные счетчики, подобно аналогу [1], так как это привело бы к недопустимо большому времени установления фазы в каналах.

Поэтому в прототипе [2] используется другой принцип АПФ, в котором установление фазы в каналах осуществляется без применения реверсивных счетчиков, а происходит одномоментно с поступлением информации об ошибке.

Однако такой принцип обладает меньшей помехоустойчивостью.

Для повышения защиты АПФ от несинхронных помех в прототипе используется жесткая временная селекция, осуществляется усреднение ошибок за радиолокационный пакет и повышается потенциал контрольных сигналов. Но при наличии сильных несинхронных помех принятые меры могут оказаться недостаточными.

Воздействие сильной помехи может временно нарушить фазовую стабильность каналов, в результате чего в отдельных оборотах антенны точность измерения угловых координат может быть ухудшена.

Для обеспечения высокой точности измерения сквозная автоматическая подстройка фазы должна обладать высокой помехоустойчивостью, предотвращающей возможность нарушения фазовой стабильности каналов при воздействиях сильных помех.

Задачей настоящего изобретения является значительное повышение помехоустойчивости системы автоматической подстройки фазы в каналах МРЛ, работающей в условиях редкого обновления поступающей информации об ошибке, и обеспечение высокой фазовой стабильности в условиях сильных помех.

Задача решается следующим образом.

В моноимпульсном радиолокаторе со сквозными фазовыми каналами, содержащем антенну, выполненную в виде двух каналов (левого и правого относительно направления излучения), выходы которых соединены соответственно через первый и второй управляемые фазовращатели с последовательно соединенными с ними первым и вторым переключателями прием-передача, приемные выходы которых соответственно соединены со входами первого и второго усилителей, передающие входы упомянутых переключателей через равноплечный делитель мощности соединены со входом сигнала передатчика, при этом выходы упомянутых усилителей подключены ко входам фазового детектора, выход которого соединен с информационным входом узла автоматической подстройки фазы, первый и второй выходы которого соединены со входами первого и второго управляемых фазовращателей соответственно, контрольный ответчик, используемый в качестве генератора внешнего контрольного сигнала, и формирователь строба контрольного ответчика, соединенный входом с выходом датчика углового положения антенны, а выходом подключенный к стробирующему входу узла автоматической подстройки фазы, введены регистр задержки, анализатор ошибки, а узел автоматической подстройки фазы выполнен в виде вычислительного блока и блока управления, при этом входы вычислительного блока образуют информационный и стробирующий входы узла автоматической подстройки фазы, а выход образует дополнительный выход последнего, подключенный к информационному входу регистра задержки и одновременно ко входу анализатора ошибки, вход блока управления образует дополнительный вход узла автоматической подстройки фазы и соединен с выходом регистра задержки, выходы блока управления образуют первый и второй выходы узла автоматической постройки фазы, а выход анализатора ошибки соединен с управляющим входом регистра задержки.

Предложен вариант устройства, в котором вычислительный блок содержит на входе аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен со входом вычислителя ошибки, выход которого соединен со входом усреднителя ошибки, выход которого является выходом вычислительного блока, вход блока управления соединен с первым входом сумматора, выход которого подключен непосредственно ко входу преобразователя кода и через регистр накопленной ошибки - ко второму входу сумматора, а выходы преобразователя кода через первую и вторую схемы управления фазовращателями соединены с выходами блока управления, при этом анализатор ошибки содержит на входе первый регистр, выход которого соединен со входом второго регистра и одновременно с первым входом вычислителя абсолютной разности, второй вход которого соединен с выходом второго регистра, а выход соединен с входом порогового узла, выход которого является выходом анализатора ошибки.

На фиг.1а, 2 представлены схемы, поясняющие работу устройства. На фиг.1а представлена общая блок-схема МРЛ, на фиг.2 - вариант выполнения узла АПФ и анализатора ошибки.

Моноимпульсный радиолокатор с автоматической подстройкой фазы в каналах содержит (фиг.1а) антенну 1, выполненную в виде двух идентичных каналов - левого 2 и правого 3 относительно направления излучения, выходы которых соединены соответственно через первый 4 и второй 5 управляемые фазовращатели с последовательно соединенными с ними первым 6 и вторым 7 переключателями прием-передача, приемные выходы которых соответственно соединены со входами первого 8 и второго 9 усилителей, передающие входы упомянутых переключателей через равноплечный делитель мощности 10 соединены со входом сигнала передатчика, при этом выходы усилителей 8, 9 подключены ко входам фазового детектора 11, выход которого соединен с информационным входом узла автоматической подстройки фазы 12, первый и второй выходы которого соединены со входами первого 4 и второго 5 управляемых фазовращателей соответственно, контрольный ответчик 13, используемый в качестве генератора внешнего контрольного сигнала, и формирователь строба контрольного ответчика 14, соединенного входом с выходом ДУП, а выходом подключенный к стробирующему входу (с) узла автоматической подстройки фазы, введены регистр задержки 15, анализатор ошибки 16, а узел автоматической подстройки фазы 12 выполнен в виде вычислительного блока 17 и блока управления 18, при этом входы вычислительного блока образуют информационный (и) и стробирующий (с) входы узла автоматической подстройки фазы, а выход образует дополнительный выход последнего (Д_вых), подключенный к информационному входу (и) регистра задержки 15 и одновременно ко входу анализатора ошибки 16, вход блока управления 18 образует дополнительный вход (Д_вх) узла автоматической подстройки фазы и соединен с выходом регистра задержки 15, выходы блока управления 18 образуют первый и второй выходы узла автоматической подстройки фазы 12, а выход анализатора ошибки соединен с управляющим входом (у) регистра задержки 15.

Предложен вариант устройства, в котором вычислительный блок 17 содержит на входе аналого-цифровой преобразователь 19, выход которого соединен со входом вычислителя ошибки 20, выход которого соединен со входом усреднителя ошибки 21, выход которого является выходом вычислительного блока, вход блока управления 18 соединен с первым входом сумматора 22, выход которого подключен непосредственно ко входу преобразователя кода 23 и через регистр накопленной ошибки 24 ко второму входу сумматора 22, а выходы преобразователя кода через первую 25 и вторую 26 схемы управления фазовращателями соединены с выходами блока управления, при этом анализатор ошибки 16 содержит на входе первый регистр 27, выход которого соединен со входом второго регистра 28 и одновременно с первым входом вычислителя абсолютной разности ошибок 29, второй вход которого соединен с выходом второго регистра 28, а выход соединен со входом порогового узла 30, выход которого является выходом анализатора ошибки 16.

В динамике устройство работает следующим образом.

При приеме радиолокационных сигналов с выходов левого 2 и правого 3 каналов антенны 1 сигналы проходят через соответствующие каждому каналу управляющие фазовращатели 4 и 5, переключатели прием-передача 6 и 7, усилители 8 и 9, поступают на вход фазового детектора 11, величина и знак выходного напряжения которого определяется разностью фаз между сигналами в каналах, которая пропорциональна отклонению угла прихода сигнала от равносигнального направления. По выходному напряжению фазового детектора после соответствующей обработки определяются уточненные значения азимутов целей. Автоматическая подстройка фазы в моноимпульсных каналах осуществляется по сигналу ошибки измеряемого азимута КО, местоположение которого точно известно.

Сигналы КО находятся в общей массе сигналов, поступающих с выхода фазового детектора 11 на информационный вход (и) узла АПФ 12.

Выделение сигналов КО 13 из общей массы осуществляется с помощью стробирующего сигнала, поступающего от ФС КО 14.

Момент формирования стробирующего сигнала определяется хранящейся в ФС КО 14 информацией об угловом положении КО и сигналом углового положения антенны, поступающим от ДУП.

Описанные выше процессы аналогичны происходящим в устройстве-прототипе.

В заявленном устройстве, в отличие от прототипа, ошибка измерения азимута КО, прежде чем воздействовать на цепи регулировки фазы в каналах, подвергается анализу на достоверность. Для этого узел АПФ выполняется в виде двух блоков - вычислительного блока 17 и блока управления 18, между которыми включается регистр задержки 15 и анализатор ошибки 16, осуществляющий анализ ошибки на достоверность.

Алгоритм работы анализатора помехи сводится к нахождению абсолютного значения разности ошибок в соседних оборотах антенны и сравнению этой разности с заранее установленным порогом.

При этом, если абсолютная разность ошибок меньше порога, то ошибка признается достоверной, то есть объективно отражающей фазовые соотношения в каналах. При этом система АПФ продолжает нормально корректировать фазовые соотношения в каналах.

Если же указанная разность превышает порог, то ошибка признается недостоверной, то есть вызванной внешней помехой. При этом осуществляется запрет обновления информации, система АПФ в этом обороте не работает, и фазовые соотношения в каналах сохраняются прежними. Система АПФ на помеху не реагирует, что и обеспечивает значительное повышение ее помехоустойчивости.

В основе выбора указанного алгоритма лежит объективное физическое явление, заключающееся в том, что флюктуации фазовых соотношений в каналах происходят, как правило, крайне медленно и вызываются, в основном, изменением состояния окружающей среды, в первую очередь, температуры, а также процессами старения аппаратуры. При этом за время одного или нескольких оборотов антенны разность фаз в каналах практически не меняется.

Из сказанного вытекает следующее:

1. Абсолютная разность фаз в двух соседних оборотах будет малой, и устанавливаемый порог может быть достаточно низким, а именно таким, чтобы в нормальных условиях работы АПФ он почти не перекрывался.

2. Корректировка фазовой ошибки в каналах может производиться не каждый оборот, а значительно реже, без всякого ущерба для точности измерения азимутов целей, так как за время пропусков, исчисляемое несколькими оборотами антенны, фазы в каналах не успевают измениться.

3. Запреты считывания информации, которые происходят при появлении помехи, являются составляющими нормального режима работы.

На фиг.2 раскрыта возможная структура построения узлов АПФ и анализатора ошибки. На входе вычислительного блока 17 расположен аналого-цифровой преобразователь 19, с выхода которого сигнал в цифровой форме поступает на вход вычислителя ошибки 20 и далее на вход усреднителя ошибки 21, с выхода которого усредненное за радиолокационный пакет значение ошибки поступает на вход регистра задержки 15 и одновременно на вход анализатора ошибки 16.

В анализаторе ошибки усредненная ошибка записывается в первый регистр 27 - регистр текущего n-го оборота антенны. При этом имеющаяся в регистре 27 информация об усредненной ошибке прошлого оборота переписывается во второй регистр 28 - регистр (n-1)-гo оборота. Далее, значения ошибок обоих упомянутых регистров поступают на вычислитель абсолютной разности ошибок 29. Вычисленная абсолютная разность ошибок поступает на пороговый узел 30 с заранее установленным порогом. Если значение абсолютной разности ошибок превышает порог, то пороговый узел 30 запрещает считывание информации с регистра задержки 15, и фазовые соотношения в каналах сохраняются прежними.

Если значение абсолютной разности ошибок окажется меньше порога, то пороговый узел 30 вырабатывает сигнал, разрешающий считывание информации об ошибке с регистра задержки 15, которая поступает на блок управления 18, где суммируется в сумматоре 22 с ошибкой, хранящейся в регистре накопленной ошибки 24, и далее, через преобразователь кода 23, преобразующий сигналы в форму, удобную для управления, и схемы управления 25 и 26 поступает на фазовращатели 4 и 5, которые корректируют фазовые соотношения в каналах - происходит нормальная автоподстройка фаз в каналах.

Вычисленная абсолютная разность ошибок поступает на пороговый узел 30 с заранее установленным порогом.

Если значение абсолютной разности ошибок превышает порог, то пороговый узел 30 запрещает считывание информации с регистра задержки 15 и передачу ее, и фазовые соотношения в каналах сохраняются прежними.

Если значение абсолютной разности ошибок окажется меньше порога, то устройство не изменяет характера работы и по-прежнему осуществляет рабочий режим автоматической подстройки фазы.

Предложенный алгоритм работы анализатора ошибки, несмотря на свою простоту, позволяет не только обнаруживать присутствие помех и запрещать при этом обновление информации, но и отличать большие достоверные ошибки, вызванные нарушением фазовых соотношений в каналах вследствие каких-либо сбоев в аппаратуре или при первоначальном включении, от недостоверных ошибок, вызванных помехами, а также в зависимости от характера ошибок производить либо обновление информации, либо запрещать это обновление.

Возможность отличать большие достоверные ошибки от недостоверных ошибок, вызванных помехами, основана на различии в этих ошибках.

Большие достоверные ошибки носят постоянный характер и не меняются от оборота к обороту, их абсолютная разность мала и не превышает порог, при этом обновление информации будет разрешено.

Недостоверные ошибки, вызванные помехами, носят случайный характер, и вероятность появления случайных помех в двух соседних оборотах антенны мала. Вероятность же появления в двух соседних оборотах примерно одинаковых ошибок, вызванных случайными помехами, ничтожно мала. Поэтому абсолютная разность ошибок, вызванных помехами, в подавляющем большинстве случаев превысит порог и запретит обновление информации. Если же, благодаря действию помех, указанное редкое событие все же наступит, то абсолютная разность ошибок не превысит порог, и произойдет ложная компенсация несуществующей фазовой ошибки в каналах. При этом в течение двух оборотов антенны азимуты целей будут измеряться с ошибкой, а затем автоматически восстановится баланс фаз в каналах, и ошибка измерения азимута будет устранена.

Ввиду чрезвычайной редкости и непродолжительности этого явления с ним можно не считаться.

Резюмируя, можно сказать, что помехоустойчивость сквозной автоматической подстройки фазы в заявленном устройстве обладает свойствами:

- корректировка фазовых соотношений осуществляется только при примерном равенстве ошибок в двух соседних оборотах антенны;

- случайные помехи, в том числе поступающие в течение нескольких оборотов подряд, никак не нарушают фазовую стабильность каналов, что значительно повышает помехоустойчивость сквозной автоматической подстройки фазы в каналах МРЛ, работающей в условиях редкого обновления поступающей информации об ошибке.

В режиме передачи сигнала устройство работает аналогично устройству-прототипу. Сигналы передатчика через равноплечный делитель мощности 10, переключатели прием-передача 6, 7 и управляемые фазовращатели 4, 5, фазы которых подстраиваются в режиме приема, поступают на левый (л) и правый (п) входы антенны и осуществляют синфазное возбуждение обеих половин антенны.

Экспериментальная проверка настоящего изобретения была проведена на вторичном МРЛ со сквозными фазовыми каналами.

АЦП 19 вычислительного блока 17 с информационным и стробирующим входами реализован на базе преобразователей ADC фирмы ANALOG DEVICES. Применение микросхем ADC типа AD876 [каталог ф. ANALOG DEVICES, DESIGNERS REFERENSE MANUAL, CD 2000 г.] позволяет в качестве информационного входа использовать вход AIN (контакт 27 микросхемы), а в качестве стробирующего входа - вход ОЕ (контакт 16).

При уровне логического “0” (0...0,4 В) на входе ОЕ микросхема AD876 выполняет аналого-цифровое преобразование входного информационного (аналогового) сигнала по тактовым импульсам, поступающим на вход СLК (контакт 15), и на выходах D0...D9 (контакты 3...12) появляется цифровой код, соответствующий входному сигналу.

При уровне логической “1” (2,4...4 В) на входе ОЕ преобразование отсутствует.

Таким образом, вход ОЕ микросхемы AD876 может выступать в качестве стробирующего входа АЦП.

Вычислитель ошибки 20, входящий в состав блока 17, выполняет функции вычисления кода ошибки отклонения угла в соответствии с выражением

где - длина волны МРЛ;

b - база (расстояние между фазовыми центрами антенны);

U - код напряжения, поступающего на вход АЦП.

Ввиду того что для МРЛ отношение С=/2b является величиной постоянной, то выражение (1) можно записать в виде

Как следует из выражения (2), вычислитель ошибки 20 можно реализовать при помощи постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), запрограммированного на выполнение преобразования кода U в код по выражению (2).

В качестве такого ПЗУ использовалась микросхема 27С516 фирмы ATMEL [Гребнев В.В. Микросхемы энергонезависимой памяти фирмы ATMEL. СП.: ЭФО, 1997].

Преобразователь кода 23 преобразует код вычисленной в цифровой форме ошибки в коды, согласующиеся с особенностями управления фазовращателями; для этого используется ПЗУ типа 27С516 (фирма ATMEL). Одной из возможностей данной схемы является преобразование знакопеременного N-разрядного сигнала в однознаковый сигнал с другим числом разрядов, который и управляет фазовращателями через схемы управления 25 и 26, являющиеся усилителями мощности.

Задержка информации, записанной в регистре 15, определяется моментом считывания информации по управляющему сигналу, поступающему на вход “Y” регистра 15. Регистр 15 реализован на микросхемах 1533ИР8.

Первый и второй регистры 27 и 28 анализатора ошибки 16 соединяются по типовой схеме последовательного включения регистров, реализуемых, например, на D-триггерах - в частности на микросхемах 1533ТМ2.

Кроме того, для вновь введенных узлов использовались:

вычислитель абсолютной разности 29 - микросхема 133ИМЗ;

пороговый узел 30 - компаратор 1822.

Внедрение изобретения во вторичном МРЛ позволило значительно повысить помехоустойчивость системы АПФ, работающей в условиях редкого обновления информации, и устранить нарушение фазовой стабильности каналов при воздействии сильных помех. Проведенная экспериментальная проверка подтвердила возможность промышленной реализации изобретения.

Настоящее изобретение найдет широкое применение в моноимпульсных вторичных радиолокаторах управления воздушным движением.

Источники информации

1. Патент США №3883870, кл. G 01 S 7/40, опубл. 13.05.75.

2. Патент Российской Федерации №2122218, кл. G 01 S 13/44, опубл. 20.11.98. Бюллетень №32, 1998 г.