доплеровская радарная система

Формула изобретения

1. ДОППЛЕРОВСКАЯ РАДАРНАЯ СИСТЕМА, содержащая приемную и передающую антенны, генератор низкой частоты, модулятор, первый вход которого подключен к выходу генератора низкой частоты, сверхвысокочастотный (СВЧ) генератор, вход которого соединен с выходом модулятора, а выход - с передающей антенной, смеситель, вход которого соединен с приемной антенной, усилитель низкой частоты, пороговый блок, вход которого подключен к выходу усилителя низкой частоты, исполнительный блок, отличающаяся тем, что, с целью повышения чувствительности и помехозащищенности, введены видеоусилитель, вход которого подключен к выходу смесителя, детектор огибающей, вход которого подключен к выходу видеоусилителя, а выход - к входу усилителя низкой частоты, блок контроля, вход которого соединен с выходом генератора низкой частоты, а выход - с вторым входом модулятора, блок фильтрации с прямоугольной полосой пропускания, вход и выход которого подключены соответственно к выходу порогового блока и входу исполнительного блока, а приемная и передающая антенна связаны между собой радиоканалом ближней связи.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что блок фильтрации с прямоугольной полосой пропускания содержит первый и второй счетчики импульсов, первый элемент И, выход которого подключен к входу установки в "0" первого счетчика, генератор импульсов, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика, первый, второй и третий триггеры, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой элементы И, первый, второй и третий элементы ИЛИ, при этом первый, второй и третий входы второго, третьего и четвертого элементов И подключены к соответствующим выходам первого счетчика импульсов, первый, второй и третий входы пятого элемента И подключены к соответствующим выходам второго счетчика импульсов, выходы второго, третьего, четвертого и пятого элементов И подключены соответственно к входу установки в "1" первого триггера, к входу установки в "1" второго триггера, к объединенным между собой входу установки в "0" третьего триггера и первого входа третьего элемента ИЛИ и входу установки в "1" третьего триггера, единичный выход первого триггера соединен с вторым входом шестого элемента И и первым входом седьмого элемента И, нулевой выход первого триггера соединен с первым входом восьмого элемента И и четвертым входом второго элемента И, единичный выход второго триггера соединен с первым входом шестого элемента И, нулевой выход второго триггера соединен с вторыми входами седьмого и восьмого элементов И и четвертым входом третьего элемента И, выход первого элемента И соединен с третьими входами шестого, седьмого и восьмого элементов И, выходы шестого и восьмого элементов И соединены с третьим и вторым входами третьего элемента ИЛИ соответственно, выход седьмого элемента И соединен с первыми входами первого и второго элементов ИЛИ и счетным входом второго счетчика импульсов, выход третьего элемента ИЛИ соединен с вторыми входами первого и второго элементов ИЛИ и входом установки в "0" второго счетчика импульсов, выходы первого и второго элементов ИЛИ соединены соответственно с входами установки в "0" первого и второго триггеров, единичный выход третьего триггера соединен с четвертым входом четвертого элемента И и является выходом блока фильтрации, а нулевой выход третьего триггера соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого является входом блока фильтрации, а счетный вход первого счетчика импульсов является входом подачи импульсов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для получения в отраженном сигнале информации о движении объекта.

Известна система, содержащая допплеровское радарное устройство, преобразователь, амплитудный детектор, компаратор, частотный фильтр.

Однако данная система имеет ограниченную чувствительность.

Известна также радиолокационная система обнаружения движущихся целей, содержащая генератор, смеситель, усилитель, устройство запоминания, счетное устройство и циркулятор.

Эта система также не обеспечивает высокую чувствительность и помехозащищенность.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой допплеровской радарной системе является система, содержащая генератор низкой частоты, модулятор, СВЧ-генератор, вход которого связан с выходом модулятора, а выход - с передающей антенной, приемную антенну, смеситель, низкочастотный усилитель, ключевую схему, интегратор, пороговое устройство, исполнительное устройство.

Однако эта система имеет те же недостатки, что и указанные выше. Это обусловлено тем, что в данной системе сигналы с выхода смесителя подаются сразу же на высокочастотный фильтр без предварительного усиления и далее через ключевую схему на вход интегратора. Это обстоятельство не обеспечивает эффективное (четкое) выделение сигнала Допплера, особенно, если принимается сильно ослабленный отраженный от объекта сигнал. Наряду с этим в системе не обеспечивается высокая помехозащищенность за счет использования фильтров с неидеальными параметрами характеристики полосы пропускания.

Целью изобретения является повышение чувствительности и помехозащищенности.

Это достигается тем, что усовершенствуется допплеровская радарная система, содержащая приемную и передающую антенны, генератор низкой частоты, модулятор, вход которого подключен к выходу генератора низкой частоты, СВЧ-генератор, вход которого связан с выходом модулятора, а выход - с передающей антенной, смеситель, входом подключенный к приемной антенне, усилитель низкой частоты, пороговое устройство, вход которого подключен к выходу усилителя низкой частоты, исполнительное устройство.

Отличительными признаками предложенной допплеровской радарной системы являются следующие.

Она содержит дополнительно видеоусилитель, входом подключенный к выходу смесителя, детектор огибающей, вход которого подключен к выходу видеоусилителя, а выход - к входу усилителя низкой частоты, блок контроля, вход которого подключен к выходу генератора низкой частоты, а выход - к второму входу модулятора, блок фильтрации с прямоугольной полосой пропускания, вход и выход которого подсоединены соответственно к выходу порогового устройства и к входу исполнительного устройства, приемная и передающая антенны связаны между собой с помощью радиоканала ближней связи.

Предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемой допплеровской радарной системы; на фиг. 2 - структурная схема одного из возможных вариантов блока фильтрации с прямоугольной полосой пропускания.

Допплеровская радарная система содержит генератор 1 низкой частоты, модулятор 2, генератор-СВЧ 3, смеситель 4, видеоусилитель 5, детектор огибающей 6, усилитель 7 низкой частоты, пороговое устройство 8, блок 9 фильтрации с прямоугольной полосой пропускания, исполнительное устройство 10, блок 11 контроля, передающую антенну 12, приемную антенну 13, радиоканал 14 ближней связи.

Выход генератора 1 подключен к входу блока 11 и входу модулятора 2, выход которого связан с входом генератора-СВЧ 3, передающая антенна 12 подсоединена к выходу генератора-СВЧ 3, приемная антенна 13 подключена к входу смесителя 4, выход которого подключен к входу видеоусилителя 5, выход которого подключен к входу детектора огибающей 6, выход детектора огибающей 6 связан с входом усилителя 7, выход которого подключен к входу порогового устройства 8, выход блока 11 контроля подключен к второму входу модулятора 2, вход и выход блока 9 фильтрации подключены соответственно к выходу порогового устройства 8 и к входу исполнительного устройства 10, а передающая антенна 12 и приемная антенна 13 связаны между собой радиоканалом 14 ближней связи.

Использование в предлагаемой системе блока 9 фильтрации с прямоугольной полосой пропускания позволяет существенно повысить помехозащищенность, точность и чувствительность системы.

Наиболее близким по технической сущности к описываемому блоку фильтрации является устройство, содержащее первый и второй счетчики, элемент И, подключенный выходом к входу установки в "0" первого счетчика, и генератор импульсов, выход которого связан со счетным входом первого счетчика.

Отличительными признаками предлагаемого блока фильтрации являются следующие.

Блок фильтрации содержит первый, второй и третий триггеры, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой элементы И, и первый, второй и третий элементы ИЛИ, при этом первый, второй и третий входы второго, третьего и четвертого элементов И подключены к соответствующим выходам первого счетчика, первый, второй и третий входы пятого элемента И подключены к соответствующим выходам второго счетчика, выходы второго, третьего, четвертого и пятого элементов И подключены соответственно к входу установки в "1" первого триггера, к входу установки в "1" второго триггера, к входу установки в "0" третьего триггера и первому входу третьего элемента ИЛИ, и ко входу установки в "1" третьего триггера, первый, второй и третий входы и выход шестого элемента И подключены соответственно к единичному выходу второго триггера, к единичному выходу первого триггера и первому входу седьмого элемента И, к третьим входам седьмого и восьмого элементов И и выходу элемента И, и к третьему входу третьего элемента ИЛИ, второй вход и выход седьмого элемента И подключены соответственно к нулевому выходу второго триггера, второму входу восьмого элемента И и четвертому входу третьего элемента И и к счетному входу второго счетчика и первым входам первого и второго элементов ИЛИ, первый вход и выход восьмого элемента И подключены соответственно к нулевому выходу первого триггера и четвертому входу второго элемента И и к второму входу третьего элемента ИЛИ, выход которого подключен к вторым входам первого и второго элементов ИЛИ и входу установки в "0" второго счетчика, выходы первого и второго элементов ИЛИ подключены соответственно к входу установки в "0" первого триггера и к входу установки в "0" второго триггера, единичный и нулевой выходы третьего триггера подключены соответственно к четвертому входу четвертого элемента И и шине подачи выходного сигнала и к первому входу элемента И, второй вход которого подключен к шине подачи выходного сигнала.

Блок 9 фильтрации с прямоугольной полосой пропускания (фиг. 2) содержит генератор 15 импульсов, первый счетчик 16 импульсов, второй счетчик 17 импульсов, первый триггер 18, второй триггер 19, третий триггер 20, элемент И 21, второй элемент И 22, третий элемент И 23, четвертый элемент И 24, пятый элемент И 25, шестой элемент И 26, седьмой элемент И 27, восьмой элемент И 28, первый элемент ИЛИ 29, второй элемент ИЛИ 30, третий элемент ИЛИ 31, шину 32 подачи входного сигнала, шину 33 подачи выходного сигнала, шину 34 подачи импульсов.

Выход генератора 15 импульсов подключен к счетному входу счетчика 16 импульсов и к шине 34 подачи импульсов, выход элемента И 21 подключен к входу установки в "0" счетчика 16 и третьим входам элементов И 26, 27, 28, первый, второй и третий входы элементов И 22, 23, 24 подключены к соответствующим выходам счетчика 16 импульсов, в четвертые входы элементов И 22, 23 - к нулевым выходам триггеров 18 и 19 соответственно, входы установки в "1" триггеров 18, 19, 20 подключены соответственно к выходам элементов И 22, 23, 25, а входы установки в "0" - соответственно к выходам элемента ИЛИ 29, элемента ИЛИ 30 и элемента И 24, первый, второй и третий входы и выход элемента ИЛИ 31 связаны соответственно с выходами элементов И 24, И 28, И 26 и с параллельно соединенными вторыми входами элементов ИЛИ 29, 30 с входом установки в "0" счетчика 17 импульсов. Выход элемента И 27 подключен к счетному входу счетчика 17, соответствующие выходы которого соединены с первым, вторым и третьим входами элемента И 25, единичные выходы триггеров 18, 19, 20 подключены соответственно к второму и первому входу элементов И 26 и И 27, к первому входу элемента И 26 и к соединенным между собой четвертому входу элемента И 24 и шине 33 подачи выходного сигнала. Нулевые выходы триггеров 18, 19, 20 подсоединены соответственно к первому входу элемента И 28, к вторым входам элементов И 27, 28, к первому входу элемента И 21, второй вход которого связан с шиной 32 подачи входного сигнала.

Устройство фильтрации частотных сигналов с прямоугольной полосой пропускания работает следующим образом.

В исходном состоянии счетчики 16, 17 и триггеры 18, 19, 20 обнулены. С подачей импульсов опорной частоты F_оп на вход счетчика 16 осуществляется их подсчет, а по существу суммирование периодов Т_оп опорной частоты. При этом импульсы опорной частоты F_оп могут подаваться на счетный вход счетчика 16 либо от генератора 15 импульсов, либо через шину 34 подачи импульсов от внешнего генератора. Входы элементов И 22, 23, 24 подключены к соответствующим выходам счетчика 16, а входы элемента И 25 - к соответствующим выходам счетчика 17. При этом задаются установки кода периода Т_в верхней частоты F_в заданной полосы пропускания (элемент И 22), кода периода Т_н нижней частоты заданной полосы пропускания (элемент И 23), заданной длительности сигнала управления исполнительным органом (элемент И 24) и заданного количества сигналов, прошедших в полосе пропускания (элемент И 25).

Указанные коды имеют значение "1" в тех разрядах, где имеет место подключение входа элемента И к соответствующему разряду счетчика. В разрядах, где отсутствует подключение, значения кодов равны "0". Сигналы входной частоты F_вх, которые проверяются на предмет нахождения их в заданной полосе пропускания, подаются на шину 32 и далее на вход элемента И 21. Если на другом входе элемента И 21. Если на другом входе элемента И 21 имеет место высокий уровень, задаваемый с нулевого выхода триггера 20, то сигналы F_вх проходят через элемент И 21, устанавливают счетчик 16 в нулевое состояние и подаются на третьи входы элементов И 26, 27, 28.

Если в момент подачи входного сигнала F_вх результат счета периодов опорной частоты меньше периода Т_в верхней частоты полосы пропускания Т_оп < Т_в, а на выход элемента И 28 проходит сигнал и далее через элемент ИЛИ 31 на вход установки в "0" счетчика 17, то счетчик 16 обнуляется и подсчет импульсов F_оп начинается сначала.

Если период входной частоты Т_вх больше периода Т_в верхней частоты полосы пропускания Т_вх > Т_в, то в момент достижения равенства Т_оп = Т_в на всех входах элемента И 22 имеют место высокие уровни напряжения и на его выход проходит сигнал, устанавливающий триггер 18 в единичное состояние. При этом с нулевого выхода триггера 18 на четвертый вход элемента И 22 подается низкий уровень напряжения, запрещающий прохождение сигналов через элемент И 22.

Если период входной частоты больше периода верхней частоты, но меньше периода нижней частоты Т_в < Т_вх < Т_н, т. е. выполняется условие нахождения входной частоты в пределах заданной полосы пропускания, то при подаче сигнала F_вх на шину 32 на выходе элемента И 27 вырабатывается сигнал. Это обусловлено тем, что на всех входах элемента И 27 имеют место высокие уровни сигналов - с единичного выхода триггера 18, с нулевого выхода триггера 19 и с выхода элемента И 21. Сигналы с выхода элемента И 27 поступают на счетный вход счетчика 17, где суммируются, и через элементы ИЛИ 29, 30 - на нулевые входы триггеров 18, 19.

Если период входной частоты больше периода нижней частоты Т_вх > Т_н, то в момент достижения равенства Т_оп = Т_н на всех входах элемента И 23 имеют место высокие уровни напряжения и на его выход проходит сигнал, устанавливающий триггер 19 в единичное состояние. При этом с нулевого выхода триггера 19 на четвертый вход элемента И 23 подается низкий уровень напряжения запрещающий дальнейшее прохождение сигналов на выход данного элемента. В момент подачи входного сигнала на шину 32 на выходе элемента И 26 в данном случае вырабатывается сигнал. Это обусловлено тем, что на всех входах элемента И 26 имеют место высокие уровни сигналов - с единичного выхода триггера 18, с единичного выхода триггера 19 и с выхода элемента И 21. Сигналы с выхода элемента И 26 через элемент ИЛИ 31 поступают на вход установки в "0" счетчика 17, обнуляя результат счета в нем. Обнуляется также результат счета в счетчике 16 и процесс счета начинается сначала. Сигналы с выхода элемента И 27, характеризующие нахождение входного сигнала в заданной полосе пропускания, поступают на счетный вход счетчика 17, где суммируются. При достижении суммой данных сигналов заданного значения на всех входах элемента И 25 имеют место высокие уровни напряжения и на его выход проходит сигнал, устанавливающий триггер 20 в единичное состояние. При этом на единичном выходе данного триггера появляется высокий уровень сигнала, который подается на четвертый вход элемента И 24 и на шину 33 и характеризует выходной сигнал управляющий исполнительным органом. С нулевого выхода триггера 20 в данном случае низкий уровень напряжения подается на вход элемента И 21, запрещая прохождение входных сигналов с шины 32 на выход элемента И 21.

Для задания длительности выходного сигнала, подаваемого на шину 33 используется элемент И 24, входы которого подключены к соответствующим выходам счетчика 16. В момент выработки переднего фронта выходного сигнала результат счета в счетчике 16 обнулен и в нем начинает осуществляться повторный счет. В момент достижения заданного кода длительности на всех входах элемента И 24 имеют место высокие уровни напряжения и на его выход проходит сигнал, который устанавливает триггер 20 в нулевое состояние и через элемент ИЛИ 31 обнуляет счетчик 17. При этом формируется задний фронт выходного сигнала на шине 33, запирается элемент И 24, отпирается элемент И 21 и процесс повторяется сначала.

Необходимо отметить, что для осуществления эффективной работы блока 9 фильтра с прямоугольной полосой пропускания в составе системы, значение частоты, поступающей на счетный вход счетчика 16 с выхода генератора 15 импульсов или равная ей через шину 34 от внешнего генератора, должно быть значительно больше значения частоты поступающей на вход блока 9 с выхода порогового устройства 8.

Допплеровская радарная система (фиг. 1) работает следующим образом.

Генератор 1 низкой частоты вырабатывает тактовые импульсы для управления модулятором 2 и блоком контроля 11. Модулятор 2 формирует заданные временные и амплитудные характеристики сигнала управления генератором 3-СВЧ и их стабилизацию. Сигналы с выхода генератора 3-СВЧ поступают на передающую антенну 12, которая излучает в пространство импульсные СВЧ-колебания с несущей частотой F_о. При этом часть излучаемой энергии за счет воздействия поля вокруг передающей антенны 12 (за счет конечной (заданной) развязки между приемным и передающим трактом) подается в приемную антенну 13 и с ее выхода на вход смесителя 4. Передача части энергии излучаемого поля от передающей антенны 12 непосредственно на приемную антенну 13 осуществляется через радиоканал 14 ближней связи. Радиоканал 14 ближней связи представляет собой эффективную электрическую связь через эфир между передающей 12 и приемной 13 антеннами, которая осуществляется за счет оптимального выбора формы и величин поверхностей антенн и расстояний между ними.

Сигналы, отраженные от движущихся объектов, воспринимаются приемной антенной 13 с допплеровской добавкой по частоте F_д, пропорциональной скорости перемещения в радиальном направлении к излучателю. С выхода антенны 13 принятые сигналы подаются на вход смесителя 4. Таким образом на вход смесителя 4 подаются два вида сигналов: с частотой F_o (излучаемые сигналы) и с частотой F_o + F_д (отраженные от движущегося объекта сигналы).

В этом случае на выходе смесителя 4 выделяется импульсный сигнал, модулированный по закону изменения частоты F_д. Далее сигнал с выхода смесителя 4 поступает на вход видеоусилителя 5, который осуществляет усиление импульсного сигнала на промежуточной частоте до величины, необходимой для работы детектора 6 огибающей.

На выходе детектора 6 огибающей происходит выделение напряжения модуляции, которое усиливается усилителем 7 низкой частоты до величины, определяемой пороговым устройством 8. При превышении заданного значения напряжением на входе порогового устройства 8 на его выходе появляется импульсный сигнал.

Таким образом, на выходе порогового устройства 8 имеет место импульсная последовательность с частотой Допплера (F_д).

Сигналы с выхода порогового устройства 8 поступают на вход блока 9 фильтра с прямоугольной полосой пропускания. В блоке 9 осуществляется обработка (селекция) сигналов по частоте и формирование сигнала напряжения управления исполнительным устройством 10. В блоке 9 реализуется прямоугольная полоса пропускания для заданного диапазона частот, характеризующих скорости движущихся объектов.

Если поступающий сигнал имеет частоту, находящуюся внутри заданного диапазона, то на выходе блока 9 вырабатывается соответствующий сигнал, подаваемый на вход исполнительного устройства 10. Если же частота подаваемого сигнала находится вне пределов заданного диапазона, то на выходе блока 9 не вырабатывается никаких сигналов. В блоке 11 осуществляется с помощью счетчика формирование периодических сигналов контроля, используемых для проверки работоспособности системы как в процессе непрерывной эксплуатации, так и при проведении профилактических штатных работ. С этой целью в модуляторе 2 предусмотрен ключевой элемент, осуществляющий переключение входных сигналов модуляции соответственно либо от генератора 1 низкой частоты либо от блока 11 контроля.

Используемый в системе генератор 3 представляет собой известный волноводный генератор на диоде Ганна, работающий в импульсном режиме с большой скважностью (Н. С. Давыдова, Ю. З. Данюшевский. Диодные генераторы и усилители СВЧ. "Радио и связь", 1986, с. 111-115).

Была проведена экспериментальная проверка работы предложенной допплеровской радарной системы. При этом генератор низкой частоты был реализован по схеме R-C генератора на элементах К561ТЛ1.

Модулятор реализован по схеме эмиттерного повторителя на элементах К561ТЛ1, К561ЛН2, КТ972А.

Волноводный генератор СВЧ выполнен с использованием диода Ганна.

Смеситель выполнен на детекторном СВЧ диоде 2А203А.

Видеоусилитель собран на элементах 159НТ1В.

Детектор огибающей собран по схеме однодиодного детектора на элементах 2Д522Б.

Усилитель низкой частоты собран по схеме 3-х каскадного усилителя на элементах К140УД3.

Пороговое устройство собрано по схеме триггера Шмитта на элементах К561ТЛ1.

Блок фильтрации собран на элементах К561ИЕ16, К561ИЕ10, К561ТЛ1, К561ЛН2.

Исполнительное устройство реализовано на элементах КТ3102ЕМ, РЭС-10, 2Д22Б, АЛ307БМ.

Блок контроля реализован с использованием элементов К561ИЕ10, К561ЛН2.

При проведении испытаний с помощью модулятора формировались заданные временные и амплитудные характеристики управления генератором СВЧ ( = 5 мксек, Т = = 750 мксек, И_имп = 9 В) и их стабилизация.

При этом генератор-СВЧ, выполненный на диоде Ганна, обеспечивал вместе с передающей антенной импульсные высокочастотные колебания с несущей частотой F_о.

В качестве движущегося объекта использовался вентилятор с металлизированной лопастью, расположенной на расстоянии 3-х метров от передающей антенны. При этом объект передвигался с переменной скоростью.

В процессе испытаний было установлено, что осуществляется уверенный прием отраженных от движущегося объекта сигналов, их выделение и обработка.

При заданной полосе пропускания частот, характеризующих соответствующий диапазон скоростей движущихся объектов зафиксировано прохождение сигналов на вход исполнительного устройства с частотами входящими в заданную полосу пропускания.

Сигналы же с частотами, выходящими за пределы заданной полосы пропускания, на вход исполнительного устройства не проходили.

Технико-экономическое преимущество предложенной системы по сравнению с известными вариантами заключается в том, что она с помощью простых средств обеспечивает существенное повышение чувствительности и помехозащищенности. Повышение чувствительности обусловлено обеспечением усиления сигналов с выхода смесителя и последующего выделения полезного сигнала. При этом осуществляется возможность уверенного выделения полезного сигнала особенно в тех случаях, когда имеет место прием сильно ослабленных отраженных от объекта сигналов. В известных же системах сигналы с выхода смесителя поступают сразу же на фильтр с последующим интегрированием, в результате чего снижается возможность уверенного выделения полезного сигнала из спектра других сигналов в том числе и от помех и от шумов.

Повышение помехозащищенности обусловлено тем, что в отличие от известных вариантов в предложенной системе реализуется идеально-прямоугольная характеристика полосы пропускания за счет использования специфического блока фильтра, что позволяет осуществить четкую селекцию сигналов. В результате сигналы помех и сигналы от объектов с другими скоростями движения, не входящими в заданный диапазон, не проходят на вход исполнительного устройства.

Наряду с этим обеспечивается существенное повышение точности в области верхней и нижней границ заданной полосы пропускания, что обеспечивает повышение помехозащищенности и чувствительности системы. (56) Патент США N 4131889, кл. GB 01 S 13/58, 1977.