Устройство для измерения элементов матрицы рассеяния

Устройство для измерения элементов матрицы рассеяния

Реферат

Изобретение относится в области радиолокации и предназначено для измерения элементов матрицы рассеяния целей на мягкой подвеске.

Известен способ и устройство измерения элементов матрицы рассеяния (RU, патент №2331896, G01S 13/04, 2006 г.). Устройство содержит: генератор монохроматических высокочастотных электрических колебаний, делитель мощности, направленный ответвитель, приемо-передающую антенну полей высокой частоты (ВЧ), первый и второй смесители, гетеродин, стабилизатор частоты гетеродина, амплитудный и фазовый детекторы, фильтр ВЧ, приемную антенну, усилитель ВЧ, источник опорного сигнала, делитель частоты опорного сигнала. Кроме того, устройство содержит: радиолокационную цель и систему мягкой подвески цели, которая содержит опоры, несущий трос, стропы крепления цели, стропы-оттяжки вращения цели и поворотное устройство. Причем источник опорного сигнала закреплен на поверхности цели в точке на вертикальной линии, проходящей через ее центр масс. Цель закреплена на системе мягкой подвески в дальней зоне антенн, установленных в один ряд, электрические оси которых пересекаются в центре масс цели и параллельны азимутальной плоскости вращения цели.

Погрешность измерения фаз-аргументов элементов матрицы обратного рассеяния аналога возникает из-за того, что прием опорного сигнала ведется на отдельную антенну, электрическая ось которой находится под острым углом к электрической оси приемо-передающей антенны (разнесенный прием, а не обратный) и антенны во время измерения от порывов ветра и других причин изменяют взаимное положение. Так, при рабочей длине волны устройства 3 см и относительном изменении фазовых центров приемно-предающей антенны и приемной антенны на 4 мм погрешности измерения фазы составляет π/2. Кроме того, аналог измеряет элементы диагональной матрицы рассеяния последовательно, при этом требуется перестройка поляризации антенн, что приводит к дополнительным погрешностям.

Признаки аналога, совпадающие с признаками изобретения: генератор монохроматических высокочастотных электрических колебаний, приемопередающая антенна полей высокой частоты (ВЧ), первый и второй смесители, гетеродин, амплитудный и фазовый детекторы, фильтр ВЧ, источник опорного сигнала, делитель частоты рабочей гармоники опорного сигнала, радиолокационная цель и система мягкой подвески цели, которая содержит опоры, несущий трос, стропы крепления цели, стропы-оттяжки вращения цели и поворотное устройство. Причем источник опорного сигнала закреплен на поверхности цели в точке на вертикальной линии, проходящей через ее центр масс. Цель закреплена на системе мягкой подвески в дальней зоне приемно-передающей антенны, электрическая ось которой проходит через центр масс цели параллельно азимутальной плоскости вращения цели.

Известен способ измерения фазы радиолокационного сигнала (RU, патент №2359284, G01S 13/04, 2007 г.). Устройство, работающее по этому изобретению, принято за прототип изобретения, которое содержит: генератор монохроматических высокочастотных электрических колебаний, направленный ответвитель, приемно-передающую антенну, фильтр промежуточной частоты (ПЧ), первый и второй смесители, делитель частоты рабочей гармоники несущей частоты, источник опорного сигнала, гетеродин, амплитудный и фазовый детектор, амплитудный и фазовый регистраторы, радиолокационную цель, систему мягкой подвески цели. Система содержит опоры, несущий трос, стропы крепления цели, стропы-оттяжки вращения цели и поворотное устройство. Источник опорного сигнала закреплен на поверхности цели в точке на вертикальной линии, проходящей через ее центр масс, который содержит штыревую антенну, электрически соединенную с металлическим корпусом цели через диод. Цель закреплена на системе мягкой подвески в дальней зоне приемно-передающей антенны, электрическая ось которой проходит через центр масс цели параллельно азимутальной плоскости вращения цели.

Погрешность измерения фаз-аргументов элементов матрицы обратного рассеяния аналога возникает из-за того, что прием опорного сигнала ведется на отдельную антенну, электрическая ось которой находится под острым углом к электрической оси приемо-передающей антенны (разнесенный прием, а не обратный) и антенны во время измерения от порывов ветра и других причин изменяют взаимное положение. Так, при рабочей длине волны устройства 3 см и относительном изменении фазовых центров приемно-предающей антенны и приемной антенны на 4 мм погрешности измерения фазы составляет π/2. Кроме того, прототип измеряет элементы диагональной матрицы рассеяния последовательно, при этом требуется перестройка поляризации антенн, что приводит к дополнительным погрешностям.

Признаки прототипа, совпадающие с признаками изобретения: генератор монохроматических высокочастотных электрических колебаний, приемно-передающая антенна, фильтр промежуточной частоты (ПЧ), первый и второй смесители, делитель частоты рабочей гармоники несущей частоты, источник опорного сигнала, гетеродин, амплитудный и фазовый регистраторы, радиолокационную цель, система мягкой подвески цели. Система содержит опоры, несущий трос, стропы крепления цели, стропы-оттяжки вращения цели и поворотное устройство. Источник опорного сигнала закреплен на поверхности цели в точке на вертикальной линии, проходящей через ее центр масс, который содержит штыревую антенну, электрически соединенную с металлическим корпусом цели через диод. Цель закреплена на системе мягкой подвески в дальней зоне антенн, установленных в один ряд, электрические оси которых пересекаются в центре масс цели и параллельны азимутальной плоскости вращения цели.

Техническим результатом изобретения является устранение недостатков аналогов - увеличение точности измерения обратного вторичного излучения цели, закрепленной на мягкой подвеске, который достигается за счет того, что прием вторичного излучения цели и опорного сигнала ведется на одну антенну и измерение элементов диагональной матрицы рассеяния производится одновременно.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства по изобретению.

На фиг.2 представлена электрическая схема источника опорного сигнала.

На фигурах введены обозначения:

1 - генератор монохроматических электрических колебаний высокой частоты (ГВЧ);

2 - поляризатор (ПР);

3 - волноводный разделитель поляризации ВЧ поля вторичного излучения цели (ВРП);

4 - приемно-передающая антенна ВЧ полей (ППА);

5 - источник опорного сигнала (ИОС);

6 - фильтр рабочей гармоники несущей частоты (ФГ);

7 - делитель частоты рабочей гармоники (ДГ);

8 - смеситель (См);

9 - фильтр промежуточной частоты (ФПЧ);

10 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ);

11 - фильтр несущей частоты (ФНЧ);

12 - регистратор фазы (РФ);

13 - регистратор амплитуды (РА);

14 - гетеродин (Гт);

15 - радиолокационная цель;

16 - опоры системы подвески целей;

17 - несущий трос;

18 - стропы крепления цели;

19 - стропы-оттяжки вращения цели по азимуту;

20 - поворотное устройство;

21 - диод источника опорного сигнала.

Генератор (1) ГВЧ может быть выполнен на клистроне мощностью 20 мВт, со стабильностью не хуже 10 минус в 6 степени. Частота электрических колебаний генератора несколько ГГц (фиг.1).

Поляризатор (2) ПР предназначен для изменения поляризации падающего ВЧ поля, он может быть выполнен на 180° волноводной фазовой секции.

Волноводный разделитель поляризации (3) поля вторичного излучения цели предназначен для разделения поляризации поля на ортогональные линейные Е и Н составляющие и разделения падающих и принимаемых ВЧ полей.

Волноводный разделитель поляризации (3) состоит из основного плеча волновода квадратного поперечного сечения с размерами, в котором могут распространяться только два основных типа волноводных волн Е10 и Е01, и двух ортогональных боковых плеч, выполненных на волноводах прямоугольного сечения с размерами, в которых могут распространяться только основные типы волноводных волн либо Е10, либо Е01, которые закреплены на ортогональных боковых стенках основного плеча разделителя поляризации, которые имеют с ним электрическую связь через выполненные в общих стенках отверстия связи, образующие два ортогонально (Е и Н) расположенные направленные ответвители.

Для обеспечения работы устройства по изобретению разделитель (3) ВРП должен иметь переходное ослабление 4-7 дБ, направленность больше 30 дБ. В качестве согласованной нагрузки может быть применена переменная волноводная нагрузка, выполненная по изобретению авт.св. №559315, «Волноводная нагрузка», 1975 г., обеспечивающая, путем ее настройки, развязку между передающим и приемным каналами не менее 90 дБ.

Приемно-передающая антенна (4) ППА предназначена для преобразования ВЧ электрических колебаний генератора 1 ГВЧ в ВЧ падающее поле, приема ВЧ полей вторичного излучения цели и гармоник fn несущей частоты, где n - 2, 3, …, и должна иметь полосу рабочих частот, у которой нижняя граница не выше частоты ВЧ генератора, верхняя - не ниже частоты рабочей гармоники. Она может быть выполнена рупорной, с входом и выходом квадратного поперечного сечения, или зеркальной - с рупорным облучателем с квадратной апертурой.

Источник (5) опорного сигнала преобразует частоту падающего поля в ее гармоники fn. Он крепится на поверхности цели в точке вертикальной оси, проходящей через ее центр масс, который содержит штыревую антенну, электрически соединенную с металлическим корпусом цели через диод (21) (фиг.2),

Фильтр 6 ФГ гармоники предназначен для выделения из принимаемого антенной 3 ППА поля Е поляризации рабочей гармоники несущей частоты, например, третьей f₃, для сигнала этой гармоники коэффициент усиления антенны (4) на 9,5 дБ больше, чем для сигнала на несущей частоты.

Делитель (7) ДГ частоты рабочей гармоники предназначен для деления ее частоты до значения несущей частоты (частоты ВЧ генератора 1).

Смесители (8) См, совместно с фильтрами ПЧ (9) ФПЧ, предназначены для преобразования принимаемого ВЧ сигнала в сигнал промежуточной частоты измерительного устройства, которая усиливается усилителями (10) УПЧ.

Фильтр несущей частоты (11) ФНЧ служит для выделения несущей частоты поля вторичного излучения цели.

Устройство по изобретению предназначено для измерения диагональной матрицы рассеяния с абсолютной фазой цели (МРА).

Известно, что амплитуды-модули элементов МРА зависят от дальности R, как 1/R², а фазы-аргументы ϕ_k,i, как:

ϕ_k,i=2k(R-ΔR_k,i)=2kR-ψ_k,i

где k - волновое число равное 2π/λ;

R - дальность от фазового центра приемопередающей антенны до центра масс цели;

ΔR_k,i - расстояние от центра масс цели до поверхности ближайшей к приемной антенне блестящей точки на поверхности цели;

λ - длина волны падающего поля;

ψ_k,i=2kΔR_k,i - фазы-аргументы элементов МРА относительно центра масс цели, которые являются фазами поля ее вторичного излучения, зависят от конфигурации поверхности цели и не зависят от дальности.

Для измерения фаз вторичного излучения цели на мягкой подвеске, которые зависели бы только от конфигурации поверхности цели, необходимо исключить зависимость фаз от дальности, что и выполняет устройство по изобретению, с помощью источника опорного сигнала (5), установленного на цели.

Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что устройство для измерения элементов матрицы рассеяния с абсолютной фазой цели содержит: генератор (1) монохроматических электрических колебаний высокой частоты (ВЧ), поляризатор (2), волноводный разделитель поляризации (3) поля вторичного излучения цели, приемно-передающую антенну (4) полей ВЧ, источник (5) опорного сигнала, фильтр (6) сигнала рабочей гармоники несущей частоты, делитель (7) частоты сигнала рабочей гармоники, первый (8.1), второй (8.2) и третий (8.3) смесители, первый (9.1), второй (9.2) и третий (9.3) фильтры промежуточной частоты, первый (10.1), второй (10.2) и третий (10.3) усилители сигнала промежуточной частоты, первый (11.1) и второй (11.2) фильтры несущей частоты, первый (12.1) и второй (12.2) регистраторы фазы, первый (13.1) и второй (13.2) регистраторы амплитуды, гетеродин (14), радиолокационную цель (15), опоры (16) системы мягкой подвески цели, несущий трос (17) системы подвески цели, стропы (18) крепления цели, стропы-оттяжки (19) вращения цели, поворотное устройство цели, диод (21) (фиг.1).

Источник (5) опорного сигнала закреплен на поверхности цели в точке на вертикальной оси, проходящей через ее центр масс, который содержит штыревую антенну, электрически соединенную с металлическим корпусом цели через диод (21) (фиг.2).

Цель (15) закреплена на системе мягкой подвески в дальней зоне приемно-передающей антенны (4), электрическая ось которой проходит через ее центр масс.

ВЧ генератор (1), поляризатор (2), основное плечо волноводного разделителя поляризации (3) и приемно-передающая антенна (4), соединенные последовательно.

Выход первого ортогонального бокового (Е) плеча волноводного разделителя поляризации (3), первый фильтр (11.1) несущей частоты, первый смеситель (8.1), первый фильтр промежуточной частоты (9.1), первый усилитель (10.1) промежуточной частоты и вход первого регистратора фазы (12.1) соединены последовательно.

Выход второго ортогонального (Н) бокового плеча волноводного разделителя поляризации (3), второй фильтр (11.2) несущей частоты, второй смеситель (8.2), второй фильтр промежуточной частоты (9.2), второй усилитель (10.2) промежуточной частоты, вход второго регистратора фазы (12.2) соединены последовательно.

Выход первого ортогонального бокового плеча (Е) волноводного разделителя поляризации (3), фильтр рабочей гармоники (6), делитель частоты сигнала рабочей гармоники (7), третий смеситель (8.3), третий фильтр промежуточной частоты (9.3), вход третьего усилителя промежуточной частоты (10.3) соединены последовательно.

Вход первого регистратора амплитуды (13.1) включен между выходом первого усилителя (10.1) промежуточной частоты и входом первого регистратора фазы (12.1), вход второго регистратора амплитуды (13.2) включен между выходом второго усилителя (10.2) промежуточной частоты и входом второго регистратора фазы (12.2).

Входы опорного сигнала регистраторов фазы (12.1 и 12.2) соединены с выходом третьего усилителя (10.3) сигнала промежуточной частоты, а входы гетеродинных сигналов всех смесителей (8.1, 8.2, 8.3) соединены с выходом гетеродина (14).

Волноводный разделитель поляризации (3) поля вторичного излучения цели состоит из основного плеча волновода квадратного поперечного сечения с размерами, в котором могут распространяться только два основных типа волноводных волн Е10 и E01, и двух ортогональных боковых плеч, выполненных на волноводах прямоугольного сечения с размерами, в которых могут распространяться только основные типы волноводных волн либо Е10, либо Е01, которые закреплены на ортогональных боковых стенках основного плеча разделителя поляризации и имеют с ним электрическую связь через выполненные в общих стенках отверстия связи, которые образуют два ортогонально (Е и Н) расположенные направленные ответвители.

Приемно-передающая антенна (4) выполнена с полосой рабочих частот, у которой нижняя граница не выше частоты ВЧ генератора, верхняя - не ниже частоты рабочей гармоники.

Устройство по изобретению работает следующим образом.

Включают ВЧ генератор (1), с помощью поляризатора (2) выставляют на его выходе, например, наклонную поляризацию излучения. С помощью переменных нагрузок боковых плеч волноводного разделителя поляризации (3), благодаря направленности боковых плеч и путем компенсации на их выходах передаваемых сигналов, добиваются развязки передаваемых и принимаемых сигналов, например, 90 дБ.

Антенна (4) ППА излучает ВЧ поле в сторону цели.

ВЧ поле вторичного излучения источника (5) опорного сигнала, мощность которого на десятки дБ меньше мощности ВЧ поля вторичного излучения цели, передается на несущей частоте и частотах гармоник, вызванные нелинейной нагрузкой стержневой антенны источника.

ВЧ поля цели и источника (5) принимают антенной (4).

Поляризация вторичного излучения цели, с помощью разделителя поляризации (3), делится на линейные ортогональные составляющие Е и Н. Фильтры ФНЧ 11 в плечах Е и Н разделителя поляризации выделяют из принятого ВЧ поля сигнал на несущей частоте, которые смесителями (8) преобразуются в промежуточную частоту, фильтруются фильтрами (9), усиливаются усилителями (10) и поступают на входы регистраторов амплитуды (13) и фазы (12).

С помощью фильтра ФГ (6) выделяется рабочая гармоника, например третья, делителем частоты (7) делится на три (восстанавливается до несущей частоты) и поступает на третий смеситель, который является опорным сигналом промежуточной частоты и после усиления третьим усилителем (10), поступает на опорные входы регистраторов фазы (12).

Разность фаз опорного сигнала и вторичного излучения цели не зависят от дальности - положения цели на электрической оси антенны (4) ППА, так как источник опорной фазы установлен на самой цели, зависит только от конфигурации ее поверхности и является фазой-аргументом элемента МРА.

Технический результат изобретения достигнут, т.к. уменьшена погрешность измерения фазы обратного вторичного излучения цели, закрепленной на мягкой подвеске, за счет одновременного измерения с помощью приемно-передающей антенны (4) диагональных элементов матрицы рассеяния.

Отличительные признаки формулы изобретения

Поляризатор (2), волноводный разделитель поляризации (3) ВЧ поля вторичного излучения цели, третий смеситель (8.3), третий фильтр промежуточной частоты (9.3), первый, второй и третий усилители промежуточной частоты (10.3), второй фильтр (11.2) несущей частоты, второй регистратор фазы (12.2) и второй регистратор (13.2) амплитуды.

ВЧ генератор (1), поляризатор (2), основное плечо волноводного разделителя поляризации (3) и приемно-передающая антенна (4), соединенные последовательно.

Выход первого ортогонального бокового (Е) плеча волноводного разделителя поляризации (3), первый фильтр (11.1) несущей частоты, первый смеситель (8.1), первый фильтр промежуточной частоты (9.1), первый усилитель (10.1) промежуточной частоты и вход первого регистратора фазы (12.1) соединены последовательно.

Выход второго ортогонального бокового (Н) плеча волноводного разделителя поляризации (3), второй фильтр (11.2) несущей частоты, второй смеситель (8.2), второй фильтр промежуточной частоты (9.2), второй усилитель (10.2) промежуточной частоты, вход второго регистратора фазы (12.2) соединены последовательно.

Выход первого ортогонального бокового плеча (Е) волноводного разделителя поляризации (3), фильтр рабочей гармоники (6), делитель частоты сигнала рабочей гармоники (7), третий смеситель (8.3), третий фильтр промежуточной частоты (9.3), вход третьего усилителя промежуточной частоты (10.3) соединены последовательно.

Вход первого регистратора амплитуды (13.1) включен между выходом первого усилителя (10.1) промежуточной частоты и входом первого регистратора фазы (12.1), а вход второго регистратора амплитуды (13.2) включен между выходом второго усилителя (10.2) промежуточной частоты и входом второго регистратора фазы (12.2).

Входы опорного сигнала двух регистраторов фазы (12.1 и 12.2) соединены с выходом третьего усилителя (10.3) сигнала промежуточной частоты, а входы гетеродинных сигналов всех смесителей (8.1, 8.2, 8.3) соединены с выходом гетеродина (14).

Волноводный разделитель поляризации (3) ВЧ поля вторичного излучения цели состоит из основного плеча волновода квадратного поперечного сечения с размерами, в котором могут распространяться только два основных типа волноводных волн Е10 и Е01, и двух ортогональных боковых плеч, выполненных на волноводах прямоугольного сечения с размерами, в которых могут распространяться только основные типы волноводных волн либо Е10, либо Е01, которые закреплены на ортогональных боковых стенках основного плеча разделителя поляризации и имеют с ним электрическую связь через выполненные в общих стенках отверстия связи, которые образуют два ортогонально (Е и Н) расположенных направленных ответвителя.

Приемно-передающая антенна (4) выполнена с полосой рабочих частот, у которой нижняя граница не выше частоты ВЧ генератора, верхняя - не ниже частоты рабочей гармоники.

1. Устройство для измерения элементов матрицы рассеяния, содержащее: генератор (1) монохроматических электрических колебаний высокой частоты (ВЧ), приемно-передающую антенну (4) ВЧ полей, фильтр несущей частоты (11.1), первый и второй фильтры (9.1 и 9.2) сигналов промежуточной частоты (ПЧ), первый и второй смесители (8.1 и 8.2), фильтр (6) сигнала рабочей гармоники несущей частоты, делитель (7) частоты сигнала рабочей гармоники, источник (5) опорного сигнала, гетеродин (14), фазовый (12.1) и амплитудный (13.1) регистраторы, радиолокационную цель (15), систему мягкой подвески цели, которая содержит две опоры (16), несущий трос (17), стропы крепления цели (18), стропы-оттяжки (19) вращения цели и поворотное устройство (20), причем источник (5) опорного сигнала закреплен на поверхности цели в точке на вертикальной оси, проходящей через ее центр масс, который содержит штыревую антенну, электрически соединенную с металлическим корпусом цели через диод (21), кроме того, цель (15) закреплена на системе мягкой подвески в дальней зоне приемно-передающей антенны (4), электрическая ось которой проходит через центр масс цели (5), отличающееся тем, что в него введены: поляризатор (2), волноводный разделитель поляризации (3) ВЧ поля обратного вторичного излучения цели, третий смеситель (8.3), третий фильтр промежуточной частоты (9.3), первый (10.1), второй (10.2) и третий (10.3) усилители промежуточной частоты, второй (11.2) фильтр несущей частоты, второй регистратор фазы (12.2) и второй регистратор (13.2) амплитуды, причем ВЧ генератор (1), поляризатор (2), основное плечо волноводного разделителя поляризации (3) и приемно-передающая антенна (4) соединены последовательно, кроме того, выход первого ортогонального бокового (Е) плеча волноводного разделителя поляризации (3), первый фильтр (11.1) несущей частоты, первый смеситель (8.1), первый фильтр промежуточной частоты (9.1), первый усилитель (10.1) промежуточной частоты и вход первого регистратора фазы (12.1) соединены последовательно, причем выход второго ортогонального бокового (Н) плеча волноводного разделителя поляризации (3), второй фильтр (11.2) несущей частоты, второй смеситель (8.2), второй фильтр промежуточной частоты (9.2), второй усилитель (10.2) промежуточной частоты, вход второго регистратора фазы (12.2) соединены последовательно, кроме того, выход первого ортогонального бокового плеча (Е) волноводного разделителя поляризации (3), фильтр рабочей гармоники (6), делитель частоты сигнала рабочей гармоники (7), третий смеситель (8.3), третий фильтр промежуточной частоты (9.3), вход третьего усилителя промежуточной частоты (10.3) соединены последовательно, причем вход первого регистратора амплитуды (13.1) включен между выходом первого усилителя (10.1) промежуточной частоты и входом первого регистратора фазы (12.1), а вход второго регистратора амплитуды (13.2) включен между выходом второго усилителя (10.2) промежуточной частоты и входом второго регистратора фазы (12.2), кроме того, входы опорного сигнала двух регистраторов фазы (12.1 и 12.2) соединены с выходом третьего усилителя (10.3) сигнала промежуточной частоты, а входы гетеродинных сигналов всех смесителей (8.1, 8.2, 8.3) соединены с выходом гетеродина (14).

2. Устройство для измерения элементов матрицы рассеяния по п.1, отличающееся тем, что волноводный разделитель поляризации (3) ВЧ поля вторичного излучения цели состоит из основного плеча волновода квадратного поперечного сечения с размерами, в котором могут распространяться только два основных типа волноводных волн Е10 и Е01, и двух ортогональных боковых плеч, выполненных на волноводах прямоугольного сечения с размерами, в которых могут распространяться только основные типы волноводных волн либо Е10, либо Е01, которые закреплены на ортогональных боковых стенках основного плеча разделителя поляризации и имеют с ним электрическую связь через выполненные в общих стенках отверстиях связи, которые образуют два ортогонально (Е и Н) расположенные направленные ответвителя.

3. Устройство для измерения элементов матрицы рассеяния по п.1, отличающееся тем, что приемно-передающая антенна (4) выполнена с полосой рабочих частот, у которой нижняя граница не выше частоты ВЧ генератора (1), верхняя - не ниже частоты рабочей гармоники.